SOMI XVIII Congreso de Instrumentación MICROONDAS JRA1878 TRANSMISIÓN DE AUDIO Y VIDEO A TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA CON PREMODULACIÓN PCM

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1 TRANSMISIÓN DE AUDIO Y VIDEO A TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA CON PREMODULACIÓN PCM J. Rodríguez-Asomoza, D. Báez-López, E. López-Pillot. Universidad de las Américas, Puebla (UDLA-P) Departamento de Ingeniería Electrónica. RESUMEN El objetivo general de este trabajo fue diseñar e integrar un sistema transmisor de audio y video en formato PCM utilizando un canal de fibra óptica. El campo de aplicación de los sistemas de fibra óptica principalmente se enfoca a las telecomunicaciones de alta velocidad para transmisión de señales de audio, video, control e instrumentación. INTRODUCCION Un sistema de comunicación transmite información de un lugar a otro ya sea separado por unos cuantos kilómetros o por distancias transoceánicas. La información se transporta generalmente gracias a portadoras cuya frecuencia puede ir de unos pocos megahertz a varios terahertz. Los sistemas de comunicaciones ópticas usan portadoras de frecuencias elevadas, en las regiones visible o cerca del infrarrojo del espectro [1-5]. En poco más de 10 años, la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, como lograr una mayor velocidad en la transmisión, disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias, así como multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica [3]. 1.- Desarrollo La realización del trabajo se baso en la técnica de WDM (multicanalización por división de longitud de onda). En WDM varias portadoras ópticas son moduladas usando flujos de bits eléctricos independientes para ser transmitidos por la misma fibra. La señal óptica recibida se demulticanaliza en canales separados usando técnicas ópticas. WDM tiene el potencial para explotar los grandes anchos de banda que tiene la fibra óptica, donde varios cientos, tal vez miles de canales de información pueden ser transmitidos. La figura 1 muestra la topología típica para multicanalización por división de longitud de onda (WDM), donde cada señal análoga de información se codifica en formato digital y después se envía a una longitud de onda determinada por la fuente óptica. Figura 1. Enlace de fibra punto a punto mediante multicanalizado en longitud de onda.

2 1.1.- Diseño del arreglo PCM para el audio El arreglo de audio se implementó con dos microcontroladores PIC16F874 de Microchip, uno como transmisor y otro como receptor. En la primera etapa se acondiciona la señal de audio para introducirla al microcontrolador, el cual se programó para realizar la conversión análoga-digital, multicanalizar las dos entradas de audio y hacer la transmisión serial. Después de transmitirse la señal a través de la fibra a λ=1310 nm, en el receptor se realizó el proceso inverso, es decir; volver la información a su forma eléctrica. En la siguiente etapa se utilizó nuevamente un microcontrolador para recibir la señal, demulticanalizar las dos entradas de audio y obtener salidas paralelas con el fin de entrar a los DAC, los cuales realizan la conversión digital-análoga. Finalmente, cada señal entra a un respectivo filtro pasabajas eliminando ruido y armónicos generados en la modulación. La figura 2 muestra el diagrama a bloques desarrollado para la trasmisión de audio. Figura 2. Diagrama a bloques del transmisor de audio Diseño del arreglo PCM para el video En la primera etapa se diseñó un circuito corredor de offset para entrar al rango de voltaje requerido por el ADC, el cual también necesita un acondicionamiento planteado por el fabricante. Posteriormente entra al registro de corrimiento que genera una salida serial para ingresar al diodo laser a λ=1550 nm y de ahí al carrete de fibra óptica. En el receptor, la señal óptica entra al fotodetector que la convierte en eléctrica para ir al registro de corrimiento que tiene la función de entregar salidas paralelas y así poder ingresar al DAC que convierte la señal digital en análoga. Finalmente, se trata la señal con un filtro pasabajas y un circuito corredor de nivel para reconstruir la información y desplegarla en monitor. La figura 3 muestra el diagrama a bloques del arreglo para transmitir video a través de fibra óptica.

3 Figura 3. Diagrama a bloques del transmisor-receptor de video a través de fibra óptica. 2.- Arreglo experimental del transmisor y receptor El arreglo diseñado para el transmisor de video consta de un circuito corredor de nivel, un circuito de acondicionamiento de los niveles de referencia del ADC y un registro de corrimiento. El offset que se implementó fue necesario debido al rango de voltaje de operación del ADC, que es de 0 a 2V. Una señal de video compuesto tiene una amplitud de aproximadamente 1.2 V con simetría en cero por lo que circuito corredor de nivel fue de -1V. Para acondicionar la señal de video se utilizaron los amplificadores operacionales AD818, los cuales tienen un ancho de banda de 130 MHz y un amplio rango de voltaje de alimentación. La figura 4 muestra el circuito corredor de nivel para acondicionar la señal de entrada de video al ADC. Figura 4. Circuito corredor de offset de 1V para la señal video. El convertidor análogo digital que se utilizó fue el AD9048 de Analog Devices con las siguientes características: Conversión mínima de 35 MSPS 8 bits de resolución Montaje DIP.

4 Las características mencionadas permitieron el uso de este convertidor. La velocidad de 35 MSPS (mega muestras por segundo) que equivalen a un ancho de banda de 35 MHz lo hacen un circuito ideal para video, que según el Teorema de Nyquist requiere al menos de 12.4 MHz, el doble del ancho de banda del video (6.2 MHz). El circuito de acondicionamiento del ADC como se muestra en la figura 5 es un arreglo de resistencias que propone el fabricante que tiene por objeto asegurar el acoplamiento de las impedancias de la señal de entrada con la del reloj. El arreglo se conecta a dos referencias de voltaje que deben tener una impedancia baja para evitar corrientes no deseadas. Figura 5. Acoplamiento de impedancias del ADC. Para generar la señal de reloj se utilizó un cristal de 24 MHz,el cual se utilizó en el ADC y en el registro de la etapa receptora Receptor El convertidor digital-análogo que se utilizó fue el DAC0802, debido a sus características. Convierte señales digitales de 8 bits y cuenta con un tiempo de conversión de 100 ns, equivalente a 10 MHZ, suficiente para el ancho de banda del video. Posteriormente se diseñó un filtro pasabajas de cuarto orden de configuración de retroalimentación múltiple con frecuencia de corte de 7 MHz y ganancia unitaria con el fin de eliminar los armónicos generados en el proceso de modulación. Además de convertir la salida de corriente a voltaje para la siguiente etapa. Figura 6. Filtro pasabajas de cuarto orden con frecuencia de corte de 7 MHz.

5 Finalmente se diseñó un circuito corredor de nivel para ajustar nuevamente la señal a su forma original y con simetría en cero. El diseño se muestra en la figura 7. Figura 7. Circuito corredor de nivel para ajustar el video recuperado. 3.- Resultados La figura 8 muestra el arreglo diseñado y armado en el laboratorio, la parte izquierda corresponde al transmisor y receptor de video. La sección del lado derecho corresponde al transmisor y receptor de audio. Además se muestran las etapas de acoplamiento a los emisores ópticos a λ= 1310 nm y λ= 1550 nm. La figura 9 muestra el sistema transmisor-receptor audio y video por fibra óptica. Figura 8. Transmisor-receptor de audio y video. Figura 9. Sistema transmisor-receptor vía fibra óptica. Finalmente las señales de audio y video transmitidas y recuperadas por el arreglo realizado se muestran en las figuras siguientes. Figura 10. Audio transmitido y recuperado. Figura 11. Señal video transmitido y recuperado.

6 De acuerdo a las figuras anteriores se puede observar la transmisión y recuperación de audio y video a través de fibra óptica en formato PCM y utilizando la técnica de WDM. 4.- Conclusiones Como se señala en la introducción el trabajo consistió en diseñar e integrar un sistema de transmisión y recepción de audio-video con premodulación PCM, transmitiéndose por medio de fibra óptica. Éste se cumplió en su totalidad, pues se lograron transmitir las dos señales de información de forma digital sobre el canal de fibra óptica. El sistema desarrollado permite mostrar la factibilidad de diseñar y probar prototipos de comunicación por fibra óptica. Las aplicaciones potenciales de los sistemas son en teleconferencias, sistemas de vigilancia, etc. 5.- Bibliografía. [1] Agrawal, Govind. Fiber-optic communication systems. Ed. John Wiley & Sons [2] Baker, Donald. Fiber optic design and applications. Ed. Ruston Pub Co [3] Halley, Pierre, Fibre optic systems. Ed. John Wiley & Sons [4] Hoss, Robert. Fiber optic communications design handbook. Ed. Prentice Hall [5] Proakis, John. Digital communications. Ed. McGraw-Hill Agradecimientos. Trabajo apoyado por los proyectos de CONACyT I A y J Y.

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