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Medios de transmisión

Análisis de los parámetros de una fibra óptica con OptSystem Elaborado por: Dr. Germán Arévalo B. PhD.

OBJETIVO. El objetivo de la práctica es la simulación y análisis del impacto en la integridad de los datos transmitidos en un sistema de comunicaciones óptico, por causa de los parámetros de atenuación y dispersión en la fibra óptica, empleando para el efecto el software de simulación OptiSystem.

INTRODUCCIÓN Se empleará el software de simulación de enlaces ópticos OptiSystem. Para esto siga las instrucciones. Consulte al profesor/tutor si tiene dudas.

PRÁCTICA: 1. 2. 3.

Descargue el instalador del software OptiSystem usando el enlace provisto en el aula virtual del curso. Ejecute el software En el espacio de menú escoja la opción "New"

Medios de transmisión 4.

Ingrese a la carpeta de componentes por defecto "Default".

5.

Dentro de esa carpeta vaya a la carpeta Default/Transmitters Library / Optical Transmitters y coloque en la zona de trabajo un “Optical Transmiter” (PRBSG), haga doble clic sobre este y colocándose en el campo de valor (“Value”) para el parámetro “Bit Rate” configure (escriba) la velocidad de transmisión 10e9 bit/s (10Gbps). Deje los demás parámetros en sus valores por defecto.

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Ahora de la carpeta Default/Optical Fibers Library coloque una “Optical Fiber” en la zona de trabajo. Nótese como automáticamente la fibra se conecta al transmisor. Haciendo clic y arrastrando se puede conectar manualmente los puertos de los dispositivos.

7.

Haga doble clic sobre la fibra óptica para abrir su ventana de configuración. Navegue por las pestañas Main, Disp, PMD, etc. Fíjese que la atenuación (parámetro “Attenuation” en la pestaña Main) por defecto está en 0.2 dB/km, cámbielo a 0.25 dB/km. En qué ventana de transmisión se logra la mínima atenuación en una fibra óptica? Hay zonas donde la atenuación es mínima, que corresponden ventanas de 1330 nm y de 1550 nm

En esa misma pestaña cambie el valor de la longitud de la fibra (parámetro “Length”) a 60 km. En la pestaña “Dispersion” cambie el valor de la dispersión cromática “CD” (parámetro “Dispersion”) a 17 ps/nm/km. ¿Qué estándar de fibra tiene típicamente este valor de CD? Haga clic en “OK” de para guardar la configuración y cerrar esa ventana. En las fibras ópticas que se utilizan en FTTH monomodo standard ITU-T G.652.

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8.

Con el fin de visualizar los bits ópticos a la salida del transmisor y luego de la fibra, desde la carpeta Default/Visualizer Library/Optical coloque dos “Optical Time Domain Visualizer” y conéctelos a la salida del transmisor y a la salida de la fibra:

9.

Desde esa misma carpeta coloque un “Optical Power Meter” a la salida del transmisor y luego de la fibra óptica. ¿Cuánta atenuación se debería tener en los 60 km de Se tiene una atenuación de -17.603 dBm fibra?

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10. Ahora, haga clic en el botón de play para abrir la ventana de control de inicio de simulación (O), haga clic en el botón de play de esa ventana (O) y espere a que terminen los cálculos de la simulación (aparecerá el mensaje “Calculation finished” al final de las líneas de texto en la ventana del log de simulación).

11. Cierre la ventana de simulación y vea las lecturas de los medidores de potencia óptica haciendo doble clic sobre estos. Reste la potencia (en dBm) del medidor a la salida del transmisor (O) menos la potencia (en dBm) a la salida de la fibra óptica (O). El valor de esta resta es: 15 dB.

Medios de transmisión El resultado de esa resta corresponde a la atenuación en la fibra (¿Coincide con el valor calculado en el punto 9?)

12. Cierre las ventanas de los medidores de potencia y haga doble clic en los visualizadores de la señal óptica en el dominio del tiempo (“Optical Time Domain Visualizer”) para observar los bits ópticos a la salida del transmisor (O) y luego de la fibra óptica (O). Compare los bits antes y después de que estos se propaguen por la fibra óptica. Notará que los bits luego de la fibra se han atenuado y tienen una componente de ruido.

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13. En a ventana del Time Domain Visualizer de luego de la fibra, haga clic derecho sobre la gráfica de los bits, se desplegará una ventana de herramientas de visualización, elija (haga clic sobre) la herramienta “zoom” (O):

14. El cursor se tornará una gráfica de lupa, haciendo clic izquierdo sostenido con el mouse y arrastrando (O), elija una parte de los bits de la trama total que se muestra para realizar un zoom sobre los mismos. Una vez hecha la selección de la porción de la gráfica que se quiere hacer zoom (se tornará sombreada en negra la zona elegida, como se ve en la gráfica abajo) suelte el botón del mouse y de inmediato se debería ver una ampliación de los bits seleccionados (O). Si quiere repetir la selección simplemente haga doble clic sobre la

Medios de transmisión gráfica para volver a ver toda la trama de bits y realizar nuevamente el proceso de selección de una parte de los bits de la gráfica. En los bits sobre los que se hizo zoom se observará mejor el ruido que se ha insertado en los pulsos de luz una vez que se han propagado por la fibra óptica (O). Fíjese, en la información en la parte derecha de la ventana, que la unidad para el tiempo es “segundos” (s) y para la amplitud es “vatios” (W). En el eje del tiempo de la gráfica verá que los valores están acompañados de una “n”, esta hace referencia al prefijo “nano” (es decir que los acotes del tiempo de valores se hacen en nanosegundos). Si toma en cuenta que la velocidad de transmisión que configuramos en el punto 5 fue de 10 Gb/s, y que en consecuencia cada bit tiene una duración –un tiempo de bit- de 100 ps, quiere decir que cada nanosegundo de tiempo contiene 10 bits.

¿Por qué razón los bits están distorsionados luego de propagarse por la fibra? Existe ruido insertado en la señal, por lo que provoca distorsión producida por la atenuación, dispersión, y menor grado de no linealidades dentro de la fibra optica. 15. Ahora de la carpeta Default/Receivers Library/Optical Receivers seleccione un “Optical Receiver” y conéctelo luego de la fibra óptica.

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16. Luego, de la carpeta Default/Visualizers Library/Electrical selecione un “BER Analyzer” y conéctelo luego del receptor óptico. Nótese que hay tres conexiones entre estos dos dispositivos: las dos superiores corresponden a la secuencia binaria (conexión en línea interpunteada de color rojo) y a la señal eléctrica de referencia (línea interpunteada de color azul justo debajo de la roja), respectivamente. La de abajo es la conexión de la salida de la señal que entrega el receptor, al analizador (también simbolizada con línea interpunteada de color azul). ¿Qué es el BER?: El BER es la cantidad de bits recibidos con errores dividida por la cantidad total de bits recibidos, durante un período de tiempo dado

Medios de transmisión 17. Vuelva a correr la simulación (como se indica en el punto 10), y una vez terminada haga clic cobre el analizador de tasa de bits errados (BER Analyzer). Observe que se abre una ventana que por defecto da una gráfica en rojo del nivel de decisión para medir el máximo factor de calidad de la transmisión óptica, denominado factor Q, esto es porque la pestaña inferior izquierda (Q Factor) es la que está activa por defecto. Haciendo check en “Show Eye Diagram” (O) se desplegará el diagrama del ojo de la señal recibida. Fíjese que en la parte de recha de la ventana del analizador se muestran datos estadísticos relevantes como el factor de calidad Q, el mínimo BER detectado (fíjese que en el valor que se da para el “Min.BER”, debería estar en el orden de 10-15 o 10-16), la apertura del ojo (una buena apertura), entre otros (O). Calcule el BER a partir del Q que se observa en su resultado, usando la fórmula BER=1/2*erfc(Q/√2). ¿Cuál es el valor 𝟏. 𝟐𝟗𝟐𝟐𝟖 𝒙 𝟏𝟎−𝟏4 obtenido? Pruebe ver el diagrama del ojo con las opciones “Invert Colors” y “Color Grade” (O). Además, en las pestanas de debajo de la gráfica cámbiese a “Min BER”, “Threshold”, etc., para que vea la información que en cada pestaña se muestra (por ejemplo, en la pestaña Min BER se muestra una curva roja que indica el mejor nivel de decisión para obtener el BER más pequeño posible). ¿Coincide con el BER estimado que acaba de calcular a partir del valor de Q? Existe una mínima variación, pero se puede decir que son valores muy similares al BER estimado calculado a partir del valor de Q.

Medios de transmisión 18. A continuación, abra nuevamente la ventana de configuración de los parámetros de la fibra óptica y aumente la distancia a 80 km. Vuelva a correr la simulación repita el análisis realizado en los pasos 11 y 17 (medición de la atenuación y visualización del BER y diagrama de ojo). Observará que ahora el BER es más alto (debería estar aproximadamente en el orden de 10-5) y que el diagrama del ojo es más cerrado (recuerde que mientras más cerrado un diagrama del ojo, es indicador que menor desempeño tiene la transmisión de la información).

19. Ahora aumente a 120 km la longitud de la fibra óptica. Observe los resultados del BER y el diagrama del ojo y fíjese que ahora la información ya no llega bien al receptor (seguramente, así como en el ejemplo abajo, el resultado obtenido por usted es de un BER igual a 1, es decir, error en todos los bits, y el diagrama del ojo está totalmente cerrado). ¿Por qué? Al aumentar a 120 Km de la longitud de la fibra óptica obtenemos mayor degradación por que en los tramos largos de fibra la dispersión cromática puede dar por resultado pulsos que se deforman de tal manera que se sobre solapan.

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20. Para recuperar los datos vamos a compensar tanto la atenuación como la dispersión en el enlace de 120 km. Para el efecto, de la carpeta Default/Amplifiers Library/Optical/EDFA tome un “Optical Amplifier” y colóquelo entre el Transmisor óptico y la fibra óptica. Deje la ganancia del amplificador en su valor por defecto: G=20dB:

21. Corra la simulación y observe los resultados del BER Analyzer. Debería observar un diagrama del ojo ahora ya abierto, pero claramente degradado aún. El BER seguramente está en el orden de 10-3, lo cual no es bueno aún para un enlace de fibra óptica, en donde se exige que la tasa de bits errados sea de 10-9 o mejor (a pesar de que si se usa corrección de errores en adelante “FEC” se podría pasar de un BER = 10-3 a un BER de 10-9). ¿Por qué aun compensando la atenuación con un amplificador, todavía hay muchos errores en la señal?

Medios de transmisión Porque solo estamos compensando la atenuación, mas no la dispersión, recordando también que al amplificar también hay un aumento en la figura de ruido

22. Para comprobar que no basta compensar en atenuación aumentemos la ganancia del amplificador para observar si, como resultado, se tiene una mejor calidad de señal en el receptor. Ingrese a la venta de configuración del amplificador y cambie la ganancia a 25 dB (parámetro “Gain” en la pestaña Main de la ventana de configuración del amplificador).

23. Corra la simulación observe los resultados (esta simulación podría tomar algunos minutos, dependiendo de las características del computador). Fíjese que, en lugar de mejorar la señal en recepción, al aumentar la ganancia de 20 dB a 25 dB, esta se ha degradado más. Esto demuestra que en enlaces de larga distancia no basta compensar la atenuación sino hace falta también compensar la dispersión, sobre todo en fibras con alto valor de dispersión como la fibra óptica monomodo estándar G.652.

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24. Vuelva a configurar la ganancia del amplificador en 20dB. Y, de la carpeta Default/Optical Fibers Library seleccione una nueva “Optical Fiber” y colóquela entre la fibra de 120 km y el receptor óptico. Esta nueva fibra óptica la usaremos para compensar la dispersión configurándola como una fibra compensadora de dispersión, altamente dispersiva y de dispersión negativa (siga los detalles de dicha configuración en el paso 25).

Medios de transmisión 25. Abra la ventana de configuración de la fibra óptica que acabamos de colocar (la que vamos a usar como fibra compensadora de dispersión) y configure su dispersión en -150 ps/(mn*km).

26. Ahora, calculemos la dispersión total que se está generando en la fibra de 120 km y la longitud que la fibra óptica compensadora de dispersión debe tener para compensar el 90% de la dispersión acumulada producida por la dispersión cromática (haga usted los cálculos finales): 𝐷𝑖𝑠𝑝𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛𝐹𝑂 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 (𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑚 𝑑𝑒 𝑆𝑓) = 𝐶𝐷 ∗ 𝐿 = 17 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝐹𝑂 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 =

𝑝𝑠 𝑝𝑠 ∙ 120 𝑘𝑚 = __________ 𝑛𝑚 ∙ 𝑘𝑚 𝑛𝑚

𝐷𝑖𝑠𝑝𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛𝐹𝑂 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 (𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑚 𝑑𝑒 𝑆𝑓) ∗ 0.9 |𝐷𝑖𝑠𝑝𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛𝐹𝑂 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 |

= __________ 𝑘𝑚

27. Luego, configure esa longitud (la 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝐹𝑂 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 que acaba de calcular en el punto anterior, que debió resultar en un valor alrededor de 12 km), como la longitud de la fibra compensadora:

Medios de transmisión 28. Corra la simulación y observe los resultados de la transmisión en el BER Analyzer. Notará que ahora los datos tienen un excelente BER y que el diagrama del ojo está muy abierto (buena tasa de extinción y poco jitter).

29. Pegue a continuación una captura de pantalla del diagrama de ojo obtenido por usted en el punto 28 (con el valor de Q y BER):

Medios de transmisión 30. Coloque a continuación sus conclusiones al respecto de esta práctica: Se verificó mediante el uso del software OptiSystem, sus respectivas características , funcionalidades, y simulaciones, que permitieron analizar el comportamiento de los datos transmitidos por medio de una fibra óptica, observando las variaciones que se presentaron en los diagramas de ojo, ya sea porque se cambia la distancia de transmisión de 60Km obteniendo un diagrama de ojos abierto, sin embargo al colocarlo a una distancia de 120 Km obtenemos simplemente una mancha, esto se debe al nivel de dispersión que se obtiene a largas distancias, esto se puede solucionar aumentando la potencia de transmisión o amplificar la señal, pero al utilizar un amplificador también aumentamos la figura de ruido, es por eso que para mejorar nuestra señal debemos disminuir tanto la atenuación como la dispersión, obteniendo un mejor bit error en el orden de los 10 a la -3, variando la dispersión a -150 ps/nm/Km y la longitud a 12.24 Km, de esta manera nuestro diagrama de ojo representa una señal más limpia con poco ruido, obteniendo así una mejor comunicación a una larga distancia.