Tema 4. Medios de Transmisión Guiados PDF

Tema 4. Medios de Transmisión Guiados Centro Universitario de la Defensa Curso: 2024-25 Índice 1. Introducción 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación Distorsión Ruido 3. Medios guiados Tecnologías para la Defens...

Tema 4. Medios de Transmisión Guiados Centro Universitario de la Defensa Curso: 2024-25 Índice 1. Introducción 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación Distorsión Ruido 3. Medios guiados Tecnologías para la Defensa Par trenzado Cable coaxial Fibra óptica 2 1. Introducción ▪ El canal de comunicación es el medio de transmisión por el que viaja la señal con información que el transmisor envía al receptor. ▪ Clasificación de los medios de transmisión: Par trenzado Guiados Cable coaxial Tecnologías para la Defensa Tema 4 Fibra óptica No guiados Transmisión inalámbrica Tema 5 3 2. Perturbaciones introducidas por el canal El canal de transmisión introduce perturbaciones en la transmisión de la información. Las perturbaciones que introduce el canal son: Atenuación: La potencia de la señal que llega al receptor es inferior a la potencia de la señal transmitida. Tecnologías para la Defensa Distorsión: La forma de la señal que llega al receptor es distinta a la forma de la señal transmitida. Ruido: A la señal transmitida se le añade durante su transmisión ruidos e interferencias 4 indeseadas. 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación ▪ Al transmitir una señal por un canal, se va reduciendo su potencia conforme se propaga, por lo que potencia de la señal recibida (𝑃𝑟𝑥 ) es inferior a la potencia de la señal transmitida (𝑃𝑡𝑥 ). A este efecto se le denomina atenuación. 𝑃𝑡𝑥 Canal de 𝑃𝑟𝑥 Transmisor Receptor Tecnologías para la Defensa transmisión Causas: disipación, radiación, absorción… ▪ La atenuación se expresa en escala logarítmica, y se mide en decibelios. 5 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación ▪ Matemáticamente, la atenuación se calcula como: 𝑃𝑟𝑥 𝐿 𝑑𝐵 = −10 log10 𝑃𝑡𝑥 ▪ Operando, podemos expresar la potencia recibida como: 𝐿 Tecnologías para la Defensa −10 𝑃𝑟𝑥 = 𝑃𝑡𝑥 ⋅ 10 Ejercicio: Si un transmisor transmite a 10W y el canal presenta una atenuación de 43 dB. ¿Qué potencia se recibe? 6 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación Atenuación Medio de Transmisión Frecuencia (dB / km) Par trenzado 10 kHz 2 100 kHz 3 300 kHz 6 Cable coaxial (1 cm de diámetro) 100 kHz 1 1 MHz 2 Tecnologías para la Defensa 3 MHz 4 Cable coaxial (1,5 cm de diam.) 100 MHz 1,5 Guía de onda rectangular (5 x 2,5 cm) 10 GHz 5 Guía de onda helicoidal (5 cm de 100 GHz 1,5 diámetro) Fibra óptica 3,6 x 1014 Hz 2,5 2,4 x 1014 Hz 0,5 7 1,8 x 1014 Hz 0,2 2. Perturbaciones introducidas por el canal Distorsión ▪ Un canal introduce distorsión cuando la señal recibida no conserva la misma forma que la señal transmitida. ▪ Hay varios tipos de distorsión: Distorsión lineal – Distorsión de amplitud: El canal no es plano en frecuencia y “atenúa” más unas frecuencias que Tecnologías para la Defensa otras. – Distorsión de fase: El canal introduce un retardo distinto a cada frecuencia, desfasando unas frente a otras. Distorsión no lineal: El canal introduce nuevas 8 frecuencias. 2. Perturbaciones introducidas por el canal Distorsión Lineal en Amplitud (ejemplo): Señal transmitida: La señal tiene 3 componentes espectrales en las frecuencias: 𝑓0 , 3𝑓0 y 5𝑓0. 1 1 |𝑋 𝑓 | 𝑥 𝑡 = cos 2𝜋𝑓0 𝑡 − cos 6𝜋𝑓0 𝑡 + cos(10𝜋𝑓0 𝑡) 3 5 t 𝑓0 3𝑓0 5𝑓0 𝑓 Tecnologías para la Defensa Señal recibida con distorsión: La primera componente espectral se atenúa (se multiplica por 0,5) y las otras dos no. |𝑋 𝑓 | t 9 𝑓0 3𝑓0 5𝑓0 𝑓 𝟏 1 1 𝑥′ 𝑡 = cos 2𝜋𝑓0 𝑡 − cos 6𝜋𝑓0 𝑡 + cos(10𝜋𝑓0 𝑡) 𝟐 3 5 2. Perturbaciones introducidas por el canal Distorsión Lineal en amplitud: Ecualización La distorsión lineal en amplitud se corrige mediante una técnica denominada ecualización y que consiste en amplificar selectivamente las frecuencias atenuadas, compensando la distorsión lineal introducida por el canal. El Cable presenta distorsión lineal de amplitud, ya que la atenuación Ecualizador Tecnologías para la Defensa aumenta con la frecuencia. El Ecualizador amplifica más las frecuencias altas compensando Cable + Ecual este efecto. Cable El Sistema Resultante es plano en frecuencia (sin distorsión) en la banda de interés (0 – 100 MHz). 10 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido ▪ El ruido es una señal aleatoria que se suma a la señal recibida (señal transmitida tras sufrir la atenuación y distorsión del canal). ▪ El ruido está provocado por el movimiento aleatorio de los electrones de un conductor, tanto en el receptor como en el propio canal (por ejemplo, si el canal es un cable). Ejemplo: Ruido en una señal de ECG. Señal sin ruido Señal con ruido 11 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido ▪ El tipo de ruido más común es el ruido blanco gaussiano (AWGN). Gaussiano: valores que toma siguen una distribución en forma de campana de Gauss. Blanco: Todas las componentes espectrales del ruido poseen la misma potencia. Función densidad de probabilidad de la señal de ruido 1 𝑣−𝜇 2 − 𝑓 𝑣 = 𝑒 2𝜎2 𝜎 2𝜋 𝜇 = 0 [𝑉] Densidad espectral de potencia de la señal de ruido 12 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido ▪ Relación señal a ruido (SNR): Proporción entre la potencia de la señal que se recibe y la potencia del ruido a la entrada del receptor: Potencia Señal SNR = 10 log10 Potencia Ruido ▪ Cuanto mayor sea la SNR, mejor es la transmisión (tanto Tecnologías para la Defensa analógica como digital): Sistema analógico: SNR entrada Rx SNR salida Rx Sistema digital: SNR entrada Rx BER salida Rx 13 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido Señal a la salida del receptor con Señal transmitida SNR Rx Canal de Fuente Transmisor Receptor Destino transmisión Tecnologías para la Defensa Mensaje: Señal de información Señal a la entrada del receptor analógica (voz) con SNR entrada Rx 14 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido Señal transmitida Salida del receptor: …1 0 0 1… con su BER asociada Canal de Fuente Transmisor Receptor Destino transmisión Tecnologías para la Defensa Mensaje: …1 1 0 1… Señal a la entrada del receptor con SNR entrada Rx 15 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación de 10dB en señal de audio: Tecnologías para la Defensa Distorsión lineal de ampl. (se eliminan componentes espectrales > 2 KHz o < 100 Hz) 16 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido (SNR = 10 dB): 17 2. Perturbaciones introducidas por el canal Atenuación de 10dB en señal digital: Tecnologías para la Defensa Distorsión lineal de ampl. (se eliminan componentes espectrales > 2 KHz o < 100 Hz) 18 2. Perturbaciones introducidas por el canal Ruido (SNR = 10 dB): Tecnologías para la Defensa Distorsión lineal con ruido 19 3. Medios guiados: Par Trenzado ▪ Un par trenzado (twisted pair) consiste en dos conductores eléctricos aislados (normalmente cables de cobre) que están entrelazados entre sí de forma helicoidal. ▪ ¿Por qué se entrelaza? Porque dos conductores metálicos en paralelo se comportan como una antena: Sensibles a interferencias externas de otros dispositivos e interferencias de otros cables cercanos (diafonía). Provocan interferencias. ▪ El entrelazado disminuye este comportamiento como “antena” por Tecnologías para la Defensa lo que reduce el efecto de las interferencias externas y la diafonía. ▪ El par trenzado se suele agrupar en cables de varios pares. Cables para redes Ethernet tienen 4 pares Mangueras con cientos de pares telefónicos 20  3. Medios guiados: Par Trenzado ▪ Existen varios tipos de par trenzado en función de si llevan un apantallamiento metálico, que es una medida adicional frente a interferencias y ruidos. ▪ UTP (Unshielded Twisted Pair): UTP – No lleva ningún apantallamiento. – El más habitual por su maleabilidad, facilidad de instalación y bajo coste. Tecnologías para la Defensa ▪ STP (Shielded Twisted Pair): STP – Cada par del cable dispone de un recubrimiento metálico. – Tiene mayor coste y es más complejo de instalar. ▪ FTP (Foiled Twisted Pair): FTP – Solución intermedia entre UTP y STP. 21 – Un único recubrimiento común a todos los pares del cable. 3. Medios guiados: Par Trenzado ▪ Por otro lado, hay normas que definen varias categorías de par trenzado en función de las prestaciones que consiguen: Ancho de Categoría Aplicación (redes Ethernet) banda (MHz) 100Base-TX (100 Mbps, 100 5 100 metros) 100Base-TX (100 Mbps, 100 5e 100 metros) Tecnologías para la Defensa 1000Base-T (1 Gbps, 100 m) 6 250 10GBase-T (10 Gbps, 55 m) 6a 500 10GBase-T (10 Gbps, 100 m) 7 600 10GBase-T (10 Gbps, 100 m) 8.1 2000 40GBase-T (40 Gbps, 30 m) 8.2 2000 40GBase-T (40 Gbps, 30 m) 22 3. Medios guiados: Par Trenzado ¿A que nos referimos con ancho de un medio de transmisión? ▪ El concepto de ancho de banda también se aplica al canal de transmisión y corresponde a la longitud del rango de frecuencias del medio de transmisión por el que se puede transmitir adecuadamente (con poca atenuación): Cuanto mayor sea el ancho de banda, mejor es el medio Tecnologías para la Defensa de transmisión. En transmisión inalámbrica, el espectro disponible para transmitir está regulado y dividido en bandas. Cada una de ellas de un ancho de banda determinado, con el objeto de evitar interferencias. ▪ Para transmitir una señal por un canal, es necesario que el 23 ancho de banda del canal sea igual o superior al ancho de banda de la señal. 3. Medios guiados: Par Trenzado Principales aplicaciones del par trenzado Red telefónica: Conexión del punto de acceso de usuario a la central de telefonía. Redes de área local cableada: Los equipos se interconectan mediante cables de red con 4 pares trenzados en su interior. Tecnologías para la Defensa – Se usa el estándar de red Ethernet. – El conexionado se realiza mediante conectores RJ-45 con dos posibles configuraciones: o TIA-568A / TIA-568B 24 3. Medios guiados: Cable Coaxial ▪ Dos conductores concéntricos separados por un material dieléctrico aislante y protegidos con una cubierta exterior. Conductor exterior Conductor interior Cubierta protectora Dieléctrico ▪ Mejora las prestaciones del par trenzado: mayor ancho de Tecnologías para la Defensa banda disponible y mayor inmunidad frente a interferencias y ruido permite alcanzar mayores distancias y tasas de transmisión. ▪ Se usa en aplicaciones que requieran transmitir señales de gran ancho de banda con una elevada inmunidad frente al ruido: distribución de señal de TV, alimentación de antenas… ▪ Actualmente está siendo sustituida por la fibra óptica en algunas 25 de estas aplicaciones (por ejemplo, para dar acceso a Internet). 3. Medios guiados: Cable Coaxial Las partes principales de un cable coaxial son: ▪ Conductor interior – Transporta la señal de información. ▪ Conductor exterior – Evita que la señal del conductor interior se radie al exterior. – Protege de interferencias al conductor interior. ▪ Dieléctrico Tecnologías para la Defensa – Evita que ambos conductores entren en contacto. ▪ Cubierta protectora – Protege frente a agentes ambientales externos. La atenuación y protección frente a interferencias dependen de parámetros como: grosor del conductor interior, grosor del 26 conductor exterior, tipo de material del dieléctrico y grosor del dieléctrico. 3. Medios guiados: Cable Coaxial ▪ Existe una gran variedad de tipos de cable coaxial en función de su grosor o ancho de banda ▪ Algunos de estos tipos están estandarizados y se refieren con la sigla RG seguida de un número. Por ejemplo: Núcleo Dieléctrico Diámetro Tipo (mm) (mm) exterior (mm) RG-6 1,024 4,7 7,62 RG-11 1,63 7,2 10,5 Tecnologías para la Defensa RG-58 0,81 2,9 5,0 RG-59 0,64 3,7 6,1 RG-178 7 x 0,1 0,84 1,8 RG-188 7 x 0,16 1,52 2,54 RG-213 7 x 0,75 7,2 10,3 RG-316 7 x 0,16 1,5 2,6 27 3. Medios guiados: Cable Coaxial Principales aplicaciones del cable coaxial ▪ Alimentación de antenas: Conexión de un transmisor/receptor radio con su antena correspondiente. El cable coaxial se suele emplear para este propósito en el rango de 50 MHz – 10 GHz. ▪ Distribución de señal de televisión terrestre y por satélite: La señal procedente de la antena de TV en cada casa se lleva al receptor a través de un cable coaxial. Tecnologías para la Defensa 28 3. Medios guiados: Fibra Óptica ▪ Medio de transmisión capaz de transmitir por su interior un haz de luz introducido en uno de sus extremos. Cubierta Núcleo Revestimiento Tecnologías para la Defensa ▪ La fibra está compuesta de 3 partes: i. Núcleo: Parte central de la fibra por donde se conduce la señal luminosa. La luz queda confinada en el núcleo debido a las sucesivas reflexiones que se producen con el revestimiento conforme se propaga. 29 El núcleo es de sílice con un índice de refracción nn 3. Medios guiados: Fibra Óptica ii. Revestimiento: Su función es confinar el haz de luz dentro del núcleo. Es también de sílice, pero con un índice de refracción nr menor que el del núcleo (nr < nn) lo que favorece la reflexión de la luz y que esta quede confinada en el núcleo. iii. Cubierta protectora: Protege a la fibra de agentes ambientales externos. Tecnologías para la Defensa 30 3. Medios guiados: Fibra Óptica ▪ La transmisión de información por la fibra óptica está limitada por dos efectos: dispersión y atenuación. i. La DISPERSIÓN es una distorsión característica de las fibras ópticas que provoca el ensanchamiento de los pulsos de luz conforme se propagan por la fibra. Este ensanchamiento supone un compromiso entre la longitud de la fibra y la tasa de transmisión que se puede alcanzar. Mayor longitud mayor ensanchamiento Tecnologías para la Defensa 5 km de fibra 10 km de fibra 1 ns 2 ns 3 ns Si aumentamos la tasa de transmisión los pulsos duran menos se entremezclan con más facilidad 31 1 0 1 3. Medios guiados: Fibra Óptica ii. Respecto a la ATENUACIÓN, esta va a depender de la longitud de onda de trabajo y de la longitud de la fibra. Igual que en el resto de los medios guiados, la atenuación se expresa en dB / unidad de longitud (habitualmente, dB / km). La transmisión en la fibra óptica se realiza en un conjunto de longitudes de onda fijas, denominadas ventanas, donde la atenuación es más favorable: Tecnologías para la Defensa Atenuación (dB/km) 1ª ventana 2ª ventana 3ª ventana 1ª ventana: Atenuación plana, lo que garantiza que no haya distorsión de amplitud. 2ª ventana: Atenuación baja (entre 0,4 dB/km y 0,8 dB/km) y plana. 3ª ventana: Atenuación baja (0,2 dB/km) y plana. 32 850 1310 1550 Longitud de onda (nm) 3. Medios guiados: Fibra Óptica ▪ Como la luz es una onda electromagnética, su propagación por la fibra se puede analizar resolviendo una ecuación de onda obtenida a partir de las ecuaciones de Maxwell. ▪ La luz se puede propagar por la fibra siguiendo: i. Un único camino, ii. Múltiples caminos simultáneamente. Estos caminos se denominan MODOS. Tecnologías para la Defensa ▪ Según el número de modos, las fibras se clasifican en: Fibras monomodo (la luz sigue un solo camino). Fibras multimodo de índice gradual (la luz sigue múltiples caminos). 33 3. Medios guiados: Fibra Óptica Fibra multimodo de índice gradual revestimiento nr núcleo nn tiempo tiempo Índice de refracción Pulso de luz a la Pulso de luz a la del núcleo y entrada de la salida de la fibra recubrimiento fibra Índice de refracción del núcleo disminuye con la distancia al Tecnologías para la Defensa centro. El índice de refracción del revestimiento es constante. Diámetro típico de núcleo: 62,5 / 50µm. Diámetro típico de revestimiento: 125µm. El índice de refracción variable en el núcleo busca que los modos que corresponden a trayectorias de menor distancia vayan más lentos que los que recorren más distancia, para conseguir que 34 todos lleguen a la vez y reducir así la dispersión modal (dispersión causada porque unos modos llegan antes que otros). 3. Medios guiados: Fibra Óptica Fibras monomodo nr revestimiento núcleo nn tiempo tiempo Índice de refracción del núcleo y Pulso de luz a la Pulso de luz a la recubrimiento entrada de la salida de la fibra fibra Tecnologías para la Defensa Índice de refracción uniforme en núcleo y revestimiento, con nr< nn. Diámetros típicos de núcleo y revestimiento de 9µm y 125µm. Acoplamiento de la luz a la fibra complejo: siempre se emplea láser como fuente de luz. Por la fibra viaja un único modo: no hay dispersión modal. Permite alcanzar distancias y tasas de transmisión mucho más 35 elevadas que las fibras multimodo, por lo que usa en enlaces de redes troncales (se alcanzan Tbps en decenas / centenas de km).  3. Medios guiados: Fibra Óptica Fuentes de luz LED LASER Menor potencia lumínica (orden de µW). Mayor potencia lumínica (orden de mW). Menor capacidad de focalizar la luz en Mayor capacidad de focalizar la luz en una dirección: peor para introducir luz en una dirección: mejor para introducir luz fibras con núcleos estrechos. en fibras con núcleos anchos. Más barato. Más caro. Tecnologías para la Defensa Se emplea en fibras multimodo. Se emplea en fibras multimodo y monomodo. 36 3. Medios guiados: Fibra Óptica Ventajas de la fibra óptica Elevado ancho de banda: del orden de varios THz, que permite tasas de transmisión muy elevadas (decenas de Gbps) y la multiplexación de gran cantidad de señales. Atenuación muy baja: permite enlaces de centenares de kilómetros sin necesidad de regenerar la señal. Peso y dimensiones muy reducidos: en comparación con el Tecnologías para la Defensa cableado de cobre, el peso es aproximadamente una décima parte, lo que facilita su instalación y manejo. Flexibilidad: En la actualidad hay ya fibras que permiten ángulos de curvatura elevados. Aislamiento electromagnético total: La fibra es inmune a interferencias, diafonías o cualquier otra perturbación 37 electromagnética. 3. Medios guiados: Fibra Óptica Seguridad: la fibra óptica no emite ningún tipo de radiación, por lo que no se puede detectar, y no se puede “pinchar” para obtener la información que se transmite por su interior. Inconvenientes de la fibra óptica Es el medio guiado más frágil, por lo que las fibras se suelen agrupar en mangueras con un núcleo metálico que sirve de protección mecánica. Tecnologías para la Defensa Coste: los equipos optoelectrónicos que se emplean en los transmisores / receptores (LED, laser, fotorreceptor) son más caros que los de la electrónica de comunicaciones convencional. Empalmes difícilmente realizables, especialmente en trabajos de campo, lo que complica el proceso de reparación 38 frente a roturas.  Repaso 1. Un par trenzado es: a) Un par de cables aislados y entrelazados helicoidalmente. b) Utilizado en cables Ethernet. c) Utilizado en aplicaciones que no requieran transmitir señales de gran ancho de banda con una elevada inmunidad frente al ruido. d) Las respuestas a, b, c y d son correctas. 2. ¿Qué son los conectores RJ? a) Son los conectores más empleados con par trenzado. b) Es el conector preferido para cables coaxiales. Tecnologías para la Defensa c) Es un conector de fibra óptica. d) Es un conector de guías de microondas. e) Las respuestas a, b, c y d son incorrectas. 3. Consiste en un par de hilos de cobre entrelazados entre sí, con el objetivo de reducir la diafonía: a) Cable coaxial. b) Fibra óptica. 39 c) Par trenzado. d) Las respuestas a, b y c son falsas.  Repaso 4. Indique cuál de los siguientes medios es guiado: a) Microondas. b) Fibra óptica. c) Cable coaxial. d) Par trenzado. e) Las respuestas a, b, c y d son medios guiados. 5. La diafonía: a) Es típica de la fibra óptica. b) Puede aparecer en el par trenzado. Tecnologías para la Defensa c) Se debe a un acoplamiento óptico entre dos circuitos que hace que la señal de uno de los circuitos aparezca en el otro. d) Ninguna de las anteriores es cierta 6. Una fibra óptica de 100 km presenta una atenuación de 0,3 dB/km. Si se emplea para transmitir un láser de potencia 3 mW, ¿cuál es la potencia que llegaría al receptor? 40