ASPECTOS GENERALES SOBRE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

CAPITULO 1
ASPECTOS GENERALES SOBRE
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
En este capítulo se describen, en términos generales, las características de
diferentes tipos de líneas de transmisión, aplicaciones y rangos de frecuencias en
los cuales operan cada una de las líneas mencionadas.
Adicionalmente, se
explicarán
en
algunas
unidades
de
medidas
empleadas
sistemas
de
telecomunicaciones, las cuales son utilizadas para indicar ganancia o atenuación en
cualquier etapa del mismo.
1.1. Tipos de líneas de transmisión.
Se entiende por línea de transmisión cualquier medio que guíe la onda
electromagnética de un punto a otro. De esta manera existen muchos tipos de
líneas de transmisión.
Entre las líneas de transmisión mas conocidas se
encuentran:
- Par Trenzado.
El par trenzado utiliza dos cables estándar que se aíslan por separado y se
entrelazan conjuntamente. Está protegido por una capa exterior de aislante
denominada cubierta o camisa. Es relativamente barato y fácil de instalar. Debido a
que es el mismo tipo de cable que se emplea en los sistemas telefónicos, también
puede utilizarse para formar la red de sistemas de información. La desventaja del
par trenzado es su ancho de banda estrecho. Si las velocidades de transmisión son
mayores de 1 Mbps y los tendidos de cable son mayores de 500 metros, entonces el
par trenzado es un medio pobre. El par trenzado blindado se hace con mayor
precisión que un par trenzado regular, soportándo mayores velocidades de
4
transmisión y mayores tendidos de cable, hasta 10 Mbps y más de 1000 metros,
respectivamente.
- Par Trenzado Apantallado (STP, Shielded Twisted Pair).
Este tipo de cable está formado por grupos de dos conductores cada uno con su
propio aislante trenzados entre sí y rodeados de una pantalla de material conductor,
recubierta a su vez por un aislante. Cada grupo se trenza con los demás que forman
el cable y, el conjunto total se rodea de una malla conductora y una capa de aislante
protector. Esta disposición reduce las interferencias externas, las interferencias
entre pares y la emisión de señales producidas por las corrientes que circulan por el
cable. En la figura 1.1, se puede apreciar un cable par trenzado apantallado de 4
pares.
Figura 1.1. Par Trenzado de 4 pares.
- Par Trenzado sin pantalla (UTP, Unnhielded Twisted Pair).
En este tipo de cable, los conductores aislados se trenzan entre sí en pares y
todos los pares del cable a su vez. Esto reduce las interferencias entre pares y la
emisión de señales. Estos cables se utilizan, sobre todo, para los sistemas de
cableado integral, combinando telefonía y redes de transmisión de datos.
- Cable Coaxial.
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El término coaxial quiere decir eje común ya que un cable coaxial está formado
por un cable, denominado conductor, rodeado por un blindaje trenzado que sirve
como tierra. El conductor y la tierra están separados por un aislante grueso y todo
el cable está protegido en su parte externa por una camisa aislante formado así
cuatro capas concéntricas.
En la figura 1.2 se ilustra este tipo de línea de
transmisión.
El cable coaxial presenta una amplia variedad de tipos y espesores. El más
grueso transporta señales sobre distancias mayores que un cable delgado. No
obstante, el cable coaxial más grueso no puede utilizarse en instalaciones en donde
el mismo tenga que meterse por cajones existentes, tuberías con espacio limitado o
por rincones angostos.
Figura 1.2. Cable coaxial
Entre las aplicaciones de las líneas coaxiales se tienen: la interconexión de un
transmisor
de radiofrecuencias
a
una
antena
para
emitir
dichas
ondas
electromagnéticas al espacio y en conexiones de redes.
Dentro de los cables coaxiales se encuentran los twinaxiales, los cuales son una
variación del coaxial que dispone de dos conductores centrales envueltos cada uno
en un aislante. Se utiliza en instalaciones de redes de tipo anillo.
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- Cable de fibra óptica
El cable de fibra óptica utiliza un medio ya sea de plástico o de fibra de vidrio
para transportar las señales de luz. Aunque el plástico es más duradero en lo que
respecta a su flexión, el vidrio proporciona una atenuación menor (es decir, perdida
de potencia) de la señal transmitida. El vidrio también tiene ancho de banda más
amplio y permite velocidades de transferencia de datos mayores que el plástico. Los
cables ópticos van desde cables sencillos de una fibra, hasta cables complejos de
18 fibras con cubierta. Un cable de 18 fibras puede proporcionar nueve canales de
transmisión dúplex simultáneamente. La figura 1.3 muestra un cable de fibra óptica
típico.
Los cables de fibra óptica ofrecen muchas ventajas con respecto a los cables
conductores eléctricos metálicos. Tienen un ancho de banda más amplio que los
conductores metálicos. Se han alcanzado velocidades de datos de hasta 10 bits por
segundo con fibras ópticas ultrapuras, en tanto que el par trenzado telefónico
generalmente está limitado a velocidades de 9600 a 14400 bps. Además, la fibra
óptica permite mezclar en un solo conductor la transmisión de voz, video y datos.
Los cables de fibra óptica pueden tenderse en ambientes con ruido eléctrico
debido a que la energía óptica no se ve afectada por la radiación electromagnética.
No producen interferencia debido a que no generan radiación electromagnética. Por
lo tanto, se pueden tender fibras múltiples en un solo cable.
Figura 1.3. Cable de Fibra Optica.
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- Espacio Libre
Las ondas de radio fueron el primer medio utilizado para transmitir información y
gracias a los avances tecnológicos como la telefonía celular y el auge de los
equipos portátiles, se están convirtiendo en uno de los medios de transmisión más
utilizados en la actualidad.
La tecnología de transmisión por microondas está siendo cada vez más utilizada
en la construcción de redes privadas. Los sistemas más nuevos de microondas
operan en el rango de 60 GHz del espectro de ondas electromagnéticas. La IEEE
presenta una serie de normas referidas a la capa f’sica de los sistemas de redes
inalámbricas y da la convergencia de las mismas hacia la Internet inalámbrica,
empleando microondas en las bandas de 2- 4 GHz, 11 GHz, 38-40 GHz y los 60
GHz, tanto en bandas licenciadas como no licenciadas, lo cual da una nueva
aplicación al espacio libre como línea de trransmisión.
Las microondas ofrecen características que a menudo las hacen más atractivas
que los sistemas locales basados en cable, especialmente en áreas metropolitanas.
Una banda de microondas de 18 GHz puede llevar varios canales de 1.5 Mbps que
soportan simultáneamente la transmisión de voz y datos. Además, la instalación es
mucho más rápida que los sistemas basados en cable. El espacio ya no es un
problema debido a que las antenas típicas de microondas tienen menos de 50 cm
de diámetro y los aditamentos electrónicos asociados pueden caber en una caja a
prueba de intemperie de menos de 40 cm por lado. No obstante, los operadores de
sistemas de microondas aún requieren una licencia por parte de la Comisión
Federal de Comunicaciones.
Un ejemplo de transmisión en espacio libre por microondas se muestra en la
figura 1.4, para una sistema de recepción de TV por satélite.
8
Figura 1.4. Sistema de recepción de TV por satélite.
- Microcintas
Corresponde a otro tipo de línea de transmisión, en la cual, la línea de material
conductor está montada sobre un substrato de material dieléctrico, con diferentes
tipos de configuraciones, según se desee la radiación del campo. Es empleada
para transmisión a bajas potencias, generalmente para acoples de equipos de
microondas de estado sólido. También tienen amplia aplicación en sistemas de
comunicaciones satelitales, para amplificadores de bajo ruido, pues a frecuencias
tan altas la mayoría de componentes son propensos a presentar ruido. Un ejemplo
de este tipo de líneas se muestra en la figura 1.5.
Línea conductora
Substrato
εo,µo
t
h
εr,µo
w
Figura 1.5. Línea de transmisión de microcinta.
Una comparación entre algunos de los tipos de líneas citados anteriormente es
presentado por la Globalnet en la tabla 1.1, donde se dan algunas especificaciones
técnicas que pueden orientar la aplicación o el uso de la línea en particular.
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Tabla 1.1. Comparación de diferentes tipos de cables.
COMPARACION DE CABLES
Características
Coaxial thinnet
(10Base2)
Coaxial thicknet
(10Base5)
Par trenzado
Fibra óptica
(10BaseT)
Costo del cable
Mas caro que el
par trenzado
Mayor que el
thinnet
Menos caro
Más caro
Máxima
longitud del
cable
185 metros (607
pies)
500 metros (1640
pies)
100 metros (328
pies)
2 kilómetros
(6562 pies)
Rango de
transmisión
10 Mbps.
10 Mbps.
10 Mbps.
100 Mbps. o mas
Flexibilidad
Bastante flexible
Menos flexible
El mas flexible
No flexible
Facilidad de
instalación
Fácil de instalar
Fácil de instalar
Muy fácil de
instalar
Difícil de instalar
Susceptibilidad
de interferencia
Buena resistencia
a la interferencia
Buena resistencia
a la interferencia
Susceptible a la
interferencia
No susceptible a
la interferencia
Características
especiales
Componentes
electrónicos
menos caros que
el para trenzado
Componentes
electrónicos
menos caros que
el para trenzado
El mismo cable
que el del
teléfono. A
menudo preinstalado en los
edificios
Soporta voz,
datos y video.
Preferencia de
usos
Sitios medianos a
grandes con
necesidades de
alta seguridad
4-100 Mbps.
UTP en sitios con Cualquier tamaño
pequeño
de instalación que
presupuesto.
requiera alta
velocidad de
STP token Ring
datos, así como
de cualquier
seguridad.
tamaño
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1.2 Unidades de Medida en Microondas.
En los sistemas de comunicaciones se utilizan relaciones entre magnitudes
eléctricas ubicadas en algunos puntos de las etapas del sistema, los cuales
expresan una medida de ganancia o atenuación del mismo.
Estas relaciones
pueden ser de potencia, voltaje o corriente. Por ejemplo si la entrada del sistema es
P1 y la salida P2, se tiene:
P1
P2
SISTEMA
SI
P1
> 1 Hay atenuación
P2
SI
P1
< 1 Hay ganancia
P2
Generalmente estas relaciones adimensionales son expresadas en escala
logarítmica. Las razones para el empleo de esta escala son; primero a que en las
escalas no lineales, pequeñas variaciones en el eje de las x cercanas al origen,
producen pequeñas grandes en y, pero muy lejos del origen, grandes variaciones de
x producen pequeñas variaciones de y; es decir, se pueden apreciar pequeñas
variaciones de los valores a medir, a través del empleo de estas escalas. Otra
razón, se debe al hecho que la respuesta de los sentidos humanos es proporcional
al logaritmo decimal de la potencia del estímulo que la produce, siempre
manteniendo constante la frecuencia. Además al expresarlo de esta manera se
reduce la complejidad de las operaciones de cálculo de ganancias o pérdidas en los
sistemas al emplear las propiedades de los logaritmos.
Por ejemplo, para un
sistema como el mostrado en la figura 1.6
d
T
PTX
GT
GR
R
PRX
Figura 1.6. Ejemplo de un sistema de transmisión
11
La ecuación de potencia recibida en escala decimal está expresada por
2
 P G  λ GR 

PR =  T T2 
 4πd  4π 
Mientras que en escala logarítmica la misma queda expresada como
 λ 
PR = PT + GT + GR + 20 * Log 

 4πd 
De esta manera se pueden expresar las relaciones de niveles de entrada en
términos de logaritmos apareciendo algunas unidades de trabajo, tales como: el Bell
y el Neper, los cuales se definen a continuación:
Bell: Unidad adimensional que expresa la relación logarítmica decimal en base diez
de la potencia medida entre dos puntos.
De esta manera
P 
X ( Bell ) = Log10  S 
 Pe 
(1.1)
Donde: Pe: la potencia de entrada de un sistema
Ps: la potencia de salida del sistema.
Pero debido a que el Bell es una medida muy peqeña, se utiliza una unidad 10
veces mayor la cual se llama Decibel (dB).
Además, biológicamente 1 dB
corresponde a la menor variación de intensidad acústica que puede apreciar el oído
humano.
Con lo cual
P
X (dB) = 10 * Log10  S
 Pe



(1.2)
12
Las relaciones anteriores están definidas para valores de potencia. Si se quiere
definir para valores de voltaje o corriente, se tiene
V
X (dB) = 20 * Log10  S
 Ve



(1.3)
I
X (dB) = 20 * Log10  S
 Ie



(1.4)
Esto es debido a que P=V2/R=I2R y asumiendo que la R no varía entre los puntos
de medición.
También se tienen otras relaciones generales, asociadas a puntos de referencia,
de valores relativos o de valores absolutos, que son muy útiles a la hora de expresar
los niveles de voltaje, potencia y corriente en un sistema de transmisión. Entre ellas
se encuentran:
dBm → Expresa la relación de potencia referida a un miliwatt
 P 

X (dBm) = 10 * Log10 
1
mw


(1.5)
dBw→ Expresa la relación de potencia referida a un watt
 P
X (dBw) = 10 * Log10 
 1W



(1.6)
dBµv→ Expresa la relación de voltaje referida a un microvoltio
 V
X (dBµV ) = 20 * Log10 
 1µV



(1.7)
dBmv→ Expresa la relación de voltaje referida a un milivoltio
 V 
X (dBmV ) = 20 * Log10 

 1mV 
(1.8)
13
Algunas relaciones entre los niveles anteriores son:
X (dBw) = X (dBm) − 30
(1.9)
X (dBw) = X (dBµw) − 60
X (dBV ) = X (dBmV ) − 60
(1.11)
X (dBV ) = X (dBµV ) − 120 (1.12)
(1.10)
Por ejemplo, para obtener 1.9 se desarrolla la ecuación 1.6 y se expresa en
términos de la ecuación 1.5. Luego,
P
P 

X (dBw) = 10 * Log10   = 10 * Log10 
 1w 
 1000mW



 P 
 − Log101000
X (dBw) = Log10 
 1mw 
⇒
X (dBw) = X (dBm) − 30
Otra unidad muy usada para expresar niveles de voltaje, corriente o potencia en
sistemas de comunicaciones es el NEPER (para sistemas Europeos), el cual se
define como la unidad de ganancia o atenuación de voltaje a través de un circuito,
basado en logaritmos neperianos.
V 
X ( NEPER) = Ln S 
 Ve 
(1.13)
Para expresarlo en términos de potencia, se tiene
X ( NEPER) =
Relación entre decibelios y NEPER:
1  PS
Ln
2  Pe



(1.14)
14
P
X (dB) = 10 * Log10  S
 Pe



⇒
1  PS
Ln
2  Pe



⇒
Y ( NEPER) =
⇒
e
2Y ( NEPER )
 PS

 Pe
 PS

 Pe
= 10
 X ( dB ) 

10 


 = 10


 = e 2Y ( NEPER )

 X ( dB ) 


 10 
Aplicando logaritmo en base 10 en ambos lados de la ecuación
(
Log10 e
2Y ( NEPER )
)
  X ( dB )  
= Log10 10 10  




Luego
X (dB) = 8.84 * Y ( NEPER)
(1.15)
Y ( NEPER) = 0.115 * X (dB )
(1.16)
Ejemplo 1.1 Se tiene un sistema de televisión por cable (CATV), como el mostrado en la
figura 1.1.1. Se requiere calcular qué tipo de amplificador se debe utilizar para obtener el
nivel de señal esperado en los receptores, además de estimar los niveles de señal en los
puntos A(dBm) y B(Watt), sin tomar en cuenta el empleo del amplificador. Para ello se
muestra una tabla con diferentes tipos de amplificadores en el mercado. Usted debe
escoger uno de ellos de acuerdo a los requerimientos de señal y factibilidad económica.
15
- 1 dB
A
16 mW
- 1.5 dB
B
α=0,23 neper
> 18 dBm
Figura 1.1.1. Sistema de recepción de CATV
Tabla de Amplificadores y sus costos
AMPLIFICADOR (TIPO)
GANANCIA (dB)
COSTO ($)
BTD
39
1000
BLE
12
300
MB-DH
12
350
BTN-S
8
400
Se tiene que el nivel de entrada es 16 mW, lo cual expresado en dBm a partir de la
ecuación 1.5 corresponde a
 16 x10 −3 
 = 12.04dBm
X (dBm) = 10 * Log10 
 1mw 
Para determinar si es necesario un amplificador, y poder estimar su ganancia, se
debe calcular si el valor obtenido a la entrada del receptor es superior al umbral
establecido (18 dBm). Para ello se transformarán todos las unidades a dB y así efectuar
la suma respectiva.
X (dB) = 8.84 * Y (0.23) = 2.03dB
Luego a la entrada del receptor se tiene un nivel de señal igual a:
PR = 12.04dBm − 2.03dB − 1.5dB − 1dB = 7.51dBm
Como el nivel obtenido es <18 dbm, se debe colocar un amplificador cuyo valor será:
16
GA > 18dBm − 7.51dBm
GA > 10.49dB
Dentro de la gama de amplificadores que aparecen en la tabla, se escogerá el BLE, por
ofrecer el menor costo.
El valor de la potencia en los puntos A y B, se puede determinar como sigue:
PA = 12.04dBm − 2.03dB = 10.01dBm
PA = 12.04dBm − 2.03dB − 1.5dB = 8.51dBm
 X ( dB ) 


10 
PB (Watt ) = 10 
 8.51dBm ) 


10

x10 −3 = 10 
[mW ] = 7.09mW
Existen otras relaciones de potencias, que pueden indicar el estado del sistema,
estas relaciones estan asociadas a los niveles absolutos y relativos.
Nivel relativo→ Unidad de medida de potencia voltaje o corriente entre dos puntos,
donde uno de ellos se fija como referencia.
P 
X (dBr ) = 10 * Log  2 
 P1 
(1.17)
X ( Neperr ) =
P 
1
* Ln 2 
2
 P1 
(1.18)
Donde P1 : es el punto de referencia
P2 : es el punto en consideración
Nivel absoluto→ Unidad de medida de potencia voltaje o corriente entre dos puntos,
donde uno de ellos está normalizado.
P 
X (dBO ) = 10 * Log  
 Po 
(1.19)
X ( NeperO ) =
P 
1
* Ln 
2
 Po 
Donde PO = 1 mW, tomado como el nivel cero absoluto para potencia.
(1.20)
17
Para el caso de voltaje,
V 
X (dBO ) = 20 * Log  
 Vo 
(1.21)
V 
X ( NeperO ) = Ln 2 
 V1 
(1.22)
Si se quiere obtener expresiones en términos de ambas relaciones absolutas de
voltaje y potencia, se desarrollan las expresiones 1.19 y 1.21.
Para ello
generalmente se asume la potencia del cero absoluto disipada por una carga de
600Ω, y se denominará el nivel de voltaje absoluto con la letra Y.


v
V
 = 20 * Log
Y (dBO ) = 20 * Log 
−3
0.775
 1 * 10 * 600 
 V 
Y (dBO ) = 20 * Log 

 0.775 
(1.23)
Si la potencia se desarrolla en una impedancia Z,
 V2 


P 
 V 2 600 
z


 = 10 * Log 
X (dBO ) = 10 * Log   = 10 * Log 

2
2
 (0.775 ) 
 Po 
 (0.775 ) Z 
 600 
Aplicando propiedades de logaritmos, se obtiene:
 V2 
 600 
X (dBO ) = 10 * Log 
+ 10 * Log 

2
 Z 
 (0.775 ) 
 600 
X (dBO ) = Y (dBO ) + 10 * Log 

 Z 
(1.24)