Fundamentos de Medios de Transmisión No Guiados: Conceptos, Propagación y Capacidad de Canal

Trabajo Práctico N° 8 de Teleinformática: Medios de Transmisión No Guiados (Primera Parte)

Sección I: Cuestionario y Actividades

Conceptos Fundamentales de Señales

1. Describir en un gráfico de señal: Amplitud, Período y Frecuencia.
2. Indicar las unidades de medida de los conceptos anteriormente mencionados junto con las fórmulas matemáticas correspondientes.
3. ¿Por qué se los llama medios no guiados?
4. Confeccionar un cuadro con las siglas correspondientes a las frecuencias y su significado.

Propagación y Atmósfera

5. ¿Cuáles son los 5 tipos de propagación para los medios no guiados?
6. ¿Qué es la Tropósfera y la Ionósfera?
7. Describir brevemente las características de:
   • a) Propagación de superficie
   • b) Propagación troposférica
   • c) Propagación ionosférica
   • d) Propagación por visión directa
   • e) Propagación por el espacio
8. ¿Qué relación hay entre el tipo de propagación y la frecuencia de la señal?

Sistemas de Comunicación Inalámbrica

10. Describir características de las microondas terrestres.
11. ¿Qué elemento se utiliza para incrementar la distancia de alcance de la señal?
12. ¿Cómo son las antenas utilizadas en comunicaciones con microondas terrestres?
13. La distancia a la que podrán estar situadas las antenas de un enlace de microondas está dada por: D = 7,14 * √h, donde h es la altura de la antena.
    • a) Calcular la distancia a la que podrán estar situadas estas antenas si miden 100 m de altura.
    • b) ¿A qué valor se incrementa la distancia si se duplica la altura de la antena?
    • c) Si la distancia entre antenas debería ser de 100 Km, ¿cuánto deben medir las mismas?
14. Describir características de las comunicaciones vía satélite.
15. ¿Qué es un satélite geosincrónico y a cuántos Km se encuentra aproximadamente de la Tierra?
16. ¿Cuántos satélites mínimamente se necesitan para cubrir toda la Tierra?

Telefonía Celular

17. Describir las células en el servicio de telefonía celular. ¿A qué se le llama MTSO? Realizar el esquema del sistema celular.
18. ¿Por qué razón hay células de telefonía celular más grandes y otras más chicas?
19. Explicar cómo se produce la transmisión y la recepción en una llamada celular. Realizar un esquema que detalle esta comunicación.

Rendimiento y Deterioro de la Señal

20. Nombrar los distintos tipos de deterioros de la señal en las comunicaciones y explicar brevemente cada uno de ellos.
21. ¿Qué mide el Decibelio (dB) en las comunicaciones?
22. ¿En qué se mide la potencia de una señal? ¿Qué significa que sea positivo o negativo?
23. Expresar la fórmula utilizada para analizar la potencia de una señal. Supongamos que una señal viaja de A a B y su potencia se reduce a la tercera parte. ¿Cuál es su atenuación en decibelios?
24. ¿Cuáles son los parámetros en que se suele medir las prestaciones de un medio de transmisión?
25. ¿Para qué se utiliza la fórmula de Shannon? Expresarla y explicar cada una de las variables intervinientes.
26. Consideremos una línea de transmisión que tiene un ancho de banda de 3.000 Hz. La relación Señal-Ruido es de 30 decibelios. ¿Cuál es la capacidad del canal? ¿Qué ocurre si la relación Señal-Ruido se incrementa en 2?
27. Hacer un esquema con los rendimientos de los medios de comunicación.

Actividades Finales

28. Realizar las actividades de las páginas 216 a 221 (página 126, Preguntas con respuestas múltiples).
29. En base a los Trabajos Prácticos N° 6, 7 y 8, realizar un mapa conceptual sobre los temas vertidos en los mismos.

Sección II: Respuestas Desarrolladas

1. Amplitud, Período y Frecuencia

Amplitud

La amplitud de una señal en un gráfico es el valor de la señal en cualquier punto de la onda. Es igual a la distancia vertical desde cualquier punto de la onda hasta el eje horizontal. La máxima amplitud de una onda seno es igual al valor más alto que puede alcanzar sobre el eje vertical.

La amplitud se mide en voltios, amperios o vatios, dependiendo del tipo de señal. Los voltios indican el voltaje, los amperios indican la corriente eléctrica y los vatios indican la potencia.

Período y Frecuencia

El Período se refiere a la cantidad de tiempo, en segundos, que necesita una señal para completar un ciclo. La Frecuencia indica el número de períodos en un segundo. La frecuencia de una señal es su número de ciclos por segundo.

3. Definición de Medios No Guiados

Se los llama medios no guiados porque transportan ondas electromagnéticas sin usar un conductor físico. En su lugar, las señales se radian a través del aire.

4. Siglas y Significado de Frecuencias

5. Tipos de Propagación para Medios No Guiados

Los tipos de propagación son:

1. Propagación en superficie.
2. Propagación troposférica.
3. Propagación ionosférica.
4. Propagación por visión directa (Línea de Visión).
5. Propagación por el espacio (Vía Satélite).

6. Tropósfera e Ionósfera

• Tropósfera: Es la porción de la atmósfera que se extiende hasta aproximadamente 45 Km desde la superficie de la Tierra.
• Ionósfera: Es la capa de la atmósfera por encima de la tropósfera pero por debajo del espacio. Contiene partículas libres cargadas eléctricamente (de ahí su nombre).

7. Características de los Tipos de Propagación

• Propagación en superficie: Las ondas de radio viajan a través de la porción más baja de la atmósfera, abrazando a la Tierra. La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua del mar.
• Propagación troposférica: Puede actuar de dos formas. O bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa). El primer método necesita que la situación del receptor y el transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la Tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores.
• Propagación ionosférica: Las ondas de radio de más alta frecuencia se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia la Tierra.
• Propagación por visión directa: Se transmiten señales de muy alta frecuencia directamente de antena a antena siguiendo una línea recta. Las antenas deben estar enfrentadas entre sí, y o bien están suficientemente altas o suficientemente juntas para no verse afectadas por la curvatura de la Tierra. Este tipo de propagación es compleja porque las transmisiones de radio no se pueden enfocar completamente.
• Propagación por el espacio: Utiliza satélites como retransmisores en lugar de refracción atmosférica. Una señal radiada es recibida por un satélite situado en órbita, que la reenvía a la Tierra para el receptor adecuado.

8. Relación entre Propagación y Frecuencia

El tipo de propagación que se usa en la radiotransmisión depende de la frecuencia de la señal. Cada frecuencia es adecuada para una capa específica de la atmósfera y es más eficiente si se transmite y se envía con tecnologías adaptadas a esa capa.

• Tipo de Propagación: La transmisión de ondas de radio utiliza 5 tipos de propagación: Superficie, Tropósfera, Ionósfera, Línea de Visión y Espacio. La tecnología de radio considera que la Tierra está rodeada por dos capas de atmósfera: la Tropósfera y la Ionósfera.
• Frecuencia de una señal: Mientras la frecuencia de una señal es independiente del medio, la longitud de onda depende tanto de la frecuencia como del medio.

10. Características de las Microondas Terrestres

Las microondas terrestres no siguen la curvatura de la Tierra y, por tanto, necesitan equipo de transmisión y recepción por visión directa. Las señales de microondas se propagan en una dirección concreta, lo que significa que se requieren dos frecuencias para una comunicación en dos sentidos (por ejemplo, una conversación telefónica). Una frecuencia se reserva para la transmisión por microondas en una dirección y la otra para la transmisión en la otra. Cada frecuencia necesita su emisor y receptor.

11. Elemento para Incrementar la Distancia de Alcance

Para conexiones a larga distancia, se utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas (repetidores o retransmisores). Se suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas, ya que se necesitan menos repetidores y amplificadores, aunque se necesitan antenas alineadas. Se usan para transmisión de televisión y voz.

12. Antenas Utilizadas en Microondas Terrestres

La antena utilizada generalmente en las microondas es la de tipo parabólico. El tamaño típico es de un diámetro de unos 3 metros. La antena es fijada rígidamente y transmite un haz estrecho que debe estar perfectamente enfocado hacia la antena receptora.

Estas antenas de microondas se deben ubicar a una altura considerable sobre el nivel del suelo, con el fin de conseguir las mayores separaciones posibles entre ellas y poder superar posibles obstáculos. Sin obstáculos intermedios, la distancia máxima entre antenas es de aproximadamente 150 km, con antenas repetidoras. Esta distancia se puede extender si se aprovecha la característica de curvatura de la Tierra, por medio de la cual las microondas se desvían o refractan en la atmósfera terrestre.

14. Características de las Comunicaciones Vía Satélite

Las transmisiones vía satélite se parecen mucho a las transmisiones con microondas por visión directa, en la que las estaciones son satélites que están orbitando la Tierra. El principio es el mismo que con las microondas terrestres, excepto que hay un satélite actuando como una antena súper alta y como repetidor. Las señales vía satélite viajan en línea recta.

15. Satélite Geosincrónico

Para asegurar una comunicación constante, el satélite debe moverse a la misma velocidad que la Tierra de forma que parezca que está fijo en un cierto punto. Se encuentra aproximadamente a 36.000 Km de la Tierra.

16. Satélites Mínimos para Cobertura Global

Se necesita un mínimo de 3 satélites para cubrir toda la Tierra, ya que uno solo no podría proporcionar cobertura global.

17. Células y MTSO en Telefonía Celular

Cada célula contiene una antena y está controlada por una pequeña central, llamada central de célula. El tamaño de la célula no es fijo y puede ser mayor o menor dependiendo de la población del área. El radio típico de una célula está entre 2 y 20 Km.

MTSO (Mobile Telephone Switching Office): Es un centro computarizado que es responsable de conectar las llamadas y de grabar información sobre la llamada y la facturación. (Esquema: Consultar figura 7.36, página 119).

20. Deterioros de la Señal en las Comunicaciones

Los principales deterioros de la señal son:

• Atenuación: Significa pérdida de energía. Cuando una señal, simple o compleja, viaja a través de un medio, pierde algo de energía para vencer la resistencia del medio.
• Distorsión: Significa que la señal cambia su forma de onda. La distorsión ocurre en una señal compuesta, formada por distintas frecuencias.
• Ruido: Es otro problema. Hay varios tipos de ruido que pueden corromper una señal:
  • Ruido Térmico: Se debe al movimiento aleatorio de electrones en un cable, que crea una señal extra no enviada por el transmisor.
  • Ruido Inducido: Se debe a fuentes externas tales como motores y electrodomésticos.
  • Diafonía (Crosstalk): Se debe al efecto de un cable sobre otro.
  • Ruido Impulsivo: Es un pico (una señal con energía alta en un período de tiempo muy corto) que procede de líneas de potencia, iluminación, etc.

21. Medición del Decibelio (dB)

El Decibelio (dB) mide las potencias relativas de dos señales o de una señal en dos puntos distintos.

22. Medición de la Potencia de una Señal

La potencia se mide en dos puntos distintos: P1 (en el primer punto) y P2 (en el segundo punto). El valor en decibelios es negativo si una señal se ha atenuado y positivo si una señal se ha amplificado.

24. Parámetros de Prestaciones de un Medio de Transmisión

Los parámetros utilizados para medir las prestaciones son:

• Rendimiento (Throughput): Es la medida de la velocidad con que los datos pueden pasar a través de un punto.
• Velocidad de Propagación: Mide la distancia a la cual una señal de bit puede viajar a través de un medio en un segundo. La velocidad de propagación de las señales electromagnéticas depende del medio y de la frecuencia de la señal.
• Tiempo de Propagación: Mide el tiempo necesario para que una señal (o bit) viaje de un punto de un medio de transmisión a otro. El tiempo de propagación se calcula dividiendo la distancia por la velocidad de propagación:

  Tiempo de propagación = Distancia / Velocidad de Propagación

25. Fórmula de Shannon (Capacidad Máxima del Canal)

La fórmula de Shannon se utiliza para determinar la máxima tasa de datos teórica de un canal en presencia de ruido.

Fórmula:

$$C = B \log_2 (1 + S/N)$$

Variables Intervinientes:

• C: Capacidad del canal (denominada Capacidad de Shannon), medida en bits por segundo (bps).
• B: Ancho de banda del canal, medido en Hertz (Hz).
• S/N: Razón Señal/Ruido (relación de potencias, sin unidades).

Bibliografía

Preguntas 1 y 2: Forouzan (páginas 64 a 68). Pregunta 13: Comunicaciones y redes de computadoras, ejercicios resueltos (página 17). El resto de las preguntas: Libro Transmisión de datos y redes de comunicaciones, Forouzan (páginas 194 a 221).