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ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA MCAL. ANTONIO JOSE DE SUCRE “BOLIVIA”

OPTISYSTEM ALUMNA

: Quiñones Caro Karina Noelia

CI

: 6087113

ASIGNATURA

: Telecomunicaciones III

DOCENTE

: Ing. José Núñez de Arco

SEMESTRE

: Noveno

CARRERA

: Electrónica

FECHA

:07 de mayo de 2019

L.P.

LA PAZ-BOLIVIA

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1

2.

OBJETIVO................................................................................................................................. 1

3.

MARCO TEORICO .................................................................................................................. 1 3.1.

OPTISYSTEM ................................................................................................................... 1

3.1.1.

Entorno de trabajo ................................................................................................. 1

3.1.2.

Operaciones comunes .......................................................................................... 2

1.

MARCO PRACTICO ................................................................................................................ 6

2.

CONCLUSIONES................................................................................................................... 29

3.

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 29

i

OPTISYSTEM

1. INTRODUCCIÓN El software de simulación OptiSystem de Optiwave permite la simulación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica a nivel de capa física, incorporando una amplia librería de componentes (transmisores, fibras, receptores, amplificadores ópticos, …). Incluye igualmente instrumentos virtuales, como osciloscopios, analizadores de espectros ópticos y eléctricos, o diagramas de ojo; aunque su principal instrumento virtual es un estimador de la tasa de error de bit (BER), parámetro de calidad básico en los sistemas de transmisión digital. Otras herramientas disponibles, como simulaciones automáticas para diferentes valores de un parámetro cualquiera, o un algoritmo de optimización que es capaz de encontrar la configuración óptima del sistema, permite comprobar de forma rápida y sencilla cómo son afectadas sus prestaciones al modificar los diferentes parámetros de diseño: componentes, longitud de onda de trabajo, potencia del transmisor, esquema de modulación. 2. OBJETIVO Realizar un análisis de un sistema de comunicación por fibra óptica en el software OPTISYSTEM. 3. MARCO TEORICO 3.1.

OPTISYSTEM

Optisystem es un software de diseño integral que permite a los usuarios realizar simulaciones de un diseño de fibra óptica con ciertas características, con el software se puede planificar, realizar pruebas de ensayo y error, simular enlaces ópticos en la capa de transmisión de las modernas redes ópticas. Optisystem es un programa con una interfaz gráfica similar de la herramienta Matlab, como simulink que permite la simulación de sistemas amortiguados, sub amortiguados y sobre amortiguados entre otros sistemas análogos y digitales. 3.1.1. Entorno de trabajo OptiSystem se presenta al usuario como un espacio de trabajo en blanco donde se sitúan bloques que representan los componentes del sistema y que se obtienen de una librería de componentes. Éstos disponen de entradas y salidas (ópticas o eléctricas, según el caso), que se interconectan con “cables” de acuerdo con el flujo de la señal en el sistema.

1

La figura 1 muestra un aspecto general de la interfaz gráfica del programa. Puede verse el área de trabajo (Layout) y a su izquierda, la ventana con la librería de componentes (Component Library). Puede verse también como se han interconectado los elementos mediante “cables”. Junto a los componentes que forman el sistema se incluyen varios instrumentos virtuales que permiten observar las señales: un analizador de espectros ópticos, un osciloscopio y un estimador de la tasa de error (BER analyzer).

Figura 1. Entorno de trabajo OPTISYSTEM 3.1.2. Operaciones comunes 

Abrir y guardar un sistema

El sistema simulado puede ser guardado en disco y recuperado de nuevo. Son las opciones del menú File -> Save y File -> Open respectivamente. Hay que tener en cuenta que los resultados de la simulación se guardan también en el archivo, pero para poder verlos tras cargar el archivo, es necesario re-calcular los visualizadores (instrumentos virtuales) con la opción File->Calculate visualizers. 

Parámetros globales de una simulación 2

La gran mayoría de parámetros que debe modificarse al simular son los propios de cada componente: eficiencia de un láser, longitud de la fibra óptica, etc. Sin embargo, existen parámetros “globales” que definen cómo se realiza la simulación, y que deben ajustarse correctamente para que los resultados obtenidos sean válidos. Para que la simulación sea correcta, debe fijarse una “ventana de simulación” adecuada, es decir, una banda frecuencial alrededor de la portadora óptica suficientemente grande como para que todas las señales (y ruidos) presentes en el sistema estén contenidos en ella. Si la elección de parámetros es errónea, la precisión de los resultados queda comprometida. Debido a que el simulador trabaja fundamentalmente con señales y modelos en el dominio del tiempo, éste debe muestrear la señal para poder representarla y procesarla. La frecuencia a la que se realiza este muestreo de la señal tiene por tanto una influencia decisiva en el contenido frecuencial permitido, y por tanto en la ventana de simulación. La anchura de esta ventana se define indirectamente fijando uno o varios de los siguientes parámetros globales de simulación: La tasa de bit (bit rate) o régimen binario, en bits por segundo (bps). Por defecto vale 2,5Gbps. La frecuencia de muestreo (en Hertzios). La ventana temporal (Time Windows), que es el intervalo temporal que dura la simulación. El número de bits transmitidos (Sequence Length). El número de muestras por bit (Samples per bit). El número total de muestras (Number of samples).

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Figura 2. Ventana de parámetros Estos parámetros se modifican con la ventana de Global Parameters a la que se accede haciendo doble clic sobre el fondo del layout sobre el que se dibuja el sistema; o bien a través del menú Layout>Parameters. 

Modificar los parámetros de un componente

Haciendo doble click sobre el icono de un componente es posible acceder a sus parámetros internos. Éstos dependerán del tipo de componente. Por ejemplo, para un láser, se puede especificar la potencia media, la longitud de onda de emisión, la anchura espectral, la relación de extinción, etc. Para una fibra óptica, su constante de atenuación, su parámetro de dispersión, etc. Un ejemplo de parámetros para el fotodiodo PIN se muestra en la figura 3. Es posible que algún parámetro aparezca de color gris y no se pueda modificar: esto significa que su valor depende de otros parámetros, típicamente, un parámetro global como el régimen binario, y no se posible modificarlo arbitrariamente.

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Figura 3. Ventana de parámetros 

Construir un sistema

Sobre el Layout vacío, se irán colocando los diferentes componentes que forman el sistema, además de los instrumentos virtuales. Los componentes están disponibles en la ventana de librerías de componentes (Component Library) de la izquierda, dentro de la carpeta Default. Los iconos que representan los componentes se deben arrastrar con el ratón y soltar sobre el área del Layout. Los instrumentos virtuales se encuentran en la carpeta de Visualizers Library. La unión de los componentes entre sí se realiza mediante “cables”, pinchando sobre una entrada o salida de un componente, se arrastrará el ratón hasta la entrada/salida con la que se quiere unir. El camino concreto que sigue un cable es elegido por el propio simulador. Los componentes, una vez colocados, pueden moverse fácilmente sobre el Layout, ajustándose automáticamente el cableado. Tanto los componentes como los cables pueden borrarse con la tecla Supr. o A la hora de unir los componentes, debe prestarse atención a que el tipo de entrada o salida del componente sea correcta. El simulador dispone de tres tipos de señales: o Binaria: es una secuencia de unos y ceros “abstractos”, sin amplitud, ni forma de onda, ni ruido, etc. Representa típicamente la señal a transmitir. o Eléctrica: es una señal en el dominio eléctrico, con su forma de onda, amplitud, ruido, etc. o Óptica: es una señal en el dominio óptico, alrededor de una portadora generada por una fuente de luz. 5



Simulación del sistema

Se deberá escoger la opción File->Calculate o pinchar sobre el icono

Se desplegará la ventana

de simulación, que se muestra en la figura número 4.

Figura 4. Ventana de simulación 

Análisis de resultados

Los resultados de la simulación son las señales recogidas por los diferentes instrumentos virtuales, particularmente, por el analizador de tasa de error (BER analyzer) que permite estimar la tasa de error del sistema, y por tanto su calidad. Para ver la “pantalla” de un instrumento virtual, hay que hacer doble click sobre su icono. Pulsando con el botón derecho del ratón sobre la imagen mostrada, es posible acceder a funciones de zoom, pan, etc. 4. MARCO PRACTICO En la imagen se observa el sistema de comunicaciones implementado junto a los instrumentos virtuales. Los componentes a analizar serán: 6



CW Laser



Fibra óptica



Amplificador óptico

Los instrumentos para analizar serán: 

Analizador de espectro



Analizador de BER



Visualizador de dominio del tiempo óptico

a. Se abre el software OPTISYSTEM

Figura 5. OPTISYSTEM b. Usando los parámetros globales predeterminados, se puede comenzar a agregar los componentes para diseñar el sistema bidireccional básico. Se iniciará realizando un transmisor. 7



De la ventana de librerías de componentes se dirige a Default>Transmitters Library>Optical Sources



Se arrastra CW Laser a la ventana de trabajo



De la librería de componentes se dirige a Default>Transmitters Library>Optical Modulators

8



Se arrastra el componente Mach-Zehnder Moduulator.



De la librería de componentes se dirige a Default>Transmitters Library>Bit Sequence Generators y se arrastra Pseudo-Random Bit Sequence Generator a la ventana de trabajo.

9



De

la

librería

de

componentes

se dirige

a

Default>Transmitters

Library>Pulse

Generators>Electrical y se arrastra NRZ Pulse Generator a la ventana de trabajo.



Para la conexión se la realiza entre componentes compatibles. Conectar el puerto de salida del generador de secuencias de bits seudoaleatorios al puerto de entrada de secuencias de bits del generador de impulsos NRZ. Conectar el puerto de salida del generador de impulsos NRZ al puerto de entrada del Modulador Mach-Zehnder disponible. Conecte el puerto de salida del láser CW al puerto de entrada del modulador Mach-Zehnder.

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c. Una vez obtenida la conexión se copia y pega todo el armado hasta obtener cuatro transmisores.



De la librería de componentes se dirige a Default>WDM Multiplexers Library>Multiplexers y se arrastra WDM Mux 4x1 a la ventana de trabajo.

11



Modificando los parámetros se dirige a Layout>Parameter Group>Frecuency y se vera la frecuencia de los laser CW a 193.1 THz.



Se da clic derecho a la columna Value y aparecerá la opción Spread a lo cual se añadirá un incremento de 0.1 y se verá que los valores de frecuencia en THz cambian desde 193.1 hasta 193.4.

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

Para verificar la configuración del sistema para este diseño, use un analizador de espectro óptico y un analizador WDM para obtener el espectro de la señal y la potencia total para cada canal. Desde la Biblioteca de componentes, seleccione Default>Visualizer Library>Optical y se arrastra Optical Spectrum Analyzer y WDM Analyzer



Se ejecuta la simulación dando clic en Calcular y luego Ejecutar, se cierra la ventana y ya se podrá ver las distintas respuestas del transmisor a dichas frecuencias.

13

14

La potencia de señal promedio para cada canal es de aproximadamente -3.3 dBm para un ancho de banda de resolución de 0.1 nm. d. Para crear una fibra conectada a un EDFA, realice el siguiente procedimiento. 

Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default>Optical Fibers Library, se arrastra Optical Fiber y se cambia el parámetro de longitud de 50 km a 80 km.



Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default>Amplifiers Library>Optical>EDFA y se arrastra Optical Amplifier.

e. Control de bucle El control de bucle permite establecer el número de veces que la señal se propaga en los componentes que están conectados entre la entrada de control de bucle y los puertos de salida. 

Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default>Tools Library y se arrastra Loop Control. 15

Se define el número de viajes de ida y vuelta que realiza la señal a través del bucle configurando el parámetro Número de bucles en el Control de bucle. Para este caso se configurará 3 números de viajes. La señal se propagará 3 x 80 km = 240 km.



Obtención de resultados tras el demultiplexor

Para verificar la configuración del sistema para este diseño, utilizará un analizador de espectro óptico, un analizador de WDM y un visualizador de dominio de tiempo óptico. Para obtener los resultados de la señal en tiempo y frecuencia y la potencia total para cada canal después de que la señal pase a través del WDM Demux 1 × 4, realice el siguiente procedimiento.

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f. Añadiendo un receptor Se agrega un fotodetector, un amplificador eléctrico y un filtro Bessel al diseño 

Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default > Receivers Library > Photodetectors y se arrastra Photodetector PIN



Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default > Filters Library > Electrical y se arrastra Low Pass Bessel Filter

El analizador BER calcula el rendimiento del sistema. Puede predecir la BER, el factor Q, el umbral y la apertura del ojo de un sistema. 

Desde la Biblioteca de componentes, seleccionar Default > Visualizer Library > Electrical BER Analyzer y se arrastra BER Analyzer

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20

4.1.

Equipos

Los componentes a analizar son: 

CW Laser

Un CW laser es un láser que emite un haz de laser continuo con una salida de calor controlada, así como la duración e intensidad del haz.

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Figura. NPRO 125 Láser IR de frecuencia única de onda continua Lumentum Especificaciones

Modificando parámetros



Fibra óptica

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La fibra óptica monomodo se caracteriza por una baja dispersión modal (diámetro de 8,3 a 10 micras); son mejores en la retención de cada pulso de luz a través de distancias más largas y por ello tienen un mayor ancho de banda que la fibra multimodo.

Figura. FIBRA OPTICA MONOMODO G.652D Características

Modificando parámetros

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

Amplificador óptico

En fibra óptica, un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico. Actualmente existen varias clases de amplificadores ópticos, sin embargo, todos recaen en 2 tipos los cuales son: Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) y Amplificadores ópticos de semiconductor (Semiconductor optical amplifier, SOA).

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Figura. Customized 1310nm Semiconductor Optical Amplifier Especificaciones

Modificando parámetros

25

Con las modificaciones, el diagrama quedara de la siguiente manera

26

Para el analizador de espectros se tiene los siguientes resultados

Para el Optcial Time Domain Visualizer se obtuvo el siguiente resultado

27

Para VER se obtuvo el siguiente resultado.

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5. CONCLUSIONES Se utilizó los diferentes componentes e instrumentos de OptiSystem para realizar el análisis de una simulación de WDM. Modificando los parámetros se puede observar que afecta de manera considerable los resultados. Los distintos instrumentos permitieron comprender lo ocurrido antes y después de un componente de filtrado, además de todo ello se investigó los posibles equipos a utilizar para implementar la simulación de forma práctica. 6. BIBLIOGRAFÍA Findlight. (2019). NPRO 125 Láser IR de frecuencia única de onda continua. Obtenido de https://www.findlight.net/lasers/solid-state-lasers/cw-dpss/npro-125-continuous-wave-single-frequency-irlaser García, A. C. (marzo de 2009). Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas. Obtenido de https://grupos.unican.es/gif/lsco3/Manual%20instrumentacion%202008.pdf MULTICOM. (2017). ESPECIFICACIONES TÉCNICAS. Obtenido de https://www.multicominc.com/wpcontent/uploads/Multicom-ADSS-Fiber-Optic-Cable-Specs.en_.es_.pdf. OPTIWAVE. (2019). Barridos de parámetros - BER x potencia de entrada. Obtenido de https://optiwave.com/resources/applications-resources/optical-system-lesson-4-parameter-sweeps-ber-xinput-power/ OPTIWAVE. (2019). Lección 3: Sistemas ópticos - Diseño WDM. Obtenido de https://optiwave.com/resources/applications-resources/optical-system-lesson-3-optical-systems-wdm-design/ OPTIWAVE. (2019). Lesson 1: Transmitter — External Modulated Laser. Obtenido de https://optiwave.com/resources/applications-resources/optical-system-lesson-1-transmitter-externalmodulated-laser/

1. NRZ a RZ

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30

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33

34

NRZ

RZ a 0.5 (duty cicle)

A 0.9

A1

35

150 km

36

120 km

A 100 km 37

3.. 38

39

A 0.3 nm

40

41