Tema 4: Medios de transmisión y Canales de Comunicación

Tema 4
Tema 4: Medios de transmisión y Canales de Comunicación
• Características y tipos de canales de comunicación
• Modelos matemáticos de canales de comunicación
• Medios de transmisión guiados
♦
♦
♦
Par trenzado y Cables coaxiales
Líneas de transmisión: Características de propagación
Fibras ópticas: Características y Tipos
♦
Atenuación y Dispersión
♦
Fuentes y Detectores de luz
• Medios no guiados: Radiocomunicación
♦
Modalidades de propagación
♦
Pérdidas por transmisión
♦
Desvanecimientos
BIBLIOGRAFÍA:[Proa 02] [Mill 01] [Kasa01]
Física de las Comunicaciones
Tr. 1
Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Tema 4
Canales de comunicación
• El canal de comunicación es el medio por el que se transmite la información desde el
emisor al receptor en un sistema de comunicación.
• Puede coincidir con un medio de transmisión físico o estar formado por la conexión de
varios de ellos.
• Los medios físicos de transmisión se clasifican en
♦ Guiados: Existe un soporte material que guía la señal (cable):
♦ Par trenzado, Cable coaxial, Fibra óptica, ...
♦ No-guiados : No existen cables.Transmisión por la atmósfera (Radiocomunicación)
♦ Radio, Microondas, Satélite, Infrarrojo, ...
!En ambos casos se transmiten ondas electromagnéticas !
Elementos de un sistema de comunicación
Emisor
Canal
Receptor
Atenuación
Distorsión
Retardo
Interferencia
Ruido
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Tr. 2
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Atenuación
• El ancho de banda y la atenuación de los canales son muy importantes para determinar
los efectos del canal en la transmisión de la señal.
• Atenuación: Pérdida de Potencia de la señal a medida que se propaga por el medio
P recibida < P emitida
Atenuacion
dB
P recibida
= 10 log ⎛ -----------------------⎞ < 0
⎝ P emitida ⎠
• Medios guiados: Pérdida de energia logarítmica (dB/Km)
• Medios no-guiados. Depende de muchos factores: Tipo de propagación, condiciones
atmosféricas, obstáculos, comunicaciones fijas o móviles, etc.
• Se utilizan repetidores para que la señal mantenga suficiente potencia para que sea
detectada e interpretada adecuadamente cuando llegue al receptor. Debe conservar
un nivel suficientemente mayor que el ruido para ser recibida sin error.
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Espectro electromagnético para telecomunicaciones
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Tr. 3
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Tr. 4
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Modelos matemáticos de los canales de comunicación
Canal de ruido aditivo gaussiano (AWGN)
Canal
s(t)
a<1
r(t) = a ⋅ s(t) + n(t)
+
n( t)
a
dB
< 0 : Atenuación
Muy útil para comparar tipos
de modulación
Ruido blanco
Canal de filtro lineal invariante con el tiempo
Se aplica a muchos canales
tanto guiados como no-guiados
Canal
Filtro
h( t)
s(t)
r( t) = s(t ) ⊗ h( t) + n(t )
+
h ( t ) : Respuesta impulsiva
n(t)
del canal
Canal de filtro lineal variante con el tiempo
Se aplica en
comunicaciones móviles
Canal
s( t)
Filtro
h ( τ ;t )
+
n(t)
h ( τ ;t ) = Σa k ( t )δ ( τ – τ k )
Física de las Comunicaciones
r ( t ) = s ( t ) ⊗ h ( τ ;t ) + n ( t )
h ( τ ;t ) : Respuesta impulsiva
del canal en t debida a un
impulso aplicado en: t - τ
Σa k
:Factores de atenuación para los multitrayectos de propagación
Tr. 5
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Medios de transmisión guiados: Par Trenzado
Las señales son transmitidas mediante conductores protegidos del medio exterior.
Par trenzado no-apantallado
(UTP): Dos hilos conductores trenzados entre sí y con aislante entre ellos.
Al trenzar los cables
Mayor Inmunidad frente a interferencias
Sus propiedades dependen del diámetro del conductor (Cu), y del trenzado.
Se agrupan varios pares en un mismo cable.
Se dividen en categorías atendiendo a la “calidad” :
Son peores cuando la frecuencia crece
Atenuación
diafonía (Interferencia eléctrica
de un par sobre otro)
-2.1dB de atenuación a 1MHz para longitud de 100m (diafonía: - 62dB)
-10.5dB de atenuación a 25MHz para longitud de 100m (diafonía:- 41dB)
Aplicaciones: Instalaciones telefónicas (bucle del abonado)
Redes de área local de ordenadores (LAN)
La Operación balanceada ó diferencial (utilizar dos cables para llevar la señal)
disminuir los ruidos e interferencias de modo común
Fáciles de instalar y de conectar conectores RJ45
Par trenzado apantallado (STP y FTP): Un blindaje de aluminio envuelve los cables.
Es necesario conectarlo a tierra
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Medios de transmisión guiados: Par Trenzado
Aislante PVC
1 mm
Sumario -Cable Ethernet
Categorías de Cables UTP
Especificación
Tipo
Uso
Categoria 1
Voz solamente (cable telefónico)
Categoria 2
Datos hasta 4 Mbps (LocalTalk [Apple])
Categoria 3
Datos hasta 10 Mbps (Ethernet)
Categoria 4
Datos hasta 20 Mbps (16 Mbps Token Ring)
Categoria 5
Datos hasta 100 Mbps (Fast Ethernet)
Tipo de Cable
Long. Máxima
10BaseT
UTP
100 metros
10Base2
Thin Coaxial
185 metros
10Base5
Thick Coaxial
500 metros
10BaseF
Fibra Optica
2000 metros
100BaseT
UTP
100 metros
100BaseTX
UTP
220 metros
1000BaseTX
Cat.5e: 165Mbps
....
Cat.6: 1000Mbps
....
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Medios de transmisión guiados: Cables coaxiales
Tr. 7
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Cables coaxiales: Dos conductores cilíndricos concéntricos separados por un dieléctrico
(polietileno, teflón). Se recubren de un aislante y protector.
El conductor externo forma una malla y actúa como una pantalla
para la emisión o recepción de radiación.
Sus propiedades dependen de los diámetros de los conductores y el aislante utilizado.
Su atenuación es menor y son útiles para frecuencias mayores que el par trenzado
(100MHz- GHz)
Se denominan RG-8A, RG-58, LMR-240, etc.
RG-58: Atenuación de 26dB/100m a 200 MHz
38dB/100m a 400 MHz
Son más difíciles de “pinchar”, es decir, son más seguros.
Aplicaciones
Cables desde antena al receptor de TV
Redes de cable y fibra óptica (HFC)
Redes de área local de ordenadores (10Base2,10Base5)(en desuso)
Ambos medios pueden estudiarse como líneas de transmisión.
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Tr. 8
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Medios de transmisión guiados: Cables coaxiales
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Tr. 9
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Líneas de transmisión: Características de propagación
Si la longitud de un cable es mucho mayor que la longitud de onda de la señal
Línea de Transmisión
no se pueden aplicar leyes de Kirchoff
ZL
Vs
Se puede modelar como una sucesión de secciones RLC. Sus valores
dependen de la geometría y los materiales.
Impedancia
Cada segmento infinitesimal de la línea:dx
Característica
Rdx
Ldx
R + j2 π fL
Z o = -------------------------G + j2 π fC
Gdx
Cdx
Constante de propagación
γ =
( R + j2 π fL ) ( G + j2 π fC )
Constante de
Atenuación
Constante
de Fase
α = Re ( γ )
β = Imag ( γ )
2πf
Velocidad
v = --------de propagación:
β
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Tr. 10
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Líneas de transmisión: Coeficiente de reflexión y pérdidas
Si suponemos a la línea excitada por una exponencial compleja de frecuencia f.
V ( x, f ) = V ( x )e
ZL
Vs
x = –d
I ( x, f ) = I ( x )e
V ( x ) = V+ e
x = 0
x
d: Longitud de la línea
I ( x ) = ( V+ e
– γx
– γx
En x = 0 se verifica:
j2 π ft
j2 π ft
+ V- e
γx
γx
1
– V - e ) ⋅ -----Zo
V+ + VV(x=0)
Z L = ------------------- = ------------------- ⋅ Z o
V+ – VI(x=0)
Coeficiente de Reflexión
γx
VZL – Zo
V- e
Onda
reflejada
Γ o = Γ ( x = 0 ) = ------- = ------------------Γ = ------------------------------------------ = -----------------V+
ZL + Zo
– γx
Onda incidente
V e
+
Casos especiales
Γ = Γo = 0
ZL = Zo
!Conveniente porque no hay onda reflejada!
ZL = ∞
Γo = 1
ZL = 0
Γo = –1
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Tr. 11
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Tema 4
Líneas de transmisión acopladas
Si
Zo = ZL
En
x = –d
Por tanto:
V ( x ) = V+ e
– γx
Se tiene la fuente V s = V ( x = – d ) = V + e
Vo = V ( x = 0 ) = V+ = Vs e
γd
– γd
La función de transferencia :
Magnitud H ( f ) = e
Vo
– γd
H ( f ) = ------ = e
Vs
Fase
H(f)
Atenuación=
Física de las Comunicaciones
φ ( f ) = –( β ⋅ d )
20 ( log H ( f ) ) = – ( 20 ⋅ α ⋅ log ( e ) ⋅ d )
dβ
d
Retraso de grupo T d = ⎛ – φ ( f )⎞ =
d
⎝ dω
⎠
dω
!Atenuación con
dependencia exponencial
de la longitud !
– αd
Longitud de la línea
!Especificaciones garantizadas con
Distancias máximas de uso!
O bien:
!Necesidad de Repetidores!
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Tr. 12
Tema 4
Líneas de transmisión: casos particulares
Líneas sin pérdidas : No hay caidas óhmicas ni el conductor ni en el dieléctrico
α = 0
β = 2 π f LC
R = 0 ;G = 0
Zo =
No hay atenuación!
Retraso no depende
de la frecuencia!
!Filtro ideal
de transmisión!
2πf
1
v = --------- = -----------β
LC
L--C
Impedancia característica y velocidad de propagación son reales
Líneas con pocas pérdidas
R C
α ≈ ---- ---2 L
R « ωL ;G ≈ 0
Los otros parámetros igual que línea sin pérdidas
Es válido a bajas frecuencias para el par trenzado y cables coaxiales
A alta frecuencia, R no se mantiene constante (“efecto skin”) y el valor de L
también depende de la frecuencia
α y T
no son constantes
d
Atenuación y Retraso
dependiente de la frecuencia
Física de las Comunicaciones
Puede provocar Distorsión!
Tr. 13
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Tema 4
Ejemplos de impedancias características
Impedancias características
S : distancia entre conductores
Líneas abiertas
d : diámetro de cada conductor
276
2S
Z o ≈ ---------- log ------d
εr
1(aire)
ε r : permitividad del diélectrico 2.3(polyetileno)
2.8(teflón)
Coaxiales
D : diámetro conductor externo
138
D
Z o ≈ ---------- log ---d
εr
d : diámetro conductor interno
Valores típicos
coaxiales
Par trenzado Ethernet
Z o ≈ 50Ω RG-58/U
Z o ≈ 100Ω
UTP Cat5
Z o ≈ 75Ω RG-59/U
Z o ≈ 150Ω
STP Cat5
Líneas Eléctricas
Z o ≈ 242Ω
Normalmente, los valores tanto de impedancia como de atenuación, retraso,
acoplos,etc. están basados en medidas experimentales , existiendo figuras y
Tablas para cada tipo de cable.
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Tr. 14
Tema 4
Líneas Balanceadas
Líneas Balanceadas con par trenzado en sistemas Full-Duplex
Ejemplo de perturbación de modo común en líneas balanceadas
Física de las Comunicaciones
Tr. 15
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Tema 4
Fibra óptica. Estructura y características
Cladding ó cubierta
- La información es transmitida
como radiación óptica.
Core ó núcleo
Core
2-65μm
Cladding
50-125μm
Coating
250-900μm
Coating ó recubrimiento
Espectro óptico
v
λ = --f
400nm(ultravioleta)
455nm
-Tienen poco tamaño y peso.
490nm
Ventanas de
transmisión
-Necesitan transconductores (dispositivos optoelectrónicos)
550nm
Multimodo
580nm
620nm
750nm
800nm(infrarrojo)
850nm
Aplicaciones
Multimodo
1300nm
Unimodo ó
Simple
1550nm
de la Fibra Óptica
longitud de onda( λ )
Física de las Comunicaciones
-Inmunidad a la interferencia electromagnética y a la intrusión. No producen interferencias.
-Tienen el máximo ancho de banda y
alcance.Soportan velocidades de
Gigabits/s en decenas de Kms sin
repetidores!
frecuencia ( f )
Espectro
Visible
- La transmisión está basada en el
concepto de reflexión total.
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-La amplificación y“routing” ó distribución es más complicada.
Aplicaciones:
Redes de datos de área local.
Líneas telefónicas de larga distancia.
Redes de cable (TV, teléfono, Internet,etc.)
Tr. 16
Tema 4
Fibra óptica. Reflexión total
Ley de Snell
n 1 ⋅ sin θ 1 = n 2 ⋅ sin θ 2
Angulo crítico:
n 1 ⋅ sin θ 1
n2
critico
= n 2 ⋅ sin ( π ⁄ 2 )
Para Angulo crítico:
n1
sin θ 1
critico
n2
= -----n1
Debe verificarse: n 1 > n 2
n2
u otro material
Reflexión total si:
θ1 > θ1
n1
Física de las Comunicaciones
u otro material
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Fibra óptica. Apertura numérica
Física de las Comunicaciones
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critico
Tr. 17
Tema 4
Tr. 18
Tema 4
Tipos de Fibra óptica.
Fibra Monomodo ó Indice discreto
Fibra Multimodo de Indice discreto
Fibra Multimodo de Indice gradual
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Atenuación en la Fibra óptica
Tr. 19
Tema 4
Cuando la luz viaja a través de la fibra pierde potencia (se atenúa).
Hay diversos mecanismos (internos y externos) que afectan a las pérdidas
Scattering Rayleigh:
Fluctuaciones del índice de refracción por inhomogeneidades en la fibra. Es análogo
a lo que ocurre a la radiación electromagnética en la atmósfera.
–4
Disminuye al aumentar la longitud de onda
Dependencia como λ
Absorción:
Al Interaccionar la luz con la estructura atómica o con las impurezas se disipa calor.
Los iones OH asociados con moléculas de agua absorben mucha energia en ciertas λs
Existen ventanas “ópticas”: Longitudes de onda donde las pérdidas son mínimas.
0.88μm (1.5dB/Km); 1.3μm (0.6dB/Km); 1.55μm(0.2dB/Km)
Las fibras de plástico tienen pérdidas mayores (20dB/km). Se usan para distancias <100m.
Pérdidas en conectores.
0.5 a 2dB por conexión. Son mayores que en cables metálicos (0dB)
Pérdidas por doblamientos o curvamientos
Los desplazmientos de un 10% del núcleo provocan 0.5dB
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Tr. 20
Tema 4
Atenuación en la Fibra óptica
Ventanas “ópticas”
Picos de
absorción OH
Scattering Rayleigh
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Tr. 21
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Tema 4
Dispersión en la Fibra óptica
Cuando los pulsos de luz viajan a través de la fibra alargan su duración (se dispersan).
Puede provocar interferencias entre pulsos sucesivos (Distorsón ISI).
Limita la velocidad de transmisión: número de bits por segundo (B).
Existen dos tipos de dispersión
Dispersión modal
Debida a las diferentes distancias que recorren los distintos modos o rayos en la fibra
L2
n1
d2
1
------------------------=
=
=
L
θ
d
L
sin
n
2
rayo2
1
1
3
2
θ
3
L
1
rayo1
distancia recorrida rayo1: d 1 = d = N ⋅ L 1
distancia recorrida rayo2: d 2 = N ⋅ L 2
La diferencia de tiempos en recorrer
c
la fibra con velocidad v = -----n1
Δτ
mod
n1 n1 – n2
= ------ ⋅ ------------------ ⋅ d
c
n2
Longitud de la fibra
No depende del valor de la longitud de onda.
Δτ
mod
= 0.5ns/Km
Esta dispesrsión no existe en fibras unimodales!
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Tr. 22
Tema 4
Dispersión en la Fibra óptica
Dispersión cromática o del material
·
Debida a que el índice de refracción depende de λ Siempre se transmite la radiación
con un cierto Δλ alrededor del valor principal.
2
Δτ
crom
d
∂ n
= – --- ⋅ λ ⋅
⋅ Δλ
2
c
∂λ
Es mejor usar láser que LEDs como fuente de luz porque Δλ es menor.
·
Δ
τ crom
longitud de onda
880 1300 1550
(nm)
Dispersión cromática
ps/(Kmxnm)
70
2
20
·
λ
1.3μm
Considerando ambos tipos de distorsión y la anchura del pulso inicial
Δτ
2
tot
2
2
≅ τ pulso + Δτ mod + Δτ crom
Este valor limita la velocidad máxima de transmisión
1
B ≤ -----------------------m ⋅ Δτ tot
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Interferencia ISI por Dispersión en la Fibra óptica
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m depende del tipo de pulso
m:1-2
Tr. 23
Tema 4
Tr. 24
Tema 4
Fuentes y Detectores de luz en Fibra óptica
Los dispositivos optoelectrónicos basados en semiconductores son muy apropiados
para la conversión de energia necesaria en transmisión por fibra óptica.
Fuente óptica
Fotodetector
Fibra
Transmisor
Receptor
Diodo pn ó pin
Diodo de avalancha (APD)
Diodo Emisor de Luz (LED)
Diodo LASER
Los semiconductores que interesan son los que tienen una Banda prohibida (Eg)
que coincida con la energia de fotones que van a circular por la fibra.
Si
Ge
GaP CdS
AsGa
1.24
ZnS
0.62
0.41
0.3
2
3
4
λ ( μm )
Eg(ev)
1
c
Eg = h ⋅ f = h ⋅ --λ
1.24
Eg ( ev ) = ----------------λ ( μm )
E
Para las λ de las ventanas de transmisión
880nm
AlxGa1-x As
650nm
In1-xGax AsyP1-y
1700nm
1000nm
Interesan
semiconductores
Eg
“DIRECTOS”
hk
Física de las Comunicaciones
Tr. 25
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Tema 4
Diodo Emisor de Luz (LED)
Formado por una unión polarizada en directa (v>0), que genera luz al recombinarse los
portadores (e- y huecos ) inyectados en las regiones neutras.
Región p
n’p
Región n
velocidad neta de recombinación
p’n
Si el semiconductor es “directo”, se emiten fotones
W: Región de transición
2
U ∝ pn – n i > 0
Poptica
Propiedades:
- Relación lineal entre el nº de fotones generados
y la intensidad que circula por el diodo.
ID
- Sus características espectrales son tales que tiene variaciones
(provoca distorsión cromática)
Δλ ≈ 30nm
- Sus tiempos de respuesta son función de la vida media de recombinación
··
τ ≈ 5-20 ns
- Puede tener pérdidas de acoplo a la fibra que depende del NA (indice de apertura)
- La estructura debe ser tal que permita que los fotones generados salgan al exterior
y no sean absorbidos por la muestra. Defectos o impurezas cerca de la superficie
contribuyen con generación indirecta.
Solución
Física de las Comunicaciones
LEDs basados en heterounión
Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Tr. 26
Tema 4
Light Amplification by Stimulated Emission Radiation (LASER)
Se trata de fuentes de luz coherente constituidas por uniones pn directamente
polarizadas (V>0).
El tipo de emisión de fotones en LEDs es “espontánea”. Poco control en las propiedades
de la luz generada, no interesa para fibras monomodales.
En Láser se desea emisión estimulada. Para ello es necesario que exista un número
de fotones dentro de la estructura.
Se confinan los fotones en una cierta región en base a las propiedades eléctricas
de las capas adyacentes. (cavidad óptica)
A una cierta intensidad (Iumbral) comienza la emisión “estimulada” y es equivalente a
a que se alcanza la frecuencia crítica y comenzara a oscilar.
Propiedades:
- El espectro de emitido es mucho más estrecho Δλ ≈ 0.1 – 4nm
(menor distorsión)
Poptica
Láser
- A partir de Iumbral la potencia de salida
crece rápidamente
LED
50μw en LEDS
Iumbral
Física de las Comunicaciones
1000μw en láser
ID
Multimodo índice brusco
ó gradual
Unimodales
Tr. 27
Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Tema 4
Fotodiodos
Para fibras ópticas se utilizan fotodetectores basados en uniones pn inversamente
Anchura de la
polarizadas. (V<0)
Diodo Iluminado:
región de transición
I D ≈ – I o – I′ o – qAG o W
I
D
sin iluminar
Depende de
sin iluminar
la Poptica
VD
Iluminado
V<0:El arrastre domina a la difusión. Tenemos
corrientes pequeñas porque tenemos pocos
portadores. Si iluminamos, los aumentamos
!Aumentamos la intensidad!
Eficiencia
carga
q ⋅ η ⋅ n°fotones
Poptica
Poptica
I D = ------------------- = -------------------------------------------- = q ⋅ η ⋅ -------------------- = q ⋅ η ⋅ -------------------- ⋅ λ
tiempo
tiempo
h⋅f
h⋅c
longitud de onda
Eficiencia: medida del nº de portadores generados / nº de fotones que inciden en la muestra η < 1
Diodo p-i-n iluminado
ξ
x
Intrínseco
Física de las Comunicaciones
p
i
xo
Intrínseco
n
Se extiende la zona donde existe
campo eléctrico
Aumentamos W
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Aumentamos
η
Tr. 28
Tema 4
Otros Fotodetectores
Fotodiodos de avalancha
Se polariza cerca de la zona de ruptura para que cuando se generen los portadores
debido a la iluminación sean acelerados por campos eléctricos grandes y se
produzca multiplicación por avalancha
Ganancia interna
Desventaja: Tiene mayor ruido que los otros fotodetectores
Fototransistor
Se polariza al transistor en Zona Activa Directa con Vbe>0 y
Vbc<0. Si iluminamos esta unión inversa y generamos portadores
su
efecto se ve amplificado por el efecto transistor.
Ic
I C = ( β F + 1 ) ( I CB0 + I ilum ) + β F I B 0
Se uitiliza con la base
sin conectar (abierta)
Para amplificar la intensidad generada en los fotodetectores se pueden utilizar
circuitos electrónicos convencionales
Convertidor Intensidad-Tensión
R
Vo = ID ⋅ R
Vo
Física de las Comunicaciones
I D ≈ – I o – I′ o – I ilum
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Tr. 29