ASPECTOS GENERALES SOBRE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Transcripción

1 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 algunas unidades de medidas empleadas en sistemas de telecomunicaciones, las cuales son utilizadas para indicar ganancia o atenuación en cualquier etapa del mismo 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

2 4 transmisión y mayores tendidos de cable, hasta Mbps y más de 00 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.

3 5 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. 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.. 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.

4 6 - 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 bits por segundo con fibras ópticas ultrapuras, en tanto que el par trenzado telefónico generalmente está limitado a velocidades de 9600 a 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.

5 7 - 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 - 4 GHz, 11 GHz, 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.

6 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. t h ε o,µ o Línea conductora ε r,µ o Substrato 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.

7 9 Tabla 1.1. Comparación de diferentes tipos de cables. COMPARACION DE CABLES Características Coaxial thinnet (Base) Coaxial thicknet (Base5) Par trenzado (BaseT) Fibra óptica 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) 0 metros (38 pies) kilómetros (656 pies) Rango de transmisión Mbps. Mbps. Mbps. 4-0 Mbps. 0 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 UTP en sitios con pequeño presupuesto. STP token Ring de cualquier tamaño Cualquier tamaño de instalación que requiera alta velocidad de datos, así como seguridad.

8 1. 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 P 1 y la salida P, se tiene: P 1 P SISTEMA SI P P 1 > 1 Hay atenuación SI P P 1 < 1 Hay ganancia 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 G T G R R P TX P RX Figura 1.6. Ejemplo de un sistema de transmisión

9 11 La ecuación de potencia recibida en escala decimal está expresada por P R P TGT λ GR = 4πd 4π Mientras que en escala logarítmica la misma queda expresada como P R = P T + G T + G λ + 0 * Log 4πd R 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 S ( Bell) = Log (1.1) Pe X Donde: P e : la potencia de entrada de un sistema P s : la potencia de salida del sistema. Pero debido a que el Bell es una medida muy peqeña, se utiliza una unidad 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 S ( db) = * Log (1.) Pe X

10 1 Las relaciones anteriores están definidas para valores de potencia. Si se quiere definir para valores de voltaje o corriente, se tiene VS X ( db) = 0* Log Ve I S (1.3) X ( db) = 0* Log (1.4) Ie Esto es debido a que P=V /R=I R 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) = * Log 1mw (1.5) dbw Expresa la relación de potencia referida a un watt P X ( dbw) = * Log 1W (1.6) dbµv Expresa la relación de voltaje referida a un microvoltio X dbµ V ) = 0* Log ( V 1µ V (1.7) dbmv Expresa la relación de voltaje referida a un milivoltio X ( dbmv ) = 0* Log 1 V mv (1.8)

11 13 Algunas relaciones entre los niveles anteriores son: X ( dbw) = X ( dbm) 30 (1.9) X ( dbw) = X ( dbµ w) 60 (1.) X ( dbv ) = X ( dbmv ) 60 (1.11) X ( dbv ) = X ( dbµ V ) (1.1) Por ejemplo, para obtener 1.9 se desarrolla la ecuación 1.6 y se expresa en términos de la ecuación 1.5. Luego, X dbw) = * Log P = * Log 1w ( P X dbw) = Log Log 1mw ( 00 P 00mW 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 S X ( NEPER) = Ln (1.13) Ve Para expresarlo en términos de potencia, se tiene 1 P S X ( NEPER) = Ln (1.14) Pe Relación entre decibelios y NEPER:

12 14 P S X ( db) = * Log Pe Y ( NEPER) = 1 PS Ln Pe X ( db) P S Pe P e P S = = e Y ( NEPER ) e Y ( NEPER ) = X ( db) Aplicando logaritmo en base en ambos lados de la ecuación Luego Log X ( db) ( ) Y ( NEPER ) = e Log 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 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.

13 15 16 mw A α=0,3 neper db B - 1 db > 18 dbm Figura Sistema de recepción de CATV Tabla de Amplificadores y sus costos AMPLIFICADOR (TIPO) GANANCIA (db) COSTO ($) BTD BLE MB-DH BTN-S Se tiene que el nivel de entrada es 16 mw, lo cual expresado en dbm a partir de la ecuación 1.5 corresponde a 3 16x X ( dbm) = * Log = 1. 04dBm 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 (0.3) =. 03dB Luego a la entrada del receptor se tiene un nivel de señal igual a: P R = 1.04dBm.03dB 1.5dB 1dB = 7. 51dBm Como el nivel obtenido es <18 dbm, se debe colocar un amplificador cuyo valor será:

14 16 G G A A > 18dBm 7.51dBm >.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: P A = 1.04dBm.03dB =. 01dBm P A = 1.04dBm.03dB 1.5dB = 8. 51dBm X ( db) 8.51dBm) [ mw ] = 7. mw 3 PB ( Watt) = x = 09 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. X P 1 P ( db ) = * Log r P1 (1.17) X ( Neper ) = * Ln (1.18) r P1 Donde P 1 : es el punto de referencia P : 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 ( 1 P db = O) * Log Po (1.19) X ( Neper = O) * Ln Po (1.0) Donde P O = 1 mw, tomado como el nivel cero absoluto para potencia.

15 17 Para el caso de voltaje, V V X ( db X ( Neper ) = Ln O) = 0* Log (1.1) O (1.) Vo V1 Si se quiere obtener expresiones en términos de ambas relaciones absolutas de voltaje y potencia, se desarrollan las expresiones 1.19 y 1.1. 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 Y( dbo ) = 0* Log = 0* Log 3 1* * V Y ( dbo ) = 0* Log (1.3) Si la potencia se desarrolla en una impedancia Z, P X db O) = * Log = * Log Po V z = * Log ( V ( 0.775) ( 0.775) Z Aplicando propiedades de logaritmos, se obtiene: X db ) = * Log V ( O ( 0.775) + * Log 600 Z 600 X ( dbo ) = Y ( dbo ) + * Log (1.4) Z