apuntes de: sistemas embebidos (2009)
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Apuntes de: Sistemas embebidos (2009) Tema 3
(c) Benito Úbeda Miñarro; José Santa Lozano
ABSTRACT
Descripción de las técnicas de interconexión mas habituales. Medios de transmisión mas usados y sus características.
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TÉCNICAS DE INTERCONEXION
Contenidos
3.1. Conceptos de transmisión digital por línea en banda base.
3.2. Puertos serie normalizados: RS232, RS422, Infrarrojos, USB.
3.3. Buses de interconexión: RS485, CAN, Ethernet.
3.4. Transmisión por canales paso banda.
3.5. Introducción a la transmisión inalámbrica. Técnicas RFID
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3.1. Conceptos de transmisión digital por línea en banda base.
3.1.1.- Introducción
Un sistema embebido normalmente no es un sistema aislado, sino que necesita
comunicarse con el entorno para obtener y enviar información. Lo habitual es que
dicho sistema se construya a partir de una placa base, donde se aloja el chip que
contiene la CPU, los chips de memoria y todos aquellos que realizan el resto de
tareas necesarias, los componentes electrónicos externos, etc. La interconexión entre
dicha placa y el exterior se lleva a cabo mediante conexionado por cable o por radio.
Es habitual el empleo de conectores físicos de diseño estándar en función del tipo de
conexión: DB9, IDC, PC104, etc.
En un sistema embebido, las necesidades de interconexión suelen ser múltiples.
Algunos ejemplos típicos son:
- Captura de información de sensores.
- Envío de información a los actuadores.
- Envío de información a los dispositivos de presentación.
- Interconexión dentro de una red.
- Etc.
En todos los casos se emplea información basada en señales eléctricas, en formato
analógico o digital y como en tantos otros aspectos es necesario una labor de
normalización y estandarización para poder universalizar el uso de dichos dispositivos.
Las señales eléctricas se propagan a través de los denominados Medios de
Transmisión a velocidades próximas a la velocidad de la luz. Habitualmente
empleamos propagación a través de cables metálicos, de fibras ópticas y
comunicaciones inalámbricas.
Las necesidades de interconexión son amplias y variadas. Así podemos hablar de
comunicaciones:
- A nivel de placa PCB: Se caracteriza por distancias de interconexión muy
cortas. Se emplean las denominadas pistas de cobre fabricadas sobre un
sustrato aislante como es la fibra de vidrio. Según la anchura de estas pistas, la
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longitud y la forma física se obtienen los parámetros eléctricos deseados. La
interconexión entre circuitos integrados alojados en la misma placa PCB, a
veces se lleva a cabo mediante protocolos específicos de transmisión serie, tal
es el caso del bus I2C o el bus SPI.
Figura 3.1.- Conexiones entre componentes electrónico realizadas mediante pistas de cobre
impresas en una placa de fibra de vidrio u otro material aislante.
- Interconexión de placas o módulos, dentro de un mismo dispositivo: Se
suelen emplear cables de corta distancia o también sistemas de interconexión
del tipo “back plane” bajo estándares tipo bus VME, PCI, etc. La comunicación
puede ser serie o paralelo.
Figura 3.2.- Conexionado del modulo sensor GNSS DG16 de Magellan Navigation
- Entre dispositivos a distancias cortas y medias: Se suele emplear cableado
con transmisión serie o paralelo. La transmisión inalámbrica también se ha
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convertido en una opción de primer nivel bajo cualquier estándar conocido,
DSRC, WiFi, RFID, Bluetooth,...
Figura 3.3.- Sistema de test y medida de un modulo electrónico de Tektronix
- Entre dispositivos a distancias largas: Se empelan comunicaciones bajo
formatos de transmisión serie. Las técnicas habitualmente empleadas para
compartir el medio de transmisión entre varios usuarios son: TDMA, FDMA,
CDMA . Esta técnica de acceso multiple son empleadas tanto en transmisión
por cables metálicos, por fibra óptica y por radio.
- Etc.
En el ámbito de la electrónica y las telecomunicaciones una interfaz (electrónica) es el
puerto (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema
o subsistemas hacia o desde otros. No existe un interfaz universal, sino que existen
diferentes estándares (Interfaz USB, interfaz SCSI, etc.) que establecen
especificaciones técnicas concretas (características comunes), con lo que la
interconexión sólo es posible utilizando el mismo interfaz en origen y destino. En
materia de hardware encontramos términos que se refieren a las interfaces: puerto,
puerto de datos, bus, bus de datos, slot, slot de expansión.
En transmisión digital se establece una estructura de capas que van desde el nivel
físico hasta el nivel lógico de presentación.
En los sistemas embebidos mas sencillos es necesario tener un conocimiento
profundo del nivel físico y los primeros niveles lógicos.
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Figura 3.4.- Estructura de niveles o capas empleados en comunicaciones digitales
Todas las comunicaciones que se llevan a cabo entre dispositivos emplean señales
eléctricas que se propagan a través de los medios de transmisión. Todas las señales
son formas de onda que existen para cualquier instante de tiempo (Función
matemática continua en el tiempo), tanto las denominadas analógicas como las
digitales. Esto es, en cada instante de tiempo existe un valor finito de tensión o de
corriente en un determinado punto de medida. En el caso de la señales digitales, se
realiza la medida de la tensión en determinados instantes de tiempo y de acuerdo con
un criterio de decisión se estima si el valor medido se corresponde con un “1” o un “0”
para el caso binario.
Figura 3.5.- Señal digital banda base con ruido añadido
Las señales que contienen la información a transmitir presentan unos niveles de
tensión y de corriente y poseen un determinado espectro de frecuencias, denominado
banda base.
Figura 3.6.- Densidad espectral de potencia típica de una señal banda base con ancho de banda BW=2fc
(espectro bilateral)
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Recordemos que una señal digital es una secuencia de símbolos construidos
mediante pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un
elemento de la señal, conocido como símbolo. Los datos binarios se transmiten
codificando cada bit de datos o cada conjunto de N bits de datos en un símbolo
construido con una señal eléctrica. En el caso más sencillo, habrá una
correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos.
A continuación se comentan algunos aspectos importantes relacionados con la
transmisión de señales.
Señal polar frente a bipolar.
Si los símbolos se construyen con señales que varían su tensión pero no cambia su
signo, hablamos de codificación unipolar. Ejemplo, TTL, donde el ‘1’ lógico se
representa por un pulso de 5V y el ‘0’ lógico se representa con un pulso de cero
voltios. Por el contrario, en una señal polar, un estado lógico se representará
mediante un nivel positivo de tensión (+V) y el otro, mediante un nivel negativo (-V).
Velocidad de transmisión en bits por segundo.
La medida del flujo de información la denominamos la velocidad de transmisión y
viene expresada en bits por segundo. También es conocida como Régimen binario,
Rb. En modo binario, éste depende de la duración o longitud del pulso que
representa un bit, Tb que y se define como:
€
Rb =1Tb
bps
Si empleamos codificación multinivel mediante un conjunto de N símbolos, donde
cada uno tiene una duración Ts segundos y representa L=log2(N) bits, entonces, el Rb
vendrá dado por:
€
Rb =1TbLog2(N) bps
Este es el método empleado para conseguir sistemas de transmisión con una alta
eficiencia espectral, es decir, máximo numero de bits transmitidos por unidad de ancho
de banda empleado en su transmisión.
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Transmisión síncrona versus transmisión asíncrona .
En el caso de la transmisión síncrona, se necesita una señal de reloj (CLK) que se
encarga de controlar que cada símbolo transmitido se haga en el instante exacto que
la señal de reloj lo indica. Se suele emplear la detección de los flancos de subida o
bajada de la señal CLK.
Este método es muy robusto, pero necesita un cable adicional o un circuito de
recuperación de reloj bastante complejo.
Ejemplos típicos usados en microcontroladores son el bus SPI y el I2C.
La transmisión asíncrona nos evita la transmisión de la señal de reloj, pero a cambio
de emplear relojes muy precisos y mecanismos de sincronización sofisticados. Es mas
eficiente en cuanto a la necesidad de ancho de banda pero no se consiguen grandes
tasas de transferencia de datos.
Casos típicos de comunicaciones asíncronas empleadas en sistemas embebidos son
el puerto RS232 y el RS485.
Codificación de línea.
Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los
sistemas de transmisión, en especial la necesidad de sincronización de relojes del
transmisor y receptor, la modificación del espectro de transmisión para evitar la
componente continua, mejorar la inmunidad al ruido, etc. El esquema de codificación
es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con
los elementos de señal.
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Figura 3.7.- Algunos tipos de codificadores de línea empleados: NRZ-L, NRZI, AMI bipolar,
pseudoternaria, Manchester, Manchester diferencial.
En la figura 3.7 se muestran de arriba hacia abajo algunos de lo códigos de línea mas
extendidos:
No retorno a cero (NRZ-L)
o 0 = nivel alto
o 1 = nivel bajo
No retorno a cero invertido (NRZI)
o 0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez)
o 1 = transición al comienzo del intervalo
Bipolar – AMI
o 0 = no hay señal
o 1 = nivel positivo o negativo, alternadamente
Pseudoternaria
o 0 = nivel positivo o negativo, alternadamente
o 1 = no hay señal
Manchester
o 0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo
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o 1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo
Manchester diferencial
o Siempre hay una transición en mitad del intervalo
o 0 = transición al principio del intervalo
o 1 = no hay transición al principio del intervalo
B8ZS
o Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros
se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones al código.
HDB3
o Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros
se reemplaza por una cadena que contiene una violación al código
3.1.2.- Medios de transmisión
Se entiende por medio de transmisión al soporte material o no material empleado
para conducir las señales electromagnéticas desde el transmisor al receptor. Por un
determinado medio se puede propagar la señal en su banda base (BB) o una versión
de ésta desplazada en frecuencia en torno a una frecuencia de portadora, fc. En este
caso se denomina transmisión por canales paso banda.
En un principio podemos hablar de sistemas de transmisión por línea y de sistemas
de transmisión inalámbricos. Los primeros emplean medios capaces de confinar la
energía electromagnética dentro de una determinada zona mediante el empleo de
conductores metálicos, cables, o mediante el empleo de materiales aislantes de
determinada constante dieléctrica, fibra óptica. Los segundos emplean el espacio libre,
que tiene una constante dieléctrica semejante a la del vacío, ε0. También hacen usos
de la capacidad que tiene las antenas para concentrar la energía electromagnética
radiada, directividad, como instrumento para propagar las señales electromagnéticas
en determinadas direcciones.
Dentro de modelo general de un sistema de comunicación, el módulo que engloba al
Medio de transmisión se sitúa entre el del transmisor y el del receptor. Aquí la señal
sufre diferentes degradaciones tales como: Atenuación, distorsión, dispersión, ruido,
interferencias, etc.
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En este tema, se va a describir algunos de los sistemas físicos empleados para
transportar las señales electromagnéticas con la información, caracterizándolos según
su comportamiento ante diversas anomalías que sufre la señal.
En una primera clasificación podemos hablar de :
Medios guiados: Cables metálicos y fibra óptica
Medios no guiados: Transmisión por radio.
A través de ambos se transmiten señales de naturaleza electromagnética con una
determinada potencia y un determinado espectro de frecuencias ocupado.
No todos los medios de transmisión presentan la misma respuesta en frecuencias,
aunque casi siempre semejante a la de un filtro paso bajo, es decir, a mayor
frecuencia, mayor atenuación sufrida por la señal.
A la hora de elegir qué medio de transmisión se emplea se deben tener en cuenta
diversos factores:
Ancho de banda o margen de frecuencias capaz de transmitir. A mayor ancho
de banda mayor velocidad de transmisión.
Atenuación: La atenuación limita la longitud máxima de las secciones de
repetición. En los cables suele venir expresada en dB/m, dB/100m o dB/Km.
Protección contra Interferencias. Las posibles interferencias de señales
externas dentro de la misma banda de frecuencias puede causar graves
efectos en la transmisión de nuestras señales. En entornos con gran nivel de
posibles señales interferentes será necesario el empleo de cables con buen
nivel de apantallamiento.
Dispersión: Cuando las distintas componentes de frecuencia que forman una
señal digital se propagan a diferentes velocidades, se produce el efecto de la
dispersión que provoca errores en el receptor.
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Figura 3.8.- Efecto de redondeo de los pulsos que llegan al receptor debido a la dispersión
Criterios técnicos y económicos. Por ejemplo, la fibra óptica es mas
económica que el cable coaxial y además permite mayor velocidad, pero los
interfaces electro-opticos son costoso, lo que hace que el cable coaxial sea la
opción elegida. Otro ejemplo es el caso de las comunicaciones por satélite o
móviles, donde solo es posible la transmisión por radio.
3.1.3.-Teoría básica de Líneas de Transmisión
En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad es necesario aplicar la teoría de
líneas para poder simular y analizar el comportamiento de los circuitos.
El estudio del comportamiento de los medios de transmisión, desde un punto de vista
eléctrico se conoce como Teoría de LINEAS de TRANSMISIÓN.
Una línea de transmisión se forma mediante dos hilos metálicos por los que circula
una corriente eléctrica de I amperios, aportada por un generador. Dicha corriente se
pretende hacerla circular a través de una carga, de impedancia ZL situada al otro
extremo de la línea de transmisión. Para que la corriente retorne al generador se hace
necesario un segundo hilo conductor, formando así la una línea de transmisión
mediante un par de hilos conductores.
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Figura 3.9.- Conexión de generador a una carga a través de una línea de transmisión
Hasta aquí ningún problema si no es porque la corriente I(x) representa una señal
armónica de frecuencia, f, amplitud, |I(x)| y fase φ.
Cuando la longitud de la línea de transmisión es mucho menor que la longitud de onda
de la señal que se propaga, el problema de resolver la potencia disipada en la carga
se resuelve de manera muy simple, aplicando las ecuaciones básicas de teoría de
circuitos, tales como la Ley de Ohm, V=IR o la expresión de la potencia P=kVI.
Sin embargo cuando la longitud de la línea se hace comparable a la longitud de onda,
los resultados obtenidos por el procedimiento anterior ya no son válidos. Es necesario
emplear otro modelo para la línea de transmisión. Dicho modelo es el denominado
modelo de constantes distribuidas, frente al clásico de constantes concentradas.
Consiste en suponer la línea de transmisión compuesta por infinitas células de
constantes concentradas, que para el modelo de línea sin perdidas se trata de células
LC, tal como se muestra en la figura 3.10.
Vemos que el valor de las capacidades y de la inductancias viene expresado en
Faradios y Henrios por unidad de longitud. A estos valores se les denomina
constantes primarias.
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Figura 3.10.- Modelo de línea de transmisión sin perdidas.
Si la línea presenta perdidas, el modelo se complica añadiendo elementos resistivos
en serie con las inductancias y en paralelo con las capacidades.
Aún así este modelo de constantes primarias no es muy versátil para trabajar con el y
se recurre entonces a definir unas constantes secundarias mas adecuadas: La
Impedancia característica de la línea de transmisión ( Z0 ) y la constante de
propagación.
Que expresan valores relacionados con la capacidad para la transmisión de las
señales de un determinado cable: Reflexiones, atenuación y desfase. Estos valores,
en algunos casos dependen de la frecuencia.
Los efectos de las reflexiones en la transmisión de datos pueden hacer que se
incremente la tasa de errores y sea imposible su utilización. En la figura se muestra la
captura de una señal digital afectada por reflexiones.
Figura 3.11.- Señal degradada por múltiples reflexiones
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3.1.4.- Medios de Transmisión Guiados
Los sistemas de transmisión por línea emplean como medios de transmisión los
diferentes tipos de cables: Cable de pares, par trenzado, cable coaxial, fibra óptica,
etc.
En los medios de transmisión guiados, la capacidad de transmisión, tanto en ancho de
banda como en velocidad de transmisión, depende críticamente de la distancia así
como si el medio se emplea para transmisión punto a punto o punto-multipunto, caso
de una red de área local.
En la tabla 1 se muestran algunas de las características de estos medios para una
transmisión punto a punto.
Tipo de cable Velocidad de
transmisión tipica
Ancho de banda
tipico
Longitud sección de
repetición
Par trenzado 4 Mbps 3 MHz 2 a 10 Km
Cable coaxial 500 Mbps 350 MHz 1 a 10 Km
Fibra óptica 2 Gbps 2 GHz 10 a 100 Km
Tabla 1
Existen multitud de tipos de cables comerciales, la mayoría de ellos normalizados por
organismos dedicados a la estandarización, para aplicaciones especificas. Todos los
cables se basan en la inclusión de un único par de cobre o de múltiples pares para así
incrementar la capacidad.
Par Trenzado
Figura 3.12.- Aspecto de un cable de par trenzado.
Es un tipo de cable económico y quizá el más ampliamente utilizado en la actualidad
en redes de área local.
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Se trata de un par de hilos de cobre aislados trenzados formando una espiral con un
paso determinado. Su impedancia característica suele ser alta y en los empalmes se
producen desadaptaciones de impedancia lo que provoca reflexiones. No es apto para
propagar señales de muy alta frecuencia.
El motivo de trenzar los hilos es para aumentar su escasa inmunidad al las fuentes de
ruido externo y asimismo provocar menor señal interferente electromagnética, EMI.
Junto con el trenzado, se suele recurrir a configuraciones de tensión balanceadas para
aumentar la inmunidad a señales interferentes.
Figura 3.13.- Generador de seña balanceada como driver de línea
Es fácil de conectar y de bajo coste. En función del nivel de protección contra
interferencias, los cables de pares trenzados sin malla de protección, UTP, se
encuentran normalizados en 5 categorías, de las cuales, la mas empleada en la
actualidad en el cableado de redes de área local es el UTP-categoría 5.
Este acepta hasta 100 Mbps de velocidad binaria. Esta compuesto por 4 pares de
cobre trenzados, con una trenza cada centímetro.
A la velocidad de 16 Mbps posee una atenuación de 8.2 dB/100m mientras que a 100
Mbps posee una atenuación de 22dB/100m.
Cable Coaxial
Existe una amplia variedad de tipos de cable coaxial. En general es el medio con
mejores prestaciones desde el punto de vista de:
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• Atenuación • Facilidad de interconexión. • Protección frente a interferencias • Ancho de banda.
En la figura 3.14 se muestra la estructura típica de un cable coaxial.
Figura 3.14.- Estructura de un cable coaxial
Y en la figura 3.15 se muestra la apariencia de diferentes tipos de cables coaxiales
comerciales.
Figura 3.15.- Apariencia de diferentes cables coaxiales
Los parámetros mas importantes que definen un cable coaxial son su impedancia
característica, Z0 y su atenuación. La Z0 de un cable es una función de sus
dimensiones físicas y de la constante dieléctrica del material dieléctrico empleado en
su construcción.
€
Z0 =60εrLn b
a⎛
⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟ Ohmios
En la figura 3.16 se muestra la sección de un cable coaxial con diámetro del conductor
interior 2a y diámetro del conductor exterior igual a 2b. El dieléctrico de que se
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encuentra relleno tiene una constante dieléctrica relativa εr , que en el caso típico del
teflón tiene un valor de 2.1
Figura 3.16.- Sección de un cable coaxial
Por otro lado, la atenuación que un cable introduce a la señal es función de la
conductividad de los metales con que está fabricado, de la calidad del dieléctrico y
también de sus dimensiones físicas y por tanto de su impedancia característica. Las perdidas debidas a los conductores vienen expresadas por
dB/m
donde
es la parte real de la impedancia superficial del conductor. Depende de la frecuencia y
de la conductividad del metal. Analizando estas expresiones vemos que las perdidas debidas a los conductores es
proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, k .
Cables típicos muy usados son los siguientes:
Denominación Z0 Ω, Velocidad de Propagación
Atenuación dB/100m (10 MHz)
Atenuación dB/100m (100 MHz)
RG 58 U 50 0.66c 4.9 65 RG 174 U 50 0.66c 12.8 98.4 RG 218 U 50 0.66c 0.75 12 Tabla 2
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Línea de Fibra óptica
Por ser un medio de transmisión totalmente dieléctrico (aislante), la fibra óptica
presenta ciertas características cuando se compara con los medios de transmisión
convencionales, basados en conductores metálicos.
Las propiedades básicas de una fibra óptica son:
• bajas pérdidas.
• Gran ancho de banda
• diámetro pequeño.
• bajo peso
• radio de doblez pequeño (small bending radius)
• inmunidad contra perturbaciones electromagnéticas.
Esto hace que sea un medio de transmisión muy útil con características tales como:
• espaciamiento largo del repetidor
• amplia capacidad de transmisión
• simplicidad de instalación
A continuación realizamos una breve comparación entre los cables convencionales y
las fibras ópticas:
Atenuación.
Las fibras ópticas comparadas con los cables metálicos poseen unas atenuaciones
extremadamente bajas. Mientras en un cable multipar, calibre 0.4 mm, se pueden
presentar atenuaciones de 1.6 decibelios en un Km, hoy en día se han logrado fibras
ópticas con atenuaciones de 0.1 decibelios por kilómetro.
Capacidad de transmisión
La fibra óptica tiene una capacidad superior de transmisión comparada con los
sistemas de cables metálicos; en éstas se puede transmitir en el orden de los
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Gigabit/seg, mientras que en los cables de cobre se logra trasmitir solamente en los
Megabits/seg.
Interferencias electromagnéticas
Las fibras ópticas son inmunes a las interferencias originadas por otros sistemas
eléctricos. Una fibra óptica puede ser instalada en líneas de alta tensión y no sufrir
ninguna influencia de los campos electromagnéticos que éstas generan.
El cable metálico ante la presencia de un campo electromagnético introduce ruidos y
diafonías en la comunicación.
Reducción del peso y tamaño del cable
Un cable de 6 fibras ópticas puede tener un diámetro exterior de 8 a 10 mm y ofrecer
la misma capacidad de transmisión de información de 10 cables de 2.400 pares de
cobre.
En cuanto al peso del cable de fibra, se pueden obtener 300 kgr/Km, pudiéndose así
transportar varios kilómetros de cable en una misma bobina. No sucede lo mismo con
un cable metálico multipar, donde un solo metro de él puede pesar hasta 8 Kgs o más.
Materia prima
La materia prima fundamental empleada en la fabricación de la fibra óptica es el
Dióxido de silicio (SiO2), elemento muy abundante en la naturaleza pues forma una
cuarta parte de la corteza terrestre.
Seguridad
Puesto que las fibras ópticas no irradian energía electromagnética, la señal por ellas
transmitida no puede ser captada desde el exterior, por esto algunas aplicaciones
militares apoyan en esta propiedad para incrementar la seguridad de las
comunicaciones.
Coste
Sin embargo, el coste de circuitería necesaria para la conversión electro óptica sigue
siendo excesivamente alto, lo que reduce el empleo de las líneas de fibra a las
denominadas líneas troncales de alta capacidad.
En la figura 3.17 se muestra la estructura de una fibra óptica.
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Figura 3.17.- Aspecto de un cable de fibra óptica
La propagación guiada de las señales electromagnéticas a través del núcleo
dieléctrico que compone la fibra se lleva a cabo mediante un cuidado diseño de
parámetros tales como la constante dieléctrica y el diámetro del núcleo.
En la figura 3.18 se muestran los posibles perfiles de variación del índice de
refracción, empleados típicamente en las fibras comerciales: Salto de índice e índice
gradual
Figura 3.18.- Estructura de las fibras ópticas: Salto de índice e índice gradual. Multimodo y monomodo.
22
En función del diámetro del núcleo se consigue que la energía electromagnética se
propague mediante una única posible configuración o modo de los campos eléctrico y
magnético (monomodo) o mediante varias posibles configuraciones, multimodo. Se
tienen por tanto, las denominadas fibras monomodo y fibras multimodo. Esto afecta
principalmente a la dispersión, mostrada en la figura 3.18 como un ensanchamiento de
los pulsos digitales introducidos a la entrada.
La propagación monomodo es la que emplea un diámetro de núcleo mas pequeño y
por tanto tecnológicamente mas difícil de conseguir. Es la menos dispersiva y en la
actualidad la que se prefiere por sus grandes ventajas, entre otras la gran longitud de
las secciones de regeneración.
La atenuación de la fibra varía, actualmente, entre 0.2 y 5 dB/km en el rango de
longitud de onda de 0.8-1.7 µm. Un factor principal causante de pérdida es la
absorción. En la figura 3.19 se muestra la típica curva de atenuación total.
Figura 3.19.- Curva de atenuación total en las fibras ópticas: Ventanas de utilización.
En la figura 3.20 se muestran las denominadas ventanas de frecuencia en que
trabajan los sistemas de comunicaciones por fibra óptica.
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Figura 3.20.- Ventanas de frecuencia empleadas en la transmisión por fibra óptica
Lo que encarece principalmente a los sistemas por fibra óptica son los interfaces
eléctrico-óptico y los óptico-eléctrico y la electrónica que conllevan.
Como fuentes de luz que se suelen emplear en los sistemas de transmisión
por fibra óptica tenemos: El diodo LED (“ Light emitting diode”) y el diodo laser, LD
(“Laser diode”). Ver figura 3.21.
Figura 3.21.- Estructura de los emisores de luz y los detectores de luz.
Los convertidores O/E (opto-eléctricos) adecuados son los fotodiodos PD ( Photo
diode) y los fotodiodos de avalancha, APD (Avalanche photo diode).
La figura 3.22 se muestra un típico dispositivo receptor de fibra óptica basado en un
fotodiodo.
Figura 3.22.- Receptor óptico. Configuración Básica
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3.2. Puertos serie normalizados: RS232, RS422, Infrarrojos,
USB.
El empleo de la transmisión digital banda base en serie es mas económica que la
transmisión paralelo, dado el ahorro en cables conductores con respecto a la
transmisión paralelo.
Hace años, la transmisión serie era sinónimo de baja velocidad aunque en la
actualidad esto ya no es así.
La conexión punto a punto unidireccional o bidireccional entre dos extremos es una de
las aplicaciones primeramente desarrollada. Este es el caso de la conexión entre un
ordenador y una impresora u otro dispositivo periférico.
Es necesario establecer un PROTOCOLO conocido en ambos extremos para poder
realizar la transmisión
En transmisión serie se distinguen dos tipos de formatos:
Transmisión síncrona
Transmisión asíncrona.
La primera requiere el envío de la señal de reloj pero consigue mas velocidad. Como
el reloj es el mismo para el transmisor como para el receptor no se requiere una alta
estabilidad de éste. La transmisión asíncrona en general es mas lenta pero es la mas
económica, tanto por el ahorro en cables como por lo que significa de receptores mas
sencillos y por tanto mas económicos.
Comunicaciones asíncronas.
No se requiere el envío de señal de reloj. Pero requiere que los osciladores del
transmisor y el receptor sean lo suficientemente estables.
El receptor detecta el cambio de un nivel de tensión o de corriente en un determinado
pin para darse por enterado de que se inicia un proceso de comunicación. El estándar
mas clásico de este tipo es el RS232.
Comunicaciones síncronas.
La idea fundamental se encuentra en que el reloj se envía junto con los datos
(utilizando una codificación adecuada) o en una línea dedicada. De esta forma no es
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necesario preocuparse por la sincronización o los desfases producidos al enviar una
gran cantidad de datos (esto es, no es necesario enviar señales de control, como en el
caso asícrono.
Protocolos de comunicación mas empleados.
BISYNC
Históricamente, el precursor delos protocolos asíncronos fue el Bisync (binary
synchronous). Estába orientado originalmente a enviar caracteres ASCII, aunque se
extendió, en posteriores versiones, para enviar caracteres binarios. Cuando no hay
nada que enviar se transmite, por defecto, el carácter ASCCII $16, que es el carácter
nulo (null) y permite mantener sincronizado al receptor con el emisor. Este código
utiliza técnicas de corrección de errores, incluyendo, algunas versiones, al final de
cada grupo de paquetes un “cheksum”. Otras versiones de Bisync utilizan códigos
correctores de error denominados “cyclic redundancy check (CRC)”, basándose en
técnicas de manipulación de polinomios. Este protocolo ha evolucionado para conectar
varios terminales remotos a un procesador, (multi-drop). Este protocolo tiene como
fundamental limitación que sólo se puede utilizar en transmisiones half-duplex.
SDLC
Otro protocolo, desarrollado por IBM fué el Synchromous Data Link control (SDLC) y
sus versiones ANSI (ADCCP) y CCITT (HDLC). La idea básica de funcionamiento es
que mientras no existe transmisión se envían “1” (Idle condition) o un byte de “flag”
($7E=%01111110). Este byte de flag termina un paquete y puede comenzar el
siguiente. Para evitar repetir esta estructura de “flag” los datos se modifican para que
no se transmitan más de 5 “1” seguidos, insertando un valor “0” si esto ocurre; esto es,
los datos “0010011111110” se envía como “00100111110110”, mientras que los datos
“0010011111010” se envía como “00100111110010”. El paquete consta de un byte de
dirección de estación, un byte de control.
Después se envián tantos bytes de datos como sean precisos y por último se envía un
byte de test (CRC). Por último se envía un byte de flag.
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Este protocolo se puede implementar en comunicaciones full-duplex, puede enviar
datos de longitud arbitraria y es una buena elección para enviar paquetes grandes con
alta velocidad de transferencia.
X.25
El protocolo X.25 es un protocolo de tres niveles establecido por el CCITT para
grandes volúmenes de datos. Los niveles físicos y de conexión se toman de una
versión del protocolo anterior (HDLC). Además especifica el nivel de red (network
level) como de conmutación de paquetes (packet switching). De esta forma se permite
que paquetes de un mensaje se envíen por la red por diferentes caminos, mejorando
la eficiencia de la red.
USB
Con el bus USB se pretende dar a todos los dispositivos que rodean al PC un medio
único de comunicarse con el ordenador. USB es el acrónimo de Universal Serial Bus,
o Bus Serie Universal para nosotros. USB es una conexión de tipo serie entre
dispositivos que pretende unificar todos los dispositivos conectados. Es decir, los
periféricos USB comparten un mismo canal de comunicación con el ordenador.
El mecanismo que se utiliza para conectar los dispositivos USB al PC es muy versátil.
El propio ordenador es el primero que tiene conectores USB, pues hasta él tiene que
llegar la información proveniente de los dispositivos. La flexibilidad reside en el hecho
de que los periféricos cuentan a su vez con conexiones USB hacia el exterior.
La primera ventaja de esta disposición es clara, ya que se reduce el número de cables
dentro del ordenador, pues las conexiones se reparten. Por otro lado, la gestión de los
dispositivos es más fácil para el sistema operativo, que no va a tener que preocuparse
de gestionar varias líneas de interrupción y de I/O (Entrada/Salida).
En cualquier caso, algunos componentes van a centralizar la mayor parte de las
conexiones. Los elegidos para esta función son el teclado, el monitor y por supuesto el
PC, que se unirán a los demás. Estos elementos se encargarán de terminar
adecuadamente la cadena USB, además de proporcionar conectores.
La interfaz USB es relativamente rápida. El ancho de banda teórico es de 12 Mbits por
segundo, que se comparte entre los dispositivos conectados al canal de comunicación.
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07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa
27
También se contempla un modo de baja velocidad de 1,5 Mbits/s para periféricos
lentos como los ratones o joysticks.
El máximo de dispositivos es de 126 siempre teniendo en cuenta que tienen que
repartirse el ancho de banda de 12 Mbits/s. Además dispone de funciones de
autoconfiguración.
La transmisión de datos sobre las líneas USB se hace mediante codificación NRZI de
bits. Para ello se emplean voltajes de 5 voltios para la alimentación del bus,
utilizándose una lógica CMOS de 3,3 voltios; los conectores USB constan de 4 pins.
Con estas características eléctricas se pueden utilizar segmentos de cable de cinco
metros de longitud.
FireWire o IEEE 1394
El FireWire se dirige a los dispositivos de alta velocidad como cámaras de
vídeo, impresoras profesionales, etc. Si con USB se intenta hacer más flexible la
conexión de dispositivos al PC, el FireWire intenta ganar en velocidad. Con este nuevo
estándar se apunta más alto dentro de los sistemas de conectividad.
La principal característica de FireWire es su elevado ancho de banda de transmisión.
Este puerto de alta velocidad es capaz de ofrecer velocidades de 100, 200 y 400
Mbits/s. Por si esto fuera poco, se están investigando soluciones que podrían ofrecer
desde 1 a 8 Gbits/s en el futuro.
Pero FireWire, en principio tiene un ancho de banda de 200 Mbits/s. Si dentro de la
cadena de periféricos tenemos uno que sólo es capaz de funcionar a un máximo de
100 Mbps, y que requiere usar el bus el 60 por ciento del tiempo, entonces sólo
dispondremos de la teórica velocidad de 200 Mbps para los dispositivos que la
aguanten un 40 por ciento del tiempo.
Los principales beneficiados por la inclusión de FireWire, como opción de conectividad
para los ordenadores PC, van a ser los productos que operan con transmisiones de
datos síncronas como la imagen. De hecho, el desarrollo de este estándar viene
motivado por productos como cámaras digitales o los lectores de discos de vídeo
digital (DVD).
En cuanto al esquema de conexión de dispositivos es muy similar al de USB. Las
conexiones se reparten entre los periféricos conectados, reduciéndose la longitud de
28
los cables. Una tremenda ventaja del IEEE 1394 es que los dispositivos pueden
comunicarse entre ellos sin tener que mediar la CPU.
El conector que lleva las señales a través de este bus consta de seis cables. De ellos,
cuatro se usan para transmitir la señal y dos para llevar la alimentación eléctrica que
podrá variar entre 8 y 40 voltios con un máximo de 1,5 amperios de corriente. La
longitud máxima de cables que asegura un buen funcionamiento es de 4,5 metros,
aunque es posible aumentar estas distancias con cables de calidad.
Para mas información sobre otros protocolos (ver tutorial de comunicaciones
industriales)
3.3. Buses de interconexión: RS485, CAN, Ethernet.
La conexión tipo bus, donde uno emite y muchos reciben (maestro-esclavo) o todos
emiten y todos reciben (multimaestro) es muy usada cuando hay que interconectar
muchas entidades, por el significativo ahorro de cables de conexión, entre otras
razones.
Este tipo de estándares suelen tener en común que transmiten señales bipolares para
conseguir mayor inmunidad a las señales de ruido en modo común que se suman a
los conectores del cable empleado.
Para una misma tasa de errores consiguen mayor velocidad de transferencia o mayor
longitud física entre el transmisor y el receptor.
Figura 3.23.- Ejemplo de configuración del bus CAN, ampliamente empleado en el automóvil.
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29
Existe numerosa información bibliográfica sobre todos estos estándares que se
recomienda consultar en caso de necesidad o curiosidad.
3.4. Transmisión por canales paso banda.
Mediante las técnicas de modulación se consigue trasladar el espectro de la señal
banda base a un determinado canal. Las razones de esto son principalmente:
Utilización simultanes de multiples usuarios de un determinado medio de
transmisión: cable, fibra o canal radio. Técnicas de acceso multiple (FDMA,
TDMA, CDMA, SDMA).
Criterios de propagación de las señales electromagnéticas en determinados
medios de transmisión según la banda de frecuencia usada.
Criterios de asignación de frecuencias a determinados servicios por parte de la
Unión Internacional de Telecomunicaciones.Gestión del espectro radioeléctrico.
La información de banda base que se desea enviar necesita ser transportada
mediante una señal de mayor frecuencia. A este proceso se le denomina
MODULACION, mientras que al proceso inverso se le denomina DEMODULACION.
Para realizar comunicaciones biireccionales, en cada exteremo habrá que colocar
tanto un modulador como un demodulador. Si además, estos se colocan dentro de un
mismo encapsulado, se le suele denominar MODEM.
Figura 3.24.- Traslación de frecuencia llevada a cabo en las comunicaciones inalámbricas. Ejemplo de un
proceso de modulación.
30
3.5. Introducción a la transmisión inalámbrica. Técnicas RFID
La transmisión por radio o “wireless” presenta como principal ventaja la movilidad
entre emisor y receptor y el no necesitar cables entre los extremos de conexión. Las
antenas son los dispositivos claves en la transmisión por radio ya que son las
encargadas de emitir y recibir las ondas electromagnéticas al medio de transmisión,
que en este caso es el aire o el vacío.
Figura 3.25.- Diagrama de bloques simplificado del proceso empleado en la transmisión radio.
Entre las principales características de las antenas podemos destacar:
Su ganancia por directividad. Es decir, su capacidad para concentrar la energía
electromagnética en determinadas direcciones del espacio. El diagrama de
radiación de una antena es esencial conocerlo para poder conseguir el enlace.
La ganancia se suele expresar en decibelios, dB, con respecto a la antena
isotrópica. Siendo ésta aquella que radia por igual en todas las direcciones.
Margen de frecuencia o ancho de banda.
Su forma física, que depende de la banda de frecuencias y de la ganancia. En
general el tamaño de las antenas disminuye a medida que la frecuencia de
trabajo es mas alta.
Otros parámetros son sus pérdidas de inserción, rendimiento, polarización, etc.
Como principal inconveniente de la transmisión inalámbrica se tiene la dificultad de
compartir el espectro electromagnético por diferentes servicios simultáneamente dado
que la ondas de radio se interfieren. La UIT-R es el organismo encargado de la
asignación del espectro.
Existen múltiples estándares y aplicaciones basadas en la transmisión inalámbrica.
Los mas conocidos son:
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Redes de telefonía celular: GSM, GPRS, UMTS.
Comunicaciones por satélite.
Redes WIFI y WIMAX.
Sistemas GNSS, RFID, UWB, etc.
…
En la figura 3.25 se muestra el proceso seguido en la transmisión de una señal banda
base entre dos puntos separados R metros. En el caso habitual de comunicaciones
digitales, inicialmente la señal banda base se hace pasar por un coder encargado de
digitalizar y codificar digitalmente la información. A continuación se hace pasar por un
modulador encargado de trasladar el espectro al entorno de una señal de frecuencia
determinada.
El proceso de traslado al canal asignado se suele llevar en una etapa de conversión
IF/RF o en dos etapas de conversión. En este módulo se emplean técnicas de diseño
analógico especificas para altas frecuencias.
El desarrollo de sistemas transmisores transmisores de pequeñas dimensiones ha
permitido que las comunicaciones inalámbricas alcancen un nivel de penetración en el
mercado sin precedentes. Aplicaciones tales como redes de sensores, sistemas de
telecontrol y telemedida son ejemplos típicos.
El nacimiento de protocolos radio robustos y con gran capacidad de transmisión han
impulsado este tipo de comunicaciones.
3.5.1 RFID como tecnología de posicionamiento y seguimiento
Probablemente, los sistemas RFID, por su necesidad de miniaturización están mas
próximos a los sistemas embebidos que otros tipos de transmisiones inalámbricas.
En los últimos años, la identificación por radio frecuencia se ha convertido en una
aplicación que ayuda en la gestión de productos y materiales a lo largo del ciclo de
producción. Sin embargo, las aplicaciones en donde esta tecnología encuentra
aplicación van mucho más allá, pasando, por ejemplo, por el etiquetado de productos
en grandes almacenes, o el seguimiento de vehículos. RFID (Radio Frequency
32
Identification) permite la identificación desde una distancia prudencial, pero, a
diferencia del tradicional código de barras, realiza dicha función sin requerir una línea
de visión directa. Mediante un receptor/lector se pueden leer las etiquetas, las cuales
contienen un identificador único y pueden incorporar, además, información adicional,
como fabricante, tipo de producto, e incluso medir factores medioambientales como la
temperatura. El lector RFID puede leer multitud de etiquetas localizadas en el área de
cobertura, lo cual presenta una ventaja añadida frente a los tradicionales sistemas de
identificación de productos.
A pesar de que la tecnología RFID ha estado presente desde hace unos cincuenta
años atrás, la implementación masiva se ha llevado a cabo recientemente. La razón
principal ha sido el coste de producción. Puesto que el principal ámbito de uso de esta
tecnología se ha centrado en la identificación de productos, el coste de producción
debía competir con el coste del tradicional sistema de identificación, basado
principalmente en símbolos impresos en etiquetas situadas en los productos. Poco a
poco, el precio de la electrónica ha descendido y, si se considera una producción
masiva de dichas etiquetas RFID, el precio, a pesar de nunca llegar a ser tan bajo
como el de los sistemas de antaño, llegará a ser aceptable si se tiene en cuenta las
información adicional de la que se podría disponer.
3.5.2.- Principios de RFID
Los sistemas RFID están compuestos por dos partes bien diferenciadas: la etiqueta y
el lector. Una etiqueta RFID consiste en un microcontrolador, una antena y un material
que encapsula los dos primeros elementos. El lector se conecta con el sistema de
información encargado de la gestión. Esto puede observarse en la figura 3.26.
Figura 3.26.- Elementos de un sistema RFID
Tal y como se muestra en la figura 3.27, el lector inicia el proceso de identificación
generando un campo de radio frecuencia, produciendo una diferencia de voltaje en la
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antena de la etiqueta gracias a un acoplamiento inductivo o capacitivo. La etiqueta
detecta este cambio y después de autenticar al lector, responde transmitiendo el
identificador que contiene.
Figura 3.27.- Funcionamiento de RFID. La antena del lector emite la energía necesaria para que la
etiqueta transmita su identificador
Las etiquetas RFID pueden ser activas o pasivas, dependiendo de si son
completamente alimentadas por el campo de radio frecuencia transmitido por el lector
o de si contienen una fuente de energía adicional. Cada tipo de sistemas tiene sus
propias ventajas; sin embargo, su aplicabilidad depende en gran medida de la
frecuencia a la que funcione. En la tabla 3 se resumen alguna de las principales
aplicaciones de RFID, dependiendo de la frecuencia usada.
Banda de Frecuencia Características Aplicaciones Típicas
Ultra High Frequency (UHF)
2.4-5.8 GHz
50-950 MHz
• Largo alcance
• Alta velocidad de
comunicación
• Necesidad de línea
de visión
• Tecnología cara
• Monitorización de
vehículos
• Sistemas de peaje
electrónico
• Identificación de
vehículos
High Frequency (HF)
10-15 MHz
• Alcance medio
• Tecnología no
demasiado cara
• Velocidad de
comunicación media
• Control de accesos
• Tarjetas inteligentes
• Etiquetado
34
Low Frequency (LF)
100-500 KHz
• Pequeño alcance
• Baja velocidad de
comunicación
• Tecnología barata
• Control de accesos
• Identificación de
animales
• Control de inventario
• Inmobilizador de
vehículos
• Automatización de
factorías
Tabla 3 Características y aplicaciones de RFID en las diferentes frecuencias
3.5.3. Sistemas RFID activos
Las etiquetas activas requieren una fuente de alimentación, ya sea una conexión a la
red eléctrica del producto al que identifica, o la integración de una batería añadida. Las
etiquetas activas alimentadas por batería interna tienen, por tanto, un tiempo de vida
determinado por la duración de la misma. Dicha duración se suele medir en
operaciones de lectura. Como ejemplo de una etiqueta activa tenemos la que puede ir
situada en el parabrisas de un vehículo, con tal de identificarlo.
Estas etiquetas pueden ser leídas desde una distancia considerable, que puede
exceder los cien metros. Además, presentan una comunicación fiable, aunque limitada
por su tiempo de vida, tal y como se ha dicho. La frecuencia de comunicación suele
estar entre los 2.45 GHz y los 5.8 GHz. La aplicabilidad de estos sistemas, puede
verse pues en la Tabla 2, fijándonos en los sistemas que funcionan a altas
frecuencias. Un ejemplo de su aspecto puede comprobare en la Fig. 3.29. Las
etiquetas completamente autocontenidas (como la de la figura) contienen en el propio
embase el microcontrolador y la antena, a la vez que la batería para su
funcionamiento. La de la figura 3.28 usa una batería de litio de buena calidad, lo que
alarga su vida útil hasta muchos años.
Figura 3.28.-Etiqueta RFID activa para le identificación de vehículos
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3.5.4. Sistemas RFID pasivos
El problema de las etiquetas activas radica en el coste, tamaño y en el tiempo de vida.
Es por esto que las etiquetas pasivas presentan una mejor elección para ciertos
ámbitos, ya que no requieren de mantenimiento ni batería. Las etiquetas, al no requerir
de alimentación, tienen un tiempo de vida indefinido y presentan, además, un tamaño
ínfimo. El lector es responsable de alimentar y comunicarse con la etiqueta. La antena
captura la energía y la usa para devolver el identificador guardado en el interior. El
encapsulado mantiene la integridad de la etiqueta y protege a la antena y al chip de
las condiciones medioambientales. Dicho encapsulado puede ser un pequeño cristal o
una lámina de plástico adhesiva, tal y como se puede apreciar, respectivamente, en
las dos fotografías de la figura 3.29.
Ya que no requieren de una fuente alternativa de energía, las etiquetas RFID pasivas
continúan funcionando aunque su embase pueda estar dañado o estén en desuso. Sin
embargo, en circunstancias normales, éstas solamente pueden ser leídas desde unos
pocos centímetros, y los datos transmitidos contienen un alto ratio de errores.
Figura 3.29.- Etiquetas RFID pasivas. A la izquierda un encapsulado de crista de 1 cm, y a la derecha un
encapsulado de plástico adhesivo de 5x5 cm
Existen dos aproximaciones para la transmisión de energía desde el lector a la
etiqueta: inducción magnética y captura de ondas electromagnéticas. Ambos sistemas
pueden transferir suficiente energía como para permitir su funcionamiento, entre los 10
uW y 1 mW, dependiendo del modelo. Usando varias técnicas de modulación, estos
métodos permiten, además, la transmisión y recepción de datos. La frecuencia de
transmisión se encuentra principalmente entre los 10-15 MHz y 100-500 KHz.
Observando de nuevo la Tabla 3 se puede comprobar cómo la segunda y tercera fila
comprenden a los típicos sistemas basados en etiquetas pasivas.
3.5.5. Sistemas RFID pasivos de largo alcance
36
Como bien se ha expuesto en el apartado anterior, la frecuencia de transmisión en los
sistemas RFID pasivos es significativamente baja. Esto hace que, de forma inherente,
la velocidad transmisión sea poco elevada. Además, el hecho de no usar alimentación
propia hace que el rango de alcance sea poco elevado (en torno a los pocos metros a
lo sumo). Cómo método para solucionar estos inconvenientes, sin abandonar la
comodidad de los sistemas pasivos en cuanto al precio y al no uso de batería, existe
una tendencia en el mercado hacia el desarrollo de sistemas pasivos UHF RFID. Las
ventajas de estos sistemas frente a los típicos pasivos están en una mayor distancia
de funcionamiento, a la vez que se sigue prescindiendo de una alimentación autónoma
de las etiquetas y consiguiendo bajos costes de producción.
3.5.6. Cuestiones de rendimiento
La frecuencia a la que opera un sistema RFID tiene importantes implicaciones en su
rendimiento. Por ejemplo, un sistema de seguridad basado en RFID con tarjetas suele
operar entre los 125 y los 134 KHz, donde las distancias de lectura son pequeñas,
pero las señales de radio frecuencia no son absorbidas completamente por el agua. Si
consideramos este tipo de aplicaciones, el uso de bajas frecuencias es fundamental
para que las ondas consigan transmitirse a través del cuerpo humano, el cual está
compuesto principalmente por agua.
Los sistemas RFID de nueva generación, diseñados para supermercados, usan la
frecuencia de operación de 800 MHz (Europa) o 900 MHz (USA), ofreciendo un gran
alcance y mayores velocidades de transmisión, requeridas en ciertos casos, como por
ejemplo en la identificación de todos los artículos incluidos en un carro de compra. El
problema en este caso radica en que las señales son fácilmente absorbidas por el
agua, o no son capaces de atravesar las capas de metal que pueden utilizarse en
ciertos envases de productos. Consecuentemente, el hecho de que exista una botella
de agua en un carro de compra puede evitar que la identificación de todos los
productos no sea precisa.
Como en muchos ámbitos en la tecnología, el uso de un determinado tipo de
transmisión dependerá del ámbito de aplicación sobre el que se quiera implantar el
sistema RFID.
3.5.7. Incorporación de sensorización a RFID
Uno de los aspectos más intrigantes de las nuevas etiquetas RFID consiste en la
inclusión de información que, fuera de estar almacenada de forma estática, como el
típico identificador, se genere dinámicamente a través de sensores incluidos en el
encapsulado. Algunas versiones comerciales de RFID pueden ya asegurar que ciertos
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parámetros críticos del entorno no han sido excedidos. Por ejemplo, si el personal de
descarga de una industria deja un paquete en el suelo, el impacto puede dañar el
producto. Un sensor de presión puede proporcionar un simple bit de información que
puede ser devuelto junto con el identificador, alertando del problema al sistema de
gestión.
Otra aplicación de la sensorización en RFID es la que se encuentra en relación a la
logística en productos de alimentación. Normalmente, productos como la carne, fruta,
y preparaciones diarias no pueden exceder una temperatura crítica durante el
transporte, con tal de que el consumidor no se vea afectado. Existen productos
comerciales que incluyen, junto con la tecnología RFID, un sensor de temperatura que
podría asegurar que se mantienen bajo un rango de temperatura.
También se han desarrollados sistemas de detección de apertura de los embases
usados en determinados productos. De esta forma, mediante un sensor magnético o
un cable conectado directamente en la tapadera de un producto, el chip RFID puede
informar de si éste ha sido abierto.
3.5.8. Regulación y estandarización
En cuanto al uso de frecuencias en RFID, no existe ningún cuerpo mundial que se
encargue de regularlas. En principio, cada país es responsable de establecer sus
propias reglas en este ámbito. Los sistemas LF (Low Frequency) y HF (High
Frequency) pueden ser usados globalmente sin ninguna licencia. Lo sistemas UHF
(Ultra High Frecuency) no pueden ser usados globalmente puesto que no existe un
estándar mundial. En Norte América, UHF puede ser usado sin licencia en la banda de
los 902-928 MHz, pero existen restricciones en cuanto a la potencia de transmisión.
En Europa, RFID y otras aplicaciones radio de baja potencia están reguladas por las
recomendaciones ETSI EN 300 220 y EN 302 208, y por las recomendaciones ERO
70 03. Éstas permiten el funcionamiento RFID en la banda 865-868 MHz. En China y
Japón no existe una regulación para el uso de UHF. Cada aplicación de UHF en estos
países necesita una licencia especial. Para Australia y Nueva Zelanda la banda 918-
926 MHz está disponible, pero existen restricciones en cuanto a la potencia de
transmisión.
Algunos estándares que han sido realizados en cuanto a la tecnología RFID son los
siguientes:
ISO 11784, 11785 y 14223/1. Éstos regulan la identificación de animales por radio
frecuencia.
38
ISO 14443. Es un estándar popular para la banda HF. En algunos países se está
concibiendo la idea de que sea usado para la inclusión de tecnología RFID en los
pasaportes.
ISO 15693. También conocido por transmisión en HF, para tarjetas de pago sin
contactos y tarjetas de crédito.
ISO 18000. Aglutina reglamentación para gran cantidad de frecuencias y
estructuras de datos para RFID en general.
EPCglobal. Presenta un framework de estandarización que contempla gran
cantidad de las consideraciones hechas por ISO y otras organizaciones. Los
grandes distribuidores de mercancías y clientes gubernamentales apuestan por él.
3.5.9. Implicaciones asociadas a la privacidad
Quizá una de las repercusiones más importantes de la tecnología RFID hoy está
relacionada con el uso de grandes sistemas de información conectados a Internet: los
identificadores obtenidos desde las etiquetas pueden ser usados para pedir o
actualizar bases de datos que mantengan información sobre objetos o, lo que es más
polémico, de personas.
Por ejemplo, dando el código electrónico de un producto obtenido de un
supermercado, un sistema global podría localizar y obtener información sobre dicho
elemento, de forma similar a como un DNS podría traducir nombres de dominio en
direcciones IP. Esta información estaría relacionada con el elemento identificado en
particular, y no solamente se extraería el tipo de producto, tal y como se daba con los
sistemas basado en códigos de barras.
Usualmente, después de que una tecnología ha sido implantada, los usuarios se dan
cuenta de que su intimidad puede estar comprometida. Por ejemplo, en los sistemas
electrónicos de peaje se han llegado a usar etiquetas activas que, además de servir
para el cobro de tasas en autopistas, también pueden usarse para registrar la
velocidad, útil para la gestión del tráfico y, sin embargo, cuestionable desde el punto
de vista de la privacidad del conductor, ya que la localización de los conductores
queda registrada.
Otro problema inherente de la tecnología RFID la podemos encontrar en el hecho de
que el usuario no es consciente de cuándo la comunicación se lleva a cabo.
Simplemente cabe considerar un caso en donde una tienda de ropa etiqueta los
productos con tarjetas RFID. Si bien desde el punto de vista de la tienda esto mejora
la gestión del stock, si tenemos en cuenta que la tienda puede fallar en la eliminación
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o desactivación de la etiqueta, sería factible un seguimiento de los clientes cada vez
que vistiesen la prenda en cuestión, o incluso otras. Las tiendas podrían utilizar dicha
información para recopilar gustos o información sobre la asiduidad a determinados
lugares de compra.
A pesar de que escenarios como el anterior pueden no ser recomendados, también es
verdad que estas situaciones pueden ser convertidas en buenas prácticas. Podría
considerarse, por ejemplo, que la etiqueta que no fue desactivada en el lugar de
compra pudiese usarse en una lavadora inteligente para ajustar los parámetros de
lavado atendiendo a los tejidos en cuestión, por ejemplo.
3.5.10.- Retos de la tecnología RFID
Existen cuatro problemas fundamentales por los que el despliegue definitivo de la
tecnología RFID se ha visto frenado. El primero de ellos es el coste. Aunque las
etiquetas RFID pueden estar disponibles por unos pocos céntimos cada una (en el
caso de las pasivas), esto todavía es mucho más caro que las etiquetas impresas.
Obviamente, conforme el despliegue de la tecnología sea mayor, los precios bajarán,
pero para determinados productos, no valdrá la pena el etiquetado RFID.
Otra cuestión importante es el diseño. Es importante el desarrollo de etiquetas y
lectores que permitan una identificación eficiente. Las soluciones deberían tener
presente todas las orientaciones, empaquetado, y métodos de lectura usados en los
sistemas de compra o seguimiento. Un diseño de antena mejorado puede mejorar el
rendimiento ante tales posibilidades. Los lectores pueden, además, ser diseñados
para multiplexar sus señales a través de varios módulos de antena montados en
orientaciones ortogonales, o coordinando varios lectores.
La aceptación que obtiene RFID se ve también como otro elemento que frena su
despliegue. La presión mediática, como en muchas ocasiones, ha hecho eco de los
problemas de privacidad que conlleva RFID. Sin embargo, a pesar de no dejar de ser
cierto, también es verdad que un control racional de los sistemas desarrollados no
tiene por qué conllevar a problemas éticos.
Como último reto en RFID tenemos el problema de superar la existencia de múltiples
estándares. Multitud de frecuencias y estándares han sido usados en soluciones
RFID, como el popular ISO 14443, operando a 13.56 MHz; el EPCglobal, con
etiquetas de 96 bits y que funciona a 915 MHz; y otros. En un mundo ideal, la industria
adoptaría un solo estándar; sin embargo, existen compromisos de coste, restricciones
de uso de determinadas frecuencias, y políticas que se decantan ante determinadas
40
características. Por ejemplo, mientras que WalMart (uno de los comercios más
extendidos en USA) considera la adopción del estándar EPCglobal, Nokia usa ISO
14443 en un teléfono de última generación (con este último sistema se pueden realizar
compras usando como pago el teléfono móvil). Una solución al problema de
estandarización podría ser el diseño de lectores capaces de operar con múltiples
estándares.