6.5 TRANSMISORES Y RECEPTORES OPTICOSIntroduccin
En las comunicaciones a travs de fibras pticas los transmisores
y receptores pticos son los dispositivos encargados de tomar la
seal elctrica en forma de voltaje o corriente y convertirla en una
seal luminosa con el objetivo de transportar informacin a travs de
la fibra. La complejidad del transmisor y receptor depende del tipo
de seal o informacin que se quiere enviar, si es anloga o digital,
el tipo de codificacin, y de la clase de fuente luminosa que se va
a modular.
Bsicamente, el detector es un dispositivo que convierte fotones
en electrones, un receptor se compone de un detector y de los
circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar en
un sistema de comunicaciones pticas, transformando seales de
frecuencias pticas a frecuencias inferiores, con la mnima adicin de
ruido indeseable y con un ancho de banda suficiente para no
distorsionar la informacin contenida en la seal (analgica o
digital).
Transmisores pticos
Los transmisores pticos son elementos que dentro del diseo de un
sistema de transmisin de fibra ptica que cumplen la funcin de
convertir las seales elctricas en seales pticas (en formas de
pulsos de luz) para ser transmitidas por la fibra, para enviar los
rayos de luz se utilizan principalmente los diodos LED y los diodos
Lser, los cuales se utilizan segn los requerimientos tcnicos,
dependiendo de sus fortalezas y debilidades y la forma como se
realice el diseo del sistema.Son dispositivos encargados de
realizar la conversin electro-ptica de la seal para introducirla en
el canal de informacin, es decir el cable de Fibra ptica, estn
compuestos por un modulador y una fuente de luz
principalmente.Generalmente se espera que el transmisor que
introduzca una potencia ptica adecuada, tamao y forma adecuadas a
la fibra, una longitud de onda que permita atenuacin y dispersin
mnima para el canal, una anchura espectral pequea y que sea capaz
de trabajar a muy alta frecuenciaDentro de los transmisores se
realiza el acoplamiento de la luz, el cual depende principalmente
de la fuente de luz (diodo LED o lser).En general, el transmisor
ptico de un sistema de comunicacin por fibra ptica es compuesto por
un modulador y una fuente de luz asociada con suyo circuito driver.
Una fuente de informacin genera la seal que se desea transmitir y
lo enva para ser adaptado para transmisin en el modulador. La
fuente de informacin, llamada de generador de seales, define el
tipo de informacin a ser transmitida. Para el caso de una seal
digital, la seal es representada por un conjunto de valores, que en
general, en comunicacin ptica, es binarios. En el caso de una seal
analgica, generalmente ella es representada por una combinacin de
senoides, con varias frecuencias, amplitudes y fases. La figura
6.5.1 presenta una representacin tpica de seales digitales y seales
analgicas.
Fig. 6.5.1- Tpica representacin de seal digital y seal
analgica.En realidad, la informacin a ser transmitida, es
imprevisible, debiendo ser caracterizada por valores aleatorios,
pero es comn utilizar valores determinsticos, para la evaluacin del
desempeo del sistema de comunicacin. En el caso que se quiera
transmitir varias seales simultaneas, analgicas o/y digitales, el
transmisor se encarga de hacer una multiplexacin elctrica o ptica,
de todas las fuentes de informacin que se quiera transmitir.
Caractersticas Bsicas de los Transmisores pticos Las
caractersticas ms importantes de un transmisor ptico son la
potencia ptica emitida, el espectro de radiacin de la fuente ptica
y la forma de onda de la seal ptica en la salida del transmisor,
que depende de la respuesta en frecuencia del dispositivo. La
potencia ptica emitida por el LED es, con una buena aproximacin,
proporcional a la corriente inyectada, aunque para altos niveles de
corriente ella satura, debido a efectos trmicos. La radiacin
emitida por el LED es incoherente y cubre un amplio espectro de
ancho de banda ptico.
La figura 6.5.2 presenta las caractersticas fundamentales dos
LEDs para aplicaciones en comunicaciones. . Fig. 6.5.2-
Caractersticas de transmisin de los LEDs (a)- curva potencia ptica
versus corriente inyectada. (b)Espectro de emisin. (c)Respuesta en
frecuencia.El comportamiento del lser es ms complejo, l es un
dispositivo de umbral. Abajo de la corriente umbral, la radiacin es
producida de la misma forma que en el LED, sin embargo, arriba el
corriente umbral, el lser acta como un oscilador y hay un cambio en
la caracterstica de la radiacin emitida, ella se hace ms
direccional, ms coherente y el espectro se hace ms delgado. Tanto
la corriente umbral, cuanto el espectro de radiacin son sensibles a
la temperatura y pueden variar con las condiciones ambientales y
altas potencias. La figura 6.5.3 presenta las caractersticas
fundamentales dos diodos lseres para aplicaciones en
comunicaciones. . Fig. 6.5.3- Caractersticas de transmisin de los
diodos lseres (a)- curva potencia ptica versus corriente inyectada,
(b)Respuesta en frecuencia. (c)Espectro de emisin: lser multimodo y
lser monomodo
Receptor ptico
Una configuracin bsica es el receptor de deteccin directa, el
foto detector convierte el flujo de los fotones incidentes en un
flujo de electrones. Despus esta corriente es amplificada y
procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepcin
ptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD.
Modelos de un tpico receptor ptico con deteccin directaEn la
prctica, para los receptores de deteccin directa con fotodiodos
PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el
ruido trmico, generado en la salida del fotodiodo. Existe dos
alternativas para superar esta limitacin, una es el uso de
fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicacin de
la corriente foto generada en el fotodiodo amplifica la seal foto
detectado. La segunda alternativa es la utilizacin de un
pre-amplificador ptico antes del foto detector, para amplificar la
seal ptica antes de la deteccin.
Modelo de un tpico receptor ptico con deteccin directa
utilizando un pre-amplificador pticoUna configuracin mas compleja
de receptor ptico es el empleo de los receptores de deteccin
coherente, con el nivel de potencia del oscilador local tan alto
que el ruido trmico se hace mucho menor que el producto del
batimento entre la seal del oscilador local y la seal recibida. La
figura presenta el esquema simplificado de deteccin coherente.
Modelo de un tpico receptor ptico con deteccin coherenteEn el
caso del esquema coherente, la seal detectada posee una frecuencia
intermediaria dada por:Donde: fFI es la frecuencia intermediaria,
fS es la frecuencia de la seal recibida y fLO es la frecuencia del
oscilador local.En los sistemas homodinos, la frecuencia
intermediaria es igual a cero y, en los heterodinos, ella es
diferente de cero, o sea, el espectro est simplemente trasladado de
la frecuencia ptica para la frecuencia intermediaria. Por su parte,
en el sistema homodino, como la frecuencia intermediaria es nula,
ocurre una concentracin de las energas de las dos bandas laterales
en la nica banda existente.Debemos considerar los mismos parmetros
bsicos para diferenciar las caractersticas de los receptores
analgicos y digitales. Los parmetros de los receptores analgicos
son la linealidad o distorsin y el ancho de banda, mientras que
para receptores digitales la linealidad no es importante y el ancho
de banda se reemplaza por la mxima velocidad de transmisin. La
potencia de ruido equivalente de un receptor es generalmente mayor
que en la de un foto detector slo. Otras consideraciones son la
relacin seal/ruido para los receptores analgicos y la tasa de
errores (nmero de bits equivocados recibidos) para receptores
digitales. Se debe notar que la fuente principal de ruido en el
receptor es la etapa amplificadora que sigue al foto
detector.Debemos considerar las caractersticas elctricas de salida
(codificacin para transmisores digitales y nivel e impedancia de
salida para las analgicas). Muchos receptores tienen circuitos de
control automtico de ganancia (CAG) para mantener el mismo nivel de
salida cualquiera sea el nivel de entrada. Dado que el rango del
nivel de entrada esta limitado por el foto detector, hay una
potencia mxima sobre la cual se satura y una potencia mnima que
representa la mnima detectable. Esta ltima es importante para
determinar la mxima longitud de fibra que se puede usar sin
repetidores. Otras caractersticas pticas de los foto detectores
tales como el rango de longitudes de onda de trabajo y el tipo de
encapsulado deben ser considerados al elegir.Los receptores pticos
actuales se basan en uno de los dos tipos de detectores: el
fotodiodo de avalancha APD y el diodo PIN seguido por un
preamplificador de entrada FET (Transistor de Efecto de Campo).
Para seales digitales binarias, el caso ms comn basta con 22dB de
relacin seal/ruido. Un APD de calidad (de bajo ruido) podra dar una
sensibilidad superior. Las relaciones seal eficaz de
portadora/ruido eficaz en seales analgicas han de estar entre los
30dB y los 65dB.Si las seales estn moduladas en intensidad, el
ruido dominante es el granular (shot) asociado a la corriente media
de la seal, para relaciones portadora/ruido mayores de unos 40dB.
En estos casos la mejor opcin son los receptores PIN-FET.
Ruido en los receptores pticos
La capacidad de un receptor ptico para detectar seales de luz
dbiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio.
Los agentes causantes del ruido son la seal ptica, el diodo en s y
el circuito elctrico que le sigue. El lmite en cuanto a deteccin se
da cuando la suma de todas las corrientes de ruido (cuntico, de la
corriente de oscuridad, granular, trmico) iguala a la corriente de
la seal a la salida del receptor. Esta potencia equivalente al
ruido suele ser sin embargo menos importante que la potencia ptica
(mnima) requerida para garantizar la deseada relacin seal/ruido o
tasa de error.Pueden presentarse alguna o todas las fuentes de
ruido siguientes: Ruido granular en la corriente media de la seal.
Exceso de ruido granular en la corriente media de la seal, debido
al ruido en la multiplicacin de avalancha. Ruido creado por la
corriente de oscuridad del detector. Ruido procedente del
amplificador.
Incluso con un APD perfecto, hay un lmite fundamental en el cual
el rendimiento slo depende del ruido granular en la corriente media
de la seal. Corrientemente se le denomina lmite cuntico, ya que los
electrones de la corriente de seal estn relacionados directamente
con los fotones pticos. Se puede demostrar que deben recibirse al
menos 21 fotones para un l si se quiere obtener una tasa de error
de 10-9 en sistemas digitales.
6.6 COMUNICACIN CON INFRAROJOSLas redes por infrarrojos nos
permiten la comunicacin entre dos nodos, usando una serie de LEDs
infrarrojos para ello. Se trata de emisores/receptores de las ondas
infrarrojas entre ambos dispositivos, cada dispositivo necesita al
otro para realizar la comunicacin por ello es escasa su utilizacin
a gran escala.DEFINICION DE INFRARROJO:La radiacin infrarroja o
radiacin trmica es un tipo de radiacin electromagntica de mayor
longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las
microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz
visible y mayor que las microondas.El nombre de infrarrojo, que
significa "por debajo del rojo", proviene de que fue observada por
primera vez al dividir la luz solar en diferentes colores por medio
de un prisma que separaba la luz en su espectro de manera que a
ambos extremos aparecen visibles las componentes del rojo al
violeta (en ambos extremos). Aunque estas experiencias haban sido
realizadas anteriormente por Isaac Newton, William Herschel observ
en el ao 1800 que se reciba radiacin debajo del rojo al situar
medidores de calor en las diferentes zonas no visiblemente
irradiadas por el espectro.Su longitud de onda, entre 700 nanmetros
y un milmetro, es la siguiente en longitud al rojo, el color de
longitud de onda ms larga de la luz visible.
Al hablar de comunicacin inalmbrica lo primero que se piensa es
en seales de radio. Sin embargo, olvidamos que nos comunicamos
habitualmente con equipos electrnicos utilizando una tecnologa que
se ha vuelto muy comn, extremadamente sofisticada y eficaz: las
comunicaciones mediante infrarrojos. Como por ejemplo cuando se
opera un control remoto, lo que uno hace es comunicarse por medio
de luz en la gama de los infrarrojosUn enlace de este tipo puede
servir, por ejemplo, para enviar datos a un robot desde sensores,
establecer y detectar balizas en el entorno, comunicar varios
robots entre s, o para que una persona d rdenes utilizando un
aparato convencional de control remoto (como el de su TV).
Caractersticas de los Sistemas Infrarrojos de Comunicaciones. En
general los sistemas de comunicaciones infrarrojos ofrecen ventajas
significativas respecto a los sistemas de radio frecuencia. Al
utilizar luz, los sistemas Infrarrojos de comunicaciones cuentan
con un canal cuyo potencial de ancho de banda es muy grande y no
estn regulados en ninguna parte del planeta. Adems, los sistemas
infrarrojos de comunicaciones son inmunes a interferencias y ruido
de tipo radioelctrico. Como la luz infrarroja no puede atravesar
paredes, es posible (en comunicaciones interiores) operar al menos
un enlace (celda) en cada cuarto de un edificio sin interferencia
con los dems, permitiendo as una alta densidad de recurso del
sistema, obtenindose una gran capacidad por unidad de rea. El
comportamiento de las seales infrarrojas hace difcil que escuchas
clandestinos las puedan captar. La nica manera de que las seales
infrarrojas se pudieran captar sin permiso, es a travs de las
ventanas, pero si estas se cubren con persianas o cortinas se
evitara tal situacin de inseguridad, sin la necesidad de los
complicados algoritmos de cifrado utilizados en los sistemas de
RF
Clasificacin de los sistemas infrarrojos. En general, los
sistemas IR se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios. El
primer criterio es el grado de direccionalidad del transmisor y del
receptor, as podemos encontrar enlaces dirigidos y enlaces no
dirigidos. Los enlaces dirigidos emplean transmisores y receptores
altamente direccionales, los cuales deben apuntar uno al otro o
hacia un rea comn (generalmente en el techo) para establecer el
enlace. Los enlaces no dirigidos en ellos se emplean transmisores y
receptores de gran ngulo, disminuyendo as la necesidad de tal
apuntamiento. En los enlaces directos se maximiza la eficiencia de
potencia, ya que esta se dirige en un rango muy pequeo de
direcciones, y por lo mismo se minimizan las prdidas de propagacin
y la recepcin de ruido causado por la luz ambiental. Al ser mnima
la necesidad de apuntamiento, en un enlace no dirigido se facilita
su reconfiguracin. El segundo criterio de clasificacin est
relacionado con la existencia o no de una lnea de vista entre el
transmisor y el receptor. En los enlaces de lnea de vista, la luz
emitida por el transmisor llega directamente al receptor. En los
enlaces sin lnea de vista, la luz que sale del transmisor llega al
receptor generalmente despus de haberse reflejado difusamente en
una o varias superficies. En un enlace de lnea de vista, se utiliza
con mayor eficiencia la potencia de las seales y se minimiza la
distorsin por multitrayectorias. Y con un enlace sin lnea de vista,
se obtiene una mayor facilidad de uso, mayor movilidad, y robustez,
o sea que el sistema sigue operando aun cuando existan
obstrucciones causadas por personas u objetos que se interpongan
entre el transmisor y el receptor. Dispositivos Receptores de
infrarrojosLos receptores de infrarrojos codificados integran en un
chip el elemento sensible al infrarrojo, una lente, un filtro de
espectro y toda la lgica necesaria para distinguir seales moduladas
a una determinada frecuencia.Ejemplo: Receptor de infrarrojos
IRM8601S
El receptor est disponible en una cpsula similar a los
transistores TIP y, como los transistores, tambin tiene tres patas.
Existe tambin una cpsula con cobertura metlica. La conexin es muy
simple: una de las patas es la alimentacin de 5V, la otra la seal
de salida y la tercera es el comn o tierra.
Diagrama lgico del IRM8601S
Circuito de aplicacin del IRM8601S
Hoja de datos lista las siguientes caractersticas: Inmunidad
contra interferencias electromagnticas. Disponible en cpsula
metlica. Lente elptico que mejora la recepcin Bajo voltaje y bajo
consumo Alta inmunidad a la luz ambiente Fotodiodo con circuito
integrado Compatible con TTL y CMOS Recepcin a larga distancia
Elevada sensibilidad Otros receptores de tipo similar: Vishay TSOP
1738 Vishay TSOP 1838 Vishay TSOP 11.. series Siemens SFH 506
(discontinuado) Siemens SFH 5110 (sucesor del SFH 506) Radio Shack
276-0137 Everlight IRM 8100-3-M (Radio Shack part no. 276-0137B)
Mitsumi IR Preamp KEY-COOSV (0924G) TOSHIBA TK19 444 TFMS 5360
TEMIC TFMS 5380 Por Telefunken Semiconductors Sharp IS1U60
(Disponible como RS) Sony SBX 1620-12 Sharp GP1U271R Kodenshi
PIC-12043S Daewoo DHR-38 C 28
Emisores de infrarrojoLa otra parte del sistema, la emisin, se
puede solucionar con un control remoto universal. Los receptores
como el que describimos estn ajustados para estos emisores de
infrarrojos para electrodomsticos.Si de todos modos se desea
implementar un circuito, se puede utilizar, por ejemplo, el
integrado codificador HT12E, que codifica 12 entradas (8 de
direccin y 4 de datos, o comandos) en una seal en serie (para
decodificarlas se utilizara su hermanito, el HT12D).
Mdulos de transceptor para enlace infrarrojoBien, tambin existe
esta opcin: se puede contar con unos mdulos ya armados que permiten
una comunicacin bidireccional por infrarrojos. Son unas pequeas
plaquetitas, cosa que se observa en la imagen.
Modos de transmisinA la hora de transmitir, las estaciones
infrarrojas pueden usar tres tipos de mtodos para ello: punto a
punto, casi-difuso y difuso.
Sistemas IR punto a punto. En un enlace punto a punto, el
transmisor concentra su potencia en una pequea regin del espacio,
por lo cual, para una potencia dada, este sistema es el que mayor
distancia puede alcanzar. De una manera parecida, el receptor capta
luz infrarroja solo de una pequea regin del espacio, producindose
as un mnimo de distorsin por multitrayectorias y de ruido causado
por las fuentes de luz ambiental. La combinacin de estas
caractersticas da como resultado altas razones de transmisin y
grandes alcances. Adems de esto, los sistemas punto a punto son
relativamente baratos y simples. Un buen ejemplo de sistemas
infrarrojos punto a punto son los enlaces intersatelitales, en
donde las condiciones ambientales (vaco) permiten que con
relativamente pequea potencia se tengan alcances y razones de
transmisin muy grandes (cientos o miles de km y varios Gbps).
Aunado a esto, el reducido espacio y poco peso de un sistema IR,
cuestiones importantes en los satlites, le dan una gran ventaja
respecto a los sistemas de RF en este tipo de aplicaciones.
Sistema IR casi -difusoEn el modo casi-difuso, el tipo de emisin
es radial; esto es, la emisin se produce en todas direcciones, al
contrario que en el modo punto a punto. Para conseguir esto, lo que
se hace es transmitir hacia distintas superficies reflectantes, las
cuales redirigirn el haz de luz hacia la/s estacin/es receptora/s.
De esta forma, se rompe la limitacin impuesta en el modo punto a
punto de la direccionalidad del enlace. En funcin de cmo sea esta
superficie reflectante, podemos distinguir dos tipos de reflexin:
pasiva y activa. En la reflexin pasiva, la superficie reflectante
simplemente refleja la seal, debido a las cualidades reflexivas del
material. En la reflexin activa, por el contrario, el medio
reflectante no slo refleja la seal, sino que adems la amplifica. En
este caso, el medio reflectante se conoce como satlite. Destacar
que, mientras la reflexin pasiva es ms flexible y barata, requiere
de una mayor potencia de emisin por parte de las estaciones, debido
al hecho de no contar con etapa repetidora.Sistemas IR difusos.
Como se analiz anteriormente, entre todos los tipos de sistemas IR,
los sistemas IR difusos son los ms fciles de utilizar y tambin los
ms robustos, no se requiere apuntar tanto al transmisor como al
receptor, ni se requiere que haya lnea de vista entre estos. Sin
embargo, los sistemas IR difusos tienen ms altas perdidas de
propagacin que sus contrapartes de lnea de vista, requiriendo altas
potencias de transmisin y un receptor que tenga una gran rea de
coleccin de luz. Transmisores difusos tpicos emplean varios LEDs,
los cuales son orientados en diferentes direcciones, para proveer
una diversidad de trayectorias de propagacin. Cuando transmiten,
tpicamente emiten una potencia ptica promedio en el intervalo de
100 a 500 mW, esto causa un consumo de potencia elctrica ms alto
que el de un transmisor tpico IrDA. Los receptores difusos tpicos
emplean como detectores diodos pin de silicio encapsulado en lentes
hemisfricos, los cuales concentran la luz y tienen un amplio campo
visual.
