Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería Laboratorio de Comunicaciones Eléctricas PRACTICAS DE SISTEMAS DE ONDAS GUIADAS

Transcripción

1 Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería Laboratorio de Comunicaciones Eléctricas. PRACTICAS DE SISTEMAS DE ONDAS GUIADAS PRACTICA DE LABORATORIO Nro 1 Construcción y Pruebas de cables Coaxiales y UTP. Introducción. En esta primera práctica del curso de Laboratorio de Sistemas de Ondas Guiadas, los alumnos llevaran a cabo la elaboración de cables coaxiales y cables UTP categoría 5, de igual modo se plantea realizar las pruebas pertinentes para verificar la buena construcción de los mismos. Para la verificación de los cables coaxiales se utilizará con el M-TDR 1503C (Metalic Time Domain Reflectometer), cuyo principio de operación en la reflectometría en el dominio del tiempo, del cual hablaremos mas adelante. Entre las características a verificar del cable se tienen: velocidad de propagación, pérdidas de retorno, y fallas a lo largo de este. Para esto se hará uso de cargas conocidas (que serán usadas como terminaciones), tales como cortocircuitos, circuitos abiertos, y cargas de 50Ω. Para la verificación de los cables UTP se utilizará con el Multi-Network Cable Tester BK-PRECISION 230, el cual nos permite realizar pruebas rápidas a través de la auto búsqueda de continuidad, miswiring, y polarización de thin Ethernet(BNC/TNC), 10-Base-T(UTP/STP), AAT&T 258A, TIA 568A/B, Token Ring y USOC4/6/8 cables modulares. Marco Teórico: Cables UTP. El cable UTP categoría 5, contiene cuatro pares de alambre de cobre cuidadosamente trenzados y aislados con un material elegido para proveer un alto ancho de banda, baja

2 atenuación y diafonía. El trenzado de este cable es su particularidad, ya que aplicando la teoría de compatibilidad electromagnética, se logra ver como se mantiene el desempeño del cable, especialmente la diafonía. Los cables UTP son terminados con conectores estándares Jack/Plug, que frecuentemente se refieren al RJ-45. El conector hembra en el extremo de un patchcord, es llamado plug y el receptor en la salida es llamado jack. En redes LAN, como las especificadas por EIA/TIA 568, hay dos posibles pinouts, llamados T568A y T568B, los cuales difieren solo en como son conectados los pares de acuerdo al código de colores, los pares 2 y 3 son invertidos. De igual forma trabajan bien mientras no se mezclen los códigos, lo que quiere decir que debe usarse un solo código para ambos extremos. Al usar ambos códigos en un cable se obtendrá un cable con pares cruzados. Los Cables Cruzados. Los cables para las conexiones de una tarjeta PC/NIC a un Hub, es conectado directamente( Pin 1 es conectado al Pin 1, Pin 2 a Pin 2..., Etc.), sin embargo si solo se quiere conectar dos PCs entre si, sin un Hub, se necesita usar un cable cruzado (crossover). Esto se logra invirtiendo los pares 2 y 3 en el cable( ya que estos cables son usados para la transmisión por Ethernet). Una manera fácil para hacer un cable cruzado es usar en un extremo T568A y en el otro T568B. Código de Colores de Cables UTP Par 1: Azul/ -Azul Par 2: -Naranja/Naranja Par 3: -Verde/Verde Par 4: -Marrón/Marrón

3 Verde Los Jacks(RJ-45), de acuerdo a los códigos de colores EIA/TIA 568A y 568B, son: Los pares de acuerdo a los códigos de colores se ordenan así. EIA/TIA 568A EIA/TIA 568B Verde Verde Naranja Azul Azul Naranja Marron Marron Naranja Naranja Azul Azul Verde Marron Marron Cables Coaxiales. Parámetros Característicos. Impedancia Característica. Se define como impedancia característica la impedancia que presentaría una línea de transmisión de longitud infinita.

4 En un sistema que trabaja a máxima eficiencia la impedancia del transmisor, la del receptor y la del cable deben ser iguales, de no ser así se producirán reflexiones que degradarán el funcionamiento del sistema. Para el caso del cable coaxial sería: Zo = 60 ε r ln D d Donde: Zo= Impedancia característica en Ω r= Constante Dieléctrica del núcleo (relativa al vacío). D= Diámetro del núcleo en mm. d= Diámetro del conductor central en mm. D d Nótese que la impedancia característica no depende de la longitud del cable ni de la frecuencia. Capacidad Característica No es otra cosa que la capacidad eléctrica entre el conductor central y el blindaje. Su formula es la siguiente: 55.55ε Co = D ln d Donde: r Co= Capacidad característica en pf/m. D= Diámetro del dieléctrico en mm. d= Diámetro del conductor central en mm. r= Constante dieléctrica del núcleo (relativa al vacío). Atenuación Es la pérdida de potencia eléctrica a lo largo del cable, dada por: rd rd A =. +. f εr. df. f Zo d D

5 donde: A = Atenuación en db/100 m. rd= Resistividad del conductor central en.m. rd= Resistividad del conductor externo en.m. d = Diámetro del conductor central en mm. D = Diámetro del dieléctrico en mm. Zo = Impedancia característica del cable en. f= Frecuencia en Mhz. r = Constante dieléctrica del núcleo relativa al vacío. df = Factor de disipación del dieléctrico. Velocidad de Propagación Se define como velocidad de propagación a la velocidad de la señal que viaja a través del cable. En el vacío, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. En el cable, viajan a velocidades inferiores. La velocidad de propagación se expresa como un porcentaje de la velocidad de la luz en el vacío y está dado por la relación: Vp = 1 ε r.100 donde: VP = Velocidad de propagación (% de la velocidad de la luz en el vacío) r = Constante dieléctrica del núcleo (relativa al vacío). Nótese que la velocidad de propagación solo depende del material dieléctrico y si el dieléctrico fuera vacío, la velocidad sería 100% o sea la velocidad de la luz. Pérdidas De Retorno Si la impedancia de carga no es igual a la impedancia característica de la línea, se producen reflexiones, es decir, parte de la energía que llegue a la carga será absorbida por esta y parte se reflejará hacia el transmisor. Cualquier irregularidad en la impedancia a lo largo del cable hará las veces de carga desadaptada y provocará una reflexión. Se define como pérdidas de retorno a la relación en db entre la onda reflejada y la onda incidente.

6 Vref RL( db) = 20 log( Γ) = 20 log( ) ; V inc donde: RL(dB): pérdidas de retorno. Γ: coeficiente de refleción. Vref: tensión de la señal reflejada. Vinc: tensión de la señal incidente. Las pérdidas de retorno son una forma de medir los cambios de impedancia en el cable. Grandes pérdidas de retorno significa que gran cantidad de la señal se esta reflejando en el punto de cambio de impedancia. Reflectómetro en el Dominio del Tiempo (TDR) Los reflectómetros en el dominio del tiempo han sido a lo largo de muchos años y siguen siendo, los más rápidos y más precisos instrumentos para detectar los problemas estructurales del cableado. Los TDRs son usados para localizar e identificar fallas en cualquier tipo de cables trenzados y cables coaxiales. Los usos del TDR son los siguientes: Localizar empalmes defectuosos. Localizar empalmes desconocidos. Encontrar componentes en la línea. Localizar agua o humedad en el cable. Ayuda en la medición y verificación carretes de cable nuevos o parciales. Localizar perforaciones o daños en los cables. Medir los RL(dB),(decibeles de perdidas de retorno) de la falla. Para documentar la integridad del cableado. Para documentar o mapear redes cableadas.

7 Principios de Operación. El TDR trabaja con el mismo principio del radar. Un pulso de energía es transmitido a través del cable a probar, y cuando el pulso alcanza el fin del cable, o una falla a lo largo de este, parte o toda la energía del pulso es reflejada hacia el instrumento. El TDR mide el tiempo que le toma a la señal viajar por el cable, entre el instante en que se envió la señal y el instante en que recibió la señal reflejada por el punto de discontinuidad, este tiempo lo convierte a distancia y muestra la magnitud de la discontinuidad. El análisis del TDR generalmente no detecta dispositivos aislados capacitivamente o tomas inductivas. En tales casos el barrido del TDR es complementado por una evaluación detallada de alta frecuencia y una inspección física. Impedancia. El TDR identifica cambios en la impedancia del cable que pueden ser causados por una variedad de circunstancias, incluyendo daños en el cable, ingreso de agua, cambios en el tipo de cable, instalación impropia, y cualquier defecto de fabricación. El material aislante que mantiene separados los conductores es llamado dieléctrico y la impedancia del cable es determinada por el espaciado entre los conductores y el tipo de dieléctrico usado (Fig. 1). La reflexión del pulso enviado por el TDR al cable, se produce por un cambio de impedancia a lo largo del cable y estos cambios son los que determinan la amplitud de la reflexión.

8 El Ancho del Pulso. Muchos TDR tienen anchos de pulso seleccionables, y mientras mayor sea el pulso, más energía es transmitida al cable. Los anchos de pulsos usados son: 2 nsec, 10 nsec, 100 nsec, 1000 nsec, 2000 nsec, and 4000 nsec. De acuerdo al modelo de TDR puede incluir todos los anchos de pulso o solo algunos. Si la falla es muy pequeña, la energía de un pulso pequeño puede no ser suficiente para viajar a través del cable, ver la falla y que el pulso reflejado viaje de regreso, esto sumado a la atenuación del cable, puede hacer que la detección de dicha falla se haga un poco difícil. En este caso debería aumentarse la energía de tal manera que se pueda apreciar la falla. Las formas de onda de los pulsos mostrados en las figuras muestran los cambios en estas, al solo cambiar el ancho del pulso( con el mismo cable y las mismas configuraciones del TDR).

9 La Zona Muerta. El pulso generado por el TDR toma cierta cantidad de tiempo, por ende distancia en la salida, y esa distancia es conocida como zona muerta. La longitud de esta depende del ancho del pulso, mientras más grande el ancho del pulso más grande la zona muerta. Si alguna falla del cable se encuentra dentro de esta zona, no podrá ser detectada y para esto se puede añadir un trozo de cable entre el TDR y el cable a verificar(para lo cual después debe restarse la longitud del cable insertado para ubicar la falla), o medir desde el otro extremo para ver la falla al final del cable. Velocidad de Propagación(VP). El TDR es extremadamente preciso, sin embargo las características propias del cable a veces causan errores en la medición de las distancias. Una manera de minimizar el error es usar la correcta Velocidad de Propagación del cable bajo medición. La VP es una especificación del cable que indica la velocidad a la cual la señal viaja a través del cable, esta depende del dieléctrico usado para la construcción del cable. Las hojas de especificaciones de los cables dan este valor como un porcentaje de la velocidad de la luz y con una variación de +/- 3%. Por ejemplo: el coaxial RG-58 con dieléctrico de polietileno tiene una VP de 0.66 lo que significa que la señal viaja a una velocidad del 66% de la velocidad de la luz, la cual es 3x10 8 m/s. Conocer la VP del cable es el factor más importante cuando se usa el TDR para localización de fallas, dado que al introducir la VP correcta el instrumento se calibra para dicho cable, en dado caso que no se conozca, esta se puede determinar con el mismo TDR usando un trozo de cable de longitud conocida, sin fallas y conociendo su impedancia.

10 Una de las técnicas más comunes para reducir el error en VP es probar el cable por ambos extremos y el procedimiento es el siguiente: Se mide la longitud exacta del cable a probar. Se coloca la VP de acuerdo con la hoja de especificaciones. Se hacen las pruebas por ambos extremos y se toma nota de las distancias. Si la suma de estas es la misma longitud del cable que fue medido la VP era correcta y la falla se ha localizado. Si la suma de las dos lecturas es mayor se debe reducir la VP y volver a medir y verificar, en caso contrario, si es menor la suma, se aumenta la VP y se vuelve a probar y verificar. Debe tomarse en cuanta la posibilidad que existan dos ó más fallas en el cable. Con este método además se pueden descartar fallas ocultas dentro de la zona muerta debido al ancho del pulso. El mismo resultado puede obtenerse matemáticamente de la siguiente forma: Se toma la longitud medida del cable y se divide por la suma de las mediciones del TDR para ambos extremos, esto da el factor de ajuste, que al multiplicarlo por las lecturas del TDR dan los longitudes reales. Localización de Múltiples Fallas. Si una falla es completa como un cortocircuito o un circuito abierto, el TDR leerá solo hasta ese punto debido a que habrá una reflexión completa del pulso, en otro caso el TDR podrá medir otras fallas. Pérdidas del Cable. Como la señal viaja por el cable, parte de la energía de esta es pérdida debido a la resistencia del cable, esto es conocido como pérdidas del cable. Estas son medidas en decibeles (db). Por otro lado si la energía de la señal transmitida alcanza una discontinuidad de impedancia, parte de la energía es reflejada y la relación de la energía reflejada a la transmitida es conocido como pérdidas de retorno.

11 La Calidad de la Conexión. Es importante mantener una buena calidad en la conexión de los cables a probar dado que se puede distorsionar la forma de la señal y puede enmascarar una falla. Es por eso que se recomienda mantener uniforme las conexiones en cuanto a impedancias. Análisis de las Formas de Onda. Una gran variedad de formas de onda pueden ser encontradas, debido a las distintas aplicaciones y las características eléctricas y ambientales, diferencias encontradas entre la gran variedad de cables. Se mostraran a continuación algunos tipos de formas de onda que pueden ser encontradas cuando se usa el TDR. Una reflexión con la misma polaridad indica una falla con tendencias a un circuito abierto(alta impedancia). La reflexión mostrada en el segundo cursor es un circuito abierto completo (Γ=1) (Fig. 6). Una reflexión con polaridad opuesta indica una falla con tendencia a un corto circuito (Bajas impedancias). La reflexión mostrada en el segundo cursor es un corto circuito (Fig. 7).

12 La reflexión del medio en el segundo cursor es un abierto parcial, seguido por un abierto total(fin del cable), mientras más severa mas grande será la reflexión(fig. 8). La reflexión del medio en el segundo cursor es un corto circuito parcial, seguido por un abierto total(fin del cable), mientras más severa mas grande será la reflexión(fig. 9). debido a la atenuación(pérdidas del cable), las reflexiones causadas por cada una de las igualmente espaciadas conexiones son progresivamente mas pequeños. Una mayor reflexión (segundo cursor), seguida de una reflexión mas pequeña puede indicar tap sin terminar con falla(fig. 10).

13 Se muestran dos secciones de cable coaxial unidos con un conector(segundo Cursor), la cantidad de reflexión causada por el conector es directamente proporcional a la calidad del conector y de la conexión(fig. 11). Las conexiones coaxiales pueden causar reflexiones a lo largo de la forma de onda. La calidad y el valor de cada conexión determina la cantidad de reflexión(fig. 12).

14 Un splitter o un acoplador direccional puede ser identificado aunque la precisión de las mediciones es difícil debido a las múltiples reflexiones. El segundo cursor identifica el splitter. Las dos reflexiones siguientes son los extremos de cada uno de los dos segmentos (Fig. 13). Una unión de gran resistencia o un empalme, puede producir una reflexión en forma de S. Una reflexión ascendente de alta impedancia será seguida por una reflexión descendente de baja impedancia(fig. 14). Una terminación apropiada del cable absorberá la señal del TDR, teniendo como resultado ninguna reflexión. Las fallas antes de dicha terminación se muestran como reflexiones a lo largo de la forma de onda. Si la terminación causa reflexión, es porque está dañada(fig. 15).

15 Las pruebas de cables en torres con antenas, pueden ir cambiando debido a la inducción de energía de RF, que son mostradas en esta forma de onda. Si se pasan por varias configuraciones de filtros de ruido obtendremos una forma de onda limpia.(fig. 16) Un cable que absorba agua mostrará una forma de onda con una pendiente descendiente indicando el comienzo del agua y una pendiente ascendente al final del agua. Generalmente el área entre las dos reflexiones aparecerá ruidosa(fig. 17). Una sección de un cable Húmedo es claramente visto en esta forma de onda(fig.18).

16 Pares cruzados o fracturados: sobre cable de pa r trenzado, un split puede aparecer como una reflexión ascendente o descendente. Y el resplit aparecerá con una polaridad opuesta(fig.19). Todos los tipos de sistemas LAN de par trenzado y cable coaxial pueden ser probados con el TDR. Es mejor para la prueba de discontinuidades en el cable si no está alimentada o no hay trafico presente. La forma de onda mostrada es de una sección de un cable no alimentado con cuatro tranceivers instalados(fig.20). Pre-Laboratorio. El estudiante deberá investigar acerca de: 1) Propiedades eléctricas y descripción de cada uno de los parámetros de construcción de los distintos tipos de cables coaxiales de 50Ω, 75Ω, 93Ω, 125Ω. Entre las propiedades eléctricas están: Impedancia del cable, capacitancia, velocidad de propagación, atenuación. Entre los parámetros de construcción están: resistencia del conductor, tipo de dieléctrico, tipo de chaqueta, dimensiones de cada componente.

17 2) Debe seleccionar uno de los cables ya investigados y con las ecuaciones verificar dichas características. Laboratorio. Cada grupo deberá traer: Un metro o más de cable coaxial con dos conectores BNC Macho para dicho cable. Un metro o más de cable UTP categoría 5 con dos conectores RJ-45. Llene el siguiente cuadro: Tipo de coaxial seleccionado Impedancia Velocidad de Propagación Longitud Experiencia #1: Conectorización. Cable UTP Cruzado. Se usa para un extremo del cable el T568-B y para el otro el T568-A. 1. Para el extremo donde se aplicará el T568-B se procede a pelar la cobertura exterior que guarda todos los cables. 2. Se procede a ordenar los cables por su color de izquierda a derecha, de la siguiente manera: Naranja Naranja verde Azul Azul Verde Café Café

18 3. Después se toma un conector RJ-45, se introducen los cables ya ordenados y se usa la crimping Tool(Pinza). 4. Por el otro extremo del cable se ordenan los cables de izquierda a derecha con el siguiente código de colores: Verde Verde Naranja Azul Azul Naranja Café Café Después se toma un conector RJ-45 como se muestra, y se introducen los cables ya ordenados y se usa la crimping tool (Pinza). 6. Se procede a realizar las pruebas al cable con el Multi-Network Cable Tester BK- PRECISION 230. Cables Coaxiales. 1. Se procede a pelar la manga del cable. Del largo del conector BNC. Y posteriormente se corta el dieléctrico, para dejar descubierto el conductor central del largo del pin del conector. 2. A continuación, se introduce el conductor central en el pin. 3. Después con las pinzas para tripear se aprieta el pin, sin que quede flojo. 4. Después se introduce en el cable, el opresor seguido del collar de manera que la malla quede entre el la base del collar y el opresor.

19 5. Se procede a apretar el opresor con las pinza de tripear. Sin que quede flojo. Experiencia #2 Identificación de Terminaciones. 1) Encienda el M-TDR 1503C y configure los controles el equipo de la siguiente manera: Impedancia: ajuste el control al valor de la impedancia característica del cable elegido. Noise Filter: ajuste este control a 1avg. VP: ajuste este control al valor de la velocidad propagación del cable a elegido. Pulse Width: consulte el manual del equipo y ajuste el ancho del pulso de acuerdo a los valores sugeridos. Dist/Div: al igual que el paso anterior ajuste este control de acuerdo con los valores sugeridos. Anote en la siguiente tabla los ajustes hechos. Impedancia Noise Filter VP Pulse Width Dist/Div 2) Conecte el cable coaxial ya elaborado al M-TDR 1503C. 3) Conecte en el otro extremo como carga un circuito abierto.

20 4) Observe y grafique la medición mostrada por el equipo. 5) Repita los pasos c y d con las siguientes cargas: corto circuito y 50Ω. 6) Analice y compare los resultados obtenidos con los resultados teóricos. Experiencia #3 Detección de fallas El profesor le hará entrega de un cable para ser estudiado. a) Ajuste los controles del M-TDR 1503C a los valores característicos del cable a estudiar. b) Conecte el cable y haga la prueba del mismo. c) Desconecte el cable y conéctelo por el otro extremo, haga la prueba del mismo. d) El estudiante deberá presentar las mediciones, gráficas y conclusiones del estudio realizado Detección de Múltiples fallas a) Conecte el extremo de un cable al M-TDR y en el otro conecte una T BNC, y en cada uno de los extremos de esta conecte otros cables coaxiales. b) Que método utilizaría para determinar que forma de onda corresponde a cada terminación?. Aplique y explique dicho método y justifique su elección. Nota: Recuerde graficar todas las mediciones y anotar los ajustes del equipo a lo largo de la experiencia. c) Saque conclusiones de los resultados obtenidos y del procedimiento realizado. Experiencia #4: Medición de VP desconocidas. a) El profesor le hará entrega de un cable coaxial de VP desconocida. b) Llene la siguiente tabla con los datos del cable.

21 IMPEDANCIA LONGITUD c) Ajuste el M-TDR a la impedancia del cable a estudiar y ajuste el ancho del pulso y Dist/Div de acuerdo con la longitud de dicho cable. (Ver Manual). d) Conecte un extremo del cable al M-TDR. e) Ubique el cursor del M-TDR en la posición en la cual coincida la lectura del equipo con la longitud del cable. f) Varíe la VP hasta que coincida el inicio de la elevación de la curva del pulso reflejado con la posición del cursor. g) Lea la VP del control y anote los resultados. VP Experiencia #5:Medición de las Pérdidas de Retorno y Coeficiente de Reflexión Pérdidas de Retorno: a) Coloque como carga un circuito abierto en el extremo final del cable de la experiencia #4. b) Ajuste el control Vert Scale, de manera tal que la cresta del pulso incidente coincida con una de las grillas del display del equipo. c) Ubique el cursor en la cresta del pulso incidente y anote la lectura(db) Coeficiente de Reflexión. a) Con el mismo cable de la experiencia anterior, haga los siguientes ajustes. b) Presione la tecla menú y seleccione Setup Menú. c) Presione la tecla menú y seleccione Vertical Scale is: Decibels. d) Presione la tecla menú y esto cambiará la selección a Vertical Scale is: Milirho.

22 e) Conecte como carga un circuito abierto y ubique el cursor del equipo al inicio de la elevación del pulso reflejado. f) Ajuste el control Vert Scale que el pulso reflejado tenga una altura de una división, y mida el valor rho en el display. Este será el coeficiente de reflexión para esa carga. g) Repita los pasos e) y f) para: un cortocircuito, 50Ω, otra carga. h) Anote los resultados en la siguiente tabla. Impedancia Circuito Abierto Cortocircuito 50W Otra carga Rho