Ii.1
- 1. II.1 Evolución histórica de los sistemas de comunicaciones Auria Vázquez Cid 1
- 2. Índice CCOO: - ¿Qué son? - Modelo general - Aspectos fundamentales - Ventajas Evolución histórica: - Antecedentes - Evolución 2
- 3. Comunicaciones ópticas La comunicación óptica es cualquier forma de comunicación que utiliza la luz como medio de transmisión. 3
- 4. Modelo general de sistema de CCOO • Enlace de comunicaciones ópticas: caso particular de sistema de telecomunicaciones. • Estructura física básica constituída por cinco partes esenciales: 1.- Fuente de mensajes 2.- Bloque transmisor 3.- Medio de transmisión 4.- Receptor 5.- Destino 4
- 5. Modelo general 5
- 6. • La diferencia con otras tecnologías está en la banda de frecuencias que se emplea en la transmisión de señales. Modelo general 6
- 7. • La banda de comunicaciones ópticas ,incluyendo sistemas guiados y no guiados, abarca desde el infrarrojo cercano (f = 3·1013Hz) hasta ultravioleta cercano (f = 1,5·1015Hz). • Actualmente, la gran mayoría de los sistemas disponibles son los que utilizan la fibra óptica como medio de transmisión. Modelo general 7
- 8. Aspectos fundamentales de un sistema de CCOO 8
- 9. • A la vista del esquema anterior, tenemos: - Datos: señal eléctrica (analógica o digital) generada por un equipo terminal de línea (ETL). - Transmisor óptico: es el encargado de transformar la señal procedente del ETL. Aspectos fundamentales 9
- 10. - Consta de dos partes: a) Driver: circuitería electrónica que se ocupa de acomodar los niveles y formato de la señal electrónica generada por el ETL a los exigidos por el conversor electroóptico (fuente óptica). b) Fuente óptica: genera la señal (luz) que propaga la fibra. Aspectos fundamentales 10
- 11. - Receptor óptico: la señal que se propaga por la guía ha de detectarse y transformarse en señal eléctrica otra vez. El receptor consta de tres partes: a) Conversor optoelectrónico o fotodiodo: transforma la señal óptica entrante en corriente eléctrica a su salida. b) Etapa preampificadora de bajo ruido. c) Electrónica para el procesado. Aspectos fundamentales 11
- 12. Ventajas de las CCOO • La energía EM (ondas luminosas) utilizan frecuencias mil veces más altas que las ondas de radio, luego debido a la alta f de la onda portadora es posible transmitir a través de ella mucha información. • Se utilizan menos amplificadores que en el cable coaxial. • Material (silicio) muy abundante en la naturaleza. 12
- 13. • Grandes anchuras de banda y bajas pérdidas en la fibra monomodo actual. • Inmunidad a las interferencias EM: por el carácter dieléctrico de las fibras, les proporciona un total aislamiento eléctrico. • Resistentes a cambios extremos del medio ambiente. • Reducido tamaño, peso y coste. Ventajas 13
- 14. Evolución histórica 14
- 15. Antecedentes El uso de la radiación óptica para transmitir señales es bastante arcaico. Prácticamente todas las civilizaciones antiguas utilizaron el fuego o las señales de humo para las comunicaciones a largas distancias: - Los griegos observaron el guiado de luz a través de cristales minerales. 15
- 16. - Los indios norteamericanos utilizaban las señales de humo. Los barcos también han empleado lámparas de señales. Claude Chappe (1792) extendió esta idea que derivó en el denominado telégrafo óptico. Antecedentes 16
- 17. En 1830, surgió el telégrafo eléctrico, utilizando un esquema digital de transmisión, a través de dos pulsos eléctricos de duraciones diferentes, sustituyó el uso de la luz por la electricidad. Inicio a la era de la comunicación eléctrica. En 1866, entró en operación el primer cable trasatlántico. En 1870, J. Tyndall ejemplificó el guiado de la luz dentro de un chorro de agua, demostrando el principio de reflexión total interna. Antecedentes 17
- 18. Antecedentes 18
- 19. En 1873 Maxwell introdujo el concepto de onda EM. En 1874, Baudot utiliza una sola línea para transmitir varios mensajes a la vez (multiplexión de la señal) El 14 de febrero de 1876, Alexander Graham Bell patenta el 1er teléfono, este sistema estaba compuesto de micrófono y parlante. Casi al mismo tiempo, Elisa Gray patenta el micrófono. Antecedentes 19
- 20. En 1880, el fotófono fue construido por A. G. Bell junto a Charles Sumner Tainter. El fotófono consistía en un espejo reflector de luz solar, que se modulaba acústicamente. La señal del sol modulada, después de avanzar 200m, incidía sobre una placa. De este modo, controlaba la corriente eléctrica que se podía convertir de nuevo en señal acústica mediante un auricular. Antecedentes 20
- 21. 21
- 22. En 1888, Hertz confirmó la existencia de las ondas EM. En 1894, el italiano Marconi efectúa la transmisión de señales inalámbricas a través de una distancia de 2 millas. En 1897 Rayleigh analizó la propagación por guiaondas. En 1910, Hondros junto a Debye particularizaron el estudio para guiaondas cilíndricas dieléctricas. En 1927, Baird y Housell consiguieron transmitir imágenes por fibras sin cubierta. Antecedentes 22
- 23. 1940: Entra en servicio el 1er sistema basado en cable coaxial. Se desarrollaron los sistemas de comunicaciones por microondas, donde la portadora EM tenía f = 1 – 10GHz. En 1948 entró en funcionamiento el 1er sistema que utilizaba una portadora a 4GHz. La capacidad de un sistema de comunicaciones se especifica a través del producto capacidad · distancia (BL). Antecedentes 23
- 24. Antecedentes 24
- 25. La única solución posible para incrementar el producto BL era incrementar el valor de la f de portadora. Para llegar a esta solución, se investigaron dos ramas: - Propagación del modo TE a frecuencias milimétricas en guiaondas huecas de d = 5cm. - Frecuencia de portadora en la banda óptica. Había dos inconventientes para su empleo: Antecedentes 25
- 26. 1º.- Inexistencia de medio de transmisión con características adecuadas. 2º.- No se había conseguido un oscilador óptico coherente de características análogas a los de microondas. La atmósfera no era adecuada para la transmisión, por lo que se investigó un medio que actuase como una guiaonda. Antecedentes 26
- 27. En 1950 fibra óptica para la transmisión de imágenes. Gobau (1958) guiaondas de lentes. Kapany (1959) fibras con cubierta. Con la invención del láser (principios de los 60), se resolvió el 2º problema. Se disponía de una fuente coherente y monocromática que abrió la posibilidad de las comunicaciones ópticas. Antecedentes 27
- 28. En 1966, Kao y Hockman sugirieron el empleo de fibras ópticas para largas distancias. → Valores de atenuación en vidrio de sílice del orden de 1000 dB/Km. → Apuntaron que el motivo podía ser por las impurezas que pudiese haber en el vidrio. Investigando, se lograron tener menores pérdidas, llegando hasta los 0,2dB/Km en 1979. Antecedentes 28
- 29. También se estudiaron los mecanismos de dispersión que limitaban la máxima capacidad que podían transmitir las fibras. En concreto, en las fibras multimodo se propagan modos con vg diferentes. A esto se debe la dispersión intermodal. Se consiguió la fibra monomodo disminuyendo el diámetro del núcleo, de esta manera no existe dispersión intermodal. Antecedentes 29
- 30. → En una fibra monomodo, la dispersión se debe a la combinación de dos fenómenos: - Variación no cte. de ng con λ. Dispersión de material o - Ancho de banda ≠0 del espectro cromática de emisión de la fuente óptica. En 1975, Payne y Gambling, predijeron teóricamente la λ de dispersión nula en fibras monomodo de sílice (1,27μm), que se midió experimentalmente en 1978 por Gambling y Matsumura. Antecedentes 30
- 31. Estas nuevas posibilidades que ofrecían las fibras, animaron la investigación hacia fuentes y detectores compatibles en tamaño, fiabilidad, consumo y rango espectral de trabajo. Los semiconductores eran los más prometedores. En 1962 se lograron los 1os resultados de la acción láser en GaAs, enfriado hasta 77ºK. El año siguiente se encontró emisión incoherente p-n. Antecedentes 31
- 32. En 1968 se anunció el láser de doble heteroestructura de AsGam, que emitía en λ de 0,85μm (1ª ventana), lográndose en 1970 la emisión continua, pero de pocas horas. Desde entonces se ha intentado obtener una mayor vida efectiva, aumentar la potencia emitida y reducir el ancho espectral. Paralelamente, también comenzaron a desarrollarse los fotodetectores, que han evolucionado hacia los p-i-n y de avalancha. Antecedentes 32
- 33. Evolución Gracias a la disponibilidad de un medio de transmisión de características aceptables y de fuentes y detectores basados en la tecnología de semiconductores, los sistemas de CCOO progresaron notablemente. Esta evolución que comenzó en 1974 y que continúa aún hoy día, se puede resumir en el desarrollo de 5 generaciones de sistemas de CCOO: 33
- 34. 1ª generación Emplean el mismo formato de modulación y detección: 2ª generación Modulación de Intensidad y 3ª generación Detección Directa (MI-DD) 4ª generación Sistemas coherentes 5ª generación Solitons Generaciones 34
- 35. 35
- 36. 1ª generación: Comenzó a instalarse en 1978. Utilizaba fibras multimodo de salto de índice y λ ~ 0,8μm. La capacidad que podía conseguirse oscilaba entre 50-100Mb/s (B), con una separación entre repetidores (L) de 10Km. Luego BL = 500-1000Mb·Km/s. Generaciones 36
- 37. Estos valores eran tan modestos debido principalmente a la dispersión intermodal. Aún con estos valores, tenían ventaja sobre los cables coaxiales, ya que éstos necesitaban una L menor. Se vislumbró que una forma eficiente para aumentar la L era cambiar la λ de transmisión de 0,85μm (1ª ventana) a 1,3μm (2º ventana), ya que las pérdidas disminuían de 2,5 a 0,5dB/Km, además de que la dispersión cromática era mínima en dicha región. Generaciones 37
- 38. El gran problema era que no había una fuente óptica capaz de transmitir dicha λ. Éste problema se solucionó en 1977 cuando se desarrollaron los láseres Fabry-Perot de InGaAsP y los fotodetectores de Ge. Generaciones 38
- 39. 2ª generación: Estaba basada en el empleo de los componentes mencionados anteriormente y la fibra multimodo (inicialmente). Comenzó su instalación en 1980. La L aumentaba hasta 20Km, aunque la B estaba limitada a 100Mb/s. Esta restricción se solucionó mediante el uso de fibra monomodo. Los experimentos realizados en 1981, apuntaron una mejora decisiva con este tipo de fibra, consiguiéndose una L = 44Km para una B = 2Gb/s. Generaciones 39
- 40. Los 1os sistemas comerciales empezaron a instalarse en 1983. En 1987 ya habían alcanzado su madurez al funcionar sistemas de hasta B = 1,7Gb/s con L = 50Km. La L de los sistemas de esta generación venía limitada por la atenuación en la fibra (0,5dB/Km). Una forma de aumentar L consistía en trasladar la λ de transmisión a la 3ª ventana (1,55μm), donde la atenuación de la fibra posee un mínimo local de 0,18dB/Km. Generaciones 40
- 41. Había un inconveniente: la dispersión cromática en dicha ventana era considerable y limitaba la velocidad de transmisión. Generaciones 41
- 42. 3ª generación: Basada en la tecnología antes citada. Para resolver el problema de la dispersión en la 3ª ventana, había dos opciones: 1ª.- Desplazar la λ de mínima dispersión de 2ª a 3ª ventana, alterando la geometría y/o composición del material de la fibra. Obteniéndose así las fibras de dispersión desplazada y aplanada. Problema: no permitía aprovechar la fibra estándar ya instalada. Generaciones 42
- 43. 2ª.- Reducir el ancho espectral de las fuentes ópticas. Este tipo de fuentes se consiguieron con el desarrollo de los láseres DFB, cavidad externa y DBR. Esta generación comenzó en 1985 cuando se demostró experimentalmente que se podía transmitir con B = 4Gb/s y L = 100Km. En 1990 comenzaron a comercializarse utilizando una B = 2,5Gb/s. Generaciones 43
- 44. Se podría decir que estos sistemas llegan a B = 10Gb/s si no se tienen en cuenta factores de degradación y la aparición transitoria de un 2º modo de oscilación. Generaciones 44
- 45. Tienen una ventaja adicional: su λ de operación coincide con la banda de ganancia del amplificador óptico de fibra dopada con erbio. Esto permite aumentar, sin repercusiones para la señal, la L. Sin repetidores: L = 150Km B = 17Gb/s Con repetidores: L = 505Km B = 10Gb/s Generaciones 45
- 46. 4ª generación: Se basan en detección coherente. Ventajas: 1ª.- Puede incrementar la sensibilidad del receptor hasta en 20dB (en comparación con sistemas MI- DD), lo que supone un aumento de 100Km en L en la 3ª ventana. 2ª.- Es viable la transmisión multicanal por OFDM. Generaciones 46
- 47. En teoría, la configuración más adecuada es la modulación PSK y detección homodina. En la práctica es más habitual utilizar la configuración heterodina porque son mucho más sencillas de montar. La utilización de cualquier sistema coherente conlleva a una serie de problemas de estabilización y control que hay que considerar. Generaciones 47
- 48. 5ª generación: Se basan en la transmisión de solitones. Un solitón es un pulso ultracorto que preserva su forma temporal a lo largo de su propagación por la fibra. La existencia de solitones fue predicha por Hasegawa en 1973 y verificada experimentalmente en 1988. El amplificador de fibra dopada con erbio utiliza esta técnica para la transmisión de alta velocidad. Generaciones 48
- 49. Generaciones 49
- 50. Formación del solitón: Se genera un pulso ultracorto y muy intenso a la salida del láser. Este pulso, al inyectarse en la fibra provoca la aparición de fenómenos no lineales. Generaciones 50
- 51. En concreto, el fenómeno no lineal que nos interesa es el efecto Kerr gracias al cual el ng (y por tanto, la dispersión cromática de la fibra) varía con la intensidad. Se puede compensar (mediante el efecto Kerr) la dispersión cromática, cancelándose así la dispersión total y por tanto, manteniéndose la forma del pulso. Generaciones 51
- 52. Para que el pulso se mantenga, la fibra no puede tener pérdidas. Esto se consigue con la utilización de amplificadores ópticos, pero éstos imponen otra restricción debido al efecto Gordon-Haus que limita el producto BL. Este efecto se puede solventar con el uso de filtros ópticos posteriores a los amplificadores. Esta generación de sistemas de comunicación por fibras ópticas se halla en estado de investigación y desarrollo. Generaciones 52