IC323 COMUNICACIÓN DE DATOS

Unidad N°2 Medios no guiados

Ingeniería en Computación

Medios de Transmisión no Guiados

RA1: [Categoriza] [los medios de comunicación] [con el fin de la transmisión de datos] [en presencia de ruido y errores] [considerando los parámetros más relevantes, como velocidad, atenuación, SNR, ROE, etc.]

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Este RA es cubierto parcialmente por esta unidad. También es abordado en las Unidades 1 y 3.

Progresión de la presentación:

1. Medios
2. Ondas EM
3. Maxwell
4. Polarización
5. Potencia
6. Propagación
7. Espectro
8. Regulación

Medios de Transmisión

Medios guiados

• Proporcionan un conductor de un dispositivo al otro.
• La señal es dirigida y contenida por los límites físicos del medio
• Los tres principales son:
• Par trenzado
• Cable coaxial
• Fibra Óptica

Medios no guiados

• Transportan ondas electromagnéticas sin usar un conductor físico.
• Las señales se radian a través del aire (o en pocos casos, el agua)
• Están disponibles para cualquier dispositivo capaz de aceptarlas.

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Ondas Electromagnéticas

• Cuando los electrones se mueven crean ondas electromagnéticas que se pueden propagar por el espacio libre (aún en el vacío)
• El físico escocés James Maxwell predijo estas ondas en 1.865 y el físico alemán Heinrich Hertz las produjo y observó por primera vez en 1.887.
• Se manifiestan como variaciones de campos eléctricos y magnéticos en el tiempo y en el espacio
• Pero… ¿Qué es una onda EM? ¿Cómo se propaga? ¿Cómo se mide una onda EM?
• Parte de las respuestas están en las ecuaciones de Maxwell…

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Ecuaciones de Maxwell

• Todos los fenómenos electromagnéticos están gobernados por las ecuaciones de Maxwell. Que están formadas por cuatro ecuaciones independientes:
• Dos ecuaciones rotacionales:

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• Dos ecuaciones de divergencia (que se pueden derivar de las rotacionales y por tanto no son independientes)

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• La ecuación de continuidad (principio de conservación de la carga)

Ley de Ampere

Ley de Faraday

Ley de Gauss

Ecuaciones de Maxwell

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Ley de Ampere

Ley de Faraday

Ley de Gauss

Ecuaciones de Maxwell

Ecuaciones de Maxwell

El espacio está lleno de una cosa llamada “Campo electromagnético” que solo puede ser sentido por las “cargas” y los “imanes”

El campo es el medio a través del cual cargas e imanes pueden influirse: atrayéndose, repeliéndose, girándose

Esta intermediación tiene una serie de reglas, cómo las cargas e imanes perturban el campo y como el campo se perturba a si mismo.

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Ecuaciones de Maxwell

Esta intermediación tiene una serie de reglas: como las cargas e imanes perturban el campo y como el campo se perturba a sí mismo.

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Condensadas en las ecuaciones de Maxwell

Ecuaciones de Maxwell

Trata de cómo es y cómo cambia el campo

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separado en dos partes…

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Ecuaciones de Maxwell

El campo eléctrico: que dice donde y cuan fuerte va a ser empujada una carga eléctrica positiva que se ponga ahí

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Ecuaciones de Maxwell

El campo magnético: que dice donde y cuan fuerte va a ser orientado un imán que se ponga ahí

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Ecuaciones de Maxwell: Ley de Gauss

Describe cómo las cargas afectan al campo eléctrico

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Dice que las cargas eléctricas son fuentes del campo si son positivas o sumideros si son negativas

También indica que el campo decae en relación inversa al cuadrado de la distancia

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Ecuaciones de Maxwell: Ley de Gauss del campo magnético

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Las fuentes y sumideros del campo magnético no existen

El campo magnético siempre debe cerrarse

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Ecuaciones de Maxwell: Ley de Faraday

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Si un campo magnético aumenta, el eléctrico se orienta en el sentido de las agujas del reloj, si decrece es al contrario

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Ecuaciones de Maxwell: Ley de Faraday

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Los campos no solo son influenciados por fuentes y sumideros, también por si mismos

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Ecuaciones de Maxwell: Ley de Ampere

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Un campo eléctrico cambiando en el tiempo o una corriente eléctrica activan el campo magnético

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Cómo se dió este tema en Electricidad y Electromagnetismo:

El Espectro Electromagnético

• Las variaciones de los campos eléctricos y magnéticos de las ondas electromagnéticas pueden representarse por funciones senoidales (solución a las ecuaciones de Maxwell), tanto en función del tiempo como del espacio
• Así, la cantidad de oscilaciones por segundo de una onda electromagnética es su frecuencia, f, y se mide en Hz (Hertz) (en el dominio del tiempo) y la distancia entre dos máximos (o mínimos) consecutivos se llama longitud de onda, λ lambda (en el dominio del espacio)

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• La relación fundamental entre

f y λ es: λ . f = c

(c es una constante)

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Ondas Electromagnéticas

• Las ondas electromagnéticas están constituidas por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) perpendiculares entre sí.
• Son ondas transversales porque los campos E y B son siempre perpendiculares a la dirección de propagación de la onda

Polarización

• Las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y perpendicular también a la dirección de propagación
• Polarización es la orientación del campo eléctrico respecto a la superficie de propagación (horizonte)
• Cuando la polarización permanece constante se llama lineal

Polarización

• Además de lineal, si el campo eléctrico se propaga vertical a la superficie terrestre, se llama polarización vertical
• Si el campo eléctrico es paralelo a la superficie de propagación, la polarización es horizontal

Polarización

• También existen ondas con polarización circular (el vector de polarización va girando 360 grados conforme la onda recorre el espacio de una longitud de onda)

También existen las ondas con polarización elíptica

Rayo y Frente de Onda

• El análisis de ondas electromagnéticas requiere emplear métodos indirectos para representarlas (no son visibles al ojo humano)
• Para ilustrar el fenómeno de propagación a través del espacio, se usa el concepto de rayo y frente de onda
• Rayo se emplea para ilustrar la dirección relativa de propagación de la onda (línea que seguiría la trayectoria de propagación de la onda EM)
• Frente de onda representa una superficie de ondas EM de fase constante, es decir, puntos de igual fase de ondas EM provenientes de la misma fuente

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(un rayo no representa, necesariamente, a una única onda electromagnética)

Ondas Planas

• Decimos que una onda es plana cuando su frente de onda se propaga en una única dirección a lo largo del espacio

Ondas Esféricas

• Una fuente puntual (también llamada isotrópica) irradia uniformemente en todas las direcciones, creando un frente de onda esférico
• Cuando nos encontramos lejos de la fuente, la onda esférica puede aproximarse como plana

Ondas Esféricas

• Una fuente puntual (también llamada isotrópica) irradia uniformemente en todas las direcciones, creando un frente de onda esférico
• Cuando nos encontramos lejos de la fuente, la onda esférica puede aproximarse como plana

Densidad de Potencia e Intensidad de Campo

• La densidad de potencia se define como la cantidad de energía que atraviesa una superficie determinada en un instante de tiempo
• Es indicativo del flujo de energía por unidad de tiempo y de superficie (se mide en vatios por metro cuadrado)
• Las intensidades se refiere a los campos eléctrico (E) y magnético (H), medidas en voltios por metro y amperios por metro, respectivamente
• Se relacionan por

Impedancia Característica

• Al igual que la tensión y la corriente de un circuito se relacionan por una impedancia, las intensidades de campo eléctrico y magnético se relacionan por una impedancia característica
• En un medio sin pérdidas, la impedancia característica viene dada por la raíz cuadrada del cociente entre su permeabilidad magnética y su permisividad eléctrica

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• En el vacío tiene un valor de 377 ohmios

Densidad de Potencia e Impedancia Característica

• La densidad de potencia puede expresarse como

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• Para el vacío es

Vector de Poynting

• El vector de Poynting se define como el producto vectorial del vector de campo eléctrico y el vector campo magnético

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• 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 (densidad de potencia instantánea)

Ley del Cuadrado Inverso

• Los frentes de onda esféricos son producidos por fuentes puntuales que irradian la misma potencia en todas las direcciones
• 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.
• La potencia total radiada será uniforme en toda la superficie, por lo que la densidad de potencia estará dada por

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• Conforme nos alejamos, la potencia total permanece constante, pero la densidad disminuye según el cuadrado inverso
• Ejemplo del globo

Atenuación vs. Absorción

• En el vacío, las ondas EM no tiene pérdidas (su potencia total radiada es constante)
• Los rayos tienden a dispersarse y esto implica una disminución de la densidad de potencia, este fenómeno se conoce como atenuación
• Por otro lado, absorción se asocia a las pérdidas que las ondas electromagnéticas sufren al propagarse por la atmósfera (las partículas y obstáculos absorben la potencia radiada)
• El fenómeno de absorción puede considerarse despreciable para frecuencias inferiores a los 10 GHz.

Refracción

• Ocurre cuando una onda EM que se propaga por un medio atraviesa a otro con distinta densidad (distinta velocidad de propagación)
• Se produce un cambio en la dirección de propagación de la onda

Refracción en Medio con Gradiente de Densidad

• Si la onda se propaga en un medio cuya densidad varía gradualmente (tiene un gradiente de densidad) perpendicular a la dirección de propagación de la onda, también se produce el fenómeno de refracción

Reflexión

• Cuando una onda colisiona con la interfaz de dos medios y la totalidad o parte de la onda es “reflejada” al medio original
• Si se refleja completamente, las velocidades de las ondas incidente y reflejada son iguales y los ángulos de incidencia y reflexión también
• El coeficiente de reflexión es la relación entre la intensidad del campo eléctrico de la onda reflejada y el de la onda incidente.

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Γ = E_reflejada / E_incidente.

Difracción

• Se produce cuando la onda encuentra un obstáculo
• Se manifiesta como una redistribución o modulación de la energía dentro del frente de onda
• Reflexión y Refracción se producen cuando las dimensiones de las superficies son mucho mayores que la longitud de onda de la señal
• Si el tamaño del obstáculo es comparable a la longitud de onda, puede producirse la difracción
• Principio de Huygens: todo punto sobre un frente de onda esférico puede ser, a su vez, considerado como una Fuente secundaria de ondas EM o

Un frente de onda puede ser considerado como una sucesión de emisiones puntuales de frentes de onda

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Difracción

• Esquematización del principio de Huygens

Difracción

• Esquematización de la difracción

Difracción

• También la difracción explica porqué las ondas pueden sortear esquinas de obstáculos, pues la anulación de irradiaciones será parcial, permitiendo la propagación hacia la “zona de sombra”

Interferencia

• Cuando dos o más ondas EM coinciden en el tiempo y espacio formando una nueva onda

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• Existe en este punto una gran coincidencia con el concepto de difracción, pero podemos restringir el concepto de interferencia al fenómeno que involucra dos o más fuentes diferentes de ondas EM

Radiotransmisión

• Las ondas de radio (o electromagnéticas) pueden viajar distancias largas e incluso penetrar edificios.
• Las propiedades de propagación dependen de la frecuencia: a bajas frecuencias cruzan bien los obstáculos. A frecuencias más altas, tienden a viajar en línea recta y a rebotar en los obstáculos, o ser absorbidas por la lluvia.

Radiopropagación

• Cuando hablamos de radio propagación o propagación por radio frecuencia nos referimos a la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre (vacío)
• Sin embargo, a menudo, la propagación por la atmósfera terrestre también se la denomina propagación por el espacio libre (la atmósfera introduce pérdidas por absorción)

Propagación de Ondas de Radio

• Hasta ahora se consideró la propagación de ondas EM en el vacío, pasaremos a considerar los efectos de la atmósfera Terrestre
• La propagación en el vacío es en línea recta, pero en la atmósfera se producen reflexiones, refracciones, difracciones e interferencias
• Influyen especialmente la capa de la atmósfera considerada, la frecuencia de transmisión, la distancia, el clima, si es día o noche, etc.
• Resultando fundamentalmente tres modos de propagación
• Ondas Terrestres
• Ondas Celestes o Ionosféricas
• Onda espacial o linea directa (line-of-sight - LOS)

Propagación de Ondas Electromagnéticas

• Resultando fundamentalmente tres modos de propagación
• Onda Terrestre (<3MHz)
• Ondas Celestes o Ionosféricas (3 MHz a 30 MHz)
• Onda Espacial o directa (LOS) >30MHz
• Estos coexisten pero siempre prevalece uno de acuerdo a las condiciones del terreno y la frecuencia

Propagación por Ondas Terrestres

• Viajan por la superficie de la Tierra y los primeros metros de la atmósfera, por lo que también son llamadas ondas superficiales
• Siguen la curvatura de la Tierra y viajan más allá del horizonte
• El campo eléctrico variable induce corrientes muy parecidas a las de una línea de transmisión
• Deben ser polarizadas verticalmente
• Son absorbidas en su propagación
• Tiene un gradiente de densidad (menos densa conforme nos alejamos de la superficie)

Propagación por Ondas Terrestres

• La propagación de OT es más fuerte a bajas frecuencias (30KHz a 3MHz)
• Requieren antenas de gran tamaño y altas potencias (hasta 200 metros)
• Se propagan a largas distancias:
• La banda LF (30-300 KHz) llega hasta los 2.000 Km
• La banda MF (300-3.000 KHz) llega a 200 Km
• En frecuencias superiores a los 3 MHz, la Tierra empieza a atenuar las señales de OT. Los objetos y las características del terreno se hacen del mismo orden de magnitud en tamaño que la longitud de la onda de la señal.
• Actividad: Calcular la longitud de onda

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Propagación por Ondas Terrestres

• La conductividad de la Tierra determina que tan bien se propagan estas ondas
• A mejor conductividad, menor es la atenuación y mayor la distancia a la que pueden viajar las ondas
• Se propagan mejor sobre el agua salada (se utiliza para comunicaciones de embarcaciones en 15KHz)
• La conductividad más baja se da en áreas de poca conductividad, como los desiertos

Onda de Cielo (Celestes o Ionosféricas)

• Son radiadas por la antena a la atmósfera superior (ionosfera), donde se reflejan de nuevo a la tierra
• La radiación ultravioleta del sol provoca que la atmósfera superior se ionice, lo que genera partículas con cargas eléctricas
• Las ondas reflejadas por la ionósfera alcanzan la superficie de la Tierra únicamente a determinadas distancias del transmisor, dependiendo de la frecuencia, el ángulo de reflexión y de la profundidad de penetración

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Propagación por Ondas Celestes o Ionosféricas

Cuando la señal de radio aparece dentro de la ionosfera, los diferentes niveles de ionización hacen que la onda se doble de forma gradual

La dirección del doblez depende del ángulo al cual entra la onda y los diferentes grados de ionización de las capas, como lo describe la Ley de Snell:

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Propagación por Ondas Celestes o Ionosféricas

• La ionósfera está estratificada en capas:

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Propagación por Ondas Celestes o Ionosféricas

• La ionósfera está estratificada en capas:
• Capa D: refleja las ondas VLF (3-30 Khz) LF (30-300 Khz) (desaparece por la noche)
• Capa E: refleja bien MF (300-3.000 Khz) y poco HF (3-30 Mhz) (el sol también influye en su comportamiento)
• Capa F (F1 y F2), HF

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Propagación por Ondas Celestes o Ionosféricas

• Se radian formando un ángulo relativamente grande respecto al horizonte o superficie de la Tierra
• Son dirigidas hacia la atmósfera donde son reflejadas o refractadas hacia la superficie por la ionósfera (entre 50 y 400 Kilómetros de altura)
• A mayor frecuencia, mayor penetración en la ionósfera

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Términos y definiciones de propagación

• Frecuencia crítica: máxima frecuencia de la onda celeste que es reflejada por la ionósfera (depende de las condiciones atmosféricas y la radiación solar)
• Ángulo crítico, menor ángulo (medido con la vertical) a partir del cual no se produce reflexión. Fuera de ese rango es irradiado al espacio

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Términos y definiciones de propagación

• Altura virtual: altura desde la superficie de la Tierra en la que una onda “parece” reflejarse

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Términos y definiciones de propagación

• Máxima frecuencia útil (MFU): se define como la mayor frecuencia utilizable para la propagación de ondas ionosféricas entre dos puntos cualquiera en la superficie de la Tierra. Es una predicción numérica para un día determinado y a una hora determinada, con un 50% de error.
• Distancia de salto, mínima distancia, medida desde el transmisor, a la que una onda celeste retornará. Puede haber múltiples saltos

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Propagación por Ondas Espaciales u Ondas Directas

• Se propaga en los primeros kilometros de la atmósfera
• Está conformada por ondas directas y reflejadas (no siguen la curvatura de la tierra)

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Propagación por Ondas Espaciales

• Ondas directas (Line of Sight - LOS) está limitada por la curvatura de la tierra

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• El horizonte de radio es un poco mayor que el óptico (4/3), debido al gradiente de densidad
• Para aumentar el horizonte de radio, se debe aumentar la altura de las antenas
• Existen ondas reflejadas que pueden producir interferencias

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Propagación por Ondas Espaciales

• El horizonte de radio se puede calcular con la fórmula:

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La distancia máxima de transmisión se calcula combinando el horizonte de radio para el transmisor y el receptor:

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Propagación Ondas Espaciales

• Para ondas mayores a 30 MHz, la propagación Terrestre es rápidamente atenuada, precisando que exista visibilidad radioeléctrica entre emisor y receptor
• Particularmente: VHF, UHF y microondas. (ver frecuencias)
• Las antenas para transmisores y receptores que operan en frecuencias altas (como FM o televisión) suelen estar ubicadas en la parte superior de edificios altos o en montañas, lo que aumenta considerablemente el alcance de la transmisión y recepción.

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Propagación Ondas Espaciales

Para ampliar el rango de alcance, se utiliza un repetidor, que es una combinación de un receptor y un transmisor que operan en frecuencias separadas.

El receptor capta una señal de un transmisor remoto, la amplifica y la retransmite (en otra frecuencia) a un receptor remoto.

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P

Propagación Ondas Espaciales

También puede darse una comunicación a través de múltiples repetidores

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P

Propagación vía Satélite

• El "repetidor definitivo" es un satélite de comunicaciones
• La mayoría de los satélites de comunicaciones están ubicados en una órbita geoestacionaria a 22,500 millas sobre el ecuador. Dado que a esa distancia se tarda exactamente 24 horas en rotar alrededor de la Tierra, los satélites de comunicaciones parecen estar fijos. Actúan como estaciones repetidoras fijas.

Propagación vía Satélite

• Las señales enviadas a un satélite se amplifican y se retransmiten a la Tierra a largas distancias.
• La combinación de receptor-transmisor dentro del satélite se conoce como un transpondedor.
• La mayoría de los satélites tienen muchos transpondedores (múltiples señales)

Espectro electromagnético vs espacio radioeléctrico

• Espectro electromagnético: conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, abarcando desde el infrarrojo hasta los rayos cósmicos, pasando por la luz visible, los rayos X, las microondas, etc.

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Espectro electromagnético vs espacio radioeléctrico

• Espectro radioeléctrico o espacio radioeléctrico: el medio a través del cual se transmiten las frecuencias de las ondas de radio electromagnéticas que posibilitan los servicios de telecomunicación (radio, televisión, internet, televisión digital Terrestre, etc.) y que es administrado por el gobierno de cada país.
• Es por tanto un subconjunto del espectro electromagnético

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Gestión del Especto Radioeléctrico

• Es un recurso limitado y regulado, no se puede utilizar libremente
• Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) o International Telecommunications Union (ITU)
• Regiones del mundo para la administración del ER

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Tipos de Servicios de Radiocomunicación

Un servicio de radiocomunicación es aquel que supone la transmisión, emisión o recepción de ondas radioeléctricas para facilitar a terceros o al público general, a través de una red de comunicación, que cualquier usuario pueda establecer una comunicación

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Existen diferentes tipos de servicios regulados por ITU,

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• Servicio Fijo (SF), servicio de radiocomunicación entre puntos fijos determinados
• Servicio Fijo por Satélite (SFS) servicio entre estaciones terrenas y uno o más satélites
• Servicio Móvil (SM)
• Servicio Móvil Aeronáutico

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