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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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•
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•
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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 ... . .. . ... . ...
138
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96
4.2.2. Origen del par trenzado ..............
139
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 ............. . ... . ..........
178
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
181
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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 ......................
186
Mapa conceptual ............................
187
Actividades finales ...........................
188
Actividades de comprobación ..............
188
. ................
189
Actividades de ampliación . ...............
190
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
'--.........---'_................_ ................._L-....L.---''--....L.---'_................_~ Tiempo
Amp litud 7,B9 6",78
L-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
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B,!) (J
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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lol' lo o 1 1 10 1.1
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.
1 1
Figura 1.4. Esquema del proceso de conversión analógico·digital.
'---........- ..........- - - - ' - -.......- .........- ........- - ' - - -..............~ Tiempo
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
·2
010(-0,75)
001 (-1,25)
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.
L -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
~
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.
-A ~ A ::ñal de voz ~ V~ V -
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1 Micrófono
Señal eléctrica
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Información digital
Señal eléctrica
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Información digital (normalmente binaria)
Señal de voz
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Convertidor analógico/dig ital
Sistema digital
Convertidor digital/analógico
Altavoz
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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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Señales a la salida del filtro Loculor d
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Frecuencia
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Existen distintos tipos de filtros en función del rango de frecuencias que dejan pasar. Así, podemos distinguir entre:
Locutor 00 la fimiso¡;¡:¡ J i:J;1' ~
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Figura 1.11 . Proceso de filtrado para la selección de una emisora de radio comercial.
Am I
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Señales a la entrada del filtro Lcx;;rAordeJa N, Lm.1Jrrlftffl/n .-Ñ Lrx;¡JIOf" dO' lfl A @
Frecuencia (hercios)
Figura 1.10. Señales de varios locutores de radio AM comercial en el dominio del espectro.
• Filtro paso bajo. Son filtros que seleccionan o dejan pasar frecuencias que abarcan desde los cero hercios hasta una frecuencia determinada. Filtro paso banda. En este caso, el filtro permite seleccionar un rango de frecuencias contenidos entre dos
ELECTRICIDAD-ELECTRO Amplitud
Amplitud
Ampli tud
Amplitud
Filtro rechazo de banda
Frecuencia (hercios)
_ _ _.....~F re euenci a 6 (hereios)
61
Frecuencia (hereios)
62
L._....&.._ _.L.._.....~Frecuencia
61
62
(hereios)
Figura 1.12. Tip os de filtros.
valores, eliminando el resto . Este tipo de filtros puede utilizarse, por ejemplo, para seleccionar una emisora en particular de las emisiones de radio comercial. • Filtro paso alto. Al contrario que el filtro paso bajo, el filtro paso alto deja pasar todas las frecuencias mayores que una frecuencia dada. • Filtro rechazo de banda. El filtro rechazo de banda es el opuesto del paso banda, es decir, su función es eliminar un determinado rango de frecuencias, dejando pasar el resto. Un ejemplo típico de filtro rechazo de banda sería el que se emplea para eliminar la frecuencia de 50 hercios de la red eléctrica que se introduce como señal de ruido o interferencia en muchos sistemas electrónicos y, por supuesto, en los sistemas de comunicación.
11 1.2. flementos que intervienen en un sistema de comunicaciones Los sistemas que, empleando diferentes técnicas y dispositivos, posibilitan el transporte de la información, es lo que hemos venido a denominar sistema de comunicaciones. El esquema de un sistema de comunicaciones es el que se muestra en la Figura 1.13. Los elementos que componen un sistema de comunicaciones son: • Transductor de entrada. • Emisor o transmisor. • Receptor. • Transductor de salida.
Fi ltro paso alto = High passfilter.
• Medio o canal.
Fi ltro paso bajo = Low passfilter. Fi ltro paso banda = Band pass filter.
La información origen puede precisar de un elemento transductor que la convierta a una señal de distinta naturaleza procesable por el emisor; pensemos, por ejemplo, en
Fi ltro rechazo de banda = Notch fi /ter.
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Mensaje de 'IA~ salida 'V VVVV-
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• Mensaje de . , entrada
Dispo!JtJVo
Dispositivo transductor de entrada
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interferencias
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Señal de salida 'VVVW Señal recibida
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Figu ra 1.13. Esquema de un sistema de comunicaciones.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA la voz de un locutor de radio donde el micrófono actuaría como transductor acústico-eléctrico.
Sabías que ... Cuando hablamos de espectro de una señal nos estamos refiriendo a las componentes de frecuencia que forman parte de la misma. Un tono puro de 1000 hercios, por ejemplo, se compone de una única componente en frecuencia situada a los 1000 hercios. El espectro de la voz humana está comprendido en una banda de frecuencias entre los 250 y los 3500 hercios. Podemos, a su vez, transmitir las señales en banda base o moduladas: • Banda base. La señal se transmite en su propia banda de frecuencias . Por ejemplo, la señal que se envía desde nuestro teléfono fijo a la central telefónica por el cable que se conoce como bucle de abonado es en banda base. • Modulación. En ocasiones no es posible transmitir la señal en su propia banda de frecuencias; pensemos, por ejemplo, en tres emisiones de radio de tres locutores, que si se transmitieran en banda base se interferi rían. En estos casos es preciso desplazar cada señal a un rango de frecuencias distinto, conservando la forma de su espectro, para que puedan «compartir» el medio por el que se transmiten, es decir, resulta necesario modular. Para recuperar las señales originales se realiza el proceso inverso, la demodulación de cada señal.
Figura 1.14. Ejemplo de utilización de un micrófono.
El emisor en un sistema de comunicaciones es el responsable de tomar la señal de entrada procedente del transductor y adaptarla y/o acondicionarla, para así convertirla en una señal que se pueda transmitir por el canal de comunicación. Un ejemplo lo encontramos en las señales eléctricas a la salida de los micrófonos, que precisan ser amplificadas, o las emisiones radiofónicas, donde se requiere desplazar el espectro de las señales antes de ser emitidas. Amplitud
Señal de voz en el
Amplitud
Señal de voz en el
dominio de la frectlencie
I '--_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
~
Tiempo
Frecuencia (hercios)
(segundos)
Figura 1.15. Ejemplo de representación del espectro de una señal de voz. Amplitu d
Stm:Jloo
l'O:!'dct ~c:lJtcjrc~
Oomlf1!1';l
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~ 11'1 fr~""ClIB
Amplitud Locutor da la emIsora 1
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Locutor da la emIsora 2
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Figura 1.16. (Izquierda) Espectro de señales de tres locutores en banda base. (De re cha) Espe ctro de las tres señales moduladas a frecuencias distintas.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Modulador (11) Frccucm;i¡¡ (her ¡:J~l
Señales que se propagan por el canal
FrECln¡m :i ~
( hr?I'CIÚS:,
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¡MOdUlador
~Fr, ~:~:, 2W
3400
!h~HCios)
Figura 1.17. Esquema simplificado del proceso de modulación y demodulación,
El receptor recibirá la señal que proviene del canal de comunicación, la procesará (si estaba modulada, por ejemplo, la demodulará; si dispone de poca amplitud, la aumentará; etcétera) y obtendrá una señal que llegará a otro elemento transductor que la convertirá en información de salida para el destino de la comunicación. En el ejemplo de las locuciones, las señales de las tres emisoras emitidas en distinto rango de frecuencias serían captadas por el receptor, demoduladas, es decir, separadas y movidas a su banda base, y amplificadas, para posteriormente llevarlas a un altavoz, por ejemplo. Para que la información llegue del emisor al receptor es preciso emplear un canal de comunicación, que no es más que el medio físico, alámbrico (cableado) o inalámbrico, por el cual se propagarán las señales. En condiciones reales, las señales que transportan la información deben compartir el canal de comunicación con señales y efectos indeseables, como son los ruidos, las interferencias o la distorsión de la señal.
11 1.3. Canales de comunicaciones. Características El canal de comunicación es el medio de transmisión por el que viaja la señal portadora de la información procedente de un 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 de tipo par trenzado, por cable-módem, que emplea el tipo coaxial, o mediante las últimas incorporaciones, inalámbricamente o por 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.
• • 1.3.1. Caracterización en función del sentido de la transmisión Atendiendo al sentido en el que fluye la información por un canal de comunicación, podemos hablar de: • Canal símplex. Es un canal en el cual la información únicamente circula desde un origen (emisor) hasta un destino (receptor). Un ejemplo de sistemas símplex los encontramos en la distribución de la señal de televisión. • Canal semidúplex o haLf-dupLex. En este caso el flujo de información se produce en ambos sentidos por el canal, pero no simultáneamente. Los walkies-talkies, por ejemplo, pueden tener comunicaciones bidireccionales, pero cuando un habla el otro debe esperar y a la inversa . • Canal fuLL-dupLex. Se presenta cuando las comunicaciones fluyen en los dos sentidos y simultáneamente. Es lo que sucede cuando hablamos por teléfono.
Comunicaci6n tipo simplex
• Comunicaci6n tipo semiduplex
.
Comunicación tipo fUIl-duplex
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Figura 1.18. Canales según el sentido de la transmisión,
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • • 1.3.2. Clasificación atendiendo al tipo de medio físico empleado Los sistemas de comunicaciones tienen a disposición diferentes medios físicos para conducir las señales y llevar a cabo la comunicación, pudiendo ser, principalmente, guiados y no guiados: • Medios guiados. Se trata de comunicaciones alámbricas o conducidas en las que las señales se propagan por un cable, bien de tipo eléctrico u óptico. Estos se pueden dividir en tres grupos a su vez: - Eléctricos. El medio físico está formado por un cable metálico, normalmente de cobre, por el que circula la electricidad. Existen varios tipos de cables eléctricos, como veremos a lo largo del presente libro, como las líneas abiertas, el par trenzado, el cable coaxial, etcétera. - Ópticos. Se emplea la fibra óptica como medio conductor, que tiene la propiedad de poder transmitir un haz de luz introducido por uno de sus extremos y que rebota o «se refleja» en sus paredes, quedando confinado en el interior de la misma, es decir, la señal que se propaga es luz, no electricidad; esto le confiere una total inmunidad frente a los siempre presentes ruidos eléctricos. Se pueden clasificar en fibras monomodo y multimodo, como detallaremos más adelante.
• Medios no guiados. Emplean comunicaciones inalámbricas, es decir, no conducidas por ningún cable. Pueden ser de tres tipos, en función del tipo de onda que emplean: - Radiofrecuencia. Los sistemas basados en radiofrecuencia son aquellos que emplean ondas electromagnéticas para la propagación de las señales. Aportan una solución idónea en aquellos sistemas que precisan movilidad, siendo soluciones mejor adaptables, flexibles y que facilitan el despliegue de cierto tipo de instalaciones. Pensemos, por ejemplo, en el router inalámbrico que tenemos en casa, gracias al cual tenemos Internet inalámbricamente en todas las habitaciones. - Infrarrojos. Es el medio que encontramos en los mandos a distancia de televisores, aparatos de aire acondicionado, etcétera. Se basan en la emisión de un haz de luz infrarroja, que es una luz no perceptible por el ojo humano, siendo preciso visibilidad directa entre el emisor y el receptor. - Ultrasonidos. Los ultrasonidos se basan en el empleo de ondas de presión, al igual que el sonido, pero a una frecuencia no audible por el oído humano. Es un medio poco utilizado en los sistemas de comunicaciones, pero sí en multitud de sensores como los que utilizan nuestros vehículos para detectar obstáculos cuando aparcamos.
- Corrientes portadoras. Los sistemas de corrientes portadoras o PLC (acrónim o de Power Line Com munications), emplean las propias líneas de di stribuci ón, eléctricas o telefónicas, para transportar la información sin perjuicio de su uso origin al; es decir, compartiendo el medio con las señales eléctricas o telefónicas, respectivamente.
Figura 1.20. Ejemplos de sistemas que emplean medios fís icos no guiados.
I(JjaI/.l$i!i!1ffli,_ _ Comunicaci ones basadas en la línea de potenci a = Power Line Communications.
Nota
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Algunos autores consideran las comunicaciones por infrarrojos del tipo radiofrecuencia, al ser la luz una onda de la misma naturaleza que las ondas electromagnéticas .
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Figura 1.19. Diferentes medios físic os guiados.
ELECTRIC IDAD-ELECTRO • • 1.3.3. Tipos de canales de comunicación en función del rango de frecuencias
Tabla 1.1. Bandas del espectro electromagnético
El espectro electromagnético está formado por un conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, abarcando desde las radiaciones de infrarrojos hasta los rayos cósmicos, pasando por la luz visible, los rayos X, las microondas, etcétera. Por lo que es común dividirlo en segmentos o bandas para su estudio, tal y como se muestra en la Tabla 1.1.
; Rayos gamma
Longitud de onda (m)
Banda
< 1Ox1 0- 12 ••••••••••••••••••• :
• ••• • • • ••••••
> 30,Ox1 018
• •••••••••••••••••
:
:.
.... ...
..... ... :
.........
• ••
•••••
•••••••••••
••••
o •••••
•••••• •• •••
:
...
:
• .... ;
•••••••••••
o • • • • • •••
> 30,Ox1 015 •
• •••••••••••
> 1,5x1 015 o ••••••••••••••••
:
o • • • •• • • • • • • • • • • • •
':..
: < 780x10- 9
: Luz visible
•
:
: < 380x1 0-9
: Ultravioleta cercano ................. .
o
•
:
: < 200x1 0-9
: Ultravioleta extremo .
•
: < 1Ox1 0- 9
: Rayos X
..
Frecuencia (Hz)
:
".
:
o ••••• •
> 7,89x1 014 .....
:
:
• •• • • • • •
> 384x1 012
: •
:
:· i·~·f~·~~~~j·~ · ~~·~~~·~~ · ·· · · ············ ········: ····~··2 : 5·~1· 0-~ ··· · : ····~ · 1 ·20·~·1·01 ~· ····:
No obstante, existe un concepto más práctico en los sistemas de comunicaciones radioeléctricos, que es el concepto de espectro radioeléctrico o espacio radioeléctrico, entendido como el medio a través del cual se transmiten las frecuencias de las ondas de radio electromagnéticas que posibilitan los servicios de telecomunicaciones como son la radio, la televisión, Internet, la televisión digital terrestre, etcétera, el cual es administrado por el gobierno de cada país.
:
.. ... .. ................................................. : ... ..... .............. : ........... .............. :
: Infrarrojo medio
< 50x1 0- 6
> 6,OOx1 012
: Infrarrojo lejano/ : submilimétrico
< 1x1 0- 3
> 300x1 09
< 10-2 : Microondas > 3x1 08 ....................... ............................................................................. . . . : Ultra alta frecuencia - Radio <1 > 300x1 06 .. . .. : ...... ............. :
.. ..................................................
: Muy alta frecuencia - Radio
> 30x1 0
<10
6 : .............. ............................................ : ........................... . : ............................. :
El organismo encargado de su gestión es la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) , que divide el espectro radioeléctrico en bandas de frecuencia, tal y como se muestra en la Tabla 1.2.
¡ .................................................... Ondacorta-Radio ¡.. :
:
> 650x1 03
< 1Ox1 03
> 30x1 03
> 1Ox1 03
< 30x1 03
.... .......................
: Muy baja frecuencia - Radio
>1 ,7x10 6
< 650
: Onda media - Radio : Onda larga - Radio
¡
< 180
j
............................................... ..
Tabla 1.2. Designación de bandas del espacio radioeléctrico según la UIT Nombre
Abreviatura
; Extra baja frecuencia ••••
"
....
oo.
•
....
Frecuencias
ELF
< 3 Hz
> 100.000 km
3-30 Hz
100.000-10.000 km
oo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Súper baja frecuencia
SLF
2
30-300 Hz
10.000-1000 km
Ultra baja frecuencia
ULF
3
300-3000 Hz
1000-100 km
; Muy baja frecuencia
VLF
4
3-30 Khz
100-10 km
LF
5
30-300 Khz
10-1 km
MF
6
300-3000 Khz
1 km -100 m
HF
7
3-30 Mhz
100-10 m
VHF
8
30-300 Mhz
UHF
9
300-3000 Mhz
• •
Baja frecuencia
Alta frecuencia ; Muy alta frecuencia
o.,
Oo . . . . . . . .
o • •
..........................................................................................: .... .. ......................... : ... ........ ...... ... ........ ; ............ ......... .... ... .... ~ Ultra alta frecuencia : · SÚ~~~ ··~lt~· f~~~u~~~·i·~ · :
........................................: ......
"'SH'F ..........;..... "'1'0" ........¡.....
· · ···3~·30··Gh·;
10-1 m
...... ... : ....... .............. ....... ............ ....... .
1 m - 100 mm
........ ........ ·····1·
OO ~ 1' O . ~.~
........... :
........ ......................................................................... : .......... .................... : ........ .................... : ........................................ ; ........ ............. .......... ............... :
: Extra alta frecuencia
EHF
.
o
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.
o-
......... ...... ........................... ...... .......... : ..... ............. ........................ :
o .¡¡
11
.
30-300 Ghz
.
··
·
10-1 mm
< 1 mm
Q)
..
.
'O
: : .. ........................................................................................ .... ............................................................................................................................................
@
.
.
> 300 Ghz
w
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.
o 'E .1"
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 .
ro
ro
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Ru i ~o
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).
Amplit ud • • • •,
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Seiia/ enviada
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L-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _. , Tiempo
Amplitud
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Función seno (portadora)
1LI+¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡'¡"¡"¡'¡¡'¡'¡'¡~4++I++44++I++r. TI em po
l'
1IfI-1+H+++f+++f++if+++ttH+rtttHttttttr.
Tiem po
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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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I o 'E .1"
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_----.. . ,. . .
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Frecuencia de la porladora
'"e o .¡¡
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Figura 1.22. Ejemplo de desplazamiento en la frecuencia de señal de información al ser modulada.
Frecuencia (hercios)
ELECTRICIDAD-ELECTRO Amplitud
}I
Senoide i(t) (moduladora)
"-----'~----:,L-----'~----:.... TI'mpo
+ + ---.J
Función coseno
"tttttl'tttttfHtt++tt+H-ttttttlHtt++tfr-..... Tie mpo
(
envDlvente
Señal / ' modulada
...- ... ...' ...
... .. ... ...
~
Amplitud
}I (portadora)
Amplitud
H+t+H-+++++Hr+++++I-I+H+tttttl+l++++I.... Tiempo
... 0" ,
'
"""
.. ... ..-
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
¡
Señal información senoida/, i(l)
A, ...............
¡
Ao
Señal modulada
mAoA¡/2
Frecuencia (hercios)
Frecuencia - -fo....-r-¡-..Ifo--r..,.jo+L-f-¡----1~ (hercios)
L . . - -....- - - - - -....
f
I
~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
¡
Aol··_································· ······_···· _· ·· ......._...... ,
Señal información genérica. i(t)
o
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Frecuencia fL-¡- - - - - -..... (hercios) ~
FrecuencIa máxima de fa seiial de infonnxión (w,;=2¡¡(!
Frecuencia fe
L - f - - - · (hercios) fc+ ¡
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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
I
I
Señal información genérica, i(t)
Frecuencia
Frecuencia
f¡ - - - - - - + - (hercios)
fe-f¡
~
fc+l..f-¡ ---4~ (hercios)
fe
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) .
o
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Amplitud
Ji
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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Figura 1.31. Esquema de transmisión digital directa.
El proceso en el cual una información digital modifica alguno de los parámetros de un a señal portadora analógica, que eS la que se transmite por el medio físico, Se COnOce como modulación digital.
Transmisión digital
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Convertidor analógico/digital
En los sistemas de comunicación digital la información se puede transmitir empleando a su vez distintos medios de transmisión, como podría ser un par trenzado, un medio coaxial, una fibra óptica o el espacio radioeléctrico, entre otros. Cuando la información se transmite directamente en forma de pulsos digitales se dice que estamos frente a una transmisión digital. Sin embargo, la información digital también puede ser transmitida empleando portadoras analógicas moduladas, en cuyo caso estaremos frente a un sistema de radio digital. En un sistema digital de radio el medio es normalmente el espacio radioeléctrico, pero también puede darse en instalaciones de par trenzado, coaxial, etcétera.
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.si .5
Convertidor digital/analógico
ELECTRICIDAD-ELECTRO Modulación digital
Convertidor analógica/digital
Convertidor digital/analógica
Figura 1.32. Esquema de transmisión empleando modulación (radio) digital.
Del mismo modo que en la modulación analógica, en función del parámetro empleado para modular la portadora analógica, generalmente de forma senoidal, tenemos distintos tipos de modulación: • Modulación en amplitud (ASK) .
los datos son representados como unos y ceros, la señal portadora se modula de tal forma que un cero implica ausencia de señal (amplitud cero) y un uno implica transmitir una señal de amplitud constante, tal y como se muestra en la Figura 1.33. Matemáticamente, una señal ASK puede expresarse como:
• Modulación en fase (PSK). • Modulación en frecuencia (FSK) .
• • • Mo~ulación ASK donde mASK(t) es la señal ASK modulada, i(t) es la señal La modulación ASK (Amplitude-Shift Keying) o modulación por desplazamiento de amplitud, es una modulación en amplitud en la que los datos de información digital modifican la amplitud de una señal portadora analógica cuya frecuencia y fase se mantienen constantes. La información se transmite, por tanto, en forma de señales analógicas de distintas amplitudes. Una de las transmisiones ASK más sencillas es aquella que, partiendo de una información digital binaria, en la que
binaria que puede tomar los valores [0,1], Aa es la ampli 2 tud de la portadora no modulada y OJe es la frecuencia de la señal portadora. De esta manera, la señal modulada mASK(t) adquiere los siguientes valores:
= 1 (l binario) Si i(t) = O (O binario) Si i(t)
Amplitud
Alta
...
Baja L---_..L-_-'-_-'--_-'-_--L-_--'-_--L_----'_.,. Tiempo
~~\
Como podemos observar, en función del valor binario de la señal de información, la señal modulada mASK(t) está «encendida» (ON) o «apagada» (OFF), motivo por el cual también se la conoce como modulación OOK (ON-OFFKeying) .
Am~i ,.
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o..
.. Tiempo
.. Tiempo
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Figura 1.33. Ejemplo de modulación ASK.
Figura 1.34. Ejemplo de modulación ASK binaria.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Sabías que ...
Sabías que ...
La modulación ASK tiene bastantes similitudes con la modulación AM en cuanto a su sensibilidad frente al ruido, linealidades, excesivo ancho de banda y potencia; sin embargo, los procesos de modulación y demodulación ASK resultan extremadamente sencillos y, por tanto, económicos.
AlasseñalesASK,FSKyPSKbinariasselasdenominaBASK, BFSK y BPSK, respectivamente (B procede de Binary) .
•••
Mo~ulación
PSK
La modulación PSK (Phase Shift Keying) o modulación por desplazamiento de fase es una modulación angular que emplea una fase distinta por cada símbolo de la señal de información moduladora.
Sabías que ... Otra denominación que puede utilizarse en las modulaciones ASK es la de modulación CW, que responde al acrónimo de Continuous Wave , es decir, de onda continua, dado que cuando la portadora se transmite, es decir, está encendida, la señal mantiene su amplitud, frecuencia y fase constantes .
• • • Mo~ulación fSK
ASÍ, por ejemplo, si tenemos una señal de información binaria, podríamos emplear un desfase de 180 grados entre los dos símbolos [0,1], quedando la señal PSK como sigue:
= 1 (1 binario) Si i(t) = O (O binario) Si i(t)
Amplitud
En la modulación FSK (Frequency Shift Keying) o modulación por desplazamiento de frecuencia, la señal digital de información i(t) modula la frecuencia de la portadora. Es decir, se utiliza una frecuencia por cada símbolo. En el caso particular de que la señal i(t) sea un flujo binario de información con los valores [0,1], la señal modulada mFSK (t) emplearía dos frecuencias distintas para transmitir la información modulada, tal y como se muestra en la Figura 1.35. Si i(t)
= 1 (1
Si i(t)
= O (O binario)
Alta
Baja I....-_"--_...L...._...L..._.....I-_-'-_-L._--'-_---L_. . Tiempo
Amplitud
Señal modulada PSK
-~
binario)
!lo Tiempo
Figura 1.36. Ejemplo de modulació n PSK binaria .
• • • Representación ~e las mo~ulaciones ~igitales
Amplitud Señal de información binaria Alta
1/
Baja I....-_'--_'--_"--_...L...._...L...._...L..._...L..._.....I-___..
......
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BASK
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Tiempo
Las modulaciones digitales, tales como BASK, BFSK y BPSK, suelen representarse en modo de «constelación». En la Figura 1.37 se muestra un ejemplo de tres tipos de constelaciones de las modulaciones que hemos visto .
Figura 1.35. Ejemplo de modulación FSK binaria.
Figura 1.37. Constelaciones de las modulaciones binarias BASK, BFSK y BPSK.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Otras mo~ulacionBs ~igitalBs Existen otros sistemas de modulación digital más complejos que nos permiten aumentar la capacidad de transmitir información sin que el ancho de banda necesario se vea aumentado. Entre ellos podemos destacar dos: • Sistemas de modulación con codificación multinivel. • Sistemas de modulación en cuadratura. En la modulación con codificación multinivel la señal de información digital es codificada con 2" niveles (con n> 1). Una codificación binaria utiliza dos niveles, O y 1, cada uno correspondiente a un símbolo, pero podríamos emplear cuatro o más niveles, como se muestra en el ejemplo de la Figura 1.38. Am plitud "01"
~-
encarece, al aumentar su complejidad, pues debe ser capaz de discernir cuatro niveles en lugar de dos, como en el caso de las modulaciones binarias, aumentando, a su vez, la probabilidad de error en la detección. Así, por ejemplo, las constelaciones de las modulaciones con codificación multinivel de nivel 2 (2 2) quedarían como se muestra en la Figura 1.39. Por otra parte, en los sistemas de modulación en cuadratura se utilizan las funciones seno y coseno como portadoras de forma simultánea; dado que resulta muy sencillo separar la información que contiene cada una de ellas de la otra. Al emplear dos portadoras de forma simultánea, es posible doblar la velocidad de transmisión sin que se vea afectado el ancho de banda de la señal ni la probabilidad de error.
Señal digital codificada con 2' niveles
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... ..................... ..... - - - -
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Sabías que ...
...
Las funciones seno y coseno difieren una de la otra únicamente en que entre ellas existe un desfase de 90 grados, es decir, están en cuadratura; por ese motivo a las modu laciones que emplean como portadoras las funciones seno y coseno se las conoce como modulaciones en cuadratura.
"00" "01" "0 0"
L-_.&..._...&.._....L_--II--_......_..L..._....L.._--L_.
Tiempo
Figura 1.38. Señal digital codificada con 2' niveles.
En el ejemplo anterior, disponemos de cuatro niveles o símbolos, cada uno de los cuales corresponde a 2 bits de información, 10 que tiene dos implicaciones directas: En primer lugar, la velocidad de transmisión se duplica. Por el contrario, esto tiene el inconveniente de que el receptor se
Podemos aplicar la modulación en cuadratura a cualquiera de los sistemas de modulación vistos con anterioridad, de tal forma que podemos tener, por ejemplo, modulaciones QASK, modulación ASK en cuadratura, QFSK, modulación FSK en cuadratura o modulación QPSK, modulación PSK en cuadratura, entre otras.
4ASK
4FSK
4PSK
Figura 1.39, Constelaciones de las modulaciones 4ASK, 4FSK y 4PSK.
QASK
QFSK
o GO.... S{W,I) _1--+--+----<)--o--+---1f-
o
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QPSK o
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s.. '"f:-:lw,t-"-:-:I----:+---+-- - + _+ -_"t0••(LU;J:)
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Figura 1.40. Ejemp lo de modulación QASK, QFSK y QPSK de 2 niveles.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Del mismo modo que las modulaciones ASK, FSK y PSK pueden ser binarias o multinivel, podemos tener modulaciones multinivel en cuadratura. Un ejemplo lo encontramos en la modulación 16QAM, que combina una modulación ASK multinivel (4 niveles) y una modulación en cuadratura. En la Figura 1.41 se muestra la constelación de una señal 16QAM.
Recuerda que ... Si enviamos una señal de audio en banda base a través de una instalación de megafonía y sonorización, por ejemplo, cuyo espectro esté contenido en el rango de O a 20 Khz, cualquier señal indeseada que se sume al audio en dicha banda de frecuencia se considera ruido .
sen{w,t)
-3A
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O
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O
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• Ruido correlacionado. Existe una cierta relación entre la señal y la fuente de ruido. Es un ruido que únicamente puede manifestarse en presencia de la señal.
cos{w,t) A
·A
En una primera aproximación, podríamos clasificar el ruido atendiendo a si existe una relación entre la señal enviada y el propio ruido, pudiendo distinguir entonces entre:
16QAM
;'\
2A
o
o
O
O
3A
• No correlacionado. Es un ruido que puede estar presente en el sistema de comunicación independientemente de que haya o no señal.
~
Dentro de cada tipo existen, a su vez, varias subcategorías, como se muestra en el esquema de la Figura 1.43.
Figura 1.41 . Conste lación de una modulación 16QAM.
11 1.5. fuentes de ruido en circuitos electrónicos
Distorsión armónica Ruido { correlacionado
El ruido eléctrico puede definirse como cualquier tipo de energía eléctrica no deseada presente en la banda de paso de la señal de información. Es una seña l o un conjunto de señales indeseables de origen aleatorio que se suman a la señal de información y que puede ocasionar ciertos prob lemas en la com unicación, como que la seña l recibida pierda calidad o incluso deje de ser recibida correctamente. Existen actualmente diferentes fuentes de ruido que afectan a los circuitos electrónicos de comunicación, pudiendo clasificarse atendiendo a diferentes criterios.
Ruido eléctrico
Ruido Ruido Ruido Ruido Ruido
atmosférico extraterrestre solar cósmico de orig en humano
Amplitud
Senoide con ruido
Tiempo
ro
ro
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o .¡¡
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Ruido térmico Ruido de disparo Ruido de transito
Figura 1.43. Principales tipos de ruido en circuitos electrónicos de comunicaciones.
Senoide sin ruido
@
Ruido Interno {
Ruido externo
Amplitud
o 'E .1"
Distorsión de intermodulación
Figura 1.42. Ejemplo de señal senoidal sin ruido (izquie rda) y con ruido (derecha).
Tiempo
ELECTRICIDAD-ELECTRO que se distribuye de manera bastante uniforme por el cielo, dado que sus fuentes de origen están distribuidas en las distintas galaxias, siendo su intensidad bastante menor que la debida al ruido solar.
Recuerda que ... El ruido correlacionado involucra a la señal, lo que implica que únicamente puede existir si la señal está presente. El ruido no correlacionado puede existir independientemente de que la señal esté presente o no.
o
• • 1.5.1. Ruido no correlacionado El ruido no correlacionado es aquel que puede existir en el sistema de comunicación independientemente de que esté presente o no la señal; pudiendo clasificarse, a su vez, en dos tipos: o
Ruido externo. Es aquel cuyo origen está fuera del medio, circuito o dispositivo de tratamiento de la señal en el sistema de comunicaciones.
o
Ruido interno. Tiene su origen en el propio medio, dispositivo o circuito de tratamiento de la señal.
Ruido de origen humano. Al ruido de origen humano se le conoce también como «ruido industrial», al deberse principalmente a la actividad industrial del ser humano, teniendo su origen en las «chispas» que se producen en infinidad de automatismos como los motores eléctricos, variadores de velocidad, contactores, relés, conmutadores, generadores, lámparas, etcétera, e incluso en las que se producen en la ignición de los motores de explosión de los vehículos o al encender y apagar la luz de nuestro hogar. Es un ruido que comparte el espacio por el que se propaga con las ondas de radio y abarca un elevado número de frecuencias.
• • • Rui~o externo El ruido externo, cuya fuente de origen se encuentra fuera de los elementos que conforman el tratamiento de la información, puede clasificarse a su vez en tres tipos, en función de la causa que lo genera, y son: o
o
Ruido atmosférico. También conocido como electricidad estática. Es una fuente de ruido que se debe a las perturbaciones eléctricas que se producen de forma natural en la atmósfera terrestre (tal es el caso de las tormentas eléctricas, por ejemplo), siendo frecuente que se manifieste en forma de impulsos que distribuyen energía en un amplio rango de frecuencias. Es un ruido que se caracteriza porque su magnitud es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que su influencia en los sistemas de comunicaciones se considera insignificante a frecuencias superiores a los 30 Mhz. Ruido extraterrestre. Se trata de un ruido eléctrico que tiene su origen fuera de la atmósfera terrestre, por lo que también recibe el nombre de ruido de espacio profundo, debiéndose principalmente a la influencia de las galaxias, el sol y la propia Vía Láctea. Se divide en dos tipos, el ruido solar y el cósmico. - Ruido solar. Tiene una doble magnitud: por una parte, se produce cuando el Sol se encuentra «en calma», suponiendo una radiación de intensidad constante. Por otra, el Sol genera perturbaciones esporádicas que producen una radiación de alta intensidad y poca duración, que se suma a la anterior. - Ruido cósmico. Al ruido cósmico también se le conoce como «ruido de cuerpo negro»; es un ruido
Figura 1.44. Fotografía de varios automatismos eléctricos.
• • • Rui~o interno Cuando se generan interferencias eléctricas en el interior de un dispositivo o circuito eléctrico decimos que estamos en presencia de un ruido interno. Se distinguen a su vez tres tipos: o
Ruido de disparo. Es un tipo de ruido descubierto y descrito matemáticamente por w. Schottky en 1918. Es un ruido presente en componentes electrónicos como los diodos, transistores, válvulas de vacío, etcétera, y es debido a la llegada aleatoria de los electrones y huecos a la salida de estos dispositivos, como consecuencia de que no se mueven en un flujo continuo y estable, ya que la distancia que recorren varía de manera aleatoria. Es, por tanto, un ruido que varía de forma aleatoria y que se superpone a la señal presente en el dispositivo o circuito.
o
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Sabías que ... Al ruido de disparo también se le conoce como ruido de transistor, sumándose a otro tipo de ruido que es el ruido térmico . Es un ruido que, al amplificarse y llevarse a un altavoz, se escucha como si fueran pequeñas bolas de metal cayendo sobre una lámina. • Ruido de tránsito. Cuando se producen variaciones en la corriente de electrones y huecos que viajan a través de ciertos dispositivos, como podría ser desde la entrada del emisor de un transistor bipolar al colector del mismo, esto produce una serie de variaciones aleatorias e irregulares. Cuando el tiempo de propagación por el circuito es parte apreciable del tiempo de un ciclo de la señal, el ruido de tránsito se hace significativo, afectando a la misma. • Ruido térmico. El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones que forman la materia, estando presente en todos los medios, circuitos y dispositivos. Es un ruido aleatorio, continuo, aditivo y predecible. También se le conoce como ruido blanco, ya que tiene la propiedad de que su densidad de potencia, definida como la potencia del ruido por unidad de ancho de banda, se mantiene constante a lo largo de todo el espectro de frecuencias. Matemáticamente, podemos expresar la cantidad de ruido térmico presente en un ancho de banda de 1 hercio en cualquier circuito o conductor como:
No
=
KT [W/Hz]
donde No es la densidad de potencia de ruido, expresado en vatios por unidad de frecuencia, K es la constante de Boltzman (K = 1,3803 ' 10-23 [l/K]) y T la temperatura expresada en grados Kelvin. Así pues, el ruido térmico presente en un ancho de banda «B» sería:
plificadores de señal. Las no linealidades en los circuitos de amplificación pueden causar dos fenómenos principalmente: la distorsión annónica y la distorsión de intermodulación.
Recuerda que ... El ruido correlacionado únicamente puede existir si hay una señal presente en el circuito y se debe principalmente a las no linealidades en los circuitos de amplificación.
• • • Distorsión armónica La distorsión annónica consiste en la aparición de armónicos no deseados de una señal. Los armónicos son múltiplos enteros de la señal de entrada original. Aparecen tras el proceso de amplificación de la señal, debido a las no linealidades. La señal de información deseada es lo que se denomina el primer armónico o frecuencia fundamental. Si multiplicamos la frecuencia de la señal original por dos, obtendremos el «segundo armónico», por tres, el «tercer annónico», y así sucesivamente.
Sabías que ... A la distorsión armónica también se la denomina distorsión de amplitud. Para poder evaluar el nivel de distorsión armónica que introduce un componente o circuito electrónico, se define el término distorsión armónica total o THD, que no es más que una relación entre las amplitudes de los armónicos superiores (los más significativos) de la señal y la amplitud de la frecuencia fundamental. Matemáticamente la podemos expresar como:
THD =
N
=
KTB [W]
Podemos observar que la potencia del ruido térmico es, efectivamente, proporcional al ancho de banda y la temperatura.
• • 1.5.2. Ruido correlacionado El ruido correlacionado no puede existir en un dispositivo o circuito a menos que haya una señal de entrada, al estar directamente relacionado con la presencia de esta. Se debe fundamentalmente a las no linealidades presentes en diversos circuitos electrónicos, especialmente en los am-
va 7' ·100 [%] V rms
donde THD es la distorsión armónica total, expresada en %, Vr:: ,s es la suma cuadrática de los voltajes rms (cuadráticos) de los armónicos superiores, es decir,
Vr::¡s = Vr~¡sl + VL2 + Vr~¡s3 y Vr;,¡S es el voltaje rms (cuadráti co) de la frecuencia fundamental.
l(&¡i4itrn mi,_ _ Distorsión armOlllca total Distorsion) .
THD (Total Harmonic
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Distorsión por intBrmo~ulación Otro fenómeno indeseable lo tenemos cuando dos o más señales se amplifican y el circuito presenta no linealidades. En este caso se producen frecuencias suma y resta no deseadas, que se conocen como frecuencias de productos cruzados. Estos productos cruzados tienen lugar tanto cuando las frecuencias fundamentales de las señales como los armónicos se mezclan (suman y restan).
municaciones radioeléctricas, donde resulta imprescindible desplazar el espectro de la señal que transporta la información a una banda del espacio radioeléctrico adecuada; lo cual es posible gracias a las distintas técnicas de modulación explicadas con anterioridad.
Sabías que ... Cuando empleamos el espacio radioeléctrico como medio de comunicación, la transmisión en banda base implicaría la utilización de antenas de un tamaño inviable, por lo que es preciso desplazarlas en frecuencia. El desplazamiento en frecuencia de las señales en banda base permite la multiplexación en frecuencia de las mismas, si empleamos distintas frecuencias para cada una de ellas, compartiendo el medio radioeléctrico sin interferirse.
Por ejemplo, las frecuencias de productos cruzados de dos señales podrían expresarse como a ' JI + b . J2' donde JI y J2 son las frecuencias fundamentales de la señal y «a» y «b» números naturales distintos de cero. Para que exista distorsión por intermodulación debe haber presente, por tanto, dos o más señales de entrada.
Recuerda que ... La distorsión de intermodulación se produce cuando se generan productos cruzados no deseados a consecuencia de una mezcla no lineal de dos o más señales.
11 1.B. Transmisores y receptores de radiofrecuencia Los sistemas de comunicaciones permiten la transmisión de información, como podría ser la procedente de un micrófono, por ejemplo, desde un emisor hasta un receptor en forma de señales limitadas en ancho de banda (bien por la naturaleza de la propia señal o por haberle aplicado un proceso de filtrado). Estas señales varían en el tiempo conforme a la información a transmitir y reciben el nombre de señales en banda base.
Dada la imposibilidad de transmitir señales en banda base en el espacio radioeléctrico, la señal que transporta la información es introducida en un emisor que la modifica adaptándola al canal de comunicación. En el extremo opuesto, el receptor la recibe y ofrecerá la posibilidad de volver a recuperar la señal origen, que «porta» la infonnación y, por tanto, la información en sí misma. Señal a en
4
Emisor
~C
Canal
)-----1
En función de la frecuencia empleada, las señales transmitidas tienen la denominación que se indica en la Tabla 1.3, tal y como hemos visto.
Tabla 1.3. Designación de bandas del espacio radioeléctric Abreviatura
Sin embargo, no siempre es posible enviar señales en banda base, bien porque estas no se propagan adecuadamente por el canal, porque se precisa compartir el canal con otras señales de información o por la presencia de ruido en banda base, entre otras razones. Tal es el caso de las co-
Frecuencias < 3 Hz
Recuerda que ...
Cuando la señal se envía directamente decimos que estamos frente a una transmisión en banda base; algunos ejemplos de este tipo de sistemas los encontramos en el bucle de abonado de la red telefónica conmutada o en redes de área local.
~da
Figura 1.45. Esquema del sistema de comunicaciones.
Nombre
Las señales en banda base se transmiten en su propia banda de frecuencias . Por ejemp lo, la señal que se envía desde nuestro teléfono fijo a la central te lefónica por el cab le que se conoce como bucle de abonado es en banda base.
Información
Receptor
Extra baja frecuencia
ELF
3-30 Hz
Súper baja frecuencia
SLF
30-300 Hz
Ultra baja frecuencia
ULF
300-3000 Hz
Muy baja frecuencia
VLF
3-30 Khz
Baja frecuencia
LF
30-300 Khz
Media frecuencia
MF
300-3000 Khz
Alta frecuencia
HF
3-30 Mhz
Muy alta frecuencia
VHF
30-300 Mhz
1:
Ultra alta frecuencia
UHF
300-3000 Mhz
"-
.... ......................
Súper alta frecuencia Extra alta frecuencia
SHF EHF
3-30 Ghz 30-300 z
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RICIDAD -ELECTRÓNICA Para que se produzca la transmisión radioeléctrica, la antena debe actuar como transductor transformando las señales eléctricas que proceden del emisor a señales electromagnéticas de radiofrecuencia (RF); para ello es preciso que la señal que llegue a la antena tenga una frecuencia adecuada. De esto se encarga el emisor, que frecuentemente proporciona a la antena una señal modulada.
Sabías que ... La radio AM emite en la banda de MF (Medium Frequency), entre los 545 Khz y los 1545 Khz, mientras que las emisiones FM tienen lugar en la banda VHF, entre los 88 Mhz y los 107 Mhz.
El objetivo final del sistema de radiocomunicaciones será, por tanto, ser capaz de reproducir en el receptor la señal enviada originalmente, con la mayor calidad y menor coste posibles. A su vez, al compartir el espacio radioeléctrico con otras señales (multiplexación en frecuencia), será preciso reducir el ancho de banda ocupado por cada señal transmitida al mismo tiempo que minimizar la probabilidad de interferencias entre las mismas. El diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones radioeléctrico será el que se muestra en la Figura 1.46.
L
1)) ---..s---.
Antena
Información rl-----,~recibida
Receptor
1)) ---..s---.
L
Información
r-I-R-e-ce-P-to-r-'~da
!
Antena
Figura 1.47. Señal modulada propagándose por el espacio radioeléctrico.
Tal y como hemos visto con anterioridad en esta unidad, el proceso de modulación permitirá desplazar el espectro de la señal que transporta la información a la frecuencia de la señal portadora (véase la Figura 1.48). El sistema de recepción deberá realizar el proceso inverso, como se muestra en la Figura 1.49.
Figura 1.46. Esquema de un sistema de comunicaciones radioeléctrico.
Amplitud
Señal emitida: Modulada AM
m ~ (I)-~[l ·l m- i(J:)]cOS(fii} )
Señal de información e/1 banda base en el dominio
Señal modulada en el dominio de la frecuencia
\ I . -_ _ _~
............ _-....,...
Frecuencia (hereios)
fp+fm"
/ fp
Frecuencia (hercios)
Frecuencia de la parladora
Figura 1.48. Efecto de la modulación en amp litud en el espectro de una señal.
Amplitud
Señal modulada en el dominio de la frecuencia
\
~
g
'¡¡
I Frecuencia (hercios)
............ --------~ Frecuencia de la porladora
'O w
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Señal de informaCión en banda base en el dominio de la frecuencia
Figura 1.49. Proceso de demodulación para la recuperación de la señal de información.
Frecuencia
L...-_+- (hercios) fmax
ELECTRICIDAD-ELECTRO ( Telefonía mÓVil)
Figura 1.50. Algunos dispositivos que emplean comunicaciones RF.
Sabías que ... Algunos de los sistemas de comunicaciones RF más importantes son las comunicaciones de telefonía móvil, los sistemas de localización GPS, la tecnología RFID, etcétera.
Los receptores RF deberán ser capaces de captar, ampli ficar y demodular la señal RF procedente del transmisor, evitando que tanto el ruido como otras señales procedentes de otras emisiones interfieran en la señal recibida y falseen la información. Es por ello que la bondad de un receptor se mide atendiendo a las siguientes características: • Sensibilidad. Es un parámetro muy importante, pues determina fundamentalmente el alcance del sistema. Podría definirse como el nivel mínimo de señal que es necesaria a la entrada para recibir la información correctamente.
Sabías que ... La frecuencia HF es la mejor en propagación de radio comunicaciones en la atmósfera. Conforme la frecuencia de las emisiones aumenta, la propagación de las mismas se hace más directiva (de forma similar a la luz), siendo necesario que las antenas «se vean »; no obstante, una ventaja fundamental radica en que a mayor frecuencia menor tamaño de las antenas . Las especificaciones y características que deben cumplir un transmisor y un receptor dependerán del tipo y condiciones del canal, la existencia de interferencias, la coexistencia de otras emisiones próximas a la banda del espacio radioeléctrico empleada, etcétera.
• Selectividad. Es la capacidad de rechazar aquellas señales muy próximas a la banda de frecuencias de la señal recibida (y que son no deseadas). • Fidelidad. Es la capacidad de reproducir la señal emitida sin distorsión. En términos generales, se pueden distinguir dos tipos de receptores (para cualquier tipo de modulación) atendiendo a la forma de amplificar la señal recibida y seleccionar la señal deseada:
• • 1.6.1. Receptores de radiofrecuencia
• Receptores homodinos o de amplificación directa.
Un esquema simplificado de un receptor RF es el que se muestra en la Figura 1.51.
• Receptores heterodinos que emplean una o más conversiones de frecuencia.
An tena
Amplificador RF
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Demodulador
Amplificador en 1'.... banda base V
Información recibida o
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Fuente de •• - • ali mentación
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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
1>
Figura 1.52. Esquema de un receptor homodino.
Demodulador
A mplificado r en banda base
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Filtro banda ~ base ...:X'
Información recibida
ELECTRICIDAD-ELECTRO Antena
l
AmpUfi"'''[> RF
Amplificador FI
I
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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) "
o
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oOscilador local ajustable
Q)
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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
.. ···· fF,.······ .... ~
~··········· fFI .... ·
Frecuencia
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Amplitud o
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~I§I~:~(·-..-..·-..-··-·f.-R-...•1tt~ +...~.~~~(-..-...-..-..._.f._F_I"_··_··_···~"ttt. ~ ~:______________________________________~~~Fr(kh~)cia 90
455 545
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Figura 1.56. Ejemplo de influencia de la «frecuencia imagen )) sobre la señal a frecuencia intermedia.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Antena
Información recibida
AmPlificador[> RF (LNA) ~--------~y~--------~
Tan to la frecuencia del {
justE!
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%.
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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
__ 1 Modulador
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.
Filtro paso ~
banda
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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
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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 • ... • '"' •• . .
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Objetivos
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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
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Punto de intercepción
Potencia de salida (dB)
de tercer orden
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Armónico
fundamental de salida
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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 ~ "
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" .,C1'~':B
... _....................... _.:"..
Comportamienfo real de la salida
10<...._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _- ' - _ - - - .
PCin 1dB
Potencia de entrada (dB)
Figura 2.2. Detalle del punto de compresión a 1 dB.
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En otras palabras, si la ganancia del elemento en la zona lineal (zona de pequeña señal) fuese de «x decibelios», la ganancia del dispositivo en el punto de compresión será de «x-l decibelios».
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • Rango dinámico libre de espurios (SFDR). Podemos definirlo como el máximo cociente entre la potencia de la señal fundamental y la potencia del espurio más alto que puede distinguirse del ruido. En el caso de que el espurio proceda de un producto de intennodulación de tercer orden, el máximo cociente es alcanzado cuando el producto de intermodulación iguala el ruido de fondo. Se convierte además en un sustituto del IP3, al mismo tiempo que una medida de la linealidad y rango dinámico del dispositivo; no obstante, en la práctica el parámetro empleado habitualmente es el IP3.
la fuente de alimentación se le conoce por el nombre de eficiencia del amplificador. La proporción de energía de la fuente no convertida en potencia útil se transforma en pérdidas, las cuales se manifiestan a menudo en forma de calor, haciendo necesario dotar a los circuitos de disipadores que eliminen dicho calor y no dañen la electrónica.
11 2.2. Amplificadores El amplificador es un dispositivo indispensable en los sistemas de comunicación RF, al igual que los osciladores, mezcladores, etcétera, estando presente tanto en los receptores como en los transmisores. En la Figura 2.3 se muestra un esquema de un sistema de radiocomunicación donde podemos encontrar varios amplificadores. La función fundamental del amplificador es aumentar el nivel de potencia, intensidad o tensión de una señal de entrada; así, por ejemplo, la señal de entrada al transmisor, de apenas unos pocos milivatios de potencia, debe amplificarse para suministrar a la antena del orden de los kilovatios. En el receptor, la señal que llega, que puede ser del orden de los picovatios en ocasiones 00- 12 W), debe amplificarse a niveles adecuados para llevarlos a la salida del mismo (por ejemplo, un altavoz de una radio). A la relación existente entre la potencia útil de la señal de salida del amp lificador y la potencia proporcionada por
Figura 2.4. Detalle de disipador empleado en circuitos de RF.
La linealidad es otra de las prestaciones exigidas normalmente a los amplificadores; si bien es cierto que generalmente se desea que su comportamiento sea lo más lineal posible, la realidad es que para su diseño se emplean componentes electrónicos no lineales (transistores BJT, FET, etcétera), lo cual implica serias limitaciones. La linealidad evita que se produzca distorsión en la señal; esto es exigible, al menos, en la banda de paso de la señal de RF que nos interesa. Antena
TRANSMISOR Señal de información r - - - - - - - , a transmitir __ 1 Modulador
Si ntetizador de
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RECEPTOR 1
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OSCilador como el filtro de RF son Sintonizados
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J.uste de r".}-_ _
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Osci lador local ajustable
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Filtro V<"' FI ~
Figura 2.3. Intervención de los amplificadores en los sistemas de radiocomunicacióno
intermedia (FI)'"
d I d ~Información amo u a or recib ida
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... Si bien es cierto que la linealidad es un parámetro fundamental en sistemas de RF analógicos, en el caso de transmisiones y recepciones digitales se dispone de mayor permisividad frente a no linealidades.
Sabías que ... Las no linealidades se hacen más manifiestas a mayor potencia de trabajo, siendo el fenómeno que más limita la potencia a la cual los circuitos de comunicación pueden funcionar. En los sistemas de RF es frecuente hacer una primera clasificación de los amplificadores en función del nivel de señal que manejan, distinguiéndose entre amplificadores de pequeña señal, que manejan unos niveles relativamente bajos, y amplificadores de potencia (o gran señal). En general se supone que los amplificadores de pequeña señal manejan niveles suficientemente bajos como para que el comportamiento de los componentes electrónicos (que son no lineales), sea lineal, es decir, se prima que la amplificación sea lo más lineal posible, por encima de la potencia que proporciona a su salida.
Sabías que ... Para que los amplificadores de pequeña señal trabajen de forma lineal hay que funcionar en la región conocida como punto de polarización. Su principal característica es la linealidad en la zona de trabajo. En los amplificadores de potencia se persigue como objetivo fundamental transferir la mayor potencia posible; esto no implica que no se cuide su comportamiento Ijneal, pero sí quiere decir que se permiten mayores tolerancias en relación a las no linealidades que se introducen, admitiendo una distorsión significativa en algunos casos. Algunos ejemplos de este tipo de dispositivos los encontramos en la amplificación de tonos puros o señales moduladas en frecuencia, donde se prioriza la potencia yel rendimiento frente a la linealidad.
Sabías que ... En los amplificadores de Clase A se exige linealidad, mientras que en los amplificadores de Clase C, lo que se prioriza es la potencia máxima y el rendimiento. Existen muchas aplicaciones donde se utilizan los amplificadores lineales de pequeña señal, especialmente en los receptores RF, donde solemos encontrar dos tipos:
• Amplificador de radiofrecuencia (ARF). Es un amplificador de banda estrecha y sintonía variable, por lo general, que trabaja con niveles de señal muy pequeños (gran linealidad) y que dispone de un factor de ruido muy bajo y amplia ganancia, consiguiendo que la contribución del ruido del resto de bloques del sistema sea despreciable (lo que se conoce como Fórmula de Friis, como veremos). • Amplificador de frecuencia intermedia (AFI). Se asocia a los circuitos de control automático de ganan cia (CAG) . Este tipo de amplificadores precisan de una elevada ganancia y linealidad para niveles altos de señal, no siendo preciso una baja figura de ruido, pero sí un buen control de la ganancia.
Recuerda que ... 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
_ SNR 1N SNR OUT
Ruido -
donde SNR IN es la relación señal a ruido a la entrada y SNR OUT' la relación señal a ruido a la salida. De forma general, las especificaciones más comunes de los amplificadores lineales que son tenidas en cuenta a la hora de realizar un diseño son: • Banda de funcionamiento. Margen de frecuencias donde el amplificador se comporta linealmente. • Ganancia. Relación entre los niveles de entrada y salida del amplificador. • Impedancia y reflexión. Es el valor óhmico que presenta al trabajar a una determinada frecuencia, estando normalizado para los diferentes sistemas, siendo valores comunes 50 o 75 ohmios, que encontramos en aplicaciones wifi y de televisión, por ejemplo. • Figura de ruido. Como ya hemos definido, es el nivel mínimo de señal que el receptor es capaz de detectar y va a depender del ruido introducido por cada una de las partes que forman parte del receptor (amplificadores, receptores, etcétera). o
• Estabilidad. Mide la tendencia que sufre el amplificador a oscilar debido principalmente a las realimentaciones. • Respuesta en fase. En algunas aplicaciones es importante tener en cuenta el comportamiento de la fase de la señal amplificada.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • Respuesta no lineal. Se traduce en la aparición de fenómenos como la distorsión a 1 dB, la aparición de armónicos, los productos de intermodulación, etcétera.
como en transmisores que precisan un filtrado en banda estrecha o media. Son amplificadores que disponen de bajo ruido, baja intennodulación y banda estrecha.
• Otros. Podemos encontrar una amplia variedad de parámetros en los dispositivos comerciales.
• Amplificadores de banda ancha y ultra banda. Se trata de amplificadores de propósito general, siendo construidos normalmente sobre circuitos integrados, permitiendo su fabricación en serie, lo que reduce el coste de los mismos. Son empleados en numerosas aplicaciones, intercalando atenuadores y filtros para el control de la banda de paso y la ganancia. Permiten obtener una ganancia constante en bandas muy grandes (desde una octava a varias décadas).
• • 2.2.1. Tipos de amplificadores Es posible clasificar los amplificadores atendiendo a varios criterios, como la banda de frecuencia en la que trabajan, el tipo y nivel de señales que manejan o el sistema para el que han sido diseñados, entre otros. A continuación presen tamos una primera clasificación atendiendo a la técnica de diseño empleada. • Amplificadores sintonizados. Son amplificadores muy selectivos en frecuencia y comportamiento «paso banda» para poder sintonizar un canal u otro. Se di señan a partir de varios amplificadores sintonizados a la frecuencia central de funcionamiento unidos entre sí a través de «redes de adaptación de impedancias» y que definen la banda final de paso de nuestra señal. Son amplificadores muy utilizados tanto en receptores
Década. Una frecuencia aumenta una década cuando su frecuencia se multiplica por diez. Cuando se divide por diez se puede afirmar que ha disminuido una década. Octava. Una frecuencia aumenta una octava cuando su frecuencia se duplica. Del mismo modo, disminuye una octava cuando es dividida por la mitad.
Vdc 1 - - - _ - - - - - ,
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Función de transferencia
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Figura 2.5. Ejemplo de un amplificador sintonizado y función de transferencia, R
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Figura 2.6. Detalle de amplificador RFde banda ancha en cascada en encapsulado integrado,
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ELECTRICIDAD-ELECTRO • Amplificadores de bajo ruido. Son amplificadores que persiguen tener una bajísima figura de ruido y se emplean especialmente como primera etapa de los receptores RF, para lo cual se emplean dispositivos de muy bajo ruido, sintonizados y polarizados para minimizar el ruido. • Amplificadores de potencia. Son amplificadores diseñados para optimizar la potencia que pueden proporcionar.
• • • Amplifica~orBs ~B ~ajo rui~o OlNA El LNA (del inglés, Low Noise Amplifier) es el primer elemento que nos encontramos en el diagrama de bloques de los receptores después de la antena de recepción, y es un amplificador de bajo ruido. Esto es sumamente importante porque, como establece la fórmula de Friis en teoría de señal, la figura de ruido de un sistema compuesto por varios bloques en cascada viene dada por la fórmula:
procurar que el LNA tenga un bajo factor de ruido y una alta ganancia. Al ser el primer elemento que se encuentra la señal proveniente de la antena de un receptor, sus propiedades en cuanto a ganancia y figura de ruido determinan, en gran medida, la calidad del mismo (fórmula de Friis), siéndole exigibles una elevada ganancia y una baja figura de ruido. También debe disponer un ancho de banda adecuado a la señal RF recibida y sus impedancias de entrada y salida deben estar adaptadas a la de la antena y siguiente etapa, respectivamente, con objeto de optimizar la máxima transferencia de potencia y minimizar posibles reflexiones de señal. Deben ser muy lineales, con un IP3 grande, lo que mejora el rango dinámico. Por último, en su diseño se procura que el consumo de potencia sea lo menor posible, ya que la mayoría de los equipos receptores de RF hoy día son portátiles (como nuestros smartphones, por ejemplo). Vcc
r-----------------------------, ANTENA
donde FII es la figura de ruido del n-ésimo bloque y Gil la ganancia. De la anterior fórmula se deduce que: F Rece pt or
=
F LNA
FResto -1 + G LNA
C2
Rs
T1
i i
R2
+
Vs
+
¡
¡ : •• n
donde F ReSl o es el factor de ruido de todos los elementos del receptor dispuestos después del LNA, lo que implica que para tener un buen comportamiento en el receptor debemos
•••• • •• •••••• u
•• •• u
•••••• :
Figura 2.8. Ejemplo de circuito amplificador LNA situado tras la antena del receptor.
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M4
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Figura 2.7. Ejemp lo de un amp lificador de bajo ruido (LNA).
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Sabías que ... Propiedades exigibles a los LNA son la baja distorsión, que la impedancia de entrada se encuentre adaptada, pennitiendo una transferencia de potencia máxima, consumo mínimo, etcétera; no obstante, no se puede conseguir minimizar todos estos parámetros al mismo tiempo, por lo que se llega a una relación de compromiso entre las prestaciones deseables.
Por ello es frecuente clasificar a los amplificadores de potencia en clases, atendiendo a su característica de transferencia que, como hemos visto, es una manera de relacionar su tensión, intensidad o potencia de entrada con la tensión, intensidad o potencia de salida, respectivamente.
Clase A
• • • Amplifica~oms ~e potencia Los amplificadores de potencia constituyen normalmente la última etapa de los emisores RF y son, por tanto, los responsables de amplificar la señal que se desea transmitir a la máxima potencia posible y enviarla a la antena con la máxima eficiencia para que sea radiada al espacio radioeléctrico.
Los amplificadores de clase A se caracterizan porque se «polarizan» de tal manera que la señal de entrada es amplificada en su totalidad, es decir, existe señal de salida para todo el rango o ciclo de señal de entrada, tal y como se muestra en la Figura 2.10.
Potencia de salida (dB)
Recuerda que ... Los amplificadores de potencia tienen en común con los de pequeña señal que ambos persiguen optimizar potencia y eficiencia; no obstante, en los amplificadores de potencia la linealidad o distorsión no son tan importantes.
Se implementan habitualmente utilizando componentes discretos como transistores BJT, FET, MOSFET e incluso válvulas de vacío. Todos estos dispositivos tienen un comportamiento similar, pudiendo amplificar dentro de un rango (conocido como región activa) y dejando de amplificar en las conocidas como regiones de corte o saturación. La característica de transferencia de un amptificador de potencia puede entonces representarse como se muestra en la Figura 2.9. Potencia de salida (d B)
función de dónde «polaricemos» el amplificador, variará la zona de trabajo y el tipo de amplificación que se logra de la señal de entrada, obteniendo un tipo de salida u otro.
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Comportamiento ideal de la salida ________ -"--
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Punto de p o/arizac'-ón
SeñaJde salida
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.._j_~~I:::~::::'Sl::~:V::~:~:::::~:: ! ! ¡ Señal de entroda
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~....;...___-,-!_:'--ll_________... Potencia de entrada (dB)
Figura 2.10. Curva de funcionamiento de un amplificador de clase A.
Otra forma de expresar que la señal de entrada es amplificada en su totalidad es afinnar que se amptifican los 360 grados eléctricos de la misma (todo el ciclo de la señal de entrada). Este tipo de amplificadores proporcionan la máxima ganancia y tinealidad al trabajar lejos de las zonas de corte y saturación, dentro de la región activa del amplificador. Se emplean principalmente en señales moduladas en AM de bajo nivel.
Sabías que ...
......e:::::::::::=""'"----------.....:--..... entrada Potencia de (dB) o
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Figura 2.9. Característica de transferencia de un amplificador de potencia.
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La zona de trabajo del amplificador vendrá dada por el punto de polarización, que es el valor de la curva alrededor del cual tiene lugar el proceso de amplificación. En
Si bien es cierto que los amplificadores de clase A son los más lineales, introduciendo baja distorsión en los sistemas donde son empleados, y tienen mayor ganancia . Presentan el inconveniente de que su rendimiento es bajo, pudiendo alcanzar valores que, en términos generales no llegan al 50 %. Como consecuencia, para alcanzar elevadas potencias de amplificación su tamaño se incrementa considerablemente, precisan mucha corriente y es preciso emplear mecanismos de enfriamiento como disipadores por las altas temperaturas que alcanzan.
ELECTRICIDAD-ELECTRO La principal ventaja de los amplificadores de clase AB es que son más eficientes, alcanzando valores del orden del 60 % .
Clase B El amplificador trabaja en la región activa exactamente la mitad del ciclo de la señal de entrada, es decir, amplifica 180 grados eléctricos de la señal de entrada (la mitad).
Potencia de salida (dB)
Figura 2.11 . Ejemplo de amplificador de clase A empleando un transistor BJT.
Clase AB En este caso el rango de amplificación está entre 180 y 360 grados eléctricos, es decir, se amplifica algo más de la mitad de la señal de entrada, pero no su totalidad, tal y como podemos ver en la Figura 2.12.
Punto de polarizaci6n
-.,.-=-_____....
~--"" _ _¡-....L.._",*,.....
Potencia de salida (dB)
Potencia de entrada (dB)
Proporción de 8sña{ da s~lida que S8 pf8rde (no se amplifica)
Figura 2.13. Curva de funcionamiento de un amp lificado r de clase B.
Punte dA polarlzBción
En este tipo de amp li ficadores se alcanza una eficiencia del orden del 65 %. ...,.--...::;,-"--+----!-------:?"'o\=='!-...".-- - - - .
l b
~ ,~"~,~~,~
Potencia de entrada (dB)
Proporción de se;:'é1! de
saHda que se pierde (no se ampliflca)
Figura 2.12. Curva de fu ncionamiento de un amplificador clase AB.
Esto es debido a que el amplificador se polariza de tal manera que la señal de entrada provoca que el amplificador entre en zona de «corte» y no amplifique en determinados instantes de tiempo (menos de la mitad).
Sabías que ... Pese a que el amplificador de clase AB distorsiona la señal de salida al amplificar únicamente parte del rango de la entrada, podemos conseguir la linealidad con una con figuración conocida como push.-pull o simétrica.
Si bien el amplificador únicamente conduce la mitad del periodo de la señal de entrada, es posible fi ltrar los armóni cos que se producen (si la banda no es muy grande, menos de un a octava) y quedarnos con la componente fundamen tal a la salida, que es proporcional a la señal de entrada, es decir, los amplificadores de clase B, al igual que los de ciase A, tienen un comportamiento lineal, respetando la forma de la amplitud de la señal de salida; por esta razón es muy utilizado en sistemas de modulación AM.
Clase C En este caso, la polarización del amplificador produce que la señal se amplifique menos de 180 grados eléctricos, es decir, se amplifica menos de la mitad del periodo de señal de entrada. Su rendimiento puede llegar al orden del 90 %, sin embargo su comportamiento es extremadamente no lineal, por lo que su utilización se limita a aplicaciones de modulación en frecuencia o fase, principalmente, o bien a su uso en
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RICIDAD-ELECTRÓNICA señales digitales donde el fenómeno de distorsión no lineal no afecte apenas sobre la distorsión de la señal modulada.
Así, por ejemplo, como hemos explicado con anterioridad, en un receptor superheterodino la señal RF se trasladaba a una frecuencia inferior predeterminada, que hemos denominado frecuencia intermedia (PI); esto se consigue mezclando la frecuencia de la señal RF con la frecuencia de un oscilador (con un mezclador), tal y como se muestra en la Figura 2.16.
Poten cia de sa lida (dB)
Punto de p olarización
\
A mplitud
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La señal en RF se desplaza a frecuencia intermedia (FI)
Potencia de entrada (dB)
:
i
:
sores) o para trasladar las señales en una banda de paso a banda base, mediante el proceso de conversión que se lleva a cabo en los receptores a la hora de demodular la señal procedente de la antena.
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Proporción de /" eñal dI:>
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s-c-... Frecuencia (Khz)
'-------f,"FJL--------~ " "RF------fo...
Sana! de enl,.da
Figura 2.16. Traslación de frecuencia en un receptor superheterodino. Figura 2.14. Curva de funcionamiento de un amplificador de clase C.
Recuerda que ... Sabías que ... Existen otras clases de amplificadores (de Da H), que son amplificadores que trabajan en conmutación y que persiguen una elevada eficiencia, 10 que permite minimizar las exigencias de las fuentes de alimentación y mejorar la di sipación de calor, entre otros factores. Su di seño es más complejo que otro tipo de amplificadores y es muy frecuente encontrarlos en aplicaciones de audio y RF.
11 2.3. Mezcladores El mezclador, al igual que los amplificadores y los osciladores, es un elemento primordial en los sistemas de comunicación, siendo empleado como conversor de frecuencias .
Los mezcladores son empleados para trasladar las componentes de frecuencia de una señal en el espectro, manteniendo su amplitud relativa. En los transmisores los mezcladores trasladan la señal a frecuencias mayores, con objeto de obtener una señal en la banda de emisión RF, y en los receptores se utilizan para demodular la señal recibida por la antena en RF y llevarla a frecuencia intermedia y banda base.
Para ello se utiliza, como veremos más adelante, la propiedad matemática de que el producto de dos tonos sinusoidales es igual a la suma de otros dos, uno de frecuencia suma y otro de frecuencia diferencia, tal y como se muestra en la siguiente fórmula:
Al
cos(úJ¡t)·
AA A2 cos(úJ2 t) = _ 1_2 (cos((úJl + úJ2 )t) + 2
+cos((úJl -úJ2 )t»)
• • 2.3.1. Mezclador ideal o 'E .1"
Figura 2.15. Símbolos del mezclador.
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Los mezcladores son utilizados tanto en los transmisores como en los receptores de radiofrecuencia con objeto de trasladar las señales en banda base a una banda de paso, mediante el proceso de modulación (caso de los transmi-
Un mezclador ideal es 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, tal y como se muestra en la Figura2 .17.
ELECTRICIDAD-ELECTRO y tras el filtro paso bajo se obtiene la señal de frecuencia intermedia:
K
Q9
Vdt)
donde w F es la frecuencia angular intermedia. Figura 2.17. Esquema del mezclador ideal.
La salida del mezclador, v0 111 (t), será proporcional al producto de las entradas:
Para conseguir implementar el multiplicador es preciso recurrir a elementos electrónicos no lineales, tales como diodos y transistores, que tienen una función característica de segundo orden, que produce términos cuadráticos a su salida, tal y como se muestra en la siguiente fórmula:
donde K es la constante de proporcionalidad. En el caso de disponer a la entrada del mismo de dos señales sinusoidales: VI (t) =
v2 (t)
V01/1 (t) =
.
Al cos(w¡t)
= ~
utilizándose el último término de la expresión matemática para obtener el multiplicador. Gráficamente queda como se muestra en la Figura 2.19. r- .. • .. ·_ ........... - _..... _.. - _. _.- _........... _.. _._ ............. _.. --_ .... _.... . _,
''
:
cos(w2 t)
:
VRF(t) -~-+I
K . VI (t) . V2 (t)
VF1(t)
,,, ____ .. ______ .. ______ .. ____ __ _____ .. ___________ .. __ 1
Resulta que la salida adquiere la siguiente expresión: Figura 2.19. Esquema del principio de funci onamiento real de un mezclador con elementos no lineales.
Sabías que ... En el caso de los dispositivos mezcladores empleados en los receptores de RF, estos se componen de un multiplicador y un filtro paso banda o paso bajo, tal y como se muestra en la Figura 2.18.
En los sistem as de comuni caciones RF una de las principales funciones de los mezcl adores es bajar la frecu encia de las señales RF que ll egan a los receptores superheterodinos a un a frecuencia intermedi a a partir de la mezcl a entre la señal RF qu e procede de la antena y la señal generada en el osc il ador local.
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I
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Mezclador
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Filtro ~
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___ __ ____ __ _ ____ __ _____ __ _____ _ __ __ _____ _JI
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Vosc(t)
• • 2.3.2. Características del mezclador Los mezcladores pueden caracterizarse atendiendo a una seri e de parámetros, como son:
Figura 2.18. Diagrama de bloques del mezclador empleado en receptores RF.
• Frecuencia de funcionamiento. Es el rango de frecuencia en el que puede trabajar el mezclador.
De tal forma que en una de las entradas se inyecta la señal RF, s(t)COS(WRFt), que llega por la antena, yen la otra la señal procedente del oscilador local, A asc cos(OJos c t), de manera que la señal tras el multiplicador queda como:
• Ganancia de conversión. Es la relación entre la potencia de la señal de salida de frecuencia intermedia y la potencia de entrada de la señal de RF, siendo expresada frecuentemente en decibelios.
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G CCflFersióll
=
1010g ( -Pn ) PRF
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • Aislamiento. Es un parámetro que detennina el grado de acoplamiento entre las puertos (entradas y salida) del mezclador. Podría ser definida como «las pérdidas producidas en una señal al ser medida en un puerto diferente sin conversión de frecuencia», medidas como cocientes de potencias, siendo común distinguir entre tres tipos de aislatnientos: aislatniento RF-FI ( PRF
),
mente tienen mayor margen dinámico y menos ruido que los mezcladores activos. Se suele emplear diodos tipo Schottky y diodos varactores, principalmente.
aislamiento
PPI
OSC-FI (
PPI ) Pose
Y aislamiento OSC-RF (
P RF ). Pose
• Productos de intermodulación o distorsión por intermodulación. Es un parámetro muy importante que nos proporciona información de la no linealidad del mezclador. Son los espurios de distintas frecuencias que aparecen en la salida, además de la señal mezcla deseada. Suelen expresarse como pérdidas de conversión de los diferentes productos de intermodulación, siendo especialmente relevantes los productos de tercer orden. • Factor de ruido o figura de ruido. Es una medida del grado de ruido que introduce el mezclador en nuestro sistema, siendo expresado como: FR
= mezc la dor
gl
1010 (SNR RF SNR PI
Figura 2.20. Varios modelos de diodos empleados en electrónica.
- Mezcladores activos. Este tipo de mezcladores están constituidos por elementos activos, tales como los transistores, siendo preciso polarizarlos para su correcto funcionamiento. Al emplear este tipo de componentes permite introducir ganancia a su salida.
\
)
• Margen dinámico. Es el rango de potencias pennitidas a la entrada del mezclador sin que se degrade su comportamiento. Está limitado inferiormente por el factor de ruido y superiormente por el punto de compresión de 1 decibelio.
L1
C3
• Punto de compresión de 1 dB. Tal y como ya hemos comentado, es el nivel de potencia de entrada (RF) que produce que la salida (FI) se reduzca 1 decibelio por debajo de su comportamiento lineal.
• • 2.3.3. Clasificación de los circuitos mezcladores Los mezcladores pueden clasificarse de distintas maneras como, por ejemplo, atendiendo a si los elementos que forman parte de los mismos son activos o pasivos o según la estructura que utilicen para realizar su función. A continuación se muestran las clasificaciones más utilizadas. • Atendiendo al tipo de elementos que forman parte de los mismos: - Mezcladores pasivos. Están formados por dispositivos pasivos no lineales tales como los diodos. En estos mezcladores la potencia de salida es inferior a la de entrada, es decir, no introduce ganancia, sino pérdidas. Como principal ventaja destaca que habitual-
Figura 2.21. Ejemplo de esquema mezclador activo basado en un transistor MOSFET.
• Atendiendo a la estructura de implementación utilizada: - Mezcladores simples. Emp lean un único componente no linea l para reaUzar la función de mezclador y una serie de filtros para seleccionar la señal deseada. Se emplean en aplicaciones donde se requiere reducir el coste o la complejidad, como es el caso de las aplicaciones a muy altas frecuencias. - Mezcladores equilibrados. Se utilizan dos o más mezcladores simples conectados por distintos circuitos híbridos con objeto de separar la señal procedente del oscilador local y de la entrada de radiofrecuencia y así reducir o eliminar los productos de intennodulación indeseados.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... !
LS
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Los VCXO son osciladores de cristal controlados por tensión.
! Filtro de FI
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de
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Figura 2.22. Ejemplo de esquema mezclador simple basado en diodos.
11 2.4. Osciladores. Clasificación Los osciladores son otra parte fundamental de los sistemas de radiocomunicación, estando presentes tanto en el transmisor, con objeto de generar 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. También los encontramos en los sistemas digitales, cuya principal función es la de generar la señal de reloj que precisan su electrónica. En los sistemas de comunicación encontraremos tanto osciladores de tipo armónico (habitualmente controlados por un cristal de cuarzo), empleados como osciladores de referencia, como osciladores de frecuencia variable, pudiendo controlar la frecuencia mecánicamente, mediante el empleo de condensadores o bobinas ajustables o bien mediante una tensión de control, recibiendo estos últimos el nombre de veo, osciladores controlados por tensión . En términos generales, podemos afirmar que un oscilador es un dispositivo capaz de generar una señal periódica a su saljda sin precisar para ello ninguna entrada (únicamente alimentar el circuito con una fuente de continua), pudiéndolos también clasificar en función del tipo de señal que generan, distinguiéndose entre los que producen señales sinusoidales a su salida, conocidos como osciladores armónicos, y los que producen una onda cuadrada, que reciben el nombre de osciladores de relajación.
Sabías que ... A los osciladores que generan una señal a su salida continua y periódica sin precisar de una señal externa para ello se les conoce como osciladores autosostenidos, osciladores autónomos u osciladores de funcionamiento libre. Los osciladores no autosostenidos son, por tanto, aquellos que sí precisan de dicha señal externa, y también se les llama osciladores con disparo de inicio o monoestables.
• • 2.4.1. rrincipio de oscilación de osciladores retroalimentados Para entender cómo funciona un oscilador autosostenido podemos asemejar el oscilador a un circuito con retroalimentación positiva. Habitualmente el oscilador retroalimentado está compuesto por un amplificador con un lazo de retroalimentación, tal y como se muestra en la Figura 2.23, donde Vi es la señal de entrada, Vo la salida, y V r y Ve las señales de realimentación y error, respectivamente. A es la ganancia del amplificador en lazo cerrado, (3 el factor de realimentación y A{3 la ganancia del lazo, como veremos más adelante.
V¡(t)
fJOw) Figura 2.23. Diagrama de bloques de un circuito con retroalimentación positiva.
La ganancia del circuito de la Figura 2.23 sería: Va =
V
A(júJ)
1 + A(júJ)j3(júJ)
donde debemos destacar que tanto la ganancia como el factor de realimentación son números complejos y, por tanto, dependen de la frecuencia (úJ). El lazo de retroaljmentación permitirá que, una vez alj mentado el oscilador, se genere una señal a su salida de corriente alterna, regresando una pequeña parte a la entrada nuevamente, amplificándose. La señal amplificada a la salida vuelve a aparecer a la entrada y el proceso se repetirá sucesivamente. Esto produce un fenómeno «regenerativo» en el cual la salida depende de la entrada y viceversa. Si el circuito tiene una ganancia de lazo (A{3) mayor que 1, es posible prescindir de la señal de entrada al circuito, debido a que el propio ruido presente en el mismo (por ejemplo, el ruido térmico, que tiene componentes de frecuencia en todo el espectro) actúa como «entrada» .
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Sabías que ... Un oscilador retro alimentado precisa que se cumplan cuatro condiciones: • Amplificación.
• Cristales de cuarzo (piezoeléctricos, resonante serie, resonante paralelo, etcétera). • Circuitos integrados. En función del tipo de oscilación que se precise (los parámetros requeridos), se optará por una configuración u otra.
• Retroalimentación positiva. • Determinación de la frecuencia de trabajo. • Fuente de alimentación.
La frecuencia a la cual se cumpla la condición Af3 > 1 (denominada condición de arranque) propiciará que la componente de ruido a esa frecuencia se amplifique indefinidamente hasta que el amplificador entre en saturación, o bien hasta que un circuito auxiliar consiga que, para esa frecuencia, se cumpla que Af3 =1, momento en el cual la amplitud de la oscilación se mantiene constante (condición conocida como condición de mantenimiento) .
Sabías que ... A las condiciones que deben darse para que un detenninado circuito oscile se les conoce como Criterio de Barkhausen, que afirma que para que un circuito retroalimentado pueda sostener la oscilación es preciso que la ganancia neta de la señal generada en el lazo de realimentación debe ser mayor o igual a la unidad y con un desplazamiento neto de fase que sea múltiplo entero de 360 grados.
El circuito auxiliar responsable de que se cumpla la condición de mantenimiento medirá la amplitud de la oscilación de forma continua y variará la ganancia del amp]jficador de tal manera que la amplitud de salida se mantenga constante.
Sabías que ... Es mejor emplear un circuito auxili ar para estabilizar la amplitud de salida de un oscilador, ya que se generará un tono con menos espurios que en el caso de dej ar que el amplificador sature para limitar la amplitud de salida.
Si bien es cierto que existen infinidad de posibilidades de implementación de osciladores, las estructuras más comunes son las basadas en: • Redes RC de desplazamiento de fase (por ejemplo, el oscilador puente de Wien). • Circuitos resonantes LC (también conocidos como circuitos tanque LC), entre los que destacan el oscilador Colpitts y el oscilador Hartley.
• • 2.4.2. rarámetros de los osciladores Otro aspecto fundamental en los osciladores es su caracterización. Para ello se emplean un conjunto de parámetros que reúnen las principales características de los mismos. Algunos de estos parámetros son enumerados y descritos a continuación: • Frecuencia de operación. Es la frecuencia del armónico principal. Dicha frecuencia puede ser fija (los osciladores con frecuencia fija reciben el nombre de osciladores patrón) o variable, pudiendo variar la frecuencia mecánicamente o por tensión (VCO) . • Margen de sintonía. En osciladores donde podemos variar la frecuencia fundamental, es el rango de variación posible. • Potencia de salida y rendimiento. El rendimiento se mide como el cociente entre la potencia de RF que el oscilador entrega a la carga a la salida y la potencia que se consume de la fuente de alimentación. • Deriva con la temperatura. La deriva térmica es la variación que sufre la frecuencia fundamental del oscilador con los cambios de temperatura; se debe fundamentalmente al cambio de las propiedades de los componentes que forman nuestro circuito, que son sensibles a los cambios de temperatura. • PuLling. El pulling de un oscilador es la «estabilidad
de carga», es decir, la variación que la frecuencia de este sufre al modificar la carga conectada al mismo. • Pushing. El pushing es la estabilidad de alimentación;
entendida como la variación que sufre la frecuencia del oscilador con las fluctuaciones de la tensión de alimentación.
Sabías que ... La estabilidad de la frecuencia suele expresarse en «parte por millón» (ppm), que equivale a expresar la variación de la frecuencia en hercios divididos por megahercios (Hz/ Mhz) . Si decimos que un oscilador tiene una estabilidad de 0,1 ppm y trabaja a una frecuencia de 1000 Mhz, esto implica que su frecuencia fundamental puede fluctuar ±100 hercios. • Ruido de fase. Es el espectro de ruido que se produce en un oscilador entorno a la frecuencia fundamental.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • Otros. Existen otros tantos parámetros importantes como el nivel de annónicos, la estabilidad de la frecuencia, el tamaño, el coste, etcétera.
• • 2.4.3. Tipos de osciladores Tal y como hemos comentado anteriormente, existen distintas formas de implementar un oscilador, en función de la aplicación y, por tanto, de las prestaciones exigibles al mismo. Entre los distintos tipos destacan:
Los osciladores puente de Wien son relativamente estables, fácilmente sintonizables y trabajan en un rango de frecuencias que puede llegar al orden del megahercio (1 Mhz). En la Figura 2.24 se muestra un posible esquema de un oscilador puente de Wien . Un análisis matemático del anterior circuito nos permitiría deducir que, para que se dé la condición de Barkhausen, necesaria para el correcto funcionamiento de los osciladores autosostenidos, se debe cumplir en el circuito anterior que:
• Osciladores no sintonizados o por desplazamiento de fase. Se basan en redes RC por desplazamiento de fase. El oscilador puente de Wien es un ejemplo de estos. • Osciladores sintonizados. Se fabrican empleando estructuras tanque LC, como son los osciladores Hartley y Colpiits. • Osciladores de cristal. Cuyo principio de funcionamiento se basa en la utilización de cristales de cuarzo. • Osciladores integrados. Vienen encapsulados en el interior de un circuito integrado.
Nota Con objeto de garantizar un correcto arranque del oscilador, suele tomarse un valor de las resistencias Rp y RA del doble del valor calculado.
y la frecuencia de oscilación viene dada por la expresión:
• • 2.4.4. Oscilador no sintonizado puente de Wien Se trata de un osci lador basado en una estructura RC no sintonizada de desplazamiento de fase que emplea tanto retroalimentación positiva como negativa.
Sabías que ... El oscilador puente de Wien fue el que empleó la compañía Hewlett Packard en su primer di seño de generador de señales.
Con objeto de compensar las posibles variaciones de los componentes del circuito por la temperatura y los desequilibrios, es frecuente añadir al circuito una red de control automática de ganancia (CAG) . Una forma muy senci lla de implementarlo es utilizar un dispositivo con resistencia variable, como un transistor FET, que sustituiría a la resistencia R del anterior esq uema.
• • 2.4.5. Osciladores sintonizados Hartley yColpitts Los osciladores sintonizados se implementan empleando circuitos tanques LC para determinar la frecuencia de funcionamiento. En el caso del oscilador Hartley se emp lea una configuración como la que se muestra en la Figura 2.25.
R
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R
1 Figura 2.24. Esquema de un oscilador puente de Wien.
En este tipo de osciladores, el transistor es polarizado de tal manera que actúa como circuito amplificador, proporcionando una ganancia unidad en el lazo de realimentación a la frecuencia de resonancia, que será la frecuencia fundamental de funcionamiento.
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En el anterior circuito, el camino de retroalimentación regenerativa viene dado por el condensador de acoplamiento CR y la frecuencia de funcionamiento viene dada por los
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA componentes L", L/ 2 Y e/, correspondiendo a la siguiente expresión, aproximadamente:
Tanto el oscilador Hartley como el oscilador Colpitts emplean un transistor como circuito de amplificación. El oscilador Hartley utiliza dos bobinas y un condensador, mientras que el oscilador Colpitts emplea dos condensadores y una bobina en la red de realimentación.
1
IHarl'ey =
Recuerda que ...
2Jí~(L¡¡ +L¡ 2)e¡
Vcc
• • 2.4.6. Osciladores de cristal
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VOUI(t l
C1
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1 Figura 2.25. Esquema del oscilador Hartley.
Por otra parte, el oscilador Colpitts tiene un esquema y un funcionamiento muy parecidos a los del Hartley, con la excepción de que emplea dos condensadores y una bobina en el lazo de realimentación en lugar de dos bobinas y un condensador. Vcc
e2
R2
La estabilidad de los osciladores puede medirse tanto a corto plazo como a largo plazo. Las fluctuaciones en la red de alimentación, por ejemplo, afectan a la estabilidad a corto plazo de los mismos, mientras que las variaciones de temperatura, humedad, etcétera, así como el envejecimiento de los elementos que forman parte de los osciladores, afectan a su estabilidad a largo plazo. La estabilidad de los osciladores anterionnente mencionados a menudo resulta inadecuada para su uso en muchos sistemas de radiocomunicación, dada la pobre estabilidad de frecuencia tanto a largo como a corto plazo que presentan, así como el amplio rango de frecuencias que generan, siendo poco selectivos. Esta escasa estabilidad se debe especialmente a los cambios que presentan los componentes que los constituyen: bobinas, condensadores, resistencias, transistores, etcétera, frente a los cambios ambientales de temperatura u otros factores.
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c.
En los sistemas de comunicaciones resulta primordial que los osciladores tengan una frecuencia de funcionamiento muy estable; esto es especialmente crítico en sistemas como los empleados en radiocomunicación.
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L1
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Con objeto de aumentar la estabilidad de los circuitos osciladores, por una parte se puede mejorar la estabilidad de las fuentes de alimentación, y por otra se podrían utilizar componentes especiales que sean menos sensibles frente a los cambios ambientales, tal es el caso del cristal de cuarzo.
Figura 2.26. Esquema del oscilador Colpitts.
Sabías que ...
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Existen otras configuraciones de osciladores sintonizados, tales como el oscilador Clapp, que tiene el mismo esquema que el oscilador Colpitts, con la salvedad de que se añade un condensador en serie con la bobina LI del esquema Colpitts. Con ello se consigue que los condensadores ell y e/ 2 se dediquen para optimizar la relación de retroalimentación del oscilador, mientras que el condensador en serie con la bobina puede ser variable y emplearse para determinar la frecuencia de funcionamiento del oscilador.
Figura 2.27. Fotografía de varios cristales de cuarzo comerciales.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Recuerda que ... Los osciladores tanque LC son osciladores con un esquema muy sencillo que permiten un elevado rango de sinto nía; sin embargo, son poco estables y sensibles al ruido, por lo que no son útiles en determinadas aplicaciones de radiocomunicación donde se requiere una elevada estabilidad de frecuencia.
Para conseguir osciladores más estables se pueden utilizar circuitos resonadores de cristal de cuarzo o filtros de onda superficial (SAW). La utilización de los osciladores basados en cristales de cuarzo está mucho más extendida debido a su reducido coste y estabilidad a frecuencias del orden de los megahercios (1 -300 Mhz). Sin embargo, por encima de estas frecuencias se emplean cavidades resonantes o líneas de transmisión resonantes junto con sintetizadores de frecuencia.
Nota Un SAW, o filtro de onda acústica superficial, es un dispositivo formado por dos estructuras de cristal de cuarzo, uno a la entrada y otro a la salida. Cuando aplicamos a la entrada una señal eléctrica oscilatoria, se produce una vibración mecánica en el primer cristal de cuarzo que se propaga por la estructura del dispositivo y hace vibrar el segundo cristal de cuarzo, generando una nueva señal eléctrica oscilante .
Podríamos afirmar que un cristal de cuarzo es un elemento electromecánico con un comportamiento selectivo en frecuencia, es decir, con un factor de calidad (Q) elevado, pudiéndose comportar como un circuito resonante de alta estabilidad.
Nota El factor de calidad es un parámetro que sirve para mediar la relación existente entre la energía reactiva que se almacena y la energía que es disipada durante un ciclo completo de señal. Un factor de calidad alto implica que la tasa de energía perdida en relación con la energía almacenada en el resonador es baja. Es un parámetro muy importante en circuitos osciladores, filtros y circuitos sintonizados, ya que nos informa de lo «aguda» (precisa) que es su resonancia. También se le conoce como factor Q o factor de selectividad.
Sabías que ... Los cristales empleados en osciladores pueden estar hechos de cuarzo u otros materiales como cerámicas sintéticas con propiedades piezoeléctricas. Existen diferentes sustancias cristalinas naturales con propiedades piezoeléctricas, tales como el cuarzo o la sal de Rochela, entre otros, y artificiales, como ADP, DKT Y EDT. Los micrófonos de cristal, por ejemplo, frecuentemente emplean sal de Rochel a.
Los cristales de cuarzo se comportan de forma similar a los tanques LC , por lo que tambi én se les conoce como resonadores de cristal, con la ve ntaja de poder generar frecuencias de oscilación muy estables e insensibles a cambios de humedad o temperatura, haci éndolos ideales para aplicaciones que requieren una e levada precisión de frecuencia, tales como sistemas de navegación electrónica, radiocomunicación, televisión, relojes en sistemas de computación, etcétera. Figura 2.28. Detalle de un filtro de onda acústica sup erficial (SAW).
Sabías que ... La disciplina dedicada al estudio de la forma, estructura y propiedades de los cristales se denomina cristalografía y ha demostrado cómo los cristales, previamente cortados y pulidos en diversos ángulos y formas , presentan un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico, que implica que estos vibran cuando se les aplica tensión alterna entre sus caras, propiedad utilizada para su utilización como osciladores.
Figura 2.29. Símbolo del cristal de cuarzo.
Los osciladores de cristal sustituyen el tanque Le de la red de retroalimentación por un cristal de cuarzo, siendo este último el que detenninará la frecuencia de funcionamiento .
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"'e Q)
o
A nivel eléctrico, un cristal de cuarzo puede ser modelado a frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia
'ü
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RICIDAD-ELECTRÓNICA como se muestra en la Figura 2.30, donde C p modela la capacitancia real formada entre los electrodos del cristal y los componentes en serie modelan el cristal propiamente (R s es la pérdida por fricción mecánica, por ejemplo).
El cristal se comporta capacitivamente a bajas frecuencias. Esto sucede hasta la frecuencia w s' momento en el cual la impedancia del cristal se hace totalmente resistiva. A esta frecuencia de funcionamiento se le conoce como frecuencia de resonancia serie, determinada por los parámetros del cristal y que responde a la siguiente expresión matemática:
f -
1
s - 2JíJLe s
Figura 2.30. Circuito equivalente del cristal de cuarzo.
Considerando despreciable la resistencia (Rs=O), podemos observar que el cristal dispone de un circuito equivalente serie y otro paralelo. En otras palabras, dispone de una impedancia serie, formada por R, L Y C s' y otra paralelo, que es aproximadamente igual a la impedancia de L y C ro
Figura 2.31. Circuito equivalente del cristal de cuarzo en las proximidades de su frecuencia fundamental.
Su reactancia se comportaría como se muestra en la Figura 2.32.
Por otra parte, a partir de W s el cristal tiene un comportamiento inductivo. Esto es así porque la combinación de L y ep produce que el cristal se comporte como un circuito tanque en paralelo, con impedancia máxima, a la frecuencia de resonancia (Z=oo), con una frecuencia de resonancia paralela que viene dada por la expresión:
En caso de que e p sea muy superior a cumple que f s"'fp"
es(e
Reactancia
Frecuencia
o
'E '1" ro
ro
"-
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Figura 2.32. Curva de reactancia equivalente del cristal.
Frecuencia
» e s)' se
Para construir un oscilador empleando un cristal de cuarzo existen, por tanto, dos posibilidades, utilizarlo en serie y en paralelo.
Impedancia
Wp
p
ELECTRICIDAD-ELECTRO El oscilador de cristal resonante serie necesita que el cristal esté conectado en el lazo de retroalimentación del circuito en configuración serie. Cuando el cristal de cuarzo se coloca en serie, el circuito oscilará a la frecuencia de resonancia serie,fs' Dado que Rs"'O, se puede decir que el cristal se comportará como un cortocircuito, siendo necesario un circuito LC para determinar la frecuencia de oscilación. R1
R3
R2
C1
>+------IDH t--.......,
Figura 2.33. Esquema de un posible oscilador de cristal resonante serie.
Donde puede demostrarse que la frecuencia de oscilación del circuito viene dada por la expresión:
Los circuitos resonadores serie se emplean dado la baja cantidad de componentes que emplean, pero pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación.
Considerando que la capacidad e l 2 queda en paralelo con la capacidad ep del cristal, podemos demostrar que la frecuencia de oscilación del circuito viene dada, en este caso, por la expresión :
Además, en este esquema es posible variar la frecuencia de oscilación a partir de la capacidad en paralelo, en' Si bien es cierto que existen muchas configuraciones de osciladores basados en cristal de cuarzo, las más comunes son las conocidas como configuraciones de Pierce, pudiendo distinguirse tres a su vez: • Configuración de Pierce discreta. Presenta una muy buena estabilidad de frecuencia, especialmente a corto plazo, y el circuito es relativamente sencillo de implementar, precisando muy pocos componentes. Ofrece un amplio rango de frecuencias de funcionamiento, desde los kilohercios hasta las decenas de megahercios, desarrollando una gran potencia de salida. El mayor inconveniente de este tipo de configuraciones es que se requiere un amplificador de elevada potencia (del orden de 60-70), debiendo utilizar un transistor de alta ganancia o uno con varias etapas. En la Figura 2.35 se muestra un esquema de dicho oscilador.
Por otra parte, los osciladores de cristal resonantes en paralelo se basan en que en el rango de frecuencias comprendido entrefs y fp, la impedancia del cristal tiene un comportamiento inductivo, como hemos visto, con impedancia máxima afp, por lo que puede modelarse como una bobina. En la Figura 2.34 se muestra una configuración típica.
VCC
1 R1
R2
XTAL1
O R5
-- C2
' " Q1
-- C1
R3 R4
R1
D1U
r
1----101----1
1"'
Figura 2.34. Esquema típico de un oscilador de cristal resonante paralelo.
El cristal constituye la red de retroalimentación junto con dos condensadores que tienen una capacidad equivalente paralelo igual a:
r } C3
-
Figura 2.35. Esquema del oscilador discreto de cristal de Pierce.
Configuración de Pierce de circuito integrado. Destaca por ser la mejor opción a la hora de implementar soluciones de bajo coste con posibilidades de interconexión digital de forma simple. Puede ser implementado sobre un circuito integrado digital, lo cual reduce el coste significativamente respecto a las soluciones que emplean componentes discretos; sin embargo, proporciona menor estabilidad en frecuencia que otras configuraciones. Pueden llegar a trabajar hasta el orden de los 20 Mhz.
o
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o..
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA
Vout(t)
Rf
XTAL1
o
f'
r
1
frecuencia de oscilación libre (J,) o frecuencia de libre oscilación, que suele ser fijada empleando un circuito RC o un tanque Le. Cuando aplicamos una tensión de control, la frecuencia de la salida varía alrededor de la frecuencia de oscilación libre proporcionalmente a la señal aplicada, conforme a una constante de proporcionalidad (ganancia de conversión), tal y como puede observarse en la Figura 2.38. Frecuencia de salida del veo
Frecuencia central del veo (ausencia de tensión de control)
--------~-----
Figura 2.36. Esquema de un oscilador de Pierce en circuito integrado.
• Configuración de Pierce de semipuente RLC. Es la que presenta la mejor estabilidad de frecuencia de las tres configuraciones. El cristal funciona como resonador serie, con una impedancia resistiva muy pequeña (próxima al cortocircuito). Emplea una resistencia variable con la temperatura (un termistor) de coeficiente negativo que es empleada para estabilizar la amplitud de las oscilaciones que se producen a la frecuencia de resonancia serie del cristal. Vcc
Frecuencia central (fe)
--------------para una tensión de control de 2 voltios
-3 -2 - 1
3
Tensión de control de entrada
Figura 2.38. Representación de la frecuencia de salida de un veo en función de la tensión de control.
Vcc
Oscilador controlador por tensión = VCO (Voltag e-Controlled Oscillator) .
Figura 2.37. Esquema del oscilador de Pierce en semipuente RLe (versión Meacham) .
La manera más común de implementar un VCO es reemplazar algunos de los elementos reactivos que determinan la frecuencia de funcionanúento de un oscilador, sustituyéndolos por ejemplos variables. Por ejemplo, pueden emplearse diodos varicap, que son diodos que es emplean específicamente como condensadores de valor variable, o capacidades MaS para reemplazar los condensadores del circuito.
• • 2.4.7. Osciladores controlados por tensión Un VCO es 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. o
'E '1" ro
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La salida del VCO es, por tanto, una señal (sinusoidal o cuadrada) de frecuencia estable que es gobernada por un voltaje de polarización (que puede ser de alterna o continua, a su vez) . Cuando no se aplica ningún voltaje en la entrada de control del VCO genera una frecuencia que se denomina
Figura 2.39. Fotografía de varios diodos de diversos tipos.
ELECTRICIDAD-ELECTRO r------.---o Vcc L2
R2 L1
A D1 1::---0 Vcontrol
e2
D2
t - - - - - . o Vout tensión de polarización R1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _...L._ _ _ _ _. . . .
~
V d iodo
Figura 2.40. Símbolo del diodo varicap y curva característica.
Sabías que ... Los diodos semiconductores tienen asociada una capacidad en paralelo cuyo valor depende de su tensión de polarización, la cual es útil únicamente cuando estos están polarizados inversamente, pues en caso contrario, al comportarse como cortocircuitos en polarización directa, el condensador en paralelo se encontraría cortocircuitado. En el siguiente enlace pueden consultarse varios modelos de diodos varicap: http://www.nxp.com/products/diodes/ varicap_diodes/
La utilización de capacidades MOS, por otra parte, al ser la dependencia de la capacidad con la tensión mayor, implica que es posible modificar un mayor rango del condensador, permitiendo un mayor margen de sintonía de la frecuencia de funcionamiento; sin embargo, resulta difícil controlar el valor inicial del condensador implementado con tecnología MOS, por lo que es una opción muy poco utilizada.
Curva de la capacidad del condensador MOS en función de la tensión de polarización
Figura 2.42. Ejemplo de circuito veo.
También es posible encontrar dispositivos vexo, que son osciladores a cristal controlados por tensión. En el ejemplo de circuito vxeo de la Figura 2.43, el diodo varicap, al trabajar el cristal en la configuración en serie, se ha colocado en serie con el mismo. Vcontrol
~L~1~_~D~'~O~L1 ~ ____
R1
L2
C1
Figura 2.43. Ejemplo de circuito vxeo.
Un aspecto importante a tener en cuenta es que la frecuencia de salida del dispositivo veo se comporta de manera no lineal respecto a la tensión de control, pudiéndose aproximar dicho comportamiento lineal únicamente en un angosto margen alrededor de la frecuencia de libre oscilación, tal y como describe la siguiente ecuación:
donde Kc es constante.
----------L-----------------------------~VG Figura 2.41. eurva de variación del valor capacitivo del condensador MOS con la tensión.
En el caso de que se cumpla la condición anterior, puede entonces afirmarse que la salida (en el caso sinusoidal) de un veo puede considerarse una señal sinusoidal modulada en frecuencia por la señal de control, tal y como queda expresada en la siguiente expresión:
o
'E
'cro
ro
"-
"'e Q)
En la Figura 2.42 se muestra un ejemplo de circuito veo utilizado habitualmente.
Vvco (t)
=
p coll rd(t)dt)
Ao cos(WJ + 2llkc
O
o
'ü
'C w
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA donde we es la frecuencia de libre oscilación. Si recordamos la expresión de las señales moduladas en FM podemos ver bastantes analogías: Comparador de tan
rn FM (t) =
Av cos(wJ + (¡J(t)) = Av cos(wJ + mji(t)dt) o
11 2.5. lazo de fase cerrada Los PLL (acrónimo de lazo de seguimiento de fase o lazo de fase cerrada) son dispositivos retroalimentados cuya principal función es la de generar una señal de salida de amplitud constante y frecuencia igual a la de la señal de entrada al mismo, dentro de un cierto margen. De forma simplificada podríamos afirmar que el PLL genera una frecuencia de oscilación a su salida que «sigue» la frecuencia de la señal de entrada.
~i¡'i!ilt!l!Iii' _ _ Lazo de fase cerrada = PLL (Phase -Locked Loop).
Se trata de un elemento muy utilizado en sistemas de comunicaciones, tanto en transmisores como receptores, analógicos o digitales, incluso en la transmisión de pulsos digitales, para generación de frecuencia, síntesis de frecuencia, procesos de modulación, demodulación, etcétera. Los podemos encontrar tanto en circuitos de propósito general como para aplicaciones específicas (detección de tono, síntesis de frec uencia, decodificación estereofónica, etcétera).
Sabías que ... Los PLL fueron empleados por primera vez en el año 1932 para la detección síncrona de señales de radio , sistemas de telemetría espacial y circuitos de instrumentación, principalmente. Si bien en sus inicios su utilización se vio muy limitada por su gran tamaño y complejidad de diseño; la incorporación de las tecnologías de integración en gran escala permitió que estos redujeran significativamente su tamaño y coste, convirtiéndose actualmente en un dispositivo muy utilizado en numerosas aplicaciones . El funcionamiento de un PLL se basa en la comparación de la diferencia de fase existente entre la señal de entrada y la salida, con el objetivo de generar una salida cuya frecuencia «siga» a la frecuencia de entrada. El esquema de un posible circuito PLL es el que se muestra en la Figura 2.44, que dispone de cuatro bloques claramente diferenciados: un detector-comparador de fase, un filtro paso bajo, un amplificador de baja ganancia y un oscilador controlado por tensión (VeO).
'--t-------t
Oscilador controlado por tensIón
Condensador de sincronización
14-------'
Resistencia de si ncronización
Figura 2.44. Esquema de los bloques constitutivos de un PLL.
En el circuito PLL, la tensión de salida es nula en ausencia de señal de entrada. El veo dispone de una frecuencia de libre oscilación que puede ser sintonizada a través de la resistencia y el condensador de sintonización que se representan en la Figura 2.44, tal y como hemos visto en un apartado anterior. Al aplicar una señal de entrada, el detector de fase compara la fase y frecuencia de la señal de entrada con la frecuencia de libre oscilación producida por el veo, generando una tensión de error proporcional al desfase y frecuencia entre ambas señales. La tensión de error será proporcional a la diferencia de fases entre la señal de entrada y la del veo; en el caso de que la frecuencia de la señal de entrada y la del veo sean distintas, la diferencia de fase crecerá y, por tanto, también lo hará proporcionalmente la señal de error a la salida. Este voltaje de error es filtrado y amplificado, eliminando las componentes de alta frecuencia. La señal de salida de este segundo bloque (que sirve como señal de error) es empleada como señal de control del veo, siendo apJjcada a la entrada del veo que, en función de dicha tensión, modificará su frec uencia de funcionamiento y esta será reaJjmentada nuevamente al detector de fase. Si la frecuencia de la seña l de entrada es lo suficientemente cercana a la frecuencia de libre oscilación (frecuencia natural) del veo, la propia naturaleza del lazo de retroalimentación producirá que el PLL se «enganche » o sincronice con la de la entrada, de tal manera que, una vez «enganchado» el PLL su frecuencia será idéntica a la de la señal de entrada, salvo una pequeña diferencia de fase igual a la diferencia entre la fase de entrada y la de salida.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Recuerda que ••• Cuando el PLL no se encuentra sintonizado significa que la frecuencia de la señal de entrada y de la salida del VCO no coinciden. Cuando el PLL se «engancha», estaría en sintonía con la entrada, es decir, la frecuencia de salida del VCO y la entrada coinciden y el error de fase permite que las frecuencias se mantengan igualadas a lo largo del tiempo.
nado con las características del filtro paso bajo del PLL, disminuyendo proporcionalmente a su ancho de banda. También se definen dos límites, uno inferior y otro máximo de captura, como en el caso del intervalo de enganche, tal y como puede observarse en la Figura 2.46.
¡-
: Semi-Intervalo ¡ ...- de captura (f~p) - -: -
• • 2.5.1. Intervalos de enganche y captura
.
-l Seml-lntelValo ¡
Intervalo de captura (2fcap )
Umite in erior de captu ra (f,C<\p)
de captura (f",,) -..
Frecuencia de libre osci lación (fo,c)
..
Límite uperior de captura (f=p)
El rango de frecuencia útil en el que puede trabajar un PLL viene determinado por el intervalo de enganche y el intervalo de captura.
Figura 2.46. Intervalo de captura de un elemento PLL.
• • • Intervalo ~e enganche
Cabe destacar que el intervalo de captura es siempre menor o igual (normalmente menor) al intervalo de enganche.
Es el intervalo de frecuencias alrededor de la frecuencia de libre oscilación del VCO en el cual el PLL puede mantener la sincronización con la señal de entrada (puede «seguir» a la frecuencia de la señal de entrada). También se define el intervalo de retención, que es la mitad del intervalo de enganche. A la mínima frecuencia que es capaz de engancharse se le denomina límite inferior de enganche, existiendo también e l límite superior de enganche, que es la máxima frecuencia de entrada sintonizable. El intervalo de enganche dependerá tanto de la función de transferencia del detector de fa se como de la etapa de amplificación y el VCO, principalmente. , Intervalo de enganche (2fr)
1_
i
- 1-
..
,
Intervalo de
retención (fr)
i
relención (Ir)
Intervalo de enga nche (21,)
: ,-
Intervalo de retención (1,) ::
..
Limite inferio de enganche {fwtJ
r....-
-
:
Intervalo de
!-
¡ :
de c.aptura (fC(l(1 )
¡
Limite inferior de ""ptur. (1...)
¡""iI-¡
-
retención (fr)
Intervalo de ~aptura (2f",) Semi-intervalo --.,.:
•
Semi-intervalo
¡
i ! ¡ ¡
,
:
de captura {fl.Cl~) .......
:
¡ ¡
.
Frecuencia de libre LImitE! superior de LimitE! wperlor de oscil ació n (fQ" l captura (f~r:1~ ) enganche ( tt.l.l ~)
Figura 2.47. Relación entre los intervalos de captura y retención del dispositivo PLL.
Es decir, el PLL precisa para engancharse a la frecuencia de la señal de entrada que esté dentro del intervalo de captura; una vez enganchado, la tol erancia a variaciones en la frecuencia de entrada es mayor, es decir, permite seguir un rango de frecuencias superior al que precisa para poder engancharse por primera vez.
i
-1 '
Intervalo de
:•
¡
lo
Límite inferior de enganche (f'nr)
Frecuencia de libre oscil ación (fose)
Limite superior de enganche (r"~J )
Figura 2.45. Intervalo de enganche de un dispositivo PU.
• • • Intervalo ~e captura También denominado intervalo de adquisición, se define como el intervalo de frecuencia de libre oscilación del VCO alrededor del cual el PLL puede establecer el enganche con la frecuencia de la señal de entrada. Está relacio-
• • • Clasificación ~e los m En función del detector de fase que utilicen los PLL pueden clasificarse en: • PLL analógicos. Son aquellos en los que el detector de fase es de cuatro cuadrantes, siendo empleados en sistemas de comunicación, fundamentalmente. • PLL digitales. En este caso el detector de fase es un circuito digital y las señales de entrada y salida del VCO están formadas por trenes de impulsos.
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RICIDAD- ELECTRÓN ICA • • • Parámetros ~e un Pll Los principales parámetros que caracterizan un PLL son: • Frecuencia de libre oscilación del veo. La frecuencia de oscilación del veo en ausencia de señal de control a la entrada. • Ganancia de conversión del detector de fase. Es una constante que relaciona la amplitud de la señal de salida del detector de fase con la diferencia de fases entre la señal de entrada y la salida. • Ganancia de conversión del veo. Es la constante que relaciona la desviación de frecuencia del veo respecto de la libre oscilación en proporción a la tensión de control aplicada. • Ganancia del lazo. Es el producto de las dos ganancias anteriores.
• • • Aplicaciones Los dispositivos PLL disponen de un amplio rango de aplicaciones de utilidad debido, principalmente, a que son capaces de generar armónicos de una frecuencia de referencia y pueden funcionar como filtros de banda estrecha que siguen la frecuencia de la señal de entrada. Por ello, en el campo de los sistemas de radiocomunicación vamos a encontrar numerosas aplicaciones de este tipo de elementos:
Sabías que ... Finden, en 1943, fue el primero en emplear el término síntesis de frecuencia con el propósito de producir frecuencias que eran armónicos y submúltiplos de una frecuencia de referencia determinada. Las frecuencias de referencia se obtienen a partir de uno o varios osciladores patrón de alta calidad, utilizándose frecuentemente patrones basados en cristales de cuarzo. El objetivo del sintetizador de frecuencias es, por tanto, doble: por un lado ser capaz de generar el mayor número posible de frecuencias a su salida; por otro, que todas las frecuencias tengan la mayor estabilidad posible. La precisión de la frecuencia sintetizada a su salida, la aparición de espurios, el tiempo de conmutación entre frecuencias, el ruido de fase de la salida, etcétera, definirán la calidad del sintetizador de frecuencias .
• • 2.6.1. Tipos de sintetizadores de frecuencia Podemos clasificar los sintetizadores de frecuencia en cuatro grupos: sintetizadores analógicos directos (DAS), sintetizadores directos digitales (DDS), sintetizadores indirectos basados en PLL y sintetizadores indirectos basados en DLL.
• Extracción de la portadora de una señal modulada AM. • Demodulación de señales FM y PM .
Tabla 2.1. Clasificación de los sintetizadores de frecuencia
• Modul ación FM. • Generaci ón de osciladores estables.
Síntesis directa
• Filtros de seguimiento. • Sistemas de recuperación de la señal de reloj en transmisiones digitales.
11 2.6. Sintetizadores de frecuencia Un sintetizador de frecuencia es un dispositivo que es capaz de generar múltiples frecuencias de salida, dentro de un preciso rango de valores y con gran pureza espectral, partiendo de una o varias señales con frecuencia de referencia estables.
DOS . Sintetizadores digitales directos
Síntesis de frecuencia Síntesis indirecta
Sabías que ..• Los PLL tambi én son empl eados en la recepci ón de señales procedentes de satélites no geoestacionarios, en sintoni zadores de televi sión y radio, co ntrol de la veloc idad de motores de continu a, sincroni smo por barrido verti cal y hori zontal en receptores de televisión, etcétera.
DAS. Sintetizadores analógicos directos
.......,.,...._......
...... " " ..
~
N-entero Basados en PLL ... ....... . N-fraccional Basados en DLL
,,"
."
......... ".
• • 2.6.2. Síntesis directa Uno de los primeros métodos utilizados fue la síntesis directa, que genera la frecuencia de salida partiendo de una o más frecuencias de referencia estable, mediante la realización de operaciones aritméticas fundamentales, como el mezclado (suma y resta), la multiplicación (utilizando generadores de armónicos) y la división (con divisores de frecuencia), y empleando filtros adecuados que eliminaran las frecuencias indeseadas que son generadas durante el proceso, con el objetivo de producir la frecuencia de salida deseada. La principal ventaja de este método es que si la frecuencia de
ELECTRICIDAD-ELECTRO las señales de referencia (casi siempre basadas en cristales de cuarzo) es muy estable, también lo es la frecuencia de salida obtenida, permitiendo obtener, además, una muy buena resolución de la frecuencia de salida deseada.
Existen varios tipos de sintetizadores directos analógi cos a su vez: • Sintetizador de frecuencias de cristal múltiple. En la Figura 2.48 se muestra un esquema de dicho sin tetizador, el cual emplea un mezclador no lineal y un proceso de filtrado para generar un total de 128 frecuencias distintas, en un rango comprendido entre los 510 Khz y los 1790 Khz, partiendo de 20 cristales de cuarzo. Un sintetizador como el que se presenta en la figura podría ser empleado, por ejemplo, para producir las frecuencias de las portadoras de las emisoras AM comerciales, cuyo rango de frecuencias está entre 540 Khz y 1600 Khz .
Los sintetizadores analógicos (DAS) son sintetizadores directos que, además de lo comentado anteriormente, presentan la ventaja de poder cambiar la frecuencia de salida con gran rapidez y una excelente pureza espectral. No obstante, este tipo de sintetizadores (DAS) resultan muy costosos y tienen un elevado consumo de potencia, por lo que no son adecuados para su utilización en equipos portátiles ni para producir un elevado número de frecuencias de salida.
• Sintetizador de frecuencia de un único cristal. En este tipo de sintetizadores, tal y como se muestra en la Figura 2.49, partiendo de un único cristal de 100 Khz, se emplea la suma, la resta, la multiplicación y la división de frecuencias para producir frecuencias en el rango entre el hercio y los 999 .999 hercios con una resolución de 1 hercio. La frecuencia del cristal es dividida por 10 de forma repetida, para producir cinco frecuencias base que son introducidas en un generador de armónicos (o multiplicador de frecuencias), que no es más que un amplificador no lineal con un filtro sintonizable que permite seleccionar uno de los nueve primeros armónicos de su frecuencia base (mediante un selector). Seguidamente, los circuitos mezcladores (sumadores) permiten generar frecuencias suma de cada uno de los cinco bloques base.
Nota Algunos autores, para referirse a los sintetizadores analógicos directos (DAS) de frecuencia los denominan sencillamente como «sintetizadores directos» , mientras que los digitales se denominan DDS, sintetizadores digitales directos.
Recuerda que ... Los sintetizadores directos (analógicos) nos van a permitir producir las frecuencias deseadas a través de la combinación de frecuencias base en mezcladores, multiplicadores, etcétera, habiendo quedado relegados a aplicaciones muy concretas, especi alm ente en muy altas frecuenci as.
m 1m T T
11 mm 11 T T T
el
~
11 mi
I S919cI
~
mi
T T T
Frecuencia de salida
Selector
l
1..-
11 11
o
'E
'cro
:o "'e
oQ)
o .¡¡
'O
Figura 2.48. Esquema de un sintetizador de frecuencia de cristales múltiples.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA pleando circuitos digitales que crean, manipulan y modulan una señal digital, y convertidores digitales-analógicos (DAC) que convierten la señal a analógica. Este tipo de sintetizadores DDS destacan porque permiten realizar «canalizaciones» muy estrechas, es decir, permiten resoluciones del rango de la fracción de hercio, y una muy elevada velocidad de cambio de frecuencia de salida, teniendo además un buen comportamiento en cuanto al ruido de fase. Sin embargo, el mayor inconveniente que estos presentan es la elevada generación de espurios. La era de las comunicaciones digitales ha provocado que el empleo de los DDS sea exponencial, estando presentes en sistemas de radar, comunicaciones por satélite, comunicaciones inalámbricas como la telefonía, etcétera.
Figura 2.49. Ejemplo de sintetizador de frecuencias de un único cristal de cuarzo.
Así, por ejemplo, en función de los selectores mostrados en la Figura 2.50 podemos ver cómo el sintetizador de frecuencia de un solo cristal produce una frecuencia de 325,647 Khz, por ejemp lo.
Figura 2.51. Esquema de un posible sintetizador digital directo.
Existen en el mercado numerosos circuitos integrados que integran en un único chip toda la lógica necesaria para implementar un DDS; tal es el caso del integrado AD9850, de Analog Devices, por ejemp lo (véase la Figura 2.52). aNO
...-----0 DAC RSET
REF CLOCK IN
300 K/1Z 1- 20 Khz - 320 KllZ
ANALOG OUT
MASTER RESET
...-----<) ANALOG Khz +5.6Khz. • J25 6 Kfu
...------óIN
FREQUENCY UPDATEI DATA REGISTER RESET
CLOCKOUT CLOCKOUT
3205,6 Kilz + 0.047 Khz
=3:2;5.647 Khz
WOR~tg~~o-"""
1-BIT x 8-BITS x 40 LOADS 5 LOADS FREQUENCV, PHAS'E, ANO CONTROL'
r' 40Hz-t-lHz = 4 7Hi.
L..... ....º-A I,..,!~~I,I,T.
_......
Figura 2.52. Diagrama de bloques del DOS AD9850 de Analog Devices. o
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Figura 2.50. Ejemplo de generación de una frecuencia en el sintetizador de frecuencia de un solo cristal.
Por otra parte tenemos el proceso de síntesis digital directa, que se basa en la generación de la señal de salida em-
• • 2.6.3. Síntesis indirecta Debido a algunos problemas derivados del uso de los sintetizadores directos de frecuencia, se comenzaron a desarrollar
ELECTRICIDAD-ELECTRO otras topologías, denominadas sintetizadores indirectos, que se basaban en la utilización de los circuitos PLL u otros denominados DLL y divisores de frecuencia.
Oscilador de SBiíal de salida (fiJal )
Oscllador de crista l de Señal de sa lida (f,.,..)
Figura 2.55. Esquema de un sintetizador con N·fracciona/. Figura 2.53. Esquema de un posible sintetizador indirecto basado en PU con divisor.
Dada la simplicidad y reducido coste de los PLL, su uso se ha generalizado en los últimos años, convirtiéndose en uno de los métodos de síntesis de frecuencia más populares. Esta topología permite, a partir de una señal de referencia generada internamente, controlar un lazo (bucle PLL) y obtener una señal de salida con una frecuencia cuya estabilidad depende de la estabilidad de la señal de referencia. También será posible obtener una variación discreta del valor de la frecuencia de salida; donde la resolución dependerá, en este caso, de la red divisora y la frecuencia de referencia.
Nota Los DLL so n PLL donde el VCO (osc il ador co ntrolado por tensión) es sustituido por otro elemento denominado línea de retardos controlada por tensión (VCDL).
Podemos di stinguir principalmente do s tipos de sintetiz adores basado s en PLL: con N-entero y con N-fracciona!. En el primero de ellos la frecu encia de salida será un múltiplo entero de la frecuencia de referencia. E n el sinteti zador indirecto basado en PLL con N-fraccion al, la salida puede ser un múltiplo fraccional de la frecuencia de entrada. Evidentemente, la resolución del esquema basado en N-fraccion al es mayor que con N-entero , es decir, el salto de frecu enci as es menor.
Existe también otro sintetizador de frecuencias basado en DLL, el cual se ha hecho muy popular debido, en gran parte, a su sencillez. Un DLL es equivalente a un PLL pero con la salvedad de que el VCO del mismo se reemplaza por una línea de retardos controlada por tensión (VCDL). Sin embargo, tiene varias desventajas, como un elevado consumo de potencia, un factor de multiplicación limitado, su frecuencia de salida no es programable, etcétera. A modo de resumen, presentamos la Tabla 2.2 con indicación de las principales ventajas e inconvenientes de los distintos tipos de sintetizadores. Tabla 2.2. Comparativa de los distintos sintetizadores de frecuencia Tipo de veo -~---Elevado consumo DAS de potencia y gran . tamaño
DDS
Cambio demasiado ¡: PLL con N-en tero : lento .. .. . . . PLL con ¡ Presenta espurios N-fraccional ¡ fraccionales
Señal de salida (f""l)
Gran resolución y cambio rápido
Bajo ruido de fase y bajo consumo
"
DLL
Oscilador de
Gran consumo de potencia y generación de un número considerable de espurios
Produce pocos espurios, cambio rápido y reducido ruido de fase
Elevado consumo de potencia y la : frecuencia no es : programable
Cambio relativamente rápido Reducido ruido de fase
11 2.7. Moduladores ydemoduladores Figura 2.54. Esquema de un sintetizador con N·entero.
Tal y como ya hemos visto, las señales procedentes de un transmisor son enviadas por el canal de comunicación y procesadas por el receptor. Sin embargo, en ocasiones es preciso procesar las señales de información procedentes del
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RICIDAD-ELECTRÓNICA emisor por varios motivos, por ejemplo, cuando sea preciso transmitir varias señales por el mismo medio y al mismo tiempo; en tal caso, la modulación nos permite asignar a cada señal de información una banda de frecuencias (lo que se conoce como multiplexación en frecuencia), tal y como ocurre en la radio comercial AM y FM. Otro problema lo encontramos en las antenas que se emplean en la transmi sión de señales pues, como veremos, su tamaño debe ser del orden de magnitud de la longitud de onda de las señales a transmitir, por lo que si quisiéramos radiar una señal de un ancho de banda del orden de los kilohertzios precisaríamos de una antena de kilómetros de longitud. Finalmente, también se cumple la propiedad de que la potencia necesaria para transmitir una señal es inversamente proporcional a la frecuencia de la misma, por lo que resulta muy conveniente trasladarla con objeto de optimizar el consumo.
Filtro Dispositivo I------II~ paso no lineal banda
Senal de sali da AM
~ t--.....
Figura 2.56. Esquema de un modulador AM en cuadratura.
Para implementar los moduladores en cuadratura habitualmente se emplean como dispositivos no lineales los diodos y los transistores. Este tipo de dispositivos, bajo determinadas condiciones, tienen un comportamiento adecuado para ser utilizados en este tipo de moduladores.
Dispositivo no lineal
En definitiva, el uso de la modulación se hace necesario cuando precisamos compartir el medio de transmisión, consumir menos potencia de transmisión o emplear antenas de un tamaño aceptable. Ya hemos estudiado algunas de las principales técnicas de modulación, como la modulación en amplitud, la modulación en frecuencia o la modulación en fase . A continuación describimos brevemente algunos de los esquemas moduladores más importantes. Figura 2.57. Ejemplo de un posible modulador AM en cuadratura .
• • 2.7.1. Moduladores AM Para conseguir generar una señal AM es necesario básicamente la utilización de un sumador y un multiplicador. El multiplicador puede implementarse con dispositivos no lineales o multiplicadores analógicos; no obstante, en la práctica se emplean una serie de métodos que permiten generar la señal AM indirectamente de manera más sencilla. A continuación vamos a describir dos configuraciones que permiten generar señales AM: el modulador de ley cuadrática o en cuadratura y el modulador por conmutación. En ambos casos se emplean elementos no lineales para llevar a cabo su implementación, siendo dispositivos adecuados para la transmisión a baja potencia.
Cuando estos elementos electrónicos están correctamente polarizados, trabajando en una determinada zona de trabajo, al mismo tiempo que la señal de entrada aplicada, vjt), es relativamente débil, es decir, tiene baja ampUtud, su salida, vojt), tiene un comportamjento que puede expresarse matemáticamente como sigue (su función de transferencia):
Si como señal de entrada al dispositivo no lineal aplicamos la suma de la señal portadora y la moduladora (la señal de información):
la salida tomaría la siguiente expresión:
• • • Mo~ula~or ~e ley cua~rática oen cua~ratura Este tipo de modulador emplea tres elementos: o 'E .1" ro
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• Un sumador. Necesario para sumar la señal portadora y la señal moduladora. • Un elemento no lineal. Generará los términos producto necesarios. • Un filtro paso-banda. Será utilizado para extraer los productos de intermodulación adecuados.
VOll/(t)
=
AoAc cos(wJ) + Aom(t) + AlA; cos 2 (wJ) +
+ 2AIAcm(t)cos(wJ) + A l m 2 (t) Si a la señal anterior le aplicamos un filtrado paso banda ubicado en la frecuencia!c con un ancho de banda igual al de la señal m(t), nos quedaría que:
ELECTRICIDAD-ELECTRO Si la fórmula anterior la expresamos de la forma en la que estamos acostumbrados a representar las señales AM, con m(t) como señal de información a enviar, obtendremos: V AM
(t)
=
=
A¡¡Ae cos(WJ)[ 1 +
A¡¡Ae[1 +
(2~
I
(2~
I
)m(t)]
=
)m(t) ] cos(wJ)
=
Partimos de tres suposiciones: • Que la amplitud A e de la señal portadora, p(t), que se aplica al diodo es suficientemente grande como para recorrer una buena parte de la característica del diodo. • Que la señal de información, m(t), es mucho menor que la amplitud de la portadora, es decir, Im(t)1 « Ae'
Un gran inconveniente de este tipo de sistemas de modulación es que, como podemos observar, el índice de modulación de la señal AM tiene un valor de m
En la Figura 2.58 podemos ver un posible esquema de este tipo de modulador basado en el empleo de un diodo .
2A I • Como
Ao normalmente Al es mucho menor que Aa' esto supone que la profundidad de la modulación será baja. Dicho problema no se puede solucionar aumentando m(t), ya que esto podría implicar salimos de la zona de la curva característica del elemento no lineal y que el comportamiento no sea el descrito anteriormente (en un transistor, podríamos llegar a la zona de corte o saturación, por ejemplo), pudiendo llegar a distorsionar la señal de salida.
• Que el diodo tiene un comportamiento similar al de un conmutador ideal, comportándose como un cortocircuito cuando vJt»O y como un circuito abierto cuando vJt)
=
p(t) + m(t)
=
Aecos(wet) + m(t)
Si el diodo se comporta como un conmutador ideal, la señal de salida vb(t) tendrá la siguiente forma:
Recuerda que ... El Índice de modulación, también conocido como profundidad de la modulación, en una señal AM es una magnitud que nos informa de la variación que sufre la señal portadora respecto de su amplitud original al ser modul ada por una señal de info rmaci ón; es conveniente que di cho valor sea lo mayor posible sin superar el 100 %.
• • • Mo~ula~or por conmutación El modulador por conmutación basa su funcionamiento en la idea de trasladar el espectro de la señal de información más la portadora a frecuencias múltiplos de la frecuencia de la portadora, fr. Esto puede conseguirse multiplicando ambas señales, información más portadora, por una señal periódica de periodo l/fr. Para ello se emplean dispositivos de conmutación con salida proporcional a la entrada en los semiciclos positivos de esta y nula en los semiciclos negativos, como podrían ser los diodos, por ejemplo.
GU/va de salida del diodo ideal
Tensión de salida
_ _ _ _ _...' -_ _ _ _ _ _ _ _. .Tensión de entrada
Figura 2.59. Curva característica ideal del diodo,
Habiendo supuesto que Im(t)1 « Ae Y que el diodo tiene un comportamiento uneal con el tiempo en la región en la que está activo, la expresión anterior puede expresarse como se muestra en la siguiente ecuación, donde u(t) es un tren de pulsos periódico con medio periodo en estado alto y medio periodo en estado bajo (cero), y un periodo total igual a la inversa de f e' T= l/fr· o
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donde: 1 u(t) Figura 2.58. Esquema del modulador por conmutación,
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= -
2
2
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(- 1)
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:n: II~I 2n - 1
cos[wJ(2n -1)]
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RICIDAD -ELECTRÓN ICA Si sustituimos en la ecuación de vb(t) la anterior expresión de u(t), obtendremos una expresión que consta de los siguientes términos: • Un ténnino con la expresión Ae [1+~m(t)]coS(wt), 2 ;rAe e que es la señal modulada AM que deseamos obtener. • Diversas componentes frecuenciales (deltas) a las frecuencias múltiplos pares de f e (0, ±2fc, ±4fe' etcétera), incluida una componente de continua. • La señal de información en la banda base,
! m(t), la
2 cual vamos a suponer que está limitada en banda a B.
• A las frecuencias impares ±3fc, ±5fc, etcétera, tenemos distintas componentes de la señal con ancho de banda 2B . Para obtener entonces la señal modulada AM a la salida del circuito, bastaría entonces con la utilización de un filtro paso banda centrado a la frecuencia fc y con un ancho de banda 2B (suponiendo, por supuesto, que f e>2B), que eliminaría todas las componentes no deseadas y se quedaría con la señal modulada AM .
Observando la anterior expresión podemos determinar que la señal deseada, proporcional a la información, m(t), viene dada por el ténnino AlA: k· m(t), la cual podemos extraer empleando un filtro paso baja; sin embargo, podemos observar que existen dos componentes que se solapan a la señal extraída:
~AIA: y ~AIA:m2(t). El primer término es
una constante, que se traduce en una componente de continua que no interfiere en la señal recibida y que puede ser eliminada mediante un condensador de desacoplo. Sin embargo, el segundo término no puede ser totalmente eliminado y contribuye a distorsionar la señal recibida. La relación entre la señal deseada recibida, AlA: k · m(t), y la señal de distorsión,
!
Al A: m2(t) , viene dada por 2 , por lo que 2 k · m(0 para que la distorsión sea lo menor posible resulta convem(t)1 en todo momento. niente que
Ik ·
Sabías que ... Los condensadores de desacoplo son componentes electrónicos que se emplean para eliminar la componente de continua en la entrada a determinados circuitos .
• • 2.7.2. Oemoduladores AM La demodulación consiste en el proceso de obtención de una señal que sea proporcional a la moduladora original, es decir, a la señal de información; en otras palabras, consiste en la recuperación de la señal de información a partir de la señal modulada recibida, por lo que suele afirmarse que es el proceso inverso de modulación. Existen diversas maneras de demodular las señales AM, algunas de las cuales explicamos a continuación .
• • • Oetector ~e envolvente El detector de envolvente es uno de los demoduladores más sencillos de implementar, lo que ha permitido la utilización de la modulación AM en aplicaciones masivas, tales como la radiodifusión comercial que conocemos.
• • • Oetector en cua~ratura Este detector emplea la misma metodología que el modulador en cuadratura, basándose su funcionamiento en el empleo de un dispositivo no lineal con una característica como la expresada en la siguiente fórmula: VOIl/ (t) = AOvill (t) + AIV~I (t)
donde, en este caso, la señal vjt) es una señal modulada AM y tiene la siguiente expresión: Figura 2.60. Imagen de un receptor comercial.
o 'E .1"
Si sustituimos en la ecuación del dispositivo no lineal obtendremos que:
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VOllrCt)
=
AoAJl + k· m(t)]cos(wJ) +
+ ~ AlA: [1 + k 2 • m 2(t) + 2k· m(t) ][1 + cos(2wJ )]
Si suponemos que la señal AM es de banda estrecha, es decir, que la frecuencia de la portadora'!e' es mucho mayor que el ancho de banda de la señal de información (que denominamos B), f e »B, y que no existe sobremodulación, el proceso de demodulación puede hacerse empleando un circuito muy simple, el detector de envolvente, que mostramos en la Figura 2.61.
ELECTRICIDAD-ELECTRO r················ . .
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ANTENA
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C1
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temente lento para poder permitir la descarga y lo suficientemente rápido para «seguir» la envolvente de la señal AM, 1 1 es decir, debe cumplirse que - « RLC« - , siendo B el fe B ancho de banda de la señal de información que transporta la modulada AM. Cuando se cumplen estas dos condiciones la señal de salida del detector sigue con bastante fidelidad a la envolvente de la señal AM, que coincide con la señal de información.
Figura 2.61. Esquema del detector de envolvente. A mplitud
Durante el ciclo positivo de la señal de entrada AM, el diodo está polarizado directamente, actuando como un cortocircuito que permite que el condensador se cargue rápidamente hasta el valor de pico de la señal de entrada. Cuando el nivel de la señal de entrada baja por debajo de su valor de pico, el diodo entra en la zona de inversa, comportándose como un circuito abierto. Cuando esto sucede el condensador se descarga lentamente a través de la resistencia de carga. Cuando la señal de entrada, en el siguiente periodo positivo de señal, supera el valor de la tensión del condensador, el diodo entra nuevamente en conducción, «siguiendo a la señal de entrada», repitiéndose el proceso nuevamente, tal y como se muestra en la Figura 2.62.
. . . . .!
envolvente
Señal enviada
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Figura 2.63. Señal modulada AM con detalle de la envolvente (señal de información).
La salida del detector, sin embargo, presenta un pequeño rizado a la frecuencia de la señal portadora que, suponiendo que la información es de banda estrecha, es decir, B«fc ' podría eliminarse empleando sencillamente un filtro paso bajo, obteniendo la envolvente, la cual presenta una pequeña componente de continua que, como en el caso anterior, puede ser eliminada utilizando un condensador de desacoplo.
Señal de entrada
Figura 2.62. Detalle del proceso de carga y descarga del condensador del detector de envolvente.
Para que el detector de envolvente funcione correctamente debe cumplirse que, por una parte, el tiempo de carga sea pequeño respecto a la frecuencia de la señal mol dulada AM, es decir, ReC« - , para así poder permitir fe que el condensador se cargue rápidamente cuando el diodo entre en la zona de conducción, siguiendo la amplitud de la señal de entrada hasta su valor de pico. Por otra parte, el tiempo de descarga debe ser suficientemente lento para que el condensador se descargue entre dos picos de la señal modulada a través de RL, lo suficien-
11 2.8. Acopladores de impedancia En los sistemas de comunicación es frecuente necesitar interconectar distintas etapas para constituir un circuito con cierta funcionalidad, como podría ser el caso de los transmisores o receptores de radiofrecuencia, por ejemplo. Con objeto de contribuir a la máxima transmisión de potencia o tensión, existe la necesidad de «adaptar las impedancias» de estos subsistemas; caso de la transmisión de potencia de los transmisores a las antenas de radiación, por ejemplo. Existen, por tanto, dos tipos de adaptación de impedancias principalmente, aquellas que persiguen optimizar la máxi ma transferencia de potencia y las que tienen por objeto optimizar la máxima transferencia de tensión. La adaptación de impedancias consistirá en intercalar una red de acoplamiento entre los dos subsistemas tal que se consiga dicha adaptación de impedancia.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA
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Red de adaptación de impedancias
Figura 2.64. Esquema de una red de acoplamiento de impedancias.
La adaptación de impedancias ha sido, clásicamente, una tarea dura y compleja, especialmente en aplicaciones de banda ancha, datando las primeras investigaciones de los años 1950. En la actualidad, siguen siendo muchas las investigaciones abiertas al respecto, no habiendo conclusiones determinantes en cuanto al mejor método o técnica para ello. Si bien, los distintos métodos obtienen resultados parecidos.
Nota Cuando existe desadaptación de impedancias, es decir, existen reflexiones de la potencia entregada por la fuente a la carga, volviendo al origen, dichas reflexiones pueden dañar la fuente o transmisor de señal.
• • 2.8.1. Concepto de impedancia Si bien podemos afirmar, con cierta generalidad, que el concepto de resistencia eléctrica es más conocido, quizá convenga aclarar el término impedancia, el cual adquiere una especial importancia en los sistemas de comunicación, como veremos. La resistencia eléctrica podría ser definida como el valor de la oposición al paso de la corriente, bien sea de corriente continua o de corriente alterna, que presenta un resistor o una resistencia.
Figura 2.66. Fotografías de varios condensadores (izquierda) y bobinas eléctricas (derecha).
Cuando en un mismo circuito coexisten resistencias, condensadores y/o bobinas y trabajamos en el dominio de la frecuencia (circula corriente alterna), el valor de la oposición al paso de la corriente alterna es lo que denominamos impedancia. La impedancia, por tanto, tendrá la misma magnitud que la resistencia eléctrica, ohmios, y estará formada por una componente resistiva, debida a las resistencias, y una componente reactiva, que tiene su origen en los condensadores y las bobinas presentes en el circuito. Queda expresada habitualmente como un número complejo: Z
= R + jX
donde R es la parte real, la componente resistiva, y X, precedida por la letra j, es la parte imaginaria, la componente reactiva. Componente reactiva (Xl
Impedancia (Z)
L.._ _ _ _ _ _ _ _-I~Componente
resistiva (R)
Figura 2.67. Representación gráfica de la impedancia. o
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Figura 2.65. Fotografías de varias resistencias eléctricas.
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Por otra parte, se define la reactancia como el valor de la oposición al paso de corriente alterna que tienen los condensadores y las bobinas (o inductancias).
Sabías que ... La impedancia, al igual que otras magnitudes eléctricas, suele expresarse en forma fasorial.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Esto se traduce en que la componente reactiva de una impedancia, la debida a los condensadores y las bobinas, presenta una oposición al paso de la corriente alterna pero, idealmente, no contribuye a la disipación de potencia; úni camente introduce un desfase entre la tensión y la corriente alternas. La disipación de potencia se deberá, por tanto , a la componente resistiva.
Sabías que ...
Para que la máxima transferencia de potencia tenga lugar, puede demostrarse que la impedancia de la fuente, Zs = Rs + jX s ' y la impedancia de la carga, ZL = R L + jX L , deben ser «complejas conjugadas», es decir, que Zs = Z~ = R L - jX L, o lo que es lo mismo:
La disipación de potencia en la componente resistiva de una impedancia es lo que se conoce como Ley de Joule .
El acoplador o adaptador de impedancias tendrá la función, por tanto, de hacer que la impedancia de salida de la fuente, Zs' sea igual al conjugado de la impedancia de la carga, lo cual puede conseguirse mediante la utilización de reactancias puras o transformadores.
El desfase introducido en la intensidad respecto a la tensión de una bobina y un condensador son opuestos, en el primer caso atrasa y en el segundo adelanta, por lo que cuando tienen la misma magnitud su efecto se cancelaría y la impedancia total del circuito se haría totalmente resistiva.
Si suponemos que tenemos un circuito como el que se muestra en la Figura 2.69, con Zc y ZL cualesquiera, la función de transferencia o comportamiento de la potencia transferida en función de la frecuencia podría tener la apariencia de la Figura 2.70.
Z:,
Zs
Recuerda que ... La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna, definiéndose como el valor de la oposición a la corriente eléctrica que presenta un circuito cuando se le aplica una tensión. Es una medida expresada igualmente en ohmios, pero que dispone de una parte real y otra imaginaria, es decir, tiene magnitud y fase (fasor). En el caso particular de los circuitos de corriente continu a, la parte imag inaria, debida a lo s condensadores y las bobinas, se anu la, y la impedanci a se hace totalmente resistiva.
+ Vs
Figura 2.69. Esquema de fuente de señal con carga conectada.
Ganancia (dB)
• • 2.8.2. Adaptación de impedancias para la máxima transferencia de potencia En el sector de las comunicaciones, y en electrónica en general , los acopladores o adaptadores de impedancias son fund amentales para permitir que se produzca la máx im a tran sferencia de potencia entre los subsistemas (amplificadores, mezcladores, osciladores, PLL , líneas de transmisión , antenas, etcétera).
Frecuencia
Figura 2.70. Ejemplo de función de transferencia entre fuente y carga co n impedancias cualesquiera.
Zs
+ Vs
..
Red de adaptación de impedancias
..
+ ZL
Vs
Red de adaptación de impedancias
ZL
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Figura 2.68. Esquema genérico de un adaptador de impedancias.
Figura 2.71. Esquema de fuente conectada a carga mediante red de adaptación de impedancias.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Si entre la fuente y la carga se coloca una etapa de adaptación de impedancia, tal y como se muestra en la Figura 2.71, se consigue que se transmita la máxima potencia posible a la carga dentro de un ancho de banda determinado (L'lf), como se muestra en la Figura 2.72.
Recuerda que ... Se defi ne el factor de calidad o Q como un parámetro que caracteriza el ancho de banda relativo de un oscilador respecto a su frecuencia de resonancia, siendo una medida de la selectividad del mismo .
Ganancia (dB)
• • • Acopla~or en l orB~es l
G~,,~" --------------~
,,
il.f
.'
Frecuencia
Figura 2.72. Ejemplo de función de transferencia de potencia con adaptación de impedancias.
El acoplador en L o redes L es una de las configuraciones más sencillas que existen para adaptar impedancias, y consta de dos reactancias (normalmente un inductor o bobina y un capacitor o condensador), pudiendo adquirir varias configuraciones, todas en fonna de L, lo que da nombre a estas. a)
b) i Generador de RF
Sabías que ...
e
Cuando la red de adaptación está formada por elementos reactivos exclusivamente, se dice que es «no disipativa»; cuando incluye resistencias se dice que es «disipativa». e)
d) ,--------------
J----------------I : Generador de RF ¡
La implementación de los adaptadores de impedancia puede llevarse a cabo de distintas maneras, en función de la frecuencia y la potencia de funcionamiento, siendo las configuraciones más empleadas tres: la geometría L, T Y n.
I j
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z,
I
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~ Generador de RF
!
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e
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z, l'
L
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iL.._.........•........... _•..I_
!. ..• _...•••..•_.... _•...••..
Sabías que ... Normalmente no se desea que el acoplador disipe potencia, motivo por el cual se implementa con componentes puramente reactivos, tales como bobinas y condensadores, pudiendo emplear distintas configuraciones como la geometría L, T y n.
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Si bien es cierto que la función principal de las redes de acoplamiento de impedancias es la de propiciar la máxima transferencia de potencia a la carga, otra importante función de las mismas es la de proporcionar filtrado y selectividad, es decir, que permitan que dicha transferencia de potencia se produzca en un determinado margen de frecuencias, caso de los amplificadores RF, donde debe restringirse la potencia entregada a la siguiente etapa. Por ejemplo, los amplificadores de clase C generan un elevado número de armónicos indeseables que no deben ser transferidos a la siguiente etapa, por lo que la red de adaptación de impedancias debe seleccionar la frecuencia que se debe amplificar y filtrar aquellos armónicos no deseados.
Figura 2.73. Cuatro posibles acopladores en L.
En función del valor de la impedancia de la fuente respecto de la carga se emplea una configuración u otra. Si la impedancia de la fuente es menor que la de la carga, se emplearán las configuraciones b) y d); en caso contrario se utilizarán las configuraciones a) y c). Además, las configuraciones a) y b) se comportan a su vez como filtros paso baja y las configuraciones c) y d) como filtros paso alta. Al depender de la frecuencia la impedancia tanto del condensador como de la bobina, la adaptación de impedancias tendrá lugar a una frecuencia de trabajo, conocida como frecuencia de resonancia. Mediante la adecuada elección de la red de acoplamiento es posible adaptar la impedancia de la carga a la de la fuente a una frecuencia dada. Si suponemos que tanto Zs como ZL son resistivas puras, algo que en la realidad raramente sucede, pueden obtenerse las ecuaciones de diseño para una red de acoplamiento donde Zs < ZL y Zs > ZL .
ELECTRICIDAD-ELECTRO En el caso de disponer de una red de acoplamiento como la de la Figura 2.74, donde Zs > ZL' podría demostrarse que las ecuaciones de diseño (valores de L y C) vienen dadas por:
• • • Acopla~orBs en TyJt Si bien es cierto que los acopladores en L son ampliamente utilizados en la adaptación de impedancias, estos presentan el inconveniente de no ser flexibles en cuanto a su selectividad, habiendo poco margen de control sobre la Q de la red de acoplamiento, que viene dada por las impedancias interna y de carga; lo que supone que en ocasiones no se consiga la selectividad deseada. Una posible solución al problema anterior es la incorporación de una nueva reactancia a la red de acoplamiento (emplear tres reactancias en lugar de dos).
,................................ . Red L
Generador de RF
L
Zs=Rs
+
+
Vs
.
, ............ . .......... . ............. .. .............................. .
Figura 2.76. Esqu ema de un acoplador en T con tres reactancias. Figura 2.74. Eje mplo de red de acoplamiento con lS > lL.
Del mismo modo, si disponemos de una configuración como la que se muestra en la Figura 2.75, donde Zs < ZL' podría demostrarse que las ecuaciones de diseño (valores de L y C) vienen dadas por:
En la Figura 2.77 se muestran algunas configuraciones típicas de redes de acoplamiento con tres reactancias. La primera se conoce como red en n, dada su similitud geométrica con dicha letra, y la última es una red en T. , . . . . . . . . ...........................u
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.
,............................... ..................... .......................... , : Red PI (rr) :
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Zs
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... . .... ... -.... . .... _.. .. .... -.. .... ..................... . ........... '
, .. ... ............ ....... .. ....... .... ,u . . . . . . . . . . . . . ."
! Generador de RF Zs=Rs
. . . . . . . . . ..... ........... .. . ... .... . . . . . . .... .......,
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Red L
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Generador dez~F
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Figura 2.75. Ejemplo de red de acoplamiento con lS < lL.
Figura 2.77. Ejemplos de circuitos con redes de acoplamiento en T y p.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Del mismo modo que en las redes L, las redes T y n permiten aumentar o disminuir la impedancia, según se precise.
• Calcularemos el valor de la reactancia del otro condensador mediante la siguiente ecuación de diseño:
Algunos de los esquemas más utilizados en la red en T son los que se muestran en la Figura 2.78, los cuales reciben también el nombre de red LCC, siendo ampliamente utilizados cuando se precisa adaptar la baja impedancia de salida de un amplificador a la alta impedancia de entrada de otra etapa de amplificación o una antena, por ejemplo.
+
X C2
R S(Q2 + 1)
= ----"._--
1
Q
• Por último, calcularíamos los valores de L, Cl y C2 empleando las fórmulas:
C1
Vs r· .. • .. ••• .. • .. •·····•••••••••••····.
¡Generador de RF ¡ .
.
1_ _ _____ _ __ __ _ _ ____ _ _____ _ ________ __ __ _ ____ .'
,---------------------- --------,
Generador de RF
------------------- - ------ - -- - -- - -- - -- - -- - -, i.
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+
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~
Zs=Rs
¡
··
+
C1
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i C1
··
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l . . .............. . . . ...... . .............. .. .......... .
.'........ __.. .... . .. __ ...... .... .. _.. . . .. __ . . .. ................. ... -
Vs
Figura 2.79. Esquema de adaptación con red LCC.
..,, ---------------------------_ . ... _------ ----,. Figura 2.78. Ejemplo de redes en T con configuración LCC.
Suponiendo que disponemos de una configuración como la que se muestra en la Figura 2.79, con una red LCC, donde se han simplificado las impedancias de fuente y carga a impedancias puramente resistivas, con Zs < ZL' las ecuaciones y procedimiento de diseño son como siguen: • Seleccionamos la Q que deseamos para el circuito. • Calcularemos el valor de la reactancia de la bobina mediante la siguiente ecuación de diseño:
• • • Acopla~or ~e impe~ancias por transforma~or Otro dispositivo ampliamente utilizado en el acoplamiento de impedancias es el transformador con núcleo de hierro. Mediante el ajuste adecuado de la relación de vueltas de las espiras del devanado del mismo puede lograrse la impedancia de carga deseada. ,....................... . ........................... ..
¡Generador de RF ~
Zs
o 'E .1" ro
ro
"-
~
! +
• Calcularemos el valor de la reactancia del condensador en serie con la carga mediante la siguiente ecuación de diseño:
Re lación de vuell as:
Vs
Devanado primario
Devanado secundario
~
"'"e
,---_ ... __.. .... _-----_.. ..._----------
'O
Figura 2.80. Esquema de acoplamiento de impedancias mediante el empleo de un transformador con núcleo de hierro.
o .¡¡ w
@
ELECTRICIDAD-ELECTRO Si suponemos que disponemos de un esquema como el de la Figura 2.80, la relación entre el número de vueltas de las espiras del primario (N) y del secundario (N) del transformador de núcleo de hierro y la impedancia de entrada (Z) y salida (ZJ viene dada por:
,
. o blen
N,' _ , N
=
JE
La gran mayoría de los nuevos diseños de circuitos de RF emplean transformadores toroidales, pudiéndose emplear los devanados primario y secundario como inductores sintonizados. En la Figura 2.83 se muestra un ejemplo de empleo de transformadores con núcleo toroidal para el acoplamiento entre dos etapas de amplificación de clase C.
_ 5
Z
s
L
Nota La fórmula _Z s
=
(N)2 - " es únicamente válida cuando Ns
ZL
se emplean transformadores de núcleo de hierro . Si utilizamos transfonnadores con núcleo de aire, la relación de impedancias no responde a dicha fórmula. La utilización de este tipo de transformadores, si bien está generalizada en aplicaciones de RF para la adaptación de impedancias, es menos eficiente que el uso de transformadores con núcleo de hierro, ya que estos últimos propician que el campo magnético que se produce en el devanado primario quede confinado casi al completo en el núcleo de hierro o ferrita, lo que tiene una ventaja fundamental, y es que no se radiará componente de RF en el mismo, cosa que sí sucede en los transfonnadores de núcleo de aire, los cuales deben ser cubiertos con pantallas metálicas que impidan que estos interfieran con otros circuitos.
+vcc
Figura 2.83. Ejemplo de utilización de transformadores toroidales para el acoplamiento de impedancias entre etapas de amplificación de clase C.
• • • Acoplamiento ~e impe~ancias emplean~o baluns
El transformador más utilizado en aplicaciones de RF es el transformador toroidal, que se muestra en la Figura 2.81.
Devanado
Devanado
primario
seclIndario
r ............
U
• .•
u
u
........... . . . . ........ .. "
Generad or
dez~F
El empleo de transformadores también es útil cuando deseamos conectar sistemas o líneas balanceadas con líneas no balanceadas, ya que entre los devanados no existe conexión eléctrica. Cuando empleamos un transformador de esta manera se dice que estamos empleando un transformador simétrico-asimétrico o simplemente un ba/un.
Nota El nombre balun, para referirse a determinados transformadores, procede de balanced and unbalanced, es decir, balanceado y no balanceado.
Figura 2.81 . Transformador de núcleo de hierro tipo toroidal.
i
Otras configuraciones posibles son el empleo de autotransformadores, que emplean bobinados primarios con derivaciones, permitiendo acoplar impedancias entre etapas de RF, aumentando o disminuyendo las impedancias, tal y como se muestra en la Figura 2.82.
,......... ................................. ..... "
i Generador de RF
¡ !
¡
N,
¡
+
Zl
___________________.______ .J Np
l'/\,
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1'2; ~I 7.,.
i
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L_________________________ ____ _
!!..L = N,
iZ ",
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oQ)
o .¡¡
'O
Figura 2.82. Esquemas de adaptadores de impedancia empleando autotransformadores.
w
@
RICIDAD-ELECTRÓNICA En la Figura 2.84 se muestra un ejemplo de conexión de un generador balanceado a una carga no balanceada (es decir, conectada a tierra).
rG~~~~~d~~' d~"RF.':
I
ls
i
c-···· . ·· . ································ . ··1
!
Relación de vueltas 1: 1
:
! :
:
Los ba/uns, además de permitir la conexión de subsistemas balanceados con no balanceados, pueden utilizarse para la adaptación de impedancias. En la Figura 2.86 se muestra un ejemplo que permite aumentar la impedancia, de tal manera que la fuente «ve» una impedancia de carga equivalente cuatro veces inferior, lo que implica que el acoplamiento adecuado se producirá cuando la carga presente una impedancia cuatro veces la impedanc ia de la fuente. En la Figura 2.87 se muestra un segundo ejemplo para reducir la impedancia de la carga para el acoplamiento correcto.
¡ ¡
.. ._--- ----- ---_._--------_._- ---_.., __
:_--- --- _._--- ------------- -- -------- _._-_._---- _!
Figura 2.84. Esquema de utilización de un balun para acoplamiento de generador balanceado con carga no balanceada.
r··· .. ·· .. ·· .. · .. ·· .. · .. ·· .. ·· .. · .. ·· .. · .. ..,
! Generador de RF ¡
¡!
ls
!
¡ Otra posible aplicación es la conexión de una fuente de señal no balanceada a una carga balanceada.
i
.¡
+
Vs
i
,.... ....... ... _....................,
:
:
• •~
c······················ ·········· ········· .. ··1
i Generador de RF ¡ ! ~ Zs ! !
Relación de vueltas 1:1
~l~~____~
Relación de vuel tas 1:1
:
! :
i i
:L ___ _____ ____ ____ ____ ___ __ __ ___:
:
. ~
+
Figura 2.87. Ejemplo de utilización de un balun para la adaptación de impedancias con impedancia disminuida .
Vs
i:
l....... ... . . ... . ... : Figura 2.85. Esquema de utilización de un balun para acoplamiento de generador no balanceado con carga balanceada. r.. • • .. • ........ • .. • .. ......... • ... • .. .. •• .... .. .. .o-
Generador de RF
r·· .. ··· .. ···· .. · .. · .... · · .. · .. · ... ·· .... · .. · .... ··· .... · Relación de vuel tas 1: 1
ls
+
Vs
.•
Los transformadores también son útiles para conectar líneas balanceadas con líneas no balanceadas, puesto que entre los devanados no hay conexión eléctrica. Un transformador utilizado de esta forma se llama transformador simétrico-asimétrico (ba/un, for ba/anced-unba/anced) o solo ba/un. Un buen ejemplo de un transformador ba/un se encuentra en la parte poste+rior de muchos televisores, donde este adapta un cable coaxial de televisión por cable (desbalanceado) de 75 n con una entrada de antena diseñada para cable plano bifilar de 300 n (balanceado) .
~~
Figura 2.86. Ejemplo de utilización de un balun para la adaptación de impedancias con impedancia aumentada.
Sabías que ... En las transmisiones de señales de gran ancho de banda, con objeto de evitar reflexiones, tanto la impedancia de la fuente como la impedancia de la carga deben ser totalmente resistivas. La aparición de una componente reactiva en la fuente o en la carga provocará que el acoplamiento no se produzca eficientemente.
2. DISPOSITIVOS BÁSICOS DE TELECOMUNICACIONES
Introducción y conceptos
Factor de ruido, punto de intercepción de tercer orden, rango dinámico libre de espurios, etcétera
Definición y clasificación de los amplificadores
Amplificadores
Sintonizados y de banda ancha y ultrabanda De bajo ruido (LNA) y de potencia (Clases A, B, etcétera)
Fundamentos - El mezclador ideal Principales características de los mezcladores
Mezcladores Mezcladores activos versus mezcladores pasivos Mezcladores simples versus equilibrados
Dispositivos básicos de telecomunicaciones
Principios de funcionamiento y parámetros
Osciladores
Tipos de modulaciones analógicas Tipos de modulaciones digitales
Lazo de fase cerrada
Intervalos de enganche y captura
Tipos de sintetizadores de frecuencia
Sintetizadores de frecuencia
Síntesis directa Síntesis indirecta
Moduladores y demoduladores
Acopladores de impedancia
Moduladores AM Demoduladores AM
Concepto y principales configuraciones
2. DISPOSITIVOS BÁSICOS DE TELECOMUNICACIONES
11 Actividades de compro~ación 2.1.
En un receptor de RF podemos afirmar que:
2.6.
a} Cuanto menor sea el punto de intercepción de tercer
Los amplificadores sintonizados son:
a} Poco selectivos en frecuencia y con comporta-
orden , mejor será la linealidad del sistema.
b}
miento paso banda.
Cuanto mayor sea el punto de intercepción de tercer orden , mejor será la linealidad del sistema.
b} Poco selectivos en frecuencia y con comporta-
e} Cuanto menor sea el punto de intercepción de tercer
e} Poco selectivos en frecuencia y con comporta-
miento paso baja.
orden , menor será la distorsión armónica del sistema.
miento paso alta.
d} Muy selectivos en frecuencia y con comportamien-
d} Ninguna de las otras respuestas es correcta. 2.2.
El punto de compresión de 1 dB se define como:
to paso banda.
2.7. Según la fórmula de Friis:
a} El nivel de señal de entrada que produce que la sa-
a} Para tener un buen comportamiento en el receptor
lida esté 1 dB por debajo de la potencia que tendría si su comportamiento fuera ideal (infinitamente lineal).
de RF debemos procurar que el amplificador que está después de la antena tenga bajo factor de ruido y alta ganancia.
b} El nivel de señal de entrada que produce que la sali-
b} Para tener un buen comportamiento en el receptor de
da esté 1 dB por encima de la potencia que tendría si su comportamiento fuera ideal (infinitamente lineal).
RF debemos procurar que el amplificador que está al final del mismo, antes de la salida (por ejemplo, un altavoz) , tenga bajo factor de ruido y alta ganancia.
e) El nivel de señal de salida que produce que la entra-
e} Para tener un buen comportamiento en el receptor
da esté 1 dB por debajo de la potencia que tendría si su comportamiento fuera ideal (infinitamente lineal).
de RF debemos procurar que el amplificador que está después de la antena tenga bajo factor de ruido y baja ganancia.
d} No existe tal definición. 2.3.
En la actualidad podemos decir que:
d} Para tener un buen comportamiento en el receptor de a} Se emplea más frecuentemente el SFDR que e11P3 . b} Son dos conceptos totalmente diferentes y sin nin-
RF debemos procurar que el amplificador que está al final del mismo, antes de la salida (por ejemplo, un altavoz), tenga bajo factor de ruido y baja ganancia.
guna relación .
e} Se emplea más frecuentemente ellP3 que el SFDR . d} Son el mismo concepto pero con siglas en español
2.8.
Los amplificadores de potencia se suelen clasificar en :
a} Amplificadores de radiofrecuencia (ARF) y amplifi-
e inglés.
2.4.
cadores de frecuencia intermedia (AFI) .
En relación a los amplificadores de pequeña señal , podemos afirmar que:
b} Clases (A, B, AB, C, etcétera) . e} Únicamente existe un tipo de amplificadores de potencia.
a} Es más importante la linealidad que la potencia de salida del mismo .
b} Es más importante la potencia de salida que la linealidad del mismo.
e} Manejan niveles de señal de alta potencia pero pequeñas oscilaciones .
d} Se construyen, generalmente, con dispositivos electrónicos lineales.
2.5. .Ee 'c ro ro
o.. ~
Q}
e
.'2 u
l::> 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
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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
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"'e Q)
o ·ü
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@
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
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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)
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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
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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.
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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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Esquematización del principio de Huygens.
Sin embargo, cuando estamos en presencia de obstáculos, el comportamiento varía. Por ejemplo, cuando el frente de onda se encuentra con un obstáculo plano con una pequeña abertura, las irradiaciones de las fuentes puntuales secundarias que atraviesan la abertura dejan de anularse totalmente, de tal modo que el frente de onda se «dispersa» o reparte hacia afuera; a este fenómeno se le conoce con el nombre de difracción (véase la Figura 3.20).
un frente de onda plano y finito.
Finalmente, el fenómeno de difracción explica por qué las ondas pueden sortear esquinas de obstáculos, pues la anulación de las irradiaciones en este caso será parcial, permitiendo que las ondas secundarias se propaguen entorno a las aristas del obstáculo, hacia lo que se conoce como zona de sombra.
Recuerda que ... El fenómeno de zona de sombra puede apreciarse cuando abrimos la pu erta de una habitación oscura y observamos cómo la parte trasera de la puerta se ve iluminada por la lu z qu e entra desde el exterior.
Ondas reflejadas
Avance del frente de onda Frente de onda incidente ----I~ original
Desaparece la anulación mutua de las ondas secundarias
P1
Zon a de sombra, NO hay anulación mutua de las ondas secundarias
Frente de onda incidente - -+1 original Fuentes puntuales secundarias
Figura 3.21. Fenómeno
Obstáculo
Anulación mutua de las ondas secundarias
de difracción en la esquina de un obstáculo.
• • • Interferencia La interferencia tiene lugar cuando dos o más ondas electromagnéticas coinciden en el espacio y tiempo, superponiéndose para formar una onda resultante que puede tener mayor o menor amplitud y que, por lo general, produce un efecto indeseado en las comunicaciones, degradándolas.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Muchos autores consideran la difracción e interferencia como fenómenos indisolubles, al sostener que la difracción es un caso particular de interferencia. Citando a uno de los físicos más importantes del siglo XX, Richard Feynman: «Nadie ha sido capaz de definir de manera satisfactoria la diferencia entre interferencia y difracción, simplemente es una cuestión de uso, sin diferencias físicas sustantivas».
.uJjeIlM@m¡, _ _ La cita de Richard Feynman, estadounidense, en su idioma natal: «No -one has ever been able to define the diffe-
En general, podemos afirmar que, en todos los sistemas de radiocomunicación existen los tres modos de propagación; sin embargo, algunos son despreciables frente al tipo de terreno (distancia, visibilidad, etcétera) y la frecuencia empleada para la señal de radiofrecuencia. Las ondas terrestres se propagan mejor a frecuencias inferiores a 1,5 Mhz, ya que conforme aumentamos la frecuencia, las pérdidas en el suelo se incrementan también . A mayores frecuencias se suelen emplear ondas celestes, y a muy elevadas frecuencias, las ondas espaciales, como veremos. En la Figura 3.22 se muestran los distintos modos de propagación entre dos antenas.
rence between interference and diffraction satisfactorily. It is just a question of usage, and there is no specijic, important physical difference between them» .
• • 3.1.9. rropagación de ondas ele ctromagnéticas Cuando las ondas de radiofrecuencia se propagan por la atmósfera terrestre se ven afectadas por las propiedades de la misma y de la Tierra.
Sabías que ... Las ondas de radiofrecuencia, cuando se propagan por la atmósfera terrestre, reciben el nombre de ondas terrestres y, a las comunicaciones que se producen entre dos o más puntos lejanos de la atmósfera, las denominamos comunicaciones terrestres.
Si bien es cierto que, en condiciones ideales, en el espacio vacío las ondas de radiofrecuencia se propagan en línea recta, cuando estas se propagan por la atmósfera se ven sometidas a las propiedades de la misma, sufriendo los fenómenos de reflexión, refracción, difracción e interferencia, dependiendo de muy diversos factores, como la capa de la atmósfera en la que la comunicación tiene lugar, la frecuencia de la transmisión, la distancia, si es un día lluvioso o soleado, si es de día o de noche, etcétera. Es por ello que no existe una única forma de transmitir las ondas terrestres por la atmósfera, sino que podemos encontrar diversos modos de propagación de las mismas. En resumen, podemos afirmar que existen fundamentalmente tres modos de propagación de las ondas electromagnéticas en la atmósfera terrestre: • Onda terrestre. • Onda espacial. • Ondas celestes o ionosféricas.
Figura 3.22. Ejemplo de modos de propagación de las ondas de radiofrecuencia.
• • • rropagación por on~as terrestres Las ondas terrestres son ondas electromagnéticas que viajan por la superficie de la Tierra, por lo que también reciben el nombre de ondas superficiales. Las ondas superficiales deben ser ondas polarizadas verticalmente; esto es así porque en el caso de disponer de polarización horizontal, el campo eléctrico de las mismas entraría en «cortocircuito» con la superficie de la Tierra, ya que esta es conductiva. La superficie de la Tierra introduce pérdidas (por resistencia y dieléctrico), lo que supone que las ondas terrestres se atenúen en su propagación con la distancia. Además, la atmósfera terrestre dispone de un gradiente de densidad, concepto que hemos visto, siendo menos densa conforme nos alejamos de la superficie de la Tierra, por lo que el frente de onda se inclina progresivamente, en torno a la superficie de la Tierra, quedando cerca de esta, tal y como se muestra en las Figuras 3.23 y 3.24. El fenómeno de gradiente de densidad de la atmósfera nos permitirá que el frente de onda se propague más allá del horizonte visible entre dos puntos, pudiendo, en teoría, rodear la Tierra en su totalidad si transmitimos con la suficiente potencia; sin embargo, debemos tener cuidado en la elección del terreno y de la frecuencia sobre la que la onda
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RICIDAD-ELECTRÓNICA terrestre se va a propagar, pues puede llegar a «inclinarse» en exceso y absorberse por la superficie de la Tierra.
ricas. Por el contrario, requieren la utilización de antenas muy grandes, lo cual se debe, como veremos más adelante, a la baja frecuencia que emplean; la potencia que se requiere para transmitir estas señales es muy alta y la variabilidad del terreno dificulta el cálculo de las pérdidas que se introducen en la propagación.
Recuerda que ... Frente de onda origen, ne,,)end.icula~ I a la superficie
se pierde debido a la inclinación
Las ondas superficiales se propagan a través de la Tierra sobre la superficie de la misma, siguiendo su curvatura, alcanzando distancias superiores al horizonte óptico . Es frecuente la utilización de antenas de tipo mono polos verticales, apoyadas sobre la tierra, con alturas de hasta 200 metros, y con polarización vertical. Las distancias, para la banda de LF (30-300 Khz), llegan hasta los 2000 kilómetros, reduciéndose a apenas los 50 kilómetros para la banda de HF (3-30 Mhz).
Figura 3.23. Propagación de ondas terrestres. Horizonte óptico
• • • Propagación por on~as espaciales
Horizonte de radio
La propagación por ondas espaciales es aquella comprendida en los kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre y está formada por la superposición de ondas directas y ondas reflejadas, tal y como se muestra en la Figura 3.25.
Figura 3.24. Detalle de propagación terrestre por encima de la línea de
horizonte.
En general, las ondas terrestres se propagan mucho mejor sobre medios como el océano o el mar (agua salada) que sobre superficies desérticas.
Sabías que ... Las comunicaciones marítimas entre barcos o un barco y tierra y los sistemas de radionavegación emplean frecuentemente ondas terrestres a una frecuencia de apenas unos 15 Khz,
Línea de vista = Line of Sight, por lo que a la transmisión por línea de vista también se la conoce como transmisión LOS.
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En resumen, podríamos afirmar que las principales bondades de las comunicaciones por ondas terrestres son que es posible su utilización para comunicar dos puntos de la Tierra, bajo las condiciones adecuadas, y que se ven poco afectadas por la variabilidad de las condiciones atmosfé-
Las ondas directas son aquellas que viajan directamente entre las antenas del transmisor y del receptor, lo que se denomina transmisión de línea vista, y está limitada esencialmente por la curvatura de la Tierra, que presenta a las ondas
ELECTRICIDAD-ELECTRO Antena transmisora
Antena receptora
Figura 3.26. Detalle del horizonte de radio de ondas espaciales.
directas espaciales un horizonte que se conoce como horizonte de radio que es un poco mayor que el horizonte óptico (debido al gradiente de densidad que produce refracción), siendo aproximadamente cuatro tercios el horizonte óptico. Cuando deseamos aumentar el horizonte de radio, basta con aumentar la altura de las antenas, colocándolas sobre torres o grandes edificios o en la cima de montañas, por ejemplo. Por otra parte, no olvidemos que también tenemos las ondas reflejadas, que son las ondas que se reflejan en el suelo entre el transmisor y el receptor. Por lo que la intensidad de campo que llega a la antena del receptor dependerá, por una parte, de la distancia entre emisor y receptor (afectada por la atenuación y absorción), y por otra de que ambas ondas, la directa y la reflejada, lleguen en fase o no (interferencia).
Sabías que ... Existe un modo de propagación especial conocido como propagación por conductos que, dadas unas condiciones especiales en la atmósfera terrestre, provoca que las ondas electromagnéticas queden atrapadas entre ella y la superficie de la Tierra, actuando como un «co nducto », lo que permite la propagación de la onda electromagnética a grandes distancias.
• • • Propagación por on~as celestes oionosféricas Las ondas celestes o ionosféricas son aquellas que se radian formando un ángulo relativamente grande respecto al horizonte o superficie de la Tierra. Se dirigen hacia la atmósfera, donde son reflejadas o refractadas hacia la superficie de la Tierra por la ionosfera, que se encuentra a una distancia de entre 50 y 400 kilómetros, por lo que también se las conoce como ondas ionosféricas (véase la Figura 3.28). La ionosfera absorbe una gran cantidad de radiación solar, lo que produce que las moléculas del aire se ionicen y se produzcan electrones libres, lo que conlleva a que la constante dieléctrica de la ionosfera se reduzca, aumentando la velocidad de propagación y propiciando que las ondas de radio se «desv íen», es decir, se produce un fenómeno de refracción. A mayor densidad de iones, mayor es el fenómeno de refracción. A medida que la frecuencia de las ondas de radio aumenta, la radiación electromagnética es capaz de penetrar más profundamente en la ionosfera.
Recuerda que ... A medida que la frecuencia de las ondas de radio aumenta, la radiación electromagnética es capaz de penetrar más profundamente en la ionosfera.
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Figura 3.27. Ejemplo de propagación por conductos atmosféricos.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA
Figura 3.28. Irradiación de ondas celestes o ionosféricas,
La ionosfera está, a su vez, estratificada en capas, D, E Y F (Fl Y F2), situadas en distintas localizaciones, como se muestra en la Figura 3.29 . Veamos algunas propiedades de las mismas: • Capa D. Es la capa inferior, situada entre los 50 y los 100 kilómetros de distancia sobre la Tierra. Al ser la capa más lejana al Sol es la que presenta menos densidad de ionización, teniendo una escasa influencia sobre la dirección de propagación de las ondas. Además, su densidad de ionización depende de la posición del Sol, por lo que por la noche esta capa «desaparece». La capa D refleja las ondas VLF (3-30 Khz) y LF (30-300 Khz) yabsorbe las ondas MF (300- 3000 Khz) y HF (3-30 Mhz).
Nota VLC: muy baja frecuencia, de 3 a 30 Khz . LF: baja frecuencia, de 30 a 300 Khz. MF: frecuencia media, de 300 Khz a 3 Mhz. HF: alta frecuencia, de 3 a 30 Mhz.
• Capa E . Se encuentra comprendida entre los 100 y los 140 kilómetros. También ve afectada su densidad de ionización en función del Sol, prácticamente desapareciendo durante la noche, como la capa D . Es una capa que propicia la propagación de las ondas de MF (es decir, las refleja) y refleja un poco las de HF durante las horas de mayor densidad de ionización.
Sabías que ... A la capa E tambi én se la conoce como capa de KennellyHeaviside, por sus descubridores.
Figura 3.29. Capas de la ionosfera,
Sabías que ...
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Las ondas de mu y alta frecuencia, VHZ, de 30 a 300 Mhz, pueden llegar a penetrar hasta los 70-100 ki lómetros y son empleadas en las comunicaciones tierra-aire de corto alcance, apenas unos cientos de kilómetros, y en las comunicaciones marinas. En el rango de los 300 a 3000 Mhz, las ondas de radio no son reflejadas por la ionosfera, escapando al exterior (si no son absorbidas por pérdida de potencia), por lo que su recepción se limita a la línea de horizonte, siendo empleadas en aplicaciones de telefonía móvil, televisión y frecuencia modulada. Si deseamos aumentar el alcance empleando estas frecuencias, tendremos que hacer uso de satélites como elementos intennedios de retransmisión.
• Capa F. Está compuesta por dos subcapas, Fl y F2, durante e l día, las cuales se combinan en una única capa, F, por la noche. La capa Fl se caracteriza por su e levado coeficiente de absorción, atenuando las ondas de HF; sin embargo, la mayoría de las ondas la atraviesan hasta alcanzar la capa F2, siendo reflejadas hacia la superficie de la Tierra.
Recuerda que ... Las ondas reflejadas por la ionosfera alcanzan la superficie de la Tierra únicamente a determinadas distancias del transmisor, distancia que dependerá, fundamentalmente, de la frecuencia utilizada, del ángulo de reflexión y de la «profundidad de penetración».
ELECTRIC IDAD-ELECTRO Onda de muy alta frecuenc;a1 atravies~ la atmósfera """
Onda de alta frecuencial se refleja en
las capas superiores
Figura 3.30. Propagación de ondas ionosféricas en función de la frecuencia .
• • • Propagación vía satélite Cuando se trabaja con ondas de un rango de frecuencias muy elevado, superiores a 30 Mhz, las ondas terrestres son rápidamente atenuadas, precisándose que exista visibilidad radioeléctrica entre las antenas del emisor y del receptor, para lo cual se emplea el rayo directo. Como se precisa visibilidad directa, es frecuente colocar repetidores en la superficie de la Tierra o bien en el espacio, es decir, empleando satélites, en cuyo caso decimos que estamos frente a un sistema de propagación vía satélite. La propagación por el espacio, entonces, emplea como retransmisor o repetidor satélites en lugar del fenómeno de refracción atmosférica, ya que para el rango de frecuencias de VHF (30-300 Mhz) y superiores, la ionosfera se hace «transparente», de tal manera que las señales emitidas por la antena del transmisor son recibidas por un satélite en el espacio que la reenvía al receptor nuevamente, incrementando la distancia que puede cubrirse.
Gracias a la utilización de los satélites, es posible realizar enlaces de gran distancia con frecuencias que van desde los 30 Mhz hasta varios gigahercios, permitiendo una gran direccionalidad y pudiendo «alumbrar» zonas específicas. En la Tabla 3.1 especificamos algunas de las bandas de comunicación utilizadas en las comunicaciones por satélite.
Tabla 3.1. Algunas bandas de comunicación utilizadas en las comunicaciones por satélite Rango de frecuencias ascendentes (GHz)
Rango de frecuencias descendentes (GHz)
e
5,925 - 6,425
3,7 - 4,2
Ku
14,0-14,5
11 ,7 -12,2
Ka
27,5 - 30,5
17,7 - 21 ,7
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Figura 3.31. Esquema de comunicación vía satélite.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • • 3.1.10. Términos ydefiniciones de propagación
gar directa hacia arriba, a la atmósfera, y es reflejada por la ionosfera de nuevo a la Tierra. En general, esta frecuencia dependerá de muy diversos factores, como las condiciones atmosféricas o la radiación solar.
Existen algunos términos frecuentemente empleados en sistemas de radiocomunicación, algunos de los más importantes se explican a continuación.
Con el objetivo de permitir que se produzca la reflexión de las ondas ionosféricas hacia la Tierra, para una frecuencia dada, se puede disminuir el ángulo de inclinación vertical, propiciando la reflexión, existiendo, para cada frecuencia, un ángulo a partir del cual la reflexión no se produce; a este ángulo se le denomina ángulo crítico.
• • • frecuencia crítica yángulo crítico Tal y como hemos comentado con anterioridad, las ondas de muy alta frecuencia no son afectadas por la ionosfera, atravesándolas, por lo que existirá una frecuencia a partir de la cual las ondas celestes no sean refractadas y pasen al espacio exterior. Se define la frecuencia crítica como la máxima frecuencia de la onda celeste que se puede propa-
• • • Altura virtual La altura virtual se define como la distancia desde la superficie de la Tierra, en la que una onda que es refractada, «virtualmente» parece reflejarse (véase la Figura 3.33) .
Atraviesan la ionosfera, escapando
de la atmósfera
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Figura 3.32. Detalle del ángulo crítico, Onda reflejada
Altura real
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Figura 3.33. Concepto de altura virtual.
Onda refractada real
Altura virtual
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... La técnica que nos permite cuantificar el ángulo crítico recibe el nombre de sondeo ionosférico.
• • • Máxima frecuencia útil La máxima frecuencia útil o MUF se define como la mayor frecuencia utilizable para la propagación de ondas ionosféricas entre dos puntos cualesquiera situados en la superficie de la Tierra. Se calcula en base a la siguiente fórmula (conocida como Ley de la Secante): MUF =
F crílica
cos(cp)
11 3.2. fspectro electromagnético versus espacio radioeléctrico Desde un punto de vista meramente físico, podríamos definir el espectro electromagnético como aquel que está formado por un conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, abarcando desde las radiaciones de infrarrojo hasta los rayos cósmicos y pasando por la luz visible, los rayos X, las microondas, etcétera. El espacio electromagnético se divide en segmentos o bandas para su estudio, tal y como se muestra en la Tabla 3.2. Tabla 3.2. Bandas del espectro electromagnético
donde F crílica es la frecuencia crítica y rp el ángulo de incidencia.
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Rayos gamma
' R~~~'~")("""''''''' '''
Sabías que ... En la práctica se recomienda trabajar con un valor de MUF del 85 % del valor calculado dada la inestabilidad de la ionosfera a consecuencia de las condiciones climáticas y de la radiación solar. A esta frecuencia de funcionamiento se la denomina Frecuencia Óptima de Trabajo o OWF (Optimum Working Frequency) .
< 1Ox1 0- 12 > 30,Ox1 018 .......................... : .... ·~.. 1· 0~új::9...... [ " ;"30','o~ 1'(i; 5 "':
. .............. ", ...................................................... " ........ , ................................. : Ultravioleta extremo : < 200x1 0-9 : > 1,5x1 015 [
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: 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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[ Microondas
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Ultra alta frecuencia - Radio
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Muy alta frecuencia - Radio
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> 1,7x1 06
Onda media - Radio
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> 650x1 03
Onda larga - Radio
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> 30x1 03
Muy baja frecuencia - Radio
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Onda corta - Radio
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El ángulo es tal que la onda no se refracta
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Figura 3.34. Esquematización de la distancia de salto.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • • 3.2.1. fspectro radioeléctrico ybandas del espacio radioeléctrico Un concepto más práctico en los sistemas de comunicación radioeléctricos es el concepto de espectro radioeléctrico o espacio radioeléctrico, que puede definirse como el medio a través del cual se transmiten las frecuencias de las ondas de radio electromagnéticas que posibilitan los servicios de telecomunicación como son la radio, la televisión, internet, televisión digital terrestre, etcétera, el cual es administrado por el gobierno de cada país. Si deseamos una definición más precisa del concepto de espectro o espacio radioeléctrico podemos acudir a la proporcionada por la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones), que lo define como «las frecuencias del espectro electromagnético usadas para los servicios de difusión y servicios móviles, de policía, bomberos, radioastronomía, meteorología y fijos». Es, por tanto, un subconjunto del espectro electromagnético y es un concepto dinámico, puesto que los rangos de frecuencia aumentan y disminuyen conforme evoluciona la tecnología.
Los sistemas de telecomunicaciones emplearán el espacio radioeléctrico para dotar de servicios de radiocomunicación, abarcando desde frecuencias inferiores a 1 Khz, hasta superar los 300 Ghz. Por otra parte, los sistemas de comunicación óptica funcionan a frecuencias mayores, como la luz visible o los infrarrojos. La Unión Internacional de Telecomunicaciones también divide el espectro radioeléctrico en bandas de frecuencia. Así, por ejemplo, a la banda que abarca el rango comprendido entre los 3 y los 30 megahercios la denomina banda HF, banda 7 o banda de alta frecuencia. En la Tabla 3.3 se muestra la relación de la designación de bandas del espacio radioeléctrico por parte de la UIT. La anterior clasificación es sumamente general, pues cada una de las bandas anteriores puede dividirse a su vez en subbandas destinadas a diferentes tipos de servicios. Así, por ejemplo, el rango de frecuencias de las microondas, que comprende desde 1 Ghz a 300 Ghz, abarca parte del rango de UHF y el rango completo de SHF y EHF, los cuales son empleados en numerosas aplicaciones: radar, hornos microondas, satélites, transmisión de datos, etcétera. Se subdividen como se especifica en la Tabla 3.4.
Tabla 3.3. Designación de bandas del espacio radioeléctrico según la UIT Nombre
Frecuencias
: Extra baja frecuencia
ELF
: Súper baja frecuencia
SLF
: Ultra baja frecuencia
ULF
.... ... .. .... .... .. .. ......... ............. . : Baja frecuencia
: Media frecuencia : Alta frecuencia
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100.000-10.000 km
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Muy alta frecuencia
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Tabla 3.4. Banda de frecue ncias para las microondas
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Banda
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ELECTRICIDAD-ELECTRO • • 3.2.2. Gestión del espectro radioeléctrico El espectro radioeléctrico, entendido como el conjunto de bandas de frecuencia que pueden utilizar los distintos servicios de radiocomunicación, constituye un recurso limitado y está legislado por cada país. Esto implica que no todo el mundo puede utilizarlo libremente, pues esto supondría un caos que llevaría a que los distintos servicios pudieran interferirse entre sí y se dieran prácticas que podrían, incluso, poner en riesgo la salud humana. Se hace entonces necesario ordenar la utilización del espacio radioeléctrico. A nivel internacional, es la Unión Internacional de Telecomunicaciones, fonnada por miembros de la mayoría de los países del mundo, la responsable del estudio y asignación de las frecuencias del espectro radioeléctrico, emitiendo normas, estándares y recomendaciones a nivel internacional y que, en términos generales, son adoptadas por los países miembros. La UIT distingue tres regiones en el mundo a efectos de asignación de frecuencias y administración del espectro radioeléctrico. La Región 1 la componen Europa, África y una parte asiática del antiguo territorio perteneciente a la U nión Soviética. El continente americano forma en su totalidad la Región 2 y, finalmente, la Región 3 está formada por el resto de Asia y Oceanía.
• • 3.2.3. Tipos de servicios de radioco municación Un servicio de radiocomunicación es aquel que supone la transmisión, emisión o recepción de ondas radioeléctricas para facilitar a terceros o al público en general, tal que, a través de una red de telecomunicaciones, cualquier usuario pueda establecer una comunicación desde un punto de la red a cualquier otro punto de la misma u otras redes. Los distintos tipos de servicios de radiocomunicación son establecidos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) a través del Reglamento de Radiocomunicaciones. En España, el espacio radioeléctrico está regulado por la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información, dependiente del Ministerio de Industria, Energía y Turismo. La última reglamentación que adapta al territorio nacional el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT es la Orden IET/787/2013, de 25 de Abril, que aprueba el denominado Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) para los diferentes tipos de servicios de radiocomunicación, definiendo, a su vez, la atribución de bandas de frecuencia a sus respectivos servicios y las característi cas técnicas que se precisen. A continuación enumeramos algunos de los servicios de radiocomunicación que podemos encontrar descritos en el CNAF: • Servicio Fijo (SF). Servicio de radiocomunicación entre puntos fijos determinados .
Figura 3.35. Regiones para la administración del espacio radioeléctrico según la UfT.
Sabías que ... Las recomendaciones emitidas por la UIT en materia de radiocomunicaciones no son impositivas legalmente en los países miembros, es decir, no son de obligado cumplimiento . Sin embargo, la mayoría son adaptadas e incorporadas a las legislaciones nacionales de cada país, acomodándolas a las particularidades a las que esté sujeta cada nación. En España, es el Ministerio de Industria, Energía y Turismo el responsable de su gestión.
• Servicio Fijo por Satélite (SFS). Servicio de radiocomunicación entre estaciones terrenas situadas en emplazamientos dados cuando se utilizan uno o más satélites; el emplazamiento dado puede ser un punto fijo determinado o cualquier punto fijo situado en una zona determinada. En algunos casos, este servicio incluye en laces entre satélites; el servicio fijo por satélite puede tambi én incluir enlaces de conexión para otros servicios de radiocomunicación espacial. • Servicio móvil. Servicio de radiocomunicación entre estaciones móviles y estaciones terrestres o entre estaciones móviles. • Servicio Móvil Aeronáutico (R). Servicio móvil aeronáutico reservado a las comunicaciones aeronáuti cas relativas a la seguridad y regularidad de los vuelos, principalmente en las rutas nacionales o internacionales de la aviación civil. Servicio de radiodifusión. Servicio de radiocomunicación cuyas emisiones se destinan a ser recibidas directamente por el público en general. Dicho servicio abarca emisiones sonoras, de televisión o de otro género.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • Servicio de radiodifusión por satélite. Servicio de radiocomunicación en el cual las señales emitidas o retransmitidas por estaciones espaciales están destinadas a la recepción directa por el público en general.
• Servicio de exploración de la Tierra por satélite. Servicio de radiocomunicación entre estaciones terrenas y una o varias estaciones espaciales que pueden incluir enlaces entre estaciones espaciales y en el que:
• Servicio de radionavegación. Servicio de radiodeterminación para fines de radionavegación.
- Se obtiene información sobre las características de la Tierra y sus fenómenos naturales, incluidos datos relativos al estado del medio ambiente, por medio de sensores activos o de sensores pasivos a bordo de satélites de la Tierra.
• Servicio de radionavegación por satélite. Servicio de radiodeterminación por satélite para fines de radionavegación.
- Se reúne información análoga por medio de plataformas situadas en el aire o sobre la superficie de la Tierra.
• Servicio de radionavegación aeronáutica. Servicio de radionavegación destinado a las aeronaves y a su explotación en condiciones de seguridad
- Dichas informaciones pueden ser distribuidas a estaciones terrenas dentro de un mismo sistema.
• Servicio de radiolocalización. Servicio de radiodeterminación para fines de radiolocalización.
- Puede incluirse asimismo la interrogación de plataformas.
• Servicio de aficionados. Servicio de radiocomunicación que tiene por objeto la instrucción individual, la intercomunicación y los estudios técnicos, efectuado por aficionados, esto es, por personas debidamente autorizadas que se interesan por la radiotecnia con carácter exclusivamente personal y sin fines de lucro.
• Servicio de operaciones espaciales. Servicio de radiocomunicación que concierne exclusivamente al funcionamiento de los vehículos espaciales, en particular el seguimiento espacial, la telemedida espacial y el telemando espacial.
ATRIBUCIÓN A lOS SERVICIOS según el RR de la UIT
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1710·2170 MHz Región 1
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OBSERVACIONES
1710 - 2170 MHz
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Región 3
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Figura 3.36. Asignación de la banda DECT en el cuadro de atribución de frecuencias de la Orden IET/787/2013.
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ELECTRICIDAD-ELECTRO de vehículos, que funcionan en una banda de tipo ICM, que son bandas dedicadas a aplicaciones industriales, científicas y médicas. Concretamente, nos referimos a la banda de 433,92 Mhz.
Sabías que ... El CNAF está disponible en la página web del Ministerio de Industria, Energía y Turismo a través del enlace http:// www.minetur.gob.es/telecomunicacioneslEspectro/
11 3.3. rarámetros de las antenas
• • 3.2.4. Atribución de bandas yfrecuencias La Orden IET/787/2013, de 25 de abril, publicada en el Boletín Oficial del Estado número 111, también presenta una extensa y detallada tabla con la atribución de frecuencias según la UIT y la adaptación y uso en el territorio nacional. Así, por ejemplo, encontramos que para los teléfonos inalámbricos con tecnología DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications, Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente), frecuentemente empleados en nuestros hogares, la frecuencia debe estar comprendida entre los 1710 y los 1930 Mhz . También podemos observar la atribución que se hace para algunos telemandos de apertura de garajes y puertas
ATRIBUCIÓN A LOS SERVICIOS según el RR de la UlT
! Región 1
Región 2
I
• • 3.3.1. Definición ycálculo El IEEE (lnstitute of Electrical and Electronics Engineers, Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) define una antena como «aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas» .
ATRIBUCIÓN NACIONAL
I
410 -460 MHz
Las antenas son una parte fundamental en los sistemas radioeléctricos de comunicación que empleamos en nuestro día a día, pues actúan como emisores y/o receptores de las ondas electromagnéticas que son necesarias para que tengan lugar las comunicaciones inalámbricas.
I
410 -460 MHz
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Figura 3.37. Asignación de una banda ICM en el cuadro de atribución de frecuencias de la Orden IET/787/2013.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA ........................ l·········. ··. . . -···_·... . . . . . •...l
En un circuito generador como podría ser la etapa de amplificación de un transmisor, este se acopla a la antena por medio de una línea de transmisión. La antena, a su vez, convierte la onda electromagnética guiada procedente de la línea de transmisión en una onda radiada. Si bien es cierto que existen multitud de tipos de antenas, todas ellas comparten el hecho de que actúan como interfaz entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, pudiéndole asignar un carácter direccional, lo que significa que sirven para conectar líneas de transmisión con el espacio libre y viceversa.
Recuerda que ... La línea de transmisión acopla la energía procedente de un transmisor con una antena de transmisión. La antena, a su vez, acopla la energía conducida por la línea de transmisión al espacio radioeléctrico. En recepción el proceso es similar pero a la inversa.
Sabías que ... Una guía de ondas es un caso especial de línea de transmisión que está formada por un tubo metálico conductor diseñado para conectar eficientemente las ondas electromagnéticas de una antena y un transmisor y/o receptor.
• • 3.3.2. Circuito equivalente de una antena En un sistema de radiocomunicación, el transmisor está conectado al receptor por medio de líneas de transmisión, antenas y el espacio libre. Este acoplamiento entre el transmisor y el receptor puede representarse como se muestra en la Figura 3.38.
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Receptor
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Antena RX
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................... J t_._..._ _ _~ Figura 3.39. (Izquierda) Circuito equivalente del transmisor. (Derecha) Circuito equivalente del receptor.
• • 3.3.3. Reciprocidad de antenas Las antenas son elementos recíprocos pasivos cuyas propiedades pueden considerarse bidireccionales. Son elementos pasivos ya que estas no amplifican la señal (aunque, como veremos, puedan tener ganancia) . Sin embargo, en algunos casos, se habla de antenas activas, refiriéndose realmente a un elemento compuesto por una antena pasiva junto a un amplificador de bajo ruido (LNA). Son dispositivos recíprocos, lo que significa que sus propiedades y características, como la ganancia, el ancho de banda, la directividad, etcétera, son idénticas tanto en transmisión como para recepción. A nivel constructivo, las antenas en transmisión se diferencian de las antenas en recepción por la gran potencia que precisan las primeras transmitir; pensemos, por ejemplo, en una antena de una emisora de radio comercial. Esto implica que se fabrican con materiales capaces de soportar altos voltajes e intensidades, mientras que las antenas de los receptores (siguiendo con el ejemplo, la radio), trabajan con potencias muy pequeñas y las antenas tienen un diámetro mucho menor. Cuando deseamos utilizar una antena tanto en transmisión como en recepción, empleamos un elemento conocido como diplexor que evita que las señales del transmisor se acoplen en el receptor, dirigiendo las señales de transmisión y recepción .
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Espacio radioeléctrico
··1.- ... _.__ ......... ___ ......... Figura 3.38. Acoplamiento entre transmisor y receptor. o "E .1" ro
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A su vez, podemos modelar la antena en transmisión y la antena en recepción mediante un circuito equivalente, de tal manera que el transmisor y el receptor de un sistema de radiocomunicación pueden representarse como se muestra en la Figura 3.39 .
Recuerda que ... Recuerda que las antenas activas realmente están formadas por una antena pasiva y un LNA, por lo que estas no son recíprocas; se utilizan para transmitir o para recibir.
• • 3.3.4. Diagrama de radiación El diagrama de radiación o diagrama de radiación relativa puede definirse como la representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena en función de las distintas direcciones del espacio a una distancia fija .
ELECTRICIDAD-ELECTRO Recuerda que ... Definiremos el diagrama de radiación como la representación gráfica de la radiación de una antena en función de la dirección, a una distancia constante. Debemos distinguir entre el diagrama de radiación absoluta y el diagrama de radiación relativa: • Diagrama de radiación absoluta. La gráfica se realiza en términos de intensidad de campo o densidad de potencia, es decir, se representa una potencia fija frente a una distancia variable. • Diagrama de radiación relativa. La gráfica representa el valor de la intensidad de campo o densidad de potencia respecto de un valor de referencia, es decir, distancia fija e intensidad de campo variable. Las características de radiación de una antena se pueden describir, en general, empleando un sistema de coordenadas esférico, tal y como se muestra en la Figura 3.40.
El diagrama de radiación podría representar el campo eléctrico, el magnético o la densidad de potencia. Como el campo magnético se deriva del campo eléctrico y la densidad de potencia, en campo lejano, es proporcional al cuadrado del campo eléctrico, lo habitual es emplear el campo eléctrico de la antena para representar su diagrama de radiación, pues el resto puede deducirse fácilmente de este, o lo que es lo mismo, contienen la misma información. También es frecuente representar el campo eléctrico de forma absoluta o relativa, es decir, normalizando en la representación del diagrama de radiación a un valor máximo la unidad.
Recuerda que ... El diagrama de radiación puede hacerse empleando el campo magnético, el eléctrico o la densidad de potencia, aunque lo habitual es utilizar el campo eléctrico .
z
z
Figura 3.40. Sistema de coordenadas polar.
En dicho diagrama, cualquier punto está perfectamente determinado por la distancia al centro de coordenadas, d, y los ángu los
Nota Los diagramas de radiación tienen utilidad en zonas alejadas de la fuente, es decir, en lo que se denomina como campo lejano, donde el diagrama de radiación es el mismo independientemente de la distancia. En zonas próximas a la antena, el patrón de radiación puede no comportarse como se representa en el diagrama de radiación.
Figura 3.41 . Ejemplo de posible diagrama de radiación de una antena.
En el caso de antenas que están linealmente polarizadas, es decir, aquellas donde la orientación del campo eléctrico se mantiene constante con la propagación de la onda, se pueden definir los planos E y H como: • Plano E. Es aquel que forma la dirección de máxima radiación y el campo eléctrico. • Plano H. Es el formado por la dirección de máxima radiación y el campo magnético. Dado que los campos eléctrico y magnético de las ondas electromagnéticas son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, como ya hemos estudiado, los planos E y H también lo son, siendo su intersección la dirección de máxima radiación de la antena.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA La representación tridimensional en coordenadas esféricas del patrón de radiación de una antena es frecuentemente simplificada mediante la representación de un corte extraÍdo del mismo para un ángulo <1> y/o
Se denomina haz principal o lóbulo principal a la zona en que la radiación es máxima; por otra parte, aquellas regiones donde existe radiación de menor amplitud rodeando al lóbulo principal reciben el nombre de lóbulos laterales. Ancho del haz a media potencia
La Figura 3.42 muestra un ejemplo de representación de un plano principal (con
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Lóbulos laterales
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Figura 3.42. Diagrama de radiación en coordenadas cartesianas.
También podemos optar por una representación en coordenadas polares, tal y como se muestra en la Figura 3.43. y
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Figura 3.44. Detalle del lóbulo principal y de los lóbulos secundarios en un diagrama de radiación.
En relación con los diagramas de radiación existe un conjunto de definiciones que conviene conocer. Algunas de las más utilizadas son:
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Lóbulo principal. Se define como aquella zona en la que la radiación es máxima . Lóbulos laterales. Son zonas de radiación que, a menudo, rodean al lóbulo principal. Lóbulo secundario. En algunos diagramas de radiación, lo constituye un lóbulo lateral de mayor amplitud. Lóbulo posterior. Es el lóbulo que forma 180 grados respecto al lóbulo principal.
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Figura 3.43. Diagrama de radiación en coordenadas polares.
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La magnitud del campo eléctrico se suele expresar normalmente en decibelios. En el caso de emplear una representación con escala relativa, es decir, normalizando el máximo a uno, el diagrama de radiación presentará un máximo en O dB Y el resto de ángulos tendrán un valor negativo de decibelios, como podemos observar en las Figuras 3.42 y 3.43.
Ancho del haz a mitad de potencia (118_ 3d8 ). Es la separación angular existente entre las direcciones en las que la potencia de radiación es la mitad de la potencia máxima (se puede demostrar que en un esquema normalizado expresado en decibelios corresponde al nivel -3 dB). • Ancho de haz entre ceros (118 z ). Es la separación angular existente entre las direcciones en las que el haz del lóbulo principal se hace nulo. • Relación delante-detrás (DD). Cociente entre ellóbulo principal y el lóbulo posterior. • Relación lóbulo principal-lóbulo secundario (NLPS). Relación entre el lóbulo principal y, normalmente, el lóbulo secundario adyacente al mismo.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • 3.3.5. Impedancia de entrada Cuando conectamos una antena a un transmisor perseguimos que se transfiera la máxima potencia con las mínimas pérdidas, debiendo existir adaptación de impedancias entre el transmisor y la antena. Todas las antenas presentan a su entrada una impedancia de entrada, que no es más que la relación entre la tensión y la intensidad medida en el punto de conexión (entrada) de la misma. Z
=
Z
e
= V ellfrada entrada
1
el/trada
Esta impedancia de entrada tendrá una parte real y una parte imaginaria, ambas dependientes de la frecuencia.
Por lo general, Rp es mucho menor que R,; sin embargo, en antenas donde la longitud de onda utilizada es mayor que las dimensiones de las mismas la resistencia de pérdidas puede ser considerable. En caso de adaptación de impedancias, la potencia entregada por el transmisor será igual a la suma de potencias radiada y disipada:
Dado que no toda la potencia entregada por el transmisor es convertida en potencia radiada, se define el rendimiento o eficiencia de la antena como la relación existente entre la potencia radiada y la potencia entregada: r¡
=
P radiada
Pradiada
P ellfregada
Se dice que la antena es resonante a una frecuencia dada cuando la impedancia de entrada no presenta parte imaginaria, es decir, Z e = R e (wr ). Por lo general, una antena presenta varias resonancias, las cuales se conocen como modos. Suponiendo que toda la potencia transferida por el emisor llega a la antena (es decir, están adaptados en impedancia), si bien lo ideal sería que toda la potencia entregada se radiara, esto no sucede así. El principal motivo es que parte de la potencia entregada a la antena se disipa en pérdidas. Para modelar estar pérdidas, se introduce al término real de la impedancia de la antena dos términos: la resistencia de radiación, Rr , Y la resistencia de pérdidas, Rp. Z e =
Re(w)
+ jX e(w)
= R,(w)
=
\
Rp
o
,,
•
Rp
,
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•
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o
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,
:
+ R,
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o
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,,
Rp
,o potencia radiada
,
,
Rr, "
-~
Modelado de la potencia disipada
Figura 3.45. Circuito equivalente simplificado de una antena,
+ R,,(w) + jX e(w)
La resistencia de radiación representa la potencia que la antena radia hacia el espacio libre de forma efectiva. En otras palabras, R, es la resistencia que disiparía la misma potencia que la radiada realmente por la antena. La potencia radiada puede expresarse en términos de la resistencia de radiación como: P radiada
:
~-
+ Pradiadll
Pdi,,;pada
..,
,,
R,
• • 3.3.6. Oirectividad yganancia directiva Se define la ganancia directiva de una antena como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y a una distancia dada, entre la densidad de potencia en ese mismo punto que radiaría una antena de referencia (normalmente una antena isotrópica), suponiendo que ambas antenas están radiando la misma potencia. Es decir:
¡ 2 Rr
donde ¡ es la intensidad en el punto de alimentación de la antena.
D(rp, ep) = d(rp, ep)
Por otra parte, las pérdidas pueden modelarse utilizando una resistencia de pérdidas, que abarcarían todas las pérdidas introducidas, en los conductores, en los dieléctricos, en los núcleos de ferrita, etcétera. La potencia perdida en la antena se expresará del mismo modo que hemos visto anteriormente:
donde d(rp,ep) es la densidad de potencia en un punto y d,e/erencia la densidad de potencia de una antena de referencia.
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En el caso de tomar una antena isotrópica de referencia:
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d(rp,ep)
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Por otra parte, se define la directividad como la ganancia directiva máxima de una antena, es decir, es el cociente entre la densidad de potencia en la dirección del lóbulo de máxima intensidad y la densidad de potencia que radiaría una antena de referencia en el mismo punto y suponiendo que ambas radian la misma potencia. Directividad
=
D
' max 11//0
=
d
max¡IIlO
d referencia
Nota Las antenas en recepción también tienen directividad y ganancia de potencia, del mismo modo que las antenas en transmisión, por el principio de reciprocidad.
d¡nax¡'¡no
• • 3.3.8. rotencia isotrópica radiada equivalente (rIRf)
P,.Aerell cia '<-J '
4nR 2
Nota Frecuentemente se emplea el término ganancia directiva para referirnos realmente a la directividad y a la inversa. Si una antena es muy directiva (tiene un valor de directividad elevado), significa que es capaz de concentrar la potencia radiada (o recibida) en una determinada dirección. Tal es el caso de las antenas de tipo reflector parabólico, por ejemplo, como veremos más adelante.
• • 3.3.7. Ganancia de potencia El término ganancia de potencia es similar al de ganancia directiva con excepción de que se emplea la potencia total que alimenta a la antena, es decir, se considera el rendimiento o eficiencia de la antena, 1]. En el supuesto de que la antena de referencia (normalmente isotrópica) no tenga pérdidas, la ganancia de potencia se expresa como:
La potencia isotrópica radiada equivalente, también conocida como PIRE, es la cantidad de potencia que una antena isotrópica teórica tendría que irradiar para poder alcanzar la misma densidad de potencia observada en la dirección de máxima ganancia de una antena. La PIRE nos permite comparar distintas antenas con independencia de su tipo, forma o tamaño y viene expresada por la siguiente fórmula: PIRE=Prachada , · D rn ax '
11110
• • 3.3.9. rolarización
Gpotellcia (rjJ,qJ) = 1] . d(rjJ,qJ)
La polarización, como ya hemos visto anteriormente, no es más que la orientación del campo eléctrico de una onda electromagnética al propagarse. La polarización de la onda radiada por una antena puede variar en relación a la dirección respecto del eje de la antena. Por ello, cuando nos referimos a la polarización de una antena, solemos hacer mención a la polarización en la dirección donde la antena radia más potencia.
La ganancia de potencia suele expresarse empleando el decibelio en relación con una antena de referencia en particular, como hemos dicho:
Las antenas pueden estar polarizadas linealmente, bien en el plano vertical o en el plano horizontal, bien circularmente o elípticamente (Figura 3.46).
Gpotellcia(dB) = 1OIog (
1] .d(rjJ,qJ) ) d re!ere",,'ia
Cuando la ganancia de potencia se refiere a una antena tipo «dipolo en /-../2», se emplea la unidad dBd ; en cambio, cuando la referencia se refiere a una antena isotrópica, se utiliza la unidad dBi .
Recuerda que ... Una antena no puede suministrar más potencia que la que recibe a su entrada; no obstante, sí tiene la capacidad directiva de concentrar la densidad de potencia en una dirección de interés, por lo que aparentemente se observa una ganancia en dicha dirección .
Las antenas sencillas suelen presentar una polarización lineal. En las frecuencias inferiores a los megahercios, las antenas emplean en transmisión y recepción polarización vertical (respecto a la superficie terrestre), mientras que las emisiones FM, VHF y UHF utilizan polarización horizontal.
• • 3.3.10. Adaptación Cuando se conecta una fuente de señal a una antena de transmisión se persigue que exista adaptación de impedancias entre estas para así propiciar la máxima transferencia de potencia y reducir que la potencia se refleje y produzca daños en el transmisor. Para que exista adaptación de impedancias entre el generador y la antena, las impedancias de salida del primero, ZS' y de entrada de la antena, ZE' deben ser complejas conjugadas, es decir:
ELECTRICIDAD-ELECTRO E
........... ~
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_--. -_.--_.... ..../
......
Polarización eliptica a izqu ierdas
Polarización lineal vertical
Polarización circular a izq u ierdas
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........ E
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w
E
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.... r-· " ' "
Polarización eli plica a derec has
Polarización lineal horizontal
.../
.'
Polarizació n circular a derechas
Figura 3.46. Polarización lineal, circular y elíptica de una antena.
donde ZE es la impedancia de entrada de la antena y Zo la impedancia equivalente a la entrada de la antena. Por lo general, el transmisor se encuentra alejado de la antena, siendo interconectados a través de una línea de transmisión o una guia de ondas, que contribuyen a que exista dicha adaptación de impedancias, es decir, la antena observaría una impedancia equivalente Zo' como se observa en la Figura 3.47.
ROE
=
Ipl l-Ipl
1+
Para que exista adaptación total, la ROE debe ser igual a uno y p igual a cero. Cuando existe desadaptación completa, entonces la ROE toma un valor infinito, o lo que es lo mismo, el módulo del coeficiente de reflexión es 1 (se refleja la totalidad de la señal).
Recuerda que ... La ROE es una medida de la cantidad de energía transmitida por una fuente que es reflejada.
+
t____............__ . . . . . .. ___. . . ~. . . ___ ~. . ~i
Figura 3.47. Esquema de conexión de un generador de señal a una antena empleando línea de transmisión.
Se define el coeficiente de reflexión, p, y la ROE (Razón de Ondas Estacionarias), con objeto de determinar el grado de adaptación, como:
,
• • 3.3.11. Ama ylongitud efectiva Si bien es cierto que existe reciprocidad en las propiedades de las antenas de transmisión y las de recepción, cuando trabajamos en recepción es frecuente describir algunas características de distinto modo a como se hace en transmi sión. Así, por ejemplo, si la ganancia de potencia es un término que hemos definido refiriéndonos a las propiedades direccionales de las antenas de transmisión, en recepción se utiliza el término área de captación o área efectiva.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Cuando tenemos una antena en recepción, esta extrae parte de la densidad de potencia del frente de ondas incidente procedente de la transmisión, y el término que se emplea para ello es área efectiva o de captación, que es la relación entre la potencia que la antena entrega a su carga (la captada por la antena), P carga ' y la densidad de potencia de la onda incidente sobre la antena, dilleidellle' ~arga Aefeerilla -- d
• • 3.3.13. Apertura del haz La apertura o abertura del haz de una antena es la separación angular que existe entre dos puntos donde la potencia del lóbulo principal del diagrama de radiación toma un valor de la mitad de la potencia máxima (-3 dB) . Lóbulo princi pal
incidell te
La impedancia de la antena debe estar adaptada a la de la carga para que se produzca la máxima transferencia de potencia; además, la onda recibida debe tener la misma polarización que la antena. En las antenas polarizadas linealmente también encon tramos el término longitud efectiva, que es la relación en tre el voltaje inducido en circuito abierto en los bornes de la antena y la intensidad de campo incidente en la misma. Lóbulo inferi or
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Figura 3.49. Apertura del haz de una antena.
I
ill cide nt e
Como podemos observar, la definición de área efectiva tiene implícita la dependencia con la impedancia de carga, la adaptación y la polarización de la onda. ~
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Si observamos a nuestro alrededor podremos presenciar que existen una gran variedad de antenas, desde las utilizadas para la difusión de las señales de televisión y radio hasta las de telefonía, pasando por las que encontramos en barcos, patrullas de policía, nuestros routers wifi, etcétera, formando parte del «ecosistema» de nuestros hogares, ciudades y nuestro entorno.
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11 3.4. Tipos de antenas
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Figura 3.48. Circuito equivalente de una antena conectada a una carga.
Nota Las defi niciones de área y longitud efectiva llevan implícita la dependencia de estos co nceptos co n la adaptación de impedancias, la impedancia de la carga y la polari zación de la onda incidente, habi endo sido defi nidas para la direcc ión de máx ima captación de señal de la antena .
• • 3.3.12. Ancho de banda o
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El ancho de banda es el rango de frecuencias dentro del cual las antenas cumplen con determinadas características que definen su correcto funcionamiento. En este conjunto de frecuencias la variación de los parámetros de la antena se encuentra acotada a ciertos valores admisibles y especificados en sus características.
Figura 3.50. Fotografía de una torre con distintos tipos de antenas.
ELECTRICIDAD-ELECTRO En función de la aplicación y de la banda de frecuencias de trabajo las antenas presentan ciertas peculiaridades que permiten establecer una clasificación de las mismas. En una primera aproximación, las antenas podrían clasificarse, atendiendo a su geometría como sigue: • Antenas alámbricas o de cable. Son aquellas que se construyen empleando hilos conductores. Entre ellas destacan los dipolos, los monopolos, las antenas V y rómbicas, entre otras, que están formadas por hilos rectos; las espiras, que pueden adquirir una forma circular, cuadrada, etcétera; y las antenas con forma de hélice o helicoides, principalmente.
Figura 3.52. Fotografías de varias antenas parabólicas.
• Agrupaciones de antenas o arrays. En ocasiones no es posible conseguir las características de radiación, alcance o cobertura empleando una única antena, para lo cual se combinan varias de ellas formando una estructura que recibe el nombre de array; es decir, consiste en agrupar varias antenas simples, pudiendo emplearse, en principio, cualquier tipo de antenas. Hoy día también es frecuente encontrarnos con un array muy cerca de nosotros, como son los asociados a las antenas de telefonía móvil, por ejemplo (véase la Figura 3.53).
Figura 3.51 . Algunos ejemplos de antenas de hilo.
• Antenas de apertura. Son antenas que suelen excitarse empleado guías de onda. Como ejemplos característicos tenemos las bocinas, que pueden ser piramidales o cónicas, las ranuras sobre planos conductores, las aperturas, las bocas de guía o el empleo de antenas microstrip. • Reflectores. Las antenas formadas por un reflector son muy comunes en nuestras azoteas, como son las empleadas para captar las señales de la televisión por satélite, por ejemplo (véase la Figura 3.52). Son antenas que emplean un reflector, generalmente con forma parabólica, situando la antena en el foco de la parábola o reflector.
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Figura 3.53. Fotografía de un array de antenas de telefonía móvil.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Sabías que ... Podemos encontrar en la bibliografía otras clasificaciones de las antenas, como las que se basan en su comportamiento, por ejemplo, distinguiendo entre las antenas de banda ancha, las antenas miniatura o las antenas multifrecuencia, entre otras.
Vs
La lista que acabamos de ver no es la única forma de clasificar las antenas. También hablamos a menudo de tipo de antenas en función de la relación existente entre su di mensión física y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia que deseamos transmitir, distinguiendo entre:
L
. - -----, cP = 90°
• Antenas elementales. Son aquellas donde las dimen siones físicas de la antena son muy pequeñas en relación con la longitud de onda (el dipolo elemental o la espira elemental son dos ejemplos). • Antenas resonantes. Son resonantes cuando las di mensiones son del orden de media longitud de onda. En tal caso, conseguimos que la impedancia de entrada de las antenas sea puramente resistiva, es decir, la parte imaginaria de la impedancia de entrada se anula.
Figura 3.54. Dipolo elemental o dipolo corto.
Podemos demostrar, a través del desarrollo de las ecuaciones de Maxwell, que el campo lejano de radiación del dipolo elemental viene dado por la expresión:
• Antenas directivas. Decimos que una antena es directiva cuando las dimensiones físicas son mucho mayores que la longitud de onda. En los siguientes apartados estudiaremos algunas de las antenas más características comúnmente utilizadas.
• • 3.4.1. Dipoloelemental El dipolo elemental, también denominado dipolo corto o dipolo hertziano, es uno de los tipos de antenas más sencillos que podemos estudiar y consiste, básicamente, en un circuito abierto formado por dos conductores alimentados en su centro, pues asumimos que en el centro del dipolo la corriente es máxima, tal y como se muestra en la Figura 3.54. Se llama dipolo corto puesto que es eléctricamente corto, es decir, de longitud muy inferior a su longitud de onda, del orden de 10 veces o más, y se supone que es recorrido por una corriente de amplitud uniforme en toda su longitud que varía sinusoidal mente, i(t) = Asen(2JTf + rp), con un valor eficaz I RMs '
donde E es la intensidad del campo eléctrico, expresada en voltios por metro, I RMS es el valor eficaz de la intensidad que atraviesa el dipolo, Id es la longitud del dipolo de extremo a extremo medida en metros, R la distancia al dipolo, A. la longitud de onda y el ángulo respecto a la vertical.
e
Como ya hemos visto en un apartado anterior, la relación entre la densidad de potencia y la intensidad de campo en espacio libre venía dada por:
d
E2
E2
. =--=p Ole ll C/CI 120JT 377
Pudiendo expresar la densidad de potencia relativa del dipolo como: d
. Po te l1 cl(l
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30JT' 1~MS • 1(~ ')
kR
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Los dipolos elementales tienen gran importancia por sí mismos, ya que un elevado número de antenas que trabajan en baja frecuencia se comportan de la misma manera y, además, mediante la superposición de elementos de corriente es posible analizar distribuciones de mayor longitud y de geometría no uniforme.
En la Figura 3.55 se representa el diagrama de radiación del dipolo elemental, tanto tridimensional como en el plano que contiene el eje del dipolo. Como podemos observar, el diagrama de radiación de potencia es independiente del ángulo ifJ, es decir, el ángulo alrededor del eje del dipolo .
ELECTRICIDAD-ELECTRO
y •. 'J. ...
Figura 3.55. (Izquierda) Diagrama de radiación tridimensional. (Derecha) Cortes del plano Edel diagrama de radiación para dipolo centrado en el eje Y.
• • 3.4.2. Dipolo A/2 El dipolo 1.../2 es una antena realizada con dos conductores de una longitud total igual a media longitud de onda, lo que le da nombre.
propia antena; especialmente cuando ambas impedancias, la de la línea y la de la antena, coinciden.
Nota Aunque existe la creencia popular de que el empleo de antenas resonantes implica mayor eficiencia en las antenas, realmente no es asÍ. La eficacia de una antena no depende de su característica «resonante o no»; tanto es así que podemos encontrar antenas no resonantes , como la antena de 5/8 de onda, las de hil o largo o las rómbi cas, empl eadas en mu chas y di versas apli caciones .
Figura 3.56. Figura de una antena del tipo dipolo 1/2.
Es una antena muy utilizada en frecuencias superiores a los 2-3 megahercios, ya que para frecuencias menores su longitud física sería excesivamente grande, por lo que es muy popular en las aplicaciones de HF, siendo una antena fácil de implementar y con un bajo coste de puesta a punto. Además, tiene una «impedancia de radiación » adecuada y un diagrama de radiación omnidireccional, radiando por igual en todas las direcciones del plano horizontal.
Si bien es cierto que la resonancia tiene algunas ventajas , como en el caso del dipolo de media longitud de onda, donde la impedancia de entrada se hace real, con un valor de unos 73 ohmi os (a la frecuencia de reso nancia y lejos de la superfi cie terrestre), valor que es mu y próximo a la impedancia característica de algunas líneas coaxiales.
Sabías que ... A las antenas omnidireccionales también se las conoce como omnis. o
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Al emplear una longitud igual a media longitud de onda conseguimos que se comporte como una antena resonante, lo que quiere decir que presenta en su punto de alimentación una impedancia de entrada puramente resistiva, facilitando la transferencia de energía entre la línea y la
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Figura 3.57. Fotografía de un cable coaxial con indicación de su impedancia característica.
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RIC IDAD-ELECTRÓN ICA Sabías que ...
Recuerda que ...
Al dipolo de media onda también se le conoce como dipolo de Hertz o antena de Hertz, en homenaje a Heinrich Hertz, que fue la primera persona que demostró la exis tencia de las ondas electromagnéticas .
Cuando la ganancia de potencia se refiere a una antena del tipo dipolo en An, empleamos la unidad dBd; en cambio, cuando la referencia se refiere a una antena iso trópica, utilizamos la unidad dBi.
En una antena de media longitud de onda, la intensidad y el voltaje se distribuyen sinusoidahnente, tal y como se muestra en la Figura 3.58.
En el caso de que el dipolo se disponga verticalmente a la superficie de la Tierra, el diagrama de radiación adquiere la forma que apreciamos en la Figura 3.60, con un «ancho de haz de 3 dB» de 78°.
Tensión
¡....--
z
~ longitud de onda ¡
Figura 3.58. Distribución de la tensión e intensidad en un dipolo de media longitud de onda.
De tal manera que existe en los extremos un máximo de tensión y un mínimo de corriente, es decir, la impedancia en los extremos de la antena es muy grande (aproximadamente unos 2500 ohmios), y un mínimo de tensión y un máximo de intensidad en el punto central de alimentación, consecuentemente, una impedancia de entrada mínima (con un valor aproximado de unos 73 ohmios). De los 73 ohmios de impedancia de entrada del dipolo, entre 68 y 70 ohmios corresponden a la resistencia de radiación.
¡ •
¡....--~
longitud de onda¡
Figura 3.60. Vistas del diagrama de radiación del dipolo }J2.
Observamos que la radiación es máxima en un plano paralelo con la superficie de la Tierra (caso de estar dispuesto verticalmente y en condiciones ideales). Además, este radia con el mismo patrón en todas las direcciones perpendiculares a la antena.
Figura 3.59. Distribución de la impedancia en una antena tipo dipolo }J2.
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En el caso ideal de que la eficiencia sea del 100 %, la directividad y la ganancia de potencia coinciden y puede demostrarse que tiene un valor de 1,64, o lo que es lo mismo, 2,15 dBi . En cuanto al patrón de radiación de un dipolo de media onda en espacio libre, este dependerá de la colocación vertical u horizontal respecto de la superficie terrestre.
Nota Como podemos observar en el diagrama de radiación del dipolo de media onda, los lóbulos representados no son exactamente circulares . Los lóbulos circulares se obtienen únicamente en el caso teórico de que la intensidad circulante fuera constante a lo largo de toda la longitud de la antena, algo imposible a nivel práctico.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Influencia ~e la superficie so~m un ~ipolo ~e me~ia on~a y; longitud de onda (N 2)
En condiciones ideales de espacio libre, el diagrama de radiación del dipolo de media onda es como el que hemos representado en la Figura 3.60; sin embargo, en condiciones reales, las ondas radiadas se ven influenciadas por aspectos como la orientación de la antena, la absorción y/o refracción atmosférica o la reflexión del suelo, entre otros factores, como ya hemos estudiado en apartados anteriores. Cuando un dipolo "-/2 es instalado a una altura h sobre la superficie de la Tierra, tal que dicha altura es varias veces la longitud de onda, la intensidad de campo será ahora la suma de la onda directa y la onda reflejada en la superficie, por lo que el diagrama de radiación se verá influenciado. A efectos prácticos, la onda reflejada es equivalente a la que produciría una «antena imaginaria» (también denominada antena imagen, espejo o especular) situada bajo la superficie a una distancia igual a la altura h .
1 longitud de onda (A)
~
longitud de onda (3N4)
Figura 3.62. Diagramas de radiación del dipolo }J2 en función de la distancia de la antena a la superficie de la Tierra,
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Variación de la resistencia de radiación en función de la altura al suelo
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Altu ra sobre el suelo (A.)
Figura 3.61. Efecto de la superficie terrestre sobre la intensidad de campo y
fenómeno de «antena imagen»,
La onda reflejada estará desfasada 1800 respecto de la onda directa y recorrerá una distancia adicional de2h' sen(rjJ) respecto de la onda directa. En la Figura 3.62 se muestra el diagrama de radiación vertical de un dipolo situado a diferentes alturas respecto a la superficie de la Tierra. En ellas podemos observar claramente el efecto de la onda reflejada sobre el patrón. Debemos hacer notar que la altura a la que se dispone un dipolo de media onda también afecta al valor de la resistencia de radiación, como se muestra en la Figura 3.63. A medida que aumentamos la altura, el efecto de las reflexiones disminuye y el valor de la resistencia de radiación permanece prácticamente constante.
Figura 3.63. Efecto de la altura sobre el valor de la resistencia de radiación ,
Existen, por otra parte, dipolos de distintas longitudes de onda con patrones de radiación distintos a los que se han presentado en los párrafos anteriores.
• • 3.4.3. Dipolo doblado Tal y como hemos comentado, el dipolo "-/2 podía ver modificada su impedancia teórica debido a la presencia de obstáculos, lo que afectaría al acoplamiento entre la línea de transmisión que aporta la señal a radiar y la antena, lo que se traduce en pérdidas en la radiación efectiva. Al anterior problema se suma el hecho de que el dipolo "-/2 dispone de un estrecho ancho de banda, por lo que su utilización en aplicaciones de elevado ancho de banda estará muy limitado.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Una variante del dipolo /.../2 es el dipolo doblado, que cuenta con un ancho de banda más amplio. El dipolo doblado es un dipolo cuyos extremos han sido «doblados» por la mitad y plegados sobre sí mismos, uniendo los dos extremos del dipolo, adquiriendo una apariencia como la que se muestra en la Figura 3.64.
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Figura 3.64. Ejemplo de dip olo doblado.
A nivel práctico, el dipolo doblado se construye de una única pieza, con todo el hilo conductor del mismo radio. En estas condiciones la impedancia del dipolo doblado es cuatro veces la del dipolo simple, es decir, si el dipolo /.../2 tenía una impedancia en el vaCÍo de 73 ohmios, el mismo dipolo «doblado» tendrá una impedancia de unos 300 ohmios aproximadamente.
Figura 3.66. Dipolo de brazos plegados circular.
• • 3.4.5. Dipolo eléctricamente acortado Son dipolos en los cuales un segmento de cada línea es sustituido por una bobina o solenoide, consiguiendo que el dipolo pueda reducirse de tamaño. El inconveniente de este tipo de dipolos es que se reducen otras cualidades del mi smo como la efici enci a, el ancho de banda y la impedancia. Tienen un amplio uso en aplicaciones de TV, radio y comunicaciones militares, principalmente.
1(J3c¡/,i!itill ffl i' _ _ Acoplador de antena = antenna coupler. Acopl ami ento de antena = antenna attach.ment. Adaptación de antena = antenna match.ing .
• • 3.4.6. la Vinvertida Figura 3.65. Fotografía de un dip olo doblado.
El dipolo doblado se emplea sobre todo en aplicaciones de VHF y UHF, con polarización vertical.
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• • 3.4.4. Dipolo de brazos plegados
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Se trata de un dipolo donde se ha plegado una parte de cada extremo de los brazos parcialmente, consiguiendo economizar el espacio pero reduciendo la eficiencia de la misma por el contrario.
Es otra vari ante del dipolo de media onda en el cual los brazos se doblan el mismo ángulo adquiriendo la apariencia de una «v » invertida. Su comportamiento es muy parecido al del dipolo horizontal, pero a diferencia de este, que requiere para su montaje dos o más soportes elevados sobre el suelo, la antena en V invertida puede ser instalada de forma muy sencilla empleando un simple mástil (de unos nueve metros), el cable de alimentación y un par de tensores para el mástil, lo que la hace fácilmente transportable, poco voluminosa y muy apreciada por los radioaficionados.
ELECTRICIDAD-ELECTRO
•••••••.v
Figura 3.67. Diagrama de radiación tridimensional de una antena en Vinvertida sobre el plano de tierra y longitud A.
• • 3.4.7. Antena Marconi La antena Marconi es una antena de un cuarto de onda de longitud de un único polo (monopolo), que se coloca en vertical sobre la superficie de la Tierra, en el suelo o a través de una red de acoplamiento.
Al instalar la antena Marconi verticalmente muy próxima a la superficie de la Tierra, esta y la imagen se combinan formando una distribución de potencia similar a la de una antena de Hertz en campo libre. x .• {¡- . . . .... .
Se trata de una antena fácil de acoplar a los equipos y sencilla, y su nombre proviene de su semejanza con una de las antenas que empleaba el científico Marconi en sus inicios. Su longitud es de 'A/4 y la impedancia teórica tiene un valor aproximado de 36 Q (la mitad del dipolo de media onda), siendo su ganancia de 5,14 dBi (respecto a una antena isotrópica). Como consecuencia de las ondas reflejadas en el suelo, las características de esta antena se asemejan al dipolo de Hertz. Esto es debido a que, al colocar el monopolo 'A/4 sobre la superficie, la antena especular o imaginaria que se forma crea una antena total «equivalente» al dipolo 'A/2, tal y como se muestra en la Figura 3.68.
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-z Figura 3.68. Monopolo ))4 sobre la superficie de la Tierra yantena equivalente.
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Figura 3.69. Diagrama de radiación de una antena de Marconi.
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RICIDAD- ELECTRÓN ICA La distribución del voltaje e intensidad es como se repre senta en la Figura 3.70.
del dipolo, por ejemplo, lo que se conoce como estructuras de sistemas radiales. Cuando el plano de masa no es la Tierra, sino que está formado por conductores horizontales, una malla de alambres metálicos o una placa metálica, como es el caso de las antenas que encontramos instaladas en algunos vehículos y aplicaciones de VHF y UHF, existen fenómenos de difracción en los bordes de los planos de masa, al no poder considerarse infinitos, y tanto la impedancia como el diagrama de radiación se ven modificados.
Figura 3.70. Distribución de las ondas de voltaje e intensidad.
Como se observa, la intensidad es máxima en el extremo junto a la superficie, por lo que, para que las pérdidas sean mínimas, el suelo debe ser un buen conductor.
Sabías que ... Los terrenos arcillosos son buenos conductores, mientras que los arenosos o rocosos conducen mal la electricidad.
En aplicaciones de MF (300 Khz a 3 Mhz), que es donde trabajan los sistemas de radiodifusión sonora AM, el plano de masa es la propia Tierra, considerándose de extensión infinita; sin embargo, si la superficie no es un buen conductor, se precisará crear un plano de tierra artificial, lo cual puede hacerse empleando, por ejemplo, alambres de cobre dispuestos radialmente sobre la superficie alrededor
Figura 3.71. Fotografía de monopolo con plano reflector formado con varillas.
5/8 longItud de onda
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Figura 3.72. Distribución de la radiación para antenas apoyadas sobre el suelo de distintas longitudes de onda.
ELECTRIC IDAD-ELECTRO Sabías que ... Para crear planos de tierra artificiales también podemos emplear contra-antenas o antenas de contrapeso, que consisten en instalar una estructura de alambres bajo la antena, en el suelo, debiendo aislarse de la tierra física.
ción que satisfaga nuestras necesidades, como, por ejemplo, aumentar la directividad y concentrar la densidad de potencia emitida y así incrementar la potencia irradiada en una determinada zona.
En las antenas de Marconi, la mitad inferior del lóbulo de radiación se anula a consecuencia de las ondas reflejadas, aumentando la radiación en el plano horizontal. Es decir, para obtener la misma potencia que con el dipolo, únicamente se precisa entregar la mitad de potencia. Además, conforme aumentamos la longitud de la antena podremos observar que se mejora la radiación horizontal, mejorando el área alcanzada por ondas terrestres. La principal desventaja respecto al dipolo en "-/2 es que debe estar junto al suelo. En la práctica, la impedancia teórica se ve afectada por la presencia de objetos colindantes y la calidad de la tierra, modificando su valor respecto del valor ideal. Los monopolos se emplean sobre todo en el rango de frecuencias que abarca desde los 300 Khz hasta más de 1 Ghz, siendo universalmente empleados en los sistemas de radiodifusión AM en la banda de 540 a 1650 Khz. En las aplicaciones de AM, la antena es una estructura vertical que puede llegar a superar los 100 metros de altura, para las frecuencias más bajas. Otro aspecto importante que debemos destacar es el hecho de que los monopolos deben estar aislados de la Tierra. A frecuencias relativamente elevadas, en la banda VHF y UHF, esto no supone un problema; sin embargo, a bajas frecuencias, con elevadas estructuras que superan los 100 metros, se deben utilizar aisladores especiales que sean capaces de soportar el peso de las mismas. Figura 3.73. Ejemplos de agrupaciones de antenas .
• • 3.4.8. Agrupaciones de antenas Cuando dos o más elementos de antenas se combinan para formar una antena se dice que estamos frente a un agrupamiento de antenas, una red de antenas o un conjunto de antenas. La idea que existe tras el agrupamiento de antenas es que si disponemos de una antena individual que actúa en modo radiador, como podría ser la utilización de un dipolo de media longitud de onda, y colocamos varias de ellas próximas entre sí, el campo electromagnético radiado que estas producen individualmente interactuarán entre ellos.
Un agrupamiento de antenas, por tanto, está formado por elementos de antenas que, a su vez, pueden ser de dos tipos: excitados o parásitos (o no excitados). • Elementos excitados. Son aquellos que se conectan directamente a la línea de transmisión, es decir, son excitados por la fuente de señal. • Elementos parásitos. En este caso, son elementos que no son conectados a la línea de transmisión y reciben energía a través de la «inducción mutua» con otro elemento excitado o parásito a su vez. Las antenas del tipo Yagi-Uda, como veremos, tienen este tipo de elementos.
Los patrones de radiación individuales se verán afectados, produciéndose una distribución del patrón de radiación suma de los campos individuales.
Los elementos parásitos se clasifican, a su vez, en dos tipos: reflectores y directores.
Mediante la colocación adecuada de distintos elementos de antenas individuales conseguimos un patrón de radia-
• Reflectores. Se dice que un elemento parásito es de tipo reflector cuando es más largo que el elemento ex-
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RICIDAD- ELECTRÓN ICA citado del cual es excitado por inducción mutua. Se denomina reflector porque tiene el efecto de reducir la intensidad de la señal en su dirección y aumentarla en el sentido contrario, comportándose como un espejo cóncavo. • Directores. Los elementos parásitos que son más cortos que el elemento excitado del que reciben la energía se denominan directores. Su comportamiento es inverso al reflector, comportándose como un espejo convexo, es decir, aumentan la intensidad de señal en su dirección y la reducen en sentido contrario.
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Figura 3.75. Ejemplo de patrón de radiación de 4 monopolos 1/4 sobre plano de tierra dispuesto en array sobre el eje Y.
Elemento ref lector
Sabías que ... A las redes de radiación transversal se las conoce como redes broadside y a las de radiación longitudinal como redes end-fire.
Sabías que ... Figura 3.74. Elementos directores y refle ctores en una antena.
El agrupamiento de los elementos de antena, al combinarse, producirá un reforzami ento de la radiación en algunas direcciones y un empobrecimiento o cancelación en otras, consiguiendo así mayor direccionamiento y ganancia. Los agrupami entos de antenas pueden clasificarse en funci ón de la dirección de la radiación máxima, distinguiendo entre agrupamientos de antenas de radiación transversal y longitudinal.
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• Agrupamientos de antenas de radiación transversal. También se emplea el término red de antenas de radiación lateral para referirnos a este tipo de agrupamientos, en los cuales la máxima radiación tiene lugar en un plano transversal al plano que forma el conjunto (o lo que es lo mismo , en ángulo recto respecto al eje que forman). La Figura 3.75 muestra un ejemplo de diagrama de radiación para una red de antenas isotrópicas con emisión transversal. • Agrupamientos de antenas de radiación longitudinal. En este tipo de redes, la máxima radiación tiene lugar a lo largo del eje principal que fonnan los elementos.
Otro tipo de ag rupamiento de antenas mu y utili zado hace décadas es la red bidimensional, que era empleada para reali zar emi siones de ondas cortas que eran dirigidas horizo ntalmente, para comunicar co ntinentes o con barcos que estaban en la mar; su uso cayó en desuso con las comunicac iones vía satélite. En la actu alidad, han cobrado interés las redes conocidas como sistemas en fase, que so n empleadas en los radares ph.ase arrays y qu e presentan, como mayor ventaja, que permi ten orientar el haz del radar sin neces idad de desplazarl o mecánicamente.
Recuerda que ... Las redes de antenas de radi ación lateral tienen su máximo de radiación en ángulos rectos respecto al eje de las mismas . Por el contrario , si el máximo de radiación se produce a lo largo del eje principal, se dice que se trata de una red de antenas de radiación longitudinal.
• • • Antena Yagi-U~a La antena Yagi -Uda o simplemente Yagi es una red de radiación longitudinal parásita que está formada por un elemento
ELECTRICIDAD-ELECTRO Elemento Elemento r eflector excitado
Elementos directores
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Figura 3.76. Agrupamiento Yagi-Uda,
excitado, normalmente un dipolo de media onda o un dipolo doblado, y dos o más elementos parásitos, un elemento tipo reflector y uno o más elementos directores, tal y como muestra la Figura 3.76.
Se trata de una antena unidireccional, con una directividad típica de 7 a 16 decibelios, empleada sobre todo en aplicaciones de recepción; es posible aumentar su ancho de banda empleando más elementos directores haciéndolos más cortos conforme se aumenta la distancia con el elemento excitado.
El reflector de una antena Yagi -Uda es un poco mayor que el dipolo (aproximadamente un 5 % más largo), mien tras que el director o directores son más cortos (5 % más corto que el dipolo). La separación entre elementos es de 0,1 a 0,2 longitudes de onda.
La Tabla 3.5 muestra, a modo de resumen, la relación entre las distancias de los elementos que debe haber en una antena Yagi .
• • • Antena ~e torniquete También conocida como antena con agrupamiento en cruz, es un ejemplo de que no siempre los agrupamientos de antenas se emplean para aumentar la direccionalidad y la gan ancia_
Antena co n ag rupamien to en cruz o de torniqu ete = turnstile array ,
Figura 3.77. Fotografía de una antena Yagi-Uda empleada para la recepción
de señales de televisión,
Tabla 3.5. Distancia entre los elementos para antenas Yagi-Uda (medidas en longitudes de onda)
Número de elementos
Espacio entre elementos Reflector a elemento excitado :
Director 1 a elemento excitado ,-
............................................................................. " .....
: Director 2 a director 1 : Director 3 a director 2 : Director 4 a director 3 Director 5 a director 4 Director 6 a director 5 Director 7 a director 6
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Se trata de una antena que está formada por dos dipolos dispuestos en ángulo recto entre sí, desfasados 90°. La combinación de los campos es tal que se obtiene una distribución casi omnidireccional.
Figura 3.80. Antena log-periódica.
Figura 3.78. Ejemplo de antena de torniquete y distribución de la radiación resultante.
Este tipo de antenas se emplea, por lo general, para la recepción de señales de radiodifusión FM y, con algunas modificaciones, en la transmisión de FM y TY.
• • • Antena log-perió~ica La antena log-periódica se parece a la antena Yagi en tanto que está formada por varios elementos, generalmente dipolos, pero en este caso todos sus elementos son excitados. Su nombre proviene del hecho de que su impedancia en el punto de alimentación es una función periódica del logaritmo de la frecuencia de funcionamiento y una de sus ventajas es que presenta un gran ancho de banda. Impedancia de entrada a la antena
Su geometría consiste en la colocación de varios dipolos de distinta longitud y distancia, siendo alimentados por una única fuente situada en el extremo pequeño y cuya conexión se va «cruzando» en cada dipolo adyacente, haciendo un zig-zag, tal y como se muestra en la Figura 3.80. La relación entre las longitudes de los dipolos y sus distancias es tal que los elementos adyacentes tienen una relación constante entre sí conocida como relación de diseño, es decir: R2 R¡
R3 R2
R4 R3
L2 L¡
L3 L2
L4 L3
1 r
donde R es la distancia entre dos dipolos, L la longitud del dipolo y r es la relación de diseño y debe ser menor que 1 (generalmente se encuentra comprendida entre 0,7 y 0,9). Al ángulo que forman los distintos dipolos dispuestos en línea recta se le denomina a y se puede demostrar que: L¡ 2R¡
=
tan
(a) "2
Sabías que ... Un valor típico de diseño de una antena log-periódica es
r=O,7ya=30°.
Logaritmo de la frecuencia
Las antenas log-periódicas pueden alcanzar ganancias del orden de los 8 dBi Y son emp leadas principalmente en las bandas de HF y VHF.
Figura 3.79. Variación de la impedancia con el logaritmo de la fre cuencia.
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Las antenas log-periódicas pueden tomar muy diversas formas, es decir, existen muchas clases, pudiendo ser uni direccionales o bidireccionales y tener una ganancia directiva baja, moderada o alta. Una de las configuraciones más conocidas es la que se basa en la utilización de dipolos de distintas longitudes, que algunos autores denominan «agrupamiento dipolar», siendo muy común encontrarla en aplicaciones de recepción de televisión.
Figura 3.81. Fotografía de antena logarítmica.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Otras agrupaciones
Alimentación en fase
Resultaría imposible enumerar y describir todos los tipos de agrupaciones de antenas que podemos encontrar en el mercado, si bien es cierto que la mayoría de los que se emplean son los descritos con anterioridad. Podemos, por último, destacar un par de configuraciones más que en contraremos en la bibliografía especializada, como son las agrupaciones de monopolos o dipolos en fase y las antenas de conjunto enfasado. Un problema al que se enfrentan habitualmente las emisoras comerciales AM es que deben tener un patrón que sea suficientemente direccional como para no interferir en otras estaciones. En el caso de emplear un monopolo simple esto no es posible, por lo que frecuentemente emplean dos monopolos de cuarto de onda dispuestos verticalmente sobre el terreno.
Desfase de 180 0
Figura 3.83. Diagrama de radiación de dos monopolos separados media longitud de onda.
Igualmente, podemos realizar una red de antenas empleando dipolos de media onda, consiguiendo una red de radiación transversal o longitudinal cambiando el desfase entre los elementos, sin modificar la distancia que los separa.
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Lin ea de alim en tación
N2
N2
N2
Li nea de a limentac ión
de la antena
Sabías que ... Las emisoras de radiodifusión AM suelen requerir dos patrones de radiación diferentes para la noche y el día, ya que durante la noche la interferencia es mucho más pro bable, especialmente debido a la propagación ionosférica.
La Figura 3.82 muestra un ejemplo de utilización de dos antenas monopolares de cuarto de onda excitadas por la misma fuente. El diagrama de radiación del conjunto dependerá del desfase entre ambas, por lo que podemos cambiar el patrón de radiación «jugando» con el desfase. Si suponemos dos elementos que se encuentran separados por media longitud de onda, si alimentamos ambos monopolos en fase la dirección de máxima radiación es transversal a la línea descrita por las antenas. En cambio, con la misma separación entre ellas, si introducimos un desfase de 180 grados en la señal procedente de la fuente de una respecto a la otra, el máximo del patrón de radiación será longitudinal a la línea formada por los monopolos.
Figura 3.84. Ejemplos de agrupaciones de dipo los de media longitud de onda.
Por otra parte, también es frecuente encontrarnos en la bibliografía con agrupaciones de antenas de conjunto enfasado, que no es más que una agrupación de elementos de antenas cuyo patrón de radiación puede ser modificado electrónicamente, sin tener que cambiar la disposición física o la colocación de los elementos que la componen . ,,
Alimentación en fase
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Desfase de 180"
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Figura 3.82. Agrupación de monopolos y dirección de máxima radiación.
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El diagrama de radiación será como se muestra en la Figura 3.83.
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Figura 3.85. Esquema de antenas de conjuntos enfasados.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Esta ventaja de poder ajustar o modificar el patrón de radiación sin variar la disposición física de la antena es especialmente útil en algunas aplicaciones, como es el caso de los radares, pudiendo modificar el patrón de radiación para, por ejemplo, hacer el seguimiento de un avión u objeto no identificado.
• • 3.4.9. Antena de cuadro Las antenas de cuadro son antenas que se realizan forman do un bucle de un elemento conductor y alimentándolo en sus extremos por una línea de transmisión equilibrada, pudiendo adquirir forma de cuadro, de círculo, etcétera. Se pueden clasificar en dos subgrupos: las antenas pequeñas de bucle, que son aquellas en las cuales el diámetro del bucle es mucho menor que la longitud de onda; y las an tenas de cuadro resonantes o de bucle resonante, donde el diámetro es aproximadamente igual a la longitud de onda. Las antenas de cuadro no son más que una bobina, cuyo comportamiento direccional es relativamente independiente de su forma geométrica exacta (un cuadrado, un círculo, etcétera) . La distribución de radiación de una antena de este tipo se asimila a la de un dipolo horizontal corto. Son antenas de baja eficiencia, utilizadas sobre todo en aplicaciones de recepción de baja frecuencia, como la radio AM .
• Modo axial. La radiación electromagnética tiene lugar en el plano longitudinal o axial, siendo bastante directiva. Dado que se trata de una antena muy directiva, con polarización circular, dimensiones aceptables y un amplio ancho de banda, la antena helicoidal es muy utilizada en aplicaciones espaciales y también se emplea en comunicaciones portátiles en la banda de VHF. Por tanto, suele emplearse en las bandas de VHF y UHF principalmente.
• • 3.4.11. Antena rómbica La antena rómbica es una antena no resonante que puede funcionar en un ancho de banda elevado, siendo ideal para aplicaciones de HF y con una elevada ganancia. Sin embargo, este tipo de antena tiene el inconveniente de presentar lóbulos secundarios muy significativos. Existen básicamente dos tipos, la bidireccional simple y la unidireccional terminada en carga resistiva; ambas presentan una impedancia aproximada de 300 ohmios. • Antena rómbica sin terminación. Está formada por dos brazos de longitud L en forma de V enfrentados, formando el mismo ángulo, los cuales terminan en un circuito abierto, quedando alimentada por el extremo opuesto. La longitud L debe ser un múltiplo de media longitud de onda. Línea de alimentación de la antena
Figura 3.87. Antena rómbica sin termin ación.
Figura 3.86. Fotografía de una antena de cuadro para la recepción de radio AM.
• • 3.4.10. Antena helicoidal
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La antena helicoidal, inventada por John Kraus en 1946, es útil cuando requerimos la utilización de polarizaciones de tipo circular, en lugar de emplear polarización vertical u horizontal. La podemos encontrar como un único elemento o formando una red de antenas, con objeto de aumentar su directividad, y se distinguen dos modos de funcionamiento, el axial y el normal. • Modo normal. La radiación electromagnética se produce en ángulo recto respecto al eje de la hélice.
Figura 3.88. Patrón de radiación de antena rómbica sin terminación.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Este tipo de antena es bidireccional, presentando dos lóbulos principales opuestos en el eje que forman los brazos y dos lóbulos secundarios en el eje transversal. • Antena rómbica terminada en carga resistiva. Con objeto de conseguir aumentar la directividad de la antena rómbica, esta debe terminarse con una carga resistiva, lo que hace que su patrón cambie y se haga unidireccional (en el eje situado entre la carga y la fuente). Sin embargo, presenta el inconveniente de tener una ganancia máxima inferior, lo cual explica que parte de la potencia que procede de la fuente se disipa ahora en la carga (aproximadamente la mitad). Línea de ali mentación
Resistencia de terminación
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cia, siendo ampliamente utilizadas en los enlaces de radio y las comunicaciones vía satélite. Las antenas empleadas en la banda de microondas pueden llegar a tener una abertura de apenas un grado (10) a mitad de potencia, es decir, son extremadamente directivas. Gracias a que el lóbulo principal es muy estrecho, se consigue evitar que se introduzcan interferencias procedentes de antenas contiguas u otras fuentes de señal; sin embargo, la presencia se pequeños lóbulos laterales hace que estas no sean totalmente inmunes a fuentes de interferencia hacia o desde otras localizaciones. Además, como estudiamos en el apartado donde tratábamos los mecanismos de propagación, la transmisión por rayo directo, como se emplea en las comunicaciones por satélite, se enfrenta a varios problemas como son el desvanecimiento o la estabilidad mecánica, lo que supone un problema al intentar alinear la antena. Las antenas de microondas presentan dos características muy importantes que definen su calidad y comportamiento:
Figura 3.89. Antena rómbica con resistencia de terminación.
• Eficiencia direccional o relación de frente a espalda. Es la relación entre su ganancia máxima en la dirección del lóbulo principal y la ganancia máxima en la dirección opuesta. Es un parámetro crítico en el diseño de sistemas de radio que emplean antenas de microondas, pues estas se suelen instalar en una misma torre de espaldas entre sí, por lo que podrían producirse interferencias. • Acoplamiento lado a lado y espalda a espalda. Indican las pérdidas de acoplamiento entre antenas, siendo lo aconsejable que estos valores sean altos, con objeto de evitar que una señal de transmisión de una antena interfiera con una señal de recepción de otra. Una de las antenas de microondas más utilizadas es la antena de reflector parabólico, que estudiamos a continuación:
• • • Antena ~e reflector para~ólico Figura 3.90. Ejemplo de diagrama de radiación de una antena rómbica terminada.
• • 3.4.12. Antenas de microondas Las antenas empleadas en la banda de microondas (de 0,3 a 300 Ghz), que abarca la banda de UHF (de 0,3 a 3 Ghz), la banda de SHF (de 3 a 30 Ghz) y la banda de EHF (30 a 300 Ghz), deben ser antenas extremadamente direccionales, es decir, deben ser capaces de concentrar la potencia irradiada en un delgado haz, lo que implica un aumento de la ganan-
La antena con reflector parabólico o simplemente parabólica es una antena formada por dos elementos fundamentales: un reflector parabólico y el elemento activo que se conoce como mecanismo de alimentación, que no es más que una antena tipo dipolo o red de dipolos . Suponiendo que el alimentador es puntiforme (en condiciones ideales) el mecanismo de radiación irradia la señal uniformemente hacia el reflector, el cual refleja las ondas procedentes del alimentador tal que, dada la geometría de la parábola, la emisión resultante tiene una distribución muy concentrada y con todas las ondas reflejadas en fase, formando un frente de onda o haz de rayos paralelos al eje del paraboloide.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Otro aspecto importante es que para mantener el alimentador primario en la posición correcta, debemos emplear un brazo o soporte, y este obstruye la irradiación de las ondas hacia delante, perturbando el haz emitido.
Figura 3.91. Detalle de las partes de una antena parabólica,
Refl ector pa rabó lico M ecanismo de a li mentación
Figura 3.94. Detalle del brazo o soporte de sujeción del alimentador en una antena parabólica,
Estos fenómenos que afectan a la antena parabólica implican que, en la práctica, la eficiencia de la antena se vea reducida, siendo del 55 % de su valor teórico, aproximadamente, pudiendo llegar hasta el 70 % en algunos casos. Figura 3.92. Esquema del proceso de reflexión de las ondas procedentes del alimentador,
El haz que se radia, idealmente, es cilíndrico, con una sección transversal del mismo diámetro que el reflector parabólico. Sin embargo, en condiciones reales existen una serie de consideraciones que debemos tener en cuenta, como que el alimentador no radia la superficie del reflector de manera totalmente uniforme, ni de manera única, sino que una fracción de la energía irradiada se propagará hacia delante en ángulos no paralelos al eje de la parábola. Además, la energía irradiada en el borde de la parábola sufrirá fenómenos de difracción y se radiará en otras direcciones, incluso hacia atrás.
Reflectores parabólicos El reflector parabólico es, sin duda, el elemento más importante de una antena parabólica, del cual dependen muchas de las propiedades de la misma. Su geometría permite que las ondas procedentes del foco se reflejen y recorran la misma distancia cuando llegan al plano que contiene la boca de la parábola, estando en fase y transmitiéndose perpendicularmente al mismo. Por el principio de reciprocidad, el fenómeno inverso también tiene lugar, y las señales recibidas perpendiculares al plano que contiene la boca de la misma son reflejadas directamente en el foco, mientras que las procedentes de otras direcciones se anulan.
a los bordes
Reflector parabólico
Obstrucción del ali mentador
Antena parabólica en tran smisión
Antena paraból ica en recepción
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Difracció n debida a los bordes
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Figura 3.95. Detalle de la reflexión de las ondas radiadas y recibidas en una antena parabólica ,
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Figura 3.93. Detalle de los fenómenos que afectan a la radiación de una antena parabólica real,
Un parámetro importante de las antenas parabólicas es lo que denominamos relación de abertura o abertura de
ELECTRICIDAD-ELECTRO la parábola, que es la relación que existe entre la distancia focal (distancia entre el foco donde se coloca el alimentador y el fondo de la parábola) y el diámetro de la boca de la parábola. Otro aspecto a destacar es el hecho de que la superficie del reflector no tiene por qué ser totalmente sólida, pudiendo emplearse una malla con la misma forma, la cual refleja prácticamente la misma energía y presenta la ventaja de pesar menos y presentar menos resistencia al viento, siendo más fácil de instalar y orientar, por lo que es my extendido su uso .
Ganancia de potencia de una antena parabólica La ganancia de potencia (respecto a la antena iso trópica) de una antena parabólica en transmisión puede demostrarse que responde a la siguiente fórmula: G pote /lcia
liD
=
r¡ ( T
)2
donde D es el diámetro de la boca del reflector. Como podemos observar, la ganancia de potencia es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de la boca del reflector e inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda. A veces se hace mención al área eléctrica o efectiva de una antena parabólica, que no es más que el área de la misma dada en un número de longitudes de onda al cuadrado, de tal manera que dicha magnitud nos informa directamente sobre la ganancia de la antena; a mayor área efectiva, mayor ganancia. En recepción, no toda la superficie de la antena está generalmente «iluminada», por lo que el área real de la boca es menor a efectos prácticos. A esta área se le conoce como área de captura de la antena parabólica y viene dada por la siguiente expresión:
Figura 3.96. Ejemplo de antena con reflector mallado,
Abertura del haz de una antena parabólica Se puede demostrar que la abertura del haz de 3 dB, una antena parabólica viene dada por la expresión:
e, de
Donde k es una constante que depende del tipo de antena y configuración y recibe el nombre de eficiencia de abertura o eficiencia de iluminación. Por lo tanto, la ganancia de una antena parabólica en recepción tiene la siguiente fórmula: G
, = 4liAccrptlllft p Ole ll C/Cl
A?
que expresada en función del diámetro de la boca nos da: Por otra parte, la abertura del haz entre ceros,fo' responde a la siguiente fórmula:
A. '1'0
=
28 = 140). D
Eficiencia de la antena parabólica (Y)) Este parámetro hace referencia a las imperfecciones que ya hemos descrito en las antenas parabólicas reales, como la absorción por parte del reflector de parte de la energía incidente, la difracción en los bordes, el efecto del soporte del alimentador, la desalineación del mismo, etcétera, lo que reduce su eficiencia, r¡, que, como hemos comentado, en general se encuentra en el 55 % (r¡=0,55).
liD
Gp ote /lc icr
=
r¡ ( T
)2
Por lo que se demuestra el principio de reciprocidad de las antenas parabólicas.
Sabías que ... A la relación entre la distancia del foco al reflector (distancia focal) y el diámetro de la boca del paraboloide se le conoce como número de abertura y establece la abertura del reflector. También es una magnitud indirecta de cuánta energía procedente del alimentador se reflejará en el reflector.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Mecanismos alimentadores Tal y como hemos comentado, el mecanismo alimentador es normalmente un dipolo o red de dipolos, por lo que también se le conoce como antena primaria. En función del tipo de alimentador podemos distinguir tres tipos de antenas parabólicas. • Empleo de alimentación central. En este caso, la an tena primaria se encuentra situada en el foco . Sin embargo, esto presenta el inconveniente de que parte de la energía irradiada no se refleja en el paraboloide y se distribuye fuera del mismo, lo cual puede llegar a producir interferencias y distorsionar el patrón de radiación. Para solucionar este problema es común colocar un pequeño reflector esférico en el foco, enfrentado al reflector, para redirigir y concentrar la energía irradiada.
Antena primari a ~
Línea de alimentación
/C ~===:::J Reflector secu ndario
Figura 3.97. Antena parabólica de alimentación central con reflector esférico adicional en el foco.
Figura 3.99. Fotografía de una antena parabólica con alimentación central.
• Antenas con alimentación por bocina. En este tipo de parabólicas, la antena primaria no es un dipolo o red de dipolos, sino una pequeña antena de embudo o cónica, es decir, una guía de ondas (una estructura física capaz de guiar las ondas electromagnéticas), que se coloca en el foco . El campo magnético direccional que se propaga por la guía de ondas, cuando llega al embudo o cono de la boca de la antena primaria, se hace esférico y se distribuye hacia el reflector. Sin embargo, la estructura de la alimentación cónica, al igual que el alimentador central, también presenta cierta obstrucción a las ondas reflejadas.
Figura 3.100. Fotografía de antena parabólica con bocina.
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Figura 3.98. Detalle de antena parabólica alimentada por el centro.
• Antenas con alimentación de Cassegrain. Este tipo de antenas tiene su origen en los telescopios astronómicos y su diseño consiste en que la antena primaria o fuente de señal se coloca justo detrás del reflector, en el vértice del paraboloide, donde existe una pequeña abertura, apuntando hacia el foco, que se encuentra, a su vez, alineado con el vértice. En dicho foco se coloca un
ELECTRICIDAD-ELECTRO reflector secundario, que tiene una curvatura hiperbólica, y que se denomina subreflector de Cassegrain, tal y como se muestra en la Figura 3.10 1.
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Línea de alimentación
FOCO~
Reflector secundario-
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,
Antena de alimentación
jados produciendo fenómenos adversos como «sombras» en el patrón de radiación o desadaptación de impedancias, lo que se traduce en una alteración del patrón de radiación y una disminución de la eficiencia efectiva de la antena. Un método para evitar la aparición de «sombras» en el patrón de radiación y la desadaptación de impedancias consiste en desplazar la antena primaria o alimentador de la posición focal del paraboloide, de tal manera que se consigue, a efectos prácticos, que el mecanismo de alimentación quede fuera del alcance de la onda reflejada, tal y como se muestra en la Figura 3.102. A este tipo de antenas se las conoce como antenas parabólicas de foco desplazado u offset.
Figura 3.101. Antena parabólica con alim entación de Cassegrain.
La irradiación de la antena primaria se dirige hacia el subreflector que, a su vez, refleja el haz hacia toda la superficie del reflector, comportándose como una «fuente virtual» situada en el foco del paraboloide. Este tipo de antena se emplea cuando necesitamos recibir señales que son extremadamente débiles, como es el caso de la radio astronomía o cuando la situación de la antena requiere el empleo de líneas de transmisión o guías de ondas muy largos, en cuyo caso resulta necesario colocar preamplificadores de bajo ruido lo más cercanos a la antena que sea posible. Con el sistema de alimentación de Cassegrain, el preamplificador se puede colocar justo antes del mecanismo de alimentación, sin perjuicio de las ondas reflejadas.
• • • Cilin~ro para~ólico Otra antena que también es muy utilizada, especialmente en aplicaciones de radar, es el cilindro parabólico, que se muestra en la Figura 3.103.
Alimentador tipo dipolo
Antena parabólica con foco desplazado Tal como hemos comentado, las antenas parabólicas con el alimentador en el foco presentan varios problemas debido al brazo y al propio foco, que interfieren en los rayos refle-
Figura 3.103. Esquema de un reflector cilíndrico.
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Figura 3.102. (Izquierda ) Antena parabólica con foco centrado. (Derecha) Antena parabólica con foco desplazado.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA En este tipo de antenas, el reflector tiene forma cilíndrica y el mecanismo de alimentación es una antena lineal o un alineamiento de las mismas, que se coloca en la línea focal del cilindro, consiguiendo que el reflector convierta el frente de ondas en un frente plano y, por tanto, muy directivo.
• • • Antena ~e cuerno cónico La antena de cuerno cónico no es más que una guía de ondas terminada en forma de cono. El ángulo del cono, que recibe el nombre de ángulo de conicidad, por lo general, es de unos 50°, y la longitud del mismo es lo que detenninará la ganancia de la antena. En la Figura 3.104 se muestra un esquema de una posible topología de antena cónica.
Antena de bocina
Figura 3.104. Esquema de una antena de cuerno cónico .
Recuerda que ... A la relación entre la distancia del foco al reflector (distancia focal) y el diámetro de la boca del paraboloide se le conoce como número de abertura y establece la abertura del reflector. También es una magnitud indirecta de cuánta energía procedente del alimentador se reflejará en el reflector.
3. DETERMINACiÓN DE LAS CARACTERíSTICAS DE ANTENAS DE TRANSMISiÓN/RECEPCiÓN
Introducción a las ondas electromagnéticas Conceptos. Polarización, rayo, frente de onda, etcétera
Propagación de ondas de RF
Características del medio de propagación Atenuación y absorción de las ondas Reflexión, refracción, difracción e interferencia Tipos de propagación. Ondas terrestres, celestes, etcétera
Definición y bandas del espectro radioeléctrico Gestión del espectro radioeléctrico
Espectro y espacio radioeléctrico
Servicios de radiocomunicación Atribución de bandas y frecuencias Gestión de espectro radioeléctrico
Determinación de las características de antenas de transmisión/recepción
Definic ión y cálculo Circuito equivalente y reciprocidad
Parámetros de las antenas
Diagrama de radiación Impedancia, directividad y ganancia Ganancia de potencia y concepto de PIRE Otros parámetros relevantes
Antenas tipo dipolo y monopolo - Variantes
Tipos de antenas
Agrupaciones de antenas - Arrays Antenas de microondas - Parabólicas
3. DETERMINACiÓN DE LAS CARACTERíSTICAS DE ANTENAS DE TRANSMISiÓN/RECEPCiÓN
11 Actividades de compro~ación 3.1.
Las ondas de radiofrecuencia se propagan bien en medios:
3.7. Cuando atravesamos de un medio menos denso a otro medio más denso:
a) Los rayos de la onda se inclinan hacia la normal.
a) Conductores. b) Dieléctricos.
b) Los rayos de la onda no se ven afectados.
e) En el agua del océano .
e) Los rayos de la onda se inclinan hacia afuera de la normal.
d) En el agua del mar. 3.2.
3.3.
Cuando el campo eléctrico es paralelo a la superficie de propagación, se dice que la onda está polarizada:
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 3.8. El fenómeno que se produce cuando una onda se en-
a) Verticalmente.
cuentra con un obstáculo o «rendija», redistribuyéndose su energía, se conoce como:
b) Horizontalmente.
a) Reflexión.
e) Circularmente.
b) Refracción.
d) Elípticamente.
e) Difracción.
Si un frente de onda se propaga en una única dirección a lo largo del espacio se dice que estamos frente a una onda:
d) Refracción gradual. 3.9.
Para comprender el fenómeno de difracción:
a) Podemos basarnos en modelos geométricos.
a) Plana.
b) Se emplean los mismos métodos que para la re-
b) Horizontal.
flexión y la refracción.
e) No pueden aplicarse métodos geométricos y debe-
e) Unidireccional.
mos recurrir al «principio de Huygens».
d) Lineal.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 3.4.
La densidad de potencia de una onda electromagnética se define como :
3.10. ¿Qué nombre reciben las ondas de radiofrecuencia cuando se propagan por la atmósfera terrestre?
a) La cantidad de energía que atraviesa una superficie
a) Ondas terrestres .
determinada en un instante de tiempo .
b) Ondas terráqueas .
b) La cantidad de energía que atraviesa una superficie
e) Ondas de tierra.
determinada en un periodo de tiempo .
d) Ondas atmosféricas .
e) La potencia eficaz que atraviesa una superficie determinada en un instante de tiempo .
3.11.
d) La cantidad de energía que atraviesa una superficie por unidad de área.
3.5.
b) Frecuencias pequeñas .
La impedancia característica del espacio libre es de:
e) Frecuencias altas.
a) 177 ohmios .
d) Frecuencias muy altas.
b) 277 ohmios .
3.6.
Las ondas espaciales suelen emplear:
a) Frecuencias extremadamente pequeñas .
3.12.
Las ondas terrestres deben poseer polarización :
e) 377 ohmios .
a) Vertical.
d) 477 ohmios.
b) Horizontal.
Las ondas que se propagan por la atmósfera terrestre pueden verse sometidas:
e) Aleatoria. d) Elíptica.
.Ee
a) Únicamente al fenómeno de absorción .
ro ro
b) Únicamente al fenómeno de atenuación.
a) Menor que el horizonte óptico.
~
e) Tanto al fenómeno de absorción como al de ate-
b) Mayor que el horizonte óptico.
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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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o.. ~
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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,
•
.•
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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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.
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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
"-
'"e o '¡¡
"
'O w
@
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
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:
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:
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ro
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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
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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
'E
'cro .
(000001 .
\.oooo~
ro
"-
"'e Q)
o
'¡¡
'C
Figura 4.35. Distintos conectores de la serie O-sub.
w
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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.
• ••
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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cable wl th ¡I COp~ cl
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Figura 4.55. Esquema de adaptación de impedancias en una línea de transmisión,
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Recuerda que ...
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DESCR1YTlON
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Para que en un sistema de comunicación se produzca la máxima transferencia de energía, las impedancias del transmisor, el medio físico y el receptor (y de todos los elementos intervinientes) deben ser iguales. En caso contrario se producirán reflexiones que reducen la eficiencia y pueden llegar a producir averías en los equipos. Los valores de las impedancias características de los cables comerciales están normalizados, encontrando en el mercado cables de 50, 75 y 93 ohmios, principalmente, aunque también hay algunas variantes a 51 y 92 ohmios, caso de los cables tipo RG-9/U y RG-62/U, por ejemplo. En función de la aplicación, los valores de la impedancia característica del cable se nonnalizan; así, tanto en aplicaciones de CATV como de distribución y recepción de radio y televisión se emplean cables de 75 ohmios, por ejemplo.
Nota La impedancia característica no depende ni de la frecuenci a ni de la longitud del cable, caso de líneas sin pérdidas.
• • • Impe~ancia ~e transferencia oapantallamiento La impedancia de transferencia es una medida de la eficiencia del blindaje del conductor externo de un cable coaxial. Habitualmente se expresa en ohmios por metro (ohm/m), de tal manera que, cuanto mayor es su valor, peor es el rendimiento del apantallamiento o blindaje, es decir, es más susceptible frente a interferencias externas y produce más radiaciones al exterior.
Nota La Unión Europea dispone de la norma EN50 117 que especifica el grado de apantallamiento que deben tener los cables coaxiales, con objeto de evitar que se contamine el espectro radioeléctrico con señales no controladas.
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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
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CXT-l
Televes model
2 127
Refe rences
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material Shielding foil
material
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material Minim um bend ing radius Screenlng efficiency Ca pacita n ce
Pa ckaging
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Coaxial cable specifications
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Screening (dB)
Frecuency band (MHz)
class A +
class A
class B
30 - 300
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I
PVC
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Transfer impedance
212704
CopperClad Steel
resistance Dielect ric
212703
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material
Inner conductor
21 2702
Figura 4.57. Detalle de las especificaciones de atenuació n de un cable coaxial (co rtesía de Televés).
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500
I
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • • Resistencia ~e los con~uctores Es una magnitud que se utiliza cuando el cable se emplea para alimentar los dispositivos, y mide la caída de tensión continua que se produce en el mismo.
tud, que representa las pérdidas por retomo que se producen en un cable coaxial como consecuencia de posibles no uniformidades en las dimensiones y los materiales, lo que se traduce en variaciones localizadas de la impedancia y, por tanto, reflexiones de señal.
• • • Veloci~a~ ~e propagación
• • 4.4.5. Conectores
Es el cociente entre la velocidad de propagación real de la señal en el cable y la velocidad de propagación de la luz en el vaCÍo (3.108 mis). Se expresa habitualmente como un porcentaje. Este parámetro dependerá, fundamentalmente, del material dieléctrico que se emplee (en función de su constante dieléctrica).
Los conectores son una parte fundamental en los sistemas de comunicación y, por tanto, en las instalaciones de radiocomunicación, por lo que se les debe prestar la misma atención que al resto de elementos que lo conforman. Los encontraremos en la interconexión de conductores, adaptadores, líneas, cargas, etcétera, existiendo diferentes tipos. En los siguientes apartados describimos algunos de los más utilizados actualmente .
• • • Tipo ~e recu~rimiento y~ieléctrico El tipo de recubrimiento y el dieléctrico utilizados determinarán las condiciones ambientales en las cuales el cable puede trabajar adecuadamente; especialmente para establecer su posible uso en exteriores o no.
•••
Capaci~a~
Es la capacidad existente entre el conductor central y el conductor externo, expresada en faradios (o un submúltiplo, como el picofaradio) por unidad de longitud (pF/m) . Su valor dependerá fundamentalmente de la geometría y del material del coax ial.
• • • rotencia ~e transmisión También denominada potencia transmisible, es una medida de la potencia máxima que es posible enviar por el cab le a una determinada frecuencia si n que esta afecte al fun cionamiento del mismo. Se expresa en vatios. La potencia transmisible se reducirá conforme aumente la frecuencia .
Sabías que ... En internet puedes encontrar varias empresas que comercializan todo tipo de conectores. Una de ellas es FieldComponents Inc., www.fieldcomponents .com . en cuyo catálogo encontrarás conectores tanto de cableado eléctrico como fibra óptica.
• • • Conectores 7/16 En este tipo de conectores, el conductor externo tiene un diámetro de 16 milímetros, mientras que el conductor interno tiene un diámetro de 7 milímetros, lo que da nombre al mismo. Son conectores diseñados para trabajar a elevadas potencias, alcanzando los 100 vatios.
• • • Tensión ~e tra~ajo Es la máxima tensión que puede existir entre el conductor interno y el conductor externo sin que se produzcan fenómenos adversos como el denominado efecto corona, que consiste en la aparición de descargas eléctricas parciales de corta duración y que producen interferencias eléctricas. Dicho efecto puede, inclusive, producir el deterioro del aislante y el dieléctrico a largo plazo, inutilizando el cable.
•••
rér~i~as ~e
retorno estructural
Utilizamos el acrónimo SRL (Structural Return Loss, Pérdida de Retomo Estructural) para referimos a esta magni-
Figura 4.58. Conector 7/16 (cortesía de Ampheno'®RF).
• • • Conectores N El conector N se diseñó con objeto de conseguir un conector para los cables coaxiales que fuera robusto, resistente a los agentes ambientales, pudiendo trabajar a la intemperie, con un tamaño medio y buenas prestaciones en frecuencia.
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RIC IDAD- ELECTRÓN ICA Fue el primer conector capaz de trabajar en la banda de microondas, alcanzando un rango de funcionamiento adecuado para frecuencias que llegan hasta los 11 gigahercios.
(Bayonet) y, por otra, a los apellidos de sus dos inventores, Paul Neill y Carl Concelman (Neill-Concelman), que lo crearon en la década de los 40. Este conector se diseñó para ser utilizado en la tenninación de cables RG-58 y RG-59, en aplicaciones de radiofrecuencia que precisaban de un mecanismo rápido de conexión y desconexión y que fueran adecuados para la banda de UHF, con impedancia constante en un amplio rango de frecuencias. Hoy día, podemos utilizarlos con cables coaxiales de tipo RG-58, RG-59, RG-179, RG-316, etcétera.
Figura 4.59. Detalle de un conector tipo N.
Sabías que ... El conector N fue diseñado por Paul Neill, en los laboratorios Bell, en la década de los 40. La N que da nombre al conector proviene del apellido del inventor. Figura 4.60. Conector BNC.
Es un conector que se adapta a una amplia variedad de cables coaxiales, tanto de tamaño medio como en miniatura. Podemos encontrarlos para aplicaciones militares, comerciales e industriales y para montaje, tanto rectos como en ángulo, de panel o aéreos. Existen dos variantes, estándar y corrugado, ambos de 50 ohmios de impedancia. El primero de ellos se utiliza en cables coaxiales. Existen en la actualidad versiones disponibles para coaxiales de diferentes diámetros (114",3/8", 112",7/8", 1-1/4" Y 1-5/8"), siendo su principal aplicación la de servir de terminación de cables coaxiales de tamaño medio o pequeños, incluyendo los tipos RG-8, RG-58, RG-141 Y RG-255 .
La principal ventaja del conector BNC radica, precisamente, en que es un conector de fácil y rápida conexiónl desconexión y de tamaño inferior al conector de tipo N. Puede operar a frecuencias que alcanzan los 11 gigahercios y existen versiones tanto a 50 ohmios de impedancia característica como de 75 ohmios, con objeto de adaptarse a distintas aplicaciones. Su uso se popularizó mucho, especialmente en los años 80, cuando se utilizaba como medio de conexión de redes Ethernet.
Sabías que ... La empresa Amphenol ®RF, www.amp heno lrf.com . di spone de un amplísimo catálogo de conectores de RF, entre los que encontramos los conectores tipo N .
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• • • Conectores BNC
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Los conectores BNC empleados en los cables coaxiales deben su acrónimo a la expresión Bayonet Neill-Concelman. Este nombre se debe, por una parte, a su mecanismo de cierre «en bayoneta» que presenta para asegurar la conexión
Figura 4.61 . Tarjeta de red Ethernet con conector BNC.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Sabías que ... Los conectores BNC-T son conectores que se utilizaron frecuentemente en redes 10BASE2 para conectar el bus de la red a las tarjetas de los PC.
• • • Conectores f El conector F fue inventado por Eric E. Winston en la década de los años 50, mientras trabajaba en el desarrollo de la televisión por cable. Se trata de un conector para radiofrecuencia con cable coaxial que normalmente se utiliza en aplicaciones como la televisión por cable, la televisión por satélite, los cable-módems y la televisión terrestre por antena aérea, entre otras aplicaciones.
Figura 4.62. Conectores BNC·T.
En la actualidad los encontramos en aplicaciones de radio de baja potencia, en sistemas de televisión y vídeo (CATV), en circuitos cerrados de televisión (CCTV) y en equipos de instrumentación, tales como osciloscopios o generadores de señal, entre otras tantas aplicaciones.
Figura 4.64. Ejemplo de utilización de un conector F.
Se utiliza normalmente con cables coaxiales de tipo RG-6 o en instalaciones antiguas de tipo RG-59 . Es un conector económico, con una impedancia característica de 75 ohmios, que trabaja a frecuencias de hasta 1 Ghz .
• • • Conector Cfl El conector CEI, también conocido como conector BellingLee, conector lEC 61169-2 o conector lEC 169-2, es el típico conector que encontramos detrás de nuestros televisores y en las antenas convencionales.
Figura 4.63. Osciloscopio con conector BNC.
Sabías que ... Existen unos conectores, los TNC, que son una versión del conector BNC roscada. La principal ventaja de este tipo de conectores es que, al mejorar el sistema de interconexión, alcanzan frecuencias de trabajo del orden de los 12 Ghz.
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Figura 4.65. Detalle de un conector CEI (cortesía de Te/evés).
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Inventado en Inglaterra en 1922 por Belling & Lee Ltd., es un conector utilizado en Europa y Australia para los equipos de televisión, para la recepción de la señal procedente de las antenas, así como para la conexión de las antenas de FMIDAB en los receptores de radio.
•
Sabías que ... Los conectores SMC son una versión más pequeña de los conectores SMA que alcanzan los 10 Ghz. Por otra parte, los conectores 5MB son una versión de los SMC en los que se ha simplificado el proceso de conexión/desconexión, con una frecuencia de trabajo que llega hasta los 4 Ghz. Existen conectores 5MB y SMC a 50 y 75 ohmios.
Para el conexionado de los cables coaxiales a los distintos tipos de conectores existen diversas técnicas, siendo la más frecuente la utilización de crimpadoras especiales para cada tipo de conector, como la que se muestra en la Figura 4 .68.
Figura 4.66. Detalle de una toma de recepción de señal de televisión y radio FM para conectores CEI (cortesía de Simon).
Su impedancia característica es cercana a los 50 ohmios, no coincidiendo con la impedancia característica del cable de antena, que es de 75 ohmios. Figura 4.68. Crimpadora para conectores BNC.
• • • Conector SMA El conector SMA, cuyo acrónimo significa SubMiniature version A, es un conector para cables coaxiales que dispone de rosca y está diseñado para trabajar en un rango de frecuencias que puede llegar a los 30 Ghz; aunque normalmente dejan de emplearse a partir de los 18 Ghz, es decir, pueden trabajar en la banda de las microondas. Su impedancia característica es de 50 ohmios y podemos encontrar en el mercado diferentes variantes y configuraciones para montaje aéreo, sobre placa, etcétera.
Además, también encontramos otras herramientas útiles como son los peladores, que permiten separar las distintas partes de los cables y prepararlos para el proceso de crimpado (véase la Figura 4.69).
Figura 4.69. Pelador para cables RC-58 y RC-59. o 'E .1" ro
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Figura 4.67. Detalle de varios conectores SMA.
Cabe destacar que también existen conectores para cables coaxiales cuyo sistema de conexión implica emplear la soldadura. Tal es el caso del conector UHF o conector PL259, que tiene sus orígenes en los años 30 y actualmente es muy empleado en aplicaciones de radioaficionados en
ELECTRICIDAD-ELECTRO bandas de baja frecuencia, entre los 0,6 y 300 megahercios. Fue originalmente diseñado para su uso como conector en aplicaciones de vídeo o en aplicaciones de radar. Estos conectores tienen una impedancia de 50 ohmios y suelen conectarse a un coaxial RG-58, siendo preciso soldar el conductor interior del coaxial al conector.
Figura 4.70. (Izquierda) Base de sujeción de antena con conector de UHF o PL259. (Derecha) Detalle de conexión PL259 en antena de la banda UHF.
• • 4.4.6. Aplicaciones Si bien es cierto que el par trenzado contribuyó al enriquecimiento de las telecomunicaciones, algunos problemas y limitaciones manifiestos en este medio de transmisión llevaron a la necesidad de plantear nuevas alternativas que introdujeran mejoras, lo que se materializó en la aparición del cable coaxial, el cual fue rápidamente introducido en diversas aplicaciones donde se requerían mejoras en cuanto al alcance, inmunidad al ruido, etcétera. Algunas de las aplicaciones donde el uso de los cable coaxiales es más popular son: • En la conexión entre antenas y equipos de televisión o de radio. • En los sistemas de distribución de televisión por cable e internet (CATV). • En los equipos de los radioaficionados, para conectar la salida del transmisor con la antena de em isión. • En líneas de distribución de la señal de vídeo, como los videos comunitarios. En las redes Ethernet en sus antiguas versiones lOBASE2 y lOBAS ES. • En cables de comunicación submarino. • En redes telefónicas de tipo interurbano.
11 4.5. Guía de ondas Si bien es cierto que algunos sistemas de comunicación emplean la propagación de ondas en el espacio libre para transmitir la información por medio de ondas de radiofre-
cuencia, también es posible realizar este proceso mediante el confinamiento de las ondas electromagnéticas dentro de una estructura que recibe el nombre de guía de ondas. Un uso habitual de la misma es su utilización para unir transmisores con las antenas. Su uso está justificado debido a que, en la banda SHF, que abarca el rango comprendido entre los 3 y los 30 gigahercios, que es donde encontramos a las microondas, las líneas de transmisión y los cables coaxiales manifiestan grandes atenuaciones que implican gran pérdida de señal, lo que implicaría que se precisaría una elevada potencia para un correcto funcionamiento, razón por la que su uso puede ser prohibitivo en determinados sectores, especialmente en las aplicaciones de microondas. 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 ondas lo que se propaga es un campo electromagnético con una longitud de onda del orden de las microondas. De forma estricta, podríamos definir una guía de ondas como cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas, es decir, una guía de ondas no es más que un tubo hueco realizado con un material conductor, con una sección que nonnalmente es rectangular, elíptica o circular, y cuyas dimensiones transversales son tales que penniten que las ondas electromagnéticas se propaguen dentro del mismo. Las paredes de la guía son conductores y las ondas electromagnéticas se propagan por su interior, que puede estar vacío o rellenado con un material dieléctrico para dar soporte mecánico a la misma, reflejándose las ondas en la superficie interior metálica y quedando confinadas en su interior.
Sabías que ... Si bien el material dieléctrico sirve para aumentar la rigidez mecánica de las guías de ondas, esto tiene el inconveniente de reducir la velocidad de propagación respecto al vacío.
En una guía de ondas, por tanto, los campos eléctrico y magnético se propagan por el interior de la guía, sin que haya pérdidas por radiación al exterior y con unas pérdidas ínfimas en el dieléctrico (especialmente si se utiliza el vacío), favoreciendo que no existan interferencias. En una primera aproximación, podemos simplificar una guía de ondas como se representa en la Figura 4.71, donde la energía electromagnética se propaga mediante la «reflexión» que se produce entre dos láminas conductoras, formando un «zig-zag», y no por tensiones o corrientes, como sucede en los cables coaxiales o en las líneas de transmisión.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Pared
ción de propagación y existe componente de campo eléctrico en la dirección de propagación. Modo TEM. Es el modo «Transversal Electromagnético», donde tanto el campo eléctrico como el magnético son nulos en la dirección de propagación.
Figura 4.71 . Esquema de transporte de la energía en una guía de ondas.
Sabías que ... El origen de las guías de ondas data de 1893, año en el cual n . Thomson propuso la primera estructura. Sin embargo, hubo que esperar a 1894 para que Oliver Lodge la probara experimentalmente. Tendremos que esperar a la década de 1920 para encontrar la primera guía de ondas dieléctrica.
• • 4.5.1. Modos de propagación El análisis de las guías de ondas electromagnéticas y su comportamiento frente a la energía electromagnética se resuelven con las conocidas ecuaciones de Maxwell; estas ecuaciones tienen, sin embargo, múltiples posibles soluciones. Cada solución a dichas ecuaciones recibe el nombre de modo. A nivel práctico, podemos afirmar que las ondas electromagnéticas que se propagan en el interior de las guías de ondas lo harán con diversas posibles «configuraciones», esto es lo que hemos denominado como «modos». Un modo, por tanto, es la forma en la que la energía electromagnética puede propagarse a través de una guía. Dichos modos deberán satisfacer ciertas condiciones.
Los modos de propagación de una guía de ondas dependerán tanto de la longitud de onda a la que se trabaja, como de la polarización o las propias dimensiones de la guía. Podemos distinguir entre dos tipos de modos: longitudinal y transversales. El modo longitudinal es un tipo concreto de onda estacionaria constituido por ondas confinadas en el interior de la cavidad. Por otra parte, los modos transversales se pueden clasificar en diferentes tipos: • Modo TE. Es el modo «Transversal Eléctrico», en el cual el campo eléctrico es transversal a la dirección de propagación y existe componente de campo magnético en la dirección de propagación. • Modo TM. Es el modo «Transversal Magnético», en el cual el campo magnético es transversal a la direc-
• Modo híbrido. En este caso existe tanto componente de campo eléctrico como magnético en la dirección de propagación. Para identificar un modo de propagación en particular se emplean dos letras seguidas de un subíndice de dos dígitos numéricos, como por ejemplo, TE l o' TM 11' etcétera. El número de posibles modos que podemos tener presentes aumentará con la frecuencia para una guía de ondas de unas dimensiones dadas. Existe un modo conocido como modo dominante o modo fundamental que es el único que puede transmitirse a la frecuencia más baja que es capaz de soportar la guía. En las guías con geometría rectangular, el modo dominante es el TE l o' y en las guías circulares el TE II • Las guías de ondas se diseñan para operar en un único modo de propagación con el ancho de banda requerido, atenuando el resto de modos de orden superior. El ancho de banda de la guía vendrá limitado por la aparición de modos superiores. En el caso de la guía de ondas rectangular, este será el modo TEOi' por lo que, para aumentar el ancho de banda, se utilizan otras configuraciones de guías como la guía «Double Ridge», que dispone una sección en forma deH.
Recuerda que ... Una guía de ondas permite la transmi sión óptima de la frecuencia para la qu e ha sido di señada, la frecuencia portadora.
La menor frecuencia a la que un modo puede propagarse es lo que se conoce como frecuencia de corte. El modo con menor frecuencia de corte será el modo básico de la guía de ondas y determinará la frecuencia de corte de la guía de ondas.
Recuerda que ... En una guía de ondas, un modo de propagación es una solución a las ecuaciones de Maxwell o, en otras palabras, a la forma de la onda. Debido a ciertas limitaciones de contorno impuestas por la geometría de la guía de ondas, únicamente existen ciertas frecuencias y «formas » para la onda que puede propagarse por la guía de ondas.
ELECTRIC IDAD-ELECTRO • • 4.5.2. Tipos de guías de ondas Existen varios tipos de guías de ondas, algunos de los cuales ya han sido mencionados anteriormente. A continuación enumeramos algunos de ellos. • Guía de ondas rectangular, circular o elíptica. Son aquellas guías cuya sección tiene forma rectangular, circular o elíptica, respectivamente. • Guías de ondas de haz. Son aquellas que están constituidas por lentes o espejos, siendo capaces de guiar una onda electromagnética. • Guía de onda tabicada. Está formada por dos cilindros coaxiales metálicos que se unen en toda su longitud por un tabique radial metálico. • Guía de onda acanalada, guiada en V, guiada en H. Se trata de una guía de ondas de sección rectangular a la que se le incluyen resaltes conductores en el interior a lo largo de las dos paredes de mayor dimensión. • Guía de ondas cargada periódicamente. Es un caso particular de guía de ondas en la cual la propagación está determinada por las fluctuaciones regularmente espaciadas de las propiedades que definen el medio, por sus dimensiones y por las superficies de contorno.
Figura 4.72. Fonendoscopio.
En la actualidad, las guías de ondas se emplean frecuentemente para la transmisión de ondas electromagnéticas entre los dispositivos de sistemas que trabajan a elevadas frecuencias, tales como los sistemas de radio, los radares o los dispositivos ópticos. Se emplean debido a que son muy eficientes (tienen pocas pérdidas) para la transmisión de señales de alta frecuencia, como hemos comentado con anterioridad. Su campo de aplicación cobra importancia a partir del rango de las microondas, aunque como principales inconvenientes nos encontramos con su peso y su tamaño.
• Guía de ondas dieléctrica. Está formada por uno o varios materiales dieléctricos, sin que exista ninguna pared conductora.
Sabías que ... Exi ste una guía de ondas, conocida como línea de cinta, que es posible fabricarl a so bre un circuito impreso. Es muy económica y fácil de fabricar, además de tener un reducido tamaño .
• • 4.5.3. Aplicaciones de las guías de ondas La utilización de las guías de ondas para la transmisión de señales es bien conocida, incluso antes de que el propio término fuera acuñado. Por ejemplo, la idea de una guía de ondas fue muy utilizada para la transmisión de voz u ondas sonoras, como los intercomunicadores que existían en los antiguos barcos de vapor y que permitían informar a los operarios de las calderas si debían echar más carbón, como más de uno de nosotros habrá visto en alguna película de época. También encontramos otro ejemplo de conducción de ondas sonoras en los antiguos gramófonos o en los fonendoscopios utilizados por el personal sanitario.
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Figura 4.73. Consola de radar utilizada en aviación.
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Entre las principales aplicaciones donde podemos encontrar guías de ondas enumeramos algunas de las más conocidas:
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • Para la realización de elementos de telecomunicación como acopladores direccionales, filtros, circuladores, etcétera. • Centrales telefónicas, para subir y/o bajar las señales que proceden de antenas de satélite o estaciones de microondas. • En los hornos microondas, una guía de ondas transfiere la energía procedente del magnetrón a la cámara de cocción. • Radares, donde se conecta la consola y el equipo de transmisión/recepción con la antena.
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Recuerda que ... Las guías de ondas dieléctricas que trabajan a la frecuen cia de la luz visible y de los infrarrojos son las que actualmente conocemos como fibras ópticas.
• • 4.5.4. Ventajas einconvenientes de las guías de ondas Aunque a lo largo de los apartados anteriores hemos mencionado algunas de las ventajas e inconvenientes del uso de las guías de ondas, en este apartado hacemos una enumeración de las principales ventajas e inconvenientes de forma detallada. • Ventajas: - Su blindaje o apantallamiento es absoluto, siendo insensible a la EMI y eliminando las pérdidas por radiación al exterior en su totalidad. - Las pérdidas en el dieléctrico son mínimas o nulas. - Las pérdidas en los conductores son inferiores a las que presentan los coaxiales, al existir un único conductor. - Permiten trabajar a mayor potencia y mayor frecuencia.
Figura 4.74. Horno microondas.
En la actualidad, adquieren especial relevancia, y aún más en un futuro no lejano, las guías de ondas dieléctricas que trabajan a la frecuencia de la luz visible y los infrarrojos, actualmente conocidas como fibras ópticas, que están adquiriendo una especial relevancia en aplicaciones de envío de información de elevado ancho de banda, sustituyendo, progresivamente, los enlaces de microondas que encontramos en las redes de telefonía, el uso del cable coaxial y, en los últimos años, generalizándose su uso en multitud de apJjcaciones como las redes de datos o el hogar digital.
- La construcción es más sencilla que la de los cables coaxiales. • Inconvenientes: - Puede verse afectada por los cambios de temperatura, dilatándose y contrayéndose, por lo que hay que emplear sujeciones especiales. - La instalación y puesta en servicio de una guía de ondas es más compleja que la de un cable coaxial. - Suelen tener un mayor tamaño que los coaxiales. - Aunque hay versiones flexibles, son menos maleables que los cables coaxiales.
11 4.6. Transmisión de señales ópticas. la fi~ra óptica o
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Figura 4.75. Varios filamentos de fibra óptica.
Estrictamente hablando, la fibra óptica no es más que una guía de ondas dieléctrica con un perfil cilíndrico que trabaja a frecuencias ópticas, es decir, la señal que se propaga por las mismas es radiación luminosa. La fibra óptica, como guía de ondas, confina en su interior la energía electromagnética de la radiación óptica, guiándola a lo largo de su eje longitudinal.
ELECTRICIDAD-ELECTRO La propagación de la radiación óptica, por tanto, podrá ser descrita del mismo modo que hemos estudiado con las guías de ondas, en base a un conjunto de ondas electromagnéticas que hemos denominado modos, de los que únicamente se transmite un número concreto de ellos.
fracción menor al del núcleo, 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.
Nota La teoría de la dualidad onda-corpúsculo, también denominada dualidad onda-partícula, resolvió una aparente paradoja de la física clásica, demostrando que la luz puede poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Conforme con la física clásica, existen diferencias entre onda y partícula. Si bien una partícula posee masa y ocupa un lugar determinado en el espacio, una onda se extiende a lo largo del espacio y se caracteriza por tener una velocidad definida y masa nula. En la actualidad se considera que la dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no existen diferencias fundamentales entre ondas y partículas; en otras palabras, las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa .
Núcleo Revestimi ento
Cubierta
Figura 4.76. Elementos constitutivos de una fibra óptica.
El análisis de las fibras ópticas empleando la óptica geométrica se basa en los fenómenos de reflexión y refracción de la luz.
• • 4.6.1. Análisis de las fibras empleando la óptica geométrica Si bien es cierto que para realizar un preciso análisis de las fibras ópticas es necesario recurrir a las ecuaciones de la teoría ondulatoria, la dualidad onda-corpúsculo de la luz nos permite, en una primera aproximación, analizar el comportamiento de las fibras ópticas empleando la óptica geométrica (es decir, tratando la luz que se introduce en la fibra como un «rayo»). Esta simplificación es válida siempre y cuando el diámetro del «núcleo de la fibra», que es por donde se conduce la luz, sea mayor que la longitud de onda de la luz.
Medio físico A
incidente Medio flsico B
La fibra óptica, por tanto, puede considerarse 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, la fibra óptica está constituida por tres partes principalmente: • Núcleo, que es por donde se conduce la señal lumi nosa. 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.
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Rayos refraelados
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• Revestimiento, cuya función es confinar el haz de luz dentro del núcleo. Para ello, presenta un índice de re-
Figura 4.77. (Arriba) Esquema del fenómeno de reflexión. (Abajo) Esquema del fenómeno de refracción.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes con distinta densidad (o lo que es lo mismo, velocidad de propagación), parte del flujo luminoso se refleja, permaneciendo en el primer medio, y parte se refracta, penetrando en el segundo. Resulta entonces fundamental conocer de qué manera acoplar el emisor de luz, que será la fuente de señal, para que el rayo que se emite se refleje totalmente en las paredes de la fibra y se propague por el interior del núcleo de la misma. El ángulo máximo con el que podemos hacer incidir el rayo luminoso del emisor sobre el recubrimiento de la fibra para que se refleje se conoce como ángulo crítico, y viene determinado por la conocida Ley de la refracción o Ley de Snell. Para obtener el ángulo crítico debemos aplicar la Ley de Snell. Supongamos que tenemos un rayo que se propaga por un medio de índice ni' con un ángulo 81 y que incide sobre un medio con índice n2 , refractándose con un ángulo 82 ,
Figura 4.79. Esquema de una fibra óptica con indicación de los ángulos de incidencia y reflexión,
Entonces, si deseamos conocer el ángulo máximo de entrada del haz luminoso procedente de la fuente aplicando la Ley de la Refracción o Ley de Snell tenemos que:
Como e Or = el - 90, se cumple que seneor tanto:
, : Normal
,
=
cos el y, por
La reflexión total entre el núcleo y el recubrimiento se produce cuando el ángulo de incidencia es igualo mayor que el ángulo crítico. Por tanto:
Por trigonometría se cumple que sen 2(el) + cos 2 (el) entonces:
=
1,
Figura 4.78. Fenómeno de refracción en dos medios con distinta densidad,
Según la Ley de Snell se cumple que:
Para que se produzca la reflexión total, el ángulo 82 debe ser igualo mayor de 90°. Sustituyendo 82 por 90 grados, obtendremos el valor del ángulo crítico:
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Supongamos que tenemos una fibra óptica como la que se muestra en el esquema de la Figura 4.79, donde la fuente de luz emite un haz desde un medio con índice no' donde el núcleo tiene un índice ni y un recubrimiento de índice n 2•
Por tanto:
Despejando, tenemos:
El ángulo crítico de incidencia de la fuente de luz vendrá dado entonces por:
ELECTRICIDAD-ELECTRO Al valor AN = V~ n¡- - n 2 se le conoce como apertura numérica de la fibra.
Sabías que ... La capacidad de inyectar rayos de luz en una fibra óptica dependerá de los Índices de refracción del aire, el núcleo y el recubrimiento, como hemos visto. En la actualidad, gran parte de las investigaciones en el sector de las fibras ópticas se centra en mejorar la capacidad de inserción de los rayos de entrada, así como la disminución de las pérdidas que existen en las fibras. La luz de los diodos LED no está bien «colimada», por lo que únicamente una parte de la luz se acopla en la fibra. Los láseres resultan mucho más eficientes en este sentido.
municaciones de la centralita u ordenador de abordo con los sensores y actuadores de los mismos y para los equipos multimedia (audio y vídeo) de su interior, por ejemplo.
Recuerda que ... La principal desventaja de las fibras de plástico son sus pérdidas o atenuación.
Las fibras de plástico, por tanto, se utilizan en aplicaciones donde no se precise un elevado número de bits y la transmisión sea a corta distancia.
• • 4.6.2. Clasificación de la de fibra óptica ytipos de transmisión
Las fibras realizadas con núcleo de silicio, por otra parte, tienen un diámetro inferior. El silicio tiene una dureza parecida a la del acero, pero al utilizarse un diámetro tan pequeño es preciso proteger la fibra de posibles factores externos adversos que puedan dañarla. Son muy sensibles frente a imperfecciones, ralladuras, impurezas o grandes radios de curvatura.
La fibra óptica se ha extendido rápidamente en el sector de las comunicaciones debido a sus superiores prestaciones en comparación con los medios de comunicación eléctricos, habiéndose incrementado en los últimos años los avances en el uso de distintos materiales y propiedades de las mismas, pudiendo encontrar un amplio abanico de fibras con distintas características y propiedades.
Por otra parte, una segunda clasificación, más interesante y muy frecuentemente utilizada, es la que podemos realizar atendiendo al tamaño del núcleo y el comportamiento de los índices de refracción del núcleo y revestimiento de la fibra, es decir, desde el punto de vista de la propagación o el tipo de transmisión de la luz en la fibra. Podemos distinguir entre:
Una primera clasificación de los distintos tipos de fibra óptica que encontramos en el sector atiende al material con el que son construidas, pudiendo emplearse siUcatos, plástico o bien vidrio. Actualmente, las fibras de plástico tienen mayor atenuación que las de vidrio o silicatos.
• Fibras monomodo. Como su propio nombre indica, se trata de fibras por las que únicamente se propaga un modo, por lo que no existe la dispersión modal que aparece como consecuencia de las distintas velocidades de propagación de los modos que se transmiten a lo largo de las fibras. Esto es posible dado que el diámetro de su núcleo es muy pequeño, de menos de 9 f-lm. En estas fibras, el acoplamiento del haz es más complejo; sin embargo, se consigue alcanzar distancias y velocidades de transmisión mucho mayores que con las fibras multimodo. Se usa muy frecuentemente en redes troncales con un ancho de banda que alcanza los 100 gigahercios por kilómetro.
Sabías que ... Las fibras más comunes son las fibras de silicio; sin embargo, cada vez son más frecuentes las fibras de plástico. Las fibras ópticas de plástico (POF, Plastic Optical Fiber), están construidas, en general, con un recubrimiento de
poUmetilmetacristaLino (PMMA) y un núcleo de poliestireno, con índices de refracción entre 1,49 y 1,59, respectivamente. Estas fibras suelen tener diámetros del núcleo de hasta 1 milímetro, lo que las hace muy fáciles de manejar, se pueden doblar fácilmente y son económicas, pudiendo incluso cortarse empleando una simple hoja de afeitar o un cúter. Tienen una atenuación de unos 0,15 decibelios por kilómetro, por lo que se emplean en aplicaciones de corta distancia, con un transmisor tipo LED, encontrándolas en aplicaciones como en el interior de los vehículos, donde desde hace años han comenzado a utilizarse para las co-
Sabías que ... Una de las aplicaciones más comunes de las fibras monomodo es su uso en redes troncales de larga distancia, que sirven para conectar una o varias localidades. Este tipo de enlaces se conoce como dorsales o más frecuentemente, backbone.
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• Fibras multimodo. Permiten que se propaguen más de un modo por las mismas, dado que el diámetro del núcleo es mayor, con valores de 50 o 62,5 f-lm, nor-
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RICIDAD-ELECTRÓNICA malmente, facilitando el acoplamiento del haz de luz procedente de los transmisores.
Las dimensiones típicas de los elementos que componen este tipo de fibras son: o
Recuerda que ...
Fibras MM-SI de vidrio o sílice: - Diámetro del núcleo: 40-50 flm.
Existen distintas formas de clasificar las fibras ópticas, atendiendo a diferentes criterios, tales como el modo de propagación, el Índice de refracción, los materiales empleados, el ancho de banda, la atenuación, la apertura nu mérica, etcétera.
- Diámetro del revestimiento: 125-500 flm. - Diámetro de la protección: 250-1000 flm. o
Fibras MM-SI de plástico: - Diámetro del núcleo: 100-500 flm. - Diámetro del revestimiento: 300-800 flm.
Tal y como hemos comentado con anterioridad, la fibra óptica dispone de un núcleo, con un índice de refracción n i, y un recubrimiento de índice n2 • En función del «perfil» de los índices y del tamaño del núcleo podemos clasificar las fibras ópticas en monomodo, multimodo de índice gradual y multimodo de índice escalonado. El tamaño del núcleo determina el número de modos que se pueden propagar por la fibra, de tal manera que en las fibras monomodo únicamente se propagará un modo, mientras que las multimodo pueden contener centenares o miles de modos. Multimodo indice escalonado
Multimodo indice gradual
Monomodo indice escalonado
- Diámetro de la protección: 250-1000 flm. Su ancho de banda oscila entre 10 y 20 megahercios y tiene una atenuación de unos 10 decibelios por kilómetro. Su uso se suele limitar a distancias inferiores a un kilómetro. Frecuentemente se comercializan con un núcleo de 62,5 micras y un revestimiento de 125 micras.
Sabías que ... Un valor típico de Índice de refracción del núcleo en fibras MM-SI es 1,48. El Índice de refracción del revestimiento suele ser algo menor.
1(&¡/4!ttT1 m/,_ _ Fibra óptica = Optical fi ber. Núcl eo = Co reo Revestimiento = Cladding .
~----------------Y ---------------_/ Indlces de refracción del núcleo y recubrimiento
Figura 4.80. Distintos perfiles y modos de propagación en las fibras ópticas.
Sabías que ... Las fi bras multimodo se emplean habitu almente en apl icaci ones de corto alcance, co n di stanci as inferiores a los 2 kilómetro s.
• • • fi~ra multimo~o ~B salto ~B ín~icB (MM-SI) En las fibras multimodo de salto de índice el índice de refracción del núcleo, n i. es constante (uniforme) en todo su diámetro, siendo sensiblemente mayor al índice de refracción de la cubierta o recubrimiento, n2 , que también es uniforme, cumpliéndose entonces que ni> n 2 •
• • • fi~ra multimo~o ~B ín~icB gra~ual (MM-IG) En las fibras multimodo de índice gradu al el índice de refracción del núcleo no es constante, di sminuyendo con la di stancia al centro o eje del mi smo. El revestimiento , por otra parte, se mantiene con un índice de refracción constante. Al hacer el índice del núcleo gradual se consigue que el retardo relativo entre los di stintos rayos que se propag an por el mismo sea menor que en las fibras de salto de índice, mejorando su comportamiento en cuanto a la dispersión modal de las mismas (se reduce la dispersión modal) . Las dimensiones típicas de los elementos que componen este tipo de fibras son: o
Diámetro del núcleo: 30-100 flm.
o
Diámetro del revestimiento: 100-150 flm.
o
Diámetro de la protección: 200-300 flm.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Su ancho de banda es de 200 a 1000 megahercios, con una atenuación de unos 5 dB/Km. Se puede utilizar en distancias superiores al kilómetro y frecuentemente se comercializan con un núcleo de 50 micras y un revestimiento de 125 micras.
• • • fi~ ra m o n o m o ~o (SM) En estas fibras, el núcleo es muy pequeño, de apenas 3-10 flm, de tal manera que se consigue que se propague por las mismas un único modo. Si bien estas fibras pueden ser de índice gradual o de salto de índice, las primeras no se utilizan dado que al existir un único modo propagándose por la fibra no existirá dispersión modal. Además, el recubrimiento de las mismas debe ser, al menos, diez veces superior al del núcleo. Las dimensiones típicas de los elementos que componen este tipo de fibras son: • Diámetro del núcleo: 3-10 flm. • Diámetro del revestimiento: 50-125 flm. • Diámetro de la protección: 250-1000 flm. Dentro de la categoría de las fibras mono modo podemos distinguir, a su vez, tres tipos: • Fibra monomodo estándar. Conocida como fibra SMF (Standard Single Mode Fiber) . Tienen una atenuación de, aproximadamente, 0,2 dB/km y una dispersión cromática de 16 ps/Km·nm a una longitud de onda de 1550 nanometros (lo que se denomina 3a ventana, como veremos más adelante). A una longitud de onda de 1300 nm. La dispersión se hace nula, pero aumenta considerablemente la atenuación, lo que hace que este tipo de fibras no sea adecuado para aplicaciones WDM (Multiplexación en longitud de onda).
mática nula a 1550 nanometros (3a ventana); sin embargo, su atenuación es ligeramente mayor respecto a las fibras SMF, de unos 0,25 dB/Km. El principal inconveniente de este tipo de fibra es que se ve afectada por efectos no lineales (los cuales explicamos en párrafos sucesivos) e imposibilita su uso en aplicaciones WDM . • Fibra NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fiber). Persigue resolver los problemas de la anterior fibra, teniendo un valor de la dispersión próximo a cero pero no nulo, de tal manera que se consigue contrarrestar los efectos de los fenómenos no lineales a través de la dispersión cromática.
• • • flección ~ e l tipo ~e fi~ra aemplear A la hora de determinar qué fibra óptica elegir para nuestro sistema de comunicación hay que tener en cuenta diversos factores . Por una parte, las fibras ópticas multimodo, al disponer de un núcleo de mayor diámetro, exigen un acoplamiento de la fuente de luz menos preciso, lo que implica el uso de emisores y receptores más sencillos y económicos, pudiendo utilizar como fuentes de señal tanto diodos LED como láseres. Además, el proceso de empalme y las conexiones son también más sencillos. Sin embargo, las fibras multimodo, al disponer de cientos de modos propagándose por la fibra, se ven afectadas por el fenómeno de dispersión modal, que no es más que la diferencia de velocidad de propagación de los diferentes rayos que se propagan por la fibra, lo cual se traduce, a efectos prácticos, en una reducción del ancho de banda y, por tanto, de la velocidad máxima de transmisión.
lll. lll.
Multimodo indice escalonado
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......... ......
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Multimodo indice gradual
~- ~ n,
-
............
.............
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k ~ t
Monomodo índice
130
1400
1500
1550
1600
Long itud de onda (n m)
Figura 4.81. Dispersión cromática para las fibras monomodo SMF, DSF y NIDSF.
tu. Pulsos aJa
entrada
• Fibra DSF. Su acrónimo responde a Dispersion Shifted Fiber. Se diseñan para que tengan una dispersión cro-
escalonado
F ~15 lJL. ------
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...................
Tipo de fibra
óp tIca
Pulsos ala salida
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Figura 4.82. Pulsos de entrada y salida en distintos tipos de fibra.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA Las fibras monomodo, por otro lado, únicamente trabajan con fuentes de señal de tipo láser, pero al transmitirse un único modo por ellas se consigue que no haya dispersión modal y, por tanto, el ancho de banda de las fibras monomodo es mucho mayor que el de las monomodo. En este tipo de fibras nos encontramos con el fenómeno de la dispersión cromática, que se debe a la diferencia de velocidad de las diferentes longitudes de onda de la luz transmitida, pues, aunque empleemos una fuente de luz muy «pura», como la de los láseres, siempre existen varias longitudes de onda y, por tanto, dispersión cromática. En relación a los empalmes y las conexiones, si bien es cierto que el proceso es más complejo, la aparición de máquinas que automatizan el proceso ha dado solución a este problema, pudiendo hacerse el conexionado con gran facilidad. En la actualidad, la mayoría de las fibras ópticas utilizadas son multimodo de índice gradual, las cuales se dividen en cuatro grupos: OMI, OM2, OM3 Y OM4.
Figura 4.83. Operario realizando el empalme de fibras ópticas de comunicación.
Tabla 4.8. Denominación de las fibras multimodo según diferentes estándares
62,5
492AAAA-A
Tipo A1 b
.... ................... . ...... : .... ......... .. ........ ........... ..: ......
: ...... ... ...... ... ......... ... ........ .......... .. ............... :
TIA 492AAAA
OM1
............ ........ ... .... ... . , ........ . .. ... .. : .. .... .... ..... ... ......... ....... ;
i..................................................................................................................................................................................................... 50 492AAAB-A i TipoA1a.1 : G.651.1 ~ TIA 492AAAB ~ OM2 ~ ....................................... .. : 50 : 492AAAC-B Tipo A1 a.2 i G.651.1 : TIA 492AAAC . OM3 : . ..................................................................................................................... ................................................................................. . . . . . . 50 . 492AAAD i TipoA1a.3 i G.651 .1 · TIA 492AAAD ¡ OM4 i ,
Tabla 4.9. Resumen de las principales características de algunos tipos de fibras Diámetro del recubrimientol núcleo [!J.m]
Material
Completo de plástico
Multimodo índice escalonado
Recubrimiento de plástico
Multimodo índice escalonado
Silicio
Multimodo índice escalonado
450-1000
:
o
'E '1"
..........................
Silicio
ro
ro
125-300
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Silicio
Bajo
Aplicaciones de bajo coste y conexiones de poca distancia: <100 metros.
....... .. ..................... .. .
0,2-0,3
4-15
4-15
Reducido coste, recorridos pequeños, reducido ancho de banda.
0,16-0,5
4-50
6-25
Reducido coste , recorridos pequeños, reducido ancho de banda.
0,2-0,3
2-10
1502000
Distancias intermedias, ancho de banda intermedio, fuente láser.
0,5-5
500: 40000
50-400
.
125-300 '
........... .
:. . . . . . . . :
~~:~~~I
~.~~_.~ .~~
...................... ....................... ........................ ..
Monomodo con índice : : escalonado ~ ~
"-
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330-1000
..
30-60
:
0,5-0,6
Aplicación o uso
50-100
: Multimodo : Silicio
Atenuación [dB/Km]
200-600
·· ....... ............... . ·
Apertura numérica
Monomodo
3-10 50-125
: 0,08-0,15
... .. ............... ':. ........................... .: ..............
Hasta 100 millones
Distancias grandes, ancho de banda elevado , fuente láser. ,
Sistemas intercontinentales con un elevado ancho de banda.
ELECTRIC IDAD-ELECTRO Las fibras OMl son de 62,5/125 flm (núcleo y revestimiento, respectivamente), mientras que las OM2, OM3 Y OM4 son de 50/125 flm. Las fibras tipo OM3 y OM4 están, a su vez, optimizadas para su funcionamiento con fuente de luz láser.
Sabías que ... En la página web de la empresa Corning, www.coming. com, puedes encontrar diferentes modelos de fibra óptica multimodo de índice gradual.
para aquellas aplicaciones donde se precise una gran velocidad de transmisión y una menor atenuación. Un sub sector de las comunicaciones donde el uso de la fibra óptica resulta fundamental es el de las comunicaciones industriales, donde sistemas de comunicación como el bus PROFIBUS, disponen de medios físicos de comunicación basados tanto en par trenzado como en fibra óptica, para aquellas aplicaciones donde el entorno o las prestaciones de velocidad son más exigentes.
• • 4.6.3. Aplicaciones de la fibra óptica La utilización de la fibra óptica abarca un amplio y dilatado mercado actualmente, encontrando aplicaciones en el sector de las comunicaciones, los dispositivos sensores (para medir temperatura, por ejemplo), la iluminación, etcétera. En las siguientes líneas se resumen algunas de las más importantes .
• • • Comunicaciones La utilización de la fibra óptica en el sector de las comunicaciones se está incrementando exponencialmente, gracias a la rápida evolución que la tecnología de fabricación está experimentando y el abaratamiento de los costes. La f1exibiUdad de la fibra óptica y su reducido tamaño permiten su uso masivo, pudiendo ser agrupadas, a igual que sucede con los cables de pares trenzados telefónicos, lo cual es lo más habitual, por otra parte.
Figura 4.85. Dispositivo PROFIBUS con interfaz de fibra óptica.
• • • Sensores ~e fi~ra óptica Otro de los grandes usos que está teniendo la fibra óptica es su utilización para construir sensores que abarcan diferentes aplicaciones: temperatura, presión, giróscopos, deformación de piezas, densidad de fluidos, etcétera. El reducido tamaño de estas, su rango de funcionamiento a temperaturas extremas, junto con la ausencia de tensión eléctrica en las mismas hace que el uso de la fibra óptica sea especialmente importante en sectores como la biomedicina, la ingeniería balística o la industrial, entre otras .
• • • Iluminación
Figura 4.84. Detalle de un cable con varias fibras ópticas en su interior.
Podemos encontrar fibras de plástico o de vidrio en este sector, si bien es cierto que las fibras de vídeo se emplean
Una de las aplicaciones más comerciales y vistosas de la fibra óptica es el sector de la iluminación. Su maleabilidad y posibilidad de conducir la luz desde una fuente lejana, o la de repartir con varias fibras la luz desde un único punto, son algunas de las muchas aplicaciones que podemos encontrar. Otra ventaja es la ausencia de calor, por lo que en los últimos años se está empleando en aplicaciones donde estos parámetros son primordiales, caso de la iluminación de obras de arte, por ejemplo, donde la temperatura debe estar comprendida entre unos valores concretos.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • • • Automatismos yelectrónica in~ustrial En el sector de la automatización la utilización de las fibras ópticas es especialmente útil en aquellas aplicaciones donde el entorno es muy «ruidoso» e introduce serias interferencias que pueden afectar al correcto funcionamiento de los circuitos. Un ejemplo lo encontramos en la electrónica de control de los aerogeneradores, donde la circuitería interna encargada de activar y desactivar ciertas señales (como las del inversor, por ejemplo) puede verse afectada por ruidos impulsivos y EMI cuyas consecuencias pueden ser catastróficas. En tales casos el uso de la fibra óptica permite aislarnos de esas fuentes de ruido, al ser totalmente inmune a los ruidos eléctricos presentes en el entorno.
desde la medicina, como los endoscopios por fibra óptica, que sirven para visualizar partes del cuerpo humano a través de un pequeño orificio, hasta la electrónica de consumo, para el vídeo y audio de alta definición o la decoración (caso de los sistemas de iluminación de algunos árboles de N avidad, juguetes, etcétera).
• • 4.6.4. Conectores yempalmes de líneas Uno de los factores más importantes cuando trabajamos con las fibras ópticas es la interconexión o unión de las mismas, ya que hay que velar porque las pérdidas que se introducen por esa unión sean mínimas. En general, podemos distinguir tres tipos de conexiones: • Conexión de la fuente de señal (LED o láser) con la fibra óptica. • Unión de una fibra óptica con otra fibra óptica. • Conexión de una fibra óptica con el receptor (fotorreceptor). Los elementos que intervienen en estas uniones son muchos, siendo los más frecuentes los conectores, los empalmes y los acopladores.
Figura 4.86. Detalle de la electrónica de control de un aerogenerador empleando fibra óptica para su accionamiento.
• • • Otros USOS Basta hacer un recorrido por la red de redes, internet, para encontrar multitud de aplicaciones que actualmente se le está dando a la fibra óptica, abarcando aplicaciones que van
En los sistemas de comunicaclOn de baja frecuencia, como los que se utilizan para el accionamiento de automatismos industriales, las pérdidas y otros efectos derivados de las uniones y los empalmes no inciden significativamente sobre la ca)jdad del sistema; tal es el caso de ciertos sistemas de fibra óptica empleados en los accionamientos industriales. Sin embargo, cuando se emplea la fibra óptica en sistemas de elevada frecuencia, para comunicaciones propiamente, sí que debemos prestar especial atención a la posible pérdida de calidad de la instalación, lo que se debe, en gran medida, a la precisión de la unión o empalme, debiendo procurar que el aHneamiento entre fibras sea prácticamente perfecto y que las secciones de las mismas sean idénticas, entre otros factores, consiguiendo la máxima transferencia de potencia entre las dos partes de la unión.
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Figura 4.87. (Izquierda) juguete realizado con filamentos de fibra. (Derecha) Detalle de conector para fibra óptica en un televisor.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Con objeto de determinar la bondad o calidad de una unión, solemos definir el rendimiento de acoplamiento como:
fibras, pudiendo realizarse por distintos procesos, tales como las uniones por fusión o mediante pegamentos especiales que disponen de las mismas propiedades ópticas que las fibras. • Unión mediante conectores. Existe una amplia variedad de los mismos.
donde P2 es la potencia óptica que tenemos tras la unión y P 1 la potencia óptica o flujo incidente en el primer medio, es decir, antes de la unión.
Sabías que ... Otra form a de medir el rendimiento de acoplamiento es utilizar el concepto de pérdidas de acoplamiento , que no es más que expresar la unidad anterior en decibelios : L "cop /all1iel1fO = -10 10g(1] ) En los distintos tipos de acoplamiento anteriormente mencionados debemos tener en cuenta especialmente tres factores: conexión, alineamiento, y si por la fibra se propaga un modo o varios (monomodo o multimodo). De hecho, en una unión entre dos fibras, el modo que se propaga tras la unión por la fibra no es necesariamente el modo que llega a la misma, sino que, como consecuencia de las irregularidades en la unión entre las fibras aparecen nuevos modos, la mayoría de los cuales se atenúa mucho más rápidamente que el modo origen. Las técnicas empleadas para la unión en las fibras ópticas pueden ser de di stintos tipos, atendiendo a las condiciones en las que deseamos rea lizar el empalme o atendi endo a la naturaleza de los elementos que se unen (fibras, emisores, etcé tera); pudiendo ser bien de tipo perm anente o temporal , empleándose «empalmes por fusión» o con pegamentos, «empalmes mecánicos» y, por último , utiliz ación de conectores. Por tanto, tendremos: • Empalmes permanentes. Donde los dos extremos se «sueldan» sin que ex ista ningún medio entre ambas
Figura 4.89. Detalle de empalme mecánico con conectores.
Las fases de las que consta toda unión, independientemente del método empleado son tres: • Preparación de las fibras. Es la fase en la que realizamos el pelado, la limpieza y el corte perpendicular al eje. • Ejecución. Fase en la que procedemos a alinear y unir las fibras. • Protección. La fibra se protege frente a esfuerzos mecánicos y agentes ambientales adversos.
Sabías que ... Los empalm es por fu sión se emplean, normalm ente, para unir secciones de línea de manera permanente. Por otra parte, también encontraremos empalmes mecánicos, qu e suelen darse en casos de emergencia y con carácter provisional. Finalm ente, también se emplean co nectores, sobre todo en las terminaciones de las lín eas y en los sistemas de conexión a los equipos .
• • • fmpalme por fusión El empalme por fusión se lleva a cabo empleando una máquina de empalme que realiza el proceso de manera automática, ajustando el alineamiento y la presión axial necesarios para que el empalme se realice óptimamente. La máquina consta de dos bloques separados para el alineamiento en el que hay dispuestos dos surcos en forma de V donde se colocan las fibras. Uno de los bloques se mueve en las tres coordenadas espaciales, bien manualmente, controlando el proceso a través de un visor con microscopio,
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RICIDAD- ELECTRÓN ICA o de forma automática, como sucede en las versiones más avanzadas de las fusionadoras comerciales.
• • • Conectores
La unión de las fibras tiene lugar mediante el calentamiento de los dos extremos de la fibra, los cuales se han limpiado y cortado previamente.
Los conectores, empleados frecuentemente para unir transmisores y/o receptores a las fibras (a veces también en uniones de fibras), son mecanismos de interconexión que permiten la conexión y desconexión de los elementos de manera sencilla y cuando se desee, por lo que presentan estructuras que deben responder a diferentes necesidades: presentar una gran y cuidada protección mecánica, disponer de robustos sistemas de sujeción y asegurar el correcto ali neamiento al realizar el proceso de desconexión-conexión.
Figura 4.90. Detalle de máquina de empalme por fusión. Figura 4.91. Conector de fibra óptica.
Tras el empalme, es preciso colocar en la unión una protección mecánica, habitualmente un tubo termorretráctil con una barra de acero, ya que es fácil que dichos empalmes se rompan por torsión o tracción si no se protegen adecuadamente.
Sabías que ...
Existen en el mercado una amplia variedad de tipos de conectores, los cuales difieren, fundamentalmente, en su sistema de anclaje y las dimensiones del ferrule, una parte de los conectores cuya función es la de ubicar la fibra en su interior para su correcto guiado y fijación y cuya tolerancia es muy crítica, pues de ellos depende, en gran medida, las pérdidas que introduzca el conector.
El calentamiento de los extremos de las fibras suele realizarse empleando la técnica de arco eléctrico .
• • • fmpalme mecánico En los empalmes mecánicos, las fibras se alinean utilizando unas guías mecánicas de precisión que permiten optimizar el enfrentamiento de las secciones transversales de los núcleos de las fibras, previamente cortadas y limpiadas. Para minimizar las pérdidas que se pudieran introducir en la unión debido al cambio de índice de refracción entre la unión fibra-aire-fibra, se emplean unos líquidos especiales con un índice de refracción similar al de las fibras, que ayudan a reducir las pérdidas.
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Sabías que ... En la unión por empalme mecánico se suelen emplear como adhesivos de unión líquidos basados en aceites de silicona, cidra, etcétera, los cuales poseen un índice de refracción cercano al 1,5.
Figura 4.92. Conector con fibra óptica y detalle del ferrule.
Los conectores pueden agruparse, en función del mecanismo de conexión y del alineamiento, en tres grupos: • Conectores con alineamiento en V. Cuentan con un mecanismo que emplea un «surco en forma de v» en el que se colocan los extremos de las fibras, de tal manera que se alinean perfectamente. El inconveniente es que se precisa de un recubrimiento bastante uniforme que no deforme el núcleo de las mismas al insertarlas en el surco.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • Conectores con ferrule guiado. Se trata de la utilización de una pieza especial que dispone de un sistema de guiado con el que se consiguen ajustar los extremos de la fibra. Es el método más preciso y más caro, al necesitar utilizar elementos mecánicos de precisión. • Conectores de rayo expandido. Se basan en la utili zación de dos lentes que permiten expandir y posterionuente colimar (concentrar) el haz de luz, lo que hace más sencilla su alineación. El inconveniente es que el uso de las lentes produce reflexiones y absorciones que se traducen en pérdidas.
• Conector SC. Donde SC procede de Suscriber Connector. Es un conector de presión con un ferrule de diámetro similar al conector ST, que podemos encontrar en configuración simple y dúplex (SC -Dúplex: dos conectores en un único elemento mecánico), el cual mejora la facilidad de conexión, aunque resulta un poco más costoso que el anterior. Está estandarizado por las normas EIA/TIA 568.
lIÜlI¡j,¡¡Ilt!l!IiI,-Conector con alineamiento en V = V-groove alignment connector. Conector con ferrule guiado = Connector with. guide ferrule. Conector con rayo expandido = Expanded beam connector. A continuación mostramos algunos de los conectores utilizados en las uniones con los elementos de fibra óptica, aunque podemos encontrar muchos más. • Conector STo Responde al acrónimo de Straigh.t Tip . Se trata de un conector en forma de bayoneta con un ferrule cilíndrico, que puede ser plástico, cerámico o de metal, y con un diámetro de 2,5 milímetros. Es muy popular en las redes con fibras multimodo y comúnmente empleado en redes de edificios y sistemas de seguridad, entre otras aplicaciones. Figura 4.94. (Arriba) Fotografía de conectores SC de fibra óptica. (Abajo) Conector SC dúplex en un switch Fast Ethernet .
• Conector FC. Es un conector especialmente pensado para aplicaciones monomodo y muy empleado por las compañías telefónicas en los últimos años en la transmisión de datos y redes de telecomunicaciones. Se trata de un conector con un sistema de fijación mediante rosca sobre el conector hembra correspondiente.
Figura 4.93. Placa de circuito impreso con conectores de tipo sr. o
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A los conectores ST también se les conoce como conectores BFOC, de Bayonet Fiber Optic Connector.
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Figura 4.95. Conector FC para ap licaciones de fibra óptica.
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RICIDAD-ELECTRÓNICA • Conector LC. Se trata de un conector desarrollado inicialmente por Lucent Technologies, lo que da origen a su nombre, con un ferrule de 1,25 milímetros, habitualmente, lo que reduce a la mitad el tamaño de un conector SC, y permite una elevada escala de integración. Es muy frecuente encontrarlo en los switches de las redes de área local que disponen de puertos de fibra óptica. Existen versiones simples y dúplex, y tienen un sistema de anclaje similar al de los conectores RJ -45, debiendo presionarse una pestaña superior para su conexión/desconexión. • Conector MU. El conector MU, de Miniature Unit, es un conector de presión y fijación mediante clip que podemos encontrar en versiones simples y dúplex. Dispone de un ferrule de 1,25 milímetros y suele emplearse en Japón especialmente, si bien está estandarizado internacionalmente por la norma lEC 61754-4. • Conector FDDI. Se trata de un conector dúplex que satisface la norma ANSI X3T9 y que fue diseñado originalmente para su uso en redes LAN y redes FDDI.
Sabías que ... Las pérdidas en los conectores de fibras multimodo o monomodo se conocen como pérdidas de Fresnel y se deben a la reflexión que se produce en la interfaz aire/ fibra, como consecuencia de las diferencias de índice de refracción, pudiendo describirse matemáticamente como: YJ ¡'-re.l' lI el = ( (
4nlno ni + no
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donde ni es el Índice de refracción del núcleo y no el Índice de refracción del aire. Estas pérdidas no pueden evitarse y son consecuencia del aire que existe entre los extremos de las conexiones. La utilización de empalmes permanentes, por fusión, soldadura o pegado , eliminan las pérdidas de Fresnel.
• • 4.6.5. Ventajas einconvenientes del uso de la fibra óptica Entre las principales ventajas del uso de la fibra óptica podemos destacar las siguientes: • Elevado ancho de banda. Permite velocidades de transmisión muy por encima de cualquier otro medio de transmisión conocido, llegando a velocidades del orden de los gigabits. • Distancias de cableado muy extensas. Se utilizan incluso en comunicaciones transcontinentales. • Peso y dimensiones muy reducidas. Al utilizar materiales plásticos y polímeros muy ligeros, el peso es de apenas unos gramos por kilómetro, reduciéndose casi a una décima parte el peso del cableado eléctrico convencional. • Flexibilidad. Con ángulos de curvatura que pueden ser inferiores a un centímetro. • Baja atenuación. La atenuación, entendida como la pérdida de intensidad luminosa con la distancia, es relativamente baja. Gracias a esto, la colocación de repetidores o amplificadores no es necesaria salvo en distancias muy extensas. • Aislamiento electromagnético total. Es absolutamente inmune a las interferencias, diafonías, EMI o cualquier ruido electromagnético. • Seguridad. Es muy útil en canales de comunicaciones que requieren seguridad, al ser fácilmente detectable cualquier intrusión en la fibra, por la ausencia de radiación o pérdidas. • Etcétera. Sin embargo, no todo son ventajas y el uso de la fibra óptica también implica: • Extremada fragilidad. Es mucho más frágil que cualquier otro medio, como, por ejemplo, el par trenzado.
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Figura 4.96. (Izquierda) Detalle de conector de fibra óptica TOSLlNK en la parte posterior de un televisor. (Derecha) Latiguillo de fibra óptica con conectores TOSLlNK y Mini-TOSLlNK para audio digital.
ELECTRICIDAD-ELECTRO Por ello, solemos encontrar las fibras agrupadas en mangueras de cable de fibra óptica con un núcleo metálico que sirve de protección mecánica. • Dificultad de inyección de señal. El diámetro del núcleo de la fibra por donde deseamos introducir el haz de luz puede tener dimensiones que van desde los pocos milímetros a unos escasos micrones, lo que supone la utilización de láseres y técnicas de alineamiento muy costosas. • Empalmes difícilmente realizables, especialmente en trabajos en campo, lo que complica el proceso de reparación frente a roturas. • Coste. Los costes de la opto-electrónica siguen siendo muy superiores a los de la electrónica de comunicación convencional. • Al no transmitir electricidad, no puede utilizarse el mismo cable para alimentar dispositivos, como los propios repetidores. El bus KNX-TP emplea un par de hilos trenzados para alimentación y comunicación simultáneamente, por ejemplo. • Etcétera.
• • 4.6.6. rérdidas yatenuaciones en la fibra óptica Otro factor fundamental a tener en cuenta en los enlaces de fibra óptica son las pérdidas o atenuaciones que en estas se producen. Cuando la atenuación sea muy grande se precisará colocar repetidores o amp lificadores a lo largo del recorrido de la línea de fibra óptica. Los fenómenos que producen la pérdida de señal óptica en las fibras pueden deberse a distintos motivos o mecanismos; por lo que resulta primordial conocer el origen de los mismos con objeto de poder reducir sus efectos adversos: reducción del ancho de banda, disminución de la velocidad de transmisión, eficiencia de la comunicación, etcétera.
- Pérdidas por absorción. Existen dos tipos de pérdidas por absorción, las debidas a la interacción de los electrones de los átomos con la radiación, que alcanza máximos en la banda de la luz ultravioleta, y la que se produce por la interacción con la vibración molecular, cuyo máximo lo encontramos en la región de los infrarrojos. En general, se deben a moléculas de agua e impurezas en el interior de la fibra que absorben parte de la luz, convirtiéndola en energía calorífica, atenuando el haz de luz que se propaga por la fibra, con un valor que puede alcanzar desde 1 a 1000 decibelios por kilómetro.
- Scattering de Rayleigh. Se debe al efecto de las irregularidades microscópicas en la fibra que se producen en el proceso de fabricación de la misma, debido al efecto termodinámico en la composición de la misma. Estas irregularidades se manifiestan de tal forma que, cuando el haz de luz atraviesa la fibra, se difracta en diferentes direcciones (se dispersa). La dispersión de Rayleigh es la causante del 90 % de las pérdidas de origen intrínseco. Es un fenómeno que se manifiesta con mayor importancia en las fibras multimodo que en las monomodo. Las pérdidas por dispersión de Rayleigh aumentan con la distancia que recorre la luz en el interior de la fibra óptica, al igual que sucede con la absorción, y cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamaño de las impurezas en la fibra óptica mayor es su magnitud, siendo inversamente proporcionales a la longitud de onda elevada a la cuarta potencia, tal y como se muestra en la siguiente expresión matemática:
C
ARaileigl,
=
yo
[db/km]
donde Ca es constante con un valor de 0,7 dB·f-tm 4lkm.
Sabías que ...
En una primera clasificación podemos dividir las pérdidas introducidas en las fibras en función de su naturaleza intrínseca (absorción de la luz por el material, por ejemp lo) o extrínsecas (uniones entre elementos).
Las pérdidas por dispersión de Rayleigh también dependen del materi al con el que se haya fabricado la fibra óptica, por lo que existen diferentes fibras con distintos coeficientes de atenuación total.
• Pérdidas de origen intrínseco. Las pérdidas de origen intrínseco se deben a fenómenos que están relacionados con el proceso de fabricación de las fibras ópticas, por lo que son propias, es decir, no tienen que ver con el proceso de instalación de las mismas, no pudiendo hacer nada para corregirlas (salvo lo que tiene que ver con su fabricación propiamente dicha). Las pérdidas intrínsecas más importantes se subdividen en dos: absorción y scattering de Rayleigh (o dispersión de Rayleigh).
· l i d !( Pérdidas por dispersión de T·IpO de mat erla emp ea o . . ·b Raylelgh a una longitud de l f en aira onda de 850 nm [dB/Km] Sílice
1,2
Silicato potásico
0,7
Silicato de sodio y calcio
0,8
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Borosilicato sódico
2,3
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA • Pérdidas de origen extrínseco. Tienen su origen en un mal procedimiento de instalación, por lo que son pérdidas que pueden llegar a reducirse empleando un adecuado proceso de montaje, sujeción e instalación. Uno de los efectos más desfavorables son las pérdidas que se producen cuando se emplea un radio de curvatura demasiado pequeño, como es el caso de la fibra óptica que se instala en las fachadas, al encontrar una esquina.
Figura 4.98. Operario realizando el conexionado de elementos de fibra óptica.
Sabías que ... La aplicación de torsiones y tensiones sobre la fibra en el proceso de instalación de la misma puede producir lo que se denominan microcurvaturas en el filamento, las cuales también se manifiestan como un aumento de la atenuación en la luz que se transmite.
Figura 4.99. Detalle de la llegada de la acometida de fibra óptica al interior de un edificio. Figura 4.97. Fibra óptica instalada sobre fachada y con reducido ángulo de curvatura. o
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Otros factores que también pueden afectar son la aparición de suciedad en los conectores, debido a la polución, el aire, el polen, etcétera, que exista en el proceso de instalación, un manejo inadecuado que produzca torsiones en la misma o tensiones que alteren la fibra.
Tal y como hemos comentado anteriormente, las pérdidas intrínsecas dependen de la longitud de onda a la que se trabaje. Así, las pérdidas por dispersión de Rayleigh son menores a mayor longitud de onda. Por otra parte, las pérdidas por absorción, que tienen su origen en dos causas principalmente, aumentan su magnitud cuando nos acercamos tanto a las longitudes de onda de
ELECTRICIDAD-ELECTRO las radiaciones infrarrojas como las ultravioletas, teniendo un mínimo en los 1550 nanometros. Debemos destacar que en el proceso de fabricación pueden producirse algunas imperfecciones en la fibra, tales como defectos en el material, microdobleces, etcétera, siendo la atenuación algo mayor que la inicialmente prevista. Este tipo de imperfecciones son prácticamente constantes para todas las longitudes de onda. Si tenemos en cuenta los tres fenómenos anteriormente comentados, scattering, absorción e impurezas, podemos representarlos conjuntamente en la Figura 4.100.
2<1 ventana
1"' ventana
.........
3' ventana
.........
Absorc ión
Absorc ión ....... .. ~~-:Violeta ....... _ ..
'
~#"
.. ~ ... -....... -. -
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Infrarroja
Scaltering de Rayleigh
• '.". : -.: -.Imperfecciones
gitud de onda de los 850 nm, donde, si bien las pérdidas no son mínimas, sí que son constantes, lo cual es de suma importancia cuando se trabaja en comunicaciones ópticas. De hecho, la la ventana es la región de trabajo donde operan, comúnmente, las fibras ópticas multimodo.
11 4.7. fQuiros empleados en e sector En el sector de los sistemas de comunicación se emplean un sinfín de equipos de medida y herramientas de trabajo, las cuales sería imposible describirlas todas con profundidad en el presente libro. Algunas de ellas ya las hemos descrito brevemente, como las crimpadoras o las herramientas de parcheo. En el siguiente apartado comentaremos, a modo introductorio, la existencia y funcionamiento de otra serie de equipos que podemos encontrar en los sistemas de comunicación, tanto inalámbricos como cableados, y cuyo uso será frecuente para aquellos técnicos que trabajen en un futuro en el sector y a lo largo de Ciclo Formativo en el que se enmarca el presente texto .
-_-.L-.la:.:"""' ;. .........................;d. e la fibra
L.....L................"-'-...........................................L...&..L.....................-....
850
1330
1550
Longitud de onda (nm)
Figura 4.100. Representación de las pérdidas intrínsecas en una fibra óptica e indicación de las ventanas de trabajo.
Como podemos observar, existen unas regiones de la curva en las cuales existen mínimos de atenuación, concretamente a las longitudes de onda de 1330 nm y 1550 nm, las cuales reciben el nombre de 23 ventana y 33 ventana. Por otra parte, en la curva también se ha marcado una tercera región denominada 13 ventana, que corresponde a la lon-
Longitud de onda (nm)
Tipo de fibra (~m) (núcleolrevestimiento)
• • 4.7.1. Reflectómetro en el dominio del tiempo (TOR) El TDR (Time Domain Refiectometer) es un aparato que se emplea para localizar y caracterizar posibles defectos que puedan estar presentes en un cable eléctrico, tales como el aumento de los niveles de resistencia en los empalmes y conectores, por ejemplo. Se pueden emplear en diversos tipos de cableados, utilizándose especialmente en lineas que emplean pares trenzados y coaxiales.
Distancia máxima (km)
1001140 85/125
850 62,5/125
50/125 50/125
1330 9/125
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1550
9/125
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Figura 4.101 . Representación de las distancias máximas en un enlace de fib ra óptica en función del tipo de fibra y ventana de funcionamiento.
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA El principio de funcionamiento del TDR consiste en la emisión de un pulso de corta duración a lo largo del cable. En el caso de que el cable tenga una impedancia unifonne y esté correctamente terminado, el pulso será totalmente absorbido por el extremo opuesto, no siendo detectada ninguna señal reflejada por el TDR. En caso contrario, si existe desadaptación de impedancias (debida a no uniformidades, conectores oxidados, envejecimiento de los cables, etcétera), parte del pulso incidente será «reflejado», como un eco, hacia el reflectómetro por cada «discontinuidad» en la impedancia del cableado.
Su uso resulta vital para el técnico de mantenimiento y para la verificación de instalaciones de fibra óptica, pues nos permite, entre otras labores, localizar el punto donde existe una avería con gran exactitud, aspecto muy importante en enlaces de fibra óptica que frecuentemente se encuentran soterradas (subterráneas) y pueden tener hasta cientos de kilómetros de longitud.
De esta manera, dado que la velocidad de propagación de la señal es relativamente constante para una impedancia dada, el tiempo que tarda cada «eco» detectado por el reflectómetro puede traducirse en una distancia.
Nota El funcionamiento de un TDR es similar al de un radar, que envía ondas sonoras y, conocida la velocidad de propagación, emplea la medida del tiempo que tardan los ecos en llegar para estimar la distancia al objeto que ha producido el rebote.
El TDR se convierte entonces en un dispositivo fundamental en las labores de puesta en marcha, conservación y mantenimiento de sistemas de comunicación, ya que permite detectar problemas tan comunes como la desadaptación de impedancias debidas a malos empalmes, corrosión de conectores, aumentos de los niveles de humedad relativa, malos aislamientos, etcétera, los cuales, en definitiva, se traducen en una variación de la impedancia real del medio de transmisión respecto del teóricamente instalado. Con un TDR, por tanto, podemos determinar la impedancia de un cable, su longitud, la ubicación de los empa lmes y conectores, las pérdidas de ese cableado, etcétera .
• • 4.7 .2. Reflectómetro óptico Este equipo, más comúnmente denominado OTDR (Optical Tim e Domain Refiectometer) tiene la misma función que el TDR en el dominio del tiempo, pero en lugar de emplearse para cableado eléctrico, se emplea para caracterizar fibras ópticas.
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Al igual que en el reflectómetro en el dominio del tiempo, el principio de funcionamiento del OTDR se basa en el envío de pulsos de luz de corta duración y, en función de las reflexiones, el dispositivo puede darnos una gran información acerca de la calidad del enlace de fibra óptica, pudiendo estimar distintos parámetros, como su longitud, la atenuación, las pérdidas por empalmes y conectores, detección de fallos, no uniformidades, roturas, etcétera.
Figura 4.102. (Arriba) Técnicos de mantenimiento trabajando sobre una sección de fibra óptica subterránea defectuosa. (Abajo) Rollo de cable de fibra óptica.
• • 4.7.3. Osciloscopio Un osciloscopio es un instrumento que nos permite visualizar o representar una señal eléctrica en el dominio del tiempo. Dispone de una pantalla con divisiones tanto verticales como horizontales, donde se representa, en la escala vertical, el nivel de señal (tensión), y en la escala horizontal el tiempo.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • Digitales. En estos osciloscopios los canales o señales que se miden son muestreados y convertidos de analógico a digital, de tal manera que su representación es similar a la que vemos en los monitores planos de los ordenadores. Esto abre un sinfín de posibilidades, mejorando las deficiencias mostradas en los osciloscopios analógicos. Son más pequeños y compactos, no precisan que la señal de entrada sea periódica, pudiendo capturarse transitorios, la pantalla de visualización tiene mayor resolución, habiendo versiones que manejan varios colores, podemos realizar medidas sobre la señal (frecuencia, amplitud de pico, etcétera) y mostrarlas en pantalla, al mismo tiempo que guardarlas en memorias externas, entre otras funciones. Figura 4.103. Detalle de la pantalla de un osciloscopio.
En la actualidad conviven dos tipos de osciloscopios: • Analógicos. Este tipo de osciloscopios emplea un método analógico para la visualización de la señal que se desea representar en la pantalla, y se comporta de forma similar a los antiguos televisores de tubo. La pantalla del osciloscopio tiene un tubo de rayos catódicos que hace incidir un haz de electrones sobre la misma, iluminándose el punto sobre el que incide. Para que este punto recorra todo el rango horizontal, una señal desvía el haz horizontalmente, de izquierda a derecha, de forma periódica. Por otra parte, el haz luminoso varía su posición vertical proporcionalmente a la señal de entrada gracias a que esta es amplificada previamente, de tal manera que conforme se produce el «barrido horizontal», se representa verticalmente el valor en tensión de la entrada. Uno de los principales problemas de este tipo de osciloscopios es que únicamente pueden representar señales periódicas, además de ser muy voluminosos y pesados; no permite capturar transitorios ni almacenar la información que captura en una memoria.
Figura 4.105. Osciloscopio digital.
Mediante una consola de botones y ruedas selectoras podemos configurar y ajustar en el osciloscopio multitud de opciones, tales como: • Tiempo por división. Permite visualizar en el osciloscopio más o menos tiempo de señal. • Voltios por división. Igual que en la escala temporal, permite ajustar el rango de tensiones a monitorizar. • Posición de la tierra. Que sirve para ajustar el nivel de O voltios de una señal visualizada en el osciloscopio. • Configuración del Trigger. El Trigger es una señal que se emplea para hacer la captura de pantalla que se representa en el osciloscopio. Dicha señal puede configurarse para que la captura se haga por nivel, flanco, tome como referencia una señal externa, etcétera. • Captura periódica o una única captura, permitiendo observar transitorios en las señales (caso de los osciloscopios digitales). • Función matemática. Disponible en osciloscopios digitales. Posibilita monitorizar en pantalla la suma, resta, multiplicación, etcétera, de los canales de entra-
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RIC IDAD- ELECTRÓN ICA da. Es útil cuando queremos monitorizar señales diferenciales entre dos hilos, caso de las comunicaciones RS-485, por ejemplo.
talla, como la del osciloscopio, la distribución de potencia de una señal para sus distintas componentes espectrales, dentro de un rango de frecuencias .
• Almacenamiento de pantallas. Función de algunos osciloscopios digitales que permiten guardar capturas de pantalla con información sobre las señales monitorizadas en formato imagen (JPEG, TIFF, BP, etcétera).
Este tipo de analizadores permite una amplia variedad de posibilidades de operación y configuración, en función de la gama que empleemos, pudiendo, entre otras posibilidades, configurar la escala vertical de amplitud en escala lineal, logarítmica o decibelios; también suele ser posible configurar la escala horizontal en escala lineal o logarítmica. Algunos incluyen la posibilidad de representar magnitud y fase de las señales por separado o diagramas de Nyquist, muy utilizados en teoría de la señal. También es posible configurar la frecuencia inicial y final que deseamos visualizar o la frecuencia central y el ancho de banda en el cual deseamos trabajar.
.hJ1 M Pos: 2.880ms
.
..
. ... ..
:.
SA\lElREC Action
M'NM File FOImat
----About Saving Images Seleet Folder
Save TEK0003.JPll
2
CHl 5.00\1
CH2 5.00\1
M1.00ms
CHl f 3.60\1
Nota Al ancho de banda que se muestra en un analizador de espectro se le conoce por el nombre de SPAN.
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Figura 4.106. Captura de pantalla en fichero TIFF de dos señales y representación de la resta de ambas.
Existe una variante de los osciloscopios denominados «nano-osciloscopios», que son pequeños osciloscopios de bolsillo, con prestaciones limitadas, como el que se muestra en la Figura 4.107 .
Los osciloscopios digitales de última generación incorporan, entre sus posibilidades, la función de representar el espectro de la señal a su entrada; aplicando un método digital conocido como FFT (Fast Fourier Transform), por lo que implementan capacidades de representación en el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia.
Figura 4.107. Nano·osciloscopio de bolsillo.
• • 4.7 .4. Analizador de espectro o 'E .1" ro
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El osciloscopio, como hemos visto, es un aparato que nos permite visualizar y analizar una señal en el dominio del tiempo. En ocasiones, lo que nos interesa es analizar el espectro o los componentes espectrales de una determinada señal de entrada. En tal caso resulta especialmente útil el analizador de espectro, que permite visualizar en una pan-
Figura 4.108. Detalle de medida de componentes espectrales de señal mediante FFT en un osciloscopio digital.
• • 4.7.5. Analizador de tramas digitales En los sistemas de comunicaciones, además de garantizar un nivel de potencia de recepción adecuado, es preciso garantizar una determinada calidad de la señal recibida.
ELECTRICIDAD-ELECTRO El analizador de tramas digitales se emplea para medir la tasa de error de bit (BER), que es una magnitud que permite determinar la bondad o calidad del enlace.
• • 4.7 .6. Analizador lógico El analizador lógico es un dispositivo que permite capturar la información de un circuito digital mediante la utilización de multitud de sondas que son colocadas en las líneas que deseamos monitorizar. Su uso está especialmente pensado para la detección de errores de comunicación y análisis de protocolos. Además de la capacidad de análisis lógico, la evolución de estos equipos ha permitido convertirlos en analizadores de protocolo, por lo que son capaces de interpretar la información digital de la línea a la que están conectados y traducirla en base al protocolo que se esté transmitiendo. Así, por ejemplo, podemos monitorizar buses como el I1C, SPI, entre otros.
la portadora de algunos equipos transmisores, por ejemplo, o también para calibrar la frecuencia de algún elemento o dispositivo, como la de los osciladores que encontramos en equipos transmisores y receptores .
• • 4.7.8. Multímetro El multímetro, también conocido como polímetro, es un dispositivo, normalmente portátil, que nos permite medir distintas magnitudes eléctricas, tales como la corriente, la tensión o la resistencia, entre otras. Además, permite trabajar, normalmente, en corriente alterna o continua. Los primeros multímetros eran analógicos, con un medidor basado en un «galvanómetro», es decir, una aguja que se desplazaba proporcionalmente a la magnitud leída y la escala configurada.
Figura 4.110. Multímetro analógico.
Posteriormente se introdujeron los multímetros digitales, con una pantalla numérica y distintos rangos de precisión configurables.
Figura 4.109. (Arriba) Analizador lógico profesional. (Abajo) Analizador lógico de bajo coste. o
• • 4.7.7. frecuenciómetro Los frecuenciómetros, como su propio nombre indica, son instrumentos utilizados para medir la frecuencia. Pueden resultar de utilidad cuando queremos medir la frecuencia de
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Figura 4.111. Multímetro digital.
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En la actualidad, existen multímetros que, además de medir las unidades anteriormente mencionadas, permiten
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RICIDAD-ELECTRÓN ICA medir también la frecuencia, la temperatura y el estado de transistores semiconductores, lo que los convierte en una herramienta fundamental que no debe faltar en el maletín de cualquier técnico de mantenimiento.
• • 4.7.9. Medidor ROf El medidor de ondas estacionarias o medidor ROE es otro dispositivo importante y muy utilizado en equipos de radioaficionados, pues sirve para medir la relación entre la señal que emite el transmisor de la emisora y la señal reflejada por la antena; en otras palabras, sirve para determinar si el acoplamiento entre la emisora, el cable y la antena es adecuado o existe desadaptación de impedancias, por lo que frecuentemente se utilizan los términos reflectómetro y medidor ROE de forma indiferente.
y la adaptación de los puertos de cualquier elemento. Será útil para analizar aspectos que tienen que ver con los fenómenos de reflexión y transmisión de señales, es decir, los parámetros S. Los parámetros de scattering de un elemento se pueden definir como el nivel de señal que llega a un determinado puerto de ese elemento procedente desde cualquier otro. Así, por ejemplo, si pensamos en un elemento con dos puertos, como el que se muestra en la Figura 4.113, se definen los siguientes parámetros S: • SIL Es el nivel de señal que se refleja en el puerto 1 por desadaptación de impedancias cuando el puerto de salida está cargado con una impedancia del mismo valor que la línea (V]-JV]J . • S22. Igualmente, S22 es la reflexión en el puerto 2 por desadaptación de impedancias cuando el puerto de entrada tiene conectada una impedancia adaptada a la línea (V2 -JV 2J. • S12. Representa la transferencia de señal desde el puerto 2 al 1 cuando la entrada se encuentra cargada (V]-JV 2J· • S2l. Igual que S 12, pero a la inversa.
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PUERTO 1 RADIOFRECUENCIA PUERTO
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Figura 4.113. Elemento de radiofrecuencia de dos puertos.
Aunque no exclusivamente, los analizadores de redes se emplean muy a menudo en rangos comprendidos entre los 9 Khz y los 110 Ghz. Se utilizan en la construcción de amplificadores de alta potencia y filtros para señales de radiofrecuencia. Figura 4.112. Varios modelos de medidores ROE.
Estos medidores se diseñan para trabajar a una impedancia en particular y en un rango de frecuencias, por lo que es importante no conectarlos a una línea de otro valor de impedancia, pues en caso contrario las medidas no serían válidas. o
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• • 4.7.10. Analizador de redes
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El analizador de redes es un aparato muy empleado en el sector de las comunicaciones que nos permite medir lo que se conoce como parámetros S o parámetros de scattering, los cuales muestran el nivel de transferencia de señal
Dentro de los analizadores de redes se distinguen, a su vez, dos tipos: • SNA. Analizador de redes escalar, que mide únicamente la amplitud de los parámetros de scattering. • VNA. Analizador de redes vectoriales, que mide la amplitud y la fase de los parámetros de scattering .
~I¡'¡¡irmmi' _ _ Analizador de redes escalar = Scalar Network Analyzer. Analizador de redes vectorial = Vector Network Analyzer.
ELECTRICIDAD-ELECTRO • • 4.7.11. Telurómetro Tal y como hemos visto en la unidad anterior, la resistencia de puesta a tierra en un sistema de radiocomunicación es un factor muy importante que debe tenerse en cuenta y, por tanto, debemos ser capaces de medir. Un telurómetro es un dispositivo que se emplea para medir la resistividad de las tomas de tierra (y también se emplea en pararrayos). El procedimiento de medida consiste en la conexión del equipo a la toma de tierra a medir y la colocación de uno o varios electrodos a una distancia de entre 5 y 10 metros de la toma de tierra (método conocido como método Wenner). Figura 4.114. Detalle de un telurómetro y las sondas empleadas.
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4. MEDIOS GUIADOS DE TRANSMISiÓN
Introducción a los medios guiados
Corrientes portadoras, cableado eléctrico, fibra óptica, radiofrecuencia, infrarrojos y ultrasonidos
Fundamentos: origen, diámetros y tipos
El par de cobre
Clases, categorías, prestaciones y aplicación Conectores en líneas de transmisión eléctricas
Ca ble coaxial versus ,,:=======p =r= im=e=ro=s=c=o=n=ce=p=t= os======::::: guía de ondas Rango de frecuencias de aplicación
Constitución, clasificador y tipos
El cable coaxial
Conectores empleados con cables coaxiales Aplicaciones del cable coaxial
Medios guiados de transmisión Modos de propagación
La guía de ondas
Tipos y aplicaciones Ventajas e inconvenientes
Análisis óptico, clasificación y tipos Aplicaciones
Fibra óptica
Conectores y empalmes en fibra óptica Ventajas e inconvenientes Pérdidas y atenuaciones
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Equipos empleados en el sector
Reflectómetros, osciloscopios, analizadores de espectro, tramas, lógicos, frecuenciómetros, multimetros, medidores ROE, analizadores de redes, telurómetros, etcétera
4. MEDIOS GUIADOS DE TRANSMISiÓN
11 Actividades de compro~ación 4.1 .
Un cable AWG14 tiene un diámetro:
4.7 .
a) 1229 veces mayor que un AWG15.
En relación al valor de la impedancia característica de un cable sin pérdidas, podemos afirmar que: a) Depende de la longitud del mismo y de la frecuencia.
b) 1229 veces menor que un AWG 15. e) 1,29 veces menor que un AWG15.
b) Depende de la longitud pero no de la frecuencia.
d) 1,29 veces mayor que un AWG15.
e) No depende de la longitud pero sí de la frecuencia. 4.2.
En el cable apantallado STP:
d) No depende ni de la longitud ni de la frecuencia.
a) Una única pantalla recubre todos los pares. b) Cada par está recubierto por una pantalla.
4.8.
e) No existe ninguna pantalla protectora.
Cuanto menor es la impedancia de transferencia de un cable coaxial : a) Menor es el rendimiento de su blindaje.
d) Cada hilo de cada par está envuelto en su propia pantalla.
b) Mayor es el rendimiento de su blindaje. e) Es más susceptible a interferencias externas.
4.3.
Los cables coaxiales de acometida: a) Tienen un diámetro inferior que los que se emplean en lineas de salida de transmisión.
d) Emite más radiaciones al exterior. 4.9.
La atenuación por unidad de longitud:
b) Tienen un diámetro superior que los que se emplean en lineas de salida de transmisión .
a) No depende de la frecuencia.
e) Tienen igual diámetro que los que se emplean en líneas de salida de transmisión.
e) Disminuye con la frecuencia.
b) Aumenta con la frecuencia.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 4.10. 4.4.
Al conductor interno de un cable coaxial se le conoce como :
Un conector tipo N puede trabajar a frecuencias máximas que alcanzan los: a) 11 Khz.
a) Par conductor.
b) 11 Mhz.
b) Armadura.
e) 11 Ghz.
e) Vivo .
d) 110 Ghz.
d) Conductor alfa . 4.11. 4.5.
Un conductor vivo plateado :
Los conectores tipo F tienen una impedancia característica de:
a) Reduce la atenuación respecto a un conductor vivo de cobre .
a) 50 ohmios .
b) Aumenta la atenuación respecto a un conductor vivo de cobre .
e) 120 ohmios .
e) Aumenta la atenuación respecto a un conductor vivo de estaño.
4.6.
b) 75 ohmios .
d) 150 ohmios . 4.12.
Un cable coaxial RG-58 tiene una impedancia de:
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta.
a) 50 ohmios .
Un cable coaxial con dieléctrico de polietileno expandido:
b) 75 ohmios . e) 93 ohmios.
a) Tiene más atenuación que un cable que emplea polietileno sin expandir. b) Es más pesado que un cable coaxial que emplea polietileno sin expandir. e) Tiene menos atenuación que un cable que emplea polietileno sin expandir. d) Se ve menos afectado por la humedad que un cable que utiliza polietileno sin expandir.
d) 12 ohmios. 4.13.
En una guía de ondas lo que se propaga para el envío de la información es: a) Tensión eléctrica. b) Corriente eléctrica. e) Ondas electromagnéticas. d) Agua dopada con electrones.
4. MEDIOS GUIADOS DE TRANSMISiÓN
4.14.
En una guía de ondas, la frecuencia de corte es:
4.17.
a) La menor frecuencia para que un modo se propa-
En comunicaciones ópticas, la 1a ventana se caracteriza por:
a) b) e) d)
gue por la misma.
b) La mayor frecuencia para que un modo se propague por la misma.
e) La frecuencia portadora para que se propaguen
Tener un mínimo de atenuación. Tener una atenuación constante. Tener un máximo de atenuación. Ninguna de las otras respuestas es correcta.
modos TEM.
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 4.15.
4.18.
a) b) e) d)
Las fibras ópticas pueden analizarse de forma más sencilla empleando la óptica geométrica. Dicho análisis es válido siempre que:
a) El diámetro del núcleo de la fibra, que es por donde se conduce la luz, sea menor que la longitud de onda de la luz.
Las fibras multimodo trabajan comúnmente en:
4.19.
La segunda ventana. La tercera ventana. La cuarta ventana.
Las fibras ópticas multimodo de índice gradual:
a) Tienen menor dispersión modal que las multimodo
b) El diámetro del núcleo de la fibra, que es por donde
de índice escalonado.
se conduce la luz, sea igual que la longitud de onda de la luz.
b) Tienen mayor dispersión modal que las multimodo
e) El diámetro del núcleo de la fibra, que es por don-
e) Tienen igual dispersión modal que las multimodo
de índice escalonado.
de se conduce la luz, sea mayor que la longitud de onda de la luz.
de índice escalonado.
d) No se ven sometidas al fenómeno de dispersión
d) Ninguna de las otras respuestas es correcta. 4.16.
La primera ventana.
En una fibra óptica, las pérdidas por scattering de Raileigh:
modal al propagarse un único modo. 4.20.
a) Son menores cuanto menor es la longitud de onda.
Las pérdidas intrínsecas en una fibra óptica tienen mínimos en:
a) b) e) d)
b) Son mayores cuanto menor es la longitud de onda. e) Son independientes de la longitud de onda. d) Ninguna de las otras respuestas es correcta .
La primera y segunda ventanas. La segunda y tercera ventanas. La primera y tercera ventanas . No existen pérdidas intrínsecas en las fibras ópticas.
11 Actividades de aplicación
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4.21 .
4.22.
Busca en internet una empresa que comercialice cables coaxiales y busca su catálogo de productos .
4.23.
Busca a qué corresponde la referencia 2106 en la página web de Televés e indica la atenuación del cable a una frecuencia de 1350 megahercios.
4.24.
Busca información sobre los cables coaxiales delgados y los cables coaxiales gruesos .
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Busca en internet, al menos, cinco empresas que fabriquen distintos tipos de cables de par trenzado e indica su página web .
4.25.
Busca en internet, al menos, una empresa que comercialice guías de ondas.
4.26.
Busca en internet información sobre cómo construir medidores ROE caseros.
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4.27.
Calcula el valor de la ROE para el caso de disponer de: a) Una antena con una impedancia de 75 ohmios y una línea de 50 ohmios. b) Una antena con una impedancia de 25 ohmios y una línea de 50 ohmios.
4.28.
Busca en internet, al menos, una empresa que fabrique o comercialice conectores para cable coaxial.
4.29.
Busca en internet otros tipos de conectores.
4.30.
Responde a las siguientes cuestiones: a) Para una fibra con un índice de refracción de 1,5 en el núcleo y 1,4 en el revestimiento. En el caso de que el rayo que se propaga por el núcleo llegue al revestimiento con un ángulo de 32°, indica el ángulo de refracción con el que se desvía este.
4. MEDIOS GUIADOS DE TRANSMISiÓN
b) ¿Cuál es el valor del ángulo crítico?
4.33.
e) ¿Un rayo incidente con un ángulo de 70° se refractaría o se reflejaría? ¿Con qué ángulo?
Busca en internet empresas fabricantes o distribuidas de fibra óptica.
4.34.
Indica el diámetro y la sección del cable para los siguientes cables identificados con el código AWG:
Rellena la siguiente tabla correspondiente a distintos cables coaxiales:
4.31 .
Diámetro (mm)
Impedancia
Tipo
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Busca en internet al menos un sensor que emplee fibra óptica para su medida.
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11 Actividades de ampliación - - 4.35.
Busca información sobre los empalmes mecánicos de fibra óptica y haz un resumen del proceso y las principales herramientas a emplear. Busca en la web de Televés si disponen de este tipo de herramientas y haz un presupuesto del coste de un kit básico de empalme mecánico.
4.36.
Repite el ejercicio anterior para fusionadoras de fibra óptica por arco eléctrico . Busca en Televés alguna posible máquina e indaga sobre sus prestaciones, capacidades y procedimiento de manejo.
4.37.
Sal a la calle y haz fotografías a distintos equipos que manejen fibra óptica. Intenta hacer un mapa de la estructura de despliegue de fibra óptica, con los elementos que la forman .
4.38.
Busca en internet información sobre las redes FDDI y debate en clase sobre los distintos tipos de medios físicos y sus implicaciones más directas en la sociedad .
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Elementos de sistemas de telecomunicaciones Este libro desarrolla los contenidos del módulo profesional de Elementos de Sistemas de Telecomunicaciones del Ciclo Formativo de grado superior con el que se obtiene el título de Técnico Superior en Sistemas de Telecomunicaciones e Informáticos, al amparo del Real Decreto 883/2011 , de 24 de junio, perteneciente a la familia profesional de Electricidad y Electrónica. Si bien se ha desarrollado en el contexto de la Formación Profesional, resultará de gran utilidad a lectores aficionados e interesados en la temática, alumnos 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. Se desglosa en 4 unidades que van "desgranando" conceptos básicos hasta llegar a los más profundos y complejos. La primera unidad es una puesta en escena de los principales partícipes en el proceso de comunicación, donde se introducen técnicas como la que emplean la radio AM o FM, así como la descripción del interior de los dispositivos transmisores y receptores. Una segunda unidad se introduce en el interior de los dispositivos que nos permiten transmitir y recibir señales, describiendo la función dentro de un transmisor o receptor de cada uno de ellos, sus propiedades y características, entre otros aspectos. La tercera unidad se divide en dos bloques, por una parte, todo lo que tiene que ver con el espacio radioeléctrico y por otra, se dedica a las antenas, que son la interfaz entre los transmisores y receptores y el espacio por el que se propagan las señales de radiofrecuencia. Finalmente, la última unidad nos habla sobre los medios guiados, es decir, el cable eléctrico (par trenzado, coaxial, etc.) y la fibra óptica, terminando con una breve descripción de los principales equipos de medida y análisis que son utilizados en el sector. El autor, Sergio Gallardo Vázquez, es ingeniero de Telecomunicación por la Universidad de Sevilla y cuenta con una dilatada experiencia en diversos sectores que abarcan desde los hogares digitales hasta las energías renovables. Investigador del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla desde el año 2003 y profesor colaborador de la misma universidad desde el año 2006, dos años después se incorpora a las filas de la Formación Profesional, como docente de la especialidad de Sistemas Electrónicos. En la actualidad compagina la labor como docente de Formación Profesional con la actividad investigadora en la Universidad de Sevilla y la Universidad Politécnica de Cartagena, al mismo tiempo que ostenta plaza de profesor asociado en el área de Tecnología Electrónica adscrita al Departamento de Ingeniería de la Información y las Comunicaciones de la Universidad de Murcia.
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