Descripción: ELEMENTOS DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES...
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Sistemas de Telecomunicaciones e Informáticos
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ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
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Elementos de sistemas de telecomunicaciones Sergio Gallardo Vázquez
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Elementos de sistemas de telecomunicaciones Sergio Gallardo Vázquez
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Sistemas de Telecomunicaciones e Informáticos ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA
Elementos de sistemas de telecomunicaciones Sergio Gallardo Vázquez
Paraninfo ciclos formativos
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Paraninfo Elementos de sistemas de telecomunicaciones © Sergio Gallardo Vázquez
Gerente Editorial
María José López Raso Equipo Técnico Editorial
Alicia Cerviño González Paola Paz Otero Marta Oliveira Ramírez Editora de Adquisiciones
Carmen Lara Carmona Producción
Nacho Cabal Diseño de cubierta
Nobel Preimpresión
Montytexto
Reservados los derechos para todos los países de lengua española. De conformidad con lo dispuesto en el artículo 270 del Código Penal vigente, podrán ser castigados con penas de multa y privación de libertad quienes reprodujeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica fijada en cualquier tipo de soporte sin la preceptiva autorización. Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede ser reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea este electrónico, químico, mecánico, electro-óptico, grabación, fotocopia o cualquier otro, sin la previa autorización escrita por parte de la Editorial.
COPYRIGHT © 2015 Ediciones Paraninfo, SA 1.· edición, 2015
CI Velázquez, 31, r
Dcha. I 28001 Madrid, ESPAÑA Teléfono: 902 995 240 I Fax: 914456218
[email protected] / www.paraninfo.es
ISBN: 978-84-283-3663-5 Depósito legal: M-14421-2015 (12627)
Impreso en España /Printed in Spain
Gráficas Summa (Llanera, Asturias)
A mis padres, por su infinito cariño, apoyo y escuela; la razón de mi verdadero ser.
La presente obra constituye un pilar fundamental en la formación inicial de aquellas personas que deseen comprender los principales fundamentos de los sistemas de comunicación. Enmarcado dentro del Módulo Profesional «Elementos de Sistemas de Telecomunicaciones» del Grado Superior de Formación Profesional denominado «Sistemas de Telecomunicación e Informáticos», se ha procurado un guión conductor que permita su utilización más amplia; añadiendo aspectos no inicialmente contemplados y acotando o eliminando aquellos que harían la obra excesivamente extensa o le haría perder el foco de la temática. En su lectura se observará cómo se enlazan los distintos temas, procurando empatizar con el lector, haciendo mención a la utilización del idioma anglosajón, ejemplos reales de aplicación, empresas del sector, curiosidades, etcétera, de tal manera que la ardua temática se hace liviana. Se ha cuidado con esmero el apoyo infográfico y los esquemas que acompañan al texto, dando una dimensión grá-
fica que pocas veces encontramos en este tipo de temáticas, lo que ayuda a la comprensión de términos, conceptos o procesos que difícilmente podrían entenderse sin el soporte visual; los patrones de radiación de las antenas, los procesos de propagación de las ondas, los tipos de conectores de cables coaxiales, la estructura de las fibras ópticas, entre otros tantos ejemplos, son apoyados con cientos de fotografías y esquemas cuidadosamente tratados. Si bien se ha tratado con esmero el estudio y redacción de la presente obra y se ha procurado no obviar ningún aspecto relevante o destacable del sector; qué duda cabe que errar es de humanos, por lo que si el lector (empresa, asociación o particular) desea realizar cualquier comentario o aportación al respecto del presente libro puede dirigirse a la dirección de correo electrónico
[email protected]
iBan appétit! Sergio Gallardo Vázqu ez
Prólogo .................................... VII Agradecimientos ............................. XIII
1.6. Transmisores y receptores de radiofrecuencia .. 1.6.1. Receptores de radiofrecuencia ........ 1.6.2. Transmisores de radiofrecuencia
Presentación ................................ XV
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Mapa conceptual ............................
1. Caracterización de los sistemas 2
1.1.1. Conceptos básicos en sistemas de comunicación ...................
2
1.2. Elementos que intervienen en un sistema de comunjcaciones ...... ....... . .. ...... ..
6
1.3. Canales de comunjcaciones. Características .. ..
8
1.3.1. Caracterización en función del sentido de la transmisión ...................
8
1.3.2. Clasificación atendiendo al tipo de medio físico empleado ............
9
30 34
Actividades finales ...........................
35
Actividades de comprobación ... . ..........
35
Actividades de aplicación .................
36
Actividades de ampliación
36
de telecomunicaciones
1.1. Introducción a los sistemas de comunicaciones ..........................
24 26
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2. Dispositivos básicos de telecomunicaciones
37
2.1. Introducción ............................. 2.2. Amplificadores ...........................
38 39
2.2.1. Tipos de ampljficadores . ............
41
2.3. Mezcladores ............................. 2.3.1. Mezclador ideal. ...................
45 45
2.3.2. Características del mezclador .........
46
2.3.3. Clasificación de los circuitos mezcladores .......................
47
1.3.3. Tipos de canales de comunicación en función del rango de frecuencias ....
10
1.3.4. Caracterización atendiendo a otros parámetros ........................
11
1.4. Modulación en los sistemas de comunicaciones ........................
11
1.4.1. El proceso de modulación ............
12
1.4.2. Modulaciones analógicas. Tipos, características y aplicaciones .........
13
1.4.3. Modulaciones digitales. Tipos, características y aplicaciones .... . ... .
17
2.4.6. Osciladores de cristal ...............
50 51
1.5. Fuentes de ruido en circuitos electrónicos .....
21
2.4.7. Osciladores controlados por tensión ....
55
1.5.1. Ruido no correlacionado .............
22
1.5.2. Ruido correlacionado ...............
23
2.4. Osciladores. Clasificación .................. 2.4.1. Principio de oscilación de osciladores retroalimentados ...................
48
2.4.2. Parámetros de los osciladores .........
49
2.4.3. Tipos de osciladores ................
50
2.4.4. Oscilador no sjntonjzado puente de Wien . .......... . ... . ..........
50
2.4.5. Osciladores sintonizados Hartley y Colpitts .........................
2.5. Lazo de fase cerrada
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2.5.1. Intervalos de enganche y captura ......
48
ELECTRICIDAD-ELECTRO 2.6. Sintetizadores de frecuencia . . ....... . ......
59
3.3.2. Circuito equivalente de una antena ....
97
2.6.1. Tipos de sintetizadores de frecuencia ...
59
3.3.3. Reciprocidad de antenas .. .. .. .. .. . .
97
2.6.2. Síntesis directa . ... . ...... . ... . ... .
3.3.4. Diagrama de radiación . ... . . .. . . . . .
97
2.6.3. Síntesis indirecta . . . . . . .... . ... . . . . .
59 61
3.3.5 . Impedancia de entrada ... . .. . ... . ...
100
2.7. Moduladores y demoduladores ....... . ......
62
3.3.6. Directividad y ganancia directiva . . . . .
100
63
3.3.7. Ganancia de potencia
101
65 66 67
3.3.8 . Potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE)
2.7.1. Moduladores AM
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2.7.2. Demoduladores AM . ...... . ... . ... . 2.8. Acopladores de impedancia .. . ....... . ...... 2.8.1. Concepto de impedancia .. .. .. .. .. . ..
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101
3.3.9. Polarización . . .......... . ... . .....
101
3.3.10. Adaptación ..... . ... . .......... . ..
101
3.3.11. Área y longitud efectiva .... . ... . . . .
102
Mapa conceptual . . . . .... . . . . .... . . . . .... . . . .
68 74
3.3.12. Ancho de banda ...................
103
Actividades finales ...........................
75
3.3.13. Apertura del haz
103
Actividades de comprobación ... . ... . ......
75
3.4. Tipos de antenas . . ....... . ....... . ....... .
103
Actividades de aplicación .. .. .. .. .. .. .. . .. Actividades de ampliación . . . . . .. . ... . . . . .
76 76
3.4.1. Dipolo elemental . ... . .......... . ..
105
3.4.2. Dipolo "-/2 . .. . .. . ... . ... . . .. . . . . .
106
3.4.3. Dipolo doblado ...................
108
2.8.2. Adaptación de impedancias para la máxima transferencia de potencia .. ..
•
3. Determinación de las características de antenas de transmisión/recepción
77
3.1. Propagación de las ondas electromagnéticas ...
78
3.1.1. Concepto de polarización .. .. . .. .. ..
79
3.1.2. Concepto de rayo y frente de onda . . ..
80
3.1.3. Densidad de potencia e intensidad de campo . ... . ... . .. . . . . . . . . . ... .
81
3.1.4. Impedancia característica del espacio libre . . . . . ... . ... . .. . . . . . . . . . ... . 3.1.5. Vector de Pointing . . .......... . ... .
81 81
3.1.6. Frente de onda esférico y ley del cuadrado inverso .. . .. . ... . ... . ... .
81
3.1.7. Atenuación versus absorción .... .. .. .
82
3.1.8. Reflexión, difracció n, refracción e interferencia de las ondas de radio . .. .
83
3.1.9. Propagación de ondas electromagnéticas . .. . . ... . ... .. .. .
86
3.1.10. Términos y definiciones de propagación . .. .. . . ... . ... .. .. . 3.2. Espectro electromagnético versus espacio radioeléctrico ............................ 3.2.1. Espectro radioeléctrico y bandas del espacio radioeléctrico .............. 3.2.2. Gestión del espectro radioeléctrico . . . . 3.2.3. Tipos de servicios de radiocomunicación . .. . ... . ... . . . . . 3.2.4. Atribución de bandas y frecuencias ... Parámetros de las antenas .................. 3.3.1. Definición y cálculo
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3.4.4. Dipolo de brazos plegados . ... . .....
109
3.4.5. Dipolo eléctricamente acortado . ..... 3.4.6. La V invertida .. . ... . .......... . ..
109
3.4.7. Antena Marconi .. . ... . ... . . .. . . . . .
110
109
3.4.8. Agrupaciones de antenas ............
112
3.4.9. Antena de cuadro . . . . . . .... . ... . . . .
11 7
3.4.10. Antena helicoidal. .. .. .... .. .. ... .. 3.4.11. Antena rómbica . ... . ...... . ... . ...
117 117
3.4.12. Antenas de microondas ... . . . . . . . ...
118
Mapa conceptual .... .. ...... .. ...... .. ......
124
Actividades finales . . ....... . ....... . ....... . .
125
Actividades de comprobación . ..... . ... .. ..
125
Actividades de aplicación . . ... . .......... . Actividades de ampUación . . .... . . . . . . . ...
127
4. Medios guiados de transmisión
129
4.1. Introducción a los medios de transmisión ...... 4.1.1. Corrientes portadoras . . .... . ... . ....
130 131
4.1.2. Cab leado eléctrico . .. .. .. . .. . ... . ...
132
4.1.3. Fi bra óptica ..... . ... . .............
135
4.1.4. Radiofrecuencia (RF) . . . . . .. . ... . . . .
135
4.1.5. Infrarroja (IR) y ultrasonidos .........
136
•
127
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94
4.2. Transmisión de señales eléctricas. Par de cobre .... . ....... . ....... . ....... .
136
96
4.2.1. Diámetro de los cables ... . .. . ... . ...
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4.2.2. Origen del par trenzado ..............
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96
4.2.3. Tipos de cables trenzados . . .. . ... . ...
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RICIDAD-ELECTRÓNICA 4.6.3. Aplicaciones de la fibra óptica ........
172
141
4.6.4. Conectores y empalmes de líneas ......
173
142
4.6.5. Ventajas e inconvenientes del uso
143
4.6.6. Pérdidas y atenuaciones en la fibra
4.2.4. Clases y categorías de pares trenzados .........................
4.2.5. Prestaciones y características del par trenzado ..........................
4.2.6. Ámbitos de aplicación del cableado basado en pares trenzados ............
4.2.7. Conectores empleados con pares trenzados .........................
144
4.3. Líneas de transmisión: cable coaxial versus guía de ondas ................................
4.4. El cable coaxial .......................... 4.4.1. Constitución 4.4.2. Algunos cables típicos 4.4.3. Clasificación ...................... 4.4.4. Características ..................... 4.4.5. Conectores ........................ 4.4.6. Aplicaciones ......... ........ ..... 4.5. Guía de ondas ............................ 4.5.1. Modos de propagación .............. 4.5.2. Tipos de guías de ondas ............. 4.5.3. Aplicaciones de las guías de ondas ..... 4.5.4. Ventajas e inconvenientes de las guías o
•••••••••••••••••••••
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de ondas ..........................
4.6. Transmisión de señales ópticas. La fibra óptica. 4.6.1. Análisis de las fibras empleando la óptica geométrica ................
149 150 150 151 152 155 158 162 162 163 164 164 165 165 166
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óptica ............. . ... . ..........
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4.7. Equipos empleados en el sector. ... . ....... . .
180
4.7.1. Reflectómetro en el dominio del tiempo (TDR)
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180
4.7.2. Reflectómetro óptico ....... ...... ..
181
4.7.3. Osciloscopio
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4.7.4. Analizador de espectro .............
183
4.7.5. Analizador de tramas digitales .......
183
4.7.6. Analizador lógico ......... ...... ..
184
4.7.7. Frecuenciómetro ..................
184
4.7.8. Multímetro .......................
184
4.7.9. Medidor ROE
185
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4.7.10. Analizador de redes ........ . ... . ...
185
4.7.11. Telurómetro ......................
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Mapa conceptual ............................
187
Actividades finales ...........................
188
Actividades de comprobación ..............
188
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Actividades de ampliación . ...............
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Actividades de aplicación
4.6.2. Clasificación de la de fibra óptica Y tipos de transmisión ...............
de la fibra óptica ...................
Comprender qué es un sistema de comunicación es sencillo hoy día; multitud de ejemplos nos rodean y somos partícipes de su uso: telefonía móvil, televisión digital, radiodifusión AM y FM, servicios de Internet por fibra óptica, la televisión por cable, el teléfono fijo que llega a nuestros hogares, el paisaje lleno de antenas que observamos en las azoteas de nuestros edificios, etcétera. Sin embargo, profundizar en el conocimiento de los elementos que los forman y comprender su función dentro de cada subsistema, o ser capaces de entender por qué existen antenas con distintas geometrías, la forma en que las señales nos llegan a nuestros teléfonos móviles, cómo es posible que por un único cable existan multitud de conversaciones o canales de vídeo transmitidas de forma simultánea, entre otros tantos aspectos, no es tarea fácil de entender. Esto se enfatiza aún más cuando todos estos conceptos, términos, procedimientos, dispositivos, esquemas, etcétera., deben ser sintetizados en un único texto; con la profundidad suficiente para poder entenderlos y una sencillez que propicie su lectura. El camino que ha contribuido a la redacción del presente libro no se podría haber realizado exitosamente sin la participación, colaboración y divulgación que compañeros,
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instituciones y empresas han puesto a nuestra disposición. A todos ellos debo dar gracias por el tiempo y los recursos prestados, por las preguntas resueltas, por las cuestiones planteadas, por las ideas que han enriquecido el enfoque del mismo. Se suma al esfuerzo de aquellos que se han prestado a contribuir durante estos meses a esta aventura, la incalculable contribución que he recibido a lo largo de mi formación como ingeniero de Telecomunicación. A aquellos profesores de la Universidad de Sevilla que me enseñaron bien; los que se esforzaron por hacerme entender; gracias, muchas gracias. A los autores de esos libros «profundos»; aquellos que «viven» en las estanterías de la biblioteca, con páginas desgastadas, que al leerlos «nos hablaban » de teoría de la señal, de circuitos de comunicación, de sistemas electrónicos, propagación, etcétera, gracias; pues apadrinaron mi formación como ingeniero de Telecomunicación y por ser su lectura la inspiración que ha guiado las líneas escritas en el presente libro. A todos gracias, gracias por la ayuda y gracias por enseñarme a escribir sobre «Elementos de Telecomunicación».
La Ley Orgánica de Educación (LOE) ha traído consigo la aparición de nuevos títulos fruto de la necesidad de continua adaptación del mundo educativo a las necesidades y demandas del sector empresarial y productivo En este contexto nace el Ciclo Formativo de grado superior de Sistemas de Telecomunicación e Informáticos, de la familia de Electricidad y Electrónica, con el objetivo de dotar al mercado de técnicos en sistemas e instalaciones de comunicación e informáticos debidamente formados y capaces de ser eficientes y competitivos en su quehacer laboral como desarrolladores de proyectos, integradores de sistemas y supervisores de montaje y mantenimiento de las instalaciones e infraestructuras de telecomunicación e informáticas, entre otras tantas funciones. El Ciclo Formativo de grado superior de Sistemas de Telecomunicación e Informáticos se divide en distintos módulos profesionales, entre los que se encuentra el de Elementos de Sistemas de Telecomunicaciones, un pilar básico y fundamental para construir los primeros conceptos que serán de apücación a lo largo de todo el ciclo y que constituye el eje principal sobre el que versa el presente texto. El propio desarrollo del texto del libro ha constituido un difícil reto en sí mismo, pues ha precisado condensar multitud de conceptos, algunos de ellos sumamente abstractos, y adaptarlos a un lenguaje claro y sencillo, sin perder el objetivo principal del mismo: dotar de un argot técnico al lector que le permita comprender los componentes, esquemas y principios de funcionamiento de los sistemas de telecomunicación. Es por ello que, si bien se ha desarrollado en el contexto de la Formación Profesional, resultará de gran utilidad a lectores aficionados a la temática, alumnos y alumnas de titulaciones universitarias donde se traten principios de las comunicaciones, tales como grados relacionados con las telecomunicaciones, la informática o determinadas especialidades de ramas industriales, entre otros. El presente libro se estructura en cuatro unidades claramente diferenciadas, cada una de las cuales desarrolla dis-
tintos apartados que nos permiten «evolucionar conceptualmente» en el conocimiento de los elementos que forman parte de los sistemas de telecomunicaciones. En la Unidad 1 se introduce el concepto de sistema de comunicación, desarrollando varios términos fundamentales que frecuentemente se emplean sin, en muchas ocasiones, conocer realmente su significado. Seguidamente se desarrolla la estructura básica de los sistemas de comunicación para pasar a caracterizar los distintos canales o medios físi cos en base a determinadas propiedades. Se dedica un apartado completo a la técnica de adaptación al medio conocida como «modulación», tanto de tipo «analógica» como «digital» . La unidad continúa su desarrollo desglosando los distintos tipos de ruido presentes en los circuitos electrónicos para terminar describiendo los esquemas de transmisión y recepción de radiofrecuencia más importantes. La unidad 2 profundiza en los distintos elementos que podemos encontrar en los sistemas de telecomunicación. Se inicia la misma con los amplificadores, describiendo los distintos tipos, funciones y características. Del mismo modo se procede con otro importante elemento muy empleado, el mezclador. Seguidamente se dedica un apartado a los osciladores, comenzando por los principios de funcionamiento y mostrando las principales configuraciones, con esquemas y circuitos fácilmente implementables. Los lazos de fase cerrada o PLL y los sintetizadores de frecuencia ocupan los Apartados 5 y 6 de la unidad, siguiendo con algunas configuraciones físicas de los moduladores y demoduladores empleados en circuitos de telecomunicación. Finalmente, la unidad se cierra con un importante tema, el acoplamiento de impedancias, que constituye una pieza clave para el máximo aprovechamiento de la transferencia de potencia entre subsistemas. Habida cuenta de los principios fundamentales de la comunicación y los dispositivos de telecomunicación partíci pes, la Unidad 3 trata una doble temática: por una parte, se profundiza en la propagación de las ondas electromagnéti cas, comenzando por un conjunto de definiciones y concep-
ELECTRICIDAD-ELECTRO tos que se utilizarán a lo largo de la unidad, describiendo los distintos tipos de propagación que podemos encontrar en los sistemas de radiocomunicación y siguiendo con una descripción de la estructura del espacio radioeléctrico, la atribución de bandas y frecuencias, los servicios y cómo se gestiona el mismo. Enlazando con lo anterior, la Unidad 3 dedica un apartado a los parámetros que caracterizan a las antenas que se emplean en los sistemas de radiocomunicación, para pasar a dedicar un último apartado a los principales tipos de antenas que nos podemos encontrar en la actualidad, con un detallado desglose de características, diagramas de radiación, etcétera, con objeto de poder contextualizar su uso en función de la aplicación que se quiera desarrollar. Finalmente, el libro termina con la Unidad 4, en la cual, los medios inalámbricos son sustituidos por los cableados. Dicha unidad comienza con una breve descripción y aclaración de los distintos medios físicos de comunicación que podemos encontramos en la actualidad, para pasar a describir algunos de los sistemas alámbricos más utilizados en los sistemas de comunicación. Se dedica un apartado completo al par trenzado, introduciéndolo como evolución de las primeras líneas abiertas que se emplearon en los albores
de las telecomunicaciones. Este apartado describe sus propiedades, usos, ventajas, inconvenientes, clases y categorías, incluyendo los conectores frecuentemente empleados junto con los mismos y herramientas utilizadas. La evolución natural del par trenzado llevó a las comunicaciones hacia la aparición del cable coaxial y, posteriormente, la guía de ondas; procediendo a ser descritos de igual manera. El concepto de «guía de ondas» y la necesi dad de transmitir cada vez mayores tasas de información, converge en la aparición de la fibra óptica, a la que se le dedica un importante espacio del libro, dada la ingente evolución que está sufriendo y el contexto favorecedor que está propiciando su inserción en nuestro día a día. Centrándonos en el análisis de la fibra óptica desde un punto de vista geométrico, estas se clasifican, se describen sus aplicaciones, así como los distintos tipos de conectores y empalmes, para pasar a mencionar las ventajas e inconvenientes de su uso y las pérdidas y atenuaciones que debemos considerar cuando planifiquemos la utilización de este medio en nuestro sistema de comunicación. Finalmente, la Unidad 4 termina con una descripción de los principales equipos que se emplean en el sector, con indicación de sus propiedades y usos.
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Contenidos
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Objetivos
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ELECTRICIDAD-ELECTRO
11 1.1. Introducción alos sistemas de comunicaciones Hoy día vivimos inmersos en una sociedad donde las comunicaciones forman parte de nuestro haber cotidiano. Somos consumidores de servicios de comunicación cada vez que demandamos una información; bien sea a través de la televisión, el teléfono móvil o Internet, entre otros tantos sistemas. Las comunicaciones forman parte de nuestras vidas, son parte indispensable de la sociedad tal y como la entendemos en la actualidad, incluso podríamos afirmar con rotundidad que nos condicionan. Están en todas partes, en nuestro hogar, en la calle, en el aire, debajo del suelo, dentro del coche, en la biblioteca, etcétera, rodeándonos con una transparencia a nuestros ojos que en muchas ocasiones nos sugiere cierta capacidad «mágica». ¿Qué existe detrás de estos sistemas de comunicación?, ¿qué elementos intervienen?, ¿cómo se transmiten las señales?, son algunas de las cuestiones que a lo largo del presente libro trataremos de explicar. Si bien es cierto que las comunicaciones forman parte de nuestras vidas, nos rodean y somos consumidores activos de los servicios que nos ofrecen; poniendo a disposición de la sociedad ingente cantidad de información, no resulta trivial llegar a un consenso en cuanto a su definición. En una primera aproximación podríamos afirmar que las comunicaciones son el proceso de intercambio de información que se produce entre personas, animales o máquinas. Cuando las personas se comunican pueden emplear distintas formas; a través del lenguaje hablado, mediante gestos, escribiendo, etcétera. En el caso de las máquinas también estas pueden emplear distintas tecnologías, lenguajes y medios. En definitiva, para que la comunicación tenga lugar, además del emisor de la información y el receptor de la misma, debemos disponer de un canal que nos permita que esta llegue a su destino, hacerlo en base a un protocolo común, que posibilite determinar cómo se va a intercambiar la información, empleando un código común, es decir, el mismo lenguaje. Para que origen y destino intercambien información deberá utilizarse un mismo lenguaje o protocolo, es decir, un conjunto de reglas, códigos y símbolos que definan la «sintaxis y gramática» de la información y sea común a ambos. Si dos personas hablan el mismo idioma podrán intercambiar información; en caso contrario, pese a que ambos se hablen mutuamente, al no entenderse, no existe intercambio de información. Estos son algunos de los elementos que intervienen en el proceso de comunicación, además de otros tantos que veremos a lo largo del siguiente apartado.
................
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Emisor-receptor
Canal
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Emisor-receptor
Mensajes J . ~.'
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Figura 1.1. Elementos que intervienen en el proceso de comunicación,
El intercambio de información es, por tanto, el objetivo primordial de la comunicación, y para que esta se produzca debemos emplear un sistema de comunicación. Los sistemas de comunicación son aquellos que llevan a cabo el transporte de la información mediante el empleo de diferentes técnicas y dispositivos. Esta información se ge nera a partir de una fuente y se materializa en una señal que será transmitida por un medio, alámbrico o inalámbrico, pudiendo compartirlo con otras señales, mediante técnicas de multiplexación, y debiendo someterse a procesos de adaptación al mismo, como las codificaciones o las modulaciones, para poder transmitirse por el mismo y viéndose afectada por fenómenos adversos como la atenuación o el ruido. Todos estos términos y conceptos serán desarrollados en la presente unidad.
Nota Ténninos como multipl exación, codifi cación, modulación, atenu ación o ruido serán definidos y desarro llados a lo largo de la presente unidad.
• • 1.1.1. Conceptos básicos en sistemas de comunicación Resulta importante, antes de profundizar en la materia, aclarar algunos conceptos básicos que posteriormente serán utilizados y manejados a lo largo del libro.
• • • Señales analógicas yseñales ~igitales La información que es transmitida por un sistema de comunicación puede clasificarse, atendiendo a la naturaleza de la misma, en señales analógicas y señales digitales.
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Decimos que una señal es analógica cuando esta presenta una variación continua con el tiempo, pudiendo adquirir
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RICIDAD-ELECTRÓNICA un número infinito de posibles valores. Todas las señales procedentes de la naturaleza son de carácter analógico: así pues, la voz es un ejemplo de señal analógica; la temperatura ambiental, que varía gradualmente, es una señal analógica; la luz solar, la humedad, etcétera, también son señales analógicas cuyo valor varía de forma continua a lo largo de un espacio de tiempo.
en el audio que procesa un smartphone, las grabadoras digitales, en la grabación de sonido desde un ordenador, o en las cámaras de fotografía digitales, entre otros. Amp litud
Amplitud
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Amp litud 7,B9 6",78
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Tiempo
Figura 1.2. Representación de una señal analógica (evolución de la temperatura ambiental).
Un ejemplo de sistema de comunicación analógico es la transmisión de voz en la radiodifusión AM o FM . En contraposición, las señales digitales presentan una variación que no es continua con el tiempo, es discontinua, y únicamente puede adquirir un número limitado y discreto de valores. Un ejemplo muy conocido de señal digital es la información binaria, que adquiere únicamente dos posibles valores; es el tipo de información más utilizado en los sistemas electrónicos digitales de la actualidad, así como en los sistemas de comunicación digitales como es la difusión de señal de televisión por TDT o el sistema wifi. Amplitud Alto
Bajo
Señal digital
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Evidentemente, el proceso de conversión analógico-digital implica que, al cuantizar la señal de entrada, se pierda algo de información; lo que se conoce como error de cuantización.
( 1,75) 111
Figura 1.3. Representación de una señal digital (dato binario),
El proceso de conversión de una señal de tipo analógico a otra de tipo digital se realiza empleando convertidores analógico-digitales (cuyo acrónimo es ADC o CAD), los cuales toman valores periódicamente de la señal analógi ca, lo que se conoce como muestreo, y convierten dichos valores a un número digital, normalmente de tipo binario, mediante el proceso de cuantización.
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Figura 1.4. Esquema del proceso de conversión analógico·digital.
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En algunas ocasiones interesa, o es necesario, convertir una señal analógica en una señal digital y a la inversa; esto es posible gracias a los procesos de conversión analógicodigital y digital-analógico.
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Cada muestra cuantizada puede ser codificada en binan'o
(1,25) 110
(0,75) 101
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El I,'alor 1,3 se codifica en binario oomo "110', al Igual que todos los va lores de la entrada ootre 1 y 1 5.
Este oo nvertidor tiene una resolución de 0,5 voltios
000 (-1 ,75)
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Algunos ejemplos de sistemas que convierten al domi nio digital señales de naturaleza analógica los encontramos
Figura 1.5. Escala de cuantización de un convertidor analógico-digital de 3 bits,
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ...
Señal de voz del locutor en
Amplitud
El científico Nyquist demostró que si tomamos una señal analógica y continua, limitada en ancho de banda (con contenido limitado de frecuencias) y tomamos muestras de la misma a una frecuencia igualo mayor del doble de su frecuencia máxima (su ancho de banda), podemos recuperar la señal original sin pérdida de información; lo que se conoce como principio de Nyquist, en su honor. Esto explica que los canales de voz en el sistema telefónico convencional se muestreen a 8000 muestras por segundo (8000 hercios), ya que la voz humana está concentrada, en su mayoría, en un rango de frecuencias inferior a los 4000 hercios. Por otra parte, cada muestra de la señal de voz es convertida a un número digital de tipo binario utilizando 8 bits, lo que significa que se pierde información debido a la cuantización del convertidor. Si observamos, 8 bits X 8000 muestras por segundo = 64 Kbps, que es la veloci dad asignada a un canal de voz en el sistema telefónico (también denominado EO) y coincide con la velocidad de los canales de voz y datos de la tecnología RDSI.
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Tiempo
Figura 1.7. Señal de voz de un locutor en el dominio del tiempo.
Las señales de voz están compuestas por diferentes tonos o frecuencias, normalmente en un rango que abarca entre los 200 hercios y los 3000 hercios principalmente, por lo que pueden también representarse en el dominio de la frecuencia, en lo que se conoce como espectro de la señal, tal y como se muestra en la Figura 1.8.
Amplitud
Señal de voz del locutor en el dominio de la frecuencia
El proceso inverso consiste en la reconstrucción de la señal analógica a partir de la información binaria disponible, como podría ser el caso de la música que escuchamos en nuestros reproductores MP3, donde una información digi tal, binaria, es convertida a una señal analógica que llega al altavoz y, pese a la pérdida de información debida a la cuantización, nosotros la percibimos sin apreciar menoscabo en su caljdad (Figura 1.6).
• • • Señales en ~an~a ~ase Pensemos en un locutor de radio que habla por un micrófono. Si tuviéramos que representar la señal de voz del 10cutor en el dominio del tiempo, esta tendría un a aparienci a como la que se muestra en la Figura 1.7.
Frecuencia (hercios)
L -_ _ _ _ _ _, .
Figura 1.8. Señal de voz de un locutor de radio en el dominio de la frecuencia .
Se dice que una seña l es transmüida en banda base cuando el espectro de la misma se envía en el mismo rango de frecuencias que la fuente que lo ha producido. Por ejemplo, la señal de voz que se produce en un portero automático se transmite por el cable en banda base, sin sufrir ninguna modificación.
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Información digital (normalmente binaria)
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Convertidor analógico/dig ital
Sistema digital
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Figu ra 1.6. Proceso completo de conversión analógico a digital y reconstrucción digital a analógico.
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RIC IDAD-ELECTRÓN ICA • • • filtra~o ~e una señal Tal y como hemos comentado anteriormente, en algunos sistemas de comunicación pueden transmitirse, simultáneamente, varias señales de información, como es el caso de las señales de voz que se distribuyen por las emisoras de radio comercial, por ejemplo. Esto es posible gracias al hecho de que las señales se «desplazan» en el espectro, o lo que es lo mismo, no se transmiten en banda base. En los sistemas de banda ancha, entonces, será fundamental que el receptor de la información tenga la capacidad de discriminar y seleccionar la información deseada, al mismo tiempo que eliminar o no dejar pasar las señales que no son deseadas. Figura 1.9. Fotografía de un portero automático.
Sin embargo, resulta evidente que las señales procedentes de los distintos locutores de radio comercial no pueden transmitirse en banda base, pues se interferirían entre ellas, por lo que es necesario someterlas a algún proceso que «desplace el espectro de la señal en banda base a otra banda o dial», proceso que recibe el nombre de modulación . Cuando en un sistema, como la radio comercial AM o FM, se transmiten varias señales de forma simultánea, se dice que estamos frente a un sistema de banda ancha.
Por otra parte, en ocasiones resulta necesario disponer de algún mecanismo que permita salvaguardamos de las interferencias y ruidos que pueden entorpecer el correcto funcionamiento de nuestro sistema de comunicación. Tal es el caso de la interferencia producida por la señal de alimentación de la red eléctrica, que induce un ruido o interferencia de 50 hercios, o la debida a un automatismo industrial, como los variadores de velocidad de los motores eléctricos, que generan interferencias de más de 10 Khz, entre otros. Al fenómeno de «dejar pasar» un conjunto determinado de frecuencias, eliminando las otras, es lo que se le conoce como proceso de filtrado .
Sabías que ... Cu ando di sponemos de varias señales en banda base que tienen compo nentes de frecuenci a comunes no pueden enviarse simul tá neamente por el mi smo canal a no ser que las separemos de alguna manera; bi en en el ti empo (multiplexación en el tiempo) , o bien en la frecuencia (multipl exación en la frecuencia), pues se interfe ri rían entre ellas y la info rmac ión llegaría mezclada al receptor. Un ejempl o sencill o de entender es el que se presenta en clase cuando todos hablamos al mi smo tiempo. Nu estra señal de voz es una señal en banda base, todos utili zam os el mi smo rango de frecuencias apro xim adamente, y el aire es el medi o de comunicación por el que todas las co nversaciones se transmiten, produciéndose una interfe rencia entre ellas . Una pos ible solución sería establ ecer turnos para hablar, otorgando a cada uno un tiempo de participación; es decir, multiplexar en el tiempo cuándo habl a cada uno .
Locu~or de la .F;) Loc¡¡~ do la E) fHf1!SO.ról
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Súper baja frecuencia
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3
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1000-100 km
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4
3-30 Khz
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10-1 km
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Baja frecuencia
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • 1.3.4. Caracterización atendiendo a otros parámetros Podemos encontrar otros tantos parámetros que son relevantes a la hora de caracterizar un canal de comunicación: algunos dependen del tipo de medio físico, como la impedancia del cable, por ejemplo, o el tipo de apantallamiento, en medios guiados; otros expresan magnitudes que resultan vitales en cuanto a la capacidad y calidad de la señal que llega al destino de la comunicación, como podrían ser la atenuación o el ancho de banda del canal. Veamos algunos de los más significativos a continuación.
• • • Atenuación La atenuación en un canal de comunicación son las pérdidas que se producen en la potencia o amplitud de la señal transmitida cuando la señal se propaga a lo largo del medio de transmisión. Estas pérdidas pueden ser homogéneas, es decir, iguales para todas las frecuencias que se transmiten, en cuyo caso se habla de canales sin distorsión por atenuación, o distintas, en función de la frecuencia, en cuyo caso se dice que el canal presenta distorsión por atenuación. Las pérdidas o atenuación producida en una señal cuando se propaga a lo largo de un canal suele expresarse en una unidad logarítmica llamada decibelio (dB), de tal modo que una característica técnica que podemos encontrar, por ejemplo, en los cables, es su atenuación por unidad de distancia.
• • • Anc~o ~e ~an~a yveloci~a~ máxima ~e transmisión El ancho de banda de un canal de comunicación es el rango de frecuencias que dicho canal permite transmitir por él. Es un concepto asociado sobre todo a transmisiones analógicas donde las señales a enviar tienen un espectro determinado (comprendido entre dos frecuencias) yel ancho de banda del canal debe abarcar el espectro de la señal para que esta se transmita sin pérdida de información.
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El término velocidad máxima de transmisión de un canal se emplea sobre todo en comunicaciones digitales, en las cuales la información suele ser binaria (ceros y unos) y las señales que se transmiten por el medio suelen codificarse en forma de transiciones discretas. El número de transiciones por unidad de tiempo de estas señales es lo que se denomina baudios y es una de las magnitudes que se emplean para caracterizar la velocidad máxima de transmisión de señales digitales por un canal de comunicación.
de información, que se suma a la señal de información y que puede ocasionar ciertos problemas en la comunicación, como que la señal recibida pierda calidad o incluso deje de ser recibida correctamente. Existen distintos tipos de rui dos, como veremos más adelante.
11 1.4. Modulación en los sistemas de comunicaciones En un sistema de comunicaciones, tal y como hemos visto, la información procedente de una fuente es convertida por un transductor, para generar una señal eléctrica. Sin embargo, en muchas ocasiones es preciso realizar «transformaciones» sobre las señales que deseamos enviar por el medio físico de comunicación. Los principales motivos por los que es preciso realizar este proceso son: • La señal de información no puede transmitirse directamente por el medio. Es el caso de las señales de radiofrecuencia, que precisan ser desplazadas en frecuencia para poder ser radiadas, ya que sino las antenas tendrían tamaños imposibles y se requeriría una potencia excesiva, o las señales que se transmiten por la red eléctrica (PLC, PowerLine Communications, Comunicaciones por la Línea Eléctrica) que deben separarse de la propia señal de tensión eléctrica. • Resulta preciso mejorar las características de la transmisión. Un ejemplo muy frecuente lo encontramos en sistemas donde existen ciertas interferencias o ruidos que entorpecen la comunicación, como entornos industriales, donde encontramos inversores de tensión, contactores, motores y numerosos automatismos que introducen gran cantidad de interferencias; otro ejemplo es la tensión de 50 hercios que se introduce en los cables de comunicación debido a la cercanía con un cable eléctrico o la propia fuente de alimentación. • Se necesita compartir el medio con otras señales de información. El espacio radioeléctrico, por ejemplo, es único y debemos compartirlo con multitud de emisiones: radio FM, radio AM, telefonia celular, señal de televisión digital terrestre, comunicaciones por satélite, etcétera.
Sabías que ... La red eléctrica trabaja a una tensión que oscila a una frecuencia de 50 hercios, lo que significa que emite radiación y esta puede introducirse en un cable de comunicación, interfiriendo el flujo de información .
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El ruido puede definirse como cualquier tipo de interferencia no deseada presente en la banda de paso de la señal
En los sistemas de comunicación las transformaciones que se realizan sobre las señales a transmitir son principalmente de dos tipos: modulación y codificación.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • 1.4.1. fl proceso de modulación El proceso de modulación consiste en modificar las características de una señal analógica (normalmente una senoide), conocida como señal portadora, empleando para ello la señal de información, conocida como señal moduladora, para obtener como resultado una onda o señal modulada que transporta la información que deseamos enviar y es adecuada para ser transmitida por el medio físico de comunicación. Pensemos, por ejemplo, en un sistema analógico de comunicación como podría ser la radio comercial; para poder transmitir las señales de las distintas emisoras por el mismo medio, es preciso separar las señales en distintas bandas de frecuencia (diales) . Si empleamos para cada radiolocución una señal portadora senoidal de distinta frecuencia y modificamos uno de sus parámetros, por ejemplo su amplitud, con la señal de información, conseguiremos transmitir cada señal de información (radiolocución) empleando una banda de frecuencia distinta, de tal manera que no se interferirán entre ellas. Esta idea fue la que dio origen a la conocida radio AM, que no es más que una modulación en amplitud.
Recuerda que ... En los sistemas de comunicaciones, para poder transmitir simultáneamente varias señales analógicas con el mi smo espectro en banda base, por un medio físico, bien sea el espac io radioeléctrico o un medi o cabl eado, es preci so «trasladarl as» cada una a un a frecuencia di stin ta, de tal manera qu e cada una oc upe una «ranura» del espectro radioeléctrico. El recep tor deberá, a su vez, ser capaz de seleccionar y desplazar a la banda base la señal analóg ica de información deseada.
sibilidad frente a posibles fuentes de ruido . Para ello se emplean distintos tipos de modulaciones, que pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: modulaciones analógi cas y modulaciones digitales. • Modulaciones analógicas. Su nombre le viene dado porque la señal de información es analógica; tal es el caso de la transmisión de señales de radio comercial, por ejemplo. Entre las más importantes tenemos: - Modulación en amplitud (AM). - Modulaciones angulares: ./ Modulación en fase (PM). ./ Modulación en frecuencia (FM).
~I¡'¡¡itlllmi' _ _ Modulación en amplitud = AM (Amplitude Modulation) .
Sabías que ... La transmisión de señales a bajas frecuencias, por debajo del rango de los 30 Khz, requiere una elevada potencia para su transmisión y las antenas deben tener un gran tamaño, por lo que las señales que están en este rango se suelen transmitir a altas frecuencias. Tal es el caso de las señales de radiodifusión. • Modulaciones digitales. Se trata de sistemas donde se transmite información digital empleando para ello una señal portadora analógica. Se distinguen, a su vez, tres tipos: - Modulación en amplitud (AS K).
En la actualidad, los sistemas de comunicación transmiten infinidad de señales analógicas y digitales, siendo preciso adaptarlas al medio, compartirlo y reducir su sen-
- Modulación en fase (PSK). - Modulación en frecuencia (FSK).
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Figu ra 1.21 . Esquema del proceso de modulación.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • 1.4.2. Modulaciones analógicas. Tipos, características yaplicaciones El proceso de modulación convierte una señal de información en banda base en una señal centrada en la frecuencia de la señal portadora. Cuando la señal de información es analógica, estamos frente a una modulación analógica.
donde Ao es la amplitud, we es la frecuencia angular y epo es la fase de la señal, entonces modificando cualquiera de sus parámetros en base a la señal de información obtendremos un tipo u otro de modulación. Amplitud Señal portadora
I Recuerda que ... En la modulación, la señal portadora es siempre analógica, mientras que la señal de información puede ser analógica o digital.
L -_ _ _ _ _ _......._ _ _ _ _ _--1~Frecuencia (hercios)
/ fe Frecuencia de la porladora
li{&¡j'i!llt!l!IiI'-Señal paso bajo. Señal cuyo espectro o rango de frecuencias se encuentra entre O y una determinada frecuencia. Las señales de voz, por ejemplo, cuyo espectro llega a los 4 Khz aproximadamente, sería un ejemplo de señal paso bajo. Señal paso banda. Aquella cuyo espectro se encuentra delimitado entre dos frecuencias. Suele ser fruto de un proceso de modulación. Tal es el caso de las señales enviadas por las emisoras de radio comercial (AM, FM, por ejemplo).
El proceso de modulación requiere modificar alguna característica de la señal portadora, normalmente de tipo senoidal, de acuerdo a una señal de información en banda base. Si la señal portadora tiene la siguiente expresión matemática:
Amplitud
Señal de información en banda base en el dominio de la frecuencia
Figura 1.23. Señal portadora de información en el dominio de la frecuencia.
• • • Mo~ulación en amplitu~ En una modulación en amplitud el parámetro que se modi fica en la portadora es Ao es decir, su amplitud. Una señal modulada en amplitud, m~(t), tendrá la siguiente expresión matemática:
donde m es una constante que se denomina índice de modulación e i(t) sería la señal de información moduladora, debiéndose cumplir en todo momento que 1m' i(t)1 ::; 1, ya que en caso contrario la ampHtud se podría hacer negativa y también se estaría modificando la fase de la señal modulada. Pensemos en el caso particular en el que la señal de información, i(t), sea una señal senoidal con la expresión matemática i(t) = A¡ cos(w,t). La forma de la señal moduladora, portadora y modulada se muestra en la Figura 1.24.
Señal modulada en el dominio de la frecuencia
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Figura 1.22. Ejemplo de desplazamiento en la frecuencia de señal de información al ser modulada.
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ELECTRICIDAD-ELECTRO Amplitud
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Figura 1.24. Ejemplo de modulación en amplitud con moduladora senoidal en el dominio del tiempo.
Como podemos observar, la envolvente de la señal modulada tiene la forma de la señal de información.
Podremos observar cómo el espectro en el dominio de la frecuencia de la señal en banda base, al ser modulada por p(t), da como resultado una señal centrada en la frecuencia de la portadora con dos «imágenes» de la señal de información a ambos lados, a las frecuencias wc + mi y wc - mi.
Si estudiamos qué sucede en el dominio de la frecuencia, matemáticamente la señal moduladora tendrá la siguiente expresión:
En el caso de disponer de una señal de información genérica, i(t), como podría ser la señal analógica procedente de un locutor de radio, limitada en banda, al verse sometida al proceso de modulación en amplitud conseguimos que su espectro en banda base sea desplazado en la frecuencia, tal y como se muestra en la Figura 1.26.
Amplitud
Amplitud
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Señal información senoida/, i(l)
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Señal modulada
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Frecuencia (hercios)
Frecuencia - -fo....-r-¡-..Ifo--r..,.jo+L-f-¡----1~ (hercios)
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~reC¡/enCiB de la señal da InformacIón (w¡=2.tf.J
Figura 1.25. Detalle del espectro de la señal de información senoidal en banda base y modulada en AM.
Amplitud
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Aol··_································· ······_···· _· ·· ......._...... ,
Señal información genérica. i(t)
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Frecuencia fL-¡- - - - - -..... (hercios) ~
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Figura 1.26. Espectro de una señal genérica en banda base y espectro de su modulación en amplitud.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Si disponemos de varios locutores de radio de sendas emisoras comerciales, empleando una frecuencia portadora distinta para cada uno de ellos conseguiremos desplazar el espectro de las distintas señales de voz en banda base a distintas frecuencias, pudiendo compartir entonces el mismo medio (en este caso el radioeléctrico), sin que interfieran entre ellas (esto se denomina multiplexación en frecuencia, como veremos más adelante). Observando las anteriores figuras y las expresiones matemáticas podremos afirmar que más de la mitad de de la potencia de la señal modulada, que es la señal enviada por el medio físico, corresponde a la portadora, la cual no transporta información. Es la razón por la que en algunos sistemas se suprime dicha componente portadora, siendo más eficiente desde el punto de vista energético. Matemáticamente, la expresión de una señal modulada en amplitud con portadora suprimida (también conocida como DSB -SC) quedaría como sigue:
También encontramos algunos sistemas de modulación AM donde, además de eliminarse la portadora, se elimina una de las dos bandas laterales de la señal modulada; pues realmente las dos imágenes especulares de la señal enviada transportan la misma información. De esta manera, además de la reducción en potencia necesaria para la transmisión,
Ampl itud
optimizamos el ancho de banda ocupado por cada emisión, pennitiendo que pueda haber más señales compartiendo el espacio radioeléctrico, por ejemplo, en emisiones comerciales. Este tipo de sistemas se conocen como modulaciones de banda lateral única (SSB).
1(J!ia¡¡U¡tIllI¡,- Doble banda lateral con portadora suprimida = DSB-SC (Double-Side Band Suppressed-Carrier).
Modulación en amplitud = AM (Amplitude Modulation).
El uso de modulaciones DSB-SC y SSB implica una mejora en la eficiencia energética y del ancho de banda de la transmisión; sin embargo, esto implica un proceso de demodulación mucho más complejo, por lo que los receptores deben ser mucho más sofisticados y, por tanto, caros, motivo por el cual se emplea la modulación AM en muchas aplicaciones comerciales, haciendo los receptores simples, sencillos y económicos.
1(J!ia¡¡U¡tIllI¡,- Banda Lateral Única (BLU) = SSB (Single Side Band).
Amplitud Señal modulada
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I
Señal información genérica, i(t)
Frecuencia
Frecuencia
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fc+l..f-¡ ---4~ (hercios)
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Frocuoncia maxima do la sena} do Jtlform ~1ón (w,=21ff )
Figura 1.27. Esp ectro de una modulación OSB·Se.
Amplitud
Amplitud Señal modulada
I
Señal información genérica, i(t)
Frecuen cia f' - - - - - - + - (hercios) I ~ Frocuoncia máxima do la s e lia} de itlformoción (w.=2;d,)
Figura 1.28. Espectro de
una modulación SSB.
I I..-_ _.....~.Fre cuenci a
fe
(hercios)
ELECTRICIDAD-ELECTRO • Desviación de la fase instantánea. En la expresión anterior, a ep(t) se le denomina desviación de la fase instantánea, al expresar el cambio instantáneo en la fase de la portadora en un instante de tiempo en relación a la fase de referencia, epc = wJ. Se expresa en radianes. • Frecuencia instantánea. Es la frecuencia que tiene la señal portadora en un instante de tiempo. La frecuencia instantánea se expresa matemáticamente como la derivada respecto al tiempo de la fase instantánea.
d
d
w.IlIsfa nta,l1ea =w. =-(wt+m(t))=w +-m(t) dt e , e dt" I
=
= W c + epl(t) [radianes/segundo] Figura 1.29. Fotografía de un equipo receptor de radio comercial.
epi (t)
!;lIsranráll ea = f e
Sabías que ... A las modulaciones AM, DSB, SSB y VSB se las denomina modulaciones lineales. La modulación lineal debe su nombre al hecho de que el espectro que produce está relacionado linealmente con el espectro de la señal de información (moduladora).
• • • Mo~ulacionBs angulares Supongamos que disponemos de una señal portadora con la misma expresión que la descrita en el apartado anterior:
donde, como hemos comentado anteriormente, Ao es la amplitud, W c es la frecuencia angular y ,pola fase de la señal. En la modulación angular, epo' el ángulo de fase varía con el tiempo, siendo una función dependiente de la señal moduladora, es decir, de la señal de información i(t): epo = ep(t) = F(i(t))
,
+ - - [herclos] 2lí
• Desviación de la frecuencia instantánea. La expresión epi (t) es la desviación de la frecuencia instantánea 2lí y expresa el cambio instantáneo en la frecuencia de la señal portadora. Existen, por tanto, dos tipos de modulaciones angulares, la modulación en fase y la modulación en frecuencia. Si disponemos de una señal de información moduladora i(t), tendremos: • Modulación en fase (PM). En la modulación en fase epo = ep(t) = F(i(t)) = m' i(t), donde m es una constante conocida como Índice de modulación. La señal modulada tiene, por tanto, la siguiente expresión: m pM (t) =
Ao cos(wJ + ep(t)) = Ao cos(wJ + m' i(t))
• Modulación en frecuencia (FM). En la modulación en frecuencia
~ep(t) = m' i(t); por tanto,
J
ep(t) = m' i(t) , dt 'd(t) =mP(t)dt, de lo que se infiere que la señal moI
o
Por tanto, la portadora queda como sigue: p(t) = Ao cos(wJ + ep(t))
dulada en frecuencia tiene la siguiente expresión: m FM (t) =
Ao cos(wct + ep(t)) = Ao cos(wJ + mP(t)dt) o
Debemos definir entonces cuatro términos que son importantes para comprender la modulación angular: • Fase instantánea. Es la fase de la señal portadora en un instante de tiempo, es decir: f!J¡nstanlánea
=
epi
=
wJ + ep(t) [radianes].
donde
WJ = 2lífct, siendo
f e la frecuencia de la señal portadora expresada en hercios.
En la Figura 1.30 se muestra la forma de onda de una modulación FM en el caso particular de que la señal moduladora i(t) sea una onda senoidal:
~I¡'¡¡irmmi, _ _ Modulación en fase = PM (Phase Modulation.). Modulación en frecuencia = FM (Frequen.cy Modulation) .
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Amplitud
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Senoide i(t)
(moduladora)
Amplitud
"------>~----7''---"""''''''~-"'"7'i~ Tiempo
~1""·>-"-,,,·.,. r· lT1·
- .
~
Amplitud
p(t) = Ao cose m) + qJa)
Señal / ' modulada
Tiempo
Función coseno (poltadora) ~
Ji
-A oI ~· '·-'-- ·L .L.'.H"" "++I+++++H'+++++H+++I+++++HI+++++H-++r--l~
m l' M (1) =
Tiempo
,
f
41 cos(ro,! +m i(t)dt)
Figura 1.30. De izquierda a derecha: Señal portadora, señal moduladora senoidal y señal modulada FM.
Sabías que ... Las formas del espectro y del ancho de banda de las señales FM y PM no son tan sencillas de determinar como en el caso de las señales moduladas en amplitud (AM), aunque se puede afirmar como regla general que dicho ancho de banda siempre es mayor.
• • 1.4.3. Modulaciones digitales. Tipos, características yaplicaciones Cuando deseamos transmitir información digital, como podría Ser la procedente directamente de una computadora o bien una señal de voz digitalizada por un proceso de COnversión analógico-digital, decimos que estamos frente a un sistema de comunicación digital.
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Demodulador
Amplificador en 1'.... banda base V
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Figura 1.51. Esquema simplificado de un receptor RF.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • • Receptores homo~inos
Sabías que ...
El esquema de un receptor homodino es el que se muestra en la Figura 1.52 y es uno de los más sencillos que existen. En un receptor homodino la señal recibida por la antena, que es del orden de los microvoltios, es llevada a una etapa amplificadora sintonizable que permite seleccionar la frecuencia que se desea amplificar (la frecuencia de la portadora deseada). La señal seleccionada se amplifica directamente hasta un nivel suficiente para que el demodulador pueda funcionar correctamente (del orden del voltio). Tras el proceso de demodulación ya tenemos una señal eléctrica en banda base que transporta la información. En el caso de que la señal demodulada tenga una baja amplitud, se realiza una segunda amplificación y filtrado en banda base, obteniendo la señal de salida con el nivel adecuado (para ser reproducida en un altavoz, caso de una señal de sonido, por ejemplo).
Al requerir al amplificador RF de los receptores homodinos una ganancia tan grande, esto los hace sumamente propensos a la «oscilación», es decir, se vuelven inestables. También es complejo seleccionar la señal deseada en RF de forma sintonizable y con precisión, quedando los receptores homodinos relegados a aplicaciones de gran ancho de banda.
Sabías que ... A los receptores homodinos también se les conoce como receptores sintonizados en radiofrecuencia (RF) o recep tores de detección directa - Zero-IF.
Antena
Si bien es cierto que los receptores homodinos tienen la ventaja de su sencillez y reducido coste; la realidad es que actualmente son poco utilizados en comunicaciones dado sus importantes inconvenientes, como veremos. La señal que se recibe por la antena apenas dispone de unos pocos microvoltios de amplitud y el demodulador pre cisa trabajar con una señal del orden del voltio, por lo que se requiere que el amplificador tenga una elevada ganancia (10 6) a la frecuencia de la señal portadora que se desea recibir en RF. Como esta frecuencia depende de la emisora que queramos recibir, el amplificador debe ser «sintonizable». Dado que es imposible conseguir dicha ganancia con una única etapa de amplificación, se colocan varios amplificadores en cascada, sintonizados a la frecuencia de la señal portadora; sin embargo, esto resulta muy complejo, lo que limita el número de etapas de amplificación a tres o cuatro, haciéndolos poco selectivos.
Sabías que ... En los inicios de los sistemas de comunicaciones, uno de los primeros receptores que se desarrollaron fue el receptor de galena, construido a base de componentes pasivos, por 10 que no requería alimentación exterior. Se empleaba en aplicaciones AM; sin embargo, presentaba poca sensibilidad y escasa selectividad, no siendo posible sintonizar la emisión que se deseaba escuchar.
Audífono
Figura 1.53. Receptor de galena.
• • • Receptor superhetero~ino Los receptores homodinos tienen el gran inconveniente de que resulta muy complejo sintonizar todas las etapas de amplificación simultáneamente. Con objeto de mejorar la sensibilidad y selectividad de los receptores homodinos aparece el receptor superheterodino, cuyo elemento más importante es el mezclador. En un receptor heterodino la señal RF recibida es conducida a un amplificador de bajo ruido de una única etapa que amplifica toda la banda de RF. A continuación, empleando un dispositivo conocido como mezclador, la señal recibida por la antena (señal RF) es trasladada a una frecuencia conocida como frecuencia intermedia o PI, gracias a la
Antena o
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Amplm"d", RF
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Figura 1.52. Esquema de un receptor homodino.
Demodulador
A mplificado r en banda base
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Filtro banda ~ base ...:X'
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ELECTRICIDAD-ELECTRO Antena
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AmpUfi"'''[> RF
Amplificador FI
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Demodulador
(frecuencIa Inte rmedia)
~nformaCión recibida
Figura 1.54. Esquema de un receptor heterodino.
mezcla con un tono puro procedente de un oscilador. Es en esta frecuencia donde se realiza el proceso de filtrado y selección de la banda deseada (amplificación, filtrado y demodulación). Al poder realizarse la amplificación en dos etapas a frecuencias diferentes el conjunto presenta mayor estabilidad.
Recuerda que ...
y dejan pasar toda la banda de RF; ninguno es sintoruzable, no seleccionan ninguna «emisora» . En el mezclador, el tono encargado de la traslación de la señal tiene amplitud fija y frecuencia variable (utilizada para sintonizar la emisora deseada). El mezclador, gracias a la sintonización llevada a cabo en el oscilador del mismo, desplaza la señal RF a una frecuencia intermedia fija, OJFl = OJRF - OJOL '
En los receptores heterodinos, tenemos dos ventajes fun damentales: • La amplificación se realiza en dos etapas. • El filtrado de la señal se hace a una frecuencia más baja.
En el caso de receptores sintonizables en frecuencia, la frecuencia del oscilador del dispositivo mezclador puede variarse para así poder seleccionar la señal de RF que deseamos manteniendo la frecuencia intermedia constante; en dicho caso se dice que el receptor es un receptor superheterodino. En este tipo de receptores, el filtrado puede ser realizado por circuitos que trabajan a una frecuencia fija, lo que ofrece mayores prestaciones y sencillez.
Nota Al ser el coseno una función par, se cumple que co s(OJt) = cos ( - wt ), lo que implica que, para una frecuencia intennedia deseada y una frecuencia de RF dada, la frecuencia del oscilador puede sintonizarse a OJOL = OJRF - OJFl , en cuyo caso OJFl = OJRF - OJOL> o bien OJOL = -OJRF + OJFl , en cuyo caso OJFl = OJRF + OJOL'
=
La frecuencia intermedia es mucho más baja que la frecuencia de la emisión RF que se desea demodular. El proceso de mezcla es, básicamente, una multiplicación: m RF (t) = i(t) . COS(OJRFt), señal RF. mOL(t) = A cos(OJoJ) , tono senoidal del mezclador.
La Figura 1.55 muestra el diagrama de bloques completo de un receptor superheterodino. La señal procedente de la antena es conducida a un amplificador de bajo ruido y un filtro de RF que amplifican
i(t)· A [ ( ) m RF (t) . mOL (t) = - - ' cos( OJRF + OJOL t) +
2
+ cOS((OJRF - OJoJt)] , señal producto.
Antena
Información recibida
Amplificador 1"-... RF(LNA) V y Trabajan a una frecuencia fija, la "frecuencia
intelTl1edia (FI) "
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oOscilador local ajustable
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Figura 1.55. Diagrama de bloques de un receptor superheterodino.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Seguidamente, la señal producto, m RF (t)· mOL (t), es llevada a un filtro que elimina la componente suma, quedando a su salida una señal con la expresión: m
i(t) . A
Fl (t) = - - . cos(
(
2
OJRF - OJaL
)
arriba (up converters) y los de doble conversión hacia abajo (down converters).
Sabías que ...
i(t) . A
t) = - - . cos( OJ Fl t)
2
La frecuencia del oscilador se sintoniza, como hemos comentado, para que la frecuencia intermedia sea siempre la misma, independientemente de la frecuencia de la emisora que deseemos sintonizar. Al mezclador le sigue un amplificador de ganancia variable (VGA, Variable Gain Amplifier) y un filtro paso banda centrado en la frecuencia intennedia (FI), que no es sintonizable, al ser la FI constante. Este deja pasar la señal m Fl (t), que contiene la información. Al trabajar a frecuen cia intermedia, que es una frecuencia mucho menor, el receptor puede ser selectivo.
Recuerda que ... Al conjunto formado por la etapa de mezcla, el oscilador y el filtro de salida de frecuencia intermedia se le denomina comúnmente como conversor de frecuencia del receptor superheterodino.
Por último , el demodulador, que trabaja a la frecuencia intermedia, demodula la señal mFl(t) Y obtiene como resultado la señal de información de la emisora sintonizada; la cual puede ser amplificada, caso de ser necesario, ya en banda base. Además del receptor superheterodino simple o de una única frecuencia intermedia que hemos visto, cuando la señal RF es de una frecuencia muy alta (UHF o SHF), se suelen emplear receptores superheterodinos de doble conversión; existiendo dos tipos, los de doble conversión hacia
En el caso de señales moduladas en cuadratura, la segunda etapa mezcladora del receptor superheterodino permite separar las componentes en fase y cuadratura de la señal recibida.
En un receptor superheterodino, una vez sintonizada la frecuencia del oscilador (fose ) podemos observar que existe otra frecuencia que también produce frecuencia intermedia UFl) a la salida del mezclador, la cual recibe el nombre de frecuencia imagen, fmagen' La frecuencia imagen es «el reflejo» de la frecuencia de la señal RF respecto de la frecuencia del oscilador. Si en la frecuencia imagen (fimagen = f ose + fFl) existe cualquier ruido o señal, por ejemplo, otra emisora, esta se sumaría a la señal de RF a la entrada del mezclador y sería imposible eliminarla.
Nota La frecuencia imagen es realmente una banda de fre cuencias cuyo ancho vendrá dado por el ancho de banda del filtro de frecuencia intermedia y que está centrada a la frecuencia imagen propiamente. Una manera de soslayar este fenómeno consiste en emplear un filtro RF situado tras la antena, el cual debe eliminar la frecuencia imagen, f imagen' por ejemplo, dejando pasar únicamente el rango de frecuencias asociado a las emisoras que deseamos sintonizar. En el caso de que el rango de frecuencias de las señales RF que deseamos sintonizar y el rango de frecuencias imagen a cada señal se
Si en la frecuencia imagen existe cualquier ruido o señal, por ejemplo, otra emisora, esta se sumarla a la señal de RF a la entrada del mezclador y seria imposible eliminarla
fose
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Frecuencia
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Figura 1.56. Ejemplo de influencia de la «frecuencia imagen )) sobre la señal a frecuencia intermedia.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Antena
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AmPlificador[> RF (LNA) ~--------~y~--------~
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oscil ador como el fil tro de RF son sintoniza dos
sintonía
Trabaja n a una frecuencia fija, la 'irecuencfa In termedia (F~"
Oscilador local ajustabl e
Figura 1.57. Receptor superheterodino con filtro de RF sintonizable para las frecuencias imagen.
solapen, será necesario que el filtro RF sea sintonizable, es decir, su frecuencia central deberá desplazarse conforme a la frecuencia del oscilador, tal y como se muestra en la Figura 1.57.
damente. De forma desglosada, podríamos resumir las funciones más importantes de los transmisores RF en: • Producir la señal portadora que transportará la información.
• • 1.6.2. TransmisorBs de radiofrecuencia
• Modular la señal de información creando la señal modulada.
De forma general, un transmisor RF puede ser esquematizado como se representa en la Figura 1.58.
• Amplificar la señal modulada hasta la potencia necesaria para que alcance el receptor o receptores.
Antena
• Filtrar la señal modulada para después ser radiada en la antena del mismo. Entre las especificaciones o características que definen a los transmisores se pueden enumerar las que siguen a continuación:
Señal de información ,..-____---, a transmitir
Sintetizador (oscilador local aJustable)
l________________________________________________________ J
Figura 1.58. Esquema de un transmisor de radiofrecuencia.
Nota Un sinteti zador de frec uencia es un di spos iti vo qu e es capaz de generar múltipl es frecuencias de salida, dentro de un prec iso rango de valores y co n gran pureza espectral, partiendo de una o vari as señales con frecuenci a de referenci a estables . De fo rma sencill a, podríamos afirm ar que es un oscilador de frecuencia variable.
Los transmisores de RF son los dispositivos encargados de procesar la señal de información que queremos enviar y generar la señal modulada que se propagará por el medio de transmisión. La señal a transmitir se formará a partir de una frecuencia portadora, previamente generada, y se amplificará antes de ser radiada hasta alcanzar unos niveles adecuados para que llegue al receptor o receptores adecua-
• Fidelidad . La información que se desea enviar es convertida a una señal adecuada para ser emitida por el transmisor; para ello ha sido preciso reaüzar una serie de procesos sobre la misma: modu lación, amplificación, filtrado, etcétera. Si comparáramos la señal recibida en un receptor, suponiendo que ni el canal ni el receptor introducen ningún tipo de ruido o distorsión, con la señal original de información, podríamos establecer una medida de la calidad del equipo transmisor, es decir, de la fidelidad del mismo.
Sabías que ... Los transmisores manejan unos niveles de potencia mucho mayores que en los receptores, por lo que los pro blemas asociados a la distorsión adquieren un papel más significativo en este tipo de sistemas. o
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Frecuencia y banda ocupada. En un transmisor es muy importante que la estabilidad de la frecuencia de la señal portadora sea buena, pues de ello dependerá en gran medida que los receptores puedan sintonizarse adecuadamente y que puedan establecerse unos már-
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RICIDAD-ELECTRÓNICA genes de protección entre emisiones o canales adyacentes eficientemente. Banda ocupada. En los sistemas de transmisión no hay que tener en cuenta únicamente la anchura de banda para la transmisión, dado que la emisión realmente ocupa una banda mayor, conocida por el nombre de banda ocupada y que será necesario limitar.
o
Una primera clasificación podría ser atendiendo al tipo de señales que emplean: o
Transmisores analógicos.
o
Transmisores digitales.
También podemos clasificarlos en función del tipo de modulación empleada: Transmisores con modulación en amplitud (AM y ASK) . Se distinguen dos tipos a su vez:
o
Sabías que ... La recomendación UIT-R SM.328 define el término anchura de banda ocupada como «anchura de la banda de frecuen cias tal que, por debajo de su frecuencia límite inferior y por encima de sufrecuencia límite superior, se emitan potencias medias iguales cada una a un porcentaje especificado, fJl2, de la potencia media total de una emisión dada» . En ausencia de especificaciones en una Recomendación UIT-R para la clase de emisión considerada, se tomará un valor de ~/2 igual a 0,5%.
o
o
o
Emisión de espurios y armónicos. Resulta vitallimi tar la generación de armónicos, espurios y otras señales indeseadas fuera de la banda de transmisión (y dentro) con objeto de no producir interferencias en otras posi bles emisiones o sistemas de radiocomunicación. Potencia de emisión. La potencia de emisión afecta directamente al coste del transmisor, siendo una de sus características más importantes, pues de este factor dependerán las especificaciones del resto de elementos del sistema de comunicaciones, tales como las características que debe reunir el canal, el receptor o las antenas, entre otros. Rendimiento. Este último parámetro se refiere a varios aspectos del transmisor en cuanto a la duración de las baterías, si es portátil, la vida útil de los elementos electrónicos que lo componen, la capacidad de disipación de calor, la potencia de alimentación, etcétera.
• • • Clasificación ~B los transmisores
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Los receptores RF disponen de un esquema de funcionamiento que es prácticamente válido para cualquier tipo de aplicación (repitiéndose para distintos tipos de modulación utilizada, por ejemplo) . Sin embargo, este esquema tan generalizado no se da en los transmisores de RF, existiendo una extensa gama de configuraciones posibles que depen derán de distintos factores como la potencia de radiación necesaria, el tipo de modulación empleada o la frecuencia de trabajo, entre otros. Atendiendo a distintos parámetros encontramos en la bibliografía muy diferentes formas de clasificar los transmisores de RF.
- Bajo nivel. - Alto nivel. o
Transmisores de doble banda lateral (DBL) .
o
Transmisores de banda lateral única (BLU y BLV).
o
Transmisores con modulación en frecuencia (FM y FSK).
o
Transmisores con modulación en fase (PM y PSK).
No obstante, en muchas ocasiones, ciertos sistemas de transmisión resulta complicado clasificarlos atendiendo a la modulación, pues emplean más de un tipo (caso de los múltiplex de frecuencia, por ejemplo). También encontraremos autores que clasifican los sistemas de transmisión RF por la banda de frecuencias que se emplea: o
VLF. Sistemas de onda muy larga (de 3 a 30 Khz).
o
LF. Sistemas de onda larga (de 30 Khz a 300 Khz).
o
MF. Sistemas de onda media (de 300 Khz a 3 Mhz).
o
HF. Sistemas de onda corta (de 3 Mhz a 30 Mhz).
o
Etcétera.
Sabías que ... También encontramos cl asificaciones atendiendo a la potencia de la transmisión, existiendo transmisores de RF que trabajan desde el orden de milivatios hasta los megavatios.
Sin embargo, una de las clasificaciones más interesantes es aquella que se refiere a la forma en la que se genera la señal modulada, pudiendo distinguir entre: o
Transmisores homodinos. Son aquellos que modulan directamente la frecuencia de la señal portadora. Se realiza la modulación sobre la propia frecuencia de la emisión.
o
Transmisores heterodinos. En ellos se modula empleando una frecuencia auxiliar intermedia y, posteriormente, mediante la mezcla con un tono de frecuencia mayor del oscilador, se alcanza la frecuencia final de
ELECTRIC IDAD-ELECTRO emisión. La modulación se realiza sobre una frecuen cia intermedia.
da también debe tener la frecuencia central variable; lo que los hace más complejos y caros.
Antena
A su vez, podemos distinguir dos tipos, según la poten cia a la que se modula la señal: o
Transmisor homodino con modulación de bajo nivel:
Se ñal de información .--_ _---,
a transmitir
- La señal modulada es generada en baja potencia sobre la señal portadora final.
__ 1 Modulador
- Posteriormente se amplifica. Aj,u ste ~e • 31nlon m
- Finalmente se filtran los armónicos y espurios. Sintetizador (osci la dor IOcul ajustabl e)
Figura 1.59. Esquemas de un transmisor de RF homodino.
- La señal llega a la antena. o
Transmisor homodino con modulación de alto nivel: - Se genera y amplifica la señal portadora.
• • • Transmisores homo~inos o~B mo~ulación ~irecta En este caso la modulación se hace directamente sobre la frecuencia de la señal portadora, la señal resultante se filtra en la banda de transmisión y llega a la antena. Los transmisores homodinos pueden ser implementados para cualquier tipo de modulación; sin embargo, lo más fre cuente es encontrarlo en la modulación AM .
Sabías que ... Uno de los motivos qu e justifican qu e casi todos los transmi sores homodinos sean de tipo AM podemos encontrarlo en el hecho de qu e el proceso de modulación directo de la señal portadora es más sencillo realizarl o a bajas frecuencias, ya qu e los moduladores son más fác il es de implementar que a elevadas frecuencias, y los sistemas de modu lación AM son los que empl ean frec uencias más bajas .
- Se amplifica la señal moduladora . - Se modula en alto nivel empleando un modulador lineal de alto rendimiento. - Se emplea un filtro para eliminar los armónicos y espurios de la modulación. - La señal llega a la antena. Antena
Señal de información .--_ _---,
a transmitir
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Sinteti7.i'ldor (OScilador locol ajus!(l ul e)
Figura 1.61 . Esquema de un transmisor homodin o de bajo nivel. Antena
Se caracterizan por lo sigui ente: o
Realizan la modul ación directamente sobre la portadora; reali zando el filtrado tras la modul ación .
o
Se emplean en sistemas que trabajan a baja frecuencia, especialmente en modulaciones AM .
o
Tienen el gran inconveniente de que , si la frecuencia de la portadora es variable, entonces e l filtro paso ban-
Señal de información ,--_ _ _---, ~ transmiti r
Slntntl:'.:ldnr(Mr,lll'ldof
local ajustable)
Señal de información , -_ _ _--, a tran smitir
Figura 1.62. Esquema de un transmisor homodin o de alto nivel.
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Figura 1.60. Esquema de un transmisor de RF heterodino.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • • Transmisores hBtBro~inos En este tipo de transmisores la modulación emplea una señal portadora cuya frecuencia es menor que la frecuencia de la emisión. Para convertir la frecuencia de la señal modulada a la frecuencia de la emisión se emplea un conversor de frecuencia, que trasladará la señal a una frecuencia mayor de valor fijo, sin modificar la modulación. Un esquema típico de un transmisor RF heterodino es el que se muestra en la Figura 1.63. Como podemos observar en el esquema de la Figura 1.63, la señal modulada se genera en baja potencia sobre una frecuencia intermedia, y posteriormente es amplificada. Tras el proceso de amplificación la señal modulada llega a un mezclador o conversor de frecuencia que la traslada a la frecuencia de la emisión sin modificar la señal modulada, siendo filtrada. Seguidamente es amplificada nuevamente. Se filtran los posibles armónicos y espurios resultantes de los procesos de modulación y conversión de frecuencia y se envía por la antena. En resumen, un transmisor heterodino se caracteriza por lo siguiente:
• La modulación se realiza sobre una frecuencia fija, independientemente de que la frecuencia de la señal radiada cambie, lo cual facilita el proceso de filtrado. • Para cambiar la frecuencia de salida se modifica la señal que produce el oscilador. • Al realizar las amplificaciones de señal a frecuencias diferentes, las realimentaciones indeseadas son menores. Actualmente, dadas las ventajas que presentan los transmisores heterodinos, apenas encontramos emisoras homodinas, siendo casi todas de tipo AM, y cada vez es más frecuente que sean de tipo heterodino, caso de los emisores FM.
Sabías que ... Algunos sistemas de transmisión, como los transmisores de doble banda lateral (DBL) y de banda lateral única (UBL), no transmiten ninguna señal portadora, ya que esta se suprime en el proceso de modulación. En estos casos a la frecuencia de la portadora se la conoce como frecuencia característica, que es aquella en la que se produce el proceso de modulación propiamente.
• Realiza la modulación empleando una frecuencia diferente a la que se emplea en la señal modulada que se radia. Ante na
............................................................, Filtro paso ~ banda fo=l,+t. ""'"
Figura 1.63. Esquema de un transmisor RF heterodino.
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1. CARACTERIZACiÓN DE LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES
Señales analógicas versus señales digitales
Introducción y conceptos
Conversión AlD y O/A - Muestreo y cuantización Señales en banda base versus banda ancha Filtrado y tipos de filtros
Partes de un sistema de comunicación
Elementos característicos
Señales en el dominio del tiempo y la frecuencia Banda base y necesidad de modulación
En función del sentido de transmisión
Canales de comunicaciones
Atendiendo al medio físico empleado Dicotomía según el rango de frecuencias Otras taxonomías posibles
Características de los sistemas de telecomunicaciones
Fundamentos del proceso de modulación
Modulación
Tipos de modulaciones analógicas Tipos de modulaciones digitales
Ruido no correlacionado Ruido interno (térmico, disparo, etcétera)
Ruido externo (solar, humano, etcétera)
Fuentes de ruido Ruido correlacionado Distorsión armónica
Transmisores y receptores
Distorsión de intermodulación
Receptores homodinos y heterodinos Transmisores homodinos y heterodinos
1. CARACTERIZACiÓN DE LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES
11 Actividades de compro~ación
L..-_ _ _ __
1.1.
U na señal discreta:
1.6.
a) Es una señal que presenta una variación continua en el tiempo y puede adquirir un número limitado y discreto de valores.
a) Que el primero es sintonizable en frecuencia y el segundo no.
b) Es una señal que presenta una variación discontinua en el tiempo y puede adquirir un número ilimitado y discreto de valores.
b) Que el heterodino no emplea frecuencia intermedia y el superheterodino sí. e) Que el primero no es sintonizable en frecuencia y el segundo sí.
e) Es una señal que presenta una variación discontinua en el tiempo y puede adquirir un número limitado y discreto de valores. d) Es una señal que presenta una variación continua en el tiempo y puede adquirir un número ilimitado y discreto de valores.
La diferencia entre un receptor heterodino y un receptor superheterodino es:
d) Que el heterodino emplea frecuencia intermedia y el superheterodino no . 1.7.
Los receptores sintonizados en radiofrecuencia (RF) son: a) Receptores homodinos.
1.2.
En el proceso de conversión analógico-digital:
b) Receptores heterodinos.
a) Siempre se pierde información al muestrear la señal.
e) Receptores superheterodinos.
b) Nunca se pierde información al cuantizar las muestras de la señal. e) Siempre se pierde información al cuantizar las muestras de la señal.
d) No existe este tipo de receptores. 1.8.
a) La etapa de mezclado y el oscilador.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 1.3.
b) El oscilador y el filtro de salida a frecuencia intermedia.
Las señales que se transmiten por un portero automático son, normalmente:
e) La etapa de mezclado y el filtro de salida a frecuencia intermedia.
a) Señales en banda base . b) Señales en banda ancha.
d) La etapa de mezclado, el oscilador y el filtro de salida a frecuencia intermedia.
e) Señales moduladas en amplitud . d) Señales moduladas en frecuencia. 1.4.
1.5.
Un filtro «notch » es :
Los transmisores homodinos se emplean , sobre todo , en aplicaciones de:
a) Un filtro paso banda.
a) FM .
b) Un filtro rechazo banda.
b) PM.
e) Un filtro paso baja.
e) AM .
d) Un filtro paso alta.
d) QAM .
La distribución de la señal de televisión puede considerarse un canal de tipo : a) Símplex. b) Dúplex . e) Half-duplex.
d) Full-duplex.
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¿Qué elementos componen el conversor de frecuencia del receptor superheterodino?
1.9.
1.10.
Un transmisor heterodino se caracteriza porque : a) Realiza la modulación empleando una frecuencia diferente a la que se emplea en la señal modulada que se radia . b) La modulación se realiza sobre una frecuencia fija, independientemente de que la frecuencia de la señal radiada cambie, lo cual facilita el proceso de filtrado. e) Para cambiar la frecuencia de salida se modifica la señal que produce el oscilador. d) Todas las otras respuestas son correctas.
1. CARACTERIZACiÓN DE LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES
11 Actividades de aplicación 1.11 .
Define el concepto de comunicación.
1.12.
Define el concepto de sistema de comunicaciones.
1.13.
Busca información de circuitos integrados que sirvan para realizar conversiones analógico-digitales y a la inversa.
a) Las frecuencias de los tres primeros armónicos que puedes encontrar a la salida del mismo para cada una de las frecuencias de entrada.
1.14.
Enumera los elementos que componen un sistema de comunicaciones.
b) Las frecuencias de productos cruzados para los valores de [n,m] E [1 ,2] .
1.15.
Calcula la potencia de ruido térmico presente en un sistema que emplea un ancho de banda de 100 hercios y a una temperatura de 37 oC.
1.16.
1.17.
Dispones de un sistema que recibe a su entrada dos señales con frecuencias de 2 MHz y 10 MHz. Calcula lo siguiente:
1.18.
Suponiendo que dispones de un sistema que emplea como frecuencia fundamental una señal de 10kHz.
Si empleas un receptor superheterodino de frecuencia intermedia 455 Khz para sintonizar una emisora que se encuentra en la frecuencia de 1,2 Mhz, ¿cuál es el valor que debe adquirir el oscilador local del receptor?
1.19.
a) ¿Cuál sería el armónico de segundo orden y el de tercer orden?
Busca alguna empresa que disponga en su catálogo de filtros de frecuencia intermedia.
1.20.
¿Qué tipo de componente es el circuito integrado UAF42 de la empresa Texas Instruments? ¿Para qué sirve?
b) Calcula el porcentaje de distorsión armónica de segundo orden, de tercer orden para un armónico fundamental de 10 Vrms, un armónico de segundo orden de 0,1 Vrms y uno de tercer orden de 0,3 Vrms. e) Calcula el porcentaje de distorsión armónica total.
11 Actividades de ampliación 1.21 .
Busca ejemplos de sistemas comerciales de transmisión que empleen modulaciones analógicas y digitales, comparando su rango de aplicación y prestaciones .
1.23.
Busca en la página web de Maxim información sobre componentes integrados similares al UAF42; compáralos .
1.22.
Busca en empresas fabricantes de productos semiconductores circuitos integrados que implementen transmisores de RF o partes de los mismos.
1.24.
Discute en clase sobre las ventajas e inconvenientes de la utilización de sistemas analógicos frente a los sistemas digitales.
Contenidos --111 • ... • '"' •• . .
.. ..
Objetivos
. .
ELECTRICIDAD-ELECTRO
11 2.1. Introducción Una vez somos conocedores de las arquitecturas básicas que forman parte de los sistemas de transmisión y recepción RF vamos a profundizar en la descripción de los principales bloques que constituyen los mismos. Las prestaciones de los transmisores y receptores RF mucho tienen que ver con una serie de parámetros de los distintos circuitos que los forman, algunos de los cuales especificamos a continuación: • Factor o figura de ruido. El nivel mínimo de señal que el receptor es capaz de detectar va a depender del ruido introducido por cada una de las partes que forman parte del receptor (amplificadores, receptores, etcétera). Para medir el ruido que introduce un elemento o bloque se emplea la figura factor de ruido, definida como: F
SNRfN -------'''-'--Rllido - SNR OUT
producto de intermodulación de tercer orden tendría una frecuencia muy cercana a la señal recibida, produciendo interferencias en la misma. Con objeto de medir la linealidad, se define el punto de intercepción de tercer orden, IP3, que es la potencia de entrada a la cual el producto de intennodulación de tercer orden se iguala al armónico principal, tal y como se muestra en la Figura 2.1. PrcxJucto de intermodu/actón
de tercer orden
•"I:k'" "
Punto de intercepción
Potencia de salida (dB)
de tercer orden
"
~ ,I:~ "i'
Armónico
fundamental de salida
~
"
.' ti" ,.....
~,~
~
# ...
.,'
,
##~ /
.#'~.#
,;, #
/'
,
"
" ,
I
. :
•
,
"
,/'
Potencia de
IP3
entrada (dB)
Figura 2.1. Representación gráfica del punto de intercepción de tercer orden (IP3).
donde SNR 1N es la relación señal a ruido a la entrada y SNROUT' la relación señal a ruido a la salida.
Cuanto mayor sea el punto de intercepción de tercer orden, mejor será la linealidad del sistema.
Es habitual expresar esta relación en decibelios de tal manera que:
• Punto de compresión a 1 dB. Proporciona información sobre la linealidad de un dispositivo (amplificador, mezclador, etcétera), permitiéndonos determinar el punto de saturación de un circuito. Se define como el nivel de señal de entrada que produce que la salida esté 1 dB por debajo de la potencia que tendría si su comportamiento fuera ideal (infinitamente lineal). Gráficamente lo podemos representar como en la Figura 2.2.
FRllido(dB) = IOlog ( SNRIN ) = SNR1N(dB) - SNRoUT(dB) SNR oUT
Recuerda que ... La relación señal a ruido o SNR (del inglés, Signal to Noise Ratio), es la relación (divi sión) entre la potencia de la señal qu e se transmite o recibe (S) y la potencia de ruido presente (N).
Potencia de salida (dB)
PCout 1dB
• Punto de intercepción de tercer orden. El rango dinámico de la señal que podemos detectar depende estrechamente de la linealidad del receptor, la cual se ve en ocasiones afectada por la presencia de canales de RF contiguos que producen interferencias en nuestro sistema. Si alguno de los bloques (un amplificador o mezclador, por ejemplo), presenta no linealidades, pueden crearse «productos de intennodulación» que interfieran la señal recibida. En presencia de canales adyacentes, los productos de intermodulación de tercer orden adquieren una especial relevancia. Si la señal a recibir tiene una frecuencia w R Y la señal interferente una frecuencia w1 , los productos de intermodulación de tercer orden serían 2wR - w1 Y wR - 2wl • En caso de canales adyacentes se cumple que wR "" w 1 yel
Comportamiento idoal de la salida ~ "
,
" .,C1'~':B
... _....................... _.:"..
Comportamienfo real de la salida
10 W
@
Los amplificadores de radiofrecuencia (ARF) y los amplificadores de frecuencia intermedia (AFI) son dos tipos de:
a} b} e} d}
Amplificadores de elevada potencia. Amplificadores de banda ancha. Amplificadores de muy reducida linealidad. Amplificadores de pequeña señal.
d} Ninguna de las otras respuestas es correcta. 2.9.
Los amplificadores de tipo AB amplifican :
a} b} e} d}
360 grados de la señal de entrada. Entre 180 y 360 grados de la señal de entrada. 180 grados de la señal de entrada. Menos de 180 grados de la señal de entrada.
2.10. Al rango que podemos variar la frecuencia fundamental de un oscilador se le conoce como:
a} b} e} d}
Deriva de frecuencia. Relación espacio-frecuencial. Margen de sintonía. Frecuencia de operación.
2. DISPOSITIVOS BÁSICOS DE TELECOMUNICACIONES
2.11 .
Los osciladores Hartley y Colpiits son dos ejemplos de:
2.12.
a) Osciladores no sintonizados.
¿En qué tipo de transformadores adaptadores de impedancia es preciso la utilización de blindajes metálicos para evitar interferencias? a) Transformadores con núcleo de hierro.
b) Osciladores sintonizados. e) Osciladores de cristal.
b) Transformadores con núcleo de ferrita.
d) Osciladores integrados.
e) Transformadores con geometría toroidal. d) Transformadores de núcleo de aire.
11 Actividades de a licación 2.13.
Busca en internet alguna empresa que fabrique mez-
constante y frecuencia igual a la de la señal de entrada al mismo; dentro de un cierto margen.
cladores comerciales. 2.14.
b) Un oscilador que genera una frecuencia de oscilación estable pero dependiente de una tensión externa de controlo polarización. La señal de salida puede ser sinusoidal o digital, en caso de sistemas digitales.
Empleando un programa de simulación tipo SPICE como TINA-TI (versión demo gratuita disponible en la web de Texas Instruments), diseña un oscilador de tipo puente de Wien con una frecuencia de oscilación aproximada de 2 Khz.
2.15.
e) Dispositivos que generan las señales portadoras que serán empleadas en el proceso de modulación, como en los receptores, empleándose en el proceso de traslación en el espectro de la señal RF que llega por la antena del equipo a baja frecuencia.
¿Dispone el programa TINA-TI de ejemplos de circuitos osciladores? Búscalos y estudia su funcionamiento.
2.16.
Busca en internet otros esquemas de osciladores Colpitts y Hartley y trata de implementarlos en un simulador, comprobando cómo afectan las ecuaciones de
d) Un dispositivo que dispone de dos puertos de entrada y uno de salida y que tiene un comportamiento no lineal. Genera a su salida una señal proporcional al producto de sus entradas , es decir, puede ser modelado como un multiplicador.
diseño a su comportamiento . 2.17.
Busca en Internet dos modelos de circuitos integrados que sirvan para implementar osciladores controlados por tensión .
2.18.
Busca en Internet un circuito integrado de tipo PLL.
2.19.
Busca en internet empresas que fabriquen cristales de cuarzo para sistemas de RF.
2.20.
Identifica cada una de las siguientes definiciones con el tipo de dispositivo:
2.21.
Busca información sobre el componente AD9850 de Analog Devices y determina qué tipo de dispositivo es . ¿Es posible generar una señal de reloj con este integrado?
2.22.
Supón que se desea adaptar la impedancia de salida de una etapa de amplificación basada en un transistor de RF cuyo valor es de 5 ohmios a una antena de impedancia 50 ohmios , trabajando a una frecuencia de 120 Mhz. Diseña la red de acoplamiento necesaria.
2.25.
Calcula la red de adaptación necesaria para adaptar una fuente de impedancia 5 ohmios a una carga de 75 ohmios a una frecuencia de 240 Mhz.
2.26.
Visita la página web de la empresa Coilcraft (www. co ilcraft.com) y revisa los productos que comercializa, comentándolos en clase.
a) Dispositivos retroalimentados cuya principal función es la de generar una señal de salida de amplitud
11 Actividades de ampliación 2.23.
Busca ejemplos de circuitos integrados comerciales VCO. Busca en internet y discute en clase diferentes montajes electrónicos de moduladores y demoduladores AM y FM. Simula alguno de ellos y monta el circuito físicamente.
ELECTRICIDAD-ELECTRO
11 3.1. rropagación de las ondas electromag néticas
Sabías que ... Las ondas de radiofrecuencia se propagan bien en medios dieléctricos , tales como el aire, pero no en conductores con pérdidas como el agua del océano o del mar.
Tal y como hemos visto, los sistemas de comunicaciones por radiofrecuencia emplean antenas de transmisión y recepción para enviar y recibir las señales que se propagan por el canal, es decir, el espacio radioeléctrico. A las señales que se propagan por este medio se las denomina ondas electromagnéticas.
JJ) ----..s---
LI
Información
r - - - -..,pecibida r
Receptor
Antena
Un material dieléctrico es un medio que es mal conductor de la electricidad y, además , si se le somete a un campo eléctrico externo puede establecerse en él un campo eléctrico interno (a diferencia de los materiales aislantes, donde esto último no sucede). Es decir, todos los dieléctricos pueden emplearse como aislantes pero no a la inversa. Las ondas electromagnéticas fueron descubiertas por J ames Clerk Maxwell, considerado por muchos el padre de las telecomunicaciones, el cual demostró que estas se propagan por el vacío con una velocidad dada por la expresión:
Figura 3.1. Esquema de un sistema de comunicaciones por radiofre cuencia.
En la actualidad podemos encontrar infinidad de sistemas de telecomunicación que utilizan el espacio radioeléctrico para enviar y recibir la información, emisoras de radio, televisión, sistemas de telefonía móvil, wifi, teléfonos inalámbricos, mandos de apertura y cierre de puertas de garaje, etcétera. Todos estos sistemas emplean antenas de transmisión y recepción.
1 c =--!loe o
J
donde /-lo es lo que se denomina permeabilidad eléctrica en el vacío y, ea recibe el nombre de permeabilidad magnética en el vacío. Podría demostrarse que, si sustituimos los valores de /-lo Y ca en la expresión anterior se obtiene un valor de 300.000 kilómetros/segundo, que coincide con la velocidad de la luz; esto es así porque la luz es también una onda electromagnética. En las ondas electromagnéticas, la relación que existe entre el periodo (T), la frecuencia (f) y la longitud de onda (A.) viene dada por: 1 T=-
f
}.. =
c·T
Am plitud
Figura 3.2. Fotografía de varios sistemas que emplean comunicacio nes inalámbricas.
Antes de introducirnos en la teoría de las antenas, resulta preciso introducir una serie de conceptos previos en relación con las ondas electromagnéticas, su composición, forma de propagación, etcétera, lo cual trataremos en las siguientes líneas. Cuando hablamos de radio propagación o propagación por radiofrecuencia (RF) nos estamos refiriendo a la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre, es decir, el vacío. Si bien es cierto que «espacio libre» es el «vacío», a menudo a la propagación de ondas electromagnéticas por la atmósfera terrestre también se la denomina propagación por el espacio libre, ya que la principal diferencia radica en que la atmósfera introduce pérdidas en la señal que no existen en el vacío, lo que viene a denominarse absorción.
Distancia (metros)
Ampl itud
o
"----I:--+--t--+-+---,f--+-~ Tiempo (Seg un dos)
1:
'cro
ro
"-
"'e Q)
o
'ü
'C
Figura 3.3. Representación del periodo y de la longitud de onda.
w
@
RICIDAD-ELECTRÓN ICA Nota Las dimensiones de las antenas, tanto en transmisión como en recepción, están relacionadas con la longitud de onda de las señales para las que han sido diseñadas, como veremos más adelante.
desde la antena de transmisión y es recibida por el receptor empleando otra antena. Las características de la radiación, como la recepción o la captura de la señal, dependerán de las antenas empleadas, el medio de propagación y la distancia que las separa.
• • 3.1.1. Concepto de polarización Las ondas electromagnéticas están constituidas por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) perpendiculares entre sí. Son ondas transversales, ya que los campos eléctrico y magnético son siempre perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, motivo por el cual también se las conoce como ondas electromagnéticas transversales o TEM .
Tal y como hemos visto, las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Se denomina polarización de una onda electromagnética plana a la orientación del campo eléctrico respecto de la superficie de propagación, es decir, el horizonte. Cuando la polarización permanece constante con la propagación de la onda, se dice que la polarización es lineal.
Figura 3.4. Propagación de una onda de radiofrecuencia y representación de sus campos eléctrico y magnético.
1I(lja¡IHittllm¡, _ _ Figura 3.5. Onda electromagnética polarizada lin ealm ente.
Electromagnético transversal = TEM (Transverse ElectroMagnetic).
Sabías que ...
Decimos que una onda está polarizada verticalmente cuando el campo eléctrico se propaga vertical a la superficie terrestre. En cambio, si el campo eléctrico es paralelo a la superficie de propagación, se dice que la onda está polarizada horizontalmente.
Las ondas transversales son aquellas en las cuales cierta magnitud vectorial oscila en algu na dirección perpendicular a la dirección de propagación . En el caso de ondas mecánicas de desplazamiento, como las olas del mar, es más visual: se dice que la onda es transversal cuando la vibración de la materia o partículas afectadas por la onda se produce perpendicularmente a la dirección de propagación de la misma. Es decir, si una onda transversal se mueve en el plano X, sus oscilaciones estarán limitadas alplano Y-Z. o
'E '1" ro
ro
"-
'"e o .¡¡
"
'O w
@
Las ondas de radio son, por tanto, ondas electromagnéticas, al igual que algunos casos particulares que nos resultan familiares, como las ondas de luz, los infrarrojos, los rayos ultravioleta, los rayos X o los rayos gamma, entre otros. Estas se propagan con una determinada energía emitida
Figura 3.6. Ondas electromagnéticas con polarización vertical y horizontal.
ELECTRICIDAD-ELECTRO También existen ondas con polarización circular, que son aquellas donde el vector de polarización gira 360 grados conforme la onda recorre por el espacio una longitud de onda, manteniendo una intensidad de campo constante en todos los ángulos.
Frentes
Frentes de onda
.#>.'
...............
de onda
...... Rayos
-t- -+-- t--+- +-.
I'''~.
~. :
: ....
-+--+----1t--+-+-I~.,
Figura 3.8. Representación de los rayos y frente de onda en ondas planas y esféricas.
Decimos que una onda es plana cuando su frente de onda se propaga en una única dirección a lo largo del espacio (como es el caso de las ondas producidas en lo muelles o cuerdas, por ejemplo). Entonces su frente de onda es plano y paralelo a la dirección de propagación.
Figura 3.7. Onda con polarización circular.
Sabías que ... También existen las ondas con polarización elíptica, que es cuando la punta del vector de campo eléctrico describe una form a elíptica en un plano fijo cualquiera.
• • 3.1.2. Concepto de rayo yfrente de onda El análisis de las ondas electromagnéticas requiere emplear métodos indirectos que nos permitan representarlas, al no ser visibles alojo humano. Es por ello que se definen los conceptos de rayo y frente de onda, los cuales sirven para ilustrar el efecto de la propagación de estas a través del espacio. Por una parte, el concepto de rayo se emp lea para ilustrar la dirección relativa de propagación de la onda, representada como una línea que seguiría la trayectoria de la onda electromagnética.
Figura 3.9. Ejemplo de onda plana.
Sin embargo, los frentes de onda son, por lo general, más complejos que los que presentan las ondas planas. Se define el concepto de fuente isotrópica como una fuente puntual desde la cual se propagan todos los rayos, es decir, es una fuente que radia uniformemente en todas las direcciones, tal y como se muestra en la Figura 3.10.
" .. Fuente puntual
Sabías que ... Un rayo no representa, necesariamente, a una única onda electromagnética.
El concepto de frente de onda, por otra parte, representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante, es decir, está formado por los puntos de igual fase de rayos procedentes de una misma fuente .
Figura 3.10. Representación de fuente iso trópica .
El frente de onda producido por una fuente isotrópica puntual a una determinada distancia se asemeja a una esfera; no obstante, cuando nos encontramos lejos de la fuente puntual, del foco, los rayos contenidos dentro de una pequeña sección de la esfera que forma el frente de onda, se asemejan a un frente de ondas plano, es decir, son
o
'E
·c ro
ro
o-
"'e Q)
o ·ü
'C w
@
RICIDAD-ELECTRÓNICA casi paralelos entre sí. A mayor distancia, más fiel es dicha aproximación, por lo que es frecuente emplear esta simplificación. Por lo que la densidad de potencia puede expresarse como (ley de ohm): Fuente puntual a ti>
~•• ,
~ .. "' . . . larga distancia
.'
0-............._... _...
, ••••••••••••• _ •• j
L ..•.•..•.••. _ •. J
Figura 3.11. Simplificación del frente de ondas circular a un frente plano a larga distancia.
d p o tell c/a.
La densidad de potencia se define como la cantidad de energía que atraviesa una superficie determinada en un instante de tiempo. En el caso de las ondas electromagnéticas, las cuales representan al flujo de energía en la dirección de propagación, la densidad de potencia puede definirse como el flujo de energía por unidad de tiempo y de superficie y viene expresada en vatios por metro cuadrado. Por otra parte, también se definen las intensidades de campo, que son las intensidades de campo eléctrico (expresada en voltios por metro) y magnético (expresada en amperios por metro) que conforman una onda electromagnética.
Zs
Sustituyendo el valor de ,uo y Eo en el vacío, puede demostrarse que la impedancia característica del espacio libre tiene un valor de 377 ohmios y la densidad de potencia puede expresarse como:
d
• • 3.1.3. Densidad de potencia e intensidad de campo
E2
=-
.
potencia
E2
=-
377
• • 3.1.5. Vector de rointing También se define el vector de Pointing como el producto vectorial del vector campo eléctrico y el vector campo magnético:
Es un vector perpendicular al campo eléctrico y magnético, que apunta en la dirección de propagación y cuyo módulo representa la intensidad instantánea de la onda que fluye por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación.
La relación existente entre la densidad de potencia y las intensidades de campo viene dada por la siguiente expresión : d pOlellc ia
=
E·H
donde d polellcia es la densidad de potencia, E la intensidad de campo eléctrico y H la intensidad de campo magnético .
• • 3.1.4. Impedancia característica del espacio libre
Figura 3.12. Representación de los vectores de campo eléctrico y magnético y del vector de Pointing.
Las intensidades de campo magnético y eléctrico de una onda electromagnética en el espacio libre están relacionadas a través de lo que denominamos impedancia característica, la cual representa la oposición o resistencia del espacio libre o vacío.
• • 3.1.6. frente de onda esférico yley del cuadrado inverso
En un medio sin pérdidas, la impedancia característica viene dada por la raíz cuadrada del cociente entre su permeabilidad magnética y su permisividad eléctrica, es decir:
Los frentes de onda esféricos son producidos por fuentes puntuales que radian la misma potencia en todas las direcciones, las cuales también reciben el nombre de radiadores isotrópicos.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ...
d
En el mundo real, no existen radiadores iso trópicos ideales; sin embargo, es frecuente aproximar el comportamiento de las antenas omnidireccionales al de los radiadores isotrópicos.
. = P radiada 4:rR 2 potellC/O
d
.
pote ncia
E2
=-
377
_P_/'o_dia_d_o = _E_2_ ==;. E =
A una distancia determinada de la fuente isotrópica, R, el frente de onda conforma una esfera donde todos los puntos poseen la misma densidad de potencia.
.•. •.
t.:
.
Frente de onda B
Frente de onda A
4nR 2
--=-~_3_0_'_P_/'a_dil_lda_ R
377
Podemos observar de la expresión de la densidad de potencia que, conforme nos alejamos de la fuente de la radiación, en ausencia de pérdidas, la potencia total se mantiene constante; sin embargo, debido al incremento de la superficie de la esfera con el cuadrado de la distancia, la densidad de potencia en un punto de la esfera disminuye con el cuadrado de la distancia. A esta propiedad se la conoce como ley del cuadrado inverso. La relación entre las densidades de potencia de dos puntos cualesquiera situados a un radio Ra y Rb, vendrá dada por: d
= P radiada
. p o te /Je la _a
Rayo 2
4JíR 2 o
d
. = P ral. oda potellC lo _b 4:rR 2 b
Figura 3.13. Frente de onda producido por una fuente isotrópica. P,'adiada
La potencia total radiada a dicha distancia estará, por tanto, uniformemente distribuida por toda la superficie de la esfera, por lo que podemos afirmar que la densidad de potencia (potencia por unidad de superficie) en cualquier punto de la esfera viene dada por el cociente entre la potencia radiada y la superficie de la misma, es decir:
d p otel/ cia
P rac/ioc/o 2
= 4JT:R
donde P /'oc/ioc/o es la potencia total radiada y esfera del frente de onda.
El área de una esfera de radio
R
R
el radio de la
se calcula como
4:rR 2 •
En el espacio libre, la densidad de potencia podía ser expresada en función de su impedancia característica, por lo que, igualando obtenemos que la intensidad de campo eléctrico en cualquier punto de un frente de onda esférico, a una distancia R, generado por una fuente isotrópica, puede ser expresado como:
dp otellcio _ o
d potellcio _ b
=
4:rRl~
~'odioc/o
=
R ¡ ==;. dp otellcia _ o
Rl~
d potellcio _ b =
(R ¡ )
Rl~
4:rR b2
• • 3.1.7. Atenuación versus absorción Las ondas electromagnéticas, cuando se propagan por el vacío, no tienen pérdida de energía; su potencia total radiada es constante. Sin embargo, tal y como hemos visto, los rayos tienden a dispersarse y esto implica una disminución en la densidad de potencia; a ese fenómeno se le conoce por el nombre de atenuación. Por otra parte, podemos introducir el concepto de absorción, asociado a las pérdidas que las ondas electromagnéticas sí sufren al propagarse por la atmósfera, ya que esta dista mucho de ser totalmente ideal, y contiene elementos, obstáculos y partículas que absorben la potencia radiada, traduciéndose esto en pérdidas.
Nota El fenómeno de absorción tiene lugar en la atmósfera debido a las partículas y a los elementos que absorben la energía electromagnética, no existiendo fuera de ella (el espacio, por ejemplo).
RICIDAD-ELECTRÓNICA • • • Atenuación Tal y como hemos podido estudiar con la ley del cuadrado inverso, la densidad de potencia tiende a dispersarse y su magnitud a reducirse con el cuadrado de la distancia a la fuente de irradiación. Esta reducción en la densidad de potencia es lo que denominamos atenuación, implicando que, si bien la densidad de potencia se reduce, la potencia total irradiada no se pierde ni se disipa, simplemente se redistribuye en un área mayor conforme se aleja del foco isotrópico. A efectos de recepción, la disminución de densidad de potencia en un área se observa como una reducción en la potencia, por lo que a la atenuación también se la denomina atenuación de la onda o atenuación espacial de la onda, enfatizando el fenómeno de dispersión esférica de la misma.
En general, el fenómeno de absorción puede considerarse despreciable para frecuencias inferiores a los 10 Ghz. En la Figura 3.14 se muestra un gráfico de la absorción debida al oxígeno y al vapor de agua presentes en la atmósfera frente a la frecuencia. Como podemos observar, la absorción es más manifiesta a determinadas frecuencias, reduciéndose en otras. o
-:e
E
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e 'o '13 ro ::> e
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2
« '6
"o
Sabías que ...
10
La atenuación de las ondas, es decir, la pérdida en la densidad de potencia, suele expresarse empleando el decibelio (dB), que es una magnitud logarítmica, tal que: a(dB)
=
1010g ( dporellcia
b
d p otencia _Q
I )
15
~O
50
100
150
200
Frecuencia (Ghz)
Figura 3.14. Representación de la absorción atmosférica debida al oxígeno y al vapor de agua frente a la frecuencia.
El grado de absorción de un medio se representa empleando el coeficiente de absorción, YI, de tal manera que, si bien la atenuación de onda al desplazarse de un punto Ra a un punto Rb dependía del cociente de distancias,
• • • A~sorción En el caso de ondas que se propagan por la atmósfera terrestre, estas están sometidas a un fenómeno adicional que se denomina absorción, que viene a referirse a la absorción de potencia que la onda experimenta debido a diversas partículas presentes en la atmósfera, que produce una pérdida efectiva de la potencia y, por tanto, una reducción en la magnitud de los campos eléctrico y magnético que constituyen la onda. Esta absorción de la onda puede describirse empleando la Ley de Ohm, siendo modelada como una resistencia, por lo que la pérdida de potencia puede expresarse como:
p
=
¡2R
Recuerda que ... La atenuación de la onda debida a las partículas de la atmósfera es una función de la frecuencia de la misma, siendo generalmente despreciable para frecuencias inferiores a los 10 Ghz.
R~a '
la absorción se debe a la diferencia de estas y se expresa como: Absorción = r¡(R b
-
RJ
Sabías que ... La absorción es mucho más manifiesta en días lluviosos o nublados . Además, dadas las no homogeneidades de la atmósfera, supone un complicado fenómeno a tener en cuenta a la hora de diseñar sistemas de comunicació n radioeléctricos.
• • 3.1.8. Reflexión, difracción, refracción einterferencia de las ondas de radio La forma en que las ondas se propagan por la atmósfera puede ser diferente de su comportamiento en el espacio libre debido a diversos fenómenos ópticos como son la reflexión, la refracción, la difracción o la interferencia. A continuación explicamos cómo afectan a los frentes de ondas y los rayos cada uno de estos fenómenos .
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Refracción El fenómeno de refracción se produce cuando una onda que transcurre por un medio atraviesa otro medio con distinta velocidad de propagación, o lo que es lo mismo, distinta densidad. En tal caso, se produce un cambio en la dirección de la onda que, en función de la relación de densidades entre los medios, será mayor o menor. En la Figura 3.15 se muestra un ejemplo de un frente de ondas en el que el primer medio es menos denso que el segundo.
Se definen, a su vez, los ángulos de incidencia y refracción como los ángulos que fonnan la onda incidente con la nonnal y el que forma la onda reflejada con la nonnal, respectivamente . Cuando una onda se propaga por un medio que presenta una densidad que varía gradualmente (tiene un gradiente de densidad) perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, también se produce el fenómeno de refracción, tal y como se muestra en la Figura 3.17.
! Normal Frente de onda
origen --++-~= ----",,------- ,, ----------,----------------------- -.¡ Frente de onda
:J a/terar
Figura 3.17. Ejemplo de refracción en un medio con gradiente de densidad. Figura 3.15. Ejemplo de refracción de un medio menos denso a un medio más denso.
• • • Reflexión Definimos la «normal » como una línea imaginaria perpendicular a la interfaz entre los dos medios, como podemos observar en la Figura 3.15. Cuando se atraviesa un medio menos denso a otro más denso, los rayos de la onda se inclinan hacia la normal. En el caso contrario, los rayos se alejarían de la normal. Así, por ejemplo, cuando observamos un vaso de agua donde hemos introducido una pajita, como se muestra en la Figura 3.16, al ser el agua más densa que el aire, la luz se refracta y vemos la pajita «quebrada».
Otro fenómeno que podemos encontrarnos en la atmósfera es la reflexión, que se produce cuando una onda co lisiona con la interfaz de dos medios y la totalidad o parte de la onda es «reflejada» al medio original. Cuando la onda es reflejada completamente, las velocidades de las ondas incidente y reflejada son iguales y los ángulos de incidencia y reflexión también; no obstante, no siempre sucede esto, por lo que resulta conveniente definir el coeficiente de reflexión, que es la relación existente entre la intensidad del campo eléctrico de la onda incidente y el de la onda reflejada.
o
1:
'cro
ro
"-
"'e Q)
o
'ü
'C
Figura 3.16. Ejemplo de refracción sobre un vaso de agua.
Figura 3.18. Ejemplo de onda totalmente reflejada.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • • Difracción
Ondas
La difracción es un fenómeno que se produce en las ondas al encontrarse con un obstáculo o una «rendija» y que se manifiesta como una redistribución o modulación de la energía dentro de un frente de onda. Los fenómenos de reflexión y refracción se producen cuando las dimensiones de las superficies son mucho mayores que la longitud de onda de los rayos incidentes. Cuando esto no sucede, es decir, las dimensiones de la superficie u obstáculos son del orden de magnitud de la longitud de onda de la señal, puede producirse la difracción y los análisis geométricos empleados con la reflexión y refracción no pueden aplicarse. Para entender entonces el fenómeno de difracción de una onda hay que recurrir al principio de Huygens, según el cual todo punto sobre un frente de onda esférico puede ser, a su vez, considerado como una fuente secundaria de ondas electromagnéticas o, en otras palabras, un frente de onda puede ser considerado como una sucesión de emisiones puntuales de frentes de onda. En el caso de estar teóricamente en presencia de un frente de ondas formado por un plano infinito, como se muestra en la Figura 3.19, en cada frente de ondas puede considerarse que cada fuente puntual secundaria (P 1, P2, etcétera) irradia en todas direcciones. Al ser ideal e infinito, las irradiaciones secundarias que se producen en un sentido distinto al del rayo (perpendicular al frente), se anulan entre sí, de tal manera que el frente de ondas se propaga en línea recta.
PI
Frente de onda incidente ----1~ original Fuentes puntuales secundarias
Obstáculo
Figura 3.20. Difracción de
Anulación mutua Fuentes puntuales secundarias
Figura 3.19.
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30,Ox1 018 .......................... : .... ·~.. 1· 0~új::9...... [ " ;"30','o~ 1'(i; 5 "':
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:· uit;~~¡~i~·t~ . ~·~~~~~~ .......... ·. ·. ........[. . ~. 380~1' O~9 "": " ;"i : 8'9~1é ''': [ < 780x1 0-9
: Luz visible
: Inf~a~~Ojo i~jano/submili métrico :' "'< 1x1 0-3
• • • Distancia ~e salto La distancia de salto es la mínima distancia, medida desde la antena de un transmisor, a la que una onda celeste de una determinada frecuencia (menor que MUF) retornará. Como estudiamos en párrafos anteriores, las capas D y E de la ionosfera desaparecen por la noche. Esto supone que la onda refractada llega más alto en la ionosfera por la noche, alcanzándose distancias mayores.
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2010 -2025 FIlO MOV'l. MOV'l. POlI S'\TELrn: (TIe1l3-«p3 W
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nuación.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta.
3.13 . El «horizonte de radio» es:
e) Igual que el horizonte óptico. d) Igual que el horizonte polar.
3. DETERMINACiÓN DE LAS CARACTERíSTICAS DE ANTENAS DE TRANSMISiÓN/RECEPCiÓN
3.14.
e) Lóbulo primario. d) Campo de máxima potencia.
La propagación por ondas celestes:
a) No se ve afectada por la hora del día ni las condiciones ambientales.
3.20.
b) Se ve afectada por la hora del día, que cambia las condiciones ambientales.
patrón de radiación.
e) Es diferente a la propagación por ondas ionosféri-
b) Las frecuencias de resonancia en las cuales la im-
caso
pedancia de entrada a la misma se hace real.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 3.15.
d) Son las partes eléctricas de una antena.
Calcular la frecuencia crítica. Calcular la altura crítica.
3.21.
Calcular el ángulo crítico.
3-30 Hz. 300-3000 Khz.
3.22.
300-3000 Mhz. 3-30 Ghz.
Lo gestiona la UIT.
3.23.
En el diagrama de radiación relativa:
a) La gráfica se realiza únicamente en coordenadas polares .
b) Es preciso tener en cuenta el valor eficaz de la im-
3.24.
pedancia eléctrica del medio físico a representar.
e) La gráfica se realiza en términos de intensidad de
d) La gráfica representa el valor de la intensidad de campo o densidad de potencia respecto a un valor de referencia, es decir, distancia fija e intensidad de campo variable .
3.19.
La zona de máxima radiación de una onda se denomina:
a) Lóbulo o haz principal. b) Pico de intensidad RF.
3.25.
Menor que 1. Igual a O.
Antenas elementales. Antenas resonantes. Antenas directivas. Ninguna de las otras respuestas es correcta.
50 ohmios . 36 ohmios. 73 ohmios . 150 ohmios .
El dipolo doblado se emplea sobre todo en aplicaciones de :
a) b) e) d)
campo o densidad de potencia, es decir, se representa una potencia fija frente a una distancia variable.
Mayor que 1.
La impedancia de entrada de un dipolo IJ2 es:
a) b) e) d)
AENOR .
Igual a 1.
Las antenas cuyas dimensiones físicas son muy pequeñas en relación con la longitud de onda se denominan:
a) b) e) d)
Es de uso libre.
El Ministerio de Industria, Energía y Turismo .
Para que exista adaptación de impedancias entre la fuente y una antena, la ROE debe ser:
a) b) e) d)
Calcular la máxima frecuencia útil o MUF.
¿Qué organismo es el responsable de la regulación del espacio radioeléctrico a nivel nacional en España?
a) b) e) d) 3.18.
alcanzar doblando un dipolo.
La banda UHF corresponde al rango de frecuencias comprendido entre:
a) b) e) d) 3.17.
e) Son las configuraciones geométricas que podemos
La «Ley de la secante» sirve para:
a) b) e) d) 3.16.
¿Qué son los modos de una antena?
a) Las formas de colocar la antena para modificar su
VHF y UHF. LF y MF. ELF y UHF. HF y VHF.
La ganancia de un dipolo IJ4 es aproximadamente de:
a) b) e) d)
3 ,12 dBi. 5,14 dBi. 8,38 dBi. O dBi.
3. DETERMINACiÓN DE LAS CARACTERíSTICAS DE ANTENAS DE TRANSMISiÓN/RECEPCiÓN
11 Actividades de aplicación
L...-_ _ _ __
3.26.
¿En qué se parecen y diferencian los materiales dieléc-
3.34.
tricos de los materiales aislantes? 3.27 .
Busca en internet diferentes programas simuladores de antenas que nos permitan construir y estudiar antenas, así como sus características y patrones de radia-
¿Qué es una fuente isotrópica?
ción. 3.28.
¿Cuál es la diferencia entre absorción y atenuación?
3.29.
Busca en internet un experimento curioso que ponga de manifiesto el fenómeno de difracción y explícalo en clase. Intenta reproducirlo si fuera posible.
3.35.
Descarga el programa MMANA GAL Y busca en qué subdirectorio existen dipolos de media longitud de onda. Simula su patrón de radiación en espacio libre del que está diseñado en el fichero DP20.gaa.
3.30.
¿Cómo se llaman los tres métodos de propagación de las ondas electromagnéticas en la atmósfera terrestre?
¿Qué sucede si cambias la simulación en espacio libre
3.31 .
En la propagación por ondas celestes o ionosféricas existen dos fenómenos conocidos como skip y fading . Investiga en qué consiste cada uno de ellos.
de altura?
por una simulación de la antena colocada a 20 metros
3.36.
Busca en internet páginas donde se describa la construcción de distintos tipos de antenas.
3.32.
Define estos conceptos: frecuencia crítica, ángulo crítico y altura virtual.
3.37.
Busca en internet modelos de antenas realizados con el programa 4NEC2; intenta implementarlos tú mismo.
3.33.
¿En qué página web podemos encontrar una clara descripción de los servicios de radiofrecuencia y sus bandas de frecuencia que se usan en España?
3.38.
Busca una antena de tipo log-periódica en el catálogo de antenas de la empresa Televés.
11 Actividades de ampliación
L...-_ _ _ __
3.39.
3.40.
3.41 .
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Busca información sobre la forma en la que se comunican los radioaficionados, el tipo de antenas que emplean , el tipo de propagación que se utiliza, etcétera. Averigua si se puede conseguir contactar con una persona del continente americano utilizando una emisora de radioaficionado . ¿Cuándo es mejor la comu nicación , por la noche o por el día? En España, los telemandos de los coches normalmente emplean una frecuencia de 433 Mhz. Busca información sobre la frecuencia a la que trabajan los telemandos de los coches que se comercializan en Estados Unidos y en Tailandia. ¿Coinciden? ¿Qué relación puede existir con las tres regiones que establece la UIT a la hora de asignar bandas de radiofrecuencia? Busca en internet cómo es el patrón de radiación de distintos dipolos con longitudes de onda diferentes,
tales como 5/ 8A., por ejemplo . Compara sus propiedades. 3.42.
Visita la página web de las empresas Televés e Ikusi y observa sus catálogos de productos, discutiendo los tipos de antenas , los elementos que las componen , el montaje , etcétera. En caso de disponer de materiales , monta una antena y pruébala.
3.43.
Haz fotografías de distintos tipos de antenas que observes por la calle y estudia el tipo de antena que es cada una y la posible aplicación o uso que tiene.
3.44.
Descarga varios programas de simulación de antenas y practica con ellos .
3.45.
Busca en internet información sobre antenas de tipo sectorial y otros tipos de antenas no vistos en la presente unidad .
ELECTRICIDAD-ELECTRO
11 4.1. Introducción alos medios de transmisión Tal y como hemos visto en la primera unidad del libro, los sistemas que, empleando diferentes técnicas y dispositivos, posibilitan el transporte de la información, reciben el nombre de sistema de comunicaciones. De forma simplificada, podríamos afirmar que los elementos que componen un sistema de comunicaciones son el transductor de entrada, el emisor o transmisor, el receptor, el transductor de salida y el medio o canal, tal y como se representa en la Figura 4.1. El canal de comunicación es el medio de transmisión por el que viaja la señal portadora de la información procedente del emisor y dirigida al receptor. En la actualidad los sistemas de comunicaciones tienen a su disposición multitud de tecnologías que nos permiten elegir un medio u otro en función de las prestaciones que necesitemos del mismo. Podemos pensar, por ejemplo, en cómo nos llega internet actualmente a nuestras casas: por ADSL, que utiliza un medio del tipo par trenzado; por cable-módem, que emplea coaxial; o las últimas incorporaciones, inalámbricamente o mediante fibra óptica. Es por ello fundamental saber distinguir cuáles son las principales características que debemos tener en cuenta a la hora de clasificar un determinado canal de comunicación. El medio o canal puede ser de distinto tipo aun cuando la naturaleza de la información sea la misma. Si pensamos en dos personas que quieren comunicarse, por ejemplo, estas pueden intercambiar la misma información utilizando diferentes canales: la voz, el teléfono, señales luminosas, una carta, etcétera. Esto mismo sucede en la mayoría de los sistemas de comunicaciones, donde los distintos medios físicos conviven o se complementan .
..A~AA",
Fuente de Uyr. ' señal
Figura 4.2. Detalle del cableado de una conexión ADSL desde la roseta telefónica (PAU, o Punto de Acceso al Usuario).
Sabías que ... En los buses de comunicación industriales e inmódicos, como KNX, por ejemplo, sus especificaciones permiten utilizar distintos medios físicos, tanto alámbricos como inalámbricos, como par trenzado, powerline (línea eléctrica), RF, etcétera, pudiendo utilizarse combinados según interese. Por tanto, para que los diferentes elementos de un sistema de automatización puedan comunicarse e intercambiar información debe existir un medio de transmisión (medio físico), alámbrico o inalámbrico, por el cual las señales sean transmitidas. Entre los medios físicos que podemos utilizar, en la actualidad contamos con multitud de posibiHdades: desde el uso de la tecnología de corrientes portadoras, que usa el propio tendido eléctrico, pasando con el cableado eléctrico y/o óptico, hasta las tecnologías inalámbricas. Mensaje de , •• ~~ salida "IVV~r
¿SjfJN Rzf5"
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Mensaje de . . entrada
Dispositivo transductor de entrada
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Fuentes de ruido, distorsión e inteñerencías
Señal de entrada Señal emitida
Transmisor
-+
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Señal recibida
MEDIO DE TRANSMISiÓN
-+
Destino de la señal
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Figura 4.1. Esquema de un sistema de comunicaciones.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA
Guiados
{
Corrientes portadoraS{
Lineas abiertas
Cableado eléctrico
Par trenzado Coaxial Guias de ondas
Fibra óptica Medios Radiofrecuencia No guiados {
InfrarrOjOS Ultrasonidos
Figura 4.3. Esquema de los diferentes medios de transmisión,
Sabías que ... En la década de los 80, la mayoría de los sistemas de comunicaciones estaban conectados mediante cable coaxial; este fue sustituido, paulatinamente, por el par trenzado, y este, a su vez, está siendo reemplazado por las tecnologías inalámbricas y la fibra óptica, debido al aumento de prestaciones que ofrecen y al abaratamiento de costes que están experimentando en los últimos años.
• • 4.1.1. Corrientes portadoras La tecnología de corrientes portadoras se basa en la utilización de líneas de distribución, eléctricas o telefónicas principalmente, para transmitir la información sin perjuicio de su uso original, es decir, compartiendo el medio con las señales eléctricas o telefónicas, respectivamente. Si bien estas líneas no son las más adecuadas para la transmisión de datos, sí resulta una alternativa muy atractiva cuando no disponemos de canalizaciones dedicadas para el cableado, dado que únicamente debemos utilizar el cableado ya existente, reduciendo considerablemente el coste frente a la opción de instalar una canalización dedicada y, por supuesto, implicando que el número de prestaciones de este tipo de sistemas quede limitado a las zonas con líneas ya instaladas. Por tanto, como principal ventaja puede destacarse su casi nulo coste de instalación, bastando simplemente con «enchufar» un módem PLC (Powerline Communications, Comunicaciones por la línea Eléctrica) a la red eléctrica o telefónica. Por otra parte, este tipo de aplicaciones disponen de una baja fiabilidad, reducida seguridad, limitadas prestaciones y una baja capacidad de enviar infonnación. Uno de los sistemas PLC más conocidos es la tecnología de automatización XlO, que se emplea en aplicaciones domóticas de bajo coste. Detector de movimiento con
DetQCIOr de
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r~ rol ~6~:IO ~
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X10
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Módulo X10 receptor de Infrarrojos
Lámpara eon Interruf)tor casquillo X10 empotrable X10 Incorporado
Ni~l U~i==--:::-:Ir=~1 Módu loX1 0
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11
Figura 4.4. Distintos ejemplos de medios de transmisión guiados,
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Figura 4.5. Distintos ejemplos de medios de transmisión no guiados,
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I
Lámpara con -casquillo X10
incQrpontdo
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Interruptor empotrable X10
Figura 4.6. Detalle de casa automatizada con tecnología de corrientes portadoras Xl0,
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • 4.1.2. Cableado eléctrico Cuando nos referimos al cableado eléctrico se hace mención a sistemas donde el medio físico está formado por conductores metálicos (cobre principalmente) . Existen varios tipos de conductores metálicos que se utilizan en los sistemas de comunicaciones, entre los que destacan los sistemas de líneas abiertas, el par trenzado, el cable coaxial y las guías de ondas, principalmente.
Sabías que ... Diafonía es una palabra cuyo origen está en las primeras líneas telefónicas en las cuales, en algunas ocasiones, cuando utilizábamos el aparato telefónico, escuchábamos una conversación «de fondo » de otras dos personas en nuestra propia línea debido a que «se había acoplado la línea». Este fenómeno vino a denominarse «diafonía». El término se conserva en la actualidad para referirse al aco plamiento inducido entre líneas de comunicación, ya sean vocales , de datos o cualquier otra índole .
• • • líneas a~iertas El cableado de líneas abiertas consiste en un conjunto de cables monofilares dispuestos unos junto a otros en paralelo y pueden estar constituidos por dos o más hilos. Se utiliza en aplicaciones de corto alcance y baja velocidad de transmisión, con distancias que no suelen superar los 50 metros y velocidades inferiores a 20 Kbps. Es una de las primeras tecnologías utilizadas en la interconexión de equi pos de comunicación. Algunos ejemplos de aplicación donde podemos encontrar líneas abiertas son: o
Cable de conexión de un módem con un ordenador.
o
Cable telefónico (telefonía fija) que nos llega a nuestro hogar.
o
Cable de conexión del disco duro IDE de nuestro ordenador a la placa base.
Sin embargo, su utilización en la actualidad se limita a algunas aplicaciones muy concretas, debido principalmente a su elevada sensibiHdad frente a interferencias externas, especialmente a la EMI y las diafonías, lo que resta prestaciones a este tipo de medio físico .
• • • PartrBnza~o Los cables de pares trenzados, popularizados en la década de los 80, son el medio físico más extendido en los sistemas de comunicaciones hoy día, especialmente en las redes de datos como las redes de ordenadores. Un par trenzado consiste simplemente en dos cables eléctricos aislados que se «trenzan o entrelazan» entre sí con objeto de reducir el efecto de la EMI y de las diafonías. Los sectores de apli cación de los pares trenzados son muy diversos, aunque algunos de los más conocidos son los que enumeramos a continuación: o
Red telefónica. El par que conecta el PAU (Punto de Acceso al Usuario, que es donde conectamos el telé fono) con la central de telefonía, es lo que se conoce como bucle de abonado, y está formado por dos hilos trenzados.
o
Redes de área local. Las redes de área local cableadas utilizan 4 pares trenzados para la conexión de los ordenadores en red.
o
Redes industriales. Algunas normas de comunicación como la EIA-422, EIA-423 o la famosa EIA-485 (también conocida como RS-485), basan su medio físico en un par trenzado para aumentar sus capacidades de transmisión, alcance e inmunidad frente a interferencias.
Figura 4.7. Detalle de un cable de líneas abiertas para la conexión a un bus /DE en un Pe.
~i¡'¡¡ilt!l!Iii, _ _ _ EMI es el acrónimo de Electromagnetic Interference y se refiere a las interferencias que se producen por radiaciones externas a nuestro sistema y que se transmiten inalámbricamente.
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Figura 4.8. Fotografía de varios pares trenzados utilizados en un cable de red.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Entre las aplicaciones más populares donde los cables coaxiales tienen cabida podemos contar con:
Sabías que ... Al cableado que conecta nuestro teléfono fijo con la central telefónica se le conoce como bucle de abonado . Según algunos autores, este nombre se debe a que el cable va dando «bucles», es decir, vueltas, a lo largo de su recorrido, trenzándose. A partir de ahí, y dadas las mejoras observadas respecto a las líneas abiertas, muchos sistemas de comunicaciones lo utilizan como un estándar de facto , especialmente en industria. PROFIBUS, CAN, KNX y/o Lon Works contemplan el uso de pares trenzados como posible medio físico de transmisión .
• Distribución de señal de televisión. Tanto en la televisión analógica como en la TDT, o por satélite, la señal procedente de la antena es llevada al receptor o decodificador vía cable coaxial. • Circuitos cerrados de televisión (CCTV) o televisión por cable (CATV). Los sistemas de videovigilancia y los sistemas de distribución de señal de televisión por cable (entre los que se encuentra el coloquialmente conocido «vídeo comunitario») comúnmente emplean cable coaxial para distribuir la señal.
• • • Ca~IB coaxial
Nota
El cable coaxial tiene forma cilíndrica y dispone de un conductor central en forma de hilo, llamado conductor vivo, rodeado por una malla o blindaje que es el conductor externo.
CATV es el acrónimo de Com.m.unity Antenna Television , que significa Televisión por Antena Comunitaria. • Tecnología cable-módem. La señal de internet, TV y teléfono que llega a través de las compañías proveedoras de servicios que utilizan la tecnología cable-módem emplean una línea coaxial para hacer llegar dicha señal. Este tipo de tecnología mezcla el uso del cable coaxial junto con líneas de fibra óptica para aumentar el ancho de banda de la conexión.
Figura 4.9. Fotografía con detalle de la sección transversal de un cable coaxial para recep ción de señal de rv.
• Entre emisoras y sus antenas. Un ejemplo muy popular es la utilización de un cable coaxial para aumentar la cobertura de una red wifi mediante la colocación de la antena de la tarjeta wifi en el exterior o una situación más elevada.
Estos dos conductores están separados, a su vez, por un material aislante que se conoce como dieléctrico. Los identificaremos fácilmente si observamos los cables que llegan desde la antena a nuestro televisor, pues se trata de un cable coaxial. El cable coaxial mejora las prestaciones electromagnéticas del par trenzado, permitiendo altas velocidades de transmisión y siendo bastante inmune a las interferencias; no obstante, es generalmente menos maleable que este. Antes de la aparición de la tecnología de fibra óptica, el cableado coaxial era empleado en las transmisiones de largo alcance dado su elevado ancho de banda y alta inmunidad al ruido. Materia I dieléctrico
Mallado
Funda aislante exterior
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Filamento interno
Lám ina metálica Antideslizante
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Figura 4.10. Elementos de un cable coaxial.
Figura 4.11. Fotografía de antenas con cable coaxial.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... Hace unos años, en las redes de área local conocidas como lOBASE2 y lOBASE5, se utilizaba como medio de transmisión el cable coaxial, en lugar de par trenzado, como se hace actualmente. Era preciso, entonces, utilizar latiguillos, conectores en forma de T e impedancias de terminación para realizar el cableado en forma de bus. El uso de todos estos elementos encarecía notablemente una instalación.
Del mismo modo que el nacimiento del cable coaxial se debió a las mayores necesidades de ancho de banda para transmitir más información a mayores distancias, esta tecnología está cayendo progresivamente en desuso debido al renacimiento de la fibra óptica, que mejora notablemente las prestaciones del medio físico y cuyo coste, inicialmente prohibitivo, es cada vez más asequible en aplicaciones que llegan al usuario final.
Figura 4.13. Detalle de cable coaxial con serigrafía del código Re·58 .
• • • Guías ~B on~as De forma estricta, podríamos definir una guía de onda como cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas. Una guía de onda no es más que un tubo hueco con una sección que normalmente es rectangular, elíptica o circular, y cuyas dimensiones transversales son tales que permiten que las ondas electromagnéticas se propaguen dentro de la misma.
Figura 4.12. Detalle de tarjeta de red con conector BNC para cable coaxial, conectores en T y latiguillos.
No todos los cables coaxiales son iguales. En función del sector o campo de aplicación existen cables estandarizados con características, como la impedancia o las dimensiones, que hacen que difieran unos de otros. La Tabla 4.1 es un breve resumen de algunos de los más utilizados, aunque en los apartados posteriores los describiremos con más detalle. Tabla 4.1. Algunos tipos de cable coaxial con diferentes impedancias y campos de aplicación Tipo
Impedancia
Uso
RG-8
50 ohmios
10Base5
RG-11
50 ohmios
10Base5
RG-58 RG-62
50 ohmios 93 ohmios
Las paredes de la guía son conductores y las ondas electromagnéticas se propagan por el medio dieléctrico que hay en el interior de la guía, reflejándose en la superficie interior metálica y quedando confinada en su interior. En la banda SHF, de 3 a 30 gigahercios (donde se encuentran las microondas), las líneas de transmisión y los cables coaxiales manifiestan grandes atenuaciones que implican gran pérdida de señal. Esto es debido a que, mientras que en las líneas de transmisión, como los coaxiales, lo que se propaga es una tensión y una corriente, por las guías de onda lo que se propaga es un campo electromagnético con una longitud de onda del orden de las microondas.
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10Base2
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ARCnet
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RG-75
75 ohmios
CTV (Televisión)
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Figura 4.14. Detalle de una guía de ondas (cortesía de Flexiguide).
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RICIDAD -ELECTRÓN ICA
l(1t.¡j'i!llt!l!IiI'-Guía de ondas = Waveguide .
• • 4.1.3. fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión que es capaz de transmitir un haz de luz introducido en uno de sus extremos. Cuando se inyecta la luz, esta queda confinada en su parte interior, lo que se conoce como núcleo. Esto es posible gracias a que cuando se propaga se producen sucesivas reflexiones del haz a lo largo de su recorrido por el núcleo de la fibra. Para que esto sea posible las fibras ópticas están constituidas por tres partes principalmente: • Núcleo, que es por donde se conduce la señal luminosa. La señal de luz queda confinada en el interior del núcleo, sin poder escapar debido a las reflexiones internas que se producen con la parte exterior, el revestimiento que la cubre. • Revestimiento, cuya función es confinar el haz de luz dentro del núcleo; para ello, presenta un índice de refracción menor que este, lo que favorece la reflexión de la luz y que esta quede en su interior. • Cubierta protectora, cuya misión es proteger al núcleo y al revestimiento de posibles daños mecánicos.
...... Núcleo
Revestimiento
Figura 4.15. Elementos constitutivos de una fibra óptica.
Figura 4.16. Fotografía de varias fibras ópticas.
• • 4.1.4. Radiofrecuencia (Rf) Los sistemas inalámbricos, en general, son uno de los medios más utilizados en la actualidad para solucionar determinados problemas, como el de provisión de servicios a zonas aisladas de nuestro hogar, edificio o industria, donde introducir un medio cableado, eléctrico u óptico sería traumático o inviable. Entre sus muchas ventajas podemos mencionar que la tecnología inalámbrica nos proporciona movibdad, facilita determinadas instalaciones, aumenta la flexibilidad de un sistema, mejora la adaptabilidad y hace más escalables los sistemas de comunicaciones. Además, la inversión en estos dispositivos, aunque más costosos que los utilizados para las comunicaciones con medios eléctricos, es relativamente asequible. Sin embargo, como inconveniente tenemos que, para alcanzar las mismas distancias y tasas de transmisión que con las tecnologías cableadas, se requiere mucha más potencia y el coste de los sistemas crece exponencialmente, al mismo tiempo que son más sensibles a las interferencias electromagnéticas presentes en el entorno donde nos encontremos.
Sabías que ... Una tabla comparativa de las distintas tecnologías, en una primera aproximación, podría ser la que se muestra a continuación:
o
'E '1"
Tipo de cableado
Velocidad
Longitud máxima
Coste
Par trenzado (Categoría 5)
10-100 Mbps
100 metros
Bajo
Coaxial fino
10 Mbps
200 metros
Bajo
Coaxial grueso
10 Mbps
500 metros
Alto
Fibra óptica
+2 Gbps
2 kilómetros
Alto
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"'"eo .¡¡ 'O w
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ELECTRICIDAD-ELECTRO determinadas fuentes de iluminación o sistemas de calefacción, por ejemplo. La tecnología infrarroja, sin embargo, sí tiene un campo de aplicación muy utilizado, pero no como medio físico de transmisión, sino como sensor y/o detector de presencia, movimiento, barrera o distancia. Respecto a los ultrasonidos, no es una tecnología que podamos encontrar fácilmente como medio de transmisión, sino más bien para diseñar detectores tipo «sónar», que, como hemos visto, se basan en la emisión y recepción de ondas de sonido (presión) pero a una frecuencia por encima de la banda audible, generalmente por encima de los 40 Khz . El proceso de detección se basa en que, cuando un elemento interrumpe el haz emitido, el nivel de recepción varía, fenómeno que es detectado por el receptor. Figura 4.17. Fotografía de varios dispositivos transmisores y receptores con tecnología X2D de Delta Dore.
• • 4.1.5. Infrarroja (IR) yultrasonidos Los sistemas de comunicación infrarroja son aquellos que actualmente se utilizan para la mayoría de mandos de televisores, aparatos de música, reproductores de DVD, etcétera. Los transmisores utilizan un haz de luz que ilumina en una banda no visible; en particular, se utiliza la banda IR, de infrarrojos. Al ser comunicaciones donde se utiliza la luz, uno de los mayores inconvenientes de esta tecnología como medio de transmisión es que se necesita «iluminar» el receptor, lo que implica la necesidad de estar visibles transmisor y receptor o disponer de un camino donde el haz refleje y pueda llegar desde el origen hasta el destino. No es posible atravesar paredes o cubrir una amplia área de cobertura. Esto supone que las distancias alcanzadas son relativamente pequeñas. Además, si bien es cierto que las comunicaciones infrarrojas son inmunes frente a interferencias electromagnéticas, no lo son, sin embargo, a otras radiaciones infrarrojas como pueden ser las producidas por
Además de su funcionamiento como detector, también es frecuente utilizar esta tecnología como sensor de proximidad, midiendo valores analógicos de distancia. Un ejemplo muy cotidiano es el sensor por ultrasonidos utilizado en los sistemas de aparcamiento asistido de los vehículos, que nos avisa de la proximidad de un obstáculo al estacionar.
Figura 4.19. Detalle de los sensores de ultrasonidos en la parte trasera de un vehículo.
11 4.2. Transmisión de señales eléctricas. rar de co~rs U n par trenzado consiste en dos conductores eléctricos aislados (normalmente cables de cobre aislados) que están entrelazados entre sí de forma heJjcoidal (véase la Figura 4.20).
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Figura 4.18. Fotografía de un sensor de barrera por infrarrojos.
Figura 4.20. Fotografía de un par de cables trenzados.
w
@
RICIDAD-ELECTRÓN ICA
~i¡'i!ilt!l!Iii' _ _ Diafonía = Crosstalk. Par trenzado = Twisted Pairo
Cuando disponemos de dos conductores metálicos en paralelo estos se comportan como una «antena», lo que hace al canal muy sensible frente a otras señales adyacen tes que se manifiestan en forma de interferencia a la información que se transmite por el mismo. Del mismo modo, unas líneas paralelas por las que transmitimos señales se comportarán como una antena que radia, lo que provocará una señal que puede interferir en la información de otros conductores adyacentes. El trenzado de los cables se realiza con objeto de reducir estos dos fenómenos adversos: las interferencias procedentes de fuentes externas y la diafonía de posibles cables adyacentes. En el cableado de la red doméstica telefónica de nuestros hogares, el par que se emplea normalmente no está trenzado, por lo que, en presencia de alguna fuente de ruido, pueden introducirse interferencias en la misma, por ejemplo. El par trenzado se encuentra frecuentemente agrupado en cables de varios pares. El cable que llega a nuestro teléfono fijo, el bucle de abonado , dispone de un único par; sin embargo, el cable que usamos en las redes de área local Ethernet di spone de cuatro pares. Podemos encontrar, a su vez, mangueras de pares telefónicos de cientos de pares juntos.
formación (de tipo digital) se transmite como una diferencia de tensión entre los dos hilos (V¡ n formaciól (t) = VA(t) - VB(t» . De esta manera, en caso de que el par esté en presencia de una fuente de ruido, al estar trenzado, el ruido medio inducido en los dos hilos es el mismo y, al sumarse a los dos hilos por igual, dado que la información es diferencial, la señal de información no se ve afectada. Matemáticamente: Señal de información: V¡n formaciól (t)
=
VA (t) - VB(t)
Señal de ruido: N(t) Tensión en el conductor A en presencia de ruido: VA' = VA(t) + N(t) Tensión en el conductor B en presencia de ruido: VE' = VB(t) + N(t) Señal de información en presencia de ruido: VinC cO/,-,"ido (t)
=
VA' (t) - VE' (t)
=
VA (t) +
+ N(t) -[VB(t) + N(t)] = VA(t) - VB(t)
o
O
O
O
Vb(t)
/ O
O
O
O
O
O
O
O
O
Va (t)-Vb(t)
I
O
Figura 4.22. Esquema de la comunicación di ferencial de datos digitales en ausencia de ruido.
o
O
O
O
O
o
'E '~
Figura 4.21. Fotografía de un cable de red con varios pares trenzados.
ro
"-
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"
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@
En los cables que emplean varios pares trenzados, como es el caso del cable empleado en redes LAN, las señales se transmiten en modo diferencial, lo que significa que la in-
Figura 4.23. Esquema de la comunicación di ferencial de datos digitales en presencia de ruido.
ELECTRICIDAD-ELECTRO La escala AWG fue inventada en 1857 de la mano de la compañía J. R. Brown & Sharpe, y muy pronto fue adoptada por la mayoría de los fabricantes de cables a nivel internacional, siendo actualmente una norma estandarizada a nivel mundial (ASTM standard B 258).
Sabías que ... La sensibilidad a posibles interferencias externas disminuye con el entrelazado de los cables debido a que el área de bucle entre los cables es aumentada al adquirir una distribución en forma helicoidal, y esta determina el grado de acoplamiento eléctrico en la señal. En el modo de funcionamiento balanceado o diferencial, la señal se transmite como una sustracción de tensiones. En presencia de ruido, este aumenta por igual en ambos conductores, manteniendo el valor de la diferencia de tensiones igual, al estar expuestos a la misma cantidad de ruido .
El código AWGxx hace referencia entonces a una clasificación de los cables en base al diámetro de sus conductores. Cuanto mayor es el número que acompaña a las siglas AWG, menor es el diámetro del mismo. Así, por ejemplo, el cable que utilizamos para conectar nuestro teléfono fijo a la roseta de telefonía de nuestro hogar suele ser de tipo AWG26.
El número de vueltas por metro, que se conoce como tasa de trenzado, es una especificación del tipo de cable en concreto que queremos utilizar y, en términos generales, podría afirmarse que, cuanto mayor es el número de vueltas, mayor es la atenuación de la diafonía .
• • 4.2.1. Diámetro de los cables A menudo encontramos los cables trenzados etiquetados con el código AWG seguido de un número. AWG es el acrónimo de American Wire Gauge, que significa Calibre de Cable Americano. Es decir, se trata de un estándar de calibre de cables.
Figura 4.24. Detalle del código AWG en un cable.
Tabla 4.2. Códigos AWG e indicación del diámetro y la sección de los conductores
1
.. .............. .
2
7,35 6,54
33,60
0,5127
••••• ",.',
... ... .... ... ...
.......... . . . . . . . . .
·
17 o • •••••
.
o ••
1,29 .................... ~ 1,15
1,31
13,17
1,04
16,61
•••
3
5,86
27,00
0,6465
18
1,024
0,823
20,95
4
5,19
21,20
0,8152
19
0,912
0,653
26,42
5
4,62
16,80
1,028
20
0,812
0,519
33,31
6
4,11
13,30
1,296
21
0,723
0,412
42 ,00
7
3,67
10,60
1,634
22
0,644
0,325
52 ,96
8
3,26
8,35
2,061
23
0,573
0,259
66 ,79
........... .
9 2,91 6,62 2,599 24 0,511 0,205 : ........................ : ......................................: .............. .......... ...... : ................... ": ...................... : ..........................................: ........................ . l 10 2,59 : 5,27 l 3,277 : 25 : 0,455 : 0,163 :
• •••• ••••••••••••••••••• :
11
•• •••••••••••••••••••••••••••••• 0 ••••••••• :
2,30
• •••••••••••••••••••••••••••••••• :
4,15
·
'
•••••••••••••••••••••• :
4,132
• ••••••••••••••••••••••• :
26
.
'
•• •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• :
84,22
0,405
0,128
:........ ·1"2' .. ·......: ........... '''2:0'5' ...............¡. ·........ ·3':31·............ ·: .. ·.. 5·,21'1' ......: ..· .... ·",i7 .. ....... : ...... ·........ 0,·36·1.......... ·......: ...... ·..0:·1·02...... · .. · : .................. "':" ...............................: ........................... : " ........... : .. ................. : .. ..... " ......... .......................... " ............... ..
:
13
:
1,83
14
1,63
15
1,45
.
2,63 2,08
6,571
......... : ..............
·
8,286
..... ............. ........... ... ....... .......... .......... ..
1,65
10,45
28
'
0,321
: ............... '''; .. ............................... ; ...... ..
'
29
'
0,0804
:
133,9
:
168,9
:
212,9 :
o
'E
'cro
ro
"-
0,286
0,0646
0,255
0,0503
.... .......................... ......... ................ ... . .
30
106,2
• •••••••••••••••••••••••••••••••
268,5
:
338,6
:
....... ..........
"'e Q)
o .¡¡
'C w
@
RICIDAD-ELECTRÓN ICA Nota En ocasiones se coloca el número delante de las siglas AWG, es decir, en lugar de escribir AWG26, se pone 26AWG, por ejemplo. El grosor del conductor es importante dado que, cuanto mayor es el grosor del mismo (menor es el número de AWG), menos susceptible es el conductor a posibles interferencias y, además, posee menor resistencia interna, lo que implica que soporta mayores intensidades y, por tanto, mayores distancias. En la Tabla 4.2 se presenta un breve resumen de algunos de los calibres que nos encontramos frecuentemente en nuestras aplicaciones. Como podemos comprobar fácilmente, la relación entre cualesquiera dos calibres se puede obtener multiplicando o dividiendo por el número 1,1229, es decir, el calibre AWG14 es igual al calibre AWG15 multiplicado por 1,1229, por ejemplo.
• • 4.2.2. Origen del par trenzado
Poco tiempo después, la creciente demanda de distribución de energía eléctrica hizo que el cable balanceado, instalado sobre las «crucetas» de los postes telegráficos, compartiera trazado con los cables de distribución de electricidad, lo que inducía nuevas interferencias que volvían a afectar a las comunicaciones. Aparece entonces una nueva e ingeniosa solución de ingeniería a este problema de las interferencias, que vino a denominarse transposición de conductores, y que consistía en cruzar los cables paralelos que recorrían el tendido telegráfico cada cierto número de postes, de tal manera que ambos conductores recibirían, aproximadamente, la misma cantidad de interferencia electromagnética. Pronto el sistema de transposición de conductores dio sus primeros resultados y se fue instaurando cada vez más, a razón de unos cuatro trenzados por kilómetro, existiendo aún algunas instalaciones en zonas rurales de los Estados Unidos que la conservan. Poco después, la utilización de pares de conductores trenzados para la transmisión de señales en modo balanceado o diferencial se extendió a diferentes ámbitos, incluidos el sector industrial y el de la computación, coexistiendo con otros medios de transmisión hoy día.
Tras la invención del teléfono, los primeros sistemas telefónicos, implantados en Estados Unidos, empleaban como medio de transmisión las propias líneas telegráficas. El sistema funcionó correctamente hasta la aparición del tranvía eléctrico, que fue instaurándose, paulatinamente, en varias ciudades de EE. UU. La progresiva aparición del tranvía contribuyó a la aparición de «ruido» en las líneas telefónicas, de tal manera que, frente a los problemas surgidos, las compañías telefónicas migraron a un sistema de comunicaciones balanceado (o diferencial), en el que la comunicación era transmitida como una diferencia de tensión entre los dos conductores, reduciendo a su vez la atenuación, lo que permüía mayor alcance.
Figura 4.26. Ejemplo de utilización del par trenzado en los cables de telefonía de un edificio .
• • 4.2.3. Tipos de cables trenzados Existen, a su vez, varios tipos de pares trenzados, atendiendo a su apantallamiento o blindaje, que es una medida adicional para evitar interferencias y ruidos. En particular podemos distinguir los siguientes tipos:
o
'E
'1" ro
ro
"-
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o .¡¡
'O w
@
Figura 4.25. Postes telegráficos y cable telefónico con transposición de los conductores.
• UTP (Unshielded Twisted Pair, Par trenzado sin apantallar). Consiste en un par de hilos aislados y
ELECTRICIDAD-ELECTRO trenzados entre sí, sin ningún recubrimiento metálico o pantalla que lo proteja frente a interferencias. Se trata de un cableado muy económico, maleable y de poco peso, lo que lo hace muy sencillo de instalar tanto en exterior, de forma aérea o sobre superficie, como en canalizaciones ya existentes. Sin embargo, aunque mejora el comportamiento de las líneas abiertas frente a diafonías y EMI, se ve relativamente afectado por estos fenómenos y otros tipos de ruido . Existen en la actualidad ocho categorías de cable UTP; cada una de ellas especifica unas características eléctricas para el cable, tales como atenuación, capacidad de línea e impedancia, entre otras.
• FTP (Foiled Twisted Pair, Par trenzado con pantalla global). Este cableado es una solución de compromiso entre las dos anteriores y consiste en una única pantalla común a todos los pares que constituyen la manguera de cableado. Esto supone un coste y una mejora frente a interferencias intermedios, al mismo tiempo que su manejo resulta un poco más maleable que en el caso del par STP.
Figura 4.28. Cable apantallado FTP empleado en instalaciones inmóticas KNX.
En la Tabla 4.3 se muestra un resumen de las principales abreviaturas que se emplean para referirnos al apantallamiento de los cables.
Figura 4.27. Cable UTP de par trenzado empleado en cables de red.
~
• STP (Shielded Twisted Pair, Par trenzado apantallado). Cada par del cable dispone de un recubrimiento metálico que mejora notablemente su comportamiento frente a las interferencias, pudiendo aumentar la distancia y la velocidad de transmisión. No obstante, el hecho de añadir una pantalla a cada par implica que su coste sea superior y una drástica reducción de la maleabilidad, lo que lo hace mucho más difícil de manipular o introducir en canalizaciones al ser menos flexible.
Vocabulario
Apantallado = Shielded. Cable = Wire. Mallado = Braiding . No apantallado = Unsh.ielded. Papel de aluminio = Foil. Par trenzado = Twisted Pairo
Tabla 4.3. Resumen de las abreviaturas empleadas en el apantallamiento de los cables
Acrónimos en la Industria
Denominación según ISO/lEC
11801
Apantallamiento de la manguera
Apantallamiento del par
UTP
UlUTP
Ninguno
Ninguno
STP, ScTP, PiMF
U/FTP
Ninguno
Papel de aluminio
Papel de aluminio
Ninguno
FTP, STP, ScTP
F/UTP ...... ..... . . :
STP, ScTP
:
. . . . . . . . . .... ....... ..........
o . . . .... ............... ;
•••••••••••••••••
o ................ .
Mallado
Ninguno
SF/UTP
Mallado , papel de aluminio
Ninguno
F/FTP
Papel de aluminio
S/UTP
:
......................... ......... ..... ..... ........ . ... : ................................ . ........................... : .... .. ............. .......................... .,............ ......... ................................ ................. . ~
SFTP, S-FTP, STP
....................................................... ": ............................................................. : .......................................................... : ............................................................ :
FFTP
~
:
Papel de aluminio
:
.................................................. , ...... " ........ ............ ...... . "
SSTP, SFTP, STP PiMF
S/FTP
Mallado
Papel de aluminio
o
1:
'cro
ro
"-
"'e Q)
Nota. El código antes de la barra designa el apantalla del cable en sí, mientras que el código tras la barra designa el apantallamiento del par individualmente.
o .¡¡
'C w
@
RICIDAD-ELECTRÓN ICA Sabías que ••• Existe un tipo especial de cable, el FSTP o par trenzado totalmente blindado, que emplea múltiples protecciones metálicas; es decir, está blindado y apantallado.
• • 4.2.4. Clases ycategorías de pares trenzados La Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (TIA) junto con la Alianza de Industrias de la Electrónica (EIA) y la Organización Internacional para la Normalización (ISO)
desarrollan, entre sus actividades, normas de cableado estructurado, con el objeto de que los nuevos sistemas de cableado sean capaces de soportar las distintas innovaciones que surgen en la tecnología de transmisión de señales. Si bien las normas y especificaciones TIA son empleadas, en su mayoría, por la población de EE. UU., las normas ISO son un referente más utilizado en el mercado internacional. Además, podemos encontrar otras organizaciones locales o regionales que desarrollan sus propias normas y especificaciones, caso de la Asociación Japonesa de Normas (JSA/JSI), el Comité Europeo para la Normalización Electrotécnica (CENELEC) o la Asociación Canadiense de Normas (CSA), entre otras.
Tabla 4.4. Clasificación de los pares trenzados según su categoría . . . -!f . --..- Ancho de banda Aplicaciones Categona n Apantallamiento H (MHz) , : Líneas telefónicas de voz, módem 0,4 : de banda ancha, sistemas de : alarma. .
r
I
.
Telefonía de voz, cable para conexión de terminales antiguos, como ellBM 3270, por ejemplo.
4
2 . . . . . . . ...... .. ........ :
.
...
.. . . .. ............. ............... :
..... ... .. . ....
.. .. .... . . . . .. .. ... . . . . .
:
,.,
•••
o ••••
•••••••••••••
o .
......
. . . . . . . . . ..
-
3
UTP
16
: Telefonía de voz, 1OBASE-T y 1OOBASE-T4 Ethernet.
4
UTP
20
: Token Ring a 16 Mbps.
: No descrito en las recomendaciones ~ del EIA/TIA. No adecuado para : sistemas modernos. ~ No descrito en las recomendaciones : del EIA/TIA. Inadecuado para sistemas : modernos.
o • • • • • •• • • • • • •• • • • • • • • • • ••• ••• • • • • • • • •
:
-
Notas
: : : :
o . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . ... ....... . . :
5
................ .........
,
....
,-
100
1OBASE-T y 1OOBASE-TX Ethernet. 1OOBASE-TX y 1OOOBASE-T Ethernet.
...... ..................... .. ...... ..
o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .................. . ...... :
: No utilizado comúnmente.
.... ........ ..... ...... ..... . .. .... .....................................................: .. . .... .... .
UTP
•
Descrito en la norma EIA/TIA568. Inadecuado para velocidades superiores a 16 Mbit/s. Principal mente para cable telefónico. ... ... ...... , .. ... ... ..... ... ... .... ... .... :
Uso común en redes LAN. : : : :
Constructiva mente es similar al categoría 5, pero con mejores normas de prueba. Es adecuado para Gigabit Ethernet.
5e
UTP
100
6
UTP
250
_ 1OOOBASE-T Ethernet.
. Transmite a 1000 Mbps.
6a
U/FTP, F/UTP
500
! 1OGBASE-T Ethernet (en desarrollo).
~ Incluye el apantallamiento del cable : (ISO/lEC 11801 :2002).
7
F/FTP, S/FTP
600
Teléfono, CCTV, 1OOOBASE-TX en el : mismo cable. 1OGBASE-T Ethernet.
Acorde a la norma ISO/lEC 11801 .
............. . ..................................... .....................................................................................
7a
F/FTP, S/FTP
1000
: Para servicios de telefonía, televisión : .. : bl Eth t 1000BASE-T : Utiliza los cuatro pares, acorde a la : por ca e y erne en ~ norma ISO/lEC 11801. ~ el mismo cable. ~
.. .. .... ...... ...... ............... ............. .... .... .... .; .. ................................. . :
. o
'E
8.1
U/FTP, F/UTP
1600-2000
8.2
F/FTP, S/FTP
1600-2000
-1" ro
ro
"-
"'"e
o -¡¡
:¡; w
@
..................................................................... ; .... .. ... ....... ... ... .... .. ........................................... .
. Para servicios de telefonía, televisión . : por cable y Ethernet 1OOOBASE-Ten : En desarrollo. ~ el mismo cable. -
Para servicios de telefonía, televisión por cable y Ethernet 1OOOBASE-Ten el mismo cable.
ELECTRICIDAD-ELECTRO En la actualidad, los estándares existentes emplean diferentes denominaciones para referirse a las prestaciones del cableado. Así, las organizaciones americanas emplean las categorías para los enlaces, canales de cableado y los componentes. Sin embargo, los estándares derivados de la ISO (International Organization for Standardization), el CENELEC (European Commitee for Electrotechnical Standarization) y las normas UNE (Una Norma Española), el CENELEC y las normas UNE emplean las clases para los enlaces y canales de cableado, mientras que para los componentes utilizan las categorías de igual modo.
• • 4.2.5. rrestaciones ycaracterísticas del par trenzado El par trenzado, pese a mejorar sus prestaciones respecto a las líneas abiertas en cuanto a las interferencias frente a fuentes externas (EMI) y de otros conductores próximos (diafonía o crosstalk), tiene ciertas limitaciones en cuanto al alcance, ancho de banda y velocidad de transmisión. De hecho, cuanto mayor es la velocidad de transmisión por el cable, menor es la distancia máxima que podemos alcanzar.
Pueden distinguirse, entonces, dos tipos de clasificaciones de los pares trenzados: por clases y por categorías.
Velocidad
• Categorías. En este caso, para cada categoría se especifican una serie de prestaciones eléctricas que debe cumplir el cable, tales como atenuación, impedancia, capacidad de línea, etcétera. Las categorías 1 y 2 fueron las primeras en aparecer, utilizadas en los sistemas de telefonía. Para el rango de frecuencias entre los 10 y los 100 Mhz existen las categorías 3, 4 Y 5, que actualmente están en desuso. Por otra parte, actualmente se emplean con frecuencia cableados de categoría 5e, 6 y 7 fundamentalmente, que alcanzan tasas comprendidas entre los 250 Mhz y los 600 Mhz. El estándar TIAIEIA-568-B es el responsable de la definición de estas categorías.
L..._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. . . .
Distancia
Figura 4.29. Velocidad de transmisión versus distancia.
Entre las principales ventajas del uso de los pares trenzados podemos destacar:
En la Tabla 4.4 se sintetizan los principales tipos de cables trenzados existentes en la actualidad, con indicación de su denominación, apantallado, aplicación y entidad normalizadora.
• Bajo coste. Es un cable sencillo y económico. • Maleable. Es decir, es fácil de doblar, y poco pesado.
• Clases. Para cada clase se especifica las distancias posibles, el ancho de banda alcanzado y aquellas apLicaciones para las que es útil en función de las características dadas.
• Fácil de instalar. Debido a la maleabilidad del par, frente a otros sistemas, resulta sencillo de instalar, lo cual es una característica fundamental en sistemas como el cableado estructurado en el ámbito industrial.
En la Tabla 4.5 se representa la distancia alcanzada a una frecuencia dada para las distintas clases y categorías.
Por el contrario, los pares trenzados también presentan algunos inconvenjentes, como son:
Tabla 4.5. Distancias alcanzadas por los cables de diferentes categorías para una clase dada
E Ancho de banda (Mhz)
0,1
Cat.3
2 kms
Cal. 4
3 kms
Cal. 5 . •
3 kms
Cal. 6 o ••
o ••
••
o •••••• "
Cal. 7
..
.
.................................
20
100
250
600
0,5 kms
0,1 kms
No existe
No existe
No existe
0,6 kms
0,15 kms
No existe
No existe
No existe
0,7 kms
0,16 kms
0,1 kms
No existe 1 Gbps
No existe No existe
o . ................. ......... . . . . . . . . . ............ . ..... .... .
10 Gbps
o
1:
'cro
ro
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o .¡¡
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@
RICIDAD-ELECTRÓN ICA o
Baja inmunidad al ruido. En comparación con otros medios de transmisión, como el cable coaxial, su comportamiento frente a ruidos externos es muy pobre.
o
Ancho de banda limitado. La capacidad de transmisión de las líneas de par trenzado se reduce al aumentar la distancia o longitud de las mismas.
o
o
Atenuación. También conocida como pérdida de inserción, es una medida de la pérdida de potencia de señal conforme recorre el par trenzado.
o
NEXT. Es una medida de la cantidad de acoplamiento de señal no deseada que se acopla entre pares adyacentes en el lado del transmisor. También se denomina pérdida de paradiafonía.
o
FEXT. Es lo que conocemos como telediafonía. Es la señal inducida en el otro par en el extremo opuesto del cable.
o
ACR. La relación atenuación/diafonía es la relación que existe entre la pérdida de inserción y la pérdida de paradiafonía (NEXT).
o
Interferencias
Cambios bruscos de temperatura. Los gradientes elevados de temperatura pueden afectar a sus propiedades y, por tanto, a la transmisión.
o
o
ELFEXT. Se obtiene restando a la pérdida FEXT la pérdida de inserción. Es una medida de la calidad del apantallamiento del cableado.
Relativamente afectado por diafonías o crossta/k. Es decir, por el acoplamiento de señales procedentes de pares próximos por los que se transmite señal.
Cuando se dispone de una instalación donde existen varios pares trenzados (cables multipares o multihilo), se suelen medir una serie de parámetros que dan una profunda idea de la calidad y de las prestaciones del cableado. Entre los parámetros más importantes tenemos:
o
o
RL. Pérdida de retorno. Es la proporción de señal emitida que «retorna» al emisor tras «rebotar» en el extremo del cable. Retardo de propagación. Es el tiempo que existe entre la transmisión y la recepción de una señal en el extremo opuesto del canal.
afien crosstalk
Figura 4.30. Detalle del fenómeno alien crosstalk .
,
• • 4.2.6. Ambitos de aplicación del cableado basado en pares trenzados La utilización del par trenzado ha sido una evolución que mejora las prestaciones ofrecidas por las líneas abiertas, cables cuyo recorrido transcurre en paralelo. La utilización del trenzado permitió reducir y, en muchos casos, solucionar, efectos indeseados que fueron apareciendo con el incremento de la presencia de los sistemas eléctricos y de comunicación. Esto permitió un avance significativo en el sector de las telecomunicaciones, donde fue incorporado como medio de facto en los canales físicos de comunicación. Algunas de las aplicaciones más conocidas de los pares trenzados que podemos encontrar en la actualidad son: o
Cableado telefónico. Lo encontramos, por ejemp lo, en el cableado que se conoce como bucle de abonado, que es el par que se distribuye desde la roseta telefónica del usuario hasta la central de abonado.
AXT. También denominada diafonía exógena o alien crossta lk. Se define como la señal no deseada que se
acopla en un par trenzado de un cab le procedente de otro par de un cable diferente, tal y como se muestra en la Figura 4.30. o
o 'E .1" ro
ro
"-
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"
'O w
@
De/ay Skew. Tiempo que invierte una señal en llegar desde el primer par al último en un canal de cien metros. Relación atenuación/telediafonía (ACRF o ELEFX). La ACRF es la diferencia de la pérdida de inserción menos la pérdida de telediafonía. Es una medida de la probabilidad de error; cuanto más baja es, mayor es la probabilidad de error.
Figura 4.31. Detalle del cableado telefónico con pares trenzados en un edificio.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... En los sistemas de telefonía, la conexión entre el usuario y la centralita telefónica se realiza mediante un par trenzado. Dado el elevado número de abonados que se conectan a la central, la instalación y distribución de las líneas se hace mediante mangueras de pares múltiples o multipares. Los cables multipares pueden tener 25, 50, lOO, 200 o 300 pares.
Figura 4.32. Cab le telefónico multipar de 50 pares.
• Redes de área local. El cableado de redes Ethernet, donde se emplean dos configuraciones posibles, EIA/ TIA-568A Y EIA/TIA-568B, para el conexionado de los cables a los conectores RJ -45 que se emplean en dichas redes.
• • 4.2.7. Conectores empleados con pares trenzados En función de la aplicación en la cual sean utilizados los pares trenzados podemos encontrar un sinfín de posibles conectores que se utilizan para garantizar la interconexión de los distintos sistemas implicados. Al mismo tiempo, existen normas, como la RS-232, donde se especifican el tipo de conectores estandarizados que deben utilizarse y las propiedades básicas de los mismos, como el conector DB-9 (que veremos que en realidad es el DE-9) especificado en la norma RS-232 versión D, por ejemplo, o el conector RJ-45 empleado en el conexionado de redes Ethernet, entre otros tantos usos. A continuación describimos algunos de estos tipos de conectores y los aspectos que puedan ser relevantes desde el punto de vista funcional y de la instalación.
• • • Conectores O-s u~ Los conectores D -sub fueron creados por la empresa Cannon (una compañía de ITT Corporation) en el año 1952. Se trata de un conjunto de conectores que se utilizaban, especialmente, en el sector de la computación, para conectar los ordenadores con periféricos, como ratones, impresoras, escáneres, etcétera. Hoy en día estas aplicaciones están en desuso.
OA- 15 •
Figura 4.33. Detalle del conexionado de un conector Ethernet.
(000000001 . \.0000000)
• Entornos industriales. Especialmente en redes de tipo RS-422, RS-423 y RS-485.
OB-25 •
(0000000000000) _ \.000000000000
OC-37 •
(0000000000000000000) . \. o o o o o o o o o o o o o o o o o o ~
00-50 •
~
ooooooooooooooooo) 0000000000000000 000 0 0000000000000
OE-9
•
o
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(000001 .
\.oooo~
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"-
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o
'¡¡
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Figura 4.35. Distintos conectores de la serie O-sub.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Estos conectores, en el momento en el que fueron creados, eran realmente pequeños (hoy son de los de mayor tamaño), por lo que en su nombre aparece el ténnino «sub», de subminiature. El sistema de numeración que emplean sigue estas convenciones: • La letra D hace referencia a la forma geométrica del armazón metálico, que se parece a la letra D, lo cual permitía que no hubiera confusión a la hora de conectarlos, pues encajaban en una única posición.
con 15 pines y tipo hembra. Si buscamos este tipo de conectores en nuestros ordenadores veremos que coincide con el conector utilizado en los monitores y que también conocemos como conector VGA.
Nota En ocasiones las terminaciones «M» y «F», correspondientes al acrónimo de «Male» y «Female», respectivamente, se sustituyen por «M» y «H», que son la traducción al castellano, es decir, «Macho » y «Hembra».
• Seguidamente se acompaña de una letra [A, B, C, D Y E] que identifica el tamaño de la cubierta o armazón. • A continuación se indica un dígito que especifica el número de pines (u orificios) del conector. • Finalmente se acompaña el conector de una letra que puede ser M o F, que indica si se trata de un conector male (macho), que presenta pines, o female (hembra), que utilizan orificios. Los conectores tipo M encajan en los conectores F, por lo que se utilizan para cables de conexión entre distintos tipos de dispositivos. Por ejemplo, un conector DE-15F es un conector D-sub (D) con carcasa como la última mostrada en la Figura 4.35,
Si bien es cierto que los conectores D-sub no se utilizan necesariamente con pares cruzados (de hecho, la mayoría de las aplicaciones no emplean cables cruzados), sí existen algunos sistemas de comunicación que emplean variantes de estos conectores con cables trenzados. Tal es el caso del bus industrial PROFIBUS, que emplea un conector cuyo annazón metálico se corresponde con el de un conector de tipo DB-9, con la salvedad de que únicamente necesita 3 pines de los 9 que posee el conector y que recibe el nombre de conector D-sub PROFIBUS, estandarizado por la lEC 61158.
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Figura 4.37. (Izquierda) Fotografía de un conector O-sub PROFIBUS. (Derecha) Detalle de conexión PROFIBUS en la pasarela MFW01 de la empresa WEG (www.weg.netles).
ELECTRICIDAD-ELECTRO Nota El conector original DE-9, donde la letra E hace referencia al tamaño de la carcasa, es referido actualmente (erróneamente) como DB-9; es decir, comenzó a llamarse DB-9 . Esta confusión proviene de que, antiguamente, en los ordenadores existían dos tipos de conectores que proveían de comunicaciones serie, el DB-25 (con un tamaño de carcasa tipo B) y un DE-9. Conforme pasó el tiempo el conector DE-9 fue denominado DB-9, de forma análoga al DB -25, hasta el punto de que hoy día el uso de la terminología DB-9 está generalizada ..
Para unir los cables a este tipo de conectores se precisa, generalmente, soldarlos a unos terminales dispuestos en la parte trasera del conector, lo que introduce pérdidas y ciertos problemas mecánicos y eléctricos, siendo un proceso tedioso y que requiere del empleo de un soldador e hilo de estaño para su ejecución, no siendo poco frecuente que se produzcan cortocircuitos y se rompan las soldaduras si el proceso no se lleva a cabo con sumo cuidado.
Figura 4.39. (Izquierda) Fotografía de un conector RJ11. (Derecha) Fotografía de un conector RJ45.
Como puede observarse en la Figura 4.39, los conectores RJ están constituidos por una carcasa de plástico transparente (también hay versiones con cubierta metálica) en la que se han dispuesto unas «cuchillas de contacto». Las cuchillas de contacto están cubiertas por una fina capa de oro, de cuyas características depende en gran medida la calidad del conector. Son utilizados como estándares a nivel internacional. A continuación describimos los más utilizados en la actualidad: • El conector RJIl recibe también el nombre de conector 4p2c o 4p4c. El código 4p hace referencia a que el conector dispone de cuatro puntos de ajuste (o posiciones) para las cuchillas de contacto. En función de que se hayan insertado 2 o 4 cuchillas de contacto en los puntos de ajuste, se utilizará el segundo código, 2c o 4c, respectivamente.
Figura 4.38. (Izquierda) Fotografía de un conector DB·9. (Derecha) Detalle de cables soldados a un conector DB·9.
Se emplea especialmente para enlazar redes de telefonía (para conectar un teléfono fijo a la roseta telefónica, por ejemplo). Es el conector más utilizado para la conexión de aparatos telefónicos convencionales, en la que se emplea una configuración 4p2c, con dos hilos centrales para la conexión de una línea simple o par telefónico .
• • • Conectores RJ En los sistemas de telefonía y cableado estructurado se emplean distintos tipos de conectores, siendo los conectores RJ los más populares y utilizados. Los conectores RJ se utilizan para las terminaciones de los cables que se emplean en la interconexión de equipos de comunicación, tales como teléfonos, faxes y ordenadores. El acrónimo RJ responde a Registered Jack (Conector Registrado), y se refiere a las configuraciones denominadas generalmente USOC (Universal Service Ordering Code, Códigos Universales de Órdenes de Servicio). Existen distintos conectores RJ disponibles actualmente en el mercado, siendo los más comunes los conectores RJ9, RJIl Y RJI2 para aplicaciones de telefonía y el conector RJ45 que se utiliza sobre todo en cableado estructurado y equipos informáticos.
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Figura 4.40. Detalle de un conector RJ11 empleado en un antiguo módem
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • El conector RJ9 no es oficial conforme a las especificaciones USOc. Se trata de un conector 4p4c muy utilizado en la conexión de los auriculares de los teléfonos.
nector con los cables, quedando automáticamente conectados a las cuchillas de contacto y siendo prácticamente imposible desconectarlos.
Figura 4.42. Fotografía de una crimpadora de conectores RJ11 y RJ45.
Figura 4.41 . Detalle de un conector de auricular de teléfono.
• También podemos hablar del conector RJ12, también denominado 6p2c, 6p4c o 6p6c, es decir, se trata de un conector con 6 puntos de ajuste y 2, 4 o 6 cuchillas de contacto, respectivamente. Este tipo de conectores se empleaban en teléfonos propietarios de ciertos fabricantes que utilizaban 3 pares, si bien actualmente este tipo de sistemas han caído en desuso .
Las ventajas del uso de este tipo de conectores son varias; por una parte, es un proceso rápido y limpio, no siendo preciso el uso de peladores de cables ni soldadores. La unión al conector se realiza directamente, sin adición de estaño, lo que mejora el comportamiento eléctrico y mecánico. El guiado de los filamentos por el interior del conector hace que sea escasamente probable que se produzca un cortocircuito entre los filamentos, a los que en ningún momento se les retira su recubrimiento de plástico.
• El conector RJ45 es un conector 8p8c que puede tener distintas configuraciones de cuchillas en función del tipo de cable con el que son utilizados. Se utiliza especialmente en redes de ordenadores Ethernet de área local (LAN), que emplean cables de pares trenzados (estandarizado por la norma TIE/EIA-568-B, que define la posición y funcionalidad de los pines), aunque no exclusivamente, pudiendo encontrarlo en otras tantas aplicaciones.
Sabías que ... El conector RJ45 también se emplea en terminaciones de teléfonos, a 4 pines o 2 pares, en países como Francia o Alem ania y otros sistemas como RO SI o RS-232, donde se define el uso de un conector RJ45 por la norma TIA/EIA 561, en la que se describe la funcionalidad de cada pino
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El conexionado de los cables a este tipo de conectores se realiza de forma mucho más sencilla que con los conectores de tipo D-sub. Basta introducir cada cable de los distintos pares (sin necesidad de que se retire la funda protectora de cada hilo) en la posición correcta, coincidiendo con cada uno de los puntos de ajuste o posiciones y, empleando una herramienta conocido como crimpadora, «morder» el co-
Figura 4.43. Detalle de uso de conectores RJ11 y RJ45 en dispositivos industriales. (Arriba) Tarjeta RS6 de la empresa O/TEL. (Abajo) Pasarela MFW01 de la empresa WEG (www.weg.netles).
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... La norma ANSIITIAlElA 568-B establece que los conectores de categoría 5e y 6 deben tener un recubrimiento de oro de 50 micrones.
Otros sistemas emplean mecanismos de conexión de los cables por simple presión, como es el caso de algunos sistemas empleados en aplicaciones telefónicas (véase la Figura 4.46), o incluso, métodos más sofisticados como el que emplean buses industriales como el bus AS -l, donde los cables son, literalmente, «mordidos» por los conectores .
• • • Otros sistemas ~e conexiona~o Podemos encontrar en la bibliografía y en los dispositivos de comunicación de diferentes sectores (telefonía, computación, industrial, etcétera) multitud de conectores y métodos de conexión que se suman a los anteriormente estudiados, por lo que resultaría imposible verlos todos. Una tendencia generalizada es la eliminación de la necesidad de pelar y/o soldar los cables a los conectores; más bien se trata de dotar a los elementos de comunicación de mecanismos de fácil conexión de los cables a los mismos. Algunos de estos sistemas emplean conectores, como es el caso de la serie RJ; otros se basan en el crimpado directo empleando herramientas especiales, como el crimpado que se llega a cabo en los paneles de parcheo (patch panel) de las redes Ethernet (véase la Figura 4.44) . Figura 4.46. Conexionado de par trenzado por presión.
Figura 4.44. Detalle del conexionado sobre un patch panel.
Para el parcheo de los patch panels se emplea una herramienta conocida como «herramienta de impacto» o «insertadora», ya que basta colocar el cable sobre la posición del patch panel que deseamos conectar y presionar con la herramienta de impacto, la cual «golpea» el cable, colocándolo en la posición correcta para que quede debidamente conectado.
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Figura 4.45. Herramienta de impacto.
Figura 4.47. Detalle del conexionado de un módulo AS-I al cable del bus industrial.
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4.3. líneas de transmisión: ca~le coaxial versus guía de ondas
Tanto el cable coaxial como la guía de ondas son líneas de transmisión de radiofrecuencia. Una línea de transmisión de radiofrecuencia es una estructura construida con ciertos materiales y geometría de tal manera que permite un transporte eficiente de la energía de RF desde un punto origen, como podría ser un transmisor de RF, a un destino, como por ejemplo la antena de dicho transmisor.
Sabías que ... La acometida del servicio de televisión en nuestros domicilios llega a través de un cable coaxial tipo RG-6, con una impedancia característica de 75 ohmios. A la hora de elegir qué línea de transmisión utilizar para el transporte de la señal, bien una guía de ondas o un cable coaxial, la principal consideración que debemos tener en cuenta es la frecuencia a la que vamos a funcionar. El cable coaxial está diseñado para trabajar en la banda de señales de RF, mientras que la guía de ondas trabaja a frecuencias superiores (especialmente en la banda de las microondas).
prendida entre los 50 Mhz y 1 Ghz. Las guías de onda, sin embargo, se diseñan para trabajar en un rango superior que abarca desde los 100 Mhz hasta los 300 Ghz. Por otra parte, dado que la potencia de la señal se atenúa con la distancia y es preciso garantizar unos niveles mínimos de señal en la recepción, se diseñan diferentes tipos de líneas de transmisión con distintas propiedades para ajustarse a las necesidades del sistema de comunicación en particular. Así, por ejemplo, disponemos de varios tipos de cable coaxial, como RG-6, RG-8, RG-58, etcétera, y distintas guías de onda que ofrecen diferentes pérdidas. Los cables coaxiales de gran diámetro, por ejemplo, ofrecen menores pérdidas que los de diámetro inferior. Por último, tal y como hemos comentado, los factores medioambientales también son un factor a tener en cuenta, por lo que aquellos cables coaxiales y guías de onda diseñados para trabajar en el exterior tendrán que disponer de protecciones mecánicas frente a golpes, corrosión, cambios bruscos de temperatura, humedad, etcétera, mayores que aquellos pensados para aplicaciones de interior.
Junto con la frecuencia, otros factores que debemos considerar a la hora de elegir la mejor línea de transmisión a utilizar son la distancia que separa los elementos y los factores medioambientales, lo que ha dado lugar a un amplio catálogo de soluciones comerciales y tipos de líneas de transmisión. Las señales de radiofrecuencia son aquellas que están comprendidas en el rango entre los 3 Hz y los 300 Ghz aproximadamente, lo que ya hemos denominado en otras unidades espectro radioeléctrico. Los cables coaxiales están diseñados para trabajar en una banda de frecuencias com-
Figura 4.49. Detalle del cableado exterior sobre fachada.
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Figura 4.48. Dos cables coaxiales de diferentes diámetros medidos con un calibre (RG-58 a la izquierda y RG-59 a la derecha).
ELECTRICIDAD-ELECTRO Disponemos de una amplia variedad de diámetros de cables coaxiales, tal que, como regla general, podemos afinnar que aquellos con mayor diámetro ofrecen menos pérdidas que los de diámetros inferiores. Los cables coaxiales conocidos como cables de acometida, que se utilizan para hacemos llegar la señal de televisión a nuestros hogares, suelen tener un diámetro inferior, caso de los tipos RG-59 o RG-6, mientras que aquellos empleados en las líneas de salida de transmisión de equipos de telecomunicación tienen diámetros superiores. Además, cuanto más flexible es un cable coaxial, mayores son las pérdidas que introduce. Por otra parte, la guía de ondas es frecuentemente empleada como línea de transmisión entre transmisores, receptores y antenas en la banda de microondas. Su geometría, como veremos, es simplemente un «tubo hueco» por el interior del cual se propagan las señales de RF, confinadas en su interior.
Nota
El cable coaxial constituye una mejora frente al par trenzado, sobre todo en lo que a ancho de banda e inmunidad frente a interferencias se refiere. Si pensamos, por ejemplo, en el par trenzado utilizado en aplicaciones de telefonía, podríamos afinnar que el ancho de banda de este tipo de cables es tal que por el mismo pueden enviarse hasta 10-20 canales de voz de forma simultánea. En cambio, con los cables coaxiales la capacidad del mismo permite aumentar a más de 1000 canales de voz. Los cables coaxiales se emplean en aquellas aplicaciones donde se requiere transmitir señales de elevada velocidad, siendo muy inmunes a interferencias electromagnéticas externas y a espurios producidos por fuentes cercanas. Algunos ejemplos de aplicación son los cables de acometida de las antenas de nuestros domicilios, las redes de distribución de televisión por cable (CATV) o los circuitos cerrados de televisión, las redes de área local o la provisión de servicios de internet por cable-módem, entre otros. Si bien encontró su auge en la década de los años 80, la paulatina inserción de la fibra óptica y los abaratamientos de los costes de desarrollo e implantación de esta, están haciendo que ambas tecnologías entren en seria competencia.
Algunos técnicos de microondas denominan a las guías de ondas plomería.
• • 4.4.1. Constitución Disponemos tanto de guías de ondas rígidas como guías de ondas flexibles. Las guías de ondas flexibles, por lo general, se utilizan para conectar guías de ondas rígidas, cuando resulta preciso, pero su uso se limita debido a que introducen mayores pérdidas que las rígidas, del mismo modo que sucede con los cables coaxiales.
11 4.4. fl ca~18 coaxial
El cable coaxial es un cable que está formado por dos con ductores concéntricos, es decir, que comparten el mismo eje, tal y como se muestra en la Figura 4.50.
Filamento interno Material dieléctrico
El cable coaxial fue inventado en la década de los años 30 y utilizado comercialmente por primera vez en la década de los 40. La empresa AT&T tendió en 1940 su primer sistema de transmisión internacional empleando cableado coaxial.
Mallado externo
Funda aislante exterior
Figura 4.50. Estructura de un cable coaxial,
Sabías que ... Ya en el año 1936 se emplearon cables coaxiales para realizar las primeras transmisiones de televisión, que servirían para retransmitir las Olimpiadas de 1935 en Leipzig. Por otra parte, AT&T comienza a realizar experimentos con objeto de transportar señales de telefonía y televisión entre Nueva York y Filadelfia, consiguiendo conectar más de 200 llamadas telefónicas a finales de ese año y transmisiones internacionales en 1940.
El conductor central o núcleo, también conocido como positivo o vivo, está fonnado por un hilo sólido o trenzado, normalmente de cobre. Por otra parte, el conductor externo, que genera un efecto de «blindaje» frente a interferencias externas, además de servir como «retomo de las corrientes», tiene forma de vaina, y suele construirse empleando un tubo semirrígido, una película fina metálica o una malla trenzada, utilizándose frecuentemente el cobre o aluminio como metales conductores.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Recuerda que ... Los cables coaxiales, por su construcción mecánica, no radian interferencias al exterior y son bastante inmunes a otras radiaciones externas. Sus pérdidas son relativamente pequeñas, lo que les convierte en una de las mejores líneas de transmisión de señales de radiofrecuencia para un rango inferior al gigahercio .
Figura 4.51 . (Izquierda) Detalle del vivo de un cable coaxial. (Derecha) Detalle del conductor exterior de un cable coaxial.
Sabías que ... El conductor interior transporta la señal de radiofrecuencia y el conductor exterior evita que esta se radie al exterior, al mismo tiempo que sirve de protección frente a interferencias externas. Dado que la señal de radiofrecuencia viaja realmente por la película exterior del conductor vivo, cuanto mayor sea su diámetro, mejor será el flujo de señal y, por tanto, la calidad del cable. A este fenómeno se le conoce como efecto pelicular.
II{ljallm@m¡, _ _ Cable coaxial = Coaxial cable - coax. Efecto pelicular = Skin effect. Guía de ondas = Waveguide.
Ambos conductores están separados por una capa aislante denominada dieléctrico, que evita que ambos conductores entren en contacto, y de la cual dependerán, en gran medida, muchas de las propiedades y la calidad del cable coaxial. Finalmente, el conjunto al completo se protege mediante una cubierta aislante, generalmente de PVC, que sirve de protección mecánica frente a posibles agentes ambientales externos adversos, tales como los cambios bruscos de temperatura o la humedad.
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Existe una amplia variedad de tipos de cables coaxiales, con diferentes diámetros e impedancias. Es común a todos ellos su elevada inmunidad frente a interferencias externas, pudiendo alcanzar velocidades de transmisión muy elevadas a grandes distancias. Cuando el trayecto alcanza el orden de los kilómetros y se precisan tasas de transmisión muy elevadas, las prestaciones de la fibra óptica hacen que este último medio sea mejor solución que el cable coaxial, por lo general.
• • 4.4.2. Algunos cables típicos En la actualidad es frecuente referimos a los cables coaxiales con el acrónimo RG seguido de un número y, a veces, algunas letras. Así, por ejemplo, en aplicaciones de CATV se suele emplear un cable coaxial RG-6. El acrónimo RG, que encontramos grabado en la mayoría de los cables coaxiales comerciales, es el acrónimo de Radio Guide, un término que tiene su origen en la Segunda Guerra Mundial, cuando el ejército de Estados Unidos utilizó el cable coaxial en sus aplicaciones militares y desarrolló un conjunto de estándares y normas que especificaban los distintos grados de cable coaxial, así como sus aplicaciones. No obstante, pese a que actualmente seguimos refiriéndonos a los cables coaxiales RG por su numeración original, estas normas han quedado totalmente obsoletas en su uso militar, de tal manera que el valor numérico no tiene relación directa con las propiedades del cable al que se refiere y se utiliza para diferenciar distintos cables coaxiales comerciales que comparten distintas características, tales como la impedancia. La Tabla 4.6 presenta un resumen de los principales cables coaxiales de la serie RG que podemos encontrar en el mercado actualmente y algunas de sus características más importantes, como veremos más adelante. Como podemos observar, existen varios cables coaxiales con una impedancia característica de 50 ohmios. Este tipo de cables se emplean en sistemas de comunicación como interfaces de ordenadores, equipos de instrumentación, etcétera. Entre los más utilizados tenemos el cable RG-58.
Sabías que ... Las letras que aparecen tras el número de los cables RG tienen varios significados. Así, la letra U significa «especificación universal», mientras que AlU, BIU, etcétera, por otra parte, especifican distintas modificaciones y sustituciones a la versión original. Por otra parte, también son sumamente frecuentes los cables de 75 ohmios, que se emplean en aplicaciones de radiofrecuencia, CATV, CCTV, señales de televisión y
ELECTRIC IDAD-ELECTRO Tabla 4.6. Principales cables coaxiales tipo RG
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FM/DAV, entre otros. Un cable muy utilizado en este tipo de aplicaciones es el RG-59, que presenta muy buenas propiedades mecánicas y eléctricas, además de un reducido coste. Para cab leados de gran longitud , sin embargo, es más frecuente utilizar un coaxial RG-ll, que posee mayor diámetro y, por tanto, menos pérdidas. También encontramos apHcaciones donde se utiliza un cab le RG-6. Además de los cables coaxiales con denominación RG, podemos encontrar en el mercado numerosos tipos de cab les con designaciones comerciales que difieren de las anteriormente expuestas. Algunos ejemplos de estas designaciones se muestran en la Tabla 4.7 .
aplicaciones donde se precisan coaxiales más flexibles, otras donde la impedancia del cable debe ser un a en particular, también se le puede exigir una pérdidas de potencia determinadas por unidad de longitud, etcétera. Todo ello con lleva que podamos clasificar los distintos cables coaxiales atendiendo a distintos criterios: • Las propiedades del conductor positivo o vivo. • El tipo de dieléctrico aislante interno. • El conductor externo utilizado. • El aislante externo. • La armadura o cubierta aislante. o
• • 4.4.3. Clasificación
• • • Tipos ~B con~uctorBS positivos Ovivos
Tal y como hemos comentado anteriormente, existen distintos tipos de cables coaxiales, en función de las prestaciones y características que les son exigidas. Así pues, existen
Los distintos cables coaxiales pueden emplear distintos materiales para el conductor vivo, pudiendo distinguirse entre:
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Tabla 4.7. Otros cables coaxiales con diferentes denominaciones comerciales Tipo
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• • • Tipos ~e ~ieléctricos aislantes internos
- Cobre electrolítico. Con una extraordinaria pureza, superior al 99 %.
También podemos distinguir distintos tipos de cables coaxiales en función del tipo de material dieléctrico que se emplea, pudiendo distinguir entre: o
Dieléctrico compacto. También conocidos como aislantes de polietileno compacto. Emplean como material dieléctrico polietileno, un derivado del petróleo muy utilizado en los aislantes de los cables. El valor de la constante dieléctrica relativa al vacío de este material (de valor 2,25) posibilita la construcción de cables con unas características eléctricas muy estables con la frecuencia, elevada rigidez dieléctrica y dimensiones adecuadas. Sin embargo, el principal inconveniente de este tipo de cables son sus pérdidas, por lo que su uso se l.imita a distancias relativamente cortas.
Acero cobreado o con recubrimiento de cobre. También conocido como copperweld. Su conductividad, a frecuencias intermedias, es del 30-40 % la del cobre; sin embargo, conforme aumentamos la frecuencia y nos aproximamos a los megahercios, debido al efecto pelicular, la corriente se confina en la superficie del conductor, que está rodeado de cobre, lo que produce que la conductividad se iguale a la del cobre. Su uso estájustificado por motivos mecánicos en los cables de menores secciones, ya que los provee de una mayor rigidez.
o
Dieléctrico expandido. O también denominado aislante de polietileno expandido. En este caso, al poli etileno se le introducen unas sustancias que producen que se generen «poros o burbujas» uniformemente distribuidas y no comunicadas entre sí, lo que reduce la constante dieléctrica a un valor de 1,4 a 1,8. Como consecuencia, el cable es menos rígido. Con esto se consiguen dos ventajas fundamentales; en primer lugar, se reduce la atenuación del cable, y por otra parte, el cable es menos pesado, por lo que se emplea a menudo en instalaciones de antenas. Sin embargo, tiene el inconveniente de verse más afectado por la humedad.
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Utilización del aire como material dieléctrico. Si bien puede afirmarse que es el conductor ideal desde un punto de vista teórico, la realidad es que no se pueden fabricar cables coaxiales donde el aislante sea puramente el
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- Cobre plateado. El plateado del conductor vivo mejora las prestaciones del cable, reduciendo la atenuación del mismo a elevadas frecuencias.
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- Cobre estañado. Su uso se limita a aplicaciones donde se precisa soldar el conductor vivo. Sin embargo, la utilización del estaño aumenta las pérdidas o atenuación en relación al uso de cables con vivo de cobre puro.
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El efecto pelicular únicamente se produce en conductores por los que circula corriente alterna y consiste en que la densidad de corriente en la superficie respecto al interior del conductor se incrementa conforme aumentamos la frecuencia. A frecuencias muy elevadas, la práctica totalidad de la corriente circula por la superficie del conductor; a este fenómeno se le conoce como efecto pelicular.
ELECTRICIDAD-ELECTRO aire, pues es preciso mantener el conductor central y el externo concéntricos. Sin embargo, podemos encontrar en el mercado algunos cables que emplean estructuras en forma de hélice o anillos, huecos y realizados en polietileno, lo que los convierte en una primera aproximación al dieléctrico ideal. No obstante, su uso debe limitarse a instalaciones interiores, ya que sus propiedades pueden verse afectadas por la humedad. La principal ventaja es que, al utilizar como medio dieléctrico «el vaCÍo» (en su mayoría), se consigue una reducida atenuación; lo que explica que se emplee muy frecuentemente en aplicaciones de difusión.
• • • Tipos ~e con~uctorBS externos El conductor externo de un cable coaxial también afecta a las propiedades del mismo. Este conductor puede estar formado realmente por varias capas conductoras; normalmente, en los cables coaxiales podemos encontrar de una a cuatro capas distintas. Así, por ejemplo, el cable coaxial empleado en las antenas de televisión de nuestros edificios emplea dos capas, una en forma de película metálica y otra en forma de malla.
Figura 4.52. Sección de cable coaxial con aislante radial hueco. Figura 4.53. Detalle de los dos conductores externos de un cable coaxial de antenas de televisión.
Nota La rigidez dieléctrica es la máxima tensión que puede soportar un aislante sin que este se perfore (y deje de ser aislante, por tanto).
• Aislante Tefzel. Emplea un material que se conoce como «copolímero de etileno-tetrafluoroetileno», cuya principal ventaja es que puede trabajar en un amp]jo rango de temperaturas, desde los -50 a los 150 grados centígrados. Presentan una constante dieléctrica de 2,6 aproximadamente y una rigidez dieléctrica de 80 kV / mm. Se emplean en aplicaciones militares y situaciones donde se trabaje a elevadas o muy bajas temperaturas.
En un cable coaxial, por tanto, podemos encontrar los siguientes tipos de conductores externos: • Conductor externo con malla de cobre. Constituido por una malla en forma de trenza. Disponemos de dos variantes: - Cobre estañado. En aplicaciones donde se precisa soldar la malla. - Cobre plateado. Empleado cuando se utilizan aislantes f1uoclorados con objeto de mejorar la estabilidad química. • Conductor externo con malla de cinta de aluminio! poliéster y aluminio/polipropileno. Se colocan debajo
• Teflón FEP. En este caso, el material utilizado es el copolimero tetrafluoroetileno - exafluoropropileno. Puede trabajar en un rango de temperaturas superior al aislante Tefzel, abarcando un rango desde los -70 a los 200 grados, con una constante dieléctrica más baja, de apenas 2,1 y una rigidez dieléctrica de 50 kV/mm. También se emplean en aplicaciones militares y situaciones donde se trabaje a elevadas o muy bajas temperaturas.
Nota Los cables coaxiales con aislantes Teflón FEP y Tefzel se emplean también en situaciones donde se precisa una elevada resistencia a agentes químicos inorgánicos y/o orgánicos.
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Figura 4.54. Detalle de un cable coaxial con malla de cinta de aluminio/ poliéster yaluminio/polipropileno.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA de la malla en forma de trenza, mejorando significativamente la inmunidad a interferencias externas y reduciendo las posibles pérdidas por radiación al exterior.
• • • Aislantes externos También existen diferentes aislantes externos, pudiendo destacar los que describimos a continuación: • Recubrimiento de cloruro de polivinilo (PVC). Es uno de los materiales más utilizados como cubierta, utilizándose frecuentemente en instalaciones de interior. Pennite modificar sus prestaciones en función de las exigencias que se requieran: Funciona a bajas o altas temperaturas, es ignífugo, resistente a hidrocarburos, etcétera.
Sabías que ... Los recubrimientos de PVC deben cumplir un requisito adicional, el de no «contaminar» el aislante interno. Es decir, el deterioro de la cubierta o plastificante no debe afectar al dieléctrico interior, pues de lo contrario aumentaría drásticamente la atenuación; el cable «envejecería».
• Recubrimiento de polietileno (PE). Está diseñado para trabajar en exterior, mejorando su resistencia frente a radiaciones ultravioletas. • Recubrimiento con materiales fluoclorados. Con materiales como el Tefzel y el Teflón FEP. Se utilizan en ambientes de elevadas temperaturas y en presencia de agentes químicos. • Recubrimiento con poliuretano. Se emplea cuando es preciso disponer de buenas propiedades mecánicas.
Sabías que ... Podemos encontrar en el mercado numerosas coberturas no estándares y que, frecuentemente , se demandan a los fabric antes bajo pedido; caso de protección antirroedor, por ejemplo.
• • • Aten~ien~o alas arma~uras o
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Finalmente, podemos hacer mención a distintos tipos de armaduras que recubren la totalidad de los cables, con distintas propiedades y funcionalidades. Algunas de ellas son:
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• Alambres de acero. Se disponen en forma de espiral o trenza, y se utilizan en instalaciones subterráneas y aplicaciones de protección antirroedores, por ejemplo.
Autoportantes. Se utilizan en instalaciones aéreas donde se precisa que la sustentación del cable soporte el peso del mismo. Para ello se dispone de un hilo de acero paralelo al cable coaxial que envuelve a los dos elementos, formando un perfil en forma de «8» .
Sabías que ... En el sector de las redes de datos Ethernet también se clasifican los cables coaxiales en delgados y gruesos. El cable grueso (normalmente de tipo RG-8) se emplea en las redes lOBASE5, que alcanzan velocidades de hasta 10 Mbps y 500 metros de longitud, mientras que el cable delgado (normalmente tipo RG-58) se utiliza en las redes lOBASE2. El cable delgado es mucho más fino que el grueso y, por tanto, más económico y maleable, objetivo con el que fue creado. Sin embargo, sus prestaciones en cuanto a velocidad y ancho de banda son menores que en el caso del cable grueso. Alcanza velocidades máximas de 10 Mbps pero distancias inferiores a los 200 metros.
• • 4.4.4. Características Tal y como hemos comentado, las diferentes aplicaciones y la utilización de distintas geometrías y materiales conllevan a que las características de los cables coaxiales sean distintas. Veamos a continuación algunas de las principales características que definen las propiedades de los mismos.
• • • Margen ~e frecuencias efectivo Es el rango de frecuencias en el cual el cable coaxial mantiene sus propiedades sin variaciones. Tal y como hemos comentado anteriormente, los cables coaxiales están diseñados para trabajar en una banda de frecuencias comprendida entre los 50 Mhz y l Ghz, pudiendo encontrar en el mercado cables que alcanzan los 3 Ghz en algunos casos.
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Impe~ancia característica
La impedancia característica puede definirse como el cociente entre la tensión aplicada y la intensidad absorbida por el cable coaxial en el caso ideal de que este tuviera una longitud infinita. En otras palabras, es la impedancia que mediríamos en un extremo de la línea en el caso de que esta fuera infinita. En el caso de líneas reales, con una longitud finita, si colocamos en el extremo de la misma una impedancia del mismo valor a la impedancia característica, a efectos prácticos el transmisor «observará» una línea infinita, lo cual es fundamental para poder propiciar la máxima transferencia de potencia al otro extremo (lo que se relaciona con la adaptación de impedancias que hemos estudiado en otras unidades) .
ELECTRIC IDAD-ELECTRO
Red de adaptación de impedancias
NEW CAl RG-6 APPROVED CABLE
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Figura 4.56. Detalle de cumplimiento de la norma EN50117 en la hoja de especificaciones técnicas de un cable coaxial (cortesía de Televés),
• • • ROf La ROE es la relación de ondas estacionarias y está relacionada con los máximos y mínimos de tensión que se producen en las líneas de transmisión. Más allá de la definición teórica, puede demostrarse matemáticamente que la ROE coincide con la relación que existe entre la impedancia característica de la línea y la impedancia a la que está conectada; en otras palabras, la ROE mide la desadaptación entre la impedancia ideal y la impedancia real, de tal manera que es una medida de calidad de la adaptación de impedancias. La ROE se expresa, por tanto, como el cociente entre la impedancia característica de la línea y la impedancia a la que está conectada o a la inversa, y la impedancia a la que está conectada y la impedancia característica de la línea, de tal manera que dicho cociente sea siempre un número igualo mayor que 1.
• • • Atenuación por uni~a~ ~e longitu~ Se define como la pérdida de potencia que experimenta la señal al propagarse por el cable coaxial por unidad de longitud y a una frecuencia dada. Normalmente se expresa en decibelios por kilómetro o por metro. Es un parámetro que depende de las propiedades constructivas del cable y cuyo valor aumenta con la frecuencia, es decir, a mayor frecuencia mayor atenuación. o
Si bien es posible calcular la atenuación por unidad de longitud en base a una formulación matemática, en la práctica los fabricantes facilitan en sus catálogos las especificaciones de atenuación por unidad de longitud en función de la frecuencia.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA
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TECHN ICAL SPEClFICATIONS INNER CON DU CTOR - BRAID COMPOSITION
-=C;.O ;::;;.;...: PPER Ciad Steel - Aluminium
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CXT-l
Televes model
2 127
Refe rences
0
21270 1
O/Km
0
mm
< 120 4.7 Foam polyethylene
material Shielding foil
material
Braid
Alu m iniu m +Polyester
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resi stance
O/Km
:s:30
structure
nOx n x mm
16 x 8 x 0. 12
material
0 Outer sheat h
Al uminium
6.7
mm
colour
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material Minim um bend ing radius Screenlng efficiency Ca pacita n ce
Pa ckaging
m/reel
Frequency Attenuation (MHz)
(~) Wh ite
mm
33
dB
: >:85 (30-1000 MHz) ;;:75 (1 -2 GH z) ::>:65 (2-3 GHz)
pF/m
54
m
1
I
100
250
50
0.05 0.09
500
0.15
1000
0.20
dB/ m
0.23
1350
0.27
2150
0.35
2300
0.37
O Bl ack
Coaxial cable specifications
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Screening (dB)
Frecuency band (MHz)
class A +
class A
class B
30 - 300
>95
>85
>75
300-470
>95
>80
>75
470-1000
>85
>75
>65
1000 - 3000
>75
>SS
>S5
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