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VICEPRESIDENCIA TALENTO HUMANO DIRECCIÓN DESARROLLO HUMANO Equipo gestión del aprendizaje

ELEMENTOS ACTIVOS DE REDES COAXIALES Luis Fernando Vélez Cano

EPM Telecomunicaciones S.A. E.S.P. Medellín – Colombia 2010 FERNANDOVELEZ

Elementos activos de redes coaxiales

ELEMENTOS ACTIVOS DE REDES COAXIALES «No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, térmico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito del editor».

DERECHOS RESERVADOS UNE EPM Telecomunicaciones S.A. E.S.P. Carrera 58 N° 42-125, Medellín, Colombia. Autor:

Luis Fernando Vélez Cano, instructor del Equipo Gestión del Aprendizaje EPM Telecomunicaciones S.A. E.S.P. - UNE

Edición:

Equipo Gestión del Aprendizaje – Dirección Desarrollo Humano EPM Telecomunicaciones S.A. E.S.P. - UNE

Impreso por EPM Telecomunicaciones S.A. E.S.P. - UNE Medellín, Colombia. 2010

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 4 ELEMENTOS ACTIVOS DE REDES COAXIALES ............................................................... 5 NODOS TERMINALES: .................................................................................................................. 5 AMPLIFICADORES: .................................................................................................................... 11 FUENTES DE ALIMENTACIÓN: ................................................................................................... 21

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INTRODUCCIÓN Uno de los segmentos de red más importantes dentro de la topología HFC es el segmento coaxial, por varias razones: es la red que pone los límites de ancho de banda, la más susceptible a interferencias y distorsiones, la mas afectada con los fenómenos eléctricos sobre las señales de radiofrecuencia (RF), como la atenuación, entre otras. Pensar en una buena red coaxial es pensar en la utilización de dispositivos de muy buena calidad que minimicen los anteriores problemas y faciliten las labores de operación. Dentro de estos elementos, podemos encontrar los denominados “activos”, por ser los que consumen potencia eléctrica en su proceso de funcionamiento y que son muy importantes para este segmento de la red. Aquí encontramos el nodo terminal, encargado de hacer la transición entre las redes de fibra óptica y las coaxiales; los amplificadores, encargados del regeneramiento de las señales, para poder ser enviadas a más distancia y las fuentes de energía eléctrica, encargadas de suministrar la alimentación de corriente necesaria para el funcionamiento de los dos anteriores. Este documento pretende recoger y presentar de manera general y clara, la mayor cantidad de información que se ha podido recopilar con respecto a estos elementos, buscando así poder brindarle al lector un material de consulta permanente durante su proceso de formación. Esperamos que sea de su entero agrado.

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ELEMENTOS ACTIVOS DE REDES COAXIALES Nodos terminales:

Están conformados básicamente por un receptor y un transmisor ópticos y una etapa de amplificación de RF de tipo bidireccional. Su función es recibir la señal en forma de luz y convertirla en señal eléctrica para poder ser transmitida por el cable coaxial; de igual manera convierte señales eléctricas del retorno en ópticas, para ser transportadas hasta la cabecera. Por lo general, la red coaxial que atiende un nodo óptico se diseña para una capacidad de 2000 usuarios (Home Passed), sin embargo, en caso de requerirse mayor ancho de banda por cada usuario, pudiesen ser diseñadas para unos 500 usuarios aproximadamente o menos. En el nodo óptico terminal se recibe la señal del forward, procedente del nodo primario o HUB, a través de la red troncal de fibra óptica secundaria. Allí se realiza la conversión óptico-eléctrica y la señal resultante es amplificada, dividida y enviada a través de la red de distribución coaxial hacia los abonados. Los nodos terminales pueden ser de una salida de RF, pero lo más usual es encontrarlos de 3 y 4 salidas para atender igual número de ramales coaxiales de forma independiente.

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En el caso de las señales de retorno, éstas se reciben procedentes de los equipos de los abonados, se combinan, se amplifican y se realiza la conversión eléctrico-óptica para su envío hacia el nodo primario por la red troncal de fibra óptica secundaria.

Receptores ópticos: Son los equipos que se utilizan para convertir las señales ópticas en señales eléctricas, o sea una entrada de luz y una salida de RF. Presentan una etapa de conversión óptico-eléctrica a la entrada, por lo general utilizando un fotodiodo tipo PIN y a la salida una etapa de amplificación de las señales de radio frecuencia (RF). Típicamente, los niveles de potencia óptica a la entrada son del orden de los –3 dBm a +2 dBm y los niveles de señal de RF a la salida de unos 20 a 25 dBmV. 6

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Trasmisores ópticos: Son los equipos que se utilizan para convertir las señales eléctricas en señales ópticas, o sea una entrada de RF y una salida de luz. Básicamente están conformados por una etapa de amplificación de las señales de radio frecuencia (RF) a la entrada y a la salida una etapa de conversión eléctrico-óptica, normalmente del tipo láser, de longitudes de onda de 1310 nm y 1550 nm. Típicamente, los niveles de señal de RF a la entrada son del orden de los 29 a 35 dBmV y los niveles de potencia óptica a la salida de unos 8 a 12 dBm.

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Como la fibra óptica es un medio de transmisión de bajas pérdidas y de ancho de banda muy grande, en ella no se presentan los problemas de atenuación dispar que si tienen los cables coaxiales. Cabe aquí recordar que los cables coaxiales presentan una mayor atenuación a las frecuencias altas y menor a las bajas, presentándose el fenómeno eléctrico conocido como Tilt, lo que obliga a instalar dispositivos que compensen este comportamiento. En otra palabras, en la práctica, la fibra óptica tiene un Tilt de cero (0) para todo el ancho de banda de la red, lo que facilita enormemente la calibración de esta etapa de los nodos. Podemos decir que el proceso de balanceo de las señales de RF en los receptores ópticos se limita básicamente a la instalación de atenuadores que definan el nivel de señal de entrada, de acuerdo con lo establecido en el diseño de la red, pues la señal llega prácticamente plana. Algo idéntico sucede con los trasmisores ópticos, porque la señal de reverse es muy plana y solo se requiere de atenuadores para definir el nivel de señal óptica que se necesita a la salida. Por lo general, la etapa de amplificación de los nodos, tanto en el forward como en el reverse, es idéntica en todas sus partes a un amplificador del tipo Trunk o Briger (que veremos más adelante) y su proceso de calibración cumple con todos los criterios y definiciones establecidos para este tipo de equipos. 8

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El siguiente es un diagrama en bloques de la etapa óptica de un nodo óptico Gain Maker de Scientific Atlanta.

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El siguiente es un diagrama en bloques de la etapa de RF, tipo Trunk, de un nodo óptico Gain Maker de Scientific Atlanta.

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Amplificadores:

Los amplificadores son elementos que reciben un bajo nivel de señal en su entrada y entregan un nivel más alto en su salida. Su función principal, al hacer esta actividad, es compensar las pérdidas de nivel de señal que se presentan en las redes coaxiales debidas a las características de atenuación de los cables y de los elementos que en ella se instalan.

El concepto básico es el de ganancia unitaria, el cual indica que un amplificador debe reponer el mismo nivel de señal de RF que se ha perdido en un determinado trayecto de red, logrando con esto poder seguir el recorrido un trayecto más. Los amplificadores introducen ruido y distorsiones en las señales que cruzan a través de ellos, lo cual es inherente a su funcionamiento electrónico. Estas desventajas se pueden controlar con diseños adecuados de red, en los cuales se establecen cantidades muy reducidas de amplificadores, electrónicamente mejorados, de bajo ruido y distorsión y con una adecuada calibración de los niveles de entrada y salida. 11

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Cuando el nivel de señal de entrada en un amplificador es muy bajo, la relación con respecto al ruido es mala, pero el nivel de distorsiones a la salida es bueno. Si aumentamos el nivel en la entrada, mejoramos la relación de la señal con respecto al ruido, pero deterioramos los niveles de distorsión a la salida. Por eso la calibración de los amplificadores es también conocida como balanceo. Lo (Portadora/Ruido (C/N)

Punto de balance

Distorsiones Li

Al balancear un amplificador, lo que se hace es acondicionar en forma adecuada los niveles de entrada y de salida de la señal de RF, de tal manera que los niveles de ruido y distorsión sean mínimos y el amplificador pueda funcionar con un óptimo rendimiento, según sus especificaciones de fábrica y el diseño de la red.

El acondicionamiento de la señal de RF en un amplificador se realiza con elementos electrónicos que se instalan en el módulo principal del amplificador. Se conocen como “plug-in” debido a que son por lo general enchufables. Ellos son:

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Atenuadores: Se utilizan para bajar el nivel de señal un determinado valor, en todas las frecuencias.

Equalizadores: Se utilizan para bajar el nivel de señal un determinado valor, en algunas frecuencias.

Es muy usual que en las redes HFC se utilicen amplificadores del tipo bidireccional, para amplificar las señales de la banda del Forward (50 a 860 Mhz) y del Reverse (5 a 40 Mhz).

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Ambas amplificaciones se hacen por circuitos de RF separados. Por un lado se amplifican las señales del forward y por el otro las de reverse. Esto es así, porque el comportamiento de las redes coaxiales es muy diferente para las altas frecuencias y para las bajas frecuencias, por lo tanto se requiere de un tratamiento electrónico diferente para ambas. Para esto, se utilizan filtros diplexores de RF, que separan o unen las dos bandas de frecuencia, ya sea a la entrada o a la salida del equipo, según sea el caso. Estos elementos son por un lado filtros pasa alto y por el otro filtros pasa bajo, de muy alta calidad. Sin embargo, para evitar interferencias entre una banda y otra, se deja una banda de frecuencias sin utilizar, conocida comúnmente como Split. (40 a 50 Mhz) Ambos circuitos requieren de elementos de balanceo independientes, para acondicionar los niveles de señal de entrada y salida, y unos circuitos híbridos, que son los elementos semiconductores verdaderamente responsables de la amplificación. En el caso de los circuitos del Forward, los amplificadores modernos tienen, por lo general, una etapa de pre-amplificación, la cual es muy importante para mantener una buena relación de señal a ruido (S/N). En el punto de entrada, la señal es muy débil y su nivel está muy cerca del nivel de ruido. Lo que se necesita entonces es aumentar el nivel de la señal y mejorar la relación portadora a ruido (C/N), manteniéndose bien la calidad de la señal. El balanceo de un amplificador se centra fundamentalmente en el acondicionamiento de la señal de entrada en esta etapa.

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La clave principal es llegar al primer módulo de amplificación cumpliendo dos condiciones: una señal completamente plana, para que la relación C/N sea la misma en todo el ancho de banda del amplificador y un nivel tal que corresponda al punto de equilibrio de funcionamiento, para no alterar el nivel de distorsiones a la salida. La segunda etapa es de amplificación de potencia, la cual dará el nivel adecuado de salida a la señal, para poder avanzar aun más en la red.

Como el comportamiento del cable no es el mismo para todo el ancho de banda de la señal, pues atenúa más las altas frecuencias que las bajas, antes de la segunda etapa de amplificación se instala un ecualizador denominado de interetapa (IEQ), para generar en la señal una pendiente que compense la característica dispar del cable. Para los circuitos del Reverse, la situación es más sencilla, debido a que el cable coaxial presenta para estas frecuencias un comportamiento más plano: no hay mucha atenuación y es muy pareja para todo el ancho de banda. Debido a esto, el nivel adecuado de salida se puede lograr con una sola etapa de amplificación y el acondicionamiento de la señal (balanceo) es más simple; solamente se necesita, por lo general, de un elemento atenuador a la entrada de la etapa de amplificación y de un equalizador a la salida, el cual genera una pendiente muy pequeña. El elemento principal a tener en cuenta en el balanceo de reversa es el nivel de la señal de entrada al amplificador, que corresponda al punto de equilibrio de funcionamiento, para no degradar la relación C/N. 15

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Para lograr su objetivo, los amplificadores requieren de un cierto consumo de energía eléctrica, la cual obtienen de fuentes de energía generalmente centralizadas, que están ubicadas el alguna parte de la red. Dichas fuentes proveen tensión AC, y a través de unos circuitos electrónicos, el amplificador la convierte en DC regulada. Debido a que se alimentan directamente de la línea coaxial, parte del circuito de un amplificador está destinado a separar las señales de RF de alimentación de AC, que normalmente es de 60 Hz, con un valor entre los 30 y 90 VAC, según el modelo de amplificador. Esto se conoce como filtro diplexor o bypass de potencia.

En la figura se puede observar un modelo de circuito eléctrico, donde están claramente definidos los dos caminos, uno de AC y otro de RF. Este tipo de circuito es muy frecuente en otros dispositivos utilizados en la red, como los pasivos y los insertores de potencia, los cuales se verán más adelante. 16

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En un sistema de cierta longitud de red, se requiere de amplificadores con capacidad de control automático de ganancia o AGC (Automatic Gain Control), debido fundamentalmente a la necesidad de compensar las variaciones de atenuación de los cables coaxiales frente a cambios térmicos del medio.

El sistema de AGC funciona en la banda del Forward, la cual se ve más afectada por la atenuación del cable. Su funcionamiento se basa en la toma de una muestra de la señal de RF de salida de uno de los puertos del amplificador, que normalmente es una portadora de video de alta frecuencia. Se detecta su nivel pico y se obtiene un nivel de tensión DC, que comanda la ganancia de RF del circuito híbrido del amplificador. Si la atenuación del cable aumenta con el aumento de la temperatura, el nivel de señal cae. Para compensar esto, el AGC hace que la ganancia del híbrido aumente, compensando la diferencia. El proceso inverso se da de la misma manera, cuando la temperatura baja y baja la atenuación del cable.

ASG En otras palabras, el AGC es un sistema de regulación del nivel de señal de salida de RF de los amplificadores, en la banda de Forward. 17

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Otras configuraciones muy comunes en la salida de los amplificadores son las llamadas salidas Bridger o Trunk, denominados por ello amplificadores con distribución o de distribución.

Lo que prácticamente se hace es una división interna de la señal de RF, de tal manera que de un mismo dispositivo amplificador se obtengan 2, 3 ó 4 salidas. Existen varias posibilidades de funcionamiento para un amplificador Bridger. Por eso, la construcción generalmente adoptada para ellos es la de una plaqueta base, chasis o "mother board", donde se pueden instalar los distintos módulos plug-in que definen un tipo específico de modo de trabajo. La siguiente gráfica corresponde a un amplificador extensor de línea (Line Extender), de 2 salidas, de la empresa Arris.

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Existe cierto tipo de flexibilidad cuando se desea cambiar los niveles de señal en las salidas, sin necesidad de cambio de conectores ni de la caja (Housing) o chasis. En estos casos, solamente se hace el cambio del plug-in respectivo, que por lo general es un puente (jumper), un divisor (splitter) o un acoplador direccional. El siguiente es el diagrama de RF de un amplificador tipo Bidger, de la empresa Arris:

En ella se puede apreciar que existe un puerto fijo (2) de donde se toma la realimentación para el sistema ASG y es el de mayor ganancia. Los puertos 3 y 4 se pueden configurar con un elemento plug.in, ya sea para habilitar uno de los dos solamente o ambos: en forma simétrica, con un divisor, o en forma asimétrica con un acoplador direccional. Si el amplificador es del tipo Trunk, todas las salidas son fijas, una denominada directa y otras dos denominadas auxiliares. Si las tres salidas son iguales, el amplificador se denomina balanceado o si una (directa) tiene menor nivel que las otras (auxiliares), el amplificador se denomina desbalanceado. El siguiente es el diagrama de RF de un amplificador tipo Trunk desbalanceado, de la empresa Arris: 19

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Se puede observar que la salida 3, que tiene dos etapas de amplificación, es de menor nivel que las salidas 2 y 4 que tienen tres etapas. Las tres salidas son fijas. Desde el punto de vista físico, los amplificadores son fabricados con un chasis de fundición a inyección de aluminio y vienen provistos de unos sujetadores para ser suspendidos en mensajeros, postes o cámaras.

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Fuentes de alimentación: Las redes HFC se construyen con la visión de poder prestar a sus usuarios una gran cantidad de servicios de telecomunicaciones adaptados a sus necesidades, con excelentes niveles de fiabilidad, seguridad y precios competitivos. Uno de los factores claves que determinan la calidad de servicio que el usuario percibe es precisamente la disponibilidad de la red que lleva hasta él dichos servicios, lo cual habla de una medida de las prestaciones y de la fiabilidad de la misma. Según recomendaciones internacionales, se establece un tiempo medio máximo de no disponibilidad del sistema, extremo a extremo, de 53 minutos al año por abonado, o lo que es lo mismo, una disponibilidad del 99.99%. Recordemos que una red HFC está compuesta básicamente por la cabecera, la red troncal de fibra óptica, la red de distribución coaxial, la red de abonado coaxial y los equipos terminales de usuario, y posee una cantidad considerable de equipos activos a los cuales hay que garantizarles unas condiciones óptimas de funcionamiento. Dentro de estas condiciones es fundamental asegurar el suministro de corriente eléctrica para garantizar la prestación ininterrumpida de los servicios que soporta la red. Generalmente, en la cabecera y los CDI se dispone de espacio suficiente para instalar sistemas seguros de alimentación ininterrumpida (SAI), también conocidos como UPS (Uninterruptable Power System). A estos puntos se hace llegar, si es posible, una acometida eléctrica redundante que consistirá en el suministro de corriente alterna por parte de dos compañías eléctricas distintas, o en su defecto de suministros provenientes de dos centros de transformación diferentes, aunque se trate de la misma compañía. Por otra parte, el SAI dispondrá de una bancada de baterías que deberán ser capaces de aguantar la red durante un cierto tiempo (autonomía), mientras que se llevan a cabo las acciones oportunas para restablecer el suministro de energía. Para la alimentación de los nodos ópticos y de los elementos activos que hacen parte de la red de distribución coaxial (amplificadores bidireccionales y otros) existe una metodología de alimentación mixta entre un sistema de alimentación distribuida y un sistema de alimentación centralizada. Consiste básicamente en distribuir en la red, determinado número de sistemas de alimentación de baja capacidad, adecuados para proporcionar (de manera centralizada), la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de varios equipos instalados en un determinado sector. Dependiendo del tamaño de la red de distribución coaxial, se instalan tantos sistemas de alimentación como sean necesarios.

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Estos sistemas de alimentación son pequeñas estaciones SAI, conformadas por un transformador, un sistema ondulador-cargador (inversor), un grupo de baterías que proporcione un cierto tiempo de autonomía en caso de fallo del sistema principal de alimentación de energía eléctrica (0,5 a 2 horas) y un sistema automático de control.

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El transformador se encarga de acondicionar la tensión y la corriente de entrada a la SAI, al nivel adecuado para alimentar los equipos dela red coaxial: normalmente, de corriente alterna monofásica senoidal entre 110 y 220 VAC RMS, 50/60 Hz, a corriente alterna monofásica cuasi-cuadrada a 60/90 VACRMS 50/60 Hz, con una capacidad de corriente típica de 15 amperios y potencia cercana a 1 Kilovatio. La tensión de salida se hace de forma cuasi-cuadrada para permitir una transmisión de potencia más efectiva, una mayor inmunidad al ruido eléctrico y un cierto grado de regulación.

El ondulador-cargador (inversor), mantiene las baterías en un nivel adecuado de carga y suministra, en caso de falla de la alimentación principal, una tensión y corriente VAC igual a la de entrada. Una vez se reponga la falla de la alimentación principal, este sistema recarga las baterías nuevamente. Las baterías suelen ser de plomo del tipo “sin mantenimiento” o estancas, con electrolito gelificado, que evita la recarga regular con agua desmineralizada y además reduce mucho el problema de sulfatación que presentan las baterías convencionales. El sistema automático de control evalúa permanentemente el estado de funcionamiento de la SAI, tensión de entrada y de salida, tensión de las baterías y define el modo de funcionamiento, según sean las condiciones evaluadas (modo normal o modo de respaldo), entre otras. Las SAI se suelen ubicar en la red de tal manera que alimenten los equipos en una configuración tipo "T". Esto quiere decir que la fuente se ubica por lo general en un sitio central a los equipos que va a alimentar, reduciendo con esto la distancia a ellos y por ende las pérdidas de potencia generadas por las caídas de tensión en los cables coaxiales largos. 23

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Esta configuración es la más adecuada para alimentar la mayor cantidad de equipos en la red y permite una mejor separación de los sectores de cada fuente de alimentación, sin que haya problemas por cortocircuitos, entre algunas de ellas, al operar los diferentes equipos.

Cada fuente o SAI se interconecta a la red coaxial a través de un dispositivo denominado LPI (Line Power Inserter), o insertor de potencia de línea. Éste elemento posee un circuito eléctrico similar al descrito para los amplificadores, el cual une eléctricamente la tensión VAC que proviene de la fuente, con la señal de RF que está presente en el cable coaxial.

La pérdida de inserción en la señal de RF, por la instalación del insertor de potencia en el cable coaxial, es muy baja, por lo general de orden de 1 dB. En algunos casos, las fuentes se conectan directamente a algunos equipos activos, debido a que éstos poseen puertos definidos especialmente para hacer la inserción de potencia en la red. 24

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Como ventaja principal de éstos sistemas de alimentación, se destaca el hecho de que no es necesario acondicionar un local especial para los equipos, sino que se instalan en la misma infraestructura de la red. Sin embargo, los inconvenientes son relativamente numerosos: -

Mayor dependencia de la calidad de servicio proporcionada por la compañía eléctrica que ofrece el suministro de energía.

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Mucha periodicidad de los procesos de mantenimiento.

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Monitoreo constante de cada uno de los sistemas SAI instalados en la red.

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La autonomía de las baterías es limitada (máximo 2 horas).

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Las dificultades de mantenimiento debido a la dispersión geográfica.

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Mayor número de puntos potenciales de falla.

Las características principales de las fuentes de para las redes HFC, las podemos relacionar de la siguiente forma: -

Tensión de entrada:

110 / 220 VAC.

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Tensión de salida:

60 / 75 / 90 VAC.

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Forma de onda:

Cuasicuadrada.

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Frecuencia:

50 – 60 Hz.

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Potencia de salida:

600 a 900 VA.

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Corriente de salida:

10 a 15 A.

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Protecciones eléctricas:

Sobretensiones, sobrecargas y cortocircuitos.

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Rango de temperatura:

-40°C a +55°C.

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Regulación de línea:

-50 a +30 VAC.

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Regulación de carga:

+/- 2 VDC

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Montaje:

Poste, columna, pedestal o mensajero.

Todas las fuentes de alimentación deben instalarse con puesta a tierra, la cual le sirve de protección y referencia de tensión. 25