Una pregunta clásica: ¿Por qué se utiliza cable de pares trenzados en el cableado estructurado?

En las instalaciones de cableado estructurado se da por hecho que la única solución posible cuando se utiliza cable de cobre es el uso de cables de pares trenzados, en sus diferentes versiones de apantallamiento: UTP, FTP, ScTP.  Pero se debe tener en cuenta que existen, como no podía ser de otra forma,  unos fuertes motivos técnicos que justifican el uso de dichos cables. Y de nuevo esta justificación técnica está basada en el Teorema de Shannon o teorema fundamental de las comunicaciones, el cual se resume en la siguiente fórmula:

En la fórmula de Shannon el término C es la capacidad de transmisión en bits por segundo de cualquier medio de transmisión, ya sea cables de cobre, fibra óptica, ondas de radio u otro. B es el ancho de banda en Hz y por último s/n es la relación señal a ruido del medio de transmisión analizado. Se observa con claridad que para conseguir mayor capacidad de transmisión en b.p.s. es necesario o bien aumentar el ancho de banda del medio empleado o bien mejorar la relación señal a ruido, esto es, hacer que para un nivel determinado de señal en el medio el ruido sea menor.

No obstante se observa también que puesto que la relación señal a ruido s/n está afectada por el logaritmo, doblar el ancho de banda B sí que consigue doblar la capacidad en b.p.s. C, pero en cambio si doblamos la relación señal a ruido s/n no conseguiremos doblar la capacidad de transmisión del medio. Esto último lo podemos resumir en las dos siguientes condiciones:

  • Para conseguir una velocidad de transmisión elevada es necesario que el medio de transmisión tenga un ancho de banda elevado y también que para una señal determinada el ruido captado sea lo más bajo posible.
  • Para conseguir una velocidad de transmisión elevada es más efectivo mejorar el ancho de banda que mejorar la relación señal a ruido. 

Cuando hablamos de medios de transmisión de cobre, el ancho de banda viene determinado fundamentalmente por los valores de capacidad e inductancia distribuida a lo largo del cable. Cuanto mayor sea la capacidad distribuida, mas fácilmente serán “cortocircuitadas” las señales de alta frecuencia aplicadas en la entrada y por tanto más atenuadas aparecerán en la salida; de la misma manera, cuanto mayor sea la inductancia distribuida por el cable, más resistencia encontrarán las señales de alta frecuencia al atravesar el cable y por tanto también más atenuadas aparecerán en la salida dichas señales de alta frecuencia.

Es un dato conocido que la capacidad de un condensador plano-paralelo viene dada por la siguiente fórmula:

donde S es la superficie de las placas del condensador, d es la distancia de separación de las placas y εo es la permitividad del vacio  8,85 x 10-12 C2/Nm2 . La capacidad que aparece entre los dos hilos paralelos de cualquier par de hilos conductores también será proporcional a la superficie de éstos e inversamente proporcional a la distancia de separación entre ellos. Si queremos reducir al máximo esta capacidad, debemos de aumentar la distancia de separación entre los conductores, ya que si optamos por reducir la superficie de los propios conductores, entonces aumentará su resistencia óhmica, ocasionando una atenuación en la transmisión de las señales.

Un ejemplo práctico de lo expuesto anteriormente son los cables planos que se utilizaban antiguamente en las bajadas de la señal de TV, en lugar de los actuales cables coaxiales.

Estos cables de tipo plano se caracterizaban por una gran separación entre los dos hilos conductores. ¿Con qué motivo?. Para tener una capacidad pequeña y por tanto un  ancho de banda elevado, permitiendo la transmisión de las señales de TV entre las antenas de TV situadas en el tejado y las tomas del usuario situadas en el interior de la vivienda. 

Una evolución del cable plano es el cable coaxial, el cual también tiene una gran separación entre los dos hilos conductores y además, al rodear el conductor externo al conductor central, se consigue un fenómeno de apantallamiento, evitando la aparición de ruido en la señal transportada. Estos cables coaxiales de TV tienen un ancho de banda muy superior al de los cables de pares utilizados en instalaciones de cableado estructurado.

 

En la tabla de características correspondiente a los cables coaxiales de la serie CCF de Fagor se observa que cuanto mayor es el diámetro del cable, menor es la atenuación a altas frecuencias. Se observa también que el ancho de banda de este tipo de cables es muy superior al de los cables de pares utilizados en las instalaciones de cableado estructurado, ya que un cable de categoría 6A está diseñado para trabajar con señales de frecuencias inferiores a 500 Mhz, y además a esta frecuencia de 500 Mhz la atenuación máxima permitida por las normas TIA/EIA 568-C es de 43,8 dB.

Al llegar aquí nos podemos hacer la siguiente pregunta: Si los cables coaxiales son mejores que los cables de pares, ¿por qué no se utilizan cables coaxiales en las instalaciones de cableado estructurado?. Y la respuesta es fácil de comprender: los cables coaxiales son mucho más difíciles de instalar y manipular, ocupan mucho más espacio que los cables de pares y son más caros. Hay que tener presente que una instalación de cableado estructurado no está pensada para una aplicación en concreto, sino para cualquier aplicación presente y futura que pueda funcionar sobre 4 pares. Una instalación de cableado estructurado puede soportar, entre otros,  servicios de telefonía analógica (1 par), telefonía RDSI (2 pares), 10BASE-T y 100 BASE-TX (2 pares), 1000 BASE-T y 10 GBASE-T (4 pares). Es decir, la única forma de que una instalación de cableado estructurado sea flexible y permita el uso de diferentes tecnologías de transmisión es que cuente con varios pares independientes de transmisión y con el suficiente ancho de banda.

En realidad, en los años anteriores al desarrollo de los diferentes estandar  de cableado estructurado, si que se utilizaba el cableado coaxial en las instalaciones de red, tanto en el sistema Ethernet como en el ya desaparecido sistema Token-Ring. En la siguiente imagen se muestra una antigua instalación Ethernet 10-BASE-2 (año 1985), la cual utilizaba cable coaxial de tipo RG-58.

Finalmente, debemos de examinar el motivo por el cual los pares deben de ir trenzados. Cuando un par va sin trenzar no es posible cancelar las posibles interferencias externas, ya que siempre uno de los hilos del par recibirá mayor cantidad de ruido que el otro. En cambio, cuando los hilos del par van trenzados a intervalos regulares, ambos hilos reciben la misma cantidad de ruido y puesto que en recepción se mide la diferencia de tensión entre hilos del par, este ruido captado se cancela, no afectando a la señal recibida.

En la imagen anterior se muestra un par de hilos sin trenzar (izquierda) y un par de hilos trenzados (derecha), ambos sometidos a una fuente de ruido eléctrico. Si suponemos que en el hilo más cercano a la fuente de ruido se genera una señal de ruido de 16 y en el hilo más lejano una señal de 12, vemos que cuando los hilos van sin trenzar aparece en el receptor un ruido de 16 – 12 = 4. Este ruido se superpone a la señal útil de datos dificultando la transmisión o incluso, en determinados casos, impidiéndola por completo.

En cambio, si los hilos del par van trenzados, la interferencia de 16 unidades se reparte a lo largo del hilo más cercano a la fuente de ruido y la interferencia de 12 unidades se reparte a lo largo del hilo más lejano. Se observa con claridad que, a veces está más cercano a la fuente de ruido uno de los hilos y otras veces es el otro hilo el que está más cercano. Ambos hilos captan la misma señal de ruido y por tanto la influencia de este ruido en el receptor es nula. En este ejemplo el ruido en el receptor sería de 14 – 14 = 0, es decir, la interferencia resulta cancelada. 

Observar que el trenzado de los pares no afecta a la separación entre hilos. La separación entre los hilos viene determinada por el espesor del aislante y no influye para nada el hecho de que los hilos vayan paralelos sin trenzar o trenzados, ya que en cualquier caso la separación entre hilos es la misma.

Como ejemplo práctico de lo anterior, en las siguientes imágenes se muestran características de cables UTP y FTP de categorías 5e, 6 y 6A del fabricante Siemon (http://www.siemon.com/).

 En la imagen se observa que el cable de categoría 5e tiene un grosor de aislante de cada hilo de 0,25 mm.

En la imagen anterior se observa que el cable de categoría 6 tiene un grosor del aislante de cada hilo sólido idéntico al cable de categoría 5e, lo cual parece un contrasentido. Esto se debe a que en el propio catálogo de SIEMON se indica que el cable de categoría 5e tiene unas prestaciones que exceden con mucho de las prestaciones mínimas exigidas a dicha categoría, ofreciendo valores de pérdidas de insercción a 250 Mhz similares a la del cable de categoría 6. Esta igualdad de grosor de aislantes  no se cumple cuando realizamos la comparación con un cable de categoría 6A, ya que ni el cable de categoría 5e ni el cable de categoría 6 llegan a las prestaciones mínimas exigidas a un cable de esta categoría (500 Mhz).  

Finalmente no hay que olvidar que, además, debido a los problemas de diafonía ALIEN, los cables de categoría 6A tienen que llevar los 4 pares más separados entre sí, a menudo con unas cruzetas o guías de plástico, lo cual incrementa de forma notable su diámetro. Es decir, el notable grosor de los cables de categoría 6A respecto de los cables de categoría 5e y categoría 6 se debe a la suma de dos factores: el grosor del aislante de los hilos individuales de cada par (mejora del ancho de banda) y la existencia de cruzetas o guías separadoras de plástico entre pares (reducción de la diafonia ALIEN)

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6 respuestas a Una pregunta clásica: ¿Por qué se utiliza cable de pares trenzados en el cableado estructurado?

  1. Ren dijo:

    muy buen articulo, muchas gracias.

  2. Ethernet dijo:

    Tampoco hay que olvidar las normas EIA/TIA que no sólo afectan a la manera en la que se cruzan los hilos a la hora de crimpar un conector rj45. Sino a la disposición interior de los hilos de cobre.

    Antiguamente si crimpabas un conector rj45 a un cable que estaba construído bajo la norma EIA/TIA568A con la disposiciónEIA/TIA 568B en un cable directo, podías tener problemas de funcionamiento con algunas tarjetas de red. Ya que estas no podían distinguir como estaba crimpado el conector y la disposición interior del trenzado del cable.

    Hoy en día desde hace bastantes años eso ya no tiene ninguna importancia. Pues las tarjetas de red admiten cualquier tipo de cable o especificación. Y ya ni si quiera es necesario hacer cable cruzado para conectar dos dispositivos iguales entre si.

  3. Enrique del Rio dijo:

    Hola Walter

    Tal y como indicas, el efecto Skin o efecto pelicular tiene como consecuencia que a altas frecuencias la corriente tiende a circular de forma no homogénea por todo el área efectiva del conductor, circulando mayor corriente por la superficie del mismo que por el centro. Esto trae como consecuencia una mayor resistencia efectiva para estas corrientes de alta frecuencia y por tanto una mayor atenuación de las mismas. Este efecto se ve agravado si además el hilo de cobre tiene un baño o película de estaño, ya que éste tiene mayor resistencia que el cobre. También se ve agravado este efecto si el propio hilo de cobre sufre una oxidación en su superficie externa. Por ello los fabricantes de cables UTP realizan un proceso de fabricación del hilo de cobre que lo hace muy resistente a la oxidación. Además, también se hace mayor el diámetro del hilo, ya que con esta medida se disminuye el efecto Skin y también se mejora la resistencia en continua del hilo de cobre, factor muy importante cuando el cable UTP va a soportar alimentación PoE.

    De todas formas, cuando hablo de “un cable más grueso”, me estoy refiriendo no al grosor de los hilos de ese cable UTP sino al grosor del cable en conjunto. Aquí lo importante no es el grosor de cada hilo del par sino la separación entre ambos hilos y para eso es imprescindible que el aislante que recubre cada hilo de cada par sea más grueso. De esta forma se consigue disminuir la capacidad del cable y por tanto se mejora su funcionamiento en altas frecuencias.

    En la fotografía que he puesto de un antiguo cable de TV de tipo “plano” creo que se ve bien a lo que me refiero: para transmitir señales de alta frecuencia es necesario que los hilos estén lo más separados posibles a fin de que la capacidad del cable sea la menor posible.

    Un saludo

    Enrique del Río.

  4. Walter Wade dijo:

    la temática de los cables trenzados es bastante compleja y relativa, en ningún momento se a tocado el tema del efecto skyn y sobre todo difiero demasiado en que un cable entre mas grueso mejor sea para la transmisión de altas frecuencias, el problema es complejo.
    siempre sera mejor un “alambre de cobre solido” que un cable “trenzado” entre menos espesor mayor capacidad de transmitir altas frecuencias pero mayor resistividad tendrá.
    es verdad que es mas susceptible del ruido externo, pero imaginemos la fuente y el poder para poderlo afectar, es transmisiones digitales ayuda en transmisiones de frecuencias de audio no. ahora ¿porque no usar alambres de cobre solido? Fácil tiene mejor conductividad y menor resistencia pero no es maleable como el cable sea trenzado o no.

  5. ricardo rodriguez dijo:

    me saco´de la oscuridad ahora se´ que es utp y las categorías a las que se refieren gracias

  6. Este artículo es para nota, está muy bien explicado todo pero reconozco que algunos aspectos se me escapan! Aún así muy interesante para aprender, os seguiré de cerca! 😉

    Alberto

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