Loe raamatut: «Mantenimiento de redes multiplexadas. TMVG0209»

Capítulo 1
Medios de transmisión de datos. Multiplexado
1. Introducción

Las instalaciones mecánicas que se encuentran en los vehículos actuales se están haciendo cada día más complejas debido al considerable aumento de los aparatos eléctricos que se integran en ellas, tanto para la seguridad del vehículo, como para el confort de los pasajeros.

Las unidades electrónicas de gestión del motor, los sistemas de frenado antibloqueo, las suspensiones pilotadas, los sistemas de climatización automáticos, etc. requieren de un gran número de sensores situados a mucha distancia unos de otros, y que necesitan estar en constante comunicación con la unidad de control. Todo esto da como resultado instalaciones eléctricas extremadamente complejas, de grandes dimensiones y pesadas para el vehículo.

Complejas por sus entramados de cableado, pesadas debido al gran número de cables que debe soportar el vehículo, y de grandes dimensiones, por los mazos de cables de instalación que atraviesan zonas móviles, como es el caso de espejos retrovisores, elevalunas, cierres centralizados, etc. En estos casos la flexibilidad del cableado se reduce en las zonas de articulación y en muchas ocasiones derivan en problemas de fiabilidad.

La idea del multiplexado es utilizar un solo cable para realizar varias funciones, consiguiendo una importante reducción del cableado. El multiplexado utiliza una serie de unidades de control interconexionadas entre sí, que ponen en comunicación los aparatos receptores con los órganos de mando y control de forma electrónica, en lugar de hacerlo del modo convencional mediante la clásica instalación eléctrica, simplificando de esta forma la instalación.

2. Modos de transmisión de datos

Los modos de transmisión de datos, como su nombre indica, vienen marcados por el medio de transmisión. Este constituye el canal por el cual fluye la información entre dos terminales del vehículo.

Los modos de transmisión de datos básicamente se pueden dividir en dos grandes bloques y, posteriormente, en diferentes categorías.

Estos dos grandes bloques son: medios guiados y no guiados.

1 Medios guiados: son aquellos que transmiten la información de un dispositivo a otro a través de un conductor físico. Incluyen cables de pares trenzados, cables coaxiales y cables de fibra óptica. En los medios guiados se observa como una señal viaja dirigida y contenida por los límites físicos del medio por el que se desplaza. El cable de par trenzado y el cable coaxial usan conductores metálicos que transportan señales de corriente eléctrica, mientras que la fibra óptica utiliza cable de cristal o plástico que transporta señales en forma de luz.

2 Medios no guiados: los medios no guiados a diferencia de los guiados llevan la información por ondas electromagnéticas sin usar un conductor físico. Son capaces de transmitir a través del aire poniendo la información a disposición de cualquier receptor que sea capaz de recibirla. Las clasificaciones que se pueden efectuar en los medios no guiados siempre atienden al rango de frecuencias utilizadas por el transmisor/receptor. (Ejemplos: radio, microondas, luz infrarroja o láser).

3. Soportes y vías de transmisión

Cuando se habla de soporte y vías de transmisión se hace referencia al elemento físico por el cual circula la información que se desea transmitir. Se pueden clasificar según el medio utilizado.

Dentro de los medios guiados se encuentran: cable de par trenzado, cable coaxial y fibra óptica. En los medios no guiados: ultrasonidos, infrarrojos y radiofrecuencia.

3.1. Cables de par trenzado

El cable de par trenzado utiliza dos conductores eléctricos recubiertos cada uno de ellos por un aislante y entrelazados entre sí para anular las interferencias de elementos externos o cables cercanos.

Existen de dos tipos: sin blindaje y con blindaje.

Cable de par trenzado sin blindaje

En el cable de par trenzado sin blindaje los dos conductores eléctricos que lo componen llevan un aislante individual, pero no llevan una protección o blindaje global que cubra ambos conductores.

El cable de par trenzado sin blindaje está formado por dos hilos conductores, normalmente de cobre sólido recubierto cada uno con aislamiento de plástico o PVC de color.

Nota

Es el tipo más frecuente de medio de comunicación.

El aislamiento tiene un color asignado para identificarlo, tanto para diferenciar los hilos específicos de un cable, como para indicar qué cables pertenecen a un par dentro de un manojo. Por norma general en el esquema eléctrico se debe poder identificar sin ningún tipo de problema.

Cable de pares trenzados

Cable de par trenzado con blindaje

El cable de par trenzado con blindaje incluye una protección externa que resguarda de interferencias los conductores eléctricos que se encuentran en su interior.

El cable de par trenzado con blindaje se diferencia del anterior en que este tiene una funda de metal o recubrimiento de malla entrelazada que rodea cada par de conductores aislados.

Esta carcasa de metal protege el cable evitando que el ruido electromagnético penetre, eliminando de esta forma lo que se conoce como interferencia, que no es más que el efecto indeseado de un canal sobre otro canal. Es importante recordar que para que el blindaje actúe de forma correcta es necesario conectarlo a masa, comúnmente llamada tierra.

Cable de par trenzado con blindaje

3.2. Cables coaxiales

El cable coaxial transporta señales con rango de frecuencias más altos que los cables de pares trenzados. El cable coaxial tiene un núcleo conductor central formado por un hilo sólido o enfilado, normalmente de cobre, recubierto por un aislante o material dieléctrico que, a su vez, está recubierto de una hoja exterior de metal conductor, malla o una combinación de ambos, también habitualmente de cobre.

La cubierta metálica exterior sirve como blindaje contra el ruido y como un segundo conductor. Este conductor está recubierto por un escudo aislante y todo el cable está forrado por una cubierta de plástico.

Cable coaxial

Sabía que...

El cable coaxial tiene una historia casi centenaria llevando y trayendo gran parte de la información que se consume y genera a diario. Sin embargo, hoy en día, la tendencia natural va encaminada a reemplazar dicho cable por la fibra óptica.

3.3. Fibra óptica

La fibra óptica es la candidata natural para sustituir al cable coaxial. En ella la luz se propaga a una velocidad mucho mayor que en cualquier otro medio, ya que lo hace en el vacío, sin embargo, cuando la luz se desplaza por otro medio sufre efectos de reflexión y de refracción, es decir, la luz rebota y cambia de dirección en función del medio empleado para su transmisión.

Ejemplo

Un ejemplo de reflexión y refracción se puede ver cuando se introduce un objeto en el agua. Da la sensación de que este se dobla, como es el caso de una cuchara introducida en un vaso de cristal con agua.

Los cables de fibra óptica son filamentos de vidrio compuestos por cristales naturales o de plástico de espesor más fino que el grueso de un pelo.

Cable de fibra óptica

La fibra óptica utiliza el reflejo que le proporcionan los cristales para transmitir la luz. Un núcleo de cristal o plástico se rodea de una cobertura de cristal o plástico menos denso, la diferencia de densidades debe ser tal que el rayo de luz se mueva por el núcleo reflejado por la cubierta y no se refracte en ella.

Una de las características que hacen tan preciado este cable, a parte de su velocidad, es que se pueden emitir a la vez varias señales diferentes con distinta frecuencia para poder distinguirlas.

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en señales ópticas o luminosas, es decir, en luz. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las pequeñas fibras, en el otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente llamado detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, volviendo a conseguir una señal similar a la inicial.

La luz se puede propagar por el cable de dos formas diferentes dependiendo de si transitan por él una o varias señales luminosas. Estas formas de propagación son multimodo y monomodo.

Actividades

1. Nombrar cuáles son los medios de transmisión que existen y explicar brevemente en que se diferencian unos de otros.

2. Reflexionar sobre las siguientes cuestiones: ¿qué significa que un cable está trenzado? ¿Qué quiere decir que un cable de par trenzado está “blindado”?

Fibra óptica multimodo

En este tipo de transmisión existen varios rayos o señales de luz que se mueven a través del núcleo por caminos diferentes. Los movimientos de estos rayos irán en función de cómo esté estructurado el núcleo del cable.

Sabía que...

Las fibras ópticas se clasifican por la relación que existe entre el diámetro del núcleo y el diámetro de la cubierta, esta relación siempre viene expresada en micras.

La fibra óptica multimodo se subdivide a su vez en dos tipos:

1 Fibra óptica multimodo de índice escalonado.

1 Fibra óptica multimodo de índice gradual.

Fibra óptica monomodo

El monomodo usa fibra de índice escalonado y una fuente de luz muy enfocada para así conseguir un haz que limite los ángulos que puede describir esta a lo mínimo posible.

Nota

Esto se consigue porque la fibra monomodo se fabrica con un diámetro más pequeño que las fibras multimodo y con una densidad menor.

De esta forma se consigue que la propagación o transmisión de los rayos sea casi idéntica y los retrasos inapreciables, logrando así que todos los rayos lleguen juntos y sin distorsión al receptor de señales.

La señal o luz es transportada a través del cable por medio del reflejo que provocan los cristales. En el inicio de este se debe contar con un emisor o fuente de luz (generalmente un diodo led o un diodo láser). En el otro extremo del cable habrá un receptor o célula fotosensible capaz de transformar la señal de luz en corriente eléctrica. (El receptor más usual que se puede encontrar es el fotodiodo).

3.4. Ultrasonidos

Los ultrasonidos se encuentran englobados dentro del apartado de los medios de transmisión no guiados junto a los infrarrojos, la radiofrecuencia o las microondas.

Los ultrasonidos, al igual que la mayoría de los medios no guiados, son de poco uso en el multiplexado actual debido a que los medios guiados ofrecen mayores garantías en la transmisión y en la protección contra ruidos e interferencias, los cuales provocan fallos en el sistema.

El término ultrasonido se utiliza para hacer referencia a los sonidos que tienen una frecuencia por encima del nivel normal del sonido audible para los oídos.

Los ultrasonidos se desplazan a través del medio con una velocidad definida y en forma de una onda, por lo que su desplazamiento dependerá del medio físico en el que el sonido se propague y de cómo las ondas ultrasónicas interaccionen con este.

Sabía que...

El sonido es una vibración mecánica que oscila en la franja audible entre 16 y 20.000 ciclos por segundo. Posee propiedades ondulatorias similares a las ondas electromagnéticas como la luz, por lo que los ultrasonidos siempre oscilarán por encima de los 20.000 ciclos por segundo.

3.5. Infrarrojos

Los infrarrojos se sitúan también dentro de los medios de transmisión no guiados. Al igual que estos utilizan el aire como medio de transmisión. Los infrarrojos pueden estar formados por un led o un láser.

Los emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados una vez reflejado el rayo. En infrarrojos no existen problemas de seguridad ni de interferencias ya que este tipo de rayos no puede atravesar objetos.

Mando actuador por infrarojos

Los infrarrojos son ondas electromagnéticas que se desplazan en línea recta. Su uso se ve limitado a una distancia entre emisor y receptor de unos 200 metros aproximadamente.

Su aplicación dentro de automoción se ve básicamente localizada a equipos auxiliares como pueden ser sistema de apertura de puertas a distancia u otros de características de utilización similares.

Definición

Atenuación Es la pérdida de energía. Al transmitir por un determinado medio la señal pierde parte de su potencia para vencer la resistencia del medio. La atenuación se mide en decibelios.

Distorsión Es la variación de la forma de la onda de la señal. Ocurre cuando en una señal formada por distintas frecuencias, cada componente tiene su propia velocidad de propagación o retraso. Al suceder esto, la señal recibida no es igual a la emitida.

3.6. Láser

Dentro de los infrarrojos se encuentra el láser infrarrojo. Su nombre es el acrónimo en inglés de Light Amplicafication by Stimulated Emission of Radiation (amplificador de luz por emisión estimulada de radiación).

Las transmisiones de láser infrarrojo directo son muy similares a las utilizadas en las transmisiones por fibra óptica, diferenciándose exclusivamente en el medio utilizado (en este caso es el aire y en la fibra óptica el cable).

El láser infrarrojo es una excelente opción para comunicar elementos a distancias cortas. En automoción se puede ver su uso habitual en sistemas auxiliares como el control o sensor de aparcamiento asistido.

Sensor de aparcamiento láser

3.7. Radiofrecuencia

El concepto de radiofrecuencia dentro de los medios no guiados es quizás el más entendible debido a su uso diario en la sociedad actual.

La radiofrecuencia es un tipo de onda electromagnética muy semejante a la energía luminosa, y tiene la misma velocidad que la luz.

Las ondas de radio pueden generarse en una amplia gama de frecuencias, empezando aproximadamente en 10,000 Hz y siguiendo a través de millones de Hz. Se han incluido también ondas electromagnéticas.

Las características de propagación de las ondas de radio varían en gran medida con la frecuencia y deben tenerse presentes a la hora de elegir una frecuencia para cada servicio de radio en particular. Estas se dividen en diferentes bandas de acuerdo con sus características de propagación.

Un concepto que se debe tener claro al hablar de ondas de radio es el de modulación. Se puede definir como acción de imprimir a una señal una variación recuperable que afecte a alguna de sus características siguiendo una ley que dependa de otra señal.

Si se sabe que una señal tiene dos factores característicos, como son la amplitud (ancho de onda) y la frecuencia (cambios por segundo), se dispondrá ya de dos elementos a variar o modular.

En el dibujo inferior se muestra como la onda portadora se ve modificada al aplicarle la onda moduladora, dando como resultado la onda modulada en amplitud.

En el dibujo de más abajo se observa también la modulación de la frecuencia, además de la amplitud.

En automoción se utiliza la radiofrecuencia para diferentes funciones como los mandos de apertura de puertas, equipos de audio, sistemas de seguridad en el arranque, etc.

Importante

Hay que tener en cuenta, que por motivos obvios, los sistemas que trabajan con medios de transmisión no guiados siempre controlan equipos auxiliares de confort, complementos, indicación, etc. nunca sistemas de seguridad debido a que solo los medios guiados proporcionan unas condiciones óptimas en la transmisión de datos.

3.8. Microondas

Las microondas utilizan el aire como medio físico para la transmisión. La señal se transmite en forma digital a través de ondas de radio de muy corta longitud.

La transmisión se realiza en línea recta, por lo que se ve afectada por montañas, edificios, mal tiempo, etc. Existen dos tipos de microondas: terrestres y por satélite.

Las primeras suelen utilizar antenas parabólicas situadas en la esfera terrestre a efecto de pantalla dirigiendo las ondas de una estación o repetidor a otra, y reflejando esta a su vez al receptor final. Este tipo de ondas son las que se utilizan para transmitir las señales de telefonía móvil, televisión terrestre, etc.

La emisión de ondas viene mejorada por la transmisión de microondas por satélite. Estas sitúan el repetidor en un satélite, ampliando así su campo de transmisión.

Algunos ejemplos que existen en los vehículos actuales son los sistemas de navegación, telefonía móvil, sistemas antirrobo-localizador, etc.

A continuación se muestra una tabla resumen con los diferentes tipos de soportes según los medios de transmisión empleados y organizados por su frecuencia.

Actividades

3. Explicar brevemente el concepto de ultrasonido y poner un ejemplo de aplicaciones de este sistema.

4. Señalar la diferencia entre la fibra óptica y el láser desde el punto de vista del medio empleado.