Sistemas de comunicación por sistemas ópticos La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. Comunicaciones con fibra óptica La fibra óptica se emplea como medio de transmisión en redes de telecomunicaciones ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables.
Características Núcleo y revestimiento de la fibra óptica ver anexos figura 1.1. La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas. Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.
Funcionamiento Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción. Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo límite.
Ventajas
Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados.
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Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.
Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm.
Gran ligereza, el peso de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.
Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético.
No produce interferencias.
Puede proporcionar comunicaciones hasta los 70 km, antes de que sea necesario regenerar la señal, además, puede extenderse a 150 km. utilizando amplificadores láser.
Resistencia al calor, frío, corrosión.
Con un coste menor respecto al cobre.
Factores ambientales.
Desventajas
La alta fragilidad de las fibras.
Necesidad de usar transmisores y receptores más costosos.
Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.
No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.
La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.
No existen memorias ópticas.
La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.
Tipos de fibra óptica Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multi-modo y mono-modo.
Fibra multi-modo 2
Sistemas de Telecomunicaciones Una fibra multi-modo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Las fibras multi-modo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 2 km, es simple de diseñar y económico. El núcleo de una fibra multi-modo tiene un índice de refracción superior. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multi-modo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:
Índice escalonado: el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
Índice gradual: el índice de refracción tiene menor dispersión modal.
Fibra mono-modo Una fibra mono-modo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. Las fibras mono-modo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo) y transmitir elevadas tasas de información.
Elementos y funcionamiento de los sistemas de Sistema de Telecomunicación por Medios Ópticos Fibras ópticas Elementos de un cable de fibra óptica Un cable de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas, elemento central dieléctrico, hilo de drenaje de humedad, cinta anti-flama etc. Ver anexos figura 1.2. 1. Elemento central dieléctrico: este elemento central que no está disponible en todos los tipos de fibra óptica, es un filamento que no conduce la electricidad sino que ayuda a la consistencia del cable. 3
Sistemas de Telecomunicaciones 2. Hilo de drenaje de humedad: su fin es que la humedad salga a través de él, dejando al resto de los filamentos libres de humedad. 3. Fibras: es el medio por dónde se transmite la información. Puede ser de silicio (vidrio) o plástico muy procesado. Aquí se producen los fenómenos físicos de reflexión y refracción. 4. Loose Buffers: es un pequeño tubo que recubre la fibra, haciendo de capa oscura para que los rayos de luz no se dispersen hacia afuera de la fibra. 5. Cinta de Mylar: es una capa de poliéster fina que sólo cumple el rol de aislante. 6. Cinta antiflama: es un cobertor que sirve para proteger al cable del calor. 7. Hilos sintéticos de Kevlar: estos hilos ayudan mucho a la consistencia y protección del cable. 8. Hilo de degarre: son hilos que ayudan a la consistencia del cable. 9. Vaina: la capa superior del cable que provee aislamiento y consistencia al conjunto que tiene en su interior.
Receptores ópticos El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora óptica. Una configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada ver anexos figura 1.4. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica:
Fotodiodo PIN se caracterizan por su fácil fabricación, su alta fiabilidad, bajo ruido y su ancho de banda es muy elevado.
Fotodiodo de avalancha APD se emplean cuando la potencia recibida puede ser limitada.
Transmisor óptico 4
Sistemas de Telecomunicaciones Un transmisor óptico es un dispositivo que su función principal es la conversión de la señal eléctrica de entrada en su correspondiente señal óptica y acoplarla a la fibra óptica que sirve como medio de transmisión. Transmisores ópticos:
Láser: el más potente y usado en el cable mono-modo
LED: son baratos, no tienen mucha potencia y se usan en los cables multi-modo.
Las características más importantes de un transmisor óptico son la potencia óptica emitida, el espectro de radiación de la fuente óptica y la forma de onda de la señal óptica en la salida del transmisor. Tipos de conectores de fibra óptica Ver anexos figura 1.3
FC que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.
FDDI se usa para redes de fibra óptica.
LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.
SC y SC Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.
ST se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.
Técnicas de empalme Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas. Empalme por fusión Se realiza fundiendo el núcleo, siguiendo las etapas de:
Preparación y corte de los extremos.
Alineamiento de las fibras.
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Soldadura por fusión.
Protección del empalme.
Empalme mecánico Este tipo de empalme se usa donde el desmontaje es frecuente, es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras permanentemente. Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con:
Manguitos metálicos.
Manguitos termo retráctiles.
Manguitos plásticos.
Instalación de fibra óptica La fibra óptica requiere un cuidado especial durante su instalación para asegurar su buen funcionamiento. Deben seguirse instrucciones de instalación respecto al radio de curvatura mínimo, las cargas de tracción, la torsión, la compresión o el aplastamiento de los cables. Deben protegerse los conectores de los cables de la contaminación y los rasguños en todo momento. Recomendaciones generales que se deben de tener en cuenta a la hora de instalar cables de fibra óptica.
No exceder la longitud máxima de los cables.
Se puede experimentar una pérdida de atenuación adicional si utiliza conectores pasamuros para unir los cables incluso cuando la longitud total es inferior a la máxima permitida.
No exceder el radio de curvatura mínimo para un tipo determinado de cable.
Si se excede el radio de curvatura del cable puede provocar daños internos a las fibras de los cables que podrían no manifestarse durante un período de tiempo.
Evitar retorcer el cable 6
Sistemas de Telecomunicaciones Utilizar técnicas de tendido apropiadas al instalar los cables. Retorcer el cable aumenta enormemente las posibilidades de rotura de las fibras. Técnicas de tendido de cables de fibra óptica
No tire nunca del conector. La interfaz del conector/cable no se ha diseñado para la tracción.
Controlar la tensión. No exceder el máximo de carga de tracción.
En tendidos de 40 m a 100 m, utilizar lubricantes adecuados y asegúrese de que son compatibles con la cubierta del cable. En tendidos de más de 100 m, utilizar lubricantes adecuados y tire desde la mitad hasta los extremos.
Tirar siempre en línea recta. Utilice las guías de los cables para mantener el radio de curvatura recomendado.
No exceder el radio de curvatura del cable. Si se excede el radio de curvatura, se dañaran las fibras. Puede no tener un efecto inmediato, pero exceder el radio de curvatura recomendado puede reducir la vida útil del cable.
Lista de verificación de instalación para garantizar una manipulación apropiada:
No se ha sobrepasado la longitud máxima del cable.
No se ha sobrepasado el radio de curvatura.
No se ha sobrepasado la carga de tracción máxima.
Se han utilizado técnicas de tendido correctas.
El cable no está comprimido ni la cubierta arrugada.
El cable está protegido contra bordes afilados.
El cable de fibra se ha instalado en un tendido o sistema de contención diferente al del cable de cobre.
Se han limpiado completamente los espacios de comunicación antes de la terminación de los cables de fibra (directo o empalme).
Se ha mantenido limpia la superficie del extremo del conector de fibra.
Las tapas protectoras del conector de fibra están colocadas.
El etiquetado de los paneles y los cables de fibra es correcto.
Pruebas de instalación y puesta en marcha 7
Sistemas de Telecomunicaciones Durante la instalación, asegúrese de que la zona en la que se va a realizar la terminación está limpia en todo momento y evitar la introducción de polvo y residuos, ya que estos tendrán un gran impacto en la calidad del sistema que se va a entregar. Se deben realizar pruebas para determinar la calidad de las terminaciones y los empalmes de los cables, incluyendo las condiciones de la superficie de los extremos, la atenuación, la ubicación y la reflectancia. Asimismo, se deben realizar pruebas para garantizar que el sistema es apto para la aplicación deseada. Todas estas pruebas deben registrarse y proporcionarse al cliente como parte de la solicitud de garantía.
Ejemplo de un sistema de comunicación por medios ópticos La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) publicó en el mes de Diciembre de 2014 la primera de las Recomendaciones (Recomendación ITU-T G.9701) para la estandarización de una nueva tecnología de acceso fijo conocida como G.fast. G.fast se plantea como una alternativa más sencilla y económica de despliegue en comparación con la fibra óptica hasta el hogar (FTTH), y es la sucesora perfecta a las actuales líneas DSL. Telnet Redes Inteligentes ha desarrollado un sistema con capacidades de Gigabit usando la nueva tecnología G.fast sobre el par trenzado de cobre, que además es compatible con los actuales despliegues de fibra óptica hasta el hogar, donde se utiliza normalmente el protocolo GPON (redes ópticas pasivas con capacidad de Gigabit). El sistema combina los equipos GPON de Telnet Redes inteligentes ya desplegados en el mercado, con nuevos equipos G.fast desarrollados con la tecnología del fabricante Sckipio. Es compatible con los actuales despliegues de fibra óptica pasiva GPON que se usan en FTTH, con lo que el operador puede reutilizar sus actuales despliegues de fibra óptica para desplegar esta tecnología. El sistema es completamente “plug-and-play” y es capaz de dar servicio hasta 16 usuarios G.fast simultáneamente (16 líneas de cobre) compartiendo tanto el mismo equipamiento eléctrico y óptico de central y de planta del operador como una única fibra óptica, por lo que 8
Sistemas de Telecomunicaciones reduce drásticamente no sólo los costes de inversión de infraestructura del operador ver anexos figura 1.10.
Sistema de telecomunicación por microondas Un enlace vía microondas consiste en tres componentes fundamentales: el transmisor, el receptor y el canal aéreo ver anexos figura 1.5.
El transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir.
El canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor.
El receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital.
Las microondas son:
Unidireccionales.
Sensibles a la atenuación producida por la lluvia.
Antenas y torres de microondas La señal de microondas transmitidas es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor, estas atenuaciones y distorsiones son causadas por una pérdida de poder dependiente a la distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, y a pérdidas atmosféricas.
Lista de frecuencias utilizadas por los sistemas de microondas: Common carrier/Operational fixed
2.110 2.130 GHz
1.850 1.990 GHz
2.160 2.180 GHz
2.130 2.150 GHz
3.700 4.200 GHz 9
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2.180 2.200 GHz
5.925 6.425 GHz
2.500 2.690 GHz
10.7 11.700 GHz
6.575 6.875 GHz
12.2 12.700 GHz
Ventajas
Antenas relativamente pequeñas son efectivas.
A estas frecuencias las ondas de radio se comportan como ondas de luz, por ello la señal puede ser enfocada utilizando antenas parabólicas y antenas de embudo.
El ancho de banda, que va de 2 a 24 GHz.
Desventajas
Las frecuencias son susceptibles a un fenómeno llamado Disminución de Multicamino, lo que causa profundas disminuciones en el poder de las señales recibidas.
A estas frecuencias las pérdidas ambientales se transforman en un factor importante, la absorción de poder causada por la lluvia puede afectar dramáticamente el Performance del canal.
Sistemas de telecomunicación por radio frecuencia Es un sistema de transferencia de datos bidireccionales que emplea ondas de radio de frecuencia modulada como medio de transmisión y recepción de datos. Estas ondas de radio frecuencia forman parte de un espectro electromagnético no perceptibles por el ser humano, son ondas que vibran a una única frecuencia que se expresa en ciclos o Hertz.
Ondas de radio o radio frecuencia Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética. Una onda de radio tiene una longitud de onda mayor que la luz visible. Las ondas de radio se usan extensamente en las comunicaciones. Varias frecuencias de ondas de radio se usan para la televisión y emisiones 10
Sistemas de Telecomunicaciones de radio FM y AM, comunicaciones militares, teléfonos celulares, radioaficionados, redes inalámbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de comunicaciones. La mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por las partículas cargadas de la ionosfera ver anexos figura 1.6. Bandas de radio correspondientes al espectro radioeléctrico ver anexos figura 1.7.
Banda VLF (Frecuencias muy bajas).
Banda LF (Frecuencias bajas).
Banda MF (Frecuencia media).
Banda HF (Frecuencias altas).
Banda VHF (Frecuencias muy altas).
Banda UHF (Frecuencias ultra altas).
Banda SHF (Frecuencias súper altas).
Banda EHF (Extremadamente altas).
Banda de frecuencias altas (HF) La radio transmisión en la banda entre 3 Mhz y 30 Mhz es llamada radio de alta frecuencia (HF). Las bandas de frecuencia dentro del espectro de HF son asignadas por tratados internacionales para servicios específicos como movibles (aeronáutico, marítimo y terrestre), radiodifusión, radio amateur, comunicaciones espaciales y radio astronomía. La radio de HF tiene propiedades de propagación que la hacen menos confiable que otras frecuencias; sin embargo, la radio de HF permite comunicaciones a grandes distancias con pequeñas cantidades de potencia radiada. Las ondas de radio de HF transmitidas desde antenas en la tierra siguen dos trayectorias ver anexos figura 1.8:
La onda terrestre sigue la superficie de la tierra.
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La onda aérea rebota de ida y vuelta entre la superficie de la tierra y varias capas de la ionosfera terrestre. La trayectoria de propagación son afectadas por dos factores: el ángulo y la frecuencia.
La frecuencia alta es útil para comunicaciones de hasta cerca de 400 millas, y trabaja particularmente bien sobre el agua. La onda aérea propaga señales a distancias de hasta 4,000 millas con una confiabilidad en la trayectoria de 90 %.
Sistema de telecomunicación satelital En las comunicaciones por satélite, las ondas electromagnéticas se transmiten gracias a la presencia en el espacio de satélites artificiales situados en órbita alrededor de la Tierra ver anexos figura 1.9.
Tipos de satélites de comunicaciones En realidad hay dos tipos de satélites de comunicaciones:
Satélites pasivos: Se limitan a reflejar la señal recibida.
Satélites activos: Amplifican las señales que reciben antes de remitir hacia la Tierra.
Las comunicaciones actuales vía satélite únicamente utilizan sistemas activos, en que cada satélite artificial lleva su propio equipo de recepción y emisión. Las antenas utilizadas preferentemente en las comunicaciones vía satélites son las antenas parabólicas.
Elementos de una red satelital
Transponder: Es un dispositivo que realiza la función de recepción y transmisión. Las señales recibidas son amplificadas antes de ser retransmitidas a la tierra.
Estaciones terrenas: Controlan la recepción con el satélite y desde el satélite, regula la interconexión entre terminales, administra los canales de salida, codifica los datos y controla la velocidad de transferencia.
Consta de 3 componentes: 12
Sistemas de Telecomunicaciones Estación receptora: Recibe toda la información generada en la estación transmisora y retransmitida por el satélite. Antena: Debe captar la radiación del satélite y concentrarla en un foco donde está ubicado el alimentador. Estación emisora: Está compuesta por el transmisor y la antena de emisión. La potencia emitida es alta para que la señal del satélite sea buena. Esta señal debe ser captada por la antena receptora.
Modelo de enlace del sistema satelital Un sistema satelital consiste de tres secciones básicas:
Modelo de subida: El principal componente dentro de la sección de subida, de un sistema satelital, es el transmisor de la estación terrenal.
Transponder: Consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un translador de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida.
Modelo de bajada: Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF.
Principales aplicaciones
Telefonía satelital.
Televisión por satélite.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Sistema de telecomunicación por telefonía celular La telefonía es el servicio más utilizado de los que ofrecen los sistemas de comunicaciones móviles. Todos los sistemas tienen la función de telefonía incorporada.
Clasificación de sistemas
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Sistemas de Telecomunicaciones La clasificación más comúnmente usada para referirse a los sistemas de comunicaciones móviles:
Primera generación 1G o analógicos: Este primer estándar se identifica como telefonía analógica y dedicada exclusivamente a la voz.
Segunda generación 2g o digitales. Se basó en introducir protocolos de telefonía digital que además de permitir más enlaces simultáneos en un mismo ancho de banda, permitían integrar otros servicios en la misma señal.
Segunda generación avanzada 2.5G y 2.75G. Se trata de una tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red GSM utilizando una transmisión de datos por medio de 'paquetes'.
Tercera generación 3G. Banda de 1800 Mhz empleada para telefonía 3G El operador Yoigo no posee frecuencias en bandas inferiores, empleando los 1800Mhz para GSM, lo cual debilita su cobertura frente a la competencia.
Tercera generación avanzada 3.5G, 3,75G y 3.8G - 3.85G.
Cuarta generación 4G, 4G+. Banda de 1800 Mhz actualmente también para 4G
Quinta generación 5G (sin estandarizar).
Sistema de telecomunicación convencional Red telefónica convencional Las redes telefónicas son parte importante del sistema de
telecomunicaciones.
Ha
sido
tradicional que la red sea usada para servicio telefónico, pero hoy en día se usa para enviar transmisión de datos llevando gran cantidad de información a empresas bancarias, comerciales. 14
Sistemas de Telecomunicaciones La red telefónica es el conjunto de enlaces y equipos que permiten conectar un cliente A con un cliente B.
La red telefónica comprende tres grandes renglones:
Red local: Para las llamadas que se originan y terminan en una misma área local.
Red interurbana: Para las llamadas que se originan y terminan en otra Área del mismo país o región.
Red internacional Para las llamadas que se originan y terminan en otro lugar del mundo.
Estas a su vez se dividen en 2 tipos:
Las redes públicas Red pública móvil. Red pública fija.
Las redes telefónicas privadas están formadas por un conmutador.
Elementos de una red telefónica
El terminal Telefónico Es el encargado de proporcionar la interfaz adecuada con los aparatos fonador y auditivo para lograr la transmisión de información vocal entre usuarios distantes.
Las centrales de conmutación Son las encargadas de proporcionar la selectividad necesaria en una llamada telefónica automática.
La Red de transmisión Permite la interconexión entre centrales de conmutación y entre éstas y los abonados a la red.
La red Telefónica Es el conjunto de líneas telefónicas que, dispuestas según criterios de optimización de las mismas, hacen posible el trasiego de información entre el usuario emisor y el usuario receptor.
Jerarquía de la red telefónica 15
Sistemas de Telecomunicaciones La necesidad de una jerarquía en la red aparece inmediatamente si se piensa interconectar plenamente a un número alto de usuarios. Para conectar a un número pequeño de usuarios se utilizan las centrales de conmutación. Pero las centrales de conmutación poseen un límite máximo de usuarios a los que pueden dar servicio. Superado éste número, se hace necesario el concurso de más
centrales
de
conmutación.
Un teléfono está formado por dos circuitos que funcionan juntos:
Circuito de conversación
Circuito de marcación.
Las técnicas de conmutación que suelen utilizarse en las redes de transmisión de datos son básicamente tres:
Conmutación de Circuitos Esta técnica permite que el terminal emisor se una físicamente al terminal receptor mediante un circuito único y especifico que solo pertenece a esa unión.
Conmutación de Mensajes Este método era usado por los sistemas telegráficos, siendo el más antiguo que existe.
Conmutación de Paquetes. El emisor divide los mensajes a enviar en un número arbitrario de paquetes del mismo tamaño, donde adjunta una cabecera y la dirección origen y destino así como datos de control que luego serán transmitidos por diferentes medios de conexión entre nodos temporales hasta llegar a su destino.
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