MEMORIAS SOMI XV TEL-19

Transcripción

1 Transmisión de señales de audio y video, utilizando modulación de subportadora de pulsos. G. Héctor Ramírez Oliver, C. Gutiérrez Martínez. gramirez@susu.inaoep.mx, cgutz@inaoep.mx Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electrónica (INAOE). Apartado Postal 51 y Puebla, Pue. México. RESUMEN. Este trabajo presenta un sistema optoelectrónico para transmisión de señales de audio y de video, utilizando la modulación por ancho de pulso (PWM), a través de un canal de fibra óptica. ABSTRACT In this paper we present an optoelectronic system for transmitting audio and video signals using pulse wide modulation (PWM), throug of a channel of optical fiber. 1. INTRODUCCIÓN. Los sistemas de comunicación se componen de tres elementos: el transmisor, el medio de transmisión y el receptor. El transmisor tiene la función de transformar la información en una señal eléctrica, para que pueda transmitirse. El medio de transmisión o canal tiene la función de transportar la información entre el emisor y el receptor. El receptor cumple con las funciones inversas del emisor permitiendo detectar la información transmitida. Los sistemas de comunicaciones, que emplean las fibras ópticas como medio de transmisión, se han desarrollado considerablemente en los últimos años, debido principalmente a que las transmisiones por este medio poseen baja atenuación, las interferencias electromagnéticas externas no perturban la transmisión de la fibra, poseen un gran ancho de banda. A demás como una fibra óptica no emite ni capta radiación externa, esta completamente exenta de diafonía, lo que propicia una transmisión de muy alta calidad. En un sistema que utiliza fibra óptica como canal de transmisión, la información se transmite mediante luz, la cual se propaga a través de dicho medio. La información puede transmitirse en forma analógica o digital, con muy pocas perdidas. En el primer caso, la luz que se inyecta en la fibra se modula de manera continua. En la transmisión digital, la luz se emite en forma de pulsos de corta duración. Las técnicas de modulación temporal de pulsos (PTM), representan una alternativa atractiva para los métodos de transmisión analógicos. Las técnicas de modulación PTM, consideradas en la transmisión de señales analógicas son: modulación por amplitud de pulsos (PAM), modulación por ancho de pulso (PWM), y modulación por posición de pulsos (PPM) [1]. La modulación temporal de pulsos ocupa una porción intermedia entre las formas analógicas y digitales. La modulación es simple, no requiere un formato de código digital y el formato de pulsos de la portadora modulada hacen al esquema inmune a la no linealidad del canal, garantizando al mismo tiempo, una mejor relación señal a ruido en comparación con las técnicas puramente analógicas [2]. 2. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO. La generación de una señal modulada en ancho de pulso (PWM), requiere que la amplitud de la señal analógica sea muestreada periódicamente. Este método se conoce como muestreo natural, en la cuál la señal analógica varía durante el proceso de muestreo, y la longitud de pulsos modulados en ancho es proporcional a la magnitud de la señal analógica. En la modulación PWM, una señal moduladora f(t), se compara con una onda triangular p(t), (figura 1a). Cuando f(t) y p(t) se comparan, da como resultado una salida de pulsos modulados en duración (ancho). Para que la modulación por ancho de pulso se lleve a cabo, es necesario que p(t) > f(t), ya que en caso contrario existirá una sobremodulación, y por lo tanto no se podrá llevar a cabo de manera correcta la modulación PWM.

2 La información de la señal f(t) esta contenida en la duración de los pulsos modulados, como se muestra en la figura 1b. Figura 1. Modulación por ancho de pulso (PWM). La señal con modulación PWM, puede ser expresada por la siguiente ecuación 1 M sin( nωct) J 0 ( nπm ) f ( t) = sin( ω mt) + sin( nωct nπ) 2 2 n= 1 nπ n= 1 nπ ± J ( ) k nπm sin[ ( nω + ) c kω m t nπ] (1) n= 1 k =± nπ donde M es el índice de modulación (0<M<1) ω m es la frecuencia de la señal moduladora ω c es la frecuencia portadora J k (x) es la función de Bessel de primer tipo y orden k De acuerdo con la expresión 1, el segundo término, representa la componente de banda base de ω m, mientras que el efecto combinado del tercer y cuarto término produce las componentes en la frecuencia portadora ω c y sus armónicas. El quinto término, implica una doble sumatoria y representa las características de la modulación temporal de pulsos y la disminución de las bandas laterales alrededor de la frecuencia portadora ω c y sus armónicas, separadas por una frecuencia igual a la señal de entrada ω m [1]. La recuperación de f(t) a partir de la señal PWM, se realiza fácilmente, dado que el espectro de la señal PWM contiene la banda base original. La componente de banda base correspondiente a f(t), se recupera mediante un simple filtraje pasa bajas, con una frecuencia de corte f m. 3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. Como sabemos un sistema optoelectrónico se encuentra formado por un transmisor óptico y un receptor óptico. El transmisor como se muestra en diagrama a bloques de la figura 2, se compone de una etapa de generación de pulsos cuadrados, seguido de la etapa de integración, la cual generara una señal

3 triangular. La señal de audio modula a una portadora en 6.2 MHz, la cual a su vez se sumara con la señal de video en banda base a 4.5 MHz. Ya que ambas señales han sido sumadas, estas se comparan con la señal triangular para general la modulación por ancho de pulso PWM. La portadora PWM se aplicará posteriormente a una etapa de conversión eléctrico-óptico (E/O), modulando en intensidad un haz láser, con longitud de onda óptica de 1.3 µm. Con esto la señal eléctrica se convertirá a una señal óptica, la cual llevará la información de audio y video El haz luminoso modulado se inyecta entonces al canal de fibra óptica. La fibra óptica utilizada es monomodal estándar con una longitud de transmisión de 25 Km.. Figura 2. Diagrama a bloques del transmisor. El receptor, está compuesto por una etapa de conversión óptico-eléctrico, la cual convierte la señal óptica a una señal eléctrica mediante un fotoreceptor de alta impedancia a base de un fotodetector PIN. Enseguida se tiene una etapa de preamplificación y reconstrucción de los pulsos. La siguiente etapa esta compuesta por un juego de filtros, el primero es un filtro pasa baja, cuya función es recuperar las señales de audio y de video, seguidos de un filtro pasa banda la cual permite recuperar solamente la señal de audio que ha modulado a una portadora a 6.2 MHz, y otro filtro pasa baja para recuperar la señal de video en banda base, como se muestra en el diagrama a bloques de la figura 3. Ya que se tienen desmulticanalizadas tanto la señal de audio modulada en FM y de video, esta última solamente se acopla en impedancias para poder ser visualizada en cualquier equipo que sea capaz de procesar una señal de televisión en banda base, mientras que la señal de audio todavía se tiene que demodular, para obtener la señal original, ya obtenida la señal de audio esta puede ser procesada por cualquier equipo de audio.

4 Figura 3. Diagrama a bloques del receptor. 4. RESULTADOS. Actualmente el diseño se encuentra en la etapa final de su implementación, lográndose hasta el momento la realización del transmisor y el receptor en su parte electrónica, en los cuales se ha logrado transmitir y recibir, señales de audio y video. Figura 4. Señal de video transmitida y recuperada. En la figura 4, en la parte superior, se muestra la señal de video transmitida, y en la parte inferior se muestra la señal de video recuperada a través del sistema electrónico diseñado. Mientras que

5 en la figura 5, en la parte superior, se muestra una señal de audio transmitida y en la parte inferior, se muestra la señal de audio recuperada. Se trabaja actualmente en el diseño de la etapa de conversión eléctrico-óptico, para enviar las señales a través de la fibra óptica, y la etapa de conversión óptico eléctrico, para la recepción de la señal óptica, una vez concluidas estas etapas se realizaran las pruebas finales del sistema. Figura 5. Señal de audio transmitida y recuperada. 5. CONCLUSIONES. La utilización de la modulación por ancho de pulso, para modular una fuente óptica, nos brinda ciertas ventajas sobre los demás esquemas de modulación. En los esquemas de modulación analógica, en los cuales una fuente óptica es modulada de manera continua, presenta una baja relación señal a ruido, puesto que por ser modulados en intensidad, son muy susceptibles al ruido, además de que no están exentos a la no linealidad del canal óptico. En contraste con los esquemas de modulación por código de pulso (PCM), se ha demostrado que son sustancialmente inmune a la no linealidad del canal, y son capaces de alcanzar la razón de señal a ruido deseada; mas sin embargo, sus esquemas son aún muy complejos y costosos respecto a los esquemas analógicos. El esquema de modulación por ancho de pulso (PWM), por encontrarse en la parte intermedia entre ambos esquemas de modulación (analógico y digital), posee ciertas características de ambas, su modulación es simple, no requiere de un código digital, y debido a su formato de modulación, es inmune a la no linealidad del canal de transmisión, y por eso resulta un esquema de modulación atractivo para la transmisión de señales a través de la fibra óptica. Por lo tanto en la modulación por ancho de pulso (PWM), posee un bajo costo y es relativamente simple de realizar a la hora de implementarlo, con respecto a las otras técnicas de modulación analógica y digital. La utilización de la fibra óptica como canal de transmisión permite muchas ventajas sobre otros tipos de canales, como: eliminación de interferencia electromagnética, aislamiento eléctrico, perdidas pequeñas, ancho de banda grande, diámetro y peso pequeños, seguridad en la transmisión, capacidad de gran transmisión, atenuación independiente del ancho de banda del mensaje transmitido, etc.

6 REFERENCIAS. [2] B. Wilson & Ghassemlooy, Pulse Time Modulation Techniques For Optical Communications: a Review, IEE. Procedings-J, VOL. 140, No.6, December [3] Valerio Di Biase, Paolo Passeri & Romolo Pietroiusti, Pulse Analog Transmission of TV Signal on Optical Fibre, Alta Franqueza, Vol. LVI No. 4, June 1987.