TEMA 3:
MEDIOS DE TRANSMISIÓN.



 
 
 

0.- Medios de Transmisión.

            Medio de transmisión es el sistema (físico o no) por el que viaja la información transmitida (datos, voz, audio...) entre dos o más puntos distantes entre sí. Por el medio de transmisión viajan ondas electromagnéticas, que son las que realmente llevan la información. Se pueden distinguir básicamente dos tipos de medios: 
    • medios guiados: cuando las ondas están ligadas a algún tipo de medio físico:pares trenzados (UTP,STP,FTP), cables coaxiles, fibras ópticas.
    • medios no guiados: cuando las ondas no están encauzadas (aire, mar, vacío): microondas terrestres, microondas satélite, infrarrojos, radio.
            El protagonista principal de cualquier comunicación es el medio de transmisión sobre el que ésta tiene lugar: el coste de una comunicación de larga distancia puede atribuirse en su mayor parte a los medios de transmisión, mientras que en el caso de las comunicaciones a corta distancia, el coste fundamental recae sobre los equipos. 

            El constante desarrollo de medios de comunicación cada vez mejores que ha hecho posible abaratar los costes de las comunicaciones de datos se ilustra por el cambio que ha experimentado el precio de 500 metros de cable coaxial y de fibra óptica entre 1983 y 1986. En 1983, la fibra óptica era la opción más barata sólo para velocidades de comunicación por encima de los 25Mbps, mientras que en 1986 resultaba la opción más barata para velocidades por encima de los 10Mbps. 

1.- Medios Guiados.

            A este grupo pertenecen todos aquellos medios en los que se produce un confinamiento de la señal. En estos casos la capacidad de transmisión (velocidad de transmisión Vt, o ancho de banda ) depende de dos factores: 
      • Distancia. 
      • Tipo de enlace (ver apartado 2.2 del tema 1): 
        • - Punto-a-Punto.
        • - Difusión.
            Principalmente existen 3 tipos: pares trenzados, cable coaxial y fibra óptica.

 

1.1.- Pares trenzados.

  •  Descripción Física. 
            Se trata de dos hilos conductores de cobre envueltos cada uno de ellos en un aislante y trenzado el uno alrededor del otro para evitar que se separen físicamente, y sobre todo, para conseguir una impedancia característica bien definida. Al trenzar los cables, se incrementa la inmunidad frente a interferencias electromagnéticas (interferencias y diafonía), dado que el acoplamiento entre ambos cables es mayor, de forma que las interferencias afectan a ambos cables de forma más parecida. Al cruzar los pares de hilos se consigue reducir el crosstalk existente entre ellos, así como el campo creado alrededor de los mismos, dado que la corriente inducida sobre cada uno de los cables se ve prácticamente cancelada por la corriente que circula por el otro hilo (de retorno) del par.
            Es necesario que los cables tengan una impedancia característica bien definida para asegurar una propagación uniforme de las señales de alta velocidad a lo largo del cable, y para garantizar que la impedancia de los equipos que se conectan a la línea es la adecuada, de modo que pueda transferirse la máxima potencia de ésta. Cuando se conoce la impedancia característica de una línea con cierta precisión se puede diseñar una terminación adecuada que garantice la no reflexión de las señales (lo que da lugar a errores). 

            Generalmente se tienen varios pares trenzados que se encapsulan con una cubierta protectora en un mismo cable, y a los que se denominan cables de pares apantallados (ver figura). El aislante tiene dos finalidades: proteger de la humedad al cable y aislar los cables eléctricamente unos de otros. Comúnmente se emplea polietileno, PVC...

            Los hilos empleados son de cobre sólido de 0.2 - 0.4 mm de diámetro. El paso de torsión de cada cable puede variar entre una torsión por cada 7 cm en los de peor calidad y 2 vueltas por cm. en los de mejor calidad. 

  • Tipos de Trenzado.
    • Existen dos tipos de par trenzado: 

      •  
      • UTP: Unshielded Twisted Pair (Par trenzado sin apantallar). Muy sensible a interferencias, tanto exteriores como procedentes de pares adyacentes. Es muy flexible y se suele utilizar habitualmente en telefonía. Su impedancia característica es de 100  ohmios. La norma EIA/TIA 568 los divide en varias categorías, destacando: 

        •  
        • Categoría 3: velocidad de transmisión de 16 MHz a 100 m de distancia máxima.
        • Categoría 5: velocidad de transmisión de 100 MHz a 100 m de distancia máxima.

          •  
      • STP: Shielded Twisted Pair (Par trenzado apantallado).Cada par individual va envuelto por una malla metálica, y a su vez el conjunto del cable se recubre por otra malla, haciendo de jaula de Faraday, lo que provoca que haya mucha menos diafonía, interferencias y atenuación. Se trata de cables más rígidos y caros que el UTP. El STP que estandariza EIA/TIA 568 es un cable de impedancia característica de 50  ohmios y que actúa a una frecuencia de 300 MHz. Los conectores que se usan suelen ser RJ45 metálico y hermafrodita. 
       
      El apantallamiento permite mejores anchos de banda, Vt mayor, pero son más gruesos y rígidos. 
         
  • Aplicaciones.

    •  
    • Básicamente se usa en las siguientes aplicaciones:
      • LANs (Redes de área local:10, 100, 155 Mbps) .
      • Transmisión analógica (bucle de abonado del sistema telefónico, principalmente) y digital (por ej. RDSI).

        •  
      Los cables de pares trenzados se usan frecuentemente para conectar a los abonados del servicio telefónico a sus respectivas centrales locales, siendo la principal razón para su uso el reducido costo y sus bien conocidas características.
            Los pares trenzados no apantallados se han usado también para enlaces de comunicaciones: los enlaces que utilizan técnicas de multiplexación en el tiempo funcionando a velocidades de 1,544Mbps o 2,048Mbps permiten una distancia entre repetidores de aproximadamente 1,5Km.

 

1.2.- Cable coaxial.

            Las señales eléctricas de alta frecuencia circulan por la superficie exterior de los conductores, por lo que los pares trenzados y los cables de pares resultan ineficientes. El efecto de las corrientes de superficie se traduce en que la atenuación se incrementa con la raíz cuadrada de la frecuencia.
  •  Descripción Física.
            Consiste en dos conductores cilíndricos concéntricos, entre los cuales se coloca generalmente algún tipo de material dieléctrico (polietileno, PVC). Lleva una cubierta  protectora que lo aísla eléctricamente y de la humedad. Los dos conductores del coaxial se mantienen concéntricos mediante unos pequeños discos. La funcionalidad del conductor externo es hacer de pantalla para que el coaxial sea muy poco sensible a interferencias y a la diafonía. 

            Los cables coaxiales se utilizan para transmisión de datos a alta velocidad a distancias de varios kilómetros, es decir, se cubren grandes distancias , con mayores velocidades de transmisión y ancho de banda, así como la conexión de un mayor número de terminales. Características generales: 

    • La respuesta en frecuencia es superior a la del par trenzado. Hasta 400 MHz. 
    • Tiene como limitaciones:
      • - Ruido térmico. 
      • - Intermodulación.
    • Necesita amplificadores más frecuentemente que el par trenzado.
    • Puede ser rígido o flexible (ver figura).


            Las interferencias eléctricas no tienen importancia en estos cables si la pantalla exterior carece de discontinuidades. El uso de portadoras de elevada frecuencia inmuniza el sistema frente a las interferencias de baja frecuencia originadas por los dispositivos eléctricos y los tubos fluorescentes. 
  • Clasificación.
            Hay tres tipos principales de cable coaxial: 
    • Cables coaxiales estándar de tipo RG utilizados para transmitir señales de televisión doméstica. La mayoría de los cables de tipo RG usan polietileno como aislante interior, aunque el RG-62 emplea aire. Los cables coaxiles de un centímetro de diámetro son más adecuados que los de medio centímetro para velocidades por encima de 30Mbps.
 
Tipo Impedancia Nominal(W) Diámetro máximo de la cubierta(pulgadas) Capacidad(F/m) Atenuación nominal(dB/100pies) Retraso(ns/pie)
RG-174 50.0 0.105 101.0 17.5 1.53
RG-58C 50.0 0.199 101.0 11.0 1.53
RG-58A 52.0 0.200 93.5 11.0 1.53
RG-58 53.5 0.200 93.5 10.0 1.53
RG-58B 53.5 0.200 93.5 10.0 1.53
RG-59B 75.0 0.246 67.6 6.7 1.53
RG-62A 93.0 0.249 44.3 5.2 1.20
    • Los cables con núcleos aislados por aire, que tienen un diámetro pequeño, actúan como retardadores en caso de incendio y tienen una constante dieléctrica pequeña, lo que les proporciona propiedades eléctricas mucho mejores que las de los tipos RG. Presentan una atenuación muy baja, de unos 40dB/100m a 400MHz para los tipos que empleen malla trenzada, y que llega a los 50dB para los de malla continua. Finalmente, son menos costosos que los cables de polietileno o teflón.
    • Cables coaxiales de polietileno celular irradiado, que son más caros que los de núcleo aislado por aire, pero cuyas características no presentan las pequeñas variaciones que experimentan estos al ser doblados.
  • Aplicaciones.
            Se trata de un medio de transmisión muy versátil. Se emplea como cable de antena de TV, en la red telefónica a larga distancia entre centrales, en la conexión de periféricos, en las redes de área local... También se emplean para enlaces entre centrales telefónicas que utilizan técnicas FDM. 

            Sin embargo hoy en día están empezando a sustituirlo la fibra óptica, las microondas y los satélites artificiales.
 

 1.3. - Fibra óptica.

  • Descripción Física.
            Es una fibra flexible, extremadamente fina, capaz de conducir energía óptica (luz). Para su construcción se pueden usar diversos tipos de cristal; las de mayor calidad son de sílice, con una disposición de capas concéntricas, donde se pueden distinguir tres partes básicas: núcleo, cubierta y revestimiento. El diámetro de la cubierta suele ser de centenas de µm (valor típico: 125 µm), el núcleo suele medir entre 2 y10 µm, mientras que el revestimiento es algo mayor: decenas de mm. Para darle mayor protección a la fibra se emplean fibras de kevlar. 

            La transmisión por fibra óptica se basa en la diferencia de índice de refracción entre el núcleo y la cubierta que tiene un índice de refracción menor. El núcleo transmite la luz y el cambio que experimenta el índice de refracción en la superficie de separación provoca la reflexión total de la luz, de forma que sólo abandona la fibra una mínima parte de la luz transmitida. En función de cómo sea el cambio del valor del índice de refracción las fibras se dividen en: 

    • Fibras ópticas de índice a escala (stepped-index): donde el cambio es muy abrupto.
    • Fibras ópticas de modo gradual (graded-index o gradex): que experimentan un cambio gradual parabólico.
            Se emplea en el rango de 1014 - 1015µm de longitud de onda (luz visible y parte del infrarrojo). 

            Los núcleos de los cables de fibra óptica pueden ser de vidrio o de plástico (polímero). La fibra óptica con núcleo de plástico es más flexible, se puede doblar mejor y los conectores pueden adaptarse mejor sin necesidad de pulir los extremos o de utilizar resinas epóxicas. La fibra óptica de plástico tiene mayor diámetro en el núcleo, lo que hace que los conectores sean menos sensibles a los errores de alineamiento (pérdidas de acoplamiento menores). El cable resulta también menos sensible a las impurezas de fabricación. Un cable con núcleo de plástico no precisa elementos adicionales para alcanzar la rigidez que necesita, como tiras de Kevlar, por lo que es más barato que los de vidrio. La desventaja de los cables con núcleo de plástico es que presentan una atenuación mucho mayor, lo que limita la longitud del enlace. 

  • Ventajas frente al cable eléctrico. 
            Presenta numerosas ventajas muy importantes frente a los tradicionales cables eléctricos: 
    • Mayor velocidad de transmisión: las señales recorren los cables de fibra óptica a la velocidad de la luz(c=3x109m/s), mientras que las señales eléctricas recorren los cables al 50% u 80% de esta velocidad, según el tipo de cable. 
    • Mayor capacidad de transmisión:pueden lograrse velocidades de varios Gbps a decenas de Km sin necesidad de repetidor. Cuanto mayor sea la longitud de onda, mayor será la distancia y la velocidad de transmisión que podremos tener, y menor la atenuación.
    • Inmunidad total frente a las interferencias electromagnéticas (incluidos los pulsos electromagnéticos nucleares (NEMP) resultado de explosiones nucleares).
    • Se consiguen tasas de error mucho menores que en coaxiles, lo que permite aumentar la velocidad eficaz de transmisión de datos al reducir el número de retransmisiones o cantidad de información redundante necesaria para detectar y corregir los errores de transmisión. 
    • Tiene un menor tamaño y peso, consideraciones muy importantes por ejemplo en barcos y aviones.
    • Tiene una menor atenuación que otros medios de transmisión.
    • Permite mayor distancia entre repetidores.
    • Es un medio muy difícil de manipular.
    • Presenta una seguridad alta.
    • Apropiados para una alta gama de temperaturas.
    • Mayor resistencia a ambientes y líquidos corrosivos que los cables eléctricos.
  •  Tipos.
            Se distinguen tres tipos de transmisión: monomodo, multimodo de índice gradual y multimodo de salto de índice. 

            En la propagación monomodo la luz recorre una única trayectoria en el interior del núcleo, proporcionando un gran ancho de banda. Para minimizar el número de reflexiones en la superficie entre el núcleo y el recubrimiento, el núcleo debe ser lo más estrecho posible. Esto hace que su fabricación sea muy complicada, por lo que surgieron las fibras multimodo, cuyo diámetro es mucho mayor. También es mayor el número de trayectorias de la luz resultantes de las distintas reflexiones. Esto da lugar a una dispersión de las componentes, lo que disminuye la velocidad de propagación (ver apartado 1.3 tema 2). 

            Hay tres tipos de fibras ópticas: 

    • Fibras multimodo de índice de escala: el diámetro del núcleo está entre los 50 los 60mm, pero puede llegar a los 200mm. Mientras que el diámetro del recubrimiento suele acercarse al tamaño estándar de los 125mm. la dispersión es elevada. Sus aplicaciones se limitan a la transmisión de datos a baja velocidad o cables industriales de control.
  • Fibras monomodo de índice de escala: diámetro de entre 1 y 10 mm, recubrimiento de 125mm de diámetro. La dispersión es baja y se consiguen anchos de banda de varios GHz/Km.
    •
  • Fibras multimodo de índice gradual: el diámetro del núcleo está entre los 50 y lo 60mm, y el del recubrimiento en 125mm. Aunque existen muchos modos de propagación, la velocidad es mayor que en las fibras multimodo de índice en escala, lo que reduce su dispersión. 
    •

     
                Como transmisores (fuentes de luz) se emplean diodos LED y diodos LASER (éstos últimos para larga distancia y alta velocidad).
    •  Aplicaciones.
                Destacan las siguientes aplicaciones: 
      • Transmisión a larga distancia. En telefonía, una fibra puede contener 60.000 canales.
      • Transmisión metropolitana para enlaces cortos de entornos de 10 km sin necesidad de repetidores, y con capacidad de unas 100.000 conversaciones por cada fibra.
      • Acceso a áreas rurales. Se usan para una longitud de 50 a 150 km, con un transporte del orden de 5000 conversaciones por fibra.
      • Bucles de abonado.
      • Redes de área local (LAN) de alta velocidad.
    •  Prestaciones.
                En la siguiente gráfica se pueden ver las prestaciones comparadas de los tres medios de transmisión guiados, siendo el de mejores prestaciones la fibra óptica, y el peor el par trenzado. 

                El par trenzado está representado en verde, el coaxial en azul y la fibra óptica en rojo.


     

    2.- Medios NO Guiados.

                La radiocomunicación puede definirse como Telecomunicación realizada por medio de las ondas eléctricas. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), define las ondas radioeléctricas como las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo límite superior de frecuencia se fija, convencionalmente, en 3.000GHz. 

                La radiocomunicación que hace uso de elementos situados en el espacio, se denomina radiocomunicación espacial. Toda radiocomunicación distinta de la espacial y de la radioastronomía, se llama radiocomunicación terrenal. 

                La técnica de la radiocomunicación consiste en la superposición de la información que se desea transmitir en una onda electromagnética soporte, llamada portadora. La inserción de esa información constituye el proceso denominado modulación (ver apartados 2.2, 2.3 y 2.4 tema 4). 

                La onda modulada se envía al medio de propagación a través de un dispositivo de acoplamiento con el medio denominado antena. 

                El conjunto de equipos para el tratamiento de la información: moduladores, filtros, antenas...constituye la estación transmisora (o abreviadamente, el transmisor). 

               Cuando la onda transmitida alcanza el punto o puntos de destino, accede al sistema receptor por medio de una antena de recepción, que capta una fracción de la energía. El alcance útil o cobertura de una emisión  radioeléctrica depende del tipo e intensidad de las perturbaciones (ver apartado 3 del tema 2). 

                Existen dos tipos fundamentales de transmisión inalámbrica: 

    • Omnidireccionales: La antena transmisora emite en todas las direcciones espaciales y la receptora recibe igualmente en toda dirección.
    • Direccionales: La energía emitida se concentra en un haz, para lo cual se requiere que la antena receptora y transmisora estén alineadas. Cuanto mayor sea la frecuencia de transmisión, es más factible confinar la energía en una dirección.
                El espectro de frecuencias está dividido en bandas de la siguiente manera: 
       
      Símbolo Nombre Frecuencia
      VLF Very Low Frecuency 3-30KHz
      LF Low Frecuency 30-300KHz
      MF Mid Frecuency 300-3000KHz
      HF High Frecuency 3-30MHz
      VHF Very High Frecuency 30-300MHz
      UHF Ultra High Frecuency 300-3000MHz
      SHF Super High Frecuency 3-30GHz
      EHF Extra High Frecuency 30-300GHz
          300-3000GHz
                Básicamente se emplean tres tipos de ondas del espectro electromagnético para comunicaciones: 
    • Microondas: 2 GHz - 40 GHz. Muy direccionales. Pueden ser terrestres o por satélite.
    • Ondas radio: 30 MHz - 1 GHz. Omnidireccionales.
    • Infrarrojos: 3·1011 - 200THz.
            La zona del espectro de las microondas está dividido de la siguiente manera: 
     
    Banda. Frecuencias.
    L 1 - 2 GHz
    S 2 - 4 GHz
    C 4 - 8 GHz
    X 8 - 12 GHz
    Ku 12 - 18 GHz
    K 18 - 27 GHz
    Ka 27 - 40 GHz

     

    2.1.- Microondas terrestres.

                La antena típica de este tipo de microondas es parabólica y tiene unos tres metros de diámetro; el haz es muy estrecho por lo que las antenas receptora y emisora deben estar muy bien alineadas. A cuanta mayor altura se sitúen las antenas mayor la facilidad para esquivar obstáculos. La distancia que cubre un único radioenlace de microondas viene dada por la expresión: 
     
    d = 7.14 · (k·h)½.
                                h = altura de la antena (m) 
                                k = 1 si no consideramos los efectos de la gravedad. Generalmente se toma k = 3/4.

                Para cubrir distancias mayores se usan radioenlaces concatenados. Aplicaciones: 

        • La transmisión a larga distancia, ya que requiere menos repetidores que el cable coaxil, aunque por contra necesita que las antenas están alineadas. El uso de microondas es frecuente en aplicaciones de TV y voz.
        • En enlaces punto-a-punto sobre distancias cortas, como circuitos cerrados de televisión, interconexión de redes locales y transmisión entre edificios.
                Las microondas cubren una parte importante del espectro, de los 2 a los  40 GHz; el ancho de banda potencial y la velocidad de transmisión aumentan con la frecuencia, por lo que sus prestaciones son muy buenas y tienen múltiples aplicaciones como la transmisión de vídeo y de voz. 
     
    Banda (GHz) Ancho de Banda (MHz) Régimen de transmisión (Mbps)
    2 7 12
    6 30 90
    11 40 90
    18 220 274

                 El problema fundamental de este tipo de comunicación es la atenuación, que dependerá de la longitud de onda que estemos utilizando, así como de las condiciones meteorológicas: por ejemplo a partir de los 10 MHz aumenta mucho la atenuación a causa de la lluvia. La expresión general de la atenuación con la distancia es: 

    L(dB) = 10 log ( 4pd/l)2
                Además se dan problemas de interferencia entre unas y otras emisiones, por lo que es necesario regular las bandas. 
     
    4-6 (GHz) Transmisión a larga distancia
    12 GHz Directos
    22 GHz Televisión por cable

     
    2.2.- Microondas por satélite.

                El satélite se comporta como una estación repetidora que recoge la señal de algún transmisor en tierra y la retransmite difundiéndola entre una o varias estaciones terrestres receptoras, pudiéndo regenerar dicha señal o limitarse a repetirla. Las frecuencias ascendente y descendente son distintas: fasc < fdesc. Para evitar interferencias entre satélites está normalizada una separación entre ellos de un mínimo de  3º (en la banda de la 12/14Ghz) o 4º (4/6GHz).
     

    Ascendente (GHz) Descendente (GHz) Ancho de banda (MHz)
    4 6 500
    12 14 500
    19 29 2.500

                El rango de frecuencias óptimo para la transmisión comprende 1-10 GHz. 
                Por debajo de 1 GHz aparecen problemas debidos al ruido solar, galáctico y atmosférico. 
                Por encima de 10 GHz, predominan la absorción atmosférica así como la atenuación debida a la lluvia. Cada satélite opera en una banda de frecuencia determinada conocida como Transpondedor.

                Entre las aplicaciones figuran tanto enlaces punto-punto entre estaciones terrestres distantes como la difusión: 

      • Difusión de TV: el carácter multidestino de los satélites los hace especialmente adecuados para la difusión, en particular de TV, aplicación para la que están siendo ampliamente utlizados.
      • Telefonía: los satélites proporcionan enlaces punto-a-punto entre centrales telefónicas en las redes públicas de telefonía. Es el medio óptimo para enlaces internacionales con un alto grado de utilización, y tecnológica y económicamente es competitivo con otros tipos de enlaces internacionales.
      • Redes privadas: la capacidad del canal de comunicaciones es dividido en diferentes canales de menor capacidad que se alquilan a empresas privadas que establecen su propia red sin necesidad de poner un satélite en órbita. 
                Ejemplo de transmisión por satélite: Sistemas VSAT. Estos sistemas hacen uso de algunos de los canales en que se divide los transpondedores, conectando redes terrestres. 

                Un problema importante que surge en la transmisión de microondas vía satélite es el retardo debido a las largas distancias que recorren las ondas (aprox. 0.25 segundos) lo que dificulta el control de errores y flujo .

     
    2.3.- Ondas de Radio.

                Se caracterizan por ser omnidireccionales, por lo que no necesitaremos antenas parabólicas. Utilizarán la banda comprendida entre 30 MHz - 1GHz, para transmitir señales FM, TV (UHF, VHF), datos... 

                Este rango de frecuencias es el más adecuado para transmisiones simultáneas (difusión,...). Las perturbaciones que sufriremos en este tipo de comunicaciones son provocadas por las reflexiones que se producen tanto en la tierra como en el mar, debidas a interferencias multitrayecto. 

                La distancia cubierta por el enlace vendrá dada por: 

      • d = 7.14 · (k·h)½. 

        • h = altura de la antena (m) 
        k = 1 si no consideramos los efectos de la gravedad. Generalmente se toma k = 3/4.
                Para cubrir distancias mayores se usan más radioenlaces concatenados.

                De igual forma la atenuación: 

      • L(dB) = 10 log ( 4pd/l)2

     
    2.4.- Infrarrojos.

                Características fundamentales: 

      • Reflexión directa.
      • Utilización de transductores que modulan la luz infrarroja no coherente. Deberán estar alineados o tener una reflexión directa.
      • No pueden atravesar obstáculos.
      • Rapidez en la instalación, ya que no es necesario tener ningún permiso.
      • Imposibilidad de establecer enlaces en medios abiertos debido al cambio de las condiciones climatológicas, que pueden actuar a modo de obstáculos.
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