Principios básicos de ingeniería de transmision

Generalmente, se hace alusión a las
telecomunicaciones como simplemente "comunicación a
distancia" en razón a su etimología; sin embargo,
en su conceptualización debe incorporarse el hecho de que
ésta constituye un servicio que se proporciona mediante
mecanismos electromagnéticos. En la actualidad, los campos
de la misma se han extendido, motivados por las diferentes
normalizaciones y estándares que garantizan la
interoperabilidad de diferentes equipos que provienen de
diferentes fabricantes, garantizando, de esta manera, una
relación entre aspectos técnicos de hardware con
los esquemas de programación (software) que están
inmersos dentro de las diferentes formas de
telecomunicación.

Normas de
transmisión

El hecho de que existan tantos fabricantes de equipos en
el mundo, implica que cada posea un driver, una
programación, e inclusive una forma de operar diferente.
En este sentido, son muchos los factores a considerar en la
conexión de una red con equipamiento mixto (de diferentes
fabricantes), para que los mismos estén sincronizados y la
red funcione eficientemente. El planteamiento anterior justifica
la existencia de los estándares, dado a que proporciona un
mecanismo para la interoperabilidad de los equipos. Forouzam
(2002) indica que: "Un estándar proporciona un modelo de
desarrollo que hace posible que un producto funcione
adecuadamente con otros sin tener en cuenta quien lo ha
fabricado" (p. 9).

En general existen diversas instituciones y/o
organizaciones que se encargan de la creación de los
estándares, entre las cuales se pueden mencionar: a) ISO;
b) ITU; c) IEE; c) ANSI; d) EIA; entre otras.

La ISO (Organización Internacional para la
Estandarización), es una organización de
países y organizaciones sin fines de lucro, cuyo objetivo
es promocionar el desarrollo de normalizaciones y de actividades
relacionadas para facilitar el intercambio internacional de
bienes y servicios. En el ámbito de las
telecomunicaciones, ISO creó el modelo de
estándares abierto OSI, el cual constituye una herramienta
de 7 capas que involucra desde la parte física, los
protocolos para transmisión de datos, control de flujo,
control de errores y corrección de los mismos, hasta los
protocolos de aplicación.

Por otro lado, la ITU constituye la organización
de mayor relevancia de la ONU, en el área de las
telecomunicaciones. Esta coordina las telecomunicaciones tomando
como referencia tres áreas: a) las radiocomunicaciones; b)
la normalización; c) el desarrollo.

En referencia a la parte de normalización, el
sector de la ITU (ITU – T) se encarga de estudiar y definir
recomendaciones de cuestiones técnicas,
tecnológicas, de operación y de
tarificación, orientadas a la búsqueda de la
compatibilidad extremo a extremo en los procesos de
comunicación, para lo cual incluye documentos y
publicaciones sobre aspectos tales como: a) medios de
expresión: definiciones, símbolos y
clasificación; b) estadística generales de
telecomunicaciones; c) tarificación; d) explotación
general de la red; e) servicios no telefónicos; f)
sistemas de transmisión; g) protección contra
interferencias; entre otros.

A nivel nacional, las telecomunicaciones están
dirigidas por CONATEL, en el marco de la Ley Orgánica de
Telecomunicaciones; cuya función es velar por la calidad
en los servicios prestados mediante la planificación y la
elaboración de políticas nacionales para facilitar
el acceso a los servicios de telecomunicaciones en el
ámbito del territorio nacional.

Generalidades
sobre sistemas de transmisión

El término "transmisión" puede ser
definido como un mecanismo de envió de señales
analógicas o digitales entre dos elementos dentro de un
sistema de comunicaciones. Obviamente, que un sistema de
comunicaciones involucra un conjunto de elementos: medios,
canales, transmisor, receptores; los cuales añaden ciertas
características a dicho proceso y por ende requiere la
consideración de ciertos aspectos de orden general para
que el mismo se pueda realizar en forma eficiente.

En el proceso de trasferencia de información debe
convertirse la información original a una señal
electromagnética, para luego en la etapa de
recepción regresar la señal a su forma original;
para lo cual debe conocerse la frecuencia de la misma. De acuerdo
a Tomasi (2003): "la frecuencia no es más que la cantidad
de veces que sucede un movimiento periódico, como puede
ser una onda senoidal de voltaje o de corriente, durante
determinado periodo" (p. 4). Evidentemente, que debe conocerse la
forma de ondas real de la señal original para su
recuperación, y conforme a la frecuencia también
debe determinar su periodicidad y amplitud.

Es preciso destacar, que por el auge tecnológico
de los medios de telecomunicaciones en sus distintas formas, se
encuentran diversos elementos transmisores en la cotidianidad,
tales como teléfonos móviles, computadores
portátiles, entre otros; los cuales operan organizados de
acuerdo a un plan de frecuencias estructurado de acuerdo al
espectro electromagnético, motivado a que la
selección de las frecuencias de operación de los
equipos no puede ser de forma aleatoria.

El espectro electromagnético muestra los lugares
a los que se corresponden los distintos servicios desde las
frecuencias mínimas (subsónicas) hasta las
más altas, mediante la distribución en bandas de
operación limitadas de acuerdo a normativas
internacionales y debe incluir cómo se realizará la
distribución de forma más específica de
acuerdo a las disposiciones de ente rector en el ámbito
nacional (para Venezuela, CONATEL).

Particularmente la sección correspondiente a RF
(radiofrecuencia) está clasificada de acuerdo a ciertos
rangos de frecuencia. En la siguiente tabla se muestra la
clasificación de las RF.

Tabla 1. Clasificación de las
Bandas de RF

Datos tomados por el autor (2013).

Por otro lado, los sistemas de comunicaciones se ven
limitados por aspectos tales como la atenuación, el ancho
de banda, los ecos, la resonancia, y el ruido; los cuales
serán detallados a continuación. En referencia a la
atenuación se refiere al decrecimiento en la intensidad de
la señal durante la propagación desde la fuente
hasta el receptor, que sucede por aspectos relacionados a la
distancia o por influencia de parámetros eléctricos
en la instalación del sistema de
transmisión.

El ancho de banda, es la banda útil de la
señal y se fundamenta en la velocidad de la
información a transmitir y en los métodos de
codificación y modulación. La definición del
ancho de banda puede detallarse desde la óptica de la
señal y del canal. En este sentido, el ancho de banda del
canal debe ser suficiente para que el sistema de
transmisión no introduzca interferencia intersimbolo a la
señal.

Los ecos, se producen por la reflexión de la
energía hacia la fuente de transmisión, de manera
que se repite el contenido de información, cuya causa es
producida por corrientes que retornan a través del
circuito. La resonancia es una forma del eco, la cual ocurre
generalmente en frecuencias para las que el circuito es
resonante. Finalmente, el ruido, es producido por señales
espurias que distorsionan y confunden la señal transmitida
y puede provenir de fuentes internas y externas al
equipamiento.

Principios
importantes en la transmisión

Para especificar los principios
fundamentales que determinan la transmisión de
información es pertinente tener en cuenta los elementos
que forman parte de dicho proceso, los cuales se representan en
la figura 1 y son descritos a continuación:

Figura 1. Elementos de la
comunicación.

En primer lugar, se puede precisar la fuente de
información en la cual se genera el mensaje, el cual puede
ser en texto, audio o video. Luego, se encuentra el transmisor el
cual se encarga de acoplar el mensaje al canal de comunicaciones
para hacerlo apropiado para la transmisión; dicho
acoplamiento involucra los procesos de modulación,
codificación y varias etapas de filtrado y
amplificación. El canal de comunicación, por su
parte, constituye el medio físico para la
transmisión de la señal y puede ser
alámbrico o inalámbrico. Finalmente, el receptor
realiza los procesos inversos a los realizados por el transmisor:
demodulación, decodificación para llevar la
información a su destino.

Evidentemente, que el esquema anterior es general,
aunque se aprecia claramente la manipulación que se da a
las señales a objeto de transmitir información, la
cual es diferente dependiendo del tipo de señales que
contenga la información.

En el caso de las señales analógicas, las
mismas cambian en el tiempo en forma continua, por lo que incluye
un número infinito de valores en su camino. Las
señales digitales, solo pueden tener un número de
valores definidos. Por otro lado, las señales
también se pueden clasificar de acuerdo a su periodicidad
en señales periódicas y aperiódicas, cuya
clasificación depende de la repetición de la forma
de onda en el tiempo.

En referencia a las señales analógicas,
existen una serie de características, las cuales influyen
en la fundamentación técnica de la
transmisión de información; a saber: la amplitud,
el periodo y la frecuencia.

La amplitud, es el valor absoluto de la intensidad
más alta de una señal, en proporción a la
energía que transporta. El periodo, se refiere a la
cantidad de tiempo, en segundos en el que se completa un ciclo, y
la frecuencia es el número de periodos en un segundo,
aunque también se puede estudiar como una medida de la
velocidad de cambio en referencia al tiempo.

Otro parámetro importante de considerar es la
longitud de onda, que es una característica dependiente de
la frecuencia y del medio de transmisión, y que se define
como la distancia que una señal simple puede viajar en un
periodo. Su determinación, implica el conocimiento de la
velocidad de propagación y el periodo de la
señal.

Fundamentos
técnicos

A partir de las características anteriormente
mencionadas, se pueden determinar una serie de consideraciones de
orden técnico las cuales son importantes para la
selección del medio de transmisión, del tipo de
modulación o codificación a realizar,
etc.

En el caso particular de transmisión de
señales digitales, se debe considerar la tasa de bits, la
cual determina la velocidad de transmisión, tal que este
valor indica el número de bits que se envían en un
minuto.

También se debe tener en cuenta el ancho de
banda, el cual representa la anchura del espectro en la cual se
concentra la mayor parte de energía y permite considerar
la capacidad del canal de transmisión. El ancho de banda,
se encuentra limitado por el transmisor y por la naturaleza del
medio de transmisión. Asimismo, se debe considerar el
ruido en el camino de transmisión y valorar una tasa de
errores a partir de la recepción de
información.

• Modulación.

La modulación, es el conjunto de
técnicas que se utilizan para el transporte de la
información sobre una señal portadora, con la
finalidad de mejorar el aprovechamiento del canal de
comunicación. Consiste en la sobre posición de la
información sobre la portadora, haciendo que dentro de
ésta cambie de valor (amplitud, fase o frecuencia), con
variaciones de la señal que contiene la información
a transmitir (moduladora).

En términos generales, la modulación se
clasifica en analógica y digital dependiendo de la forma
en la que se transmite y recibe la energía; Tomasi (2002)
refiere que "en los sistemas analógicos de comunicaciones,
tanto la información como la portadora son señales
analógicas…// Con la transmisión digital no
hay portadora analógica, y la fuente original de
información puede tener forma digital o analógica"
(p. 2)

En este orden de ideas, cuando el sistema de
transmisión es analógico sus procesos de
transmisión y recepción manipulan
específicamente señales analógicas, mientras
que en sistemas de transmisión digital se pueden presentar
ambos tipos de señales, de tal manera que las mismas son
convertidas a pulsos digitales antes del procesos de
transmisión y reconvertida nuevamente a analógica
en el extremo de recepción.

• Modulación
  Analógica.

Las señales analógicas pueden ser
moduladas en amplitud, frecuencia y fase. La modulación de
amplitud (AM) consiste en una técnica mediante la cual se
varía la amplitud de la señal portadora en
relación con la información que se envía;
variantes de esta técnica son las modulaciones por banda
lateral única y por doble banda lateral, las cuales so
eficientes en el ancho de banda. La modulación AM es
utilizada predominantemente en radiofonía, en las ondas
medias y cortas y e VHF en los sistemas de radiocomunicaciones
aeronáuticas para la comunicación tierra
aire.

La modulación en frecuencia (FM) es una
técnica que transmite información mediante la
variación de la frecuencia de la señal portadora en
función a la moduladora. Su aplicación principal es
en la radiofrecuencia VHF dada la alta calidad de la que ofrece
para la radiodifusión de las señales de voz,
así como también en la televisión
analógica, en razón a que permite sintetizar el
sonido.

La modulación en fase (PM), consiste en una
técnica en la que se varía la fase de la onda
portadora en proporción a la moduladora; dada su
complejidad, esta técnica no es muy utilizada.

• Modulación
  Digital

La modulación digital se presenta por
desplazamientos, y análogo a la modulación
analógica, sucede en amplitud, frecuencia y fase. La
modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) es una
técnica en la que los datos digitales son representados
como variaciones de amplitud de la portadora en función a
la señal moduladora; de tal modo que los niveles de
amplitud pueden ser usados para representar los valores binarios
(0 y 1). Asimismo, esta técnica es sensible al ruido
atmosférico, la distorsión de retardo entre otros
efectos adversos.

Por su parte, la modulación por desplazamiento de
frecuencia (FSK) es una técnica en la que la
información binaria es representada utilizando dos
frecuencias diferentes, correspondientes a la señal
portadora cuya presencia indica un " 0" y la moduladora la cual
varia formando un tres de pulsos que representa un "1". Por su
parte, la modulación por desplazamiento de fase (PSK) es
otra forma de modulación digital angular constante, en la
cual la señal de entrada es una señal digital
binaria y es posible tener una cantidad limitada de fases de
salida, mediante variaciones de la fase de la portadora entre un
número de valores discretos.

• Comparación de
  métodos.

La transmisión de información, se puede
realizar en tres modos diferentes. Estos son simplex, semiduplex,
y full dúplex. En el modo simplex, la comunicación
se caracteriza por ser unidimensional, de tal manera que un solo
elemento del proceso de comunicación puede transmitir y el
otro solo puede recibir.

En el modo semidúplex cada elemento puede
transmitir y recibir, empero no se puede realizar de forma
simultánea. En este orden de ideas, cuando un dispositivo
está enviando información, el otro solo puede
recibir y viceversa.

En el modo full dúplex, ambos elementos pueden
enviar y recibir en forma simultánea, de tal manera que
las señales pueden compartir la capacidad del enlace,
puede ser por caminos físicamente separados o un solo
camino divido.

En la siguiente gráfica se representan los modos
de transmisión:

Figura 2. Modos de
Transmisión

• Calidad en la
  transmisión.

La calidad en los sistemas de transmisión depende
de muchos factores, los cuales están relacionados a las
condiciones de la señal contenedora de la
información, tales como la potencia, entre otros;
así como también de las consideraciones en la
selección del medio de transmisión. En este
sentido, se debe tener en cuenta la distorsión, su
robustez ante interferencias y/o ruido, su capacidad de canal,
ancho de banda, entre otros.

• Diferentes medios de
  transmisión para telecomunicaciones.

Los medios de transmisión para las
telecomunicaciones se clasifican en medios guiados y no guiados.
Los medios guiados, son aquellos que proporcionan un conductor
entre los dispositivos de transmisión y recepción,
tales como los cables de par trenzado, los cables coaxiales y de
fibra óptica; en este sentido, estos limitan de acuerdo a
sus condiciones físicas las señales a
transmitir.

Por otro lado, los medios no guiados, son medios que no
utilizan cableado, los cuales transportan las señales sin
la utilización de un medio físico. En estos, las
señales son radiadas utilizando el aire inclusive el agua.
Estos dispositivos hacen uso del espectro
electromagnético, el cual se encuentra seccionado en las
bandas de frecuencia identificadas anteriormente.

• El par trenzado.

El cable de par trenzado consiste en un tipo de cable en
el que los conductores se aíslan y entrelazan con la
finalidad de anular interferencias externas. Este se encuentra en
el mercado de dos formas: blindado y sin blindaje.

El cable UTP sin blindaje (UTP) es el más
frecuente en la comunicación de datos, y voz en sistemas
telefónicos. Está formado por dos conductores,
generalmente de cobre, que poseen un aislamiento plástico
signado con un color que permite la identificación, de
acuerdo al protocolo a utilizar, de la señal de control
que el mismo maneja.

Asimismo, se caracteriza por el entrelazado (entre dos y
doce torsiones por pie) el cual sirve para equilibrar el nivel de
interferencia que producen las fuentes de transmisión
sobre cada cable entorchado y reducirlo al
mínimo.

Existen diferentes categorías de este tipo de
cable: la categoría 2 es adecuada para transmisiones de
voz y datos hasta 4 Mbps; la categoría 3 para
transmisión de datos hasta 10 Mbps, con amplia
utilización en los sistemas telefónicos actuales;
la categoría 4 que permite un máximo de 16 Mbps; la
categoría 5 para datos hasta 100 Mbps, utilizada en las
redes de datos modernas, entre otras.

El cable blindado (STP) tiene una funda de metal o un
recubrimiento de malla entrelazada, la cual rodea a cada par de
conductores aislado con la finalidad de suprimir el ruido y la
interferencia. Este modelo de cable, utiliza las mismas
condiciones de calidad que el cable UTP y los mismos conectores,
con la característica de que el blindaje debe ser
conectado a tierra.

En la siguiente imagen se muestran ambos tipos de cable
de par trenzado, descritos anteriormente.

Figura 3. Cables par Trenzado (a) STP,
(b) UTP.

En referencia a la conexión de este tipo de
cable, se utiliza un conector RJ – 45, el cual posee 8
pines para la conexión a cada extremo de este tipo de
cable. Para ello se consideran las normativas EIA/TIA 568 A y B,
las cuales se muestran en la siguiente figura:

Figura 4 – Normativa EIA/TIA
54

• El cable coaxial.

El cable coaxial, es otro tipo de cable
para el transporte de las señales eléctricas, el
cual consiste en dos conductores concéntricos: un
núcleo central, el cual se compone de un hilo o enfilado
de cobre el cual transporta la información, y un tubo
exterior en forma de malla el cual sirve como referencia de
aterramiento para el retorno de las corrientes. Dichos
conductores, se encuentran rodeados de una capa aislante
constituida de una material dieléctrico, que define la
calidad del cable y una cubierta exterior hecha de una material
aislante.

Para la clasificación de este tipo
de cable Forouzam (2002) refiere que: "

"Los distintos diseños del cable coaxial se
pueden categorizar según sus clasificaciones de radio de
gobierno (RG). Cada número RG denota un conjunto
único de especificaciones físicas, incluyendo el
grosor del cable del conductor interno, el grosor y el tipo del
aislante interior, la construcción del blindaje y el
tamaño y el tipo de la cubierta exterior. (p.
186)

En este orden de ideas, el autor muestra
que en la clasificación general de cada cable coaxial, se
toman en cuenta todos los parametros técnicos para su
aplicación. De allí que, los cables RG – 8,
RG – 9 y RG – 11 se utilizan para enlaces Ethernet de
cable grueso; el cable RG – 58 se utiliza para enlaces
Ethernet de cable fino y el cable RG – 59 para enlaces de
television. En referencia a los conectores utilizados para cable
coaxial, generalmente se utilizan los conectores BNC, los cuales
constan de un conector tipo macho que se instala en cada extremo
del cable y posee un centro circular que se conecta al conductor
del núcleo y a un tubo que se conecta a la parte exterior
del cable.

En la siguiente figura se muestra la
constitucion del cable coaxial y los conectores BNC:

Figura 5. (a) Conector BNC macho, (b)
Modelos de cable Coax.

• Fibra óptica.

Consiste en un medio de transmisión el cual
está constituido de un filamento de plástico o
cristal a través del cual se transmiten las señales
en forma de luz; utilizado ampliamente en redes de datos. En el
interior de la misma el haz de luz se propaga por su interior con
un ángulo de reflexión por encima del ángulo
límite de reflexión total en función a la
ley de Snell.

Del mismo modo, la utilización de la fibra
óptica se fundamenta en el principio de refracción
para el control de la propagación de la luz en su
interior. Un concepto de gran importancia dentro del contexto de
la fibra óptica es el ángulo crítico el cual
se presenta cuando la luz cambia de un medio más denso a
otro menos denso (refracción). En este sentido, cuando el
ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo
crítico se produce el fenómeno de la
reflexión, a través del cual se transmiten las
ondas de la luz por el canal.

La tecnología de la fibra óptica
proporciona dos medios de propagación con diferencias
entre sí, estos son: multimodos y monomodos. En las fibras
mulltimodos, hay múltiples rayos de luz que provienen de
una fuente luminosa los cuales llevan trayectos distintos; por
otro lado en la fibra monomodo los rayos son limitados a un rango
muy pequeño de ángulos cercanos a la horizontal, en
forma directiva.

Entre las ventajas del uso de la fibra óptica se
pueden destacar la inmunidad al ruido, la disminución del
nivel de atenuación, y el proporciona un mayor ancho de
banda, mientras que entre las desventajas de su
utilización se pueden destacar su alto precio, lo
complicado de su instalación y mantenimiento dada su
fragilidad. En la siguiente figura se muestra un cable de fibra
óptica.

Figura 6. Ejemplos de fibra
óptica y conectores.

• Canal de radio.

La transmisión de ondas de radio utiliza cinco
tipos de propagación distintas, a saber: superficial,
troposféricas, por línea de vista y espacial; las
cuales dependen de la capa de la atmósfera en la que se
presente la transmisión. En la siguiente imagen se puede
evidenciar la banda de frecuencia correspondiente a la
comunicación por radio, la cual se limita entre los 3 KHz
hasta los 300 GHz, que se divide en las distintas bandas
espectrales descritas anteriormente.

Figura 7. Bandas de Frecuencia en la
comunicación por radio

En el caso de la propagación superficial, se
refiere a la realizada en la porción más baja de la
atmósfera. Esta se da en VLF y LF siguiendo la curvatura
de la tierra (factor K=4/3), y requiere la consideración
de la potencia de la señal en proporción a la
distancia. Este tipo de propagación requiere considerar la
conductividad del terreno, razón por la cual permite
utilizar el mar como medio de transmisión.

La propagación troposférica, se puede dar
en línea recta (visión directa entre antenas) o
considerando un ángulo entre los niveles superiores de la
troposfera en la cual las señales se reflejan hacia la
superficie terrestre.

La propagación ionosférica se da en alta
frecuencia, en la cual las ondas se reflejan nuevamente hacia la
tierra Este tipo de propagación permite cubrir distancias
mas grandes y requiere la consideración de electrones y
protones libres dentro de dicha capa los cuales afectan la
transmisión. En la transmisión por onda de radio,
también se incluyen las microondas, las cuales no siguen
la curvatura de la tierra, lo cual hace que necesiten de equipos
retransmisores por visión directa, y cuyas distancias
máximas de propagación dependen de la altura de las
antenas. Asimismo, se ciñen a los principios de
comunicaciones por radio la satelital y la telefonía
celular.

Consideraciones
generales para la selección de un sistema de
transmisión

Son diversos los parámetros a considerar para la
selección de un sistema de transmisión: la
frecuencia, la distancia, las condiciones atmosféricas, de
terreno, el ancho de banda requerido e inclusive el tipo de
información a transmitir influyen en la selección
de un medio de transmisión. Asimismo, es importante tener
en cuenta el rendimiento del medio, el cual viene determinado por
la velocidad de transmisión de la información, la
velocidad en la que se propagan las señales la cual se
mide tomando en consideración la distancia a la cual se
propagan las señales y está en función al
medio seleccionado y finalmente el tiempo de
propagación.

Referencias

Forouzam, B. (2002). Transmisión de datos
y redes de computadoras. Segunda edición.
McGraw-Hill. Madrid, España

Herrera, E. (2012). Comunicaciones I:
señales, modulación y transmisión.
Editorial Limusa, México.

Herrera, E. (2003). Tecnología y redes de
transmisión de datos. Primera edición.
Editorial Limusa, México.

Stallings, W. (2004). Comunicaciones y redes de
computadores. Séptima edición. Pearson
Educations. Madrid, España.

Tomasi, W. (2003). Sistemas electrónicos
de comunicaciones. Cuarta edición. Prentice-Hall
Ediciones. Madrid, España.

Autor:

Ing. Héctor Martínez

FACILITADORA:

MsC. LILIANA JORQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA

ANTONIO JOSÉ DE SUCRE

VICERRECTORADO BARQUISIMETO

DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y
POSTGRADO

BARQUISIMETO, NOVIEMBRE, 2013

GENERALIDADES DE INGENIERÍA DE
TRANSMISIÓN