Perspectiva histórica 1

1.1.1 Necesidad de fibra óptica de comunicaciones 2

1.1.2 Evolución de los Sistemas Lightwave 4

1.2 Conceptos básicos 8

1.2.1 Señales analógicas y digitales 8

1.2.2 Multiplexación Canal 11

1.2.3 formatos de modulación 13

1.3 Comunicación Óptica Sistemas 16

Componentes del sistema 1.4 Lightwave 17

1.4.1 Fibras ópticas como canal de comunicación 18

1.4.2 transmisores ópticos 18

1.4.3 receptores ópticos 19

Problemas 20

Referencias 21

Capítulo 1

introducción

Un sistema de comunicación transmite información de un lugar a otro, ya separados por unos pocos kilómetros o por distancias transoceánicas . La información se llevó a menudo por una onda portadora electromagnética cuya frecuencia puede variar de unos pocos megahercios varios cientos de terahercios . Sistemas de comunicación óptica utilizan

portadora alta frecuencias ( ~ 100 THz ) en la región visible o en el infrarrojo cercano de la electromagnético espectro . A veces se llaman sistemas de ondas de luz para distinguirlos de microondas sistemas , cuya frecuencia portadora es típicamente menor por cinco órdenes de magnitud

(~ 1 GHz). Los sistemas de comunicación de fibra óptica son los sistemas de ondas luminosas que emplean fibras ópticas para la transmisión de información . Tales sistemas se han desplegado en todo el mundo desde 1980 y que han revolucionado el campo de las telecomunicaciones. De hecho , la tecnología de ondas de luz , junto con la microelectrónica , condujo a la aparición de la " era de la información ", durante la década de 1990 . Este libro describe la comunicación de fibra óptica

sistemas de una manera integral. Se hace hincapié en los aspectos fundamentales , pero

También se discuten las cuestiones de ingeniería pertinentes . En este capítulo introductorio se presenta los conceptos básicos y proporcionar el material de fondo. Sección 1.1 da una histórica perspectiva sobre el desarrollo de los sistemas de comunicación óptica . Sección 1.2 portadas conceptos tales como formatos de modulación analógica y señales digitales , la multiplexación de canales, y . Méritos relativos de los diferentes sistemas de ondas de luz se discuten en la Sección 1.3 . la última sección se centra en los componentes básicos de un sistema de comunicación de fibra óptica.

1.1 Perspectiva histórica

El uso de la luz para propósitos de comunicación se remonta a la antigüedad si interpretamos comunicaciones ópticas en un sentido amplio [ 1 ] . La mayoría de las civilizaciones han

utilizado espejos , fuego balizas o señales de humo para transmitir una única pieza de información (como la victoria en una guerra ) . Esencialmente la misma idea fue utilizada hasta finales del siglo XVIII a través de lámparas de señales , banderas, y otros dispositivos de semáforos . La idea se extendió aún más , a raíz de una sugerencia de Claude Chappe en 1792 , para transmitir mecánicamente mensajes codificados a través de distancias largas ( ~ 100 km) en el uso de estaciones repetidoras intermedias

[ 2 ] , actuando como regeneradores o repetidores en el lenguaje de hoy en día . Figura 1.1

muestra esquemáticamente la idea básica. La primera de esas "telégrafo óptico" se puso en servicio

entre París y Lille (dos ciudades francesas a unos 200 km de distancia) en julio de 1794. Antes de 1830, la red se había expandido por toda Europa [1]. El papel de la luz en estos sistemas era simplemente para hacer visibles las señales codificadas de modo que pudieran ser interceptados por el estaciones de relevo. Los sistemas de comunicación opto-mecánicos del siglo XIX eran inherentemente lento. En la

terminología de hoy en día, la tasa de bits efectiva de tales sistemas era menos de 1 bit por segundo (B <1 b / s).

Necesidad de comunicaciones de fibra óptica

El advenimiento de la telegrafía en 1830 sustituyó a la utilización de la luz por la electricidad y comenzó la era de las comunicaciones eléctricas [ 3 ] . La velocidad de bits B podría aumentarse a ~ 10 b / s

por el uso de técnicas de codificación nuevos , tales como el código Morse . El uso del compuesto intermedio estaciones repetidoras permite la comunicación a larga distancia ( ~ 1000 km) . De hecho , la

primer cable telegráfico transatlántico éxito se puso en funcionamiento en 1866. telegrafía

utilizado esencialmente un esquema digital a través de dos pulsos eléctricos de diferentes duraciones( puntos y rayas del código Morse ). La invención del teléfono en 1876 trajo un cambio importante en la medida en se transmiten señales eléctricas en forma analógica a través de un variando continuamente la corriente eléctrica [ 4 ] . Técnicas eléctricas analógicas eran a dominar sistemas de comunicación para un siglo más o menos .

El desarrollo de las redes telefónicas de todo el mundo durante el siglo XX

conducido a muchos avances en el diseño de sistemas de comunicación eléctricos . El uso de cables coaxiales en lugar de pares de hilos mayor capacidad del sistema considerablemente. La primer sistema de cable coaxial , puesta en circulación en 1940 , era un sistema de 3 MHz capaz de transmisión de 300 canales de voz o un solo canal de

televisión. El ancho de banda de tales sistemas está limitado por las pérdidas de cable dependientes de la frecuencia , que aumentan rápidamente durante frecuencias más allá de 10 MHz . Esta limitación llevó al desarrollo de microondas sistemas de comunicación en el que una onda portadora electromagnética con frecuencias en la gama de 1-10 GHz se utiliza para transmitir la señal mediante el uso de modulación adecuado técnicas .

Fue puesto El primer sistema de microondas que funciona en la frecuencia portadora de 4 GHz

en servicio en 1948. Desde entonces , ambos sistemas coaxiales y de microondas han evolucionado considerablemente y son capaces de operar a velocidades de bits ~ 100 Wals . El coaxial más avanzada

sistema se puso en servicio en 1975 y opera a una velocidad de bits de 274 Mb / s . Una severa inconveniente de este tipo de sistemas coaxiales de alta velocidad es su pequeño espacio repetidor (~ 1 km), lo que hace que el sistema relativamente caro de operar . la comunicación de microondas

sistemas permiten generalmente que para una separación repetidor más grande , pero su tasa de bits también es limitada por la frecuencia de la portadora de tales ondas . Una figura de uso de méritos para la comunicación sistemas es el producto con velocidad de bits distancia , BL , donde B es la velocidad de bits y L es el espaciado repetidor . La Figura 1.2 muestra cómo el producto BL se ha incrementado a través tecnológica los avances en el último siglo y medio. Los sistemas de comunicación con BL ~ 100 (Mb / s ) - km estaban disponibles para 1970 y se limita a tales valores , porque de limitaciones fundamentales.

Se realizó durante la segunda mitad del siglo XX que un aumento de varios órdenes de magnitud en el producto BL sería posible si las ondas ópticas fueron utilizados como el portador . Sin embargo, ni una fuente óptica coherente ni un adecuado medio de transmisión estaba disponible durante la década de 1950 . La invención del láser y su demostración en 1960 resolvió el primer problema [ 5 ] . A continuación, la atención se centró en la búsqueda de formas para el uso de luz láser para las comunicaciones ópticas . Muchas ideas fueron avanzado durante la década de 1960 [ 6 ] , siendo la más notable la idea de confinamiento de luz utilizando una secuencia de lentes de gas [ 7]

Se sugirió en 1966 que las fibras ópticas pueden ser la mejor opción [ 8 ] , como seson capaces de guiar la luz de una manera similar a la guía de electrones en cobrecables . El principal problema fue las elevadas pérdidas de fibras -fibras ópticas disponiblesdurante la década de 1960 tuvo pérdidas en exceso de 1,000 dB / km. Un gran avance se produjo en1970 cuando las pérdidas de fibra podrían reducirse por debajo de 20 dB / km en la región de longitud de ondacerca de 1 jum [ 9 ] . Casi al mismo tiempo, los láseres semiconductores de GaAs , de funcionamiento continuoa temperatura ambiente , se han demostrado [ 10 ] . La disponibilidad simultánea defuentes ópticas compactas y unas fibras ópticas de baja pérdida llevaron a un esfuerzo a nivel mundial para el desarrollo

los sistemas de comunicación por fibra óptica [ 11 ] . La figura 1.3 muestra el aumento en lacapacidad de los sistemas de ondas de luz se dio cuenta después de 1980 a través de varias generaciones de desarrollo[ 12 ] . Como se ve allí, el despliegue comercial de los sistemas de ondas de luz seguidola fase de investigación y desarrollo de cerca. El progreso ha sido hecho rápido , como es evidentede un aumento en la tasa de bits en un factor de 100.000 durante un período de menos de 30año . Las distancias de transmisión también han aumentado de 10 a 10.000 km en el mismoperíodo de tiempo . Como resultado , el producto tasa de bits a distancia de los sistemas de ondas luminosas modernas puedenexceda en un factor de 107 en comparación con los sistemas de ondas de luz de primera generación .1.1.2 Evolución de los Sistemas Lightwave

La fase de investigación de los sistemas de comunicación de fibra óptica se inició en torno a 1975 . la enormes progresos realizados durante el período de 25 años que se extiende desde 1975 hasta 2000 lata pueden agrupar en varias generaciones distintas. La figura 1.4 muestra el aumento en el BL producto durante este período de tiempo tal como se cuantifica a través de varios experimentos de laboratorio [ 13 ] .

La línea recta corresponde a una duplicación del producto BL cada año. En todos los

Aumento en el producto BL durante el período 1975-1980 a través de varias generaciones sistemas de ondas de luz. Diferentes símbolos se utilizan para las generaciones sucesivas. (Después de la Ref. [13].; © 2000 IEEE, reproducido con permiso).

generación, aumenta BL principio, pero luego empieza a saturar ya que la tecnología madure.Cada nueva generación trae un cambio fundamental que contribuye a mejorar el sistemarendimiento aún más .La primera generación de sistemas de ondas luminosas operados cerca de 0,8 firn y GaAs utilizadasláseres semiconductores . Después de varios ensayos de campo durante el período 1977-1979 , estos sistemas llegó a estar disponible comercialmente en 1980 [ 14 ] . Ellos funcionan a una velocidad de 45 Mb / s y permitió separaciones repetidoras de hasta 10 km. El espaciado de repetidor más grande en comparación con 1- km espaciamiento de los sistemas coaxiales fue una motivación importante para los diseñadores de sistemas porque disminuye los costes de instalación y de mantenimiento asociados con cada uno repetidor .Quedó claro durante la década de 1970 que el espaciamiento del repetidor se podría aumentar considerablemente haciendo funcionar el sistema de ondas de luz en la región de longitud de onda cerca de 1,3 JUM , donde pérdida de la fibra es inferior a 1 dB / km . Además, las fibras ópticas presentan dispersión mínima en esta región de longitud de onda . Esta situación llevó a un esfuerzo a nivel mundial para el desarrollo de los láseres y detectores que operan cerca de 1.3 Jim semiconductores InGaAsP . El segundo generación de sistemas de comunicación de fibra óptica está disponible desde principios de 1980, pero la tasa de bits de los primeros sistemas se limita a por debajo de 100 Mb / s debido a la dispersión en fibras multimodo [ 15 ] . Esta limitación fue superada por el uso de fibras de modo único . Un experimento de laboratorio en 1981 demostró la transmisión a 2 Gb / s más de 44 Km. De fibra de modo único [ 16 ] . La introducción de sistemas comerciales poco después. Por 1987 , los sistemas de ondas de luz de segunda generación , que funciona a velocidades de bits de hasta 1,7 Gb / s con una separación repetidor de unos 50 km , estaban disponibles comercialmente .

El espaciamiento del repetidor de los sistemas de ondas de luz de la segunda generación se vio limitada por las pérdidas de fibra a la longitud de onda de funcionamiento de 1,3 SSM ( típicamente 0,5 dB / km ) . pérdidas de fibras de sílice convertido mínimo cerca de 1.55 jum . De hecho , una pérdida 0.2-dB/km se realizó en el año 1979 en esta región del espectro [ 17 ] . Sin embargo , la introducción de la tercera generación sistemas de ondas de luz que funcionan a 1,55 firn se retrasó considerablemente por una fibra de gran dispersión cerca de 1,55 jiim . Los láseres convencionales semiconductores InGaAsP no podían ser utilizado a causa de la propagación de impulsos que ocurren como resultado de la oscilación simultánea de varios modos longitudinales . El problema de dispersión puede ser superada , ya sea mediante el uso fibras desplazado dispersión diseñados para tener mínima dispersión cerca de 1,55 Jum o limitando el espectro de láser a un único modo longitudinal . Se siguieron Ambos enfoques durante la década de 1980 . En 1985 , los experimentos de laboratorio indicaron la posibilidad de transmitir información a velocidades de bits de hasta 4 Gb / s en distancias superiores a 100 km [ 18]. Sistemas de ondas de luz de tercera generación que funcionan a 2,5 Gb / s se comercializaron en el año 1990 . Tales sistemas son capaces de funcionar a una velocidad de bits de hasta 10 Gb / s [ 19 ] . Se logrará un mejor rendimiento utilizando fibras de dispersión desplazada en combinación con láseres oscilante en un único modo longitudinal .Un inconveniente de los sistemas de 1.55-/im tercera generación es que la señal se regeneraperiódicamente mediante el uso de repetidores electrónicos separados típicamente por 60-70 km . la espaciamiento repetidor se puede aumentar mediante el uso de una detección homodina o heterodina esquema , ya que su uso mejora la sensibilidad del receptor . Tales sistemas se denominan a los sistemas de ondas de luz como coherentes . Sistemas coherentes estaban en fase de desarrollo en todo el mundo durante la década de 1980 , y sus posibles beneficios se demostraron en muchos sistemas experimentos [ 20 ] . Sin embargo , se pospuso la introducción comercial de tales sistemas Con el advenimiento de los amplificadores de fibra en 1989 .La cuarta generación de sistemas de ondas de luz hace uso de la amplificación óptica para el aumento de la separación de repetidor y de multiplexación por división de longitud de onda ( WDM ) para el aumento de la tasa de bits . Como se ve en las figuras 1.3 y 1.4 , el advenimiento de la técnica WDM alrededor de 1992 comenzó una revolución que dio lugar a la duplicación de la capacidad del sistema cada 6 meses más o menos y dado lugar a sistemas de ondas de luz que funcionan a una velocidad de bits de 10 Tb / s por 2001 . En la mayoría de los sistemas WDM , las pérdidas de fibras se compensan periódicamente utilizando erbiumdoped amplificadores de fibra espaciadas 60-80 km de distancia. Estos amplificadores se desarrollaron después de1985 y se empezó a comercializar en 1990. Un experimento de 1991 mostró laposibilidad de transmisión de datos de más de 21.000 kilómetros en 2,5 Gb / s , y más de 14.300 kilometros en5 Gb / s , utilizando una configuración de recirculación de bucle [ 21 ] . Esta evolución indica queun , , sistema de transmisión submarina óptica de próxima - amplificador era factible para intercontinentalla comunicación . En 1996, no sólo la transmisión de más de 11.300 kilometros en un poco

velocidad de 5 Gb / s se ha demostrado mediante el uso de cables submarinos reales [ 22 ] , sino comercial sistemas de cables transatlánticos y transpacíficos también estuvieron disponibles. Desde entonces, un gran número de sistemas de ondas de luz submarinos se han desplegado en todo el mundo .La figura 1.5 muestra la red internacional de sistemas submarinos alrededor de 2005 [ 23 ] .El enlace de fibra óptica de 27.000 kilómetros alrededor del mundo (conocido como FLAG) entró en funcionamiento en 1998 , que une muchos países de Asia y Europa [ 24 ] . Otra onda de luz principalsistema, conocido como África Uno estaba operando en el año 2000 , sino que da la vuelta al continente africano y cubre una distancia de transmisión total de cerca de 35.000 km [ 25]. Varios sistemas WDM fueron desplegados a través de los océanos Atlántico y Pacífico durante 1998-2001 en respuestaque el aumento inducido por Internet - en el tráfico de datos , sino que aumentaron la capacidad totalpor órdenes de magnitud . En efecto , tal despliegue rápido condujo a un nivel mundialel exceso de capacidad que resultó en la explosión de la llamada " burbuja de las telecomunicaciones " en 2001El cambio en las pendientes de las líneas punteadas en la Figura 1.3 , que se producen en torno a 2001 , reflejaesta realidad.El énfasis de la mayoría de los sistemas de ondas luminosas WDM es en el aumento de su capacidad detransmitir más y más canales a través de la técnica WDM . Con el aumentoancho de banda de la señal , a menudo no es posible amplificar todos los canales utilizando un solo amplificador .Como resultado , nuevos esquemas de amplificación ( tales como la amplificación Raman distribuida )se han desarrollado para cubrir la región espectral que se extiende 1,45-1,62 SSM .Este enfoque dio lugar en 2000 a un 3,28 Tb / s experimento en el que 82 canales , cada operativoa 40 Gb / s , se transmitieron más de 3000 km. Dentro de un año , la capacidad del sistemase podría aumentar a cerca de 11 Tb / s ( 273 canales WDM , cada uno operando a 40 Gb / s )pero la distancia de transmisión se limita a 117 km [ 26 ] . En otro experimento de grabación,300 canales, cada uno operando a 11,6 Gb / s , se transmiten a través de 7380 kilometros , resultante en un producto BL de más de 25.000 ( Tb / s ) km [ 27 ] . Sistemas terrestres comerciales con la capacidad de 3,2 Tb / s, que transmiten 80 canales (cada uno a 40 Gb / s ) con el uso de Amplificación Raman, estaban disponibles a finales de 2003 . Dado que la primera generación sistemas tenían una capacidad de 45 Mb / s en el año 1980 , hay que destacar que la capacidad de salto por un factor de más de 70.000 durante un período de 25 años .La quinta generación de sistemas de comunicación de fibra óptica se refiere a la ampliación la gama de longitud de onda sobre la cual un sistema WDM puede operar simultáneamente .La ventana de longitud de onda convencional , conocida como la banda C , cubre la longitud de onda variar desde 1,53 hasta 1,57 jum . Se está extendiendo tanto en el lado

largo y corto de longitud de onda ,lo que resulta en las bandas L y S , respectivamente . La técnica de amplificación Raman puede ser utilizado para las señales en las tres bandas de longitud de onda . Por otra parte , un nuevo tipo de fibra , conocido como la fibra seca ha sido desarrollado con la propiedad de que las pérdidas de fibra son pequeñas sobre toda la región de longitud de onda que se extiende desde 1,30 hasta 1,65 ; IIM [ 28 ] . La disponibilidad de tales fibras y nuevos esquemas de amplificación pueden dar lugar a sistemas de ondas de luz con miles deCanales WDM .Conceptos BásicosEsta sección presenta algunos conceptos básicos comunes a todos los sistemas de comunicación.Comenzamos con una descripción de las señales analógicas y digitales y describimos cómo un análogola señal se puede convertir en forma digital . Después consideramos el tiempo y frequencydivisionmultiplexación de señales de entrada, y concluir con una discusión de varios modulaciónformatos .1.2.1 Señales analógicas y digitalesEn cualquier sistema de comunicación , información a transmitir está generalmente disponible comouna señal eléctrica que puede tomar forma analógica o digital, [ 48 ] . En el caso analógico , laseñal (por ejemplo , corriente eléctrica ) varía continuamente con el tiempo , como se muestra esquemáticamenteen la figura 1.6 ( a) . Ejemplos conocidos son señales de audio y de vídeo resultantes cuandoun micrófono convierte la voz o una cámara de vídeo convierte una imagen en una señal eléctricaseñal. Por el contrario, la señal digital sólo toma unos valores discretos. En el binariorepresentación de una señal digital sólo dos valores son posibles. El caso más simple de unseñal digital binaria es uno en el que la corriente eléctrica es encendido o apagado , como se muestra enFigura 1.6 ( b )

. Estas dos posibilidades se conocen como "bit 1 " y " bit 0 " (bit es un contratadoforma de dígitos èinary ) . Cada bit dura un cierto período de tiempo Tg , conocido como el bitperíodo o ranura poco . Desde un bit de información se transmite en un intervalo de tiempo de Tg , la

velocidad de bits B , definida como el número de bits por segundo , es simplemente B = Tgl . Un bien conocidoejemplo de señales digitales es proporcionada por los datos informáticos . Cada letra del alfabetojunto con otros símbolos comunes ( números decimales , signos de puntuación , etc ) esasignado un número de código ( código ASCII) en el rango de 0 a 127 , cuya representación binariacorresponde a una señal digital de 7 bits . El código ASCII original ha sido extendida para representar256 caracteres transmitidos a través de bytes de 8 bits . Ambas señales analógicas y digitales

se caracterizan por su ancho de banda , que es una medida de los contenidos espectrales de laseñal. El ancho de banda de la señal representa el rango de frecuencias contenidas dentro de laseñal y se determina matemáticamente a través de su transformada de Fourier .Una señal analógica se puede convertir a formato digital por muestreo a intervalos regularesde tiempo [ 48 ] . La figura 1.7 muestra el método de conversión de forma esquemática . El muestreotasa se determina por el ancho de banda de A / de la señal analógica . De acuerdo con el muestreoteorema [ 49 ] , una señal de ancho de banda limitado puede ser plenamente representada por muestras discretas ,sin pérdida de información , siempre que la frecuencia de muestreo fs satisface laCriterio de Nyquist [ 50 ] , fs > 2A / . La primera etapa consiste en el muestreo de la señal analógica enla frecuencia correcta. Los valores muestreados pueden tomar cualquier valor en el rango 0 < A < Amax ,donde Amax es la amplitud máxima de la señal analógica dada . Supongamos queAmax se divide en intervalos discretos (no necesariamente equiespaciados ) M . Cada muestreadovalor se cuantifica para corresponder a uno de estos valores discretos . Claramente , esteprocedimiento conduce a ruido adicional , conocido como ruido de cuantificación , que se suma a laruido ya presente en la señal analógica .El efecto del ruido de cuantificación se puede minimizar eligiendo el número de discretaniveles tales que M> Amax / A ^ v , donde AN es la amplitud del ruido de la raíz cuadrada mediade la señal analógica . La relación Amax / Au se llama el rango dinámico y se relaciona conla relación señal a ruido ( SNR ) por la relaciónSNR = 201og10 ( Amax / AIV ) , (1.2.1 )

donde SNR se expresa en decibelios (dB ) unidades. Cualquier relación R se puede convertir endecibelios utilizando la definición general 101og10 / ? (ver Apéndice A). La ecuación ( 1.2.1 )

contiene un factor de 20 en lugar de 10 , simplemente porque la SNR para señales eléctricas esdefinido con respecto a la energía eléctrica , mientras que A está relacionada con la corriente eléctrica( o voltaje ) .Los valores muestreados cuantificados pueden ser convertidos a formato digital mediante el uso de un adecuadotécnica de conversión . En un esquema , conocido como posición de pulso modulación de pulsoposición dentro de la ranura de bits es una medida del valor muestreado . En otra , conocida comode duración de pulso de modulación , la duración de impulso varía desde poco a poco de acuerdo conel valor muestreado . Estas técnicas se utilizan raramente en comunicación óptica prácticasistemas , ya que es difícil de mantener la posición de pulso o anchura de pulso para una alta precisióndurante la propagación en el interior de la fibra. La técnica utilizada casi universalmente , conocidocomo modulación por impulsos codificados ( PCM ) , se basa en un esquema binario en el que la informaciónes transportada por la ausencia o la presencia de pulsos que son por lo demás idéntico . lacódigo binario es usado para convertir cada valor muestreado en una cadena de 1 y 0 bits. lanúmero de M bits necesarios para codificar cada muestra está relacionada con el número de cuantizada

niveles de señal M por la relaciónM = 2m o m = log2M .La velocidad de bits asociada con la señal digital PCM está dado por lo tantoB = mfs > { 2AF ) \ og2M , ( 1.2.3)donde , se utilizó el criterio de Nyquist , fs > 2AF . Al tomar nota de que M> Amax / AN yutilizando la ecuación . (1.2.1 ), junto con log2 10 « 3.33 ,ß > (A / / 3 ) SNR , ( 1.2.4)donde la relación señal ruido se expresa en decibelios (dB ) unidades.La ecuación ( 1.2.4 ) proporciona la tasa de bits mínima requerida para la representación digitalde una señal analógica de ancho de banda de A / y una SNR específica . Cuando SNR > 30 dB , latasa de bits requerida excede 10 (A / ) , lo que indica un aumento considerable en el ancho de bandarequisitos de señales digitales . A pesar de este aumento , el formato digital es casi siempreutilizado para sistemas de comunicación óptica . Esta elección se hace a causa de laun rendimiento superior de los sistemas de transmisión digital . Sistemas Lightwave ofrecen talesun enorme incremento en la capacidad del sistema ( por un factor de ~ 105 ) en comparación con microondassistemas que algún ancho de banda puede ser objeto de comercio para mejorar el rendimiento .Como ilustración de la ecuación . ( 1.2.4) , considere la conversión digital de una señal de audiogenerada en un teléfono. La señal de audio analógica contiene frecuencias en el rango0,3 a 3,4 kHz con un ancho de banda de A / = 3.1 kHz y tiene un SNR de aproximadamente 30 dB. ecuación( 1.2.4 ) indica que B > 31 kb / s . En la práctica, opera un canal de audio digitala 64 kb / s . La señal analógica se muestrea a intervalos de 125 jus ( fs = frecuencia de muestreo 8kHz ) , y cada muestra está representada por 8 bits . La tasa de bits requerida para un vídeo digitalla señal es más alto por más de un factor de 1000 . La señal de televisión analógica tiene un ancho de banda~ 4 MHz con una SNR de aproximadamente 50 dB . La velocidad de bits mínima de la ecuación . ( 1.2.4)es de 66 Mb / s . En la práctica, una señal de vídeo digital requiere una velocidad de 100 Mb / s o mása menos que se comprimen mediante un formato estándar (tales como MPEG- 2 ) .1.2.2 Canal MultiplexingComo se ve en la discusión anterior , un canal de voz digital funciona a 64 kb / s . mássistemas de comunicación de fibra óptica son capaces de transmitir a una velocidad de más de1 Gb / s . Para utilizar plenamente la capacidad del sistema , es necesario transmitir muchos canalesde forma simultánea a través de multiplexación . Esto se puede lograr a través de división de tiempo

multiplexación ( TDM ) o la multiplexación por división de frecuencia ( FDM ) . En el caso de TDM ,bits asociados con diferentes canales se intercalan en el dominio del tiempo para formar unflujo de bits compuesto. Por ejemplo , la ranura de bits es de aproximadamente 15 ^ es para un canal de voz únicooperando a 64 kb / s . Cinco de tales canales pueden ser multiplexados a través de TDM si el bitcorrientes de canales consecutivos con retraso, por 3 SSS . Figura 1.8 ( a) muestra la resultanteflujo de bits esquemáticamente a una velocidad binaria compuesta de 320 kb / s .En el caso de FDM , los canales están separados entre sí en el dominio de la frecuencia . cadacanal se realiza por su propia onda portadora . Las frecuencias portadoras se espacian másque el ancho de banda de canal, de manera que los espectros de canal no se superponen, como se ve la figura1.8 ( b ) . FDM es adecuado tanto para señales analógicas y digitales y se utiliza en la radiodifusiónde canales de radio y televisión. TDM se implementa fácilmente para señales digitalesy se utiliza comúnmente para las redes de telecomunicaciones . Es importante darse cuenta de que

TDM y FDM se puede implementar tanto en los dominios eléctricas y ópticas ; óptico

FDM se refiere a menudo como WDM . El capítulo 6 se dedica a la multiplexación en el dominio ópticotécnicas . Esta sección cubre TDM eléctrica , que se emplea universalmente paramultiplexar un gran número de canales de voz en una corriente eléctrica de un solo bit .El concepto de TDM se ha utilizado para formar jerarquías digitales . En América del Nortey Japón , el primer nivel corresponde a la multiplexación de 24 canales de voz con un compuestovelocidad de bits de 1.544 Mb / s ( jerarquía DS- 1 ) , mientras que en Europa 30 canales de vozse multiplexan , lo que resulta en una tasa de bits compuesta de 2,048 Mb / s . La velocidad de bits de laseñal multiplexada es ligeramente mayor que el simple producto de 64 kb / s con el númerode canales a causa de los bits de control adicionales que se agregan para separar ( demultiplexar )los canales en el receptor final . La jerarquía de segundo nivel se obtiene mediante la multiplexación4 DS - 1 canales TDM . Esto se traduce en una tasa de bits de 6,312 Mb / s ( jerarquía DS - 2 )para América del Norte o Japón y 8.448 Mb / s para Europa. Este procedimiento se continuóobtener jerarquías de nivel superior. Por ejemplo , en el quinto nivel de la jerarquía , la tasa de bitsconvierte 565 Mb / s para Europa y 396 Mb / s para Japón.La falta de una norma internacional en el sector de las telecomunicaciones durante laDécada de 1980 condujo a la aparición de una nueva norma , primero llamada de la red óptica síncrona(SONET ) y más tarde llamó la jerarquía digital síncrona o SDH [ 51 ] - [ 53 ] . lodefine una estructura de trama síncrona para la transmisión de señales digitales TDM . El básico

bloque de construcción de la SONET tiene una velocidad de bits de 51,84 Mb / s . El correspondiente ópticoseñal se conoce como OC- 1 , OC donde significa portadora óptica . El edificio básicobloque de la SDH tiene una velocidad de bits de 155,52 Mb / s y se conoce como STM - 1 , dondeSTM significa un módulo de transporte síncrono . Una característica útil de la SONET y

SDH es que los niveles más altos tienen una tasa de bits que es un múltiplo exacto de la tasa de bits básica .Tabla 1.1 enumera la correspondencia entre SONET y SDH tasas de bits para varios niveles.La SDH proporciona un estándar internacional que parece estar bien adoptado . De hecho ,sistemas de ondas de luz que operan a nivel STM- 64 (B « 10 Gb / s ) están disponibles desde1996 [ 19 ] . ( OC- 768 ) los sistemas STM- 256 comerciales que operan cerca de 40 Gb / s se convirtieron endisponibles para el año 2002 .1.2.3 formatos de modulaciónEl primer paso en el diseño de un sistema de comunicación óptico es decidir cómo elseñal eléctrica se convierte en un flujo de bits óptica . Normalmente , la salida deuna fuente óptica tal como un láser semiconductor se modula mediante la aplicación de la eléctricala señal , ya sea directamente a la fuente óptica o a un modulador externo . Hay dosopciones para el formato de modulación de la corriente de bits óptica resultante . Estos se muestranen la figura 1.9 y se conocen como el retorno a cero ( RZ ) y anti-retorno a cero ( NRZ )formatos . En el formato RZ , cada impulso óptico que representa el bit 1 es más corto que el bitranura , y su amplitud vuelve a cero antes de la duración de bit ha terminado. En el formato NRZ ,el impulso óptico permanece encendida durante la ranura de bits y su amplitud no baja acero entre dos o más sucesivos bits 1 . Como resultado , ancho de pulso varía dependiendoen el patrón de bits , mientras que sigue siendo la misma en el caso de formato RZ . Una ventajadel formato NRZ es que el ancho de banda asociado con el flujo de bits es menor queque el formato RZ aproximadamente en un factor de 2 , simplemente porque se producen transiciones de encendido y apagadoun menor número de veces. Sin embargo, su uso requiere un control más estricto de la anchura de pulso y puede llevara efectos de bits de patrón dependiente de si el pulso óptico se propaga durante la transmisión. laFormato NRZ se utiliza a menudo en la práctica debido a un ancho de banda de señal más pequeña asociadacon ella.El uso del formato RZ en el dominio óptico comenzó a atraer la atención de todo1999 después de que se ha encontrado que su uso puede ayudar al diseño de onda de luz de alta capacidadsistemas [ 54 ] - [ 56 ] . Por ahora , este formato se utiliza casi exclusivamente para los canales WDMdiseñados para funcionar a 40 Gb / s o más . Un ejemplo de la utilidad del formato RZes proporcionado por los llamados sistemas de pseudo - lineales [ 57 ] que emplean relativamente corto OP

pulsos ticos que se propagan a través de múltiples ranuras de bits más rápidamente se propagan por la fibraenlace . Esta propagación se reduce la potencia de pico y reduce el impacto de varios no linealefectos que pueden resultar perjudiciales contrario. Las legumbres son finalmente comprimen de nuevo asu anchura original usando una técnica de gestión de dispersión . Tales sistemas típicamenteemplear una variante interesante del formato RZ , conocida como la zona de respuesta modulada pulsada ( o CRZ )formato , en el que los pulsos ópticos se prechirped antes de su lanzamiento en la fibra .Una cuestión importante se relaciona con la elección de la variable física que es moduladapara codificar los datos sobre la portadora óptica . La onda portadora óptica antes de la modulación esde la formaEO ) = eßcos (A * ) f - < / > ) = ERE [ AEXP ( i0 - idiota )] , ( 1.2.5)donde E es el vector de campo eléctrico , E es el vector unidad de polarización , a es la amplitud ,( OQ es la frecuencia de la portadora , y 0 es la fase . La dependencia espacial de E se suprimepor simplicidad de notación . Uno puede elegir para modular la amplitud A, elfrecuencia ( Do, o la fase < j). En el caso de la modulación analógica , los tres modulaciónopciones son conocidos como modulación de amplitud ( AM ) , modulación de frecuencia ( FM ) , ymodulación de fase ( PM) . Como se muestra esquemáticamente en la figura 1.10 , la misma modulacióntécnicas se pueden aplicar en el caso digital y se llaman modulación por amplitud de desplazamiento( ASK ) , por desplazamiento de frecuencia (FSK ) , y por desplazamiento de fase (PSK ) , dependiendosi la amplitud, la frecuencia , o la fase de la onda portadora se desplaza entre lados niveles de una señal digital binaria . La técnica más simple consiste en simplemente cambiandola potencia de la señal entre dos niveles , uno de los cuales se ajusta a cero , y a menudo se llama

on- off keying ( OOK ) para reflejar la naturaleza de encendido y apagado de la señal óptica resultante. hastaRecientemente , OOK era el formato de elección para la mayoría de los sistemas de ondas de luz digitales.

1.- Calcular la frecuencia de portadora para sistemas de comunicación óptica que operan a 0.88, 1.3 y 1.55 firn. ¿Qué es la energía del fotón (en eV) en cada caso?

1.3 Supongamos que un sistema de comunicación digital puede ser operado a una velocidad de bits de hasta

a 1 % de la frecuencia portadora . ¿Cuántos canales de audio a 64 kb / s pueden ser

transmitida sobre una portadora de microondas a 5 GHz y una portadora óptica a 1,55 jtim ?

1.4 Un script conferencia de 1 hora se almacena en el disco duro de la computadora en el formato ASCII.

Estimar el número total de bits suponiendo una tasa de entrega de 200 palabras por

minutos y un promedio de 5 letras por palabra . ¿Cuánto tiempo se tarda en transmitir el

escritura a una velocidad de 1 Gb / s ?

1.5 Un sistema de comunicación digital de 1.55 - jum funcionando a 1 Gb / s recibe un promedio

potencia de -40 dBm en el detector . Suponiendo que 1 y 0 bits son igualmente

probable que se produzca , se calcula el número de fotones recibidos dentro de cada 1 bit .

1.6 Una señal de voz analógica que puede variar a lo largo del rango de 0-50 mA es digitalizada por

toma de muestras a 8 kHz . Los primeros cuatro valores de muestra son 10 , 21 , 36 , y 16 mA .

Escribe la señal digital correspondiente (una cadena de 1 y 0 bits) mediante el uso de un 4 -bit

representación para cada muestra .

1.7 Dibuje la variación de la potencia óptica con el tiempo para un flujo digital de bits NRZ

010111101110 asumiendo una tasa de bits de 2,5 Gb / s . ¿Cuál es la duración de la

pulso óptico más corta y más ancha ?

1.8 Un sistema de comunicación de fibra óptica 1.55 - jiim está transmitiendo señales digitales a través

100 km a 2 Gb / s . El transmisor lanza 2 mW de potencia media en la fibra

por cable, que tiene una pérdida neta de 0,3 dB / km . ¿Cuántos fotones inciden sobre la

receptor durante un solo 1 bit ? Supongamos que los bits 0 llevan ningún poder , mientras que 1 bits

están en la forma de un impulso rectangular ocupando la ranura poco toda (formato NRZ ) .

1.9 A 0.8 ; receptor óptico Um necesita al menos 1.000 fotones para detectar los bits 1 con precisión.

¿Cuál es la longitud máxima posible del enlace de fibra de 100 Mb / s

sistema de comunicación óptica diseñado para transmitir -10 dBm de potencia media ?

La pérdida de la fibra es de 2 dB / km a 0,8 firn . Asumir el formato NRZ y una rectangular

forma de impulso .

1,10 Un transmisor óptico 1,3 - JUM se utiliza para obtener un flujo de bits digital a una velocidad de bits

de 2 Gb / s . Calcular el número de fotones contenidos en un solo 1 bit cuando el

potencia media emitida por el transmisor es 4 mW . Suponga que los bits 0 llevan

ninguna energía .