1. LINEAS DE TRANSMISION

2. ONDAS ELECTROMAGNETICAS

3. ANTENAS

4. FIBRAS OPTICAS

Telecomunicaciones

1. LINEAS DE TRANSMISION

Telecomunicaciones

Medios de Transmisión

El medio de transmisión afecta a la señal que se transmite por él a través de: atenuación, retardo, ruido, normalmente dentro de un cierto ancho de banda disponible.

s(t) r(t) = s(t)*h(t) + n(t)h(t) +

n(t)

medio

s(t) = señal que entra al medio o canal de transmisiónh(t) = respuesta al impulso del canaln(t) = ruido que se añade a la señal en el canalr(t) = señal que sale del canal

Comportamiento Ideal de un Medio de Transmisión

En particular, un canal de comunicación con una atenuación constante k y un retardo constante To posee la siguiente respuesta al impulso:

g(t) = k f(t-To)

G(w) = k e-jwTo F(w)

G(w) = H(w) F(w)

H(w) = k e-jwTo

|H(w)| = k

H(w) = -wTo

la salida en función de la atenuación y el retardo:

transformada de Fourier de la salida:

G(w) en términos de H(w):

valor de H(w) en función de la atenuación y el retardo:

magnitud de H(w):

ángulo de H(w):

Esta respuesta representa un comportamiento real del medio y, desde el punto de vista de los mínimos efectos negativos, es el comportamiento más deseable.

El estudio de un medio de transmisión en particular permite conocer el comportamiento que una señal que se transmita por el tendrá, de acuerdo a como los factores del medio le afecten.

Medios de transmisión: guiados y no guiados.

• Medios guiados:

Cables (líneas de transmisión) y

Fibras Ópticas.

• Medios no guiados:

Ondas electromagnéticas.

Medios de Transmisión

Líneas de Transmisión

Una línea de transmisión es un par de conductores eléctricos con características tales que, y por las características de la señal que se propaga por ella, afecta a ésta de manera tal que la atenuación y retardo producidos no son despreciables.

Las características eléctricas de una línea de transmisión están en función de sus características físicas de construcción.

Tipos de Líneas de transmisión:

• Cable de conductores paralelos.

• Par trenzado.

• Cable coaxial.

Conductores Paralelos

Par de conductores aislados entre sí y abiertos al medio ambiente.

Forroaislanteexterior

Conductoresparalelos

El problema principal es la interferencia entre los mismos conductores.

Sensibles a señales electromagnéticas (ruido, señales causadas por otros dispositivos eléctricos).

Usos: Interconexión entre dispositivos que emplean múltiples líneas y en distancias cortas.

Conductores Trenzados

El trenzado reduce la interferencia electromagnética entre los pares.

Usos: • Telefonía (conexión del aparato telefónico del usuario a la central)• Computadoras en red (Ethernet)

En general tiene limitaciones de distancia, ancho de banda y velocidad de datos.

Par de cables de cobre aislados enredados entre sí, relativamente delgados. Pueden formar cables con hasta cientos de pares dentro y pueden tener adicionalmente una cubierta (conductor).

Conductores Coaxiales

Forroexterior

Aislantedieléctrico

Blindaje(conductorexterno)

Conductorcentral

Par de cables de cobre aislados construídos uno cubriendo al otro: un conductor cilíndrico externo cubriendo un conductor interno, aislados entre sí.

Ventajas: Posee un mayor ancho de banda que el par trenzado y mayor inmunidad al ruido externo.

Usos:• Distribución de televisión.• Telefonía (largas distancias, multicanalizada)• Redes de área local.

Una línea de transmisión no es un corto, sino que posee ciertos elementos eléctricos que modifican las características de la transmisión de la señal eléctrica a lo largo de la linea.

Estos elementos dependen de la construcción física y material empleado en el conductor y aislamiento.

R

C G

LR

C G

LR

C G

LR

C G

L R

C G

LR

C G

L R

C G

LR

C G

L

Comportamiento Eléctrico de una Línea de Transmisión

Los parámetros eléctricos que presenta una línea se consideran distribuidos a lo largo de ella, es decir, son cantidades eléctricas por unidad de longitud:

R Resistencia del conductor a lo largo de él (oposición al flujo de la corriente)

L Inductancia propia.

G Conductancia del dieléctrico (no es aislante perfecto)

C Capacitancia (dos conductores separados por un aislante)R

C G

LR

C G

L

unidad de longitud

Comportamiento Eléctrico de una Línea de Transmisión

Parámetros de Transmisión de una Línea

Constante de propagaciónde una línea

j

GCLRf

,,,,

Constante de atenuación (nepers/unidad de longitud)

Constante de desfase (radianes/unidad de longitud)

Las características de transmisión que presenta una línea de transmisión pueden representarse a través de dos constantes que dependen de los parámetros eléctricos de la línea:

PV Velocidad de propagaciónen la línea

La impedancia característica de una línea de transmisión es el valor de la relación entre el voltaje y la corriente en la línea si ésta es de longitud infinita o tiene conectada en su terminal una impedancia igual a su impedancia característica. Depende de sus parámetros eléctricos.

Impedancia Característica de la Línea

IV

Z 0

,,,,0 GCLRgZ

CjG

LjRZ

0

ZoV

I+-

V

I+-

X longitud finita

longitud infinita

ZoV

I+-

V

I+-

X longitud finita

longitud infinita

C

LZ 0

Si R y G son muy pequeñas (línea de bajas pérdidas) o la frecuencia es muy grande:

la impedancia característica es una cantidad constante, sin depender de la frecuencia de la señal que se propague por la línea

Al final de una línea de transmisión se encuentra conectado un dispositivo (receptor, impedancia de carga, etc.) cuyo valor de impedancia de entrada ZL, puede ser igual o diferente al valor de la impedancia característica de la línea de transmisión (Zo).

Si ZL es igual a Zo, toda la energía contenida en la señal es transferida al dispositivo que se encuentra conectado en su extremo. Si ZL es diferente a Zo parte de la energía es transferida a la carga y parte es regresada a la línea. Bajo ciertas circunstancias toda la energía puede ser regresada, reflejada hacia la línea.

Señales Reflejadas en una Línea

Tx Rx

DESTINOORIGEN señal incidente

señal reflejada

Potencia Reflejada en una Línea

incidentereflejada PP 2

Al existir reflexiones en la línea, la potencia que se refleja está dada por:

0

0

ZZ

ZZ

L

L

La cantidad de voltaje reflejado, depende de la diferencia entre la impedancia característica de la línea, Z0 , y la impedancia que esta tenga conectada en su extremo final, ZL:

Mientras que la potencia que si se transmite hasta la carga es:

incidenteatransmitid PP 21

Atenuación de la Potencia por Desacople

La atenuación sufrida por el desacople es:

21 incidente

atransmitid

PP

a

21log10 dBa

La diferencia entre la impedancia característica de la línea, Z0 , y la impedancia que esta tenga conectada en su extremo final, ZL , denominada también como desacople de impedancias, origina por lo tanto una pérdida de potencia.

Efectos de la Reflexión de Potencia en una Línea

• La potencia reflejada viaja en dirección hacia el transmisor, fuente de la señal, con riesgo de hacerla disipar mayor energía que para la cual está diseñado.

• A lo largo de la línea se suman las señales que inciden hacia la carga y las señales que se reflejan, produciendo una señal resultante cuya forma de onda presenta deformidades, distorsión.

• La potencia que es reflejada no es entregada a la carga, lo cual origina una pérdida adicional a la sufrida por la señal al propagarse por la línea.

Telecomunicaciones

ONDAS ELECTROMAGNETICAS

Y ANTENAS

Un conductor por el cual circula una corriente produce un campo magnético; la diferencia de potencial en el conductor produce un campo eléctrico. Si el voltaje y la corriente varían en el tiempo, de igual manera varían los campos producidos.

campo magnéticocampo

eléctrico

Ondas Electromagnéticas

El campo magnético variable producido genera a su vez un campo eléctrico variable, el cual genera a su vez un campo magnético variable...se obtiene entonces un campo eléctrico y un campo magnético que se van generando mutuamente en el espacio, de manera que se alejan del punto original de generación, produciendo la onda electromagnética.

desplazamiento de la onda

Ondas Electromagnéticas

P HE= x

P HE=

PTX

AS

P =

PTX

4r2=

La potencia transmitida PTX se distribuye de manera uniforme alrededor del elemento puntual conforme se aleja de este. En el punto Q, a una distancia r, se tiene cierta potencia por unidad de área, densidad de potencia P

Ondas Electromagnéticas y Antenas

Radiación de un Elemento Puntual

Una antena es un transductor de señal eléctrica a onda electromagnética, y viceversa, de manera que la señal pueda propagarse por el medio como onda y pueda ser convertida nuevamente a señal eléctrica.

La antena en sí presenta ciertas características eléctricas y electromagnéticas, las cuáles deben considerarse para efectuar de manera eficiente el proceso de conversión y de propagación.

Antena

Tx

antena

rPTX

Q

PQ = 2PTX

162r2

PQ dB = 20 log [ PTX dB

4 r

Radiación de un Elemento Puntual

dl <<

EQ= 60 I dl sen r

conductor con corriente I

Mayor potencia radiada en la dirección de máxima radiación en comparación al elemento puntual: mayor ganancia en esa dirección (1.5 = 1.76 dB ).

Radiación de un Dipolo Diferencial

l =

conductor rígido

cable de alimentación

Dipolo de Media Longitud de Onda (/2)

EQ= 60 I cos (/2 cos r sen

conductor con corriente I

l =

Mayor potencia radiada en la dirección de máxima radiación en comparación al dipolo diferencial: mayor ganancia en esa dirección (1.64 = 2.15 dB).

Dipolo de Media Longitud de Onda (/2)

78o 47o

42o

2

4

54o 36o

• cambia el patrón de radiación.• cambia la impedancia de entrada, se vuelve compleja.

Dipolos de Diferentes Longitudes

Antena Monopolo (Marconi)

plano conductor perpendicularal dipolo

dipolo

Las ondas electromagnéticas rebotan en el plano y simulan que provienen del dipolo inferior, el cual se sustituye finalmente por el plano. La máxima radiación es sobre el plano y alrededor del monopolo, por lo que tiene el doble de ganancia que el dipolo (3.28 = 5.15 dB).

l =

radiación alrededordel monopolo

f = 1 MHz 75 mts.

Antenas Monopolo de AM

Antenna Products WRR External Wireless Device Antenna

Antenas Monopolo

Antenna Performance Specialties

APS-9B

Frequency Range: 88.1 - 107.9 MHz

Impedance: 300 Ohms

Average Gain: 7.5 dBd

Maximum Width: 68.75"

Avg. F/B Ratio: 28.8 dB

Boom Length: 100"

Turning Radius: 58.5"

Elements: 9 (5 driven)

Antena Yagi

Antena Yagi

reflector parabólico (conductor)

antena

f = D/16d

G = D 2

Las ondas electromagnéticas rebotan en el reflector parabólico, concentrándose en el foco de la parábola que es el lugar en donde se coloca la antena. El funcionamiento es similar para transmitir y para recibir. La ganancia depende del diámetro de la parábola y de la frecuencia de trabajo.

Antena Parabólica

Patriot Antenna Systems

Antenas Parabólicas

La posición de la onda electromagnética se indica en base a la posición del vector de campo eléctrico con respecto a un plano horizontal de referencia y se dice que la onda está polarizada verticalmente cuando este vector es vertical con respecto al plano y se denomina polarizada horizontalmente cuando dicho vector es paralelo al plano.

La polarización de las antenas se indica de acuerdo a la posición del vector de campo eléctrico que genera.

Cuando la OEM y el conductor que la recibe no se encuentran con la misma polarización, sólo las componentes paralelas y perpendiculares, de campo eléctrico y magnético respectivamente, generarán voltajes y corrientes en el conductor. Si se dá el caso que OEM y conductor posean una polarización contraria (una horizontal y el otro vertical) entonces no se generarán voltajes o corrientes algunos en el conductor.

Polarización de las Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se agrupan para su estudio según su frecuencia al compartir características similares en su comportamiento:

Frecuencias extremadamente bajas (ELF): 30-300 Hertz.

Frecuencias muy bajas (VLF): 3-30 Kilohertz.

Frecuencias bajas (LF): 30-300 Kilohertz.

Frecuencias medias (MF): 300-3 000 Kilohertz.

Frecuencias altas (HF): 3-30 Megahertz.

Frecuencias muy altas (VHF): 30-300 Megahertz.

Frecuencias ultra altas (UHF): 300-3 000 Megahertz.

Frecuencias super altas (SHF): 3-30 Gigahertz.

Frecuencias extremadamente altas (EHF): 30-300 Gigahertz.

Bandas de Frecuencia de las OEM

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4. FIBRAS OPTICAS

Conducto por medio del cual puede viajar un rayo de luz de manera guiada y con información útil en él.

Se fabrica en diversos tipos de cristal, a los que se les añaden ciertas impurezas para determinar las características deseadas de la misma.

Materiales más usados: sílica (SiO2)

Recubrimiento protector

Núcleo de VidrioCubierta de Vidrio

Fibra Óptica

La luz reduce su velocidad en un medio más denso que el vacío, dependiendo de la densidad del material.

Para dos medios con velocidad de propagación uniforme y diferente entre sí:

Índice de refracción de un medio n = C / Vp

El índice de refracción para el vacío es 1. Para otros materiales es mayor que 1. Agua = 1.33, Cuarzo fundido = 1.46, Silicio = 3.6

Si la luz no incide de manera perpendicular sobre la frontera de los dos medios, sino con un ángulo de incidencia i, entonces el ángulo de salida dentro del segundo medio, ángulo de refracción r, es diferente al de incidencia, cambia su dirección.

Ley de Snell: n1 sen 1 = n2 sen 2

Transmisión de la Luz dentro de una Fibra

Núcleo de Vidrio, n2

Cubierta de Vidrio, n1

n1 > n2

Al aumentar el ángulo de incidencia de la luz en la frontera entre dos materiales, de uno más denso a uno menos denso, se llega a un punto en que el rayo ya no se refracta y es completamente reflejado. Este ángulo se denomina como ángulo crítico:

sen c = n1/n2

Transmisión de la Luz dentro de una Fibra

Fibras Ópticas

187 375 476 500 517 588 652 789

1600 800 630 600 580 510 460 380

Terahertz (1012 Hz)

Nanómetros (10-9 Mts)

Infrarrojo Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Ultravioleta

Frecuencias y Longitudes de Onda de la Luz

• Debajo de 800 nm se tiene demasiado atenuación por lo que no es utilizado.

• Arriba de 1600 nm se presenta atenuación por el efecto de los rayos infrarrojos.

• Tres zonas de mínima atenuación, denominadas ventanas:

850 => 3 dB/km

1300 => 1 dB/km

1500 => 0.3 dB/km

Atenuación en la Fibra Óptica

• El retraso sufrido por los diversos rayos de luz produce que un pulso se vaya ensanchando, limitando con esto el ancho de banda útil en la fibra.

• Un aumento de dispersión disminuye el ancho de banda, pues al ensancharse los pulsos se pueden encimar a una cierta velocidad.

• El efecto de dispersión es acumulativo con la longitud de la fibra.

• En la fibra multimodo la dispersión se da por las diferentes trayectorias (longitud-retardo). En la monomodo depende del ancho espectral del emisor.

Dispersión en la Fibra Óptica

t t

t

tr1

trn

b

BB b>

Duración del bit al inicio de la fibra

Duración del bit al final de la fibra

Tiempo que tarda en viajar por la fibra el rayocon trayectoria más cortaTiempo que tarda en viajar por la fibra el rayocon trayectoria más larga

Tx Rx

b

B

tr1

trn

Dispersión en la Fibra Óptica

Multimodo

• Se propagan rayos de luz en diversos modos.• Ancho del núcleo del alrededor de 50 um (anchura total 125 um)• Más barata de fabricar.• Es fácil de acoplar fibras entre sí.• Es fácil de acoplar una fuente de luz.• La velocidad de transmisión es limitada (100 Mbps para 40 km)

Monomodo (modo sencillo)

• Sólo permite la transmisión sobre su eje longitudinal.• Ancho del núcleo de alrededor de 8.6 a 9.5 um (anchura total 125 um)• Elimina retardo por trayectorias diferentes.• Difícil de acoplar fibras entre sí.• Difícil de acoplar fuentes de luz.• Puede transmitirse hasta 40 Gbps en 200 km sin amplificación.

Comparación de Tipos de Fibras

• LED (Diodo emisor de luz). La emisión de fotones es espontánea al activarse: poca potencia, amplio ancho de banda espectral, limitada velocidad de modulación.

• LD (Diodo laser). La emisión de fotones es coherente, se activan simultáneamente, en fase: gran potencia, espectro reducido, altas velocidades de modulación.

• LED: Barato.

• LD: Caro y generador de calor.

• LED: Adecuado para distancias pequeñas y medias (LAN, lazo de abonado).

• LD: Grandes distancias y altas velocidades de transmisión.

Emisores de Luz

• APD (Avalanche Photo Diodes)

• PIN (P-intrínsec-N)

• Sensibilidad de recepción: Dependiendo de la velocidad, de 0.1 a 10 Gb/s, desde -50 a -20 dBm. El diodo APD ofrece una mayor sensibilidad que el PIN. El PIN es de menor costo.

• Uso

850 => APD y PIN

1300 => APD

1500 => APD

Detectores de Luz

VENTANA NOMBRERANGO

(nm)TIPO

DE FIBRAAPLICACIONES

Primera   820-900 MMF LAN

Segunda S 1280-1350 SMF  SENCILLA

Tercera C 1528-1561 SMF DWDM

Cuarta L 1561-1620 DSF DWDM

Quinta   1350-1450 SMF AW DWDM

Quinta   1450-1528 SMF DWDM/MAN

MMF: Fibra MultimodoSMF: Fibra MonomodoDSF: Fibra de dispersión desplazadaSMF AW: Fibra Monomodo con eliminación dde pérdidas en 1385 nm

LAN: Redes de Área LocalDWDM: Multiplexión por división de longitud de onda (varias señales simultáneamente)MAN: Redes de Área Metropolitana

Uso de Fibras Ópticas