Capítulo 2. Sistemas de comunicaciones ópticas.

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1 Capítulo 2 Sistemas de comunicaciones ópticas. 2.1 Introducción. En este capítulo se describen los diferentes elementos que conforman un sistema de transmisión óptica, ya que son elementos ópticos que se utilizan para transmitir una señal de un lugar a otro, ya sea audio, datos o video. Se mencionaran los elementos necesarios para llevar a cabo la transmisión de información, así como también sus características y propiedad de los sistemas ópticos, y los sistemas analógicos y digitales utilizados en esta investigación y los sistemas de multicanalización y sus características. 2.2 Sistemas de comunicaciones ópticas. Un sistema de comunicaciones ópticas está constituido fundamentalmente por un transmisor óptico, un canal de transmisión de fibra óptica y un receptor. Si el sistema es utilizado para comunicar puntos separados por grandes distancias, es necesario incluir repetidores de señal, dependiendo de las pérdidas en el canal a lo largo de la distancia de enlace. La figura 2.1 muestra un esquema de bloques de un sistema de comunicaciones ópticas. El transmisor óptico incluye la fuente de información analógica o digital, el circuito modulador y la fuente óptica. El canal introduce ruido y distorsión. El repetidor recibe la señal atenuada y distorsionada y la regenera a la salida. El receptor incluye el fotodetector y circuitos asociados para recuperar la señal original (demoduladores, decodificadores filtros etc.). [1] El objetivo de todo sistema de comunicaciones es la transmisión de la mayor cantidad de información en el menor tiempo posible, lo que implica que la investigación en este campo se concentre más en los sistemas de comunicaciones de alta velocidad. 4

2 Figura 2.1 Diagrama a bloques de un sistema de comunicaciones ópticas. Las señales de banda base (banda original de frecuencias) que generan las diferentes fuentes de información por lo general no se prestan para la transmisión directa a través de un canal dado. Por esta razón, a menudo se deben modificar considerablemente para facilitar su transmisión. Este proceso de modificación se conoce como modulación y fundamentalmente consiste en hacer variar algún parámetro de la señal portadora de alta frecuencia en función de la señal de banda base. [1] El desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticas de alta velocidad puede explicarse por la evolución de cuatro generaciones de tecnología. La primera generación entró en operación a mediados de la década de los 70, utilizaba fibras ópticas multimodo y operaba con luz en longitudes de onda alrededor de 0.85 μm. Esta primera generación, fue ampliamente utilizada debido al alto potencial de transmisión de información que mostraron los primeros sistemas ópticos. La segunda generación entró en operación alrededor de 1982 y continúa funcionando, ésta utiliza longitudes de onda de 1.3 μm. Este cambio permitió una distancia de transmisión más grande, y por tanto, la eliminación de muchos repetidores en el trayecto de la señal. Estos sistemas operan con fibras ópticas monomodo. La tercera generación, está disponible desde 1985, también utiliza fibras ópticas monomodo, sólo que a longitudes de onda cercana a 1.55 μm. La atenuación en las fibras de silicio es mínima a esa longitud de onda. Finalmente, la cuarta generación utiliza técnicas ópticas coherentes. Todas estas generaciones emplean, 5

3 para mejorar su rendimiento, técnicas de multicanalización y componentes en tecnología de óptica integrada. [2] 2.3 Arquitectura de los sistemas de comunicaciones ópticas. Hasta la tercera generación, todos los sistemas de comunicaciones ópticas utilizan modulación de intensidad de la fuente luminosa, de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora analógica o digital, y la recepción de la señal se realiza detectando estas variaciones de forma directa. A continuación se describen brevemente los sistemas de comunicaciones ópticas, analógicos y digitales. [2] Sistemas analógicos. En la figura 2.2 se muestra un sistema analógico de comunicaciones ópticas. La señal de entrada es una función continua del tiempo y puede ser de audio, video o variaciones continúas de algún proceso físico (presión, temperatura etc.). Las señales de audio y video generalmente modulan una portadora de RF en amplitud (AM), frecuencia (FM) o fase (PM). Estas señales modulan la intensidad luminosa de la fuente, ya sea de manera directa, haciendo variar la corriente a través del diodo láser, o bien, utilizando moduladores externos. En el extremo receptor la señal se detecta, amplifica y demodula. El filtro pasabajas permite seleccionar únicamente las frecuencias útiles de la señal. [2]. En un sistema de comunicaciones analógico, el objetivo es transmitir una señal sin distorsión significativa, esto quiere decir que la forma de la señal, a la salida del sistema, debe permanecer como una réplica de la señal original. 6

4 Figura 2.2 Sistemas de comunicaciones ópticas analógico. Las principales ventajas de un sistema de comunicaciones ópticas analógico son: Requieren ancho de banda menor que los sistemas digitales. Son una alternativa de bajo costo cuando las distancias del enlace son cortas, y la banda de la señal a transmitir no excede los límites por atenuación y dispersión. Hay dos inconvenientes en la transmisión de señales analógicas: el ruido y la dispersión en la fibra que limita el ancho de banda de la transmisión. A causa de la atenuación en la fibra, la señal que se recibe es débil y podría no ser discernible del ruido. En este caso la amplificación es inútil ya que el ruido añadido a la señal se amplifica también. [2] A causa de la dispersión en la fibra, el ancho de banda de transmisión está limitado y las señales de alta frecuencia se atenúan más que las de baja frecuencia, lo que resulta en distorsión de la señal. Una señal analógica con distorsión elevada puede ocasionar la pérdida total de la información. [2] Los dos efectos son acumulativos al aumentar la longitud L del enlace de fibra. La potencia óptica que se detecta decae de manera exponencial al aumentar L, mientras que el ancho de banda de la fibra, limitado por dispersión, es inversamente proporcional a L. Para alcanzar el máximo rendimiento del enlace se deben asegurar dos condiciones: La atenuación en la fibra debe ser lo suficientemente pequeña, de manera que la potencia óptica detectada sea mayor que la sensitividad del detector. 7

5 El ancho de banda de la fibra, limitado por dispersión, debe ser mayor que el ancho de banda de la señal. El parámetro más importante en la evaluación del desempeño de un sistema de comunicaciones ópticas analógico, es la relación señal a ruido en la detección (SNR, signal to noise ratio). La SNR se define como la relación entre la potencia promedio de la señal detectada y la potencia total de las fuentes de ruido, como se muestra en la ecuación 2.1, matemáticamente se expresa como: 2.1 Donde: p es la potencia promedio que incide en el detector. R es la responsividad del detector. I es la corriente promedio generada por el detector. Id es la corriente de oscuridad del detector. Es el ancho de banda de detección, es decir, el ancho de banda sobre el cual debe considerarse el ruido. T es la temperatura absoluta, normalmente 300 K. Kb es la constante de Boltzmann, cuyo valor es 1.38 x J/K. e es la carga del electrón, 1.6 x C. Rl es una resistencia de carga en serie con el fotodetector. Un sistema de comunicaciones analógico debe diseñarse de manera que se tenga la mejor relación señal a ruido. 8

6 Otro aspecto importante es que, tanto la fuente luminosa, como el detector, deben presentar alta linealidad, con la finalidad de que puedan utilizarse factores de modulaciones grandes, y por tanto, una potencia óptica mayor (la potencia óptica transmitida es proporcional al cuadrado del índice de modulación). Esto se consigue generalmente utilizando diodos láser que presentan alta linealidad y potencias de emisión relativamente elevados. Una manera de limitar la influencia de la no linealidad de los dispositivos utilizados, es emplear la modulación de subportadoras eléctricas, en amplitud, duración y posición de pulsos. Esto permite que la transmisión se asemeje a una comunicación digital, ya que se transmiten pulsos que pueden ser regenerados a la salida del sistema. [3] Como ejemplo de sistemas de comunicaciones ópticas analógicas, se puede mencionar a las actuales redes de distribución de televisión por cable, en las que al sustituir el cable coaxial por fibra óptica se ha logrado minimizar el número de repetidores en el trayecto de la señal. [3] Sistemas digitales. En la figura 2.3 se muestra un esquema de transmisión digital vía fibra óptica. La, fuente de información debe estar en algún formato de señal digital, NRZ, RZ, HDB etc. Las señales digitales se obtienen mediante el muestreo, cuantificación y codificación de señales analógicas, o bien, son señales de naturaleza discreta, como los datos de computadora. El circuito de modulación del láser realiza la conversión de voltaje a corriente para modular la intensidad luminosa, de acuerdo con las variaciones de la señal. [3] 9

7 Figura 2.3 Sistemas de comunicaciones ópticas digitales. En el extremo receptor, la señal se detecta y amplifica, normalmente se requiere el filtro de ecualización para regenerar los pulsos recibidos; de ésta señal se extrae el reloj, que se utiliza en el circuito de decisión para determinar el nivel correspondiente a cada pulso sincronizado. Actualmente los sistemas de comunicación digital son los de mayor desarrollo, y esta tendencia es generalizada, tanto para sistemas de fibra óptica, como para sistemas de RF. Las principales ventajas que ofrecen las técnicas digitales son, entre otras: Una mayor calidad de transmisión. En el caso particular de los sistemas de fibra se puede tener un volumen de transmisión de información mucho mayor. Una señal digital sólo puede tener un número finito de valores (normalmente dos), con lo cual la posibilidad de que se añada ruido y distorsión a lo largo de la transmisión es mucho menor que en las señales analógicas que tienen un número infinito de valores y en las que el ruido puede modificar el contenido de la señal original. En el caso digital, sólo es importante discernir el nivel y la temporización de los pulsos recibidos, la forma de éstos no resulta tan importante. [3] Se preserva la intimidad de la comunicación con el uso de codificación criptográfica. Entre los escasos inconvenientes de la transmisión digital, se pueden mencionar: La necesidad de un mayor ancho de banda. 10

8 La necesidad de sincronización de pulsos, lo cual requiere de circuito complejos y, por tanto de una elevación en el costo de instalación de un sistema digital. 2.4 Técnicas de Multicanalización. Desde los inicios de los sistemas de comunicaciones ópticas se han aplicado técnicas de multicanalización para mejorar el rendimiento de dichos sistemas. El interés fundamental es aumentar el volumen de transmisión de información, de manera que se aproveche de mejor manera la capacidad del canal, actualmente, la fibra óptica es el medio más adecuado para transmitir señales a frecuencias elevadas. A continuación se describen los esquemas multicanal más utilizado. [4] Multicanalización por división de tiempo. Los sistemas de comunicaciones ópticas pueden utilizar técnicas similares a las utilizadas con sistemas electrónicos. Una sola fibra puede transmitir muchas señales digitales multicanalizadas temporalmente, cada canal puede transmitir sus datos en un instante de tiempo previamente asignado. La asignación de tiempos para cada señal sirve en la recepción para identificar la fuente que envía el mensaje. La multicanalización temporal TDM (Time Division Multiplexing) puede hacerse bit por bit o bien en forma de paquetes que incluyen códigos de señalización y de identificación de fuente. El esquema típico de este tipo de multicanalización se muestra en la figura 2.4, y es básicamente el mismo que para sistemas eléctricos, solo que se agregan los bloques del transmisor y receptor ópticos. [4] Figura 2.4 Multicanalización en el dominio del tiempo. 11

9 Las transmisiones digitales de varias fuentes D1, D2,...DN se intercalan en tiempos predeterminados, el proceso es en realidad un simple interruptor, que va conmutando cíclicamente, este interruptor tiene N entradas y una salida. El tiempo que toma transmitir una señal en cada canal se llama tiempo de trama. Los sistemas TDM tienen el mérito de ser los primeros en ofrecer una gran capacidad de transmisión de información digital, por lo que se adoptaron también para ser utilizados en enlaces de fibra óptica. Sin embargo, dado el desarrollo de nuevos dispositivos de óptica integrada, es probable que los sistemas TDM sean sustituidos, al menos para la transmisión por fibra, por sistemas WDM, los cuales se tratan en la siguiente sección. Aunque los sistemas de multicanalización por división de tiempo son todavía ampliamente utilizados, tienen limitaciones serias en cuanto a la máxima velocidad de transmisión que pueden alcanzar, ya que ésta depende de los circuitos electrónicos encargados de realizar el proceso de inserción o extracción de una señal cualquiera de toda la trama digital. En la actualidad, los sistemas TDM comerciales de mayor capacidad de información, son los correspondientes a la Jerarquía Digital Síncrona, operando a un régimen binario de 2.5 Gb/s, aunque se están desarrollando sistemas para operar a 10 GB/s. [4] Multicanalización por división en longitud de onda. La multicanalización por división en longitud de onda (WDM por sus siglas en inglés Wavelength Division Multiplexing), consiste en la transmisión de dos o más flujos de información simultáneos sobre una misma fibra, en el mismo sentido u opuesto, y utilizando distinta longitud de onda en cada caso. La figura 2.5 muestra este tipo de multicanalización. Las señales provienen de fuentes de luz con diferentes longitudes de onda. El multicanalizador y el desmulticanalizador son acopladores ópticos y los detectores son independientes, uno para cada longitud de onda.[4] 12

10 Figura 2.5 Diagrama para la multicanalización de WDM. Una multicanalización de este tipo presenta las siguientes ventajas, derivadas de su propia concepción: Si la transmisión de flujos ocurre en el mismo sentido, aumenta la capacidad de enlace, multiplicando el valor inicial por el número de longitudes de onda multicanalizadas. La ventaja no se refiere sólo al tráfico cursado, sino al aprovechamiento de la misma infraestructura para soportarlo. Por ejemplo, cuando se trató la multicanalización por división de tiempo, se mencionó que los sistemas actuales trabajan a un régimen máximo de 2.5 Gb/s, un sistema WDM de 10 canales amplía este rendimiento a 25 Gb/s. Las limitaciones por dispersión cromática en la fibra se aplican a la máxima velocidad por portadora (longitud de onda), y no a la velocidad total del sistema. Con referencia al ejemplo del apartado anterior, si la dispersión empieza a degradar la transmisión después de una cierta distancia y trabajando a 2.5 Gb/s, para un enlace de cuatro portadoras, la degradación será aproximadamente la misma, dada la cercanía entre longitudes de onda, aunque la velocidad de transmisión real es de 10 Gb/s. [4] El formato de modulación de las señales multicanalizadas no necesita ser el mismo. Si se aplica a flujos de información en sentidos opuestos, aumenta la flexibilidad del sistema. 13

11 Los inconvenientes actualmente existentes para la utilización de la WDM son: Pérdidas intrínsecas a los elementos ópticos selectivos de filtrado, por absorción o reflexión. Pérdidas de acoplamiento entre la fibra y el elemento de filtrado. Degradación de la sensibilidad del receptor a causa de la diafonía óptica entre canales, causada sobre todo por superposición de los espectros de las fuentes usadas (ancho espectral no exactamente monocromático y variaciones en la longitud de onda central debidas a la temperatura). Dada la superioridad en el rendimiento de un sistema WDM, con respecto a uno TDM, el uso de esta técnica se va extendiendo cada vez más. Además, se puede realizar la conversión de sistemas TDM a WDM con relativa facilidad, ya que puede utilizarse parte de la infraestructura instalada para los sistemas TDM. [4] 14

12 Referencias. [1] Keiser G. Optical Fiber Communications (Segunda edición), Mc. Graw Hill, Singapur, [2] Haykin S. Sistemas de comunicación. Limusa-Wiley, México, [3] Láminas delgadas y recubrimientos-preparación, propiedad y aplicaciones. Consejo superior de investigaciones científicas. José M. Abella. España, [4] Singh J. Optoelectronics and introduction to materials and devices. Mc Graw Hill, Singapur,

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