Conjunto inalámbrico número 10

Antes de la Segunda Guerra Mundial , existían muchos sistemas para transmitir conversaciones telefónicas por radio , pero todos adolecían de una serie de problemas similares. ^{[ 3 ]}

La primera razón era que, para lograr una transmisión de largo alcance, estos sistemas debían operar a frecuencias relativamente bajas, en el rango de los kilohercios, o a frecuencias de onda larga algo más altas que pudieran aprovechar la ionosfera para " rebotar " sus señales. Una antena de radio debe tener un tamaño aproximado de un orden de magnitud respecto a la longitud de onda para ser eficiente y, en la práctica, suele dimensionarse exactamente a la mitad de la longitud de onda para formar un dipolo de media onda . Por lo tanto, estos sistemas utilizaban antenas muy grandes. ^{[ 4 ]}

Otro efecto radiofísico relacionado es la directividad de la antena, su capacidad para formar un haz de señal. Esto se relaciona con la resolución óptica , que mejora con el aumento del tamaño de la antena y disminuye con el aumento de la longitud de onda. Las longitudes de onda relativamente largas de las señales dificultaban el enfoque sin recurrir a enormes conjuntos de antenas, y en muchos casos dichas señales se transmitían de forma omnidireccional o semidireccional. Esto significaba que las señales podían ser recibidas por estaciones terrestres distintas de la prevista, a veces a miles de kilómetros de distancia, lo que provocaba interferencias. Para las comunicaciones militares seguras, dicho sistema presentaba inconvenientes evidentes. ^{[ 3 ]}

Finalmente, la cantidad de información que puede transmitir una señal de radio depende de su ancho de banda . Una conversación telefónica podría funcionar con un ancho de banda de tan solo 4  kHz, pero a 150  kHz esto representa un ancho de banda fraccional bastante grande. Dependiendo del diseño de la antena y el receptor, el rango de frecuencias que se pueden recibir de manera eficiente puede limitar la comunicación a una o dos conversaciones. ^{[ 5 ]}

Todos estos problemas se reducen al utilizar longitudes de onda más cortas. En el período inmediatamente anterior a la guerra se realizaron numerosos experimentos con tubos de vacío más modernos que podían operar en la banda de muy alta frecuencia (VHF). AT&T lideró varios de estos esfuerzos, incluyendo un sistema que operaba a 150  MHz. Esto permitió enfocar la señal con mayor precisión, y el mayor ancho de banda permitió transmitir una docena de líneas utilizando el mismo equipo empleado para multiplexar llamadas en la red de telefonía fija existente. Incluso en esta etapa temprana, Bell Labs observó que el sistema sería mucho más efectivo en longitudes de onda centimétricas y elaboró ​​una ilustración de un sistema con antenas de bocina que podía transmitir cientos de llamadas. El inicio de la guerra interrumpió los experimentos posteriores. ^{[ 3 ]}

Se habían experimentado sistemas de mayor frecuencia, pero estaban significativamente limitados por la baja potencia de los tubos de microondas de la época. Un sistema experimental de 1931 a través del Canal de la Mancha produjo solo 0,5  W de salida y no se utilizó comercialmente. ^{[ 6 ]} Un sistema comercial le siguió en 1935, ^{[ 7 ]} pero si bien la  frecuencia de 300 MHz se consideraba microondas en ese momento, hoy se conocería como UHF . También se llevaron a cabo varios experimentos similares en Alemania, principalmente por Telefunken , pero se vieron obstaculizados por los bajos niveles de potencia y su sistema multicanal nunca se desarrolló con éxito. Al final de la Segunda Guerra Mundial habían construido una red, que finalmente alcanzó los 70 000 kilómetros (43 000 millas) , utilizando enlaces de un solo canal y antenas muy altas. ^{[ 8 ]} 

Como parte del desarrollo del radar , los primeros años de la Segunda Guerra Mundial propiciaron un rápido desarrollo de la electrónica y las técnicas de frecuencia de microondas . Uno de los avances clave fue la introducción del magnetrón de cavidad en 1940. ^{[ 9 ]}

Una de las razones del intenso interés en las microondas fue el problema del tamaño de las antenas; en la región VHF, las antenas de radar tenían longitudes del orden de metros, lo que dificultaba su uso en cazas nocturnos . En contraste, el magnetrón producía longitudes de onda de 9  cm, con antenas de la mitad de esa longitud. Esto significaba que podían caber fácilmente dentro del área de la nariz de un caza nocturno . Un simple dipolo de media onda tiene poca directividad, pero una vez más, las longitudes de onda cortas ayudaron, ya que una disposición de enfoque adecuada utilizando una antena parabólica de aproximadamente un metro de ancho redujo el ancho del haz a unos 5 grados. Esto hizo que el sistema fuera mucho más útil; no solo se enfocaba la energía de radio en un área pequeña y, por lo tanto, producía reflexiones mucho más fuertes, sino que esas reflexiones también podían ubicarse con precisión en el espacio moviendo el reflector para apuntar al objetivo. ^{[ 10 ] [ a ]}

El potencial del magnetrón en las comunicaciones se comprendió desde el principio, pero en este ámbito presentaba un problema importante. En la mayoría de los sistemas de radio de la época, la señal de audio y la señal portadora de radiofrecuencia se generaban por separado y luego se mezclaban para producir una señal modulada en amplitud que posteriormente se amplificaba para su transmisión. Esto requería un amplificador capaz de generar un rango de frecuencias de salida, al menos tan amplio como el ancho de banda de la señal de audio. El magnetrón no lo permitía; producía una única frecuencia que dependía de su construcción física, definida por el número y el tamaño de los orificios perforados en él. No existía forma de modular la salida mediante una señal independiente. ^{[ 11 ]}

General Electric Company (GEC) entregó los primeros magnetrones de producción en 1940. La modulación por ancho de pulsos (PWM) se adaptaba casi perfectamente a la transmisión mediante magnetrón. Si bien el magnetrón no podía modularse de forma continua en amplitud o frecuencia, podía encenderse y apagarse muy rápidamente; esta cualidad lo hace útil para el radar, donde se requieren pulsos cortos. Para transmitir comunicaciones, la señal de audio original se enviaba a un codificador PWM cuya salida pulsada se amplificaba y se utilizaba como fuente de alimentación para el magnetrón. El resultado era una serie de pulsos de microondas que representaban la señal de audio. Al recibirse, la cadena de pulsos se enviaba a un circuito que promediaba la energía total recibida, reproduciendo el audio para su salida. ^{[ 1 ]}

Como los pulsos eran bastante cortos en comparación con el  tiempo de muestreo de 9 kHz, gran parte de la señal estaba vacía. Esto se podía aprovechar fácilmente utilizando otro codificador PWM y retrasando ligeramente sus pulsos para que sus señales se enviaran después de la primera. Esto resolvió el problema de la multiplexación de múltiples señales en una sola conexión. Anteriormente, los sistemas telefónicos lograban esto con la multiplexación por división de frecuencia , desplazando cada uno de los canales por una frecuencia portadora diferente para que todos pudieran transmitirse al mismo tiempo, de la misma manera que muchas estaciones de radio pueden compartir las ondas en diferentes "canales". Como el magnetrón no podía cambiar su frecuencia, que se basa en su construcción física, esta técnica no funcionaría. Con PWM, las señales se distribuían en el tiempo en lugar de en la frecuencia. Esto convierte al Número 10 en el primer sistema de multiplexación por división de tiempo (TDM) del mundo. ^{[ 2 ]}

El primer diseño conceptual, presentado en 1941, era para un sistema semidúplex de un solo canal . Este funcionaría como un equipo de radio convencional, donde los usuarios en ambos extremos de una conexión debían hablar por turnos al compartir un solo canal. A medida que continuaba el desarrollo, se crearon filtros precisos capaces de separar claramente dos frecuencias de microondas muy próximas. Esto dio lugar a una nueva versión que utilizaba frecuencias separadas para la transmisión y recepción, lo que permitía el funcionamiento dúplex completo, aunque con el pequeño inconveniente de que se requerían dos magnetrones y dos antenas. Este cambio no fue difícil; el radar GL Mk. III, introducido recientemente , también utilizaba antenas separadas para la transmisión y recepción y se adaptó fácilmente a la nueva función. ^{[ 2 ]}

Los primeros equipos experimentales llegaron en julio de 1942 y se utilizaron en un enlace de dos etapas entre Horsham y el número 64 de Baker Street en Londres. Posteriormente se realizaron pruebas sobre el agua entre Ventnor, en la Isla de Wight , y Beachy Head, en la costa sur. A principios de 1944 se envió una orden de producción. ^{[ 12 ]}

El primer uso operativo se produjo poco después del Día D, cuando el transceptor de Beachy Head fue trasladado a Cherburgo . A medida que los Aliados avanzaban por Europa, se crearon repetidores conectando dos remolques n.º 10 espalda con espalda mediante cableado telefónico convencional, lo que permitió retransmitir mensajes a distancias mayores. Donde había líneas terrestres de larga distancia disponibles, se utilizaron para extender las conexiones entre estaciones. ^{[ 12 ]}

El resultado fue una red de líneas fijas y equipos del número 10 que finalmente se extendió desde Alemania hasta Londres. ^{[ 12 ]} En abril y mayo de 1945, una red de siete repetidores conectó al 21.er Grupo de Ejércitos con sus diversos cuarteles generales de campaña. ^{[ 13 ]} Los equipos tuvieron un éxito rotundo. En toda la guerra, el cuartel general del mariscal de campo Bernard Montgomery perdió la línea directa con Londres durante tan solo una hora. ^{[ 12 ]}

En los interrogatorios posteriores a la guerra, los ingenieros de radio alemanes se jactaron de haber podido captar señales británicas con facilidad. Un examen minucioso de estas afirmaciones reveló que las comunicaciones del Número 10 no solo nunca habían sido interceptadas, sino que los alemanes desconocían por completo su existencia. ^{[ 12 ]}

Durante el final de la guerra, el tubo klistrón también mejoró hasta convertirse en un sistema útil. A diferencia del magnetrón, el klistrón es un verdadero amplificador que acepta una señal de entrada de baja potencia en un rango de frecuencias y la emite con una potencia mucho mayor. Esto permitió construir sistemas de comunicaciones mediante multiplexación por división de frecuencia. Dado que esta técnica ya se utilizaba ampliamente en telefonía con conexiones de cable coaxial , Bell Labs seleccionó esta solución para su red TD-2 , que se construyó en Estados Unidos a principios de la década de 1950 y en muchos otros países a finales de la misma década. ^{[ 3 ]}

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• "Modulación por ancho de pulso: descripción de los principios básicos" (PDF) . Wireless World . Diciembre de 1945. págs. 361–362 . 
• "Equipo del Ejército n.° 10: Ondas centimétricas, modulación de pulsos, multicanal" (PDF) . Wireless World . Diciembre de 1945. págs. 383–384 . 
• Butement, WAS (junio de 1946). "Modulación de pulsos multicanal: detalles de la estación inalámbrica del ejército n.° 10" (PDF) . Wireless World . págs. 187–192 . 
• Marsh, Allison (31 de octubre de 2018). "Desde el radar de la Segunda Guerra Mundial hasta las palomitas de maíz para microondas, el magnetrón de cavidad estuvo presente" . IEEE Spectrum .
• Dickieson, Alton (octubre de 1967). "La historia del TD2" . Bell Laboratories Record .
• Lovell, Bernard (1991). Ecos de guerra: La historia del radar H2S . CRC Press. ISBN 0852743173.