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1 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Medios físicos de transmisión de datos Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia.

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2 1 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Medios físicos de transmisión de datos Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia

3 2 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Sumario Generalidades Cables de cobre Fibra óptica

4 3 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Medios físicos de transmisión de la información Medios guiados (Ondas electromagnéticas) –Cables metálicos (normalmente de cobre) Coaxiales De pares trenzados (apantallados o sin apantallar) –Cables de fibra óptica Multimodo (para distancias cortas) Monomodo (para distancias grandes o altas velocidades) Medios no guiados (también Ondas electromagnéticas) –Enlaces vía radio (microondas) –Enlaces vía satélite (microondas)

5 4 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas MedioVelocidad (Km/s) Vacío o aire Cobre (aprox.) Fibra Óptica (aprox.) La velocidad de propagación de las ondas en los cables impone un retardo en la transmisión de la información; a esto hay que añadir el retardo que introducen los equipos.

6 5 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra vs cobre Se recomienda utilizar fibra cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: –Se conectan edificios diferentes (el cobre da problemas por las tormentas y la posible diferencia de potencial entre tierras) –Se prevé utilizar velocidades superiores a 1 Gb/s (valorar en ese caso el uso de fibras monomodo) –Se quiere cubrir distancias de más de 100 m –Se requiere máxima seguridad frente a intrusos (la fibra no puede pincharse) –Se atraviesan atmósferas corrosivas –Se corre el riesgo de tener fuerte interferencia electromagnética Si no se da ninguna de estas es preferible utilizar cobre, ya que las interfaces son más baratas

7 6 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Sumario Generalidades Cables de cobre Fibra óptica

8 7 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Tipos de cables de cobre Los cables más utilizados son: Cables de pares trenzados: UTP (Unshielded Twisted Pair). Es el más utilizado STP (Shielded Twisted Pair) Cables coaxiales

9 8 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Cable coaxial Desde el punto de vista de la transmisión de datos el cable coaxial es el mejor, ya que es el que tiene menor atenuación y sufre menos interferencia. Esto significa que puede transmitir más datos a mayor distancia. Sin embargo su mayor costo hace que su uso haya disminuido, prefiriéndose el UTP o el STP para distancias cortas, y la fibra óptica para distancias largas Actualmente se utiliza en redes de televisión por cable (CATV) y en enlaces de corta distancia para algunas redes de alta velocidad

10 9 Universidad de Valencia Rogelio Montañana

11 10 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Cable de pares trenzados Es la base del bucle de abonado del sistema telefónico, y también del ADSL. También se utiliza en todas las redes locales actuales Los hilos que forman cada par van trenzados (twisted) para minimizar interferencias No son adecuados para largas distancias por su atenuación Según el apantallamiento pueden ser: –UTP (Unshielded Twisted Pair), sin apantallamiento –STP (Shielded Twisted Pair), con apantallamiento –FTP o ScTP (Foil Twisted Pair o Screened Twisted Pair)

12 11 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Vista transversal de un cable UTP-5 de cuatro pares Alambre de cobre AWG 24 ( 0,51 mm) Cubierta hecha con material aislante Aislante de cada conductor

13 12 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Vista longitudinal de un cable STP de cuatro pares Alambre de cobre AWG 23 ( 0,57 mm)

14 13 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Atenuación de las señales en cables metálicos 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)

15 14 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico (servicio ADSL) 3,7 Km 5,5 Km Frecuencia (KHz) Atenuación (dB)

16 15 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Atenuación 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 x metros de cable la atenuación en dB será: Atenuación (dB) = 3*(x/100)

17 16 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Problemas 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

18 17 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Diafonía o Crosstalk La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones La señal eléctrica transmitida por un par induce corrientes en pares vecinos

19 18 Universidad de Valencia Rogelio Montañana El NEXT lo produce la señal inducida que vuelve y es percibida en el lado del emisor NEXT (Near end Crosstalk)

20 19 Universidad de Valencia Rogelio Montañana El FEXT lo produce la señal inducida que es percibida en el lado receptor. Es mas débil que el NEXT FEXT (Far end crosstalk)

21 20 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Componentes del Crosstalk: FEXT y NEXT Tanto el NEXT como el FEXT aumentan con la frecuencia. El NEXT es más fuerte que el FEXT porque la intensidad de la señal inducida en el extremo cercano es mayor (la señal es más intensa al principio) Si se usa una frecuencia distinta en cada sentido (p. ej.: ADSL) el NEXT no es problema (el FEXT sí)

22 21 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Señal: la señal (atenuada) que nos llega del emisor Ruido = el NEXT, principalmente (la interferencia externa la consideramos despreciable) Transmisor (Salida) Receptor (Entrada) Ordenador Conmutador LAN Señal NEXT Señal Transmisión de una señal en un latiguillo UTP Ethernet La relación señal/ruido Receptor (Entrada) Transmisor (Salida)

23 22 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Transmit (salida) Receive (entrada) Ordenador Transmit (salida) Receive (entrada) Conmutador LAN Señal (de A a B) Señal (de B a A) ¡Observar aquí y aquí! NEXT (A) NEXT (B) Necesitamos mas señal (electrones azules y morados) que NEXT (electrones grises) A B

24 23 Universidad de Valencia Rogelio Montañana ACR (Attenuation-Crosstalk Ratio) Para un cable dado cuando la frecuencia aumenta: –La intensidad de la señal disminuye debido al aumento de la atenuación –El ruido aumenta debido a la diafonía (principalmente al NEXT) El cociente diafonía/atenuación (equivalente a la relación señal/ruido) se denomina ACR (Atenuation-Crosstalk Ratio). Al expresar la diafonía y la atenuación en dB el ACR se puede calcular como: ACR = Diafonía – Atenuación El ACR refleja el margen de seguridad de un cable para una frecuencia dada. También se le denomina rango dinámico Conforme aumenta la frecuencia el ACR disminuye, hasta que llega a valer 0. Un ACR = 0 significa que Diafonía = Atenuación La frecuencia a la que ACR=0 fija el ancho de banda de un cable y es la máxima frecuencia a la que debe utilizarse

25 24 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Atenuación Diafonía (Crosstalk) Rango dinámico o ACR Frecuencia (MHz) Intensidad de la señal (dB) 0 Ancho de banda ACR=0 dB Atenuación, Diafonía y ACR

26 25 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Valores de diafonía, atenuación y ACR para el cable UTP Nokia UC300 comparados con los de la Cat. 5 (Diafonía)

27 26 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Frecuencia (MHz) dB Atenuación Cat. 6 Atenuación Cat. 5 Diafonía Cat. 6 Diafonía Cat. 5 Atenuación y diafonía en función de la frecuencia para las categorías 5 y 6

28 27 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Cableado estructurado 1/1/1984: AT&T pierde en un juicio histórico el monopolio de las telecomunicaciones en USA. Repentinamente las empresas son dueñas de su red de telefonía interior : aparecen los primeros sistemas de cableado integrado. Las LANs pasan de usar cable coaxial al cable de pares 1991: aparece la primera versión de los estándares de cableado estructurado: EIA/TIA 568 e ISO/IEC Ambos son muy similares, aunque difieren en algunos detalles, especialmente en nomenclatura.

29 28 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Normativas de cableado estructurado Las normativas de cableado estructurado establecen pautas homologadas para la instalación de infraestructura de cableado de redes datos en edificios. Se prevén cables de cobre y de fibra óptica Hay una normativa europea y una americana: –Europea: ISO/IEC –Americana: EIA/TIA 568 Normalmente se intenta en lo posible que las instalaciones cumplan ambos estándares

30 29 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Categorías/clases del cable de pares En los estándares de cableado estructurado los cables de pares se clasifican en una serie de categorías (3, 4, 5, …) o clases (C, D, E, …) según la frecuencia máxima para la que está prevista su utilización A una mayor frecuencia corresponde una mayor capacidad de enviar datos Gradualmente se ha ido aumentando la frecuencia máxima de los cables y han ido apareciendo categorías/clases superiores en nuevas versiones del estándar El aumento en la categoría/clase va acompañado de: –Mayor sección del cobre –Trenzado más denso (mas vueltas por metro) –Cambios en el material aislante –Mayor control de la geometría del cable (separadores entre pares) –Apantallamiento (en los casos extremos)

31 30 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Categorías de cables de cobre en cableado estructurado CategoríaClaseTipoFrec. Máx. (MHz) Uso habitual (1)AUTP0,1Bucle de abonado (2)BUTP1Token Ring 4 Mb/s 3CUTP1610 Mb Ethernet 4UTP20Token Ring 16 Mb 5DUTP Mb Ethernet 5e (enhanced)DUTP100Gigabit Ethernet 6EUTP25010 Gb Ethernet (55 m) 6a (augmented)EAEA UTP50010 Gb Ethernet (100 m) 7FSTP600¿40/100 Gb Ethernet? 7a (augmented)FAFA STP1000

32 31 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Armario (o rack) de comunicaciones de 19 Latiguillo de conexión Enlace básico (máx. 90 m) Enlace de canal = enlace básico + latiguillos máx. 100 m Roseta Latiguillo de parcheo Conmutador LAN Panel de conexión o patch panel Cableado estructurado: esquema de un enlace de cableado horizontal

33 32 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Sumario Generalidades Cables de cobre Fibra óptica

34 33 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Hitos de la fibra óptica 1950s: Invención del LASER. Fundamental para conseguir alcances elevados y velocidades elevadas 1970s: Fibra óptica de baja atenuación. Imprescindible para conseguir alcances elevados 1980s: Amplificador de fibra óptica. Permite llegar a grandes distancias sin tener que regenerar la señal 1990s: Rejillas de Bragg en fibra. Reducen el costo de los dispositivos que separan diferentes longitudes de onda

35 34 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Velocidad de la luz La velocidad de la luz en el vacío es la constante universal c ( ,458 Km/s). En cualquier otro medio la luz va más despacio. Generalmente cuanto más denso el medio menor la velocidad. MedioVelocidad (Km/s) Vacío Aire Agua Vidrio (aprox.) Diamante

36 35 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Índice de refracción El índice de refracción de un material es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (constante c) y la velocidad en ese material. Se representa por n. No tiene unidades y siempre es igual o mayor que 1. MaterialVelocidad (Km/s)n Vacío Aire ,0003 Agua ,33 Vidrio (aprox.)1,46 Diamante ,42 En el caso del vidrio eligiendo la composición se puede variar ligeramente la densidad y por tanto el índice de refracción.

37 36 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Refracción de la luz Cuando un haz de luz pasa de un material a otro de distinto índice de refracción el haz se dobla. El ángulo de desviación depende de la relación entre el índice de refracción de ambos materiales. A partir de un cierto ángulo el haz se refleja en la superficie de separación, como si ésta fuera un espejo. Este se conoce como el ángulo crítico. El ángulo crítico es mayor cuanto menor es la diferencia en el índice de refracción de ambos materiales Ángulo crítico Refracción ordinaria Reflexión total Ángulo menor que el ángulo crítico Ángulo mayor que el ángulo crítico Vidrio n=1,46 Agua n=1,33 Vidrio Agua Vidrio Agua 66º

38 37 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra Multimodo (MMF) Cubierta 125 m Núcleo 50 ó 62,5 m Estructura y transmisión de la luz en la fibra óptica multimodo Pulso entrante Pulso saliente SiO 2 GeO 2 Estos haces no rebotan y se pierden porque su ángulo es menor que el ángulo crítico + Angulo crítico: 85º (aprox.) LED de luz normal El núcleo se dopa con 4-10% de GeO 2 para aumentar su densidad y con ello su índice de refracción

39 38 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Propagación de la luz en f.o. multimodo En fibra multimodo la luz se propaga en forma de haces, llamados modos, que se transmiten rebotando en la separación entre el núcleo y la cubierta. La distancia entre rebotes ha de ser un número entero de longitudes de onda, esto produce que el número de modos sea bastante reducido

40 39 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Pérdida de luz por un doblez en la fibra Pérdida de luz por una irregularidad en la fibra Propagación de la luz en f.o. multimodo En caso de dobleces excesivos o irregularidades de la fibra algunos modos incidirán con un ángulo inferior al crítico y se perderán:

41 40 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra Monomodo (SMF) Núcleo 8-10 m (SiO 2 +GeO 2 ) Cubierta 125 m Estructura y transmisión de la luz en la fibra óptica monomodo SiO 2 Pulso entrante Pulso saliente LED de luz láser

42 41 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Propagación de la luz en f.o. monomodo En la fibra monomodo el diámetro es tan pequeño que el núcleo se comporta como una guía de ondas. Podemos imaginar que el haz tiene el mismo diámetro que el núcleo y viaja por él como si fuera un pistón. En realidad en la fibra monomodo una parte de la luz viaja por la cubierta:

43 42 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Índice de refracción de la fibra monomodo Corning SMF-28 0,36% Núcleo Estructura de una fibra óptica monomodo El GeO 2 aumenta la atenuación de la fibra. Por eso se intenta poner tan poco dopante como sea posible. Esto provoca que la diferencia de índice de refracción entre el núcleo y la cubierta sea muy pequeña, sobre todo en fibras monomodo. Por consiguiente el ángulo crítico es muy grande, es decir la luz que viaja por el núcleo ha de incidir en las paredes de forma muy oblicua para que rebote. Si la fibra se dobla mucho el haz no rebota, se escapa y la atenuación aumenta. Por eso la instalación de fibra tiene unos requerimientos estirctos en el radio de curvatura n=1,4682 (1550 nm) n=1,4629 (1550 nm)

44 43 Universidad de Valencia Rogelio Montañana PCOF (Primary Coated Optical Fibre) SCOF (Secondary Coated Optical Fibre) Cable de una sola fibra Estructura de un cable de fibra óptica

45 44 Universidad de Valencia Rogelio Montañana 1.Soporte central dieléctrico 2.Fibras ópticas (de 32 hasta 224) 3.Tubos de protección holgada de las fibras taponados con gel antihumedad 4.Cintas de protección y sujeción del núcleo óptico 5.Tubo de aluminio estanco 6.Armadura de hilos de acero-aluminio Cable de fibra para tendidos eléctricos Usado como cable de tierra 1.Soporte central dieléctrico 2.Fibras ópticas (de 32 hasta 224) 3.Protección holgada taponada con gel antihumedad 4.Cintas de protección y sujeción del núcleo óptico 5.Cubierta termoplástica interior 6.Refuerzo compuesto por hilados de aramida 7.Cubierta termoplástica exterior Cable de fibra aéreo Resiste disparos de cazadores a 20m Mangueras de fibra óptica aéreas

46 45 Universidad de Valencia Rogelio Montañana SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CABLE SUBMARINO 1.Polietileno 2.Cinta Mylar 3.Cables de acero Stranded 4.Barrera de aluminio protectora del agua 5.Policarbonato 6.Tubo de cobre o de aluminio 7.Gelatina de petróleo 8.Fibras ópticas Barco utilizado para tender cable submarino Fibras submarinas en el mundo Fibra óptica submarina

47 46 Universidad de Valencia Rogelio Montañana 1ª ventana Absorción producida por el ión hidroxilo, OH - (Pico de agua) Luz visible Longitud de onda, (nm) Atenuación (dB/Km) 2,5 2,0 1,0 1,5 0, Luz infrarroja Atenuación de la fibra óptica 0 Láser CD-ROM 3,0 Fibra multimodo Fibra monomodo Pérdida debida a la dispersión intrínseca 2ª v Banda O (Original) 3ª v Banda C (Conventional) 4ª v Banda L (Long) Banda E (Extended) Banda S (Short) Banda U (Ultra-long)

48 47 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Corning SMF-28Corning SMF-28e (enhanced) Fibras sin pico de agua Fibra monomodo normalFibra monomodo LWP Al mejorar los procesos de fabricación de la fibra el pico de agua a 1383 nm se ha atenuado bastante en los últimos años. Actualmente se fabrican fibras que casi no tienen pico de agua, se llaman fibras ZWPF (Zero Water Peak Fiber) o LWP (Low Water Peak). O E SCL OE S C L

49 48 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Ventanas o bandas de la Fibra Óptica VentanaBanda (ITU-T) (nm) Atenuac. típica (dB/Km) Alcance (Km) Costo opto- electrónica Tipo fibra Aplicaciones 1ª (años 70) ,52BajoMM10M/Gb/10Gb Eth 2ª (años 80) O , MedioMM y SM100M/Gb/10Gb Eth, SONET/SDH, CWDM (años 00)E ,31 (LWP) 100AltoSMCWDM (años 00)S ,25100AltoSMCWDM 3ª (años 90) C ,2160AltoSM10Gb Eth, DWDM, CWDM 4ª (años 00) L ,22160AltoSMDWDM, CWDM (años 00)U SM

50 49 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Tipo de emisorLED normalLED Láser Ancho de banda espectral nm0,5 – 5 nm Potencia0,1 mW20 – 3200 mW Velocidad máx Mb/s10-40 Gb/s Tipo de fibraMMMM o SM Ventana1ª y 2ª1ª, 2ª, 3ª y 4ª, Banda E y S Alcance max.2 Km160 Km Emisores Ópticos Como fuente de luz se emplean LEDs (Light Emitting Diode) por su rapidez y bajo consumo. Los LEDs pueden ser de dos tipos: –LED de luz normal, no coherente: se utilizan en aplicaciones de corto alcance y baja velocidad (600 Mb/s o menos). Son muy baratos. Solo se emplean en fibra multimodo. –LED de luz láser, coherente: son más caros pero permiten alcances y velocidades mayores. Se emplean en fibra multimodo y monomodo. Luz normal Luz láser

51 50 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Atenuación La F.O. moderna tiene una atenuación de 0,15 dB/Km. Esto significa que la señal se debilita a la mitad cada 20 Km. Si la señal que llega al receptor es muy débil la relación señal/ruido es baja, el receptor no detecta correctamente los bits y la tasa de error aumentar Para aumentar la intensidad de la señal se pueden instalar amplificadores intermedios (uno cada Km dependiendo del tipo de fibra y la señal transmitida)

52 51 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Conversor Electroóptico Transmisor Eléctrico (Tx e ) Transmisor Óptico (Tx o ) Flujo de bits entrante Fibra óptica Conversor Electroóptico Receptor Eléctrico (Rx e ) Receptor Óptico (Rx o ) Flujo de bits saliente Esquema de un enlace de fibra óptica simplex sin repetidores Según la distancia es posible que haya que utilizar amplificadores

53 52 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Amplificadores y Repetidores Los amplificadores realizan la función Restore, es decir aumentan la intensidad de la señal, pero no suprimen el ruido ni corrigen los defectos. Decimos que son dispositivos 1R Cada amplificador distorsiona un poco la señal. Si ésta pasa por muchos amplificadores llega a ser indescifrable. Para evitarlo hay que poner de vez en cuando un Repetidor, que es un dispositivo 3R: –Restore: restaura la intensidad inicial –Reshape: corrige las distorsiones en la forma –Resynchronize: corrige las desviaciones de reloj (sincronismo) Dependiendo del tipo de señal hay que colocar un repetidor cada amplificadores (cada – Km)

54 53 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Diferencia entre repetidor y amplificador Proceso 3R de un Repetidor: Bit Pulso original Pulso llegado al repetidor 1R: Restore2R: Reshape3R: Resynchronize. Pulso enviado por el repetidor Proceso 1R de un Amplificador: Pulso original Pulso llegado al amplificador 1R: Restore. El ruido se acumula Bit El repetidor tiene que saber la velocidad de la señal que recibe, para regenerar pulsos de la misma duración. El amplificador no porque solo maneja la señal a nivel analógico.

55 54 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Flujo de bits entrante Flujo de bits saliente Flujo de bits saliente Flujo de bits entrante f.o. Esquema de un enlace de fibra óptica full-dúplex con un repetidor Repetidor Tx o Rx e Tx e Rx o Tx o Rx e Tx e Rx o Tx o Rx e Tx e Rx o Tx o Rx e Tx e Rx o Rg Tx e : Transmisor eléctrico Tx o : Transmisor óptico Rx e : Receptor eléctrico Rx o : Receptor óptico Rg: Regenerador de la señal

56 55 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra multimodo Solo se utiliza en LANs, nunca en largas distancias. El alcance máximo es de 2 Km, pero a altas velocidades es menor (500 m a 1 Gb/s, 300 m a 10 Gb/s) Es ligeramente más cara que la fibra monomodo, pero la optoelectrónica es mas barata. Se utiliza en 850 y 1310 nm (1ª y 2ª Vent.) En cableado estructurado (norma ISO 11801) se distinguen tres tipos de fibra multimodo: OM1, OM2 y OM3. Estas difieren en el ancho de banda modal (lo vemos luego)

57 56 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Dispersión Cuando un pulso de luz se transmite por fibra óptica no conserva su forma original, siempre se ensancha un poco: t t Fibra 10 Km A este efecto lo llamamos dispersión. La dispersión es proporcional a: La longitud del enlace de fibra, y a La frecuencia de los pulsos, es decir la velocidad en bits/s t t Fibra 20 Km Al duplicar la longitud del enlace el efecto de la dispersión se duplica Con pulsos demasiado solapados hay riesgo de errores

58 57 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Dispersión Si el ensanchamiento es excesivo los pulsos consecutivos se solapan, pudiendo llegar a producirse errores en el receptor. El efecto de la dispersión es mayor cuanto mayor es la longitud del enlace de fibra y cuanto más cortos son los pulsos, es decir cuanto mayor es la velocidad de transmisión Actualmente la dispersión es la mayoría de las veces el factor limitante de la capacidad de transmisión de la fibra óptica Hay diversos tipos de dispersión. Los más importantes son: –En fibra multimodo la dispersión modal –En fibra monomodo la dispersión cromática

59 58 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Dispersión modal Se debe a que los haces de luz (modos) por medio de los cuales se propaga el pulso no recorren todos exactamente la misma distancia Solo ocurre en la fibra multimodo, ya que en la monomodo solo hay un haz Pulsos entrantes Pulsos salientes El ensanchamiento es directamente proporcional a la distancia y a la velocidad. Por tanto podemos mantener una dispersión constante si aumentamos una reduciendo la otra proporcionalmente. Se produce la misma dispersión en un enlace de 2 Km a 100 Mb/s que en uno de 200 m a 1 Gb/s Haz largo Haz corto

60 59 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra multimodo de índice gradual La dispersión modal en la fibra multimodo puede reducirse haciendo que el índice de refracción cambie de forma gradual al pasar del núcleo a la cubierta. De esta forma los modos tienden a seguir un camino más parecido Esto reduce la dispersión modal y aumenta el alcance a altas velocidades. Pero para ello los procesos de fabricación han de estar muy controlados

61 60 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Ancho de banda modal Para comparar el comportamiento de diferentes fibras ante la dispersión modal se utiliza un parámetro denominado ancho de banda modal (modal bandwidth) que se expresa en MHz*Km. Aunque la frecuencia de la señal (en MHz) no coincide con la velocidad (en Mb/s) para cálculos aproximados se pueden considerar equivalentes. P. ej. una fibra con ancho de banda modal de 500 MHz*Km nos permitiría transmitir (aproximadamente): –250 Mb/s a 2 Km, ó –500 Mb/s a 1 Km, ó –1 Gb/s a 500 m

62 61 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Alcance de fibra multimodo en 1ª ventana en función del ancho de banda en Gigabit y 10 Gigabit Ethernet NúcleoAncho de banda modal (MHz*Km) a 850 nm Estándar ISO Alcance 1000BASE-S Alcance 10GBASE-S 62,5 µm160 (1) Sí220 m26 m 200Sí (OM1)275 m33 m 50 µm 400Sí500 m66 m 500 (2) Sí (OM2)550 m82 m 950No750 m150 m 2000 (3) Sí (OM3)1000 m300 m 4700No1100 m550 m (1) Referida como fibra Calidad FDDI (2) Referida como fibra Calidad Fibre Channel (3) Referida como fibra Calidad 10 Gigabit Ethernet

63 62 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Alcance de la fibra multimodo a 1 y 10 Gb/s en función del ancho de banda 200 Distancia (m) Ancho de Banda Modal a 850 nm (MHz*Km) 1000BASE-S 10GBASE-S Alcance teórico para 1,25 GHz Alcance teórico para 10,3125 GHz

64 63 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Factores que limitan el rendimiento de la F.O. monomodo Atenuación. Pérdida de intensidad de la señal con la distancia. El uso de amplificadores reduce el problema pero los amplificadores también amplifican el ruido. Se mide en dB/Km. Dispersión cromática: se produce por las diferencias en la velocidad de propagación de la luz a distintas longitudes de onda. Se mide en ps/nm/Km Dispersión de Modo Polarización (PMD): las imperfecciones del núcleo provocan que diferentes polarizaciones de la misma longitud de onda viajen a diferente velocidad. Su efecto suele ser importante a partir de 5 Gb/s. Se mide en ps/Km.

65 64 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Dispersión cromática La luz emitida en la fibra óptica monomodo, incluso siendo de una fuente láser, no tiene toda exactamente la misma longitud de onda. La anchura de banda espectral está entre 0,5 y 5 nm (depende del emisor) Las distintas longitudes de onda viajan a distinta velocidad, lo cual ensancha el pulso en el receptor Puesto que se debe a las diferencias en longitud de onda se la denomina dispersión cromática (debida al color) La dispersión cromática tiene dos componentes: Dispersión material Dispersión por guía de ondas

66 65 Universidad de Valencia Rogelio Montañana La dispersión material se debe al material, es decir al vidrio. El índice de refracción del vidrio (y por tanto la velocidad de la luz) varía con la longitud de onda. Las longitudes de onda mayores viajan más despacio y llegan más tarde: Dispersión material (nm) Índice de refracción Velocidad de la luz (Km/s) 13101, ,

67 66 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Como ya hemos visto cuando la luz viaja por la fibra monomodo lo hace en parte por la cubierta. La proporción de luz que viaja por la cubierta crece conforme aumenta la longitud de onda, por ejemplo: Pero la cubierta tiene un índice de refracción menor que el núcleo, por tanto la luz por allí viaja más deprisa (0,3%) y llega antes, ensanchando el pulso La dispersión por guía de ondas acelera las longitudes de onda mayores, ya que las hace ir en mayor proporción por la cubierta. Dispersión por guía de ondas (nm) Diámetro utilizado por la luz (núcleo de 8,2 µm) 13109,2 µm ,4 µm

68 67 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Compensación de los dos tipos de dispersión Las dos componentes de la dispersión cromática actúan en sentido contrario: –La dispersión material ralentiza las longitudes de onda mayores –La dispersión por guía de ondas acelera las longitudes mayores En cualquier fibra hay una longitud de onda determinada a la que ambos efectos se neutralizan y la dispersión cromática es nula (o despreciable) Ajustando una serie de características de la fibra se puede conseguir que ese punto de dispersión cero esté justo en los 1310 nm

69 68 Universidad de Valencia Rogelio Montañana (nm) Dispersión (ps/nm/km) Dispersión por guía de ondas Dispersión material Dispersión cromática Dispersión en fibra monomodo estándar o fibra NDSF (Non Dispersion Shifted Fiber) 1310 nm

70 69 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber) La fibra NDSF (monomodo estándar) fue diseñada pensando en su uso en 2ª ventana. Por eso se ha buscado que en esa las dos formas de dispersión se cancelen. La 3ª ventana tiene menor atenuación y permite mayores distancias, pero en esa hay mucha dispersión, lo cual limita el alcance a grandes velocidades. Solución: fabricar fibra en la que la dispersión se cancele a 1550 nm, no a Esta se denomina fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber) y se introdujo a mediados de los 80 para mejorar el alcance en 3ª ventana Para ello se modifica la fibra para hacer que más parte del haz viaje por la cubierta. De este modo se aumenta la dispersión por guía de ondas.

71 70 Universidad de Valencia Rogelio Montañana (nm) Dispersión (ps/nm/km) Dispersión por guía de ondas Dispersión material Dispersión cromática Dispersión en fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber) 1550 nm


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