Tema 4: Medios de transmisión y Canales de Comunicación

Transcripción

1 : 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] Tr. 1 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 Tr. 2

2 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 recibida < P emitida Atenuacion db 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. Tr. 3 Espectro electromagnético para telecomunicaciones Tr. 4

3 Modelos matemáticos de los canales de comunicación Canal de ruido aditivo gaussiano (AWGN) Canal st () + rt () a st () + nt () nt () Canal Ruido blanco Canal de filtro lineal invariante con el tiempo Filtro st () + rt () st () ht () + ht () nt () Canal de filtro lineal variante con el tiempo Canal a < 1 a db < 0 : Atenuación nt () ht (): Respuesta impulsiva del canal Filtro st () + rt () st () h( τ; t) + nt () h( τ; t) h( τ; t) : Respuesta impulsiva nt () del canal en t debida a un impulso aplicado en: t - τ h( τ; t) Σa k ()δ t ( τ τ k ) Σa :Factores de atenuación para los multi- k trayectos de propagación Muy útil para comparar tipos de modulación Se aplica a muchos canales tanto guiados como no-guiados Se aplica en comunicaciones móviles Tr. 5 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. Atenuación Se dividen en categorías atendiendo a la calidad : Son peores cuando la frecuencia crece 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 Tr. 6

4 Medios de transmisión guiados: Par Trenzado Aislante PVC 1 mm Categorías de Cables UTP Sumario -Cable Ethernet Tipo Categoria 1 Categoria 2 Categoria 3 Categoria 4 Categoria 5 Uso Voz solamente (cable telefónico) Datos hasta 4 Mbps (LocalTalk [Apple]) Datos hasta 10 Mbps (Ethernet) Datos hasta 20 Mbps (16 Mbps Token Ring) Datos hasta 100 Mbps (Fast Ethernet) Especificación 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 Cat.5e: 165Mbps Cat.6: 1000Mbps BaseTX... Tr. 7 Medios de transmisión guiados: Cables coaxiales 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. Tr. 8

5 Medios de transmisión guiados: Cables coaxiales Tr. 9 Líneas de transmisión: Características de propagación Si la longitud de un cable es mucho mayor que la longitud de onda de la señal no se pueden aplicar leyes de Kirchoff Línea de Transmisión V s 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 Z R+ j2πfl o G + j2πfc Gdx Cdx Constante de propagación γ ( R + j2πfl) ( G + j2πfc) Constante de Atenuación Constante de Fase α β Re( γ) Imag( γ) Velocidad de propagación: v 2πf β Tr. 10

6 Líneas de transmisión: Coeficiente de reflexión y pérdidas Si suponemos a la línea excitada por una exponencial compleja de frecuencia f. V s x d x d: Longitud de la línea En x 0 se verifica: Coeficiente de Reflexión Onda reflejada Γ Onda incidente Casos especiales x 0 V(x0) I(x0) V - e γx V + e γx Vxf (, ) Vx ( )e j2πft Ixf (, ) Ix ( )e j2πft Vx ( ) V + e γx + V - e γx Ix ( ) ( V + e γx V - e γx 1 ) V + + V Z V + V o - Γ Γ o 0!Conveniente porque no hay onda reflejada! Γ o 1 0 Γ o 1 Γ o Γ( x 0) V V Tr. 11 Líneas de transmisión acopladas Si Vx ( ) V + e γx En x d Se tiene la fuente V s Vx ( d) V + e γd Por tanto: V o Vx ( 0) V + V s e γd La función de transferencia : Hf () V o e γd V s Magnitud Fase Hf () e αd φ() f ( β d) Atenuación Hf () 20( log Hf ()) ( 20 α log( e) d) Retraso de grupo T d!atenuación con dependencia exponencial de la longitud! d φ() f dω dβ d dω Longitud de la línea!especificaciones garantizadas con Distancias máximas de uso! O bien:!necesidad de Repetidores! Tr. 12

7 Líneas de transmisión: casos particulares Líneas sin pérdidas : No hay caidas óhmicas ni el conductor ni en el dieléctrico R 0; G 0 α 0 β 2πf LC No hay atenuación! Retraso no depende de la frecuencia!!filtro ideal de transmisión! --- L C Impedancia característica y velocidad de propagación son reales v 2πf β LC Líneas con pocas pérdidas R «ωl; G 0 α R C --- L 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 d no son constantes Atenuación y Retraso dependiente de la frecuencia Puede provocar Distorsión! Tr. 13 Ejemplos de impedancias características Impedancias características Líneas abiertas S log d ε r Coaxiales D log--- d ε r Valores típicos S : distancia entre conductores d : diámetro de cada conductor ε r : permitividad del diélectrico D : diámetro conductor externo d : diámetro conductor interno 1(aire) 2.3(polyetileno) 2.8(teflón) coaxiales 50Ω RG-58/U 75Ω RG-59/U Par trenzado Ethernet 100Ω UTP Cat5 150Ω STP Cat5 Líneas Eléctricas 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. Tr. 14

8 Líneas Balanceadas Líneas Balanceadas con par trenzado en sistemas Full-Duplex Ejemplo de perturbación de modo común en líneas balanceadas Tr. 15 Fibra óptica. Estructura y características Cladding ó cubierta Core ó núcleo Coating ó recubrimiento Espectro óptico λ v -- f Ventanas de transmisión Espectro Visible Multimodo Multimodo frecuencia ( f ) 455nm 490nm 550nm 1300nm Unimodo ó 1550nm Simple longitud de onda( λ ) Core 2-65μm 400nm(ultravioleta) 580nm 620nm 750nm 800nm(infrarrojo) 850nm Cladding μm Aplicaciones de la Fibra Óptica Coating μm - La información es transmitida como radiación óptica. - La transmisión está basada en el concepto de reflexión total. -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! -Tienen poco tamaño y peso. -Necesitan transconductores (dispositivos optoelectrónicos) -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

9 Fibra óptica. Reflexión total Ley de Snell sinθ 1 n 2 sinθ 2 Angulo crítico: sinθ 1 n 2 sin( π 2) critico n 2 Para Angulo crítico: sinθ 1 critico n Debe verificarse: > n 2 n 2 u otro material Reflexión total si: u otro material θ 1 > θ 1 critico Tr. 17 Fibra óptica. Apertura numérica Tr. 18

10 Tipos de Fibra óptica. Fibra Monomodo ó Indice discreto Fibra Multimodo de Indice discreto Fibra Multimodo de Indice gradual Tr. 19 Atenuación en la Fibra óptica 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. Disminuye al aumentar la longitud de onda Dependencia como 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 u0% del núcleo provocan 0.5dB λ 4 Tr. 20

11 Atenuación en la Fibra óptica Ventanas ópticas Picos de absorción OH Scattering Rayleigh Tr. 21 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 d 2 L n rayo2 d 1 L 1 sinθ 3 n 2 L 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 Δτ mod n n d c n 2 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! Tr. 22

12 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. Δτ crom Es mejor usar láser que LEDs como fuente de luz porque Δλ Δ τ longitud de onda (nm) Dispersión cromática ps/(kmxnm) d -- n λ c λ 2 Δλ crom es menor. 1.3μm λ Considerando ambos tipos de distorsión y la anchura del pulso inicial Δτ tot 2 τ pulso 2 + Δτ mod + 2 Δτ crom Este valor limita la velocidad máxima de transmisión 1 B m Δ τ tot m depende del tipo de pulso m:1-2 Tr. 23 Interferencia ISI por Dispersión en la Fibra óptica Tr. 24

13 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. Transmisor Fuente óptica Fibra Fotodetector Receptor Diodo Emisor de Luz (LED) Diodo LASER Diodo pn ó pin Diodo de avalancha (APD) 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. Ge Si AsGa GaP CdS ZnS Eg h f h c λ λμm ( ) Eg(ev) Eg( ev) λμm ( ) Para las λ de las ventanas de transmisión 650nm 880nm Al x Ga 1-x As E Eg Interesan semiconductores 1000nm 1700nm I-x Ga x As y P 1-y DIRECTOS hk Tr. 25 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 Región n velocidad neta de recombinación 2 U pn n i > 0 n p p n Si el semiconductor es directo, se emiten fotones W: Región de transición Propiedades: - Relación lineal entre el nº de fotones generados y la intensidad que circula por el diodo. P optica - Sus características espectrales son tales que tiene variaciones Δλ 30nm (provoca distorsión cromática) - Sus tiempos de respuesta son función de la vida media de recombinación τ 5-20ns I D - 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 LEDs basados en heterounión Tr. 26

14 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 (I umbral ) 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) P optica Láser LED - A partir de I umbral la potencia de salida crece rápidamente 50μw en LEDS Multimodo índice brusco ó gradual I umbral I D 1000μw en láser Unimodales Tr. 27 Fotodiodos Para fibras ópticas se utilizan fotodetectores basados en uniones pn inversamente polarizadas. (V<0) Diodo Iluminado: sin iluminar Iluminado I D Eficiencia V D I D I o I o qag o W sin iluminar Anchura de la región de transición Depende de la P optica V<0:El arrastre domina a la difusión. Tenemos corrientes pequeñas porque tenemos pocos portadores. Si iluminamos, los aumentamos!aumentamos la intensidad! I D carga q η n fotones tiempo tiempo q η Poptica h f q η Poptica h c λ longitud de onda Eficiencia: Diodo p-i-n iluminado medida del nº de portadores generados / nº de fotones que inciden en la muestra ξ Intrínseco x p i n x o Intrínseco Se extiende la zona donde existe campo eléctrico Aumentamos W η < 1 Aumentamos η Tr. 28

15 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 Ic su efecto se ve amplificado por el efecto transistor. I C ( β F + 1) ( I CB0 + I ilum ) + β F I 0 B 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 V o I D R V o I D I o I o I ilum Tr. 29