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08/12/2005
Nivel dificultad: Divulgativo

Conceptos técnicos básicos de las tecnologías DSL (1)

Luis Merayo Fernández

Conozca en este interesante y detallado artículo por qué unos pares de cobre son fundamentales para el éxito de muchas de las tecnologías de las que disfrutamos hoy en día.

DSL es una tecnología de transmisión de señales digitales sobre los pares de cobre que constituyen los bucles de abonado en la tecnología telefónica convencional. Esta infraestructura constituye la base de las redes de telefonía fija y ha sido la única que ha permanecido prácticamente inalterada durante todos los cambios que han ido sucediendo en el tiempo: conmutación manual, transmisión digital, conmutación automática y acceso digital. Después de más de 100 años de (r)evolución tecnológica, se continúan utilizando pares de cobre en las líneas que conectan el equipo telefónico instalado en casa del usuario con la red. La razón de esta permanencia es exclusivamente económica: el relativo bajo coste de los pares de cobre y la dificultad para amortizar (mediante el tráfico cursado) infraestructuras más costosas, inversiones que sí se justifican cuando se realizan en el núcleo de la red donde el tráfico agregado es mucho mayor. En este artículo se explican los conceptos técnicos básicos asociados al transporte de información digital de banda ancha sobre la planta existente de pares de cobre, tal y como en los últimos años se viene realizando con un gran éxito comercial en relación a los servicios ADSL.

1.-La red de acceso de pares de cobre

La red de acceso de pares de cobre está formada por los pares de abonado que conectan a cada usuario con la red a través de su correspondiente central local. La estructura típica de esta red de acceso está formada por los siguientes elementos:

 

  • Repartidor de acceso ( MDF o Main Distribution Frame ), que permite asociar de manera flexible los bucles de abonado a las tarjetas de línea de la central de conmutación.
  • Los pares de abonado, constituidos habitualmente por pares de cobre (en algunos países se utiliza el aluminio, más barato pero con peores características eléctricas) de diámetro comprendido entre 0,4 y 0,6 mm y con un aislamiento de papel o polietileno. Estos pares abandonan el repartidor de acceso de la central agrupados en cables de pares (hasta algunos miles de pares por cable) a través de conductos subterráneos constituyendo la llamada red de alimentación .
  • Los cables de pares que constituyen la red de alimentación se van dividiendo (mediante distribuidores intermedios) en otros cables con menor número de pares (centenares) que constituyen la red de distribución .
  • Finalmente de la red de distribución se obtienen los pares que constituyen la red de acometida que llega al usuario final.

A lo largo de toda esta estructura jerárquica de distribución se suelen producir discontinuidades en los pares de cobre causadas tanto por los empalmes entre las distintas redes (la pequeña capa de óxido que se crea entre los dos conductores actúa como un diodo) como por el posible diferente calibre de los hilos de cobre en ellas utilizado lo que provoca discontinuidades en la impedancia.

Otra característica de la red de acceso es la existencia de ramas multipladas ( bridged taps ) constituidas por una o más secciones secundarias acabadas en circuito abierto en paralelo con la sección principal que une los equipos de central y usuario. El uso de las las ramas multipladas constituyó un recurso habitual de muchos operadores mediante el cual un par vacante (sin un usuario asignado) estaba en condiciones de cubrir varias zonas. Cuando un usuario solicitaba el servicio, se le asignaba el par vacante con la terminación más próxima a su domicilio, quedando las restantes terminaciones del bucle inhabilitadas. Del mismo modo, cuando este usuario se daba de baja, el par se podía asignar a otro usuario en otra zona cubierta por otra de las terminaciones del bucle.

Todas las características que se han mencionado (agrupación en cables de pares sin aislamiento adicional entre ellos, empalmes, diferentes calibres, ramas multipladas) influyen en el comportamiento de los pares de cobre frente a la transmisión de señales eléctricas a alta frecuencia, comportamiento que determina las prestaciones de los sistemas DSL que se estudia en los siguientes apartados.

2.-Transmisión de señales eléctricas sobre pares de cobre

2.1.-El bucle de abonado como línea de transmisión

El bucle de abonado es una línea de transmisión constituida por un par de hilos metálicos, por lo que se puede analizar su comportamiento eléctrico empleando las mismas técnicas que se emplean para el estudio de cualquier otra línea de transmisión. Mediante estas técnicas el bucle de abonado se puede caracterizar por los siguientes parámetros:

  • R: resistencia por unidad de longitud ofrecida por los hilos del par al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohms/km.

     

  • L: autoinducción por unidad de longitud del par metálico, proporcionando una medida de la tensión inducida en el par metálico cuando varía la corriente que circula por él. Se mide en Henrios/km.
  • G: conductancia (inversa de la resistencia) de aislamiento por unidad de longitud entre los hilos del par. Da una medida de la corriente de fugas entre los dos hilos. Se mide en Siemens/km.
  • C: capacidad por unidad de longitud existente entre los hilos del par. Proporciona una medida de la corriente entre los hilos del par cuando varía la tensión aplicada a ellos. Se mide en Faradios/km.

Estos parámetros dependen de las características físicas del par. Así el calibre (diámetro) de los hilos del par metálico y las características eléctricas del mismo (resistividad) son factores determinantes para la resistencia (a mayor calibre, menor resistencia; a menor resistividad menor resistencia, siendo la del cobre menor que la del aluminio). El material empleado para recubrir cada uno de los hilos conductores (típicamente polietileno o papel) y la separación entre los dos hilos metálicos del par son factores que determinan la conductancia G.

Resolviendo las ecuaciones que corresponden a la línea de transmisión considerada se obtienen las dos características básicas del par: atenuación y velocidad de propagación . La atenuación es la responsable de que la amplitud de las señales eléctricas decrezca a medida que estas se propagan por la línea, mientras que velocidad de propagación es la responsable de que un pulso rectangular se vaya ensanchando. El efecto combinado es el que se muestra en la siguiente figura:

En la siguiente figura se muestran los valores de la atenuación en un par de cobre de 0,405 mm (26 AWG) y aislamiento de polietileno, en función de la frecuencia y la longitud.

Como se puede observar, la atenuación frente a la transmisión de señales eléctricas que presenta un par de cobre, con independencia de otros factores que luego se tratarán, depende de la frecuencia a la que se esté transmitiendo, y de la longitud del bucle:

  • A mayor frecuencia, mayor atenuación de la señal transmitida.
  • A mayor longitud, mayor atenuación de la señal transmitida por el bucle.

Otra característica del bucle es su impedancia característica (1) (Z 0 ) que viene dada por

 

2.2.-Topología del bucle de abonado

En el análisis realizado hasta ahora se ha considerado un bucle de abonado ideal, esto es un bucle formado por una sola sección de par metálico con el mismo calibre, metal y aislamiento a lo largo de todo el trayecto entre la central y el terminal del usuario. Pero en la práctica esto no suele ser así: hay (o puede haber) ramas multipladas y cambios de calibre, características que afectan a su respuesta frente a la transmisión de señales eléctricas.

2.2.1.-Ramas multipladas

 

El efecto de las ramas multipladas equivale a cargar la rama principal con impedancias equivalentes que dependen de la impedancia característica de la sección de par que constituye la rama multiplada, su longitud y la constante de propagación de esa misma rama. Para los servicios en banda vocal (telefonía y datos en banda vocal) que operan en la banda de frecuencias de los 300 Hz a los 3.400 Hz, la impedancia con la que cualquier rama multiplada carga a la sección principal es prácticamente infinita (circuito abierto), por lo que dichos servicios no se ven afectados. Sin embargo esto deja de ser cierto cuando se trata de los servicios DSL que operan en bandas de frecuencias que llegan hasta los MHz. A estas frecuencias las ramas multipladas introducen ceros de transmisión (valor de la frecuencia para el que la impedancia de las rama toma un valor muy bajo y por lo tanto la atenuación que ofrece el par aumenta) que pueden reducir sensiblemente las prestaciones que se puede conseguir con un sistema DSL sobre dicho bucle.

El efecto de las ramas multipladas en sistemas que trabajen en alta frecuencia depende de:

  • La relación entre la longitud de onda (inversa de la frecuencia) de la señal y la longitud de la rama multiplada. A menor longitud de la rama multiplada, los ceros de transmisión se introducen a frecuencias más elevadas.
  • Número de ramas multipladas en el bucle. A mayor número, peores prestaciones.
  • De la posición relativa de las ramas multipladas a lo largo del bucle: tanto peor cuanto más cerca estén del transmisor

2.2.2.-Cambios de calibre

 

Un mismo bucle, aun cuando no tenga ramas multipladas, puede estar formado por secciones con distinto calibre y/o aislamientos. Esto supone que cada una de las secciones tenga unas características eléctricas distintas por lo que en el punto de empalme existe una desadaptación de impedancias que provoca pérdidas de potencia y reflexiones. Normalmente, la pérdida de potencia y las reflexiones (eco) introducidos por un cambio de calibre no suponen una merma importante en las prestaciones de los sistemas DSL.

2.2.3.- Desadaptación de impedancias

 

La desadaptación de impedancias también se puede producir en los equipos de recepción cuando estos presentan una impedancia de entrada distinta de la impedancia característica del par. En este caso parte de la potencia que llega al receptor se refleja (ecos en el otro extremo del bucle) y el receptor recibe menos potencia de señal de la debida. Menos potencia recibida a igual nivel de ruido supone una menor relación señal/ruido y, por lo tanto, peores prestaciones.

2.3.- Diafonía

 

La diafonía se puede definir como la interferencia que se produce entre señales eléctricas que se propagan por pares contiguos de un mismo cable. Este es, sin duda alguna, el principal factor externo que puede limitar las prestaciones de los sistemas DSL. Esta perturbación limita el número máximo de pares metálicos que pueden dedicarse a sistemas DSL dentro de un mismo cable, siendo esta limitación dependiente del número y la combinación de sistemas DSL presentes.

Existen dos tipos de diafonía: la telediafonía o FEXT ( Far End Crosstalk ) y la paradiafonía o NEXT ( Near End Crosstalk ).

La paradiafonía (NEXT) se produce por el acoplamiento entre dos señales que se propagan en sentido opuesto a través de pares contiguos, produciéndose únicamente cuando ambos sistemas (interferente e interferido) transmiten en el mismo intervalo de frecuencias. El lugar donde el efecto de la paradiafonía es máximo es en aquel punto en el que la señal interferida tiene la mínima potencia y la señal interferente tiene potencia máxima, esto es en el repartidor (MDF) de la central.

Dentro de la diafonía esta es la modalidad que más limita el despliegue de sistemas DSL sobre pares de un mismo cable. Su efecto depende de:

  • número de sistemas perturbadores (N) que coexistan en el mismo cable.
  • La frecuencia (f).
  • La potencia con la que esté transmitiendo el sistema interferente.

La telediafonía (FEXT) se debe al acoplamiento entre dos señales que se propagan en el mismo sentido a través de dos pares contiguos. Su efecto es menor que la paradiafonía dado que la perturbación se produce por parte de una señal con una potencia similar a la interferida. Su efecto depende de:

  • EL que el número de sistemas perturbadores (N) coexistan en mismo cable.
  • La frecuencia (f).
  • a longitud del par a lo largo de la cual se está produciendo el acoplo (d FEXT ).
  • La potencia con la que esté transmitiendo el sistema interferente

2.4.-Otros factores

Adicionalmente a los ya indicados, otros factores que afectan a la transmisión de señales eléctricas sobre el par metálico son:

  • Ruido térmico (presente en todo el espectro de frecuencias y de duración ilimitada en el tiempo) introducido normalmente por los amplificadores, en este caso el amplificador de entrada del receptor.
  • Ruido impulsivo, producido por señales no estacionarias generadas por fuentes electromagnéticas perturbadoras situadas en las proximidades del bucle (motores eléctricos o la corriente de llamada del propio par o de un par contiguo, …). Este tipo de ruido, que se caracteriza porque su duración (los pulsos de ruido) es mayor o igual a los periodos de los símbolos que se transmiten, causa ráfagas de errores.
  • Estado de conservación del bucle . Una mala conservación de las cubiertas de los cables permite que penetre la humedad en su interior, lo que puede alterar las características físicas de los pares metálicos. La humedad provoca un aumento de la resistencia de los pares y una pérdida de aislamiento entre los hilos de un mismo par, lo que da lugar a lugar a un aumento de la atenuación que supone unas menores prestaciones por parte de cualquier sistema de transmisión que use esos pares.

Autor :Luis Merayo Fernández.Telefónica Empresas

Conceptos técnicos básicos de las tecnologías DSL (Parte II)