En los primeros días de la radio se trasmitía información en telegrafía. El método consistía en interrumpir la señal portadora de acuerdo a los puntos y rayas a transmitir. De igual manera surgió la idea de transportar información de voz por radio y la primera opción sería modular la amplitud de la onda portadora para que siguiera la forma de onda de la señal de audio. Esta forma de transmitir se llama “Amplitud Modulada” y se abrevia como AM.
Fig 1. Modulacion de amplitud.
¿Pero cómo conseguir AM?, es decir cómo lograr controlar la amplitud de la onda portadora de acuerdo a la información de audio.
Un trasmisor en general consta de un oscilador cuya señal es amplificada, generalmente por un tubo electrónico (o modernamente transistores) para que suministre la potencia deseada. El amplificador final necesita una alimentación de potencia de entrada para poderla convertir en una potencia de radio frecuencia. La fuente de corriente continua suministra un voltaje constante al tubo de salida. El voltaje se suministra a la placa del tubo por lo que se habla de voltaje de placa. El voltaje de placa tiene valores altos, 600 a 800 voltios para potencias de menos de 100 vatios, alrededor de 2000 para potencia de 100 a 1000 vatios y valores como 4000 en transmisores de varios kilovatios. Cuando se usan transistores en vez de tubos, el voltaje equivalente que sería el voltaje de colector es de 12 voltios para potencias inferiores a 100 vatios y aumenta q 50 o 70 voltios para potencias superiores al kilovatio.
Para modular en AM, la idea básica seria modificar el voltaje de placa de acuerdo al audio. La forma de hacerlo es meter un transformador entre la fuente de alimentación y la conexión de placa del tubo final. El transformador hace parte de un amplificador de señales de audiofrecuencia. En esta condiciones el voltaje de placa será el valor del voltaje de CC suministrado por la fuente + – el voltaje del transformador de audio. Se puede observar que el sistema de audio debe suministrar la mitad de potencia suministrada al tubo cuando no está siendo modulado.
Fig. 2 Diagrama en bloques de un transmisor de AM
De todas maneras el sistema funciona y así se logró tener transmisores de AM de diferentes potencias y este método de transmisión fue le preferido hasta los años 60. Sin embargo había dificultades e inconvenientes para tener este modo de transmisión que motivó la creación de otros métodos. Entre los inconvenientes estaban:
– Se necesitaba un amplificador de audio para conseguir la mitad de potencia deceada en el transmisor. Esto significa que si queremos tener un transmisor de 100 watios debemos disponer de un amplificador de audio de 50 vatios, si pensáramos en un kilovatio en audio necesitaríamos 500 vatios de potencia de audio.
– Los amplificadores de audio necesitan transformadores de núcleo de hierro lo cual los hace pesados a medida que necesitemos más potencia. Como el secundario del transformador final de audio estaba conectado al alto voltaje de placa (600, 2000, 4000 voltios) era necesario que el transformador tuviera un excelente alistamiento para esta tensiones. Esto hacia que le transformador final de audio fuera voluminoso y costoso.
– En general el amplificador de audio necesario para modular la tensión de placa del transmisor resulta muy costoso y pesado afectando el costo del transmisor. Hubo algunos intentos de solución si en vez de modular la placa del tubo se modulara el cátodo o la pantalla del tubo amplificador final. Modular el cátodo no aporta mucho ya que de todas formas vamos a necesitar la mitad de potencia en audio.
Modular en pantalla luce interesante porque la pantalla con muy baja potencia puede controlar toda la potencia que maneja la placa, sin embargo presenta inconvenientes que impidieron que esta técnica se popularizara. Los principales inconvenientes están en que la pantalla no logra controlar toda la potencia del tubo por lo cual la modulación de amplitud no se puede lograr al 100 % lo que repercute en rendimiento del equipo, lo otro es que el control por pantalla no es lineal lo que causa distorsión en la modulación.
La forma de modulación AM que hemos hablado se conocen como modulación a alto nivel ya que se modulan grandes potencias en la etapa final del transmisor. Existe también la opción de modular la portadora de muy poca potencia, por ejemplo la que sale del oscilador local del trasmisor o VFO. Esta potencia es de menos de un vatio y modularla en amplitud no es problema. La señal de baja potencia ya modulada se la podemos entregar a un amplificador de radiofrecuencia que nos dé a la salida la potencia que deseamos. Esto es factible pero se requiere que el amplificador final tenga lo que se llama “linealidad” es decir que el amplificador amplifique fielmente (lineal) la señal que se da a la entrada. El problema es tener un amplificador de potencia con la suficiente linealidad que amplifique fielmente lo que se llama la envolvente de portadora.
Lo que sucede es que los amplificadores de potencia son diseñados principalmente para lograr la máxima potencia de salida sacrificando la fidelidad. Los amplificadores finales con tubos o transistores se operan, por lo general, en lo que se conoce como amplificadores clase C los cuales son muy eficientes en la generación de potencia pero muy poco lineales por lo que no son adecuados para amplificar señales ya moduladas en AM.
Los amplificadores pueden ser implementado en lo que se llama clase B o AB los cuales tienen mejor fidelidad (linealidad) pero son menos eficientes en generación de potencia. En los transmisores modernos usados por los radioaficionados conservan la opción de generar AM a bajo nivel y luego es amplificada por los transistores finales operando en clase AB. El amplificador final puede generar por ejemplo 100 vatios en SSB o CW pero cuando opera en AM a lo sumo suministra 25 vatios, es decir ¼ del rendimiento en SSB o CW.
Estudiando las posibilidades de transmitir voz modulando una onda portadores se encontraron algunos detalles que se usaron para mejorar el sistema.
El análisis de señales moduladas en amplitud se compone de una portadora y dos bandas laterales. La portadora es constante en amplitud y consume la mitad de la potencia transmitida. La información (voz) esta contenida en las dos bandas laterales.
La primera opción fue suprimir la transmisión de la portadora y enviar solo las dos bandas laterales. El sistema es conocido como DSB del inglés Double Side Band equivalente a doble banda lateral. Al suprimirse la portadora toda la potencia amplificada se destina a las bandas laterales lo que significa una eficiencia del doble (100 %) comparado con AM (con portadora).
Cuando no se habla, no hay bandas laterales. Esto produce una ventaja adicional a las transmisiones de DSB con portadora suprimida ya que cuando no se habla no hay consumo de potencia. Cuando se transmite voz hablada la información no es continua sino que se dice una palabra seguida por pausas de silencio, esto se considera en el amplificador como un ciclo de trabajo, es decir transmite y no transmite por intervalos de tiempo. Si consideramos un periodo de tiempo largo entonces tenemos una potencia media que es menor que la potencia usada en los momentos que transmitimos. La potencia media será menor dependiendo de cuantos tiempo permanece sin transmitir debido a las pausas.
El ciclo de trabajo se tiene en cuenta en el diseño de los amplificadores finales. El elemento usado en el amplificador, tubo o transistor, tiene por construcción un máximo valor de potencia que puede manejar y tiene un factor de disipación de potencia que determina cuanta potencia debe disiparse (generalmente en forma de calor) para evitar el daño del componente. Teniendo en cuenta el ciclo de trabajo, el amplificador puede ser diseñado para aprovechar el máxima potencia que pueda suministrar durante los periodos de transmisión pero manteniendo la disipación baja debido a que la potencia media es mucho menor.
La generación de DSB con portadora suprimida es fácil de generar usando lo que se llama un modulador balanceado que es un circuito simple, puede ser generada en la frecuencia de trabajo y aun a cualquier frecuencia. Pero la información contenida en las dos bandas laterales son idénticas por lo que solo necesitamos transmistir una de las dos bandas laterales.
Una banda lateral tiene un ancho de banda igual al ancho de banda de la voz que se transmite. Si el rango de voz es de 30 a 3 kHz entonces el ancho de banda de una banda lateral será de 3 kHz. Una transmisión en DSB necesita dos veces 3 kHz es decir 6 kHz. Si podemos transmitir una sola banda lateral entonces necesitaríamos únicamente 3 kHz y consumiríamos la mitad de la potencia comparado con trasmitir dos bandas laterales.
Transmitir con una sola banda lateral se abrevia con el nombre SSB correspondiente al ingles Single Side Band y hay dos variantes dependiendo si transmitimos la banda lateral inferior conocida como LSB (low side band) o la banda superio USB (Uper side band).
Indudablemente transmitir una sola banda lateral tiene muchas ventajas pero el problema que enfrentaron los diseñadores era lograr circuitos que produjeran una sola banda lateral. Hay dos circuitos básicos para producir una sola banda lateral: el método de fases y el uso de filtros. Existe un tercer método muy parecido al método de fases.
El método de fases es muy difícil de implementar por lo que casi no se usa en la actualidad en parte a que el uso de filtros es casi el estándar para producir una sola banda lateral. El método de filtro es relativamente sencillo, se usa un circuito que produzca DSB (modulador balanceado) y luego se pasa por un filtro generalmente de cristales de cuarzo (filtro mecánico) que tiene un ancho de banda pasante (atenúa frecuencias que estén arriba o abajo del ancho de banda) de 3 kHz que deja pasar una banda lateral y atenúa fuertemente a la otra.
Los filtros mecánicos es un componente costoso pero muy eficiente que permitio la popularización del SSB. Por normalización se utiliza banda lateral inferior LSB para transmisiones por debajo de 10 MHz y por encima de 10 MHz se utiliza banda lateral superior USB.
Los transmisores modernos traen la opción de transmitir en cualquiera de las dos modalidades LSB o USB para lo cual existen dos opciones. Tener un oscilador a una frecuencia fija, pasarlo por un modulador balanceado para generar DSB y luego escoger un filtro que permita la banda superior o un segundo para la banda lateral inferior, el problema es que el costo del filtro es alto y tener dos lo hace mas costoso. La segunda opción es usar un solo filtro que tiene un ancho de banda de 3 kHz. Como ejemplo deigamos que tenemos un filtro centrado en la frecuencia de 9.000 kHz (9 MHz) con 3 kHz de ancho de banda. Este filtro permite el paso de frecuencias entre 8.998.500 a 9.001.500 kHz, frecuencias fuera de este rango se atenúan fuertemente.
Si el oscilador y modulador balanceado operan a 8.998.500 kHz exactos, el filtro dejara pasar la banda lateral superior y tendremos USB, pero si cambiamos el oscilador a 9.001.500 kHz entonces el filtro dejara pasar la banda lateral inferior.
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