MÍDIAS DE TRANSMISSÃO

1. Definições

O cabeamento e outros elementos componentes utilizados na montagem dos sistemas de telecomunicações são chamados de mídias de transmissão, variam dependendo do tipo de sistema e do meio físico utilizado.

Um sistema estruturado utilizando cabeamento de par trançado, por exemplo, utiliza componentes diferentes de um sistema de cabeamento utilizando fibra óptica. Atualmente, é muito comum a montagem de sistemas combinando diversos tipos de mídias para satisfazer às diferentes necessidades de um projeto.

Dependendo do projeto, cada mídia de transmissão oferece vantagens e desvantagens.

2. Meios guiados e não guiados

Basicamente, a função de qualquer meio de transmissão é carregar um fluxo de informações através de uma rede, ficando essa capacidade de transmissão limitada apenas pelas características particulares de cada meio. Os meios (ou mídias) de transmissão são divididos em dois grupos: meios guiados, como os fios de cobre e os cabos de fibras ópticas e, meios não-guiados, como as ondas de rádio e os raios laser transmitidos pelo ar.

2.1 Meios guiados

A transmissão da informação está confinada em um meio físico que podem ser os cabos metálicos, os cabos de fibra óptica e cabos coaxiais.

A principal função do cabeamento em uma rede de telecomunicações é o transporte dos sinais entre os dispositivos com o mínimo de degradação possível. No entanto, tanto o sinal elétrico quanto o sinal óptico ficam sob a ação constante de elementos internos e externos. No interior de um cabo metálico, os sinais se degradam por causa de diversas características como a oposição ao fluxo de elétrons (resistência) e a oposição a mudanças de voltagem e corrente (reatância). Um cabo óptico, por sua vez, sofre os efeitos da dispersão dos feixes de luz e da atenuação ao longo da fibra. 2.1.1 Cabo metálico

Os parâmetros primários das linhas metálicas são características obtidas diretamente a

partir da natureza dos circuitos, da disposição geométrica dos condutores e do material utilizado.

Um par de condutores como mostrado na figura 1, possui dois tipos de parâmetros primários:

Longitudinais Transversais

Figura 1 – Par metálico

A figura 2 ilustra os parâmetros longitudinais e transversais do par metálico.

Figura 2 – Parâmetros Longitudinais e Transversais

Os parâmetros longitudinais são as características que existem ao longo dos condutores

que constituem a linha, tais como:

Resistência por unidade de comprimento - R - (Ω/km) Indutância por unidade de comprimento - L - (H/km)

Os parâmetros transversais são as características que existem entre os condutores que

constituem a linha, tais como:

Capacitância por unidade de comprimento - C - (F/km) Condutância do dielétrico por unidade de comprimento - G - (mho/km) ou

(Siemens/km)

Como pode ser visto, as características primarias dependem do diâmetro dos condutores (resistência ôhmica), do afastamento entre os condutores (capacitância), do material empregado como isolante entre os condutores, sua espessura e ainda a disposição dos condutores dentro do cabo telefônico. 2.1.1.1 Resistência

A resistência representa a perda de energia que um sinal sofre ao trafegar por um meio

metálico. É um parâmetro importante quando se discute não só a taxa máxima de transmissão, mas também a distância máxima permitida, qualquer que seja o tipo do meio metálico. A perda de energia aumenta com a distância, até chegar um determinado ponto em que o receptor não consegue mais reconhecer o sinal. A energia pode ser perdida na forma de radiação ou calor.

A resistência por unidade de comprimento refere-se simultaneamente aos dois condutores que compõem a linha.

Quando um condutor é percorrido por uma corrente alternada, ocorre o chamado efeito pelicular, também conhecido como SKIN EFFECT. Enquanto na corrente contínua ela se distribui por todo o condutor, na corrente alternada é induzida uma força eletromotriz (f.e.m), fazendo com que a corrente se concentre mais na periferia do condutor, ao passo que no centro muito pouca corrente está presente. Tudo se passa como se no centro do condutor a reatância indutiva fosse maior que na periferia. Desta forma, o campo magnético criado no interior do condutor apresenta características tais que a indutância é maior no centro que na periferia. Este efeito será tanto maior em função do aumento da freqüência. Quando passa uma corrente alternada por um condutor a área efetiva do condutor diminui. O efeito pelicular simula uma redução na área efetiva do condutor, por conseguinte ocorrerá um acréscimo na resistência em relação ao seu valor para corrente contínua.

Resistência elétrica a corrente contínua A Resistência Elétrica (R) de um condutor é função da seção (S) do mesmo, da resistividade de seu material ( ) e do comprimento (l) considerado.

R =

l x — S

A resistência do par de condutores é o dobro da resistência do condutor, desta forma podemos melhorar a formula da seguinte maneira: S = x r² r = D / 2 l = 1000 m Então podemos reescrever a fórmula da seguinte maneira:

R =

= /km

Considerando que é utilizado nos cabos telefônicos, o cobre eletrolítico recozido, o diâmetro dos condutores está padronizado, podemos usar como referencia a tabela abaixo.

Figura 2: Tabela de Resistência Ôhmica.

Os valores apresentados são referentes às temperaturas de 20°C para as redes subterrâneas e 45°C para as redes instaladas na rede aérea, isto para facilitar a elaboração dos projetos, mas para a aceitação elétrica dos parâmetros as temperaturas são corrigidas para a temperatura ambiente, conforme discriminado abaixo. R = R20 [ 1 + ( - 20)] Onde: R = resistência a ser calculada; R20 = resistência a 20°C

= coeficiente de temperatura do metal dos condutores (0,00393) = temperatura para a qual se deseja conhecer a resistência.

2.1.1.2 Capacitância

Ao carregarmos um determinado condutor com uma carga “Q” vai aparecer uma

diferença de potencial “ddp”. Entre a carga e o potencial temos uma relação constante chamada capacitância.

ܥ = ொ

= ொ

ಲಳ

Onde: C- Capacitância; Q – Carga; V – Tensão; VA – Tensão no fio A; VB – Tensão no fio B.

Para um par de condutores temos a chamada capacitância parcial, as capacitâncias

parciais, também conhecidas como capacitâncias parasíticas, são prejudiciais ao sinal, pois elas estão associadas ao fenômeno de diafonia. A figura 3 faz a representação das capacitâncias parciais para um par de condutores.

Figura 3 – Capacitâncias parciais

A capacitância mútua entre dois condutores é obtida pela relação abaixo discriminada:

C =

= F/km

Sendo: Er = constante dielétrica relativa do material isolante D = espaçamento interaxial entre condutores, em km d = diâmetro dos condutores, em km Para o calculo da capacitância em cabos, alguns fatores tornam-se importantes, tais como:

Disposição geométrica dos condutores; Espessura do dielétrico entre os condutores; Material do dielétrico; Distancia entre condutores; Espessura das camadas de ar entre os condutores.

O valor aproximado de capacitância mutua de cabos multipares, gira em torno de 50nF/km

2.1.1.3 Indutância A indutância do circuito é a relação entre o fluxo que atravessa o espaço que separa os dois condutores e a corrente que o produz, pois como sabemos quando dois condutores de um circuito telefônico são percorridos pela mesma corrente, mas com sentidos contrários, um campo magnético é criado no espaço compreendido entre os mesmos. A indutância, por unidade de comprimento, é dada pela expressão:

L = (4loge 2D

+ µr ) 10-4 (H/km) — d

Onde: D = distancia entre o eixo dos dois condutores d = diâmetro do condutor µr = permeabilidade relativa do material do condutor Para os cabos telefônicos, os valores de indutância, para um par de condutores, são muito pequenos, em função da distancia entre os condutores, este valor esta na faixa de 0,60mH/km.

2.1.1.4 Condutância

Vamos supor a existência de um par de condutores conforme mostrado na figura 1.

O dielétrico entre estes condutores não possui uma resistência infinita, assim sendo, esta resistência induz perdas no circuito.

O capacitor da figura 2 está em paralelo com a resistência do dielétrico, cuja admitância vale:

= ܥݓ + ܩ

Onde: G = Condutância A condutância é constituída de duas parcelas, uma para corrente contínua, outra para

corrente alternada.

Basicamente ele representa o inverso de uma resistência e depende de alguns fatores, tais como:

Do estado de conservação das linhas; Da qualidade dos isoladores; Do comprimento da linha; Das condições atmosféricas.

A tabela abaixo apresenta os valores de condutância para alguns condutores e alguns tipos

de isolamento.

Tipo de Isolamento do Condutor

Condutância (S/km)

Resistência de Isolamento Mínima

MO/km

Em PVC 0,17. 10-8 600

Papel e ar 0,2. 10-9 5000

Polietileno 0,7. 10-10 15000

2.1.2 Cabo Coaxial

Os cabos coaxiais são linhas de transmissão constituídas basicamente por dois condutores cilíndricos concêntricos com raios a e b separados por um dielétrico com constante dielétrica er, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4 – (a) Segmento e (b) seção transversal de um cabo coaxial.

A corrente circulante em um cabo coaxial produz uma distribuição do campo elétrico e

do campo magnético conforme mostrado na Figura 5 (a) e (b), respectivamente, em um dado instante. A intensidade dos campos decresce à medida que aumenta a distância em relação ao condutor central, conforme mostrado na Figura 5 (c), onde a tonalidade mais escura indica campo mais intenso [1].

Figura 5 - Seção de um cabo coaxial: (a) distribuição do campo elétrico; (b) distribuição do campo magnético e (c) Intensidade do campo elétrico e do magnético.

Observa-se que o campo elétrico e o magnético em um cabo coaxial ficam confinados

entre os condutores interno e externo. Desta forma, o condutor externo comporta-se como uma blindagem, que é ligada ao potencial de terra, formando assim uma estrutura desbalanceada.

A relação entre os raios a e b determinam a impedância característica dos cabos coaxiais. A impedância característica pode ser determinada pela expressão apresentada a seguir, que leva em conta também as características construtivas do cabo.

Em (4), b é o raio interno do condutor externo, a é o raio do condutor interno, er é a

constante dielétrica do espaçador entre o condutor interno e o condutor externo, Ka é um fator de correção para o tipo de construção do condutor externo e K é um fator de correção para o tipo de encordoamento do condutor interno.

A fim de se determinar as perdas em um cabo coaxial é importante entender dois fenômenos importantes: o efeito pelicular e o efeito de histerese das moléculas do dielétrico.

Em altas freqüências quando uma corrente alternada flui em um condutor, o fluxo magnético alternado no interior do condutor dá origem a uma força eletromotriz induzida fem. Essa fem faz com que a densidade de corrente decresça no interior do condutor e aumente em sua superfície externa. Este fenômeno é conhecido como efeito pelicular e é tanto mais acentuado quanto maior for a freqüência.

A estrutura de um cabo coaxial assemelha-se de certa forma a estrutura de um capacitor. As perdas no dielétrico ocorrem devido a um efeito de histerese das moléculas do material à medida que elas são polarizadas por um campo alternado.

Cabos de diâmetros maiores apresentam perdas menores na medida em que as freqüências de corte diminuem.

3. Anexo 3.1 Categorias de cabeamento

Dentro dos padrões de cabeamento foram criados grupos de especificações chamados “categorias” ou “níveis”, que definem a aplicação dos cabos e conectores em função da banda de frequência de operação.

Quanto mais elevada for a classificação do cabo ou acessório, tanto maior é a sua capacidade de transmitir dados. Por exemplo, o cabeamento para redes locais é classificado pela EIA/TIA nas categorias 3, 4, 5, 5e, 6 e 7. 3.2 Cabos de Par trançado

O cabo de par trançado é normalmente utilizado para transmissão em banda básica. Pode ser empregado também em redes locais com taxas de transferência de 10Mbps, 100Mbps até 1Gbps. Sua transmissão pode ser analógica ou digital.

O nome de cabo de par trançado é devido ao fato dos pares de fios se entrelaçarem por toda a extensão do cabo, evitando interferências externas ou entre os próprios condutores do cabo. Os fios de um par são enrolados em espiral a fim de através do efeito de cancelamento, reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas por toda a sua extensão. 3.2.1 Cabos STP

Um cabo STP (Shielded Twisted Pair – Par trançado com blindagem), além de possuir uma malha blindada que lhe confere maior imunidade a ruído, possui uma blindagem interna envolvendo cada par trançado com o objetivo de reduzir a diafonia.

Figura 6 – Cabo STP

3.2.2 Cabos FTP

Os cabos de pares trançados blindados FTP (Foiled Twisted Pair – Par trançado com fita metalizada) foram projetados especialmente para aplicações de cabeamento que necessitam de isolamento adicional de acordo com os requisitos da norma ANSI/EIA/TIA-568.

Figura 7 – Cabo FTP

3.2.3 Cabos UTP

O cabo UTP (Unshielded Twisted Pair – Par trançado sem blindagem) é atualmente o cabo mais utilizado em redes de computadores. O cabo UTP tem como vantagens ser de fácil manuseio e instalação, além de permitir taxas de transmissão elevadas.

Figura 8 – Cabo UTP

3.3 Categorias e classes de Desempenho

Com o aumento das taxas de transmissão um cabeamento de cobre de alto desempenho tornou-se uma necessidade. Considerando que o fator principal para determinar o alcance máximo possível de um sistema é a atenuação do sinal ao longo do cabo, foi necessário estabelecer alguns modos de classificação para o cabeamento em par metálico e o respectivo hardware de conexão. Criou-se então a subdivisão em uma série de categorias e classes por capacidade de desempenho. Nessa classificação, uma categoria ou classe de desempenho superior do cabo significa maior eficiência e uma menor atenuação.

4. Bibliografia

SILVA, S. G. Cabos Telefônicos. Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialcabo/pagina_4.asp. Acesso em: 15 de setembro de 2014. NETO, Vicente Soares; RATTES, Túlio Manoel F.; da SILVA, Roberto Corrêa e da SILVA, José Corrêa. Telefonia em sistemas locais tópicos avançados - São Paulo - Editora Erica Ltda. 1991. KALLAS, Cesar. Cabos coaxiais. Disponível em: http://www.cesarkallas.net/arquivos/faculdade-pos/TP304-sistemas-radioenlaces-digitais/SRD-4V2011PG.pdf. Acesso em: 15 de setembro de 2014. PINHEIRO, José Maurício dos S. Guia completo de cabeamento de redes. Rio de Janeiro: Campus, 2003.