Medios de Transmisión

Walc2000
México, julio 2000
Medios de Transmisión
Ermanno Pietrosémoli
Escuela Latinoamericana de Redes
Universidad de los Andes
Mérida - Venezuela
[email protected]
Medios de Transmisión
Elementos de un sistema de comunicaciones
TX
Transductor
Filtro
Amplificador
Modulador
Multiplexador
Adaptador
Canal
Ruido
Interferencia
Atenuación
Distorsión
Retardo
RX
Adaptador
Filtrado
Amplificación
Rec. Reloj
Demodulación
Demultiplexación
Medios de Transmisión
l Todos
basados en ondas electromagnéticas
l Velocidad de transmisión comparable con la
de la luz, c = 300 Mm/s
l Atenuación proporcional a la distancia
l Sujetos a interferencias y ruido
l Limitados en ancho de banda
MEDIOS DE
TRANSMISIÓN
•El canal ideal
•Atenuación Constante
•Retardo Constante
MEDIOS DE
TRANSMISIÓN
•El canal real
•Atenuación Variable
(Distorsión de Amplitud)
•Distorsión de Retardo o de Fase
MEDIOS DE
TRANSMISIÓN
•El canal real
•Diafonía: Cercana o Lejana
NEXT:
Near End Cross Talk
Transferencia indeseada de energía desde un circuito a otro
usualmente adyacente; ocurre en el extremo del enlace de
transmisión donde la fuente de señal está ubicada; la
energía absorbida se propaga hacia el otro extremo del
circuito afectado. Causada por altas frecuencias, señales
no balanceadas o insuficiente aislamiento.
Atenuación
Toda señal disminuye su potencia al
propagarse del transmisor al receptor.
La atenuación suele medirse
logarítmicamente en decibelios
mediante la fórmula:
Pr
dB = 10 log( )
Pt
Potencia
La potencia también suele
medirse logarítmicamente en dBm
mediante la fórmula:
Pr
dBm = 10 log(
)
1mW
Potencia en mW y
(mW )
en dBm
dBm
1
0
10
10
20
13
100
20
1000
30
0.5
-3
0.1
-10
0.01
-20
Ancho de banda
• La velocidad de transmisión en bit/s es proporcional
al ancho de banda disponible
•El factor de proporcionalidad depende de la eficiencia
del método de modulación empleado
Tipos de Medios de
Transmisión
Guiados:
Par trenzado
Cable Coaxial
Fibra Optica
No Guiados:
Radiofrecuencias
Microondas
Infrarrojos
Medios de Transmisión
Cómo transmitir una señal?
l Un
hilo conductor, retorno por tierra
Muy afectado por la interferencia y el ruido,
utilizado en los primeros sistemas
telegráficos, pronto fue sustitudo por dos
hilos conductores
l Dos hilos paralelos
Aunque mejora la resistencia a la
interferencia, todavia es un problema
Medios de Transmisión
Cómo transmitir una señal?
l Si
se entrelazan los hilos conductores, se
obtiene el par trenzado en el que el efecto
de las señales interferentes se anula en
buena medida
Se pueden alojar numerosos pares en un
mismo cable para aumentar la capacidad de
transmisión
Los medios guiados
Cable Coaxial
Par trenzado
FUNDA PROTECTORA
RECUBRIMIENTO
Fibra óptica
(núcleo)
Recubrimiento SECUNDARIO
REVESTIMiIENTO
El par trenzado
l Conocido
también como par simétrico o
cable entorchado (twisted pair, en inglés)
l Es el más económico a distancias cortas
l Fácil de instalar y conectorizar
l Práctico hasta 10 Mbit/s, se puede utilizar
hasta 155 Mbit/s
El par trenzado
Para mejorar su comportamiento ante las
interferencias se le puede colocar un
revestimiento o pantalla metálica rodeando
a los hilos que transportan la información.
Se tiene entonces el par trenzado
apantallado (Shielded Twisted Pair, STP) y
su variante el FTP (Foiled Twisted Pair)
CABLE UTP DE 100 Ω
l De
uno o dos pares utilizado típicamente
para telefonía
l De cuatro pares utilizado en el cableado
estructurado
l Multipar (10, 20, 25, 50, 100, 300 pares)
utilizado normalmente en troncales de
telefonía y a veces también para datos a
velocidad baja o media
CABLE UTP DE 100 Ω
l Unshielded
Twisted Pair
par 1
par 2
par 3
par 4
Cable Horizontal UTP Atenuación/Diafonía en dB (peor par)
Frec. (MHz)
0.064
0.150
0.256
0.512
0.772
1.0
4.0
8.0
10.0
16.0
20.0
25.0
Cat. 3
Cat. 4
0.9/0.8/-/53
-/68
1.3/1.1/1.8/1.5/2.2/43
1.9/58
2.6/41
2.1/56
5.6/32
4.3/47
8.5/27
6.2/42
9.8/26
7.2/41
13.1/23 8.9/38
-/10.2/36
-/-/-
Cat. 5
0.8/-/74
1.1/1.5/1.9/64
2.1/62
4.3/53
5.9/48
6.6/47
8.2/44
9.2/42
10.5/41
El par trenzado apantallado
l Aunque
en general es más resistente a la
interferencia, es más difícil de instalar y
más costoso
l Tiene una impedancia característica mayor
comparada con los 100 ohm del UTP
Cable FTP de 100 Ω
l De
cuatro pares, con pantalla integral en
lamina utilizado en cableado estructurado
l Multipar de 25 pares utilizado normalmente
para telefonía, a veces para datos
Cable FTP de 100 Ω
l Foiled
Twisted pair
Hilo que garantiza la continuidad
eléctrica de la pantalla
par 1
par 2
par 3
par 4
Pantalla
El cable coaxial
Formado por un conductor central recubierto por
un tubo flexible
l El espacio entre los dos conductores es mantenido
por aisladores espaciados o continuos, el material
del aislante (dieléctrico) afecta la capacitancia y
por ende la atenuación
l El tubo exterior puede ser en forma de malla y
siempre irá recubierto por otro aislante y protector.
l
Cable Coaxial
Conductor ext.
D
Conductor int.
d
d
dieléctrico
Atenuación del Cable Coaxial
f
(1 / D + 1 / d )
at = k
log( D / d )
k = constante que depende del dieléctrico
utilizado como aislante
f = frecuencia en Hz
D= diámetro interior del tubo
d= diámetro del conductor central
Cable Coaxial
l La
atenuación es proporcional a la raíz
cuadrada de la frecuencia e inversamente
proporcional al tamaño del cable
l El cociente entre los diámetros de los
conductores determina la impedancia
característica del cable
l La velocidad de propagación varía entre
0.7c y 0.9c
Cable Coaxial
Su uso en redes de área local ya no es
recomendado, siendo sustituido por el par
trenzado no apantallado a distancias cortas
y la fibra óptica para distancias mayores o
ancho de banda elevados.
Se sigue utilizando para la conexión entre
antenas y radios
Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente
en dB/ 100 ft y (dB/ 100 m)
Tipo de
Cable
144
MHz
220
MHz
450
MHz
915
MHz
1.2
GHz
2.4
GHz
5.8
GHz
RG-58
6.2
(20.3)
7.4
(24.3)
10.6
(34.8)
16.5
(54.1)
21.1
(69.2)
32.2
(105.6)
51.6
(169.2)
RG-8X
4.7
(15.4)
6.0
(19.7)
8.6
(28.2)
12.8
(42.0)
15.9
(52.8)
23.1
(75.8)
40.9
(134.2)
LMR-240
3.0
(9.8)
3.7
(12.1)
5.3
(17.4)
7.6
(24.9)
9.2
(30.2)
12.9
(42.3)
20.4
(66.9)
RG-213/214
2.8
(9.2)
3.5
(11.5)
5.2
(17.1)
8.0
(26.2)
10.1
(33.1)
15.2
(49.9)
28.6
(93.8)
9913
1.6
(5.2)
1.9
(6.2)
2.8
(9.2)
4.2
(13.8)
5.2
(17.1)
7.7
(25.3)
13.8
(45.3)
LMR-400
1.5
(4.9)
1.8
(5.9)
2.7
(8.9)
3.9
(12.8)
4.8
(15.7)
6.8
(22.3)
10.8
(35.4)
3/8" LDF
1.3
(4.3)
1.6
(5.2)
2.3
(7.5)
3.4
(11.2)
4.2
(13.8)
5.9
(19.4)
8.1
(26.6)
LMR-600
0.96
(3.1)
1.2
(3.9)
1.7
(5.6)
2.5
(8.2)
3.1
(10.2)
4.4
(14.4)
7.3
(23.9)
1/2" LDF
0.85
(2.8)
1.1
(3.6)
1.5
(4.9)
2.2
(7.2)
2.7
(8.9)
3.9
(12.8)
6.6
(21.6)
7/8" LDF
0.46
(1.5)
0.56
(2.1)
0.83
(2.7)
1.2
(3.9)
1.5
(4.9)
2.3
(7.5)
3.8
(12.5)
1 1/4" LDF
0.34
(1.1)
0.42
(1.4)
0.62
(2.0)
0.91
(3.0)
1.1
(3.6)
1.7
(5.6)
2.8
(9.2)
1 5/8" LDF
0.28
(0.92)
0.35
(1.1)
0.52
(1.7)
0.77
(2.5)
0.96
(3.1)
1.4
(4.6)
2.5
(8.2)
La Fibra Optica
l Tiene
la menor atenuación y el mayor ancho
de banda entre los sistemas de transmisión
l Es inmune a las intereferencias
electromagnéticas y al acceso no autorizado
l Aunque es más costosa que el par trenzado,
se recomienda en instalaciones de altas
prestaciones
Medios de Transmisión:
Comparación dela atenuación entre diversos cables
Estructura de la Fibra Optica
revestimiento
núcleo
recubrimiento
Fibras Monomodo y Multimodo
Espectro Optico, Ventanas de Transmisión
Las Fibras Opticas
l Presentan
la mayor resistencia a la
interferencia y a la intrusión
l Tienen el máximo ancho de banda y alcance
l Soportan las velocidades de transmisión del
futuro
l Representan un mayor costo, pero son una
buena inversión
Estándar TIA/EIA 568 - Cableado Estructurado
Cableado Troncal (Backbone)
•Par Trenzado - Cable UTP (Unshielded Twisted Pair) de 100 ohmios
(máximo 800 m).
•Par Trenzado Apantallado - Cable STP (Shielded Twisted Pair) de 150
ohmios (máximo 700 m).
•Fibra Óptica Multimodo de 62.5/125 µm (máximo 2000 m).
· Fibra Óptica Monomodo (máximo 3000 m).
Cableado Horizontal
· Cable de cuatro pares UTP (Unshielded Twisted Pair)
(conductores sólidos 24 AWG).
· Cable de dos pares STP (Shielded Twisted Pair) de 150 ohmios.
· Cable de Fibra Óptica de dos Fibras de 62.5/125 µm.
Importancia del Cableado en una Red
•40% de los empleados se mudan dentro del mismo edificio
cada año.
•Hasta un 70% de las fallas en una red están relacionadas con
el cableado.
•El cableado representa alrededor del 5% del costo de una red
local.
•El cableado es el elemento que menos obsolece en la red y el
que típicamente sobrevive a los cambios de Software y
Hardware.
Medios no Guiados
l Las
ondas electromagnéticas se pueden
transmitir eficazmente mediante una antena
que tenga dimensiones comparables a la
longitud de onda de la señal que se quiere
enviar
l El ancho de banda máximo que se puede
transmitir es proporcional a la frecuencia de
la portadora
Medios no Guiados
l En
radiodifusión AM se utilizan antenas de
decenas de metros de altura, típicamente de
¼ de longitud de onda correspondiente a
unos 75m, a la frecuencia de 1 MHz
l El ancho de banda que se transmite en este
caso es de 5 kHz
Medios no Guiados
l En
radiodifusión FM se utilizan frecuencias
100 veces mayores, con lo que las antenas
efectivas son del orden de un metro
l El ancho de banda que se transmite en este
caso es de 15 kHz
l Pero ahora el alcance de la transmisión es
menor
Medios no Guiados
En General, a mayor frecuencia mayor ancho de
banda disponible, pero menor alcance
l A frecuencias bajas las ondas son guiadas por la
superficie terrestre y reflejadas por las capas
ionosféricas
l A frecuencias altas las ondas de radio se
comportan como la luz, por lo que se requiere
línea visual entre el transmisor y el receptor
l
El Espectro Electromagnético
l Abarca
desde 30 Hz hasta 300 exahertz
l En términos de longitud de onda, desde las
ondas kilométricas hasta las femtométricas
l c = velocidad de la luz, 300.000 km/s
f
=
c
λ
Propagación de radio
l Onda
Directa
l Onda terrestre
l Onda Reflejada
l Reflexiones en la ionosfera
l Refracción en un obstáculo
l Efecto de la curvatura terrestre
Transmisión por Radio
Gt
Gr
Tx
Rx
At
Ar
Pt
L
Pr
dB
km
Factores que determinan el
alcance
Potencia de salida del TX (típica entre 0.1 y 4 W)
l Sensibilidad del RX
l Frecuencia de operación, a mayor frecuencia,
mayor atenuación
l Ganancia de las antenas. A mayor frecuencia, una
antena dada tendrá mayor ganancia para el mismo
tamaño.
l Pérdidas en el sistema: espacio, alimentadores,
conectores.
l
Características de las Antenas
l Ganancia
de la antena: es el cociente entre
la potencia emitida por la antena en su
dirección de máxima emisión respecto a una
antena isotrópica. Se expresa en dBi
l Ancho
del haz: es el ángulo subtendido por
la radiación emitida entre los puntos en que
disminuye a la mitad (3 dB)
Características de las Antenas
Area efectiva: es el cociente entre la potencia
disponible en los terminales de la antena y
la potencia por unidad de área incidente
sobre la misma.
Para un dipolo corto Ae = 0,12λ2
Para un dipolo de media onda Ae = 0,13λ2
Para una antena isotrópica Ae = λ2/4π*G
Características de las Antenas
Para una antena parabólica, la ganancia es:
G = R (πD/ λ) 2 donde R es el rendimiento,
típicamente de 0,6 y D es el diametro.
Expresando λen terminos de la frecuencia en
MHz y D en m, la ganancia en dB será:
G(dB) = - 42 + 20logD(m) + 20 log f(MHz)
Características de las Antenas
l Diagrama
de radiación o patrón de radiación
de una antena, es una gráfica de la
intensidad de campo emitido en función del
ángulo a partir de la dirección de máxima
emisión.
l El ángulo entre los los dos puntos en los que
la potencia se ha reducido a la mitad (3 dB)
se denomina ancho del haz
Características de las Antenas
Polarización: Corresponde a la dirección del
campo eléctrico emitido por una antena.
Puede ser:
l Vertical
l Horizontal
l Elíptica
La desadaptación de polarización puede
introducir una pérdida de hasta 20 dB
Características de las Antenas
Diagrama de radiación
Ancho del Haz
Punto de media potencia
Ancho de Banda de
Transmisión
l En
los sistemas clásicos de comunicaciones
se utiliza el mínimo ancho de banda que
permita transmitir la señal
l Existe una alternativa que consiste en
utilizar un ancho de banda mucho mayor,
con el propósito de hacer la señal mas
resistente a las interferencia, o compartir ese
espectro con otras señales
Ancho de Banda de
Transmisión
Se habla entonces de sistemas de:
l Banda
Estrecha
l Banda
Esparcida (Spread Spectrum)
Banda Esparcida
(Spread Spectrum)
Secuencia Seudoaleatoria
(Pseudo Noise Sequence)
también llamados
Direct Sequence
•Salto de Frecuencia
(Frequency Hopping)
Banda Esparcida
(Spread Spectrum)
Frecuencias mas usuales
915 MHz, 2.4 GHz o 5.8 GHz
En muchos países estas bandas
de frecuencia no requieren de
permiso gubernamental, siempre
que no se excedan ciertos
límites en la potencia de
transmisión
Espectros en Transmisión
DSSS
Transmisión por Infrarrojos
l La
luz visible se ha utilizado desde la
antiguedad para transmitir información a
distancia
l El primer sistema moderno fue desarrollado
por Chappe en Francia y estaba formado
por una serie de torres que retransmitían las
señales a grandes distancias
Transmisión por Infrarrojos
l En
la segunda guerra mundial se utilizaron
también sistemas de transmisión de voz
basados en luz a distancias cortas
l El problema que se presenta es que la
atmósfera no es muy transparente a grandes
distancias y la lluvia y otros meteoros
degradan la comunicación
Transmisión por Infrarrojos
Los sistemas modernos son de tres tipos
l Redes de alcance local, generalmente
transmisión difusa, distancias de pocos
metros
l Sistemas punto a punto, con velocidades de
decenas de Mbit/s y alcances de unos pocos
km
l Sistemas espaciales