IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO DE TRANSMISIÓN DE VOZ POR FIBRA ÓPTICA USANDO WDM DIANA MARIA CADAVID MONSALVE LAURA SOFÍA RODRÍGUEZ PULECIO

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1 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO DE TRANSMISIÓN DE VOZ POR FIBRA ÓPTICA USANDO WDM DIANA MARIA CADAVID MONSALVE LAURA SOFÍA RODRÍGUEZ PULECIO UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PLAN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI 2004

2 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO DE TRANSMISIÓN DE VOZ POR FIBRA ÓPTICA USANDO WDM DIANA MARIA CADAVID MONSALVE CÓDIGO LAURA SOFÍA RODRÍGUEZ PULECIO CÓDIGO Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico Director FABIO GUERRERO Área de Telecomunicaciones UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PLAN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI 2004

3 Nota de Aceptación Director Ingeniero Fabio Guerrero Jurado Jurado Santiago de Cali, Marzo de 2004

4 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN 16 1 TRANSMISIÓN DE SEÑALES SOBRE FIBRA ÓPTICA FIBRA ÓPTICA Ventajas y desventajas de la fibra óptica Tipos de fibra Sistemas de comunicación por fibra óptica WDM Por qué usar WDM? Evolución de WDM SEÑAL DE VOZ 32 2 ARQUITECTURA HARDWARE DEL SISTEMA DESCRIPCIÓN GENERAL CAPTURA DE LA SEÑAL DE VOZ ADECUACIÓN DE LA SEÑAL DE VOZ Filtro de entrada Filtro pasa alto Filtro pasa bajo Control automático de ganancia Adecuación de voltajes entregados al microcontrolador PARÁMETROS DE ELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR CARACTERÍSTICAS DEL PIC16F MULTIPLEXACIÓN EN EL TIEMPO 54

5 2.6.1 Funciones del microcontrolador en la multiplexación en el tiempo CONVERSOR ELECTRO ÓPTICO DIODOS LEDS COMO FUENTES ÓPTICAS Características de la fuente seleccionada ACOPLADOR WDM Características del acoplador seleccionado CARACTERÍSTICAS DE LA FIBRA SELECCIONADA DETECTORES ÓPTICOS Características del detector seleccionado ADECUACIÓN DE LA SEÑAL ENTREGADA POR EL FOTODETECTOR DEMULTIPLEXACIÓN EN EL TIEMPO INTERFAZ DE SALIDA TRANSMISIÓN DE DATOS 81 3 ARQUITECTURA SOFTWARE DEL SISTEMA FIRMWARE PARA LA TRANSMISIÓN DE VOZ FIRMWARE PARA LA RECEPCIÓN DE VOZ SOFTWARE DEL PC PARA LA TRANSMISIÓN DE DATOS FIRMWARE PARA LA TRANSMISIÓN DE DATOS 90 4 DESEMPEÑO DEL SISTEMA RESULTADOS OBTENIDOS Filtro pasa alto Filtro pasa bajo Control automático de ganancia Tareas del microcontrolador Fuentes de luz y detectores ópticos Dispositivo WDM 99

6 4.1.7 Conversor digital análogo Transmisión de datos Funcionamiento general del sistema PRÁCTICAS DE LABORATORIO WDM SUGERIDAS PRÁCTICA 1 MUESTREO PRÁCTICA 2 MULTIPLEXACIÓN EN EL TIEMPO PRÁCTICA 3 INTERFAZ ELECTRO ÓPTICA PRÁCTICA 4 TRANSMISIÓN POR FIBRA ÓPTICA PRÁCTICA 5 TRANSMISIÓN WDM 120 CONCLUSIONES 150 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS EN ESTA LÍNEA 155 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 158 ANEXOS

7 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1.1 Datos técnicos de la fibra óptica 19 Tabla 1.2 Características de los tipos de fibra óptica 25 Tabla 1.3 Evolución WDM 32 Tabla 2.1 Datos característicos PIC16F Tabla 2.2 Tiempos de conversión del microcontrolador 58 Tabla 2.3 Características de los LEDs 63 Tabla 2.4 Características de la fibra óptica 71 Tabla 2.5 Información pines conector DB9 83 Tabla 4.1 Tabulación desfase vs. frecuencia filtro pasa alto 93 Tabla 4.2 Tabulación desfase vs. frecuencia filtro pasa bajo 95

8 LISTA DE FIGURAS Capítulo 1: Transmisión de señales sobre fibra óptica pág. Figura 1.1 Cable de fibra óptica 20 Figura 1.2 Partes de la fibra óptica 21 Figura 1.3 Propagación en una fibra óptica de índice abrupto 26 Figura 1.4 Propagación en una fibra óptica de índice gradual 27 Figura 1.5 Propagación en una fibra óptica monomodo 28 Figura 1.6 WDM 30 Figura 1.7 Señal de voz 33 Figura 1.8 Modulación de amplitud de pulso 34 Figura 1.9 Señal cuantificada 35 Figura 1.10 PCM 35 Figura 1.11 De señal analógica a digital 36 Capítulo 2: Arquitectura hardware del sistema Figura 2.1 Diagrama en bloques del sistema 38 Figura 2.2 Interfaz de entrada para usuario 39 Figura 2.3 Respuesta del filtro pasa banda 41 Figura 2.4 Filtro pasa alto implementado 42 Figura 2.5 Respuesta del filtro pasa alto implementado 42 Figura 2.6 Filtro pasa bajo implementado 43 Figura 2.7 Respuesta del filtro pasa bajo implementado 44 Figura 2.8 Configuración interna y distribución de pines del SA Figura 2.9 Relación ALCgain vs. voltaje de entrada en el CAG 46

9 Figura 2.10 Configuración externa control automático de ganancia 47 Figura 2.11 Circuito offset implementado 48 Figura 2.12 Arquitectura simplificada del microcontrolador 49 Figura 2.13 Distribución de pines del microcontrolador 16F Figura 2.14 Representación TDM 55 Figura 2.15 Conformación de la trama de transmisión 56 Figura 2.16 Circuito electro óptico implementado 59 Figura 2.17 Estructura de un LED de superficie 60 Figura 2.18 Estructura de un LED transversal 61 Figura 2.19 Potencia óptica corriente de polarización 61 Figura 2.20 LED de 850 nm utilizado 62 Figura 2.21 LED de 1300 nm utilizado 63 Figura 2.22 Configuración WDM 64 Figura 2.23 Clases de acopladores 65 Figura 2.24 Dispositivo WDM utilizado 68 Figura 2.25 Configuración dispositivo multiplexor 68 Figura 2.26 Demultiplexor seleccionado 69 Figura 2.27 Configuración dispositivo demultiplexor 69 Figura 2.28 Conector ST 70 Figura 2.29 El espectro 72 Figura 2.30 Fotodetector de 850 nm utilizado 76 Figura 2.31 Fotodetector de 1300 nm utilizado 76 Figura 2.32 Circuito comparador 77 Figura 2.33 Distribución de pines del DAC Figura 2.34 Configuración de salida del conversor 80 Figura 2.35 Conectores DB9 82

10 Capítulo 3: Arquitectura software del sistema Figura No 3.1 Diagrama flujo software extremo transmisor 84 Figura No 3.2 Diagrama de flujo del programa en el receptor 87 Figura 3.3 Diagrama de flujo software del computador para la transmisión de datos. 89 Figura 3.4 Diagrama de Flujo Software microcontrolador transmisión de datos 91 Capítulo 4: Desempeño del sistema Figura 4.1 Diagrama de bloques del sistema 92 Figura 4.2 Relación fase vs. frecuencia filtro pasa alto 94 Figura 4.3 Relación amplitud vs. frecuencia filtro pasa alto 94 Figura 4.4 Relación fase vs. frecuencia filtro pasa bajo 96 Figura 4.5 Relación amplitud vs. frecuencia filtro pasa bajo 96 Figura 4.6 Configuración WDM inicial 99 Figura 4.7 Prueba número 1 configuración inicial WDM 100 Figura 4.8 Prueba número 2 configuración inicial WDM 101 Figura 4.9 Prueba número 3 configuración inicial WDM 102 Figura 4.10 Configuración mux / demux 103 Figura 4.11 Empalme mecánico 103 Figura 4.12 Prueba número 1 configuración final WDM 104 Figura 4.13 Prueba número 2 configuración final WDM 105 Figura 4.14 Prueba número 3 configuración final WDM 106 Figura 4.15 Entorno gráfico de la transmisión de datos 108 Capítulo 5: Prácticas de laboratorio sugeridas Figura 5.1 Circuito electro óptico 117 Figura 5.2 Fibra óptica 119 Figura 5.3 Configuración WDM 122

11 LISTA DE ANEXOS Anexo A: Hoja de datos del controlador automático de ganancia Anexo B: Hoja de datos del micorontrolador PIC 16F873 Anexo C: LED AMP de 850 nm Anexo D: LED FOMETRIC S320 de 1300 nm Anexo E: WDM implementado (multiplexor - demultiplexor) Anexo F: Fotodetector PIN AMP de 850nm Anexo G: Fotodetector PIN FERMIONICS FD300 de 1300nm Anexo H: Código del programa transmisor de voz Anexo I: Código del programa receptor de voz Anexo J: Código de programa de transmisión de datos Anexo K: Costos

12 RESUMEN Modulación digital con conversión A/D D/A Diseñar y construir un sistema didáctico de transmisión punto a punto, con modo de operación simplex, de dos canales de voz por medio de fibra óptica usando multiplexación en longitud de onda. En la figura está representado el proceso seguido por la señal de voz desde el extremo emisor hasta el extremo receptor. El sistema consta de un módulo emisor a 850 nm y otro a 1300 nm y un módulo receptor a 850 nm y 1300 nm respectivamente. En el transmisor se encuentra una etapa de filtrado que deja pasar señales de voz con frecuencias entre las acordadas en canal nominal de la voz a 4 khz de la ITU. A continuación se encuentra una etapa de adecuación de la señal para garantizar una señal análoga constante a la entrada del microcontrolador. El microcontrolador es el que cumple con tareas como el muestreo y codificación de la señal, se encarga de recibir las dos señales de entrada análogas, establecer una trama que permita la multiplexación en el tiempo y finalmente transmitir bit a bit la trama. Debido a que el propósito es el de transmitir señales luminosas, se diseña un circuito electro óptico conformado por un circuito excitador y un LED. A continuación se acoplan dos dispositivos WDM los cuales permiten la multiplexación y demultiplexación en longitud de onda de ambos canales.

13 En este proyecto se empleó una fibra multimodo, con un núcleo de 62.5 µm y una cubierta 125 µm. Un circuito fotodetector basado en un fotodiodo PIN convierte los cambios de nivel óptico a cambios de niveles de voltaje. Estos niveles de voltaje pasan por un circuito comparador el cual regula los niveles de voltaje entre 0 V y 5 V para que la señal digital ingrese al microcontrolador donde se realiza la demultiplexación en el tiempo de dos canales. La salida del microcontrolador va hacia un conversor digital análogo donde se reconstruyen las señales de audio, seguido de un filtro pasa bajo, para eliminar componentes de frecuencia indeseados. Finalmente se encuentra un dispositivo que permite reproducir la señal de voz de forma audible.

14 AGRADECIMIENTOS Al ingeniero Fabio Guerrero y al área de Telecomunicaciones por brindarnos su asesoría y ayudarnos a resolver gran parte de las dudas que se generaron durante la realización de este proyecto. Al ingeniero Asfur Barandica y Bladimir Vacca por su disposición y ánimo a la hora de respondernos alguna inquietud. A nuestros padres y hermanos por su incondicional apoyo y financiamiento. A nuestros compañeros Hector Satizabal, Cristian Zamora, Jorge Tenorio, y Carlos Andrés Díaz, quienes en más de una oportunidad nos brindaron ayuda. Y a nuestros compañeros de promoción por amistad y compañía a lo largo de toda nuestra carrera.

15 DEDICATORIAS Este trabajo de grado esta dedicado principalmente a Dios, ya que sin su fortaleza y respaldo, no hubiese sido posible, el desarrollo y culminación de esta carrera. A mis padres quienes con su inmenso amor y dedicación, han forjado un carácter en mí, capaz de enfrentar las diversas situaciones de la vida. A mis hermanos y hermanas, quienes me alentaron en momentos de dificultad. A mi novio por su amor y motivación en cada una de las etapas de este proyecto. Y por último a mis amigos, quienes creyeron en mí y me colaboraron cuando más lo necesité. Diana y Laura

16 INTRODUCCIÓN Debido al gran auge que se está experimentado en la transmisión de datos, las redes actuales de alta velocidad y anchos de banda considerables no serán suficientes para satisfacer las necesidades de los usuarios a mediano plazo. Por lo anterior, es preciso proponer una solución que supla dicha demanda y además garantice condiciones favorables en cuanto a distancia de los enlaces, atenuación de la señal, pérdidas de retorno, rendimiento y potencia, entre otros. Para superar dichas limitaciones se propone un sistema de comunicación por fibra óptica usando WDM (multiplexación en longitud de onda). Hacer uso de la fibra es una forma habitual de maximizar la transferencia de información en un enlace de comunicaciones en general, y WDM en particular, consiste en multiplexar varias señales sobre un único medio de transmisión aprovechando de esta forma su ancho de banda total. Los sistemas de comunicación óptica multiplexados en longitud de onda están atrayendo una atención creciente debido a su aplicación como sistema multiacceso de gran ancho de banda. La multiplexación en longitud de onda permite que varias señales sean transmitidas simultáneamente por una sola fibra óptica modulando señales discretas en diferentes bandas de frecuencia, es decir, se divide el espectro de transmisión óptico de una fibra óptica en varias longitudes de onda, cada una transportando un torrente de datos de forma independiente (un canal). De esta manera el espectro óptico de transmisión es dividido en varias bandas de longitud de onda, donde cada lambda (λ) transporta un canal de comunicación distinto.

17 En este trabajo se presenta un sistema de transmisión punto a punto y con una aplicación dedicada a la transmisión de voz, para esto se propone el diseño de un sistema que consta de varias etapas. Una primera etapa dedicada al acondicionamiento de señal, seguida de una etapa de multiplexación en el tiempo (TDM), a continuación se adapta un dispositivo WDM que tiene como función hacer la multiplexación en longitud de onda, en este caso 850 nm y 1300 nm, posteriormente se hace uso de la fibra óptica como medio físico de transmisión y finalmente se da lugar al diseño de la etapa de recepción que consta a su vez de un demultiplexor y la adecuación de la señal. Con este diseño se busca transmitir dos canales de voz por un canal nominal definido por la ITU desde 300 Hz a 3400 Hz, con las longitudes de ondas establecidas. El documento está dividido en cinco capítulos los cuales enuncian uno a uno los diferentes aspectos de los que está compuesto este proyecto. En el capítulo uno se expone el marco teórico, en el se encuentran los principios de los temas relacionados a lo largo del proyecto. El capítulo dos describe ampliamente la arquitectura hardware que conforma el sistema y en el capítulo tres el software correspondiente. El capítulo cuatro enumera las pruebas que se realizaron a cada módulo del sistema y al sistema en general y finalmente el capítulo cinco contiene cinco prácticas de laboratorio sugeridas que se elaboraron con el ánimo que sirvan de apoyo en futuros laboratorios en el área de Telecomunicaciones. 17

18 1. TRANSMISIÓN DE SEÑALES SOBRE FIBRA ÓPTICA El objetivo de este capítulo es presentar los aspectos básicos acerca de fibra óptica, multiplexación en longitud de onda, transmisión con estas tecnologías y algunas de las características tenidas en cuenta de las señales de voz para este trabajo en particular. Esta información está a un nivel básico para que sea más sencillo entender los aspectos más importantes de este proyecto. Esto es de importancia para la formulación de trabajos futuros en esta rama, así como apoyo para el manejo del sistema diseñado para las prácticas de laboratorio en fibra óptica en el área de Telecomunicaciones. 1.1 FIBRA ÓPTICA Los hilos de fibra óptica son filamentos de vidrios flexibles, con un diámetro típico de 125 µm. Figura 1.1. Llevan mensajes en forma de haces de luz que pasan a través de ellos de un extremo a otro, donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción. Para alcanzar los objetivos se deben tener presentes ciertas cualidades de la fibra óptica, como son su sensibilidad a la curvatura y a la microcurvatura, la resistencia mecánica, y las características de envejecimiento. Algunos datos técnicos están consignados en la tabla 1.1.

19 Tabla 1.1 Datos técnicos de la fibra óptica multimodo Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica Diámetro (mm) 3.0 Tensión max en instalación (kg) 50 Tensión max permanente (kg) 30 Radio de curvatura (cm²) 3 Temperatura -550C a +125C Estos parámetros deben supervisarse para evitar daños en la estructura de la fibra ya que pueden provocar incremento en la atenuación de la señal óptica: El esfuerzo máximo permitido en la fibra durante su fabricación y servicio; determina la fuerza mínima de ruptura de la fibra y la fuerza que la fibra soporta de tensión. La fuerza lateral dinámica y estática máxima ejercida sobre la fibra, para determinar la configuración del cable y el límite de tolerancia de microcurvaturas. La flexibilidad El rango de temperatura y medio ambiente en donde el cable va a operar. También existe un límite de enrollamiento, es decir, el ángulo de curvatura de la fibra no debe ser muy pronunciado [1]. 19

20 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica Figura 1.1 Cable de fibra óptica Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda, sin embargo con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros. También pueden usarse, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas de procesamiento de datos de aviones), como en grandes redes geográficas (como los sistemas de largas líneas urbanas mantenidos por compañías telefónicas). El concepto de las comunicaciones por ondas luminosas ha sido conocido por muchos años. Sin embargo, no fue hasta mediado de los años setenta que se publicaron los resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible confinar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así un análogo óptico a la señalización eléctrica por alambres. El problema técnico que se tenía que resolver para el avance de la fibra óptica residía en las fibras mismas, que absorbían luz que dificultaba el proceso. Para una comunicación práctica, la fibra óptica debe transmitir señales luminosas detectables a muchos kilómetros. El vidrio ordinario tiene un haz luminoso de pocos metros de alcance. Sin embargo, han desarrollado nuevos vidrios muy puros con transparencias mucho mayores 20

21 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica que la del vidrio ordinario. Este gran avance ha dado ímpetu a la industria de fibras ópticas. La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo, la funda óptica y el revestimiento. El núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz. Consiste en una o varias hebras delgadas de sílice, cuarzo fundido o plástico con diámetro de 50 µm o 62.5 µm para la fibra multimodo y 9 µm para la fibra monomodo. La funda óptica, generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo. Y el revestimiento de protección, por lo general está fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra, la protege contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno [2]. Figura 1.2. Figura 1.2 Partes de la fibra óptica Los problemas de dispersión modal pueden afectar la transmisión de cualquier información emitida por medio de impulsos de luz. Esto se denomina algunas veces como capacidad a la respuesta impulsiva de la fibra óptica. La dispersión modal y la del material tienden a ensanchar los impulsos de luz en el tiempo y aunque la transmisión de información pudiera haber comenzado con impulsos cortos y perfectamente espaciados, este tipo de dispersión puede ocasionar que los impulsos ocupen un gran intervalo de tiempo y de este modo reducir el espaciamiento temporal entre ellos llegando, en el peor de los casos, a un 21

22 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica solapamiento tan grande de los impulsos que no existen ni impulsos ni espacios. Habría únicamente un rayo de luz continuo en la salida. La dispersión relaciona, pues, la velocidad de propagación de las distintas frecuencias dentro de la banda de frecuencias transmitidas por la guía de luz óptica. Una de las consideraciones más importantes en la utilización de fibras ópticas y rayos de luz para transmisión de datos y comunicaciones es el hecho de que los rayos luminosos son prácticamente inmunes a las interferencias eléctricas cuando se envían sobre un camino de transmisión de fibra óptica. Las radiaciones electromagnéticas, como descargas eléctricas, rayos y efectos de diafonía que actúan como fuentes de interferencias, son prácticamente eliminados en un sistema de transmisión por fibra óptica. Se debe tener presente también el significado del uso de la luz y de las frecuencias luminosas en las comunicaciones. Si se considera el hecho de que para la transmisión de información es necesaria una pequeña banda de frecuencias (quizás del orden de los khz), se debe pensar entonces en la cantidad de bandas que puede contener la región luminosa del espectro de frecuencias sin que se interfieran unas con otras. Además, como las bandas pueden hacerse más anchas, es posible transmitir información a velocidades mayores. Podrían llegar a usarse velocidades del orden de los Gbps e incluso superiores y aún así quedaría una anchura de banda suficiente para poder manejar un gran número de canales simultáneamente. En los sistemas de fibra óptica pueden enviarse datos digitales y analógicos de manera conjunta. Esto significa que los costes son menores que con los cables de cobre, hay también menor diafonía e interferencias [3] Ventajas y desventajas de la fibra óptica De [2] se pueden mencionar como ventajas y desventajas las siguientes: Ventajas: 22

23 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales. Se facilita la movilidad en áreas reducidas. Alta calidad de transmisión. Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética. Reducción de costos de protección contra el ruido. Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido. Eliminación de los problemas de bucle de tierra. No es necesario tener puesta a tierra de señales, como ocurre con alambres de cobre que quedan en contacto con ambientes metálicos. Comparte una bandeja con cables de energía, aún de alta tensión o frecuencia, o al aire con mínimas fijaciones. Travesía segura en zonas peligrosas. La seguridad en cuanto a la instalación y mantenimiento, es decir, las fibras de vidrio y plástico no son conductoras de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles. Seguridad contra descargas eléctricas. Mayor confiabilidad gracias al menor número de repetidoras. En el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material. Menor mantenimiento. Reducción de los costos de instalación y reparación. Gran capacidad de transmisión debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas. Eliminación de igualadores. Atenuación independiente del ancho de banda del mensaje transmitido. Confiabilidad y alta privacidad de la transmisión, las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es segura y no puede ser perturbada. Niveles pequeños de potencia eléctrica en el transmisor. Gran abundancia en la naturaleza del material base SiO 2, por tanto, fáciles de conseguir en el mercado. 23

24 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica Interferencias pequeñas entre fibras. Mayor economía para enlaces mayores de 2 km y velocidades mayores a 2 Mbps. Compatibilidad con la tecnología digital. La fibra es una tecnología probada, sencilla sumamente estandarizada y de altísima confiabilidad. Desventajas: Fragilidad de las fibras. Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo. Sólo puede utilizarse por las personas ubicadas en las zonas por las cuales ya esté instalada la red de fibra óptica. El coste es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se mide en megabytes. Disponibilidad limitada de conectores. Las fibras ópticas presentan limitaciones químicas que adquieren mayor intensidad para determinadas longitudes de onda, a los efectos de la irradiación, determinándose que los láseres de elevada potencia pueden motivar cierto deterioro. La irradiación conduce a modificar el color del material transparente de las fibras, produciendo su oscurecimiento Tipos de fibra La fibra óptica está considerada aún como una tecnología relativamente nueva con respecto a otros medios físicos. Su ya extendida utilización, se encuentra en plena evolución. 24

25 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica Según sea la forma de guiar los rayos de luz por la fibra óptica (ya sea en un cierto número de modos o en uno solo) el tipo de fibra se denomina multimodo o monomodo. Las características más sobresalientes están consignadas en la tabla 1.2. Tabla 1.2 Características de los tipos de fibra óptica Fibras multimodo Características Índice abrupto Índice gradual Fibras monomodo Diámetro del núcleo 100µm<0<600µm 50µm<0<100µm 8µm<0<10µm Diámetro de 140µm<0<1000µm 25µm<0<150µm 125µm la cubierta Índice del núcleo Constante Carece del centro a la periferia Creciente o decreciente Apertura numérica a 0.27 Muy pequeña I=0 Banda de paso 20 a 10 MHz/Km 200 a 1200 MHz/Km >10 GHz/Km, no significativa Atenuación según las ventanas 850nm 8 a 20 db/km 1300nm 2.5 a 4 db/km 0.3 a 0.5 db/km 1550nm 0.6 a 1.5 db/km a 0.3 db/km Dentro de las fibras multimodo existen dos tipos, de índice de escalón o índice abrupto y de índice gradual. En el tipo de fibra de índice abrupto, las fibras se componen de revestimiento de baja refracción y de un núcleo de elevado índice de refracción, por el que se guía la luz mediante reflexión total en el límite revestimiento-núcleo. En el caso de fibras ópticas con perfil de índice gradual la luz se desvía continuamente hacia el eje de la fibra en las regiones externas con índice de refracción menor. En la fibra óptica de índice abrupto, el índice de reflexión del núcleo es completamente distinto al índice de refracción de la cubierta. De esta forma, durante la transmisión la luz va chocando contra las paredes de la cubierta, siendo reflejada en cada choque hacia el núcleo. Este sistema es el más fácil de 25

26 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica construir, pero presenta como inconvenientes una mayor atenuación y un ancho de banda más estrecho. Dado que el núcleo presenta un índice de refracción constante, la velocidad de los rayos luminosos también será constante, así a mayor espacio recorrido por dichos rayos, mayor será el tiempo que tardarán en llegar al otro extremo de la fibra óptica. En este tipo de fibra los rayos luminosos se propagan por la fibra en zigzag, de ahí que los rayos sigan recorridos diferentes, es decir que unos tardarán más tiempo que otros en llegar al extremo opuesto de la fibra. Este es el motivo por el que producen algunos retardos en la transmisión. Así pues, cuando se transmiten mensajes a alta velocidad, como es el caso de la información digital, los impulsos sufren un alargamiento tendiendo a superponerse, por lo que la información puede distorsionarse. Este tipo de propagación de fibra se puede observar en la figura 1.3. Figura 1.3 Propagación en una fibra óptica de índice abrupto Otro tipo de fibra multimodo es el ya mencionado de índice gradual, en el que el núcleo no mantiene un índice de refracción constante, sino que va aumentando progresivamente desde el eje hacia afuera. Con esta técnica se produce una refracción gradual a medida que los rayos van penetrando en la cubierta. Este sistema presenta un ancho de banda mayor que el de índice abrupto y menor atenuación. 26

27 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica En las fibras de índice gradual la energía luminosa se propaga de una forma diferente a las fibras de índice abrupto. Al ir variando gradualmente el índice de refracción a lo largo del diámetro de la fibra e ir disminuyendo hasta que en el límite, entre el núcleo y la cubierta alcance el valor mínimo, los modos varían de forma helicoidal. Al no existir una diferencia grande entre el índice de refracción del núcleo y de la cubierta, la luz no choca bruscamente contra el y no viaja a través del núcleo en zigzag, como ocurre en el índice abrupto. Los rayos de luz que se propagan por las zonas exteriores del núcleo, tienen un índice de refracción más bajo, por tanto viajarán a mayor velocidad, según la expresión de la velocidad de la luz a través del medio. Por el contrario, los rayos que viajan por el centro del núcleo, al tener un índice de refracción mayor, se propagan a menor velocidad. De estas dos afirmaciones deducimos que, aunque los rayos de luz viajan de distintos modos, llegarán al mismo tiempo al extremo opuesto de la fibra ya que, a pesar que algunos rayos recorren más camino que otros, van a mayor velocidad. Este tipo de fibra se puede observar en la figura 1.4 Figura 1.4 Propagación en una fibra óptica de índice gradual En el segundo tipo de fibra, denominado monomodo, el núcleo es muy delgado, de tan sólo unas pocas micras, y a través del cual los rayos de luz siguen un único camino, por lo tanto sólo existe un modo. Gracias a esta técnica se obtiene un ancho de banda superior y menor atenuación. Sin embargo, al tener unas dimensiones reducidas se dificulta la interfaz con las fuentes emisoras, debiendo 27

28 Capítulo 1. Transmisión de señales sobre fibra óptica ser estas de alta calidad, motivo por el cual este sistema también resulta más costoso. Este tipo de fibra se utiliza típicamente en comunicaciones de media y larga distancia y en enlaces intercontinentales en los que hay una elevada transmisión de datos, lo cual justifica una inversión más grande [4]. Este tipo de fibra se puede observar en la figura 1.5 Figura 1.5 Propagación en una fibra óptica monomodo Sistemas de comunicación por fibra óptica Desde 1970, los sistemas de comunicación que emplean la fibra óptica como medio de transmisión han tenido un desarrollo considerable. Este gran auge se debió a las bondades que representa este medio de transmisión como son las bajas atenuaciones. Las atenuaciones introducidas por la fibra óptica para sistemas de comunicación, están dentro del intervalo de 0.2 db/km a 5 db/km, y las fuentes ópticas pueden acoplar niveles de luz a las fibras ópticas desde varios microwatts a varios miliwatts, y sensibilidades típicas de los receptores ópticos están en el intervalo de -20 dbm a -60 dbm. Los enlaces por fibra óptica hoy en día se encuentran en aplicaciones de corta y larga distancia, tanto para enlaces punto a punto como punto a multipunto y multipunto a multipunto. En los sistemas de comunicaciones por fibra óptica la información viaja en forma de rayos de luz, es decir ondas electromagnéticas guiadas; la diferencia con las 28