Fund. cableado v&d capitulo 03.1

12/05/2014

Ing. Robert Andrade Troya 1

Fundamentos de Cableado de Voz y Datos

Ing. Robert Andrade Troya

2014

Capítulo 3 ‐ Agenda

Señales y cables

• Transmisión de señales• Fundamentos de señales eléctricas• Características eléctricas de los cables• Puesta a tierra• Fundamentos de teoría óptica• Teoría de los sistemas inalámbricos• Señales en redes• Señales y backbone para alto ancho de banda

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobre

Ancho de Banda Altos = Electrónica Compleja= Mejorsistema de cableado y calidad en la instalación!

Parametros de performance Critíco:

Atenuación, Return Loss, PSELFEXT, Delay Skew, PSNEXT

T / RT / R

T / R

T / R

T / R

T/ R

T / R

T / R

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Corriente ContinuaCorriente Continua

La corriente continua CC (Direct Current DC) se refiere al flujocontinuo de carga electrica a través de un conductor entre dospuntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con eltiempo. Las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.

También se dice corriente continua cuando los electrones se muevensiempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continuay va (por convenio) del polo positivo al negativo.


Corriente ContinuaCorriente Continua

En un material conductor la corriente eléctricadepende de:

‐ La intensidad del campo eléctrico (odiferencia d potencial) que mueveordenadamente las cargas eléctricas.

‐ La resistencia eléctrica del material quedificulta el paso de la corriente eléctrica

La relación entre estas tres magnitudes e conocecomo la ley de Ohm:

ε= I * R

ε= Diferencia de Potencial EléctricoVoltios (V dc)

I = Intensidad de Corriente EléctricaAmperios (A)

R = Resistencia eléctricaOhmios (Ω)

P = Potencia o Energía EléctricaP = V * I = R * I²

Watio (1W= 1J/seg)1CV = 736 W


Resistencia eléctrica (Conductores)Resistencia eléctrica (Conductores)

La resistencia eléctrica es una propiedad de todo material. Para metalesesta es muy pequeña para plásticos en muy grande. Se entiende porresistencia eléctrica a cualquier material por donde discurre unacorriente eléctrica.

R = ᵨ * (L / A)

R = Resistencia eléctrica. Ohmios (Ω)

ᵨ = Resistividad del material.

Ohmios por metro (Ω*m)L = Longitud del material. Metros (m)A = Área o sección del material.

Metros cuadrados (m²)

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorriente AlternaCorriente Alterna

Como corriente alterna CA (Alternating Current AC), se denomina a lacorriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varíancíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna máscomúnmente utilizada es la de una oscilación senoidal, puesto que seconsigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, enciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas,tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual laelectricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, lasseñales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, sontambién ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin másimportante suele ser la transmisión y recuperación de la informacióncodificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorriente AlternaCorriente Alterna

La frecuencia f es nº de ciclos por unidad de tiempo. Su unidad es el Hz (Herzio) =1 ciclo/s .

El periodo T es la inversa de la frecuencia, es el tiempo que dura un ciclo completo. T= 1/f

La tensión instantánea V esta dada por: V = VM sen wt(movimiento circular uniforme de velocidad angular w)En donde VM es el valor máximo a que llega la tensión, y w = 2π f (radianes /s)

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorriente Alterna – Inducción ElectromagnéticaCorriente Alterna – Inducción Electromagnética

La inducción electromagnética es elfenómeno que origina la producción de unafuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en unmedio o cuerpo expuesto a un campomagnético variable, o bien en un medio móvilrespecto a un campo magnético estático. Esasí que, cuando dicho cuerpo es unconductor, se produce una corriente inducida.Este fenómeno fue descubierto por MichaelFaraday en 1831, quien lo expresó indicandoque la magnitud de la tensión inducida esproporcional a la variación del flujo magnético(Ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone alcambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válidotanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se muevarespecto de él.

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A partir del estudio experimental de loscampos magnéticos en la proximidad decircuitos de diversas formas, los físicosfranceses Biot y Savart dedujeron, unaformula que permite calcular, salvodificultades matemáticas el campo de uncircuito cualquiera.

La ley de Biot‐Savart para el campo producidopor el elemento infinitesimal es:

El campo magnético en un punto P cualquiera es lasuperposición lineal de las contribuciones vectorialesdebidas a cada uno de los elementos infinitesimales decorriente, y se da como:


La ley de Ampère se puede deducir para el caso especial del campo creado por uno o más conductores paralelos.

El vector campo magnético “B” en un punto cualquiera está en el plano de la figura y es perpendicular al vector “r” que va desde el conductor al punto.


La capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una cargaeléctrica. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es elcondensador.

La capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría delcondensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del quedepende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador.Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido,mayor es la capacidad.

Donde:C es la capacidad, medida en faradios (físico experimental Michael Faraday); esta unidad esrelativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradioQ es la carga eléctrica almacenada, medida en culombiosV es la diferencia de potencial o tensión, medida en voltios

Resistencia, Inductancia, Capacitancia e ImpedanciaResistencia, Inductancia, Capacitancia e Impedancia

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La inductancia (L), es una medida de la oposición a un cambio de corriente de uninductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético, y sedefine como la relación entre el flujo magnético (Φ) y la intensidad de corrienteeléctrica (I) que circula por la bobina y el número de vueltas (N) del devanado.

La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia.

La unidad de la inductancia es el henrio (H), llamada así en honor al científico estadounidense Joseph Henry. 1 H = 1 Wb/A, donde el flujo se expresa en weber y la intensidad en amperios.

Resistencia, Inductancia, Capacitancia e ImpedanciaResistencia, Inductancia, Capacitancia e Impedancia

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreResistencia, Inductancia, Capacitancia e ImpedanciaResistencia, Inductancia, Capacitancia e Impedancia

La resistencia (R) es la Impedancia ofrecida por el material que dificulta el paso de la corriente eléctrica.

La capacitancia (C) es la Impedancia ofrecida por un condensador al paso de una corriente eléctrica.

La inductancia (L), es una medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor o bobina.

La impedancia (Z) es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, el voltaje y la propia impedancia se describen con números complejos o funciones del análisis armónico. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia.

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreResistencia, Inductancia, Capacitancia e ImpedanciaResistencia, Inductancia, Capacitancia e Impedancia

R es la parte resistiva o real de laimpedancia Z y X es la parte reactiva oimaginaria de la impedancia.

Básicamente hay dos clases o tipos dereactancias:

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorrientes Inducidas y Par TrenzadoCorrientes Inducidas y Par Trenzado

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorrientes Inducidas, Blindaje y Puesta a TierraCorrientes Inducidas, Blindaje y Puesta a Tierra

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCorrientes Inducidas, Blindaje y Puesta a TierraCorrientes Inducidas, Blindaje y Puesta a Tierra

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobrePuesta a TierraPuesta a Tierra

Podemos definir la puesta o conexión a tierracomo la conexión eléctrica directa de todas laspartes metálicas de una instalación, sin fusiblesni otros sistemas de protección, de secciónadecuada y uno o varios electrodos enterradosen el suelo, con objeto de conseguir que en elconjunto de instalaciones, edificios ysuperficies próximas al terreno, no existandiferencias de potencial peligrosas y que, almismo tiempo, permita el paso a tierra de lascorrientes de defecto o la de descarga deorigen atmosférico.

La finalidad principal de una puesta a tierra es limitar la tensión que con respecto a tierra, puedan presentar, en un momento dado, las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en los materiales eléctricos utilizados.


TX RX

2

+1

2+1

Interferencia

Transmisión no BalanceadaTransmisión no Balanceada


+E -E

+1V

-1V

+2V

Transmisor

Emisión Neta0

Los dos conductores de un par llevan la señal transmitida pero contraria:- La suma de las señales es idealmente cero con lo que no hay emisiones netas- La diferencia de las señales lleva todos los datos transmitidos

Modo Balanceado de Transmisión (Modo Diferencial)Modo Balanceado de Transmisión (Modo Diferencial)

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+N+N

+1V+N

-1V+N

+2V

Receiver

Ruido ExternoEl ruido es Rechazado

Los dos conductores de un par entregan la señal de recepción (datos más ruido):

- El diferencial (opuesta en los dos conductores) de la señal de datos se deja en el receptor- El ruido externo recolectado es idealmente el mismo en los dos conductores (cero diferencia) e ignorado por el receptor resultando en la supresión del ruido total

Modo Balanceado de Recepción (Modo Diferencial)Modo Balanceado de Recepción (Modo Diferencial)


• Transmisores y receptores "transforman" las señales de un par trenzado

• Parte de la energía se pierde en la creación de campos magnéticos en rotación

+1V

-1V

+2V

Transmisor

Señal BalanceadaSeñal Balanceada


TX

RX TX

RX

Equipo

Atenuación – A donde va la energía?Atenuación – A donde va la energía?

Equipo

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Atenuación – ¿A donde va la energía?Atenuación – ¿A donde va la energía?

La intensidad de la señal se reduce con la distancia debido a:

Calor (resistencia)

Emisión electromagnética al ambiente

La pérdida por calor es menor cuanto más grueso es el cable

La pérdida por emisión electromagnética es menor cuanto más apantallado está el cable

La atenuación aumenta con la frecuencia (pero si queremos altas velocidades hemos de utilizar altas frecuencias)


AtenuaciónAtenuación

• La atenuación se expresa en una escala logarítmica usando como base los decibelios (dB)

• Si 100 m de cable tienen una atenuación de 3 dB significa que la señal después de recorrer los 100 tiene la mitad de potencia que la señal original, ya que 10‐0,3 = ½

• En este caso 200 m de cable tendrán una atenuación de 6 dB, es decir la señal en destino será la cuarta parte de la original, puesto que 10‐0,6 = 1/4

• Con 300 m la atenuación será 9 dB, o 10‐0,9 = 1/8

• Para el ejemplo: xmetros de cable la atenuación en dB será:

Atenuación (dB) = 3*(x/100)


Probelmas de la transmisión de señales en cables metálicosProbelmas de la transmisión de señales en cables metálicos

• Desfase. Variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia.

• Interferencia electromagnética:– Externa (motores, emisiones de radio y TV, etc.). Normalmente

se evita alejando la fuente emisora– De señales paralelas: diafonía o ‘crosstalk’ (efecto de cruce de

líneas). La diafonía puede ser:• Del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk): señal

inducida en el lado del emisor• Del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk): señal

inducida en el lado receptor

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TX

RX TX

RX

Equipo Equipo

NEXT

Attenuated Received signal

NEXT ‘Crosstalk’

NEXT – Near End CrosstalkNEXT – Near End Crosstalk

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreEl cambio al modelo de 4 pares de transmisión.

• El ancho de banda de CAT5 y CAT5e fue diseñado parasoportarhasta 100Mhz de transmisión.

• La electrónica/codificación adicional puede llevar el bit rate (Mbps)más allá de 100 Mbps para, por ejemplo. ATM@ 155Mbps

• El costo y la bit error son factores limitantes en cuan lejos se puedellegar.

• Una solución es utilizar los cuatro pares de manera diferente; estopuede crear problemas adicionales para los proveedores de cable,los diseñadores de la interfaz y los instaladores por igual.

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCaracterísticas de transmisión de 4 Pares

Equipment EquipmentPatch Outlet

Attenuation

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

Power sum of NEXT ‘Crosstalk’

PSNEXT

Three Transmitters

Power sum of NEXTPower sum of NEXT

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Equipment Equipment

Patch Outlet

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

Power sum of FEXT ‘Crosstalk’

Power sum of FEXT – Far End CrosstalkPower sum of FEXT – Far End Crosstalk


ELFEXTsize of desired receive signal

size of undesired noise=

FEXT

Transmitter

ReceiverTransmitter

ELFEXT (dB) = FEXT (dB) - Attenuation (dB)

Mismo nivel de Far End Crosstalk (ELFEXT)Mismo nivel de Far End Crosstalk (ELFEXT)

ELFEXT es la relación de la señal que se desea recibir en el par de recepción con relación del ruido no deseado en el par de recepción de una señal de transmisión que viene del otro extremo del canal.ELFEXT es el equivalente de la ACR para el acoplamiento de extremo lejano


Pump StationTX RX

Pump Station

TX RX

Pump Station

Impedancia y Return LossImpedancia y Return Loss

Canal con componentes del mismo fabricanteCanal con componentes del mismo fabricante

Canal con componentes de distintos fabricantesCanal con componentes de distintos fabricantes

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Porque tener componentes de un mismo fabricante en un canal de comunicaciones

Los componentes de cada fabricante tiene una impedancia característicamedida en ohm’s

En los diagramas del slide anterior se muestra el equivalente a un canal de comunicaciones donde los elementos pertenecen a diferentes fabricantes lo quecrea un a incompatibilidad de impedancias en las interfaces a lo largo de canal lo que causa reflexiones y perdidas.

Perdidas de Retorno es la perdida asociada con estas incompatibilidades de impedancia a traves de los sistemas de transmisión.

Las pérdidas son una consideración a tener en cuenta, pero las señales de retorno cuando se usan tecnologías con transmisiones full duplex es una de lasque se deben considerar mas detalladamente.


Equipo Equipo

Patch Outlet

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

RL RL

Transmit

Receive

Señalrecibida??

Impedancia and Return LossImpedancia and Return Loss


Equipment EquipmentPatch Outlet

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

Skew

Delay

Delay Delay

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreCaracterísticas eléctricas de los cables

Cables adyacentes de pares trenzados localizados dentro de un rango de energía los hace vulnerables a efectos del Alien Crosstalk ‐ hablan el unocon el otro

Cuando se transmiteseñal pequeñascantidades de energía se pierden por el trenzadodel cable.

Crosstalk (NEXT, PSNEXT) dentro de la chaqueta del cable es controlada a traves de parametros compleos y trenzado controlado; cada par de conductores tiene diferente trenzado– ellos no hablan el mismo lenguaje.

Strength diminishes with

distance


• Alien crosstalk es el acoplamiento no deseado de la energía de los canales adyacentes.

• 10GBASE‐T incluye requerimientos de Power sum Alien Crosstalk• Alien crosstalk occurre en cables and conectores & no puedecancelarse por electrónica.

Alien CrosstalkAlien Crosstalk


Alien CrosstalkAlien Crosstalk

• Dos fenomenos principales de Alien Crosstalk

– Alien ELFEXT (AELFEXT): ocurre entre dos canales cortos o largos adyacentes.

– Alien NEXT (ANEXT): ocurre entre 2 canales adyacentes

‐ Solo es significante en los primeros 15 m desde el equipo

Rx Tx

Tx

ANEXT AELFEXT

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreRendimiento

DATAdB

Frequency (MHz)

• Buen Margen de‘headroom’

• Bajo Bit Error Rates

•Rendimiento más rápido

• Calidad del Video

Headroom – no todos los sistemas son los mismosHeadroom – no todos los sistemas son los mismos


Trenzado largos- Comparten Espacio

Trenzado Cortos (apretados)- Incrementar la separación de los pares- Disminución de la distorción Helix

Efectos de Trenzado muy ajustadoEfectos de Trenzado muy ajustado

Ventajas:

- Mejora el rendimiento de Crosstalk (Aproximación Eficiente) - Simplifica el proceso de terminación- (Un par en lugar de un un conductor al tiempo


DATAdB

Frequency (MHz)

• Pobre margen de ‘headroom’

• Altos Bit Error Rates

•Rendimiento Lento

• Calidad de Video muy pobre

• Posibles fallos de pruebas

•Respuesta lenta

• Posiblemente las aplicaciones se cuelguen.

• Posibles fallas de canal

Sistema de Cableado pobre desde el punto de vista de diseño e instalaciónSistema de Cableado pobre desde el punto de vista de diseño e instalación

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobre¿Qué esperar cuando la capa física es instalada?

• Sistema de Cableado Estructurado de la mejor calidad posible

– El performance publicado en brochures, es el performance garantizado?

– Performance verificado por labs externos

– El sistema soporta y garantiza mis aplicaciones?

– Garantía provista y entregada por el fabricante

• Instalado por una compañía reconocida y certificada

– Preguntar por el programa de certificación de los instaladores

– Lista de instaladores certificados (ej. Listado online)

• Certificar la instalación con un certificador de precisión

– Certificar que no hay ningún problema ‘escondido’ en la capa física

– Pedir los reportes de certificación

– Leer y entender los resultados de los reportes

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobre¿Qué esperar de un buen resultado?

• Pass, Pass*, Fail*, Fail

• El performance cumple o excede con lo publicado por el fabricante?

• Canal o Enlace Permanente?


Crosstalk o RuidoCrosstalk o Ruido

• Crosstalk

– Electrones que se “pierden” o se transfieren al par adyacente

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Crosstalk o RuidoCrosstalk o Ruido

La carretera no esta nivelada ylos electrones “saltan” a otro carril!


Crosstalk

Ruido en el Extremo Cercano (NEXT = Near End Crosstalk)

Crosstalk

Ruido en el Extremo Cercano (NEXT = Near End Crosstalk)

Electrones “perdidos” vuelven al comienzo en un par diferente


CrosstalkRuido en el Extremo Lejano (FEXT = Far End Crosstalk

CrosstalkRuido en el Extremo Lejano (FEXT = Far End Crosstalk

Electrones “perdidos” continúan hacia el extremo lejano en un par diferente

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Pérdida por retorno ((Return Loss)Pérdida por retorno ((Return Loss)

Tx

Rx

Rx

Tx

Return loss = Energía transmitida que se refleja de vuelta a la fuente


Pérdida por retorno ((Return Loss)Pérdida por retorno ((Return Loss)

Pueden haber obstrucciones en la carretera que causan que los electrones reboten de vuelta

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobrePunto de Datos en Sistema de Cableado Estructurado

Opciones para pruebas del sistema 1 de 2:Enlace Permanente = Cableado Horizontal (fijo)

Opciones para pruebas del sistema 1 de 2:Enlace Permanente = Cableado Horizontal (fijo)

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Transmisiones Básicas de Señales sobre cobrePunto de Datos en Sistema de Cableado Estructurado

Opciones para pruebas del sistema, 2 de 2:Canal Completo = Enlace Permanente + Cordones de Pacheo

Opciones para pruebas del sistema, 2 de 2:Canal Completo = Enlace Permanente + Cordones de Pacheo

Transmisiones Básicas de Señales sobre cobreRendimiento & Pruebas de Certificación

• Los dos "Fallas de rendimiento" primarios en un sistema de cableado de alto rendimiento son causadas por:

–Return Loss (RL)

–Near End Cross Talk (NEXT)


* Pérdida de retorno mide la energía de la señal reflejada causada por anomalías de impedancia y desajustes en el enlace de cableado

• Causes of RL include:

– Patch cord impedance not 100

– Untwist at termination – original twist should be maintained

as much as possible

– Kinks in the cable, very tight tie wraps

– Bad connectors

– Cable impedance is not uniform

– Cable is not 100

– Use of 120 cable SCS Manufacture

SCS Manufacture

SCS Installer

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*

• El Near End Crosstalk (NEXT) es la diafonía entre dos pares trenzados medidos en el mismo extremo del cable como fuente de señal perturbadora.

• Causes of NEXT include:

– Poorly matched plug/jack combinations

– Poor quality patch cables

– Bad connectors

– Bad cable

– Untwisting of wire‐pairs at connection points

– Split pairs

– Excessive compression caused by plastic cable ties

– Excessive noise source adjacent to measured cabling link

SCS Manufacture

Site

SCS Installer

Fund. cableado v&d capitulo 03.1

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