BANDA LATERAL UNICA (BLU)José Juan Carlos Parada Leal, Yuseth Flórez Taborda, Facultad de Ingenierías y Arquitectura, departamento de Ingenierías Eléctrica, Electrónica, Sistemas y Telecomunicaciones, Ingeniería

en Telecomunicaciones, Universidad de Pamplona.

Resumen- ya desde 1914 se reconoció y comprendió matemáticamente la banda lateral única; sin embargo, no fue si no hasta 1923 que se otorgo la primera patente y se estableció un buen enlace de comunicaciones entre Inglaterra y Estados Unidos. Hay muchas clases distintas de sistemas de comunicaciones de banda lateral. Algunos de ellos conservan el ancho de banda, algunos conservan la potencia y otros mas conservan ambas cosas.

Palabras Claves: banda lateral única, sistemas de AM, multiplexado, portadora máxima de potencia, portadora suprimida, portadora reducida, banda lateral independiente, banda lateral residual, ahorro de energía, ahorro de banda ancha, desvanecimiento selectivo, reducción de ruido, receptores complicados, dificultades de sintonización,

I. INTRODUCCION

Los sistemas convencionales de comunicaciones de doble banda lateral de AM, tienen desventajas que los hacen ver ineficaces respecto a la potencia y al ancho de banda, que son las dos consideraciones más importantes al diseñar los sistemas modernos de comunicaciones electrónicas. En el presente trabajo se presentan varios sistemas de AM de banda lateral única, sus ventajas y desventajas su uso mas importante en los sistemas de banda lateral única con supresión de portadora es en comunicaciones de multicanal que emplean multiplexado por división de frecuencia (FDM, de frequency-division multiplexing), como lo son los sistemas telefónicos de larga distancia.

II. TIPOS

AM de banda lateral única y portadora de máxima potencia: la AM de banda lateral única y portadora de máxima potencia (SSBFC, de single-sideband full carrier) es una forma de modulación de amplitud en la que la portadora se transmite con potencia máxima, pero solo se transmite una de las bandas laterales. En consecuencia, las transmisiones SSBFC solo necesitan la mitad del ancho de banda que la AM convencional con doble banda lateral. En la fig.1se ve el espectro de frecuencias y la distribución relativa de potencia en el sistema SSBFC. La fig. 2 muestra la forma de una onda SSBFC modulada 100%, con una sola señal moduladora.

Figura. 1 Banda lateral única con portadora de máxima frecuencia.

Figura. 2 Forma de onda SSBFC, con modulación 100% de modulación.

AM de banda lateral única y portadora suprimida: la AM de banda lateral única y portadora suprimida (SSBSC, de single-sideband suppressed carrier) es una forma de modulación de amplitud en la que la portadora se suprime en su totalidad y se quita de las bandas laterales. Por consiguiente, en el SSBSC se requiere la mitad del ancho de banda que en la AM convencional de doble banda lateral, y bastante menos potencia de transmisión. El espectro de frecuencias y la distribución de potencia relativa en un SSBSC con transmisión de banda lateral superior se ve en la fig.3. se puede apreciar que la potencia de la banda lateral es el 100% de la potencia total trasmitida. En la fig.4 se ve una forma de onda de SSBSC cuando la señal moduladora es una sola frecuencia. Se ve que la forma de onda no es una envolvente, simplemente es una senoide de una sola frecuencia, igual a la frecuencia de la portadora mas la frecuencia de la señal moduladora, o la portadora menos la frecuencia de la señal moduladora, dependiendo de cual banda lateral se transmite.

Figura. 3 Banda lateral única con portadora suprimida.

Figura. 4 Forma de onda SSBSC.

AM de banda lateral única y portadora reducida: La AM de banda lateral única y portadora reducida (SSBRC, de sigle-sideband reduced carrier) es una forma de modulación de amplitud, en la que se quita totalmente una banda lateral y el voltaje de la portadora se reduce más o menos hasta el 10% de su amplitud no modulada. En consecuencia, hasta el 96% de la potencia total transmitida esta en la banda lateral no suprimida. Para producir un componente reducido de portadora, se suprime totalmente la portadora durante la modulación y después se vuelve a insertar con una amplitud reducida. Por lo anterior, a veces se dice que el sistema SSBRC es de banda lateral única y portadora reinsertada. Con frecuencia se llama portadora piloto a la portadora reinsertada, y se reinserta para fines de demodulación; el espectro de frecuencias y la distribución relativa de potencia para el SSBRC se ve en la fig. 5. Allí se ve que la potencia de la portadora constituye casi el 100% de la potencia transmitida.

Figura. 5 Banda lateral única con portadora reducida.

AM de banda lateral independiente: La AM de banda lateral independiente (ISB, de independent sideband) es una forma de modulación de amplitud en la que una sola frecuencia de portadora se modula en forma independiente con dos señales moduladoras diferentes. En esencia, el sistema ISB es una forma de transmisión de doble banda lateral en el que el transmisor consiste en dos moduladores independientes de banda lateral única y portadora suprimida. Un modulador sólo produce la banda lateral superior y el otro sólo la banda lateral inferior. Las señales de salida de banda lateral única procedentes de los dos moduladores se combinan para formar una señal de doble banda lateral, en la que las dos bandas laterales son totalmente independientes entre sí, excepto que son simétricas respecto a una

frecuencia portadora común. Una banda lateral está arriba de la portadora, en el espectro de frecuencias, y una está abajo. Para fines de demodulación, se reinserta la portadora generalmente con un nivel reducido, como en la transmisión SSBRC. La fig. 6 muestra el espectro de frecuencias y la distribución de potencia en ISB, la fig. 7 muestra la forma de onda transmitida para dos señales de información independientes, de una frecuencia

(f m1 y

f m2 ). Las dos señales de información tienen la misma frecuencia y, por tanto la forma de onda es idéntica a la de una doble banda lateral y portadora suprimida, pero con una rapidez de repetición igual a dos veces la frecuencia de la señal moduladora.

Figura. 6 Banda lateral independiente.

Figura. 7 Forma de onda ISB

AM de banda lateral residual: La AM de banda residual (VSB, de vestigial sideband)es una forma de modulación de amplitud donde se transmiten la portadora y una banda lateral de máxima potencia, pero sólo una parte de la segunda banda lateral. La portadora se transmite con potencia máxima. En el sistema VSB, las señales moduladoras, de menor frecuencia se transmiten en doble banda lateral, y las de mayor frecuencia se transmiten en banda lateral única. En consecuencia, las frecuencias menores pueden tener el 100% de modulación, mientras que las mayores no pueden alcanzar efecto mayor que el 50% de modulación. Así, las frecuencias moduladoras menores se hacen destacar y producen señales de mayor amplitud en el demodulador que las altas frecuencias. En el espectro de frecuencias y la distribución relativa de potencias en el sistema VSB se ven en la fig. 8 es probable que el sistema VSB mas conocido es el de la parte de imagen en las señales de televisión comercial, la FCC designa a ese sistema como A5C.

Figura. 8 Banda lateral residual.

III. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

VENTAJAS:

Ahorro de energía: En el caso normal, con transmisión de banda lateral única, sólo se transmite una banda lateral, y la portadora se suprime o se reduce bastante. En consecuencia, se necesita mucho menor potencia transmitida para producir esencialmente la misma calidad de señal en el receptor que la que se alcanza con la transmisión con portadora de máxima potencia y doble banda lateral. En la portadora están al menos las dos terceras partes de la potencia de una señal normal de AM con doble banda lateral y portadora de máxima potencia, y la potencia máxima contenida en cualquiera de las bandas laterales sólo es la sexta parte de la potencia total.

Ahorro de ancho de banda: En la transmisión de banda lateral única se requiere la mitad de ancho de banda que en la transmisión convencional de AM con doble banda lateral. Esto es una ventaja de bastante importancia en la actualidad, cuando el espectro de radiofrecuencias ya está sobresaturado. Al eliminar una banda lateral se reduce en realidad el ancho de banda necesario en un factor mayor que dos, porque la mayoría de las señales moduladoras, incluyendo las de audio, casi nunca llegan a 0 Hz (cd). Un límite inferior más práctico para las señales de audio es el de 300 Hz; así, un canal de audio de 3kHz en realidad tiene un ancho de banda aproximado de 2700 Hz (300 a 3000 Hz). En consecuencia, un canal de audio de 2700 Hz transmitido por un sistema de AM de doble banda lateral requería un ancho de banda de 6 kHz, mientras que la misma información de audio sólo requería 2700 Hz de ancho de banda, con un sistema de banda lateral única. Por consiguiente, el sistema con banda lateral única que se describió tiene un mejoramiento de nacho de banda igual a 10 log (6000/2700), o sea una reducción de 3.5 dB en la potencia de ruido. Una aproximación general del lado de la seguridad es que el ancho de banda se reduce 50% con la banda lateral única, respecto a la banda a la banda lateral doble, y eso significa un mejoramiento de 3 dB en la relación señal a ruido.

Desvanecimiento selectivo: En la transmisión con doble banda lateral, las dos bandas laterales y la portadora se pueden propagar con distintas trayectorias a través de los medios de transmisión y, en consecuencia, pueden sufrir distintos deterioros por transmisión. A este caso se le llama desvanecimiento selectivo. Un tipo de desvanecimiento selectivo se llama desvanecimiento de banda lateral. En ese caso se atenúa mucho una banda lateral. Esta pérdida da como resultado menor amplitud de señal a la salida del demodulador del receptor y, en consecuencia, una relación de señal a ruido menor en 3 dB. Esa pérdida causa cierta distorsión, pero no es muy perjudicial a la señal, porque las dos bandas laterales contienen la misma información. la forma mas común y mas grave de desvanecimiento selectivo es el desvanecimiento de amplitud de la portadora. La reducción de la intensidad de la portadora en una onda 100% modulada causa que el voltaje de portadora sea menor que la suma vectorial de las dos bandas laterales. En consecuencia, la envolvente parece la de una sobremodulación y causa distorsión grave en la señal demodulada. Una tercera causa de desvanecimiento selectivo es el desplazamiento de fase de la portadora o de la banda lateral. Cuando cambian las posiciones relativas de los vectores de la portadora y de la banda lateral en la señal recibida, se produce un cambio notable en la forma de la portadora, que causa una señal demodulada muy distorsionada

Reducción de ruido: En vista de que un sistema de banda lateral única usa la mitad del ancho de banda que la AM convencional, la potencia de ruido térmico se reduce a la mitad de la de un sistema con doble banda lateral. Si se toma en cuenta tanto la reducción de ancho de banda como la inmunidad frente al desvanecimiento selectivo, los sistemas SSB tienen una ventaja en relación de señal a ruido de unos 12 dB respecto a la AM convencional; es decir, un sistema convencional de AM debe transmitir una señal 12 dB mas potente, para alcanzar el mismo desempeño que un sistema comparable de banda lateral única.

DESVENTAJAS

Receptores complicados: los sistemas de banda lateral única requieren receptores más complejos y costosos que los convencionales de AM, porque la mayoría de las transmisiones con banda lateral única tienen portadora reducida o suprimida. Por lo anterior, no se puede usar detección de envolvente a menos que se regenere la portadora a un nivel suficiente. Los receptores de banda lateral única requieren un

circuito de recuperación y sincronización de la portadora.

Dificultades de sintonización: los receptores de banda lateral única requieren una sintonización más compleja y precisa que los receptores convencionales de AM. Esto es una desventaja para el usuario promedio. Esta desventaja se puede superar usando circuitos de sintonía mas exactos, complejos y costosos.

IV. ANALISIS MATEMATICO

Un modulador de AM es un modulador de producto; la señal de salida es el producto de la señal moduladora y de la portadora. En esencia, la portadora se multiplica por la señal moduladora.

vam( t )=[1+msen (2 πf m t )] [ Ec sen (2 πf c t )]En donde

1+msen(2 πf mt )= voltaje constante + señal moduladora.

Ec sen(2 πf c t )= voltaje de portadora no modulada.

Si se elimina el componente de la señal moduladora, entonces

vam( t )=[msen (2 πf m t )] [ Ec sen (2 πf c t )]Al hacer la multiplicación se obtiene

vm(t )=−mEc

2cos [2π ( f c+ f m) t ]

+mEc

2cos [2 π ( f c−f m) t ]

En donde

−(mEc/2)cos [2 π ( f c+f m) t ] = componente de frecuencia de lado superior.

+(mEc/2)=cos [2 π ( f c−f m) t ]= componente de frecuencia de lado inferior.Se puede ver en la operación matemática anterior que, si se quita el componente constante antes de hacer la multiplicación, el componente de portadora se quita de la onda modulada, y la señal de salida está formada tan sólo por dos ondas cosenoidales, una en la frecuencia de su

ma (f c+ f m=f bls)y la otra en la frecuencia

de diferencia (f c−f m=f fli ). En el

modulador se ha suprimido la portadora. Para convertir a banda lateral única sólo se quita la frecuencia de suma o la de diferencia.

V. GENERACION DE AM DE BANDA LATERAL UNICA

En las secciones anteriores se demostró que en la mayoría de los sistemas de banda lateral única, la portadora se suprime totalmente o se reduce a tan sólo una fracción de su valor original, y se quita una banda lateral. En consecuencia, se han desarrollado circuitos moduladores que en forma inherente quitan la portadora durante el proceso de modulación. Esos circuitos se llaman moduladores de portadora suprimida y doble banda lateral (DSBSC, de doublé-sideband suppressed-carrier). Un circuito que produce una señal DSBSC es un modulador balanceado. El modulador balanceado ha llegado a ser rápidamente uno de los circuitos mas útiles y muy usados en las comunicaciones electrónicas.

Figura.9 Modulador balanceado.

Figura.10 Forma de onda de salida del modulador balanceado.

VI. CIRCUITOS DE TRANSMISION Y RECEPCION

TRANSMISORES

Transmisor de banda latearl única método con filtro: la fig. 11 muestra un diagrama de bloques de un transmisor SSB que usa moduladores balanceados para suprimir la portadora indeseada, y filtros para suprimir la banda lateral indeseada.

Figura. 11 Transmisor de banda lateral única, método filtro.

Transmisor de banda lateral única método de desplazamiento de fase: con el método de desplazamiento de fase para generar banda lateral única (SSB), la banda lateral no deseada se anula en la salida del modulador y, en consecuencia, no es necesario un filtrado exacto. La fig. 12 muestra un diagrama de bloques de un transmisor de SSB donde se usa el método de desplazamiento de fase para quitar la lavanda lateral superior.

Figura. 12 Transmisor SSB método del desplazamiento de fase.

Transmisor de banda lateral única tercer método: El tercer método de generación de banda lateral única, desarrollado por D. K.

Weaver en la década de 1950, se parece al de desplazamiento de fase porque usa desplazamiento y suma de fase para anular la banda lateral no deseada. Sin embargo, tiene la ventaja de que la señal de información se modula al principio en una subportadora de audio, y se elimina así la necesidad de un desfasador de banda amplia ( un desfasador, o variador de fase, que debe desplazar la misma cantidad una banda de frecuencias, lo cual es difícil de fabricar en la practica). La fig. 13 muestra el diagrama de bloques del modulador SSB de tercer método. Figura. 13 Modulador de banda lateral única y

portadora suprimida tercer método.

Transmisor de banda lateral independiente: la fig. 14 muestra un diagrama de bloques de un transmisor de banda lateral independiente (ISB, de independent sideband) con tres etapas de modulación. Usa el método del filtro para producir dos canales de banda lateral única (canal A y canal B). los dos canales se combinan y a continuación se reinserta una portadora piloto. La forma de la onda ISB con portadora reducida se eleva a RF con dos etapas mas de traslación de frecuencia. Hay dos señales de información de 5 kHz que se originan en dos fuentes independientes. Las señales de información del canal A modulan a una portadora de baja frecuencia, de 100 kHz, en el modulador balanceado A. la salida del modulador balanceado Apasa por el filtro pasabanda (BPF) A, que se sintoniza a la banda lateral inferior (de 95 a 100 kHz). Las señales del canal B modulan la misma portadora de baja frecuencia de 100 kHz en el modulador balanceado B. la salida de este modulador B pasa por el BPF B, que se sintoniza a la banda lateral superior (de 100 a 105 kHz). Los dos espectros de frecuencia de banda lateral única se combinan en una red hibrida para formar un espectro compuesto ISB de portadora suprimida (de 95 a 105 kHz). La portadora de baja frecuencia de 100 kHz se reinserta en el sumador lineal para formar una forma de onda ISB de portadora reducida.

Figura. 14 Transmisor ISB.

RECEPTORES

Receptor BFO de banda lateral única: la fig. 15 muestra el diagrama de bloques de un sencillo receptor BFO no coherente de banda lateral única. El espectro seleccionado de radiofrecuencias se amplifica y a continuación se mezcla y reduce a frecuencias intermedias para su posterior amplificación y reducción de banda. La salida de la etapa amplificadora de frecuencia intermedia se heterodina (se pulsa) con la salida de un oscilador de frecuencia de pulso (BFO, de beat frequency oscillator). La frecuencia BFO es igual a la frecuencia intermedia de la portadora; de este modo, la diferencia entre las frecuencias intermedia y BFO es la señal de información.

Figura. 15 Receptor SSB BFO no coherente.

Receptor BFO coherente de banda lateral única: la fig. 16 muestra el diagrama de bloques de un receptor BFO coherente de banda lateral única. Este receptor es idéntico a la de la fig. 15, excepto que las frecuencias de oscilador local y BFO se sincronizan a los osciladores de portadora en el transmisor.

Figura. 16 Receptor SSB BFO coherente.

Receptor de detección de envolvente con banda lateral única: la fig. 17 muestra el diagrama de bloques de un receptor de banda lateral única que usa portadoras síncronas y detección de envolvente para demodular las señales recibidas.

Figura. 17 Receptor de banda lateral única con detección de envolvente.

Receptor de banda lateral única con portadora piloto en multicanales: la fig. 18 es un diagrama de bloques de un receptor SSB de portadora piloto multicanal, que usa un circuito de lazo de fase cerrada (PLL) para recuperación de portadora, y un sintetizador de frecuencia para producir frecuencias de oscilador local coherente y de pulso.

Figura. 17 Receptor SSB de portadora piloto y varios canales