Sistemas de comunicaciones ópticas

Sistemas de comunicaciones ópticas

1. Sistema multicanal basados en multiplexación por divición de tiempo eléctrico (ETDM)

   • INTRODUCCION
     • Los sistemas ETDM son digitales.
       • en la modulación OOK (On Off Keying), la estructura de la señal óptica sigue la señal eléctrica, donde un "1" se representa con la presencia de un pulso luminoso y un "0" con la ausencia de señal óptica.
     • Las operaciones de multiplexación y demultiplexación temporal se realizan siempre en el domínio eléctrico
       • A diferencia de los sistemas OTDM cualquier operación de multiplexación, demultiplexación, inserción y/o extracción de canales, requiere el paso de toda la señal de información a formato electrónico.
     • Los sistemas ETDM son los más empleados en la actualidad para la red de transporte.
       • a finales de la década los 70, los sistemas ETDM tenían capacidades moderadas que han ido aumentando hasta alcanzar velocidades de 10 Gb/s y 40 Gb/s en la actualidad. Estos sistemas fueron ampliamente utilizados por los operadores telecomunicaciones para infraestructura de redes de transporte, hasta la llegada de los sistemas WDM comerciales en 1996,
     • Estos sistemas constituyen el núcleo de técnicas de transmisión más avan- zadas
       • los sistemas WDM, de mayor capacidad que los ETDM, se utilizan para transportar múltiples canales ETDM, cada uno en una portadora óptica distinta. Por lo tanto, el diseño de los canales ETDM es relevante para el estudio de la técnica de multiplexación WDM.
     • los sistemas ETDM (Electronic Time Domain Multiplexing) son sistemas de comunicaciones ópticas de banda ancha que transportan un múltiplex temporal de canales digitales en el dominio eléctrico antes de la modulación de la fuente óptica. Estos sistemas se caracterizan por utilizar una portadora óptica para el transporte y presentan propiedades como la multiplexación temporal de canales digitales y la modulación de la fuente óptica.
   • ESTRUCTURA DE MÚLTIPLEX ELÉCTRICO
     • desde los años 80 hasta mediados de los 90, mayoría de los sistemas de comunicaciones ópticas operativos fueron de tipo ETDM, donde los canales digitales se multiplexaban temporalmente en el dominio eléctrico utilizando una única portadora óptica. Estos sistemas se conocen como MI-DD (Modulación de Intensidad y Detección Directa). En la actualidad, los formatos de multiplexación eléctrica más utilizados son la Jerarquía Digital Síncrona (SDH) y el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM), representando la evolución de la conmutación de circuitos y de paquetes en las redes de banda ancha.
       • Estructura y características de las señales SDH
         • La Jerarquía Digital Síncrona (SDH) se originó en los años 80 como un estándar internacional para la transmisión señales de banda ancha mediante multiplexación por división de tiempo (TDM). Antes de SDH, los sistemas de multiplexación existentes en Estados Unidos y Europa eran limitados en flexibilidad y capacidad. SDH se diseñó para ofrecer una plataforma flexible y escalable que pudiera soportar nuevos servicios como datos e imágenes digitalizadas, además de garantizar la robustez la capacidad de reconfiguración frente a fallos en las redes de transporte. La señal base de SDH es el STM-1, transmitida a 155 Mb/s, y las señales de mayor velocidad se construyen a partir de múltiplos de esta velocidad Aunque inicial hubo diferencias entre SDH en Europa y SONET en Estados Unidos, con el tiempo han convergido en sus especificaciones y son compatibles entre sí. La evolución de SDH ha llevado a la creación de señales de mayor capacidad, como el STM-64 a 10 Gb/s,
           • con la posibilidad de implementar STM-256 en el futuro. La estructura de la trama SDH es periódica, transmitida en tramas de 125 µs con una organización de octetos que incluye información de usuario y cabeceras del sistema para tareas de administración y gestión de red. La señal de alta velocidad se crea ensamblando las cabeceras de los constituyentes de menor velocidad, y los octetos son la unidad básica de procesamiento en SDH. En resumen, SDH es la plataforma de multiplexación electrónica más utilizada en redes de transporte, permitiendo la transmisión eficiente de diversos servicios a través de redes ópticos y garantizando la flexibilidad y escalabilidad necesarias para adaptarse a las demandas cambiantes de las comunicaciones digitales.
       • Estructura y características de las señales ATM
         • El Modo de Transferencia Asíncrono (ATM) surgió en los años 80 como un método de transmisión para la red digital de servicios integrados de banda ancha (BISDN/RDSI-BA), inicialmente apoyado por diseñadores e implementadores de redes privadas para mejorar las LANs y posteriormente integrarlas con las redes públicas. ATM se basa en la conmutación de paquetes y ofrece ventajas como soporte eficiente y escalable de flujos de tráfico, garantía de ancho de banda para aplicaciones en tiempo real, integración de diferentes servicios y una gestión flexible de redes de comunicaciones. A diferencia de SDH, que opera a nivel físico, ATM es un protocolo de nivel 2 (nivel de enlace), es decir, incluye tareas de transporte así como de conmutación Las celdas ATM, compuestas por 53 octetos, se utilizan para transportar información entre origen y destino, con una cabecera de 5 octetos para encaminar la celda. ATM es
           • un protocolo orientado a conexión, lo que significa que se establecer un circuito virtual antes de transmitir datos. En la mayoría de los casos, las señales ATM se transportan en contenedores SDH, lo que proporciona flexibilidad en la velocidad de transmisión y permite la correspondencia con las diferentes jerarquías de SDH y SONET. En resumen, ATM es una tecnología versátil que ha sido fundamental en la evolución de las redes de comunicaciones, ofreciendo eficiencia, escalabilidad y flexibilidad en la transmisión de datos.
   • ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO Y PLANIFICACIÓN DE SISTEMAS
     • Consideraciones iniciales
       • En el diseño y planificación de sistemas de comunicaciones ópticas, en sistemas ETDM, es esencial comprender las limitaciones impuestas por los componentes utilizados en su implementación. Estas limitaciones se refieren a la máxima distancia entre transmisor y receptor o repetidores, así como a la capacidad máxima de transmisión a través de un enlace de longitud conocida. Factores como las pérdidas en la fibra y componentes ópticos, junto con la dispersión intermodal o intramodal, influyen en estas limitaciones. Aunque la solución puede parecer simple a primera vista, en realidad es compleja debido a la interacción de múltiples detalles. El enfoque analítico busca proporcionar expresiones que permitan cuantificar el efecto de cada mecanismo de degradación, aunque para un análisis detallado se recomienda recurrir a la simulación. Este enfoque analítico, aunque valioso, requiere considerar la simulación para comprender a fondo los efectos de los diversos componentes en el diseño
         • comunicaciones opticas
     • Limitación por pérdidas: Balance de potencias
       • Al implementar un enlace de fibra óptica, es considerar el balance de potencias entre el emisor y el receptor, ya que los componentes utilizados, como emisores, fibras y filtros, afectan la potencia de la señal optica tanto en la entrada como en la salida del enlace. Este balance busca cuantificar el impacto de cada componente en el sistema, excluyendo amplificadores ópticos en sistemas pasivos. La configuración del enlace puede variar, abarcando desde el tramo entre el emisor y el receptor de un repetidor hasta el enlace completo o entre repetidores contiguos. Es fundamental comprender y ajustar adecuadamente el balance de potencias para garantizar un funcionamiento óptimo del sistema de comunicaciones ópticas
       • La ecuación [8.50] de [Cap98]a la potencia media entregada por el emisor (Pe), la mínima potencia media necesaria en el receptor (Pr) para garantizar un nivel de calidad específico, la atenuación de la fibra óptica (α) y la longitud del enlace (L). Al considerar el valor de las potencias ruido para los bits "1" y "0" debido al ruido shot y térmico, y al despreciar el efecto de la corri de oscuridad, se obtiene el valor mínimo de Pr en unidades naturales, conocido como sensibilidad del receptor S
       • En la ecuación mencionada, q representa la probabilidad de error deseada para una tasa de error de bit de 10^-9. Se consideran la respuesta del fotodiodo (β), la ganancia y el factor de avalancha del fotodiodo (M y F(M)), la carga del electrón (e) y la potencia debida al ruido térmico en el receptor (σ2T). La relación entre la velocidad binaria (B) y el ancho de banda eléctrico (Δf) depende del formato de codificación utilizado, siendo común en comunicaciones ópticas el formato no retorno a cero (NRZ).
       • En resumen, se ha calculado la sensibilidad para un enlace de comunicaciones ópticas en tercera ventana basado en un receptor con fotodiodo PIN y diferentes velocidades de transmisión (2.5 Gb/s, 10 Gb/s y 40 Gb/s). Se han obtenido valores de potencia necesaria a la entrada del receptor (Pr) para cada velocidad. Considerando la atenuación en la tercera ventana y una potencia media entregada por el transmisor, se han calculado las distancias máximas permitidas por pérdidas para cada velocidad. Para enlaces complejos con componentes ópticos, se debe modificar la ecuación para reflejar la topología del enlace. Se recomienda reservar un margen de seguridad de potencia para posibles variaciones en el sistema. La ecuación [1.4] permite verificar si el enlaceple con las características deseadas en función de los componentes utilizados.
     • Limitación por ancho de banda: Balance de tiempos de subida
       • en un sistema de comunicaciones compuesto por varios subsistemas en cascada, es importante considerar el ancho de banda total del sistema para garantizar que pueda soportar la velocidad de transmisión deseada. El balance de tiempos de subida se utiliza para calcular la limitación en frecuencia y, por ende, en la velocidad de transmisión del enlace global. El tiempo de subida (Tr) se define como el intervalo de tiempo en el que la respuesta del sistema va del 10% al 90% de su valor máximo al aplicar una función escalón. La relación entre el ancho de banda (Δf) y Tr es inversa, Tr=c/Δf, donde c depende del sistema (por ejemplo, c=0,35 para un circuito RC paso bajo). Se establece una relación entre el tiempo de subida y la capacidad binaria que puede soportar, considerando el formato de codificación empleado (NRZ o RZ) en comunicaciones ópticas.
       • El procedimiento de diseño y verificación de un enlace de transmisión consiste en determinar la velocidad de transmisión deseada, calcular el tiempo de subida global máximo admisible, calcular el tiempo de subida del sistema considerando los subsistemas (transmisor, fibra y receptor), y comparar si el tiempo de subida es menor al máximo admisible. Si el tiempo de subida es menor, el sistema es viable; de lo contrario, se deben identificar y reemplazar los subsistemas que limitan el ancho de banda. El tiempo de subida del enlace se calcula sumando los tiempos de subida de cada subsistema (Ttrx, Trec y Tf).
       • El tiempo de subida del transmisor (Ttrx) estáado por la electrónica que configura el driver, dependiendo de si funciona por modulación directa o por el ancho de banda de modulación elérica del modulador. Los valores típicos de Ttrx oscilan entre 0,05 ns para transmisores láser y 2 ns para transmisores con LEDs. El tiempo de subida del receptor (Trec) está determinado por el ancho de banda eléctrico de su preamplificador. En cuanto a la fibra, el tiempo de subida (Tf) debe considerar la dispersión intramodal, cromática y por polarización, representadas por Tint, TGVD y Tpol respectivamente.
     • Efectos de degradación en sistemas ETDM debidos a la polarización
       • En fibras monomodo comerciales, la birrefringencia causa dispersión modal por polarización (PMD), que puede afectar la transmisión en sistemas de alta velocidad. La PMD se origina porque las dos polarizaciones posibles del modo fundamental se propagan a diferentes velocidades de grupo, lo que resulta en un ensanchamiento temporal del pulso. En sistemas reales, las perturbaciones ambientales y estructurales hacen que la orientación de los ejes de polarización cambie aleatoriamente a lo largo de la fibra. La dispersión por polarización se trata de forma determinista en enlaces cortos, donde la orientación de los ejes de polarización se mantiene constante, pero se vuelve aleatoria en enlaces largos. La longitud de correlación (lc) marca la transición entre enlaces cortos y largos.
       • se emplean fibras birrefring para transmitir señal con polarización lineal. A lo largo de la fibra, la orientación aleatoria de los ejes principales provoca que parte de la potencia la polarización lineal se transfiera a la polarización ortogonal. Conforme aumenta la distancia, se llega a un punto en el que amb polarizaciones tienen la misma potencia media y todos los estados deización son equiprobables. La longitud de correlación se define como la distancia en la cual la entre las potencias medias en los estados lineales ortogonal y de entrada es 1/e2. Este fenómeno ilustra cómo la variación aleatoria en la orientación de los ejes principales afecta la polarización de la señal a lo largo de la fibra.
       • En un enlace de comunicaciones ópticas largo, se consider como una sucesión de tramos cortos con características de polarización variables. Cuando un pulso alineado con un estado de polarización entra en un nuevo tramo, se descompone en dos pulsos debido al cambio en la orientación los ejes principales de polarización. Este proceso se repite en cada tramo, generando múltiples pulsos superpuestos a la salida, lo que resulta en un ensanchamiento del pulso. La forma del pulso de salida se puede calcular utilizando técnicas basadas en la coherencia de la fuente óptica. En resumen, en enlaces largos, la variación en la orientación de los ejes de polarización a lo largo de los tr afecta la propagación de los pulsos y resulta en un ensanchamiento temporal del pulso de salida.
       • en términos más amplios, el estudio del ensanchamiento de pulsos debido a la dispersión por polarización en enlaces largos con fuentes de anchura espectral estrecha sea en el concepto de estados principales de polarización. Estos estados permiten que los pulsos alineados con ellos conserven su forma original al atravesar la fibra, sufriendo solo un desplazamiento temporal. Sin embargo, la aleatoriedad en los cambios del entorno medioambiental introduce fluctuaciones en el retardo diferencial entre los estados principales de polarización, lo que dificulta la caracterización precisa de enlaces largos. Este fenómeno se puede modelar como la superposición coherente de múltiples subpulsos retardados diferencialmente, lo que genera un ensanchamiento en la señal de salida.

2. FORMULAS

   • cálculo del ensanchamiento temporal debido a la Dispersión de Velocidad de Grupo (GVD) en una fibra óptica o guía de ondas.
   • Estas representan los valores promedio de los coeficientes de dispersión de segundo orden ( 𝛽 2 ‾ β 2 ​ ​ ) y de tercer orden ( 𝛽 3 ‾ β 3 ​ ​ ) a lo largo de una longitud 𝐿 L de una fibra óptica.
   • Esta está relacionada con la Dispersión de Modo de Polarización (PMD), mostrando la relación entre PMD y la distancia 𝑧 z.
   • describir la relación de división de potencia entre dos estados de polarización ortogonales en un sistema óptico.
   • relación entre el retraso de grupo diferencial y el índice de refracción efectivo en un medio.
   • desviación estándar o la dispersión de una variable en un sistema, posiblemente relacionada con PMD.
   • fórmula para los componentes del campo eléctrico en un medio birrefringente, considerando diferentes retrasos de tiempo.
   • distribución fraccional de potencia entre diferentes modos de polarización en un sistema.

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