V. Práctica 5: Caracterización de un Sistema de Transmisión Digital y sus componentes pasivos

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1 V. Práctica 5: Caracterización de un Sistema de Transmisión Digital y sus componentes pasivos En esta práctica se empleará el método del diagrama de ojo para analizar las características de portadoras ópticas moduladas digitalmente. Analizando la forma de onda de la señal óptica recibida, se observará la degradación de la calidad de transmisión de una señal digital a causa de la atenuación y la dispersión introducida por el sistema óptico. Se compararán las cualidades de transmisión de un enlace a dos longitudes de onda. Para ello se hará un montaje en WDM, cuyos componentes pasivos se habrán caracterizado previamente. La visualización de señales a ambas longitudes de onda se hará de forma simultánea para que la comparación resulte sencilla. Se comprobarán algunas de las opciones de estructuras de un enlace que ofrecen los dos componentes pasivos que se caracterizan: el acoplador plano 2x2 y el WDM. Caja de emisores Caja de detectores Caja de generadores MATERIAL NECESARIO 2 adaptadores roscados FC-FC Carrete FO multimodo de 4,5 km 5 cables BNC-BNC Osciloscopio Medidor de potencia óptica 2 WDM 1 acoplador plano 2x2 Sistema XYZ de acoplo entre fibras conectorizadas 2 Adaptadores BNC-50 Ω 2 Conectores BNC en T 1 Latiguillo MM FC Febrero 2010

2 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Conocimientos teóricos necesarios Para la realización de esta práctica es necesario recordar los conceptos y parámetros que se enumeran a continuación. Adicionalmente se incluyen algunos conceptos que debe conocer. Acopladores ópticos: o Parámetros: pérdidas de inserción, relación de acoplo, pérdidas de exceso, directividad. Se denomina acoplador plano a aquél que presenta una respuesta similar en un amplio rango de longitudes de onda. Se denomina acoplador bidireccional a aquél que presenta un comportamiento similar al emplear las entradas como salidas y viceversa. Multiplexores/Demultiplexores ópticos WDM: o Parámetros: pérdidas de inserción, aislamiento. Receptores ópticos: ruido, BER, factor Q, sensibilidad. Transmisores ópticos: relación de extinción (definida como P ON /P OFF ) Sistemas de comunicaciones digitales: Diagramas de ojo, balances de potencia y de dispersión, limitación por potencia y por dispersión, sistemas simplex y full-duplex. Microposicionador XYZ (práctica 3) Preguntas y cálculos previos a la realización de la Práctica Incluya en el cuaderno de prácticas las respuestas a las siguientes cuestiones a) Dibuje el esquema de un acoplador 2x2, y escriba las fórmulas de definición de sus parámetros característicos. b) Dibuje el esquema de un multiplexador/demultiplexador WDM 1x2, y escriba las fórmulas de definición de sus parámetros característicos c) Para el sistema experimental de los apartados V.3 y sucesivos, calcule el mínimo valor de amplitud (mv) que debe observarse en el diagrama de ojo para que el BER sea mejor que 10-9, tanto a 850 nm como a 1300 nm. Para el cálculo de la tensión de ruido emplee los valores típicos del fabricante proporcionados en el apéndice de este manual, suponiendo que la densidad espectral de ruido es constante y que el receptor no está filtrado. Suponga que el ruido no depende de la potencia de la señal óptica de entrada y que la potencia emitida en los bits "0" es despreciable. d) Anote los valores de los parámetros típicos del WDM (Multi Mode WDM) y el acoplador 2x2 (Multi Mode Coupler) que se emplean en la práctica, que están recogidos en las hojas de características del apéndice de este manual. V-2

3 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. CARACTERIZACIÓN DE COMPONENTES PASIVOS V.1. Objetivos: CARACTERIZACIÓN DE UN ACOPLADOR PLANO 2X2 Caracterizar el comportamiento y determinar los parámetros de un acoplador plano. Método de medida: Directo, monitorizando la potencia de salida en las ramas del acoplador a dos λ distintas, 820 nm y 1300 nm. Procedimiento experimental: Utilice como fuentes los LEDs de 820 nm y 1300 nm en modo analógico, y como detector el medidor de potencia óptica. Considere como entradas las puertas 1 y 2, y como salidas las puertas 3 y 4. Determine experimentalmente las pérdidas de inserción, la directividad y la relación de acoplo del dispositivo. Rellene en su cuaderno una tabla similar a la adjunta. Si algún valor de potencia no pudo ser medido indique el límite del parámetro correspondiente (mayor que o menor que). Nota: si en algún caso la medida en dbm fuese inviable (Medidor marcando ), y el montaje es correcto, utilice el valor < - 60 dbm, límite de la sensibilidad del medidor. Para 820 y 1310 nm Relación de acoplo entrando por la puerta 1 Relación de acoplo en la salida 3.. Relación de acoplo en la salida 4.. Relación de acoplo entrando por la puerta 2 Relación de acoplo en la salida 3.. Relación de acoplo en la salida 4.. Pérdidas de inserción entrando por la puerta 1.. entrando por la puerta 2.. V-3

4 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Directividad entrando por la puerta 1.. entrando por la puerta 2.. CONTESTE en su cuaderno tras la realización de las medidas: V-1-a En la caracterización del acoplador, Ha comprobado si se corresponde con un acoplador plano? Por qué? V-1-b V-I-c Complemente las medidas realizadas, con las medidas necesarias para determinar si el acoplador es bidireccional. Cuál es el resultado obtenido? Compare los valores de los parámetros medidos con las características proporcionadas con el fabricante que se encuentran en el apéndice de este manual. En qué parámetro observa una gran diferencia? Cuál es la causa de esta gran diferencia? Compruébelo numéricamente sabiendo que el índice de refracción de la sílice es aproximadamente 1,5. V.2. CARACTERIZACIÓN DE UN WDM Objetivos: Caracterizar el comportamiento y determinar los parámetros de un multiplexor/demultiplexor en longitud de onda. Método de medida: Directo, midiendo la potencia de salida para una entrada dada, con todas las posibles combinaciones de entradas y salidas, a dos longitudes de onda distintas, 850 nm y 1300 nm. Procedimiento experimental Realice las medidas necesarias para caracterizar el WDM, sin conocer a priori cuál de sus puertas es la común. A partir de los resultados identifique cada una de las puertas (común nm, puertas de 820 y 1300 nm). Calcule las pérdidas de inserción, rellenando una tabla similar a la adjunta. Pérdidas de inserción a 820 nm Potencia de entrada.. Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins Pérdidas de inserción a 820 nm Potencia de entrada.. Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins Per. Ins V-4

5 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos Ent./Sal. Común Puerta Ent./Sal. 820 nm Puerta Ent./Sal nm Puerta Cuáles de las pérdidas de inserción calculadas anteriormente corresponden al parámetro aislamiento definido en la Introducción de este manual? CONTESTE en su cuaderno tras la realización de las medidas: V-2-a) De acuerdo con los valores obtenidos qué configuración de entrada-salida elegiría para utilizar el dispositivo caracterizado como multiplexor de un canal a 820nm y otro a 1300nm? y para el caso de emplearlo como demultiplexor? Dibuje los esquemas correspondientes. V-2-b) Compare los valores de los parámetros medidos (pérdidas de inserción y aislamiento) con las características proporcionadas con el fabricante que se encuentran en el apéndice de este manual. Observa diferencias significativas entre sus resultados y los datos del fabricante? Si ha realizado la práctica E1, compare los resultados obtenidos en ambas prácticas. CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS Montaje básico: Para la caracterización de los diagramas de ojos a dos longitudes de onda simultáneamente se empleará multiplexación mediante dos WDM. Las fuentes serán los LEDs de 850 nm y 1300 nm con modulación digital de dos señales de datos. Los receptores serán los correspondientes PIN+amplificador de transimpedancia, en su salida analógica, salvo indicación en contra. En cada apartado se modificará el dispositivo instalado entre los puntos comunes de los WDM, y se observarán simultáneamente los diagramas de ojo en los dos canales del osciloscopio Tenga en cuenta las siguientes consideraciones para todos los montajes: Deberá sincronizar el osciloscopio en modo externo con la señal de reloj, a una frecuencia inferior a la de datos. Deberá cargar la salida de los receptores con 50 Ω para acoplar impedancias. En cada medida de diagrama de ojo deberá caracterizar la apertura en amplitud y tiempo (véase figura). V-5

6 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Diagramas de ojo correspondientes a dos longitudes de onda. Se muestra la posición correcta de los cursores para realizar la medida de la apertura del diagrama en tiempo (arriba) y amplitud (abajo). En el ejemplo se ha escogido el canal 1. V-6

7 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos V.3. Objetivos: ENLACE MULTIMODO CORTO: Caracterizar el diagrama de ojo en un enlace con pocos metros de fibra óptica a dos longitudes de onda y diferentes tasas binarias. Procedimiento experimental Dibuje en su cuaderno el esquema del montaje experimental. Seleccione una tasa binaria de 40 Mb/s en ambos canales, visualice simultáneamente los diagramas de ojo en el osciloscopio, y caracterice sus parámetros. Repita las medidas empleando una tasa de 20 Mb/s. V.4. Objetivos: ENLACE MULTIMODO DE 4,5 KM Caracterizar el diagrama de ojo en un enlace de varios kilómetros de fibra óptica a diferentes longitudes de onda. Determinar la velocidad de transmisión máxima del sistema limitada por dispersión. Procedimiento experimental: Sustituya el latiguillo de fibra del apartado anterior por un carrete de 4,5 km multimodo, y visualice simultáneamente los diagramas de ojo en ambos canales. Observe las diferencias entre 820 nm y 1300 nm a diferentes tasas binarias. Determine la máxima tasa binaria a cada longitud de onda en la que se puede considerara que el diagrama de ojo está abierto. Seleccione una la tasa binaria de 20 Mb/s en ambos canales y caracterice los diagramas de ojo, dibujándolos en forma aproximada en su cuaderno con cotas en ambos ejes. Explique las diferencias, tanto en amplitud como apertura de ojo, con el apartado anterior. Por qué está limitada la tasa binaria a 850nm? V.5. Objetivos: ENLACE CON PÉRDIDAS DE POTENCIA Caracterizar el diagrama de ojo de un enlace de fibra óptica con pérdidas de potencia a diferentes longitudes de onda y velocidades de transmisión de datos. Estudiar la degradación de la señal óptica por atenuación con salidas analógicas y digitales. Método de medida: Parcialmente se utilizará el mismo método que en apartados anteriores, haciendo uso de la entrada de modulación digital en el emisor, y la salida analógica en el receptor. En este último apartado se empleará además la salida digital de V-7

8 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica los receptores y se comprobará que el diagrama de ojo obtenido para cada caso es distinto. Procedimiento experimental: V.5.A. Sustituya el carrete del montaje anterior, por el microposicionador XYZ Localice aproximadamente la posición de acoplo máximo midiendo la salida del microposicionador XYZ con el medidor de potencia y manipulando los microposicionadores si es necesario. Conseguida la posición de acoplo máximo, lleve la señal a los receptores y visualice el diagrama de ojo, para ambas longitudes de onda a 40 Mb/s. V.5.B. Manipulando únicamente el eje Z del microposicionador, aumente las pérdidas del acoplador hasta que se degrade la transmisión de cada uno de los canales hasta el valor de amplitud calculado previamente, que correspondía a un BER de V.5.C. Para cada longitud de onda, mida la potencia media que recibe el detector en cada una de las condiciones del aparatado anterior. Este valor es una estimación de la sensibilidad del receptor para un BER de Determine las pérdidas introducidas por el microposicionador XYZ, a cada longitud de onda y la longitud de fibra óptica que introduciría las mismas pérdidas. V.5.D. A partir de los valores de amplitud calculados, de la sensibilidad medida y de la responsividad medida en prácticas anteriores, calcule la relación de extinción de cada emisor. V.5.E. Aumente la potencia recibida manipulando los microposicionares y observe ahora los diagramas de ojo empleando las salidas digitales de los receptores. Para ello seleccione la posición Comparadores ON (Digital-Out ON) en la caja de detectores. Compare la amplitud de señal con la obtenida en las salidas analógicas y observe las diferencias en la forma de degradación del diagrama de ojo con respecto a la observada anteriormente. Estime la sensibilidad de los receptores al emplear las salidas digitales. Por qué en este caso no hay limitación de tasa binaria a 850nm? Cuál es la diferencia con el caso anterior? V-8

9 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos Con el fin de analizar, en conjunto, las diferentes calidades de transmisión de los enlaces que ha medido en esta práctica, rellene en su cuaderno una tabla similar a la mostrada a continuación: Enlace corto Tasa binaria 40 Mb/ps Tasa binaria 20 Mb/s 820 nm 1300 nm 820 nm 1300 nm Apertura en amplitud Apertura en tiempo Enlace de 4,5 Km 820nm 1300nm Tasa binaria 20 Mb/s Apertura en amplitud Apertura en tiempo Enlace con Máximo acoplo Máxima degradación Pérdidas 820nm 1300nm 820nm 1300nm Potencia óptica, dbm Apertura en amplitud Apertura en tiempo Pérdidas en XYZ Distancia equivalente (km) nm 1300nm Sensibilidad salidas analógicas (dbm) Relación de extinción Sensibilidad salidas digitales (dbm) A la vista de estos resultados, analice y exponga las causas de la diferencia de comportamiento (en amplitud y asa binaria) en cada una de las medidas. V-9

10 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica V.6. COMPONENTES PASIVOS EN UN ENLACE V.6.A. Los enlaces, en cada uno de los tres montajes anteriores (V.3, V.4 o V.5), son un ejemplo de un Sistema de Comunicaciones Simplex. Con el mismo material se pueden establecer enlaces Full-Duplex (en lo referente al medio de transmisión). Modifique las conexiones necesarias para obtenerlo en el caso V.4. Anote los resultados obtenidos y observe si hay diferencias con el caso simplex. Dibuje el esquema del montaje full duplex realizado con dos WDM. V.6.B. Suponga que sólo dispone de un WDM y de un acoplador plano 2x2 como dispositivos pasivos. Realice de nuevo el montaje del apartado V.5 (alto acoplo), utilizando las salidas analógicas y sustituyendo uno de los WDM por un acoplador plano. Dibuje esquemáticamente ambos montajes En qué posición ha de colocar el acoplador (como multiplexor o como demultiplexor)? Si comparamos con los resultados en V.5 debería observar cambios en la longitud de fibra equivalente? y en la sensibilidad? Compruébelo experimentalmente si lo considera necesario. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. V-10