Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Transcripción

GRUPO DE INGENIERÍA FOTÓNICA
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Laboratorio de Sistemas de
Comunicaciones Ópticas
INSTRUMENTACIÓN
Adolfo Cobo García
Olga Mª Conde Portilla
Fco. Javier Madruga Saavedra
Jesús Mª Mirapeix Serrano
Marian Quintela Incera
Antonio Quintela Incera
Marzo, 2009
Instrumentación para Sistemas de
Comunicaciones Ópticas
Para la instalación y mantenimiento de los sistemas de comunicaciones ópticas se
usan un conjunto de instrumentos que tratan de averiguar los parámetros básicos de
funcionamiento de estos sistemas. La instrumentación típicamente utilizada se podría
dividir en tres categorías:
•
Óptica. Es la más característica y particular de estos sistemas, y se encarga de
medir parámetros propios del segmento óptico del sistema, desde la salida óptica
del transmisor hasta la entrada óptica del receptor. Los instrumentos más
utilizados son el medidor de potencia óptica (MPO), el analizador de espectros
ópticos (OSA, Optical Spectrum Analyzer) y el Reflectómetro Óptico en el
Dominio del Tiempo (OTDR).
•
Electrónica. Se encarga de caracterizar la parte electrónica del sistema, es
decir, el transmisor y el receptor. El instrumento más utilizado es el
osciloscopio. También puede ser necesario disponer de una señal de prueba para
transmitir. En sistema analógicos, se emplean generadores sinusoidales, mientras
que para sistemas digitales es habitual inyectar secuencias de unos y ceros, con la
codificación adecuada (RZ o NRZ), y con secuenciación aleatoria.
•
De comunicaciones. Se encarga de caracterizar el sistema de extremo a
extremo, estimando parámetros propios de cualquier sistema de comunicaciones
sin importar su tecnología, usualmente de “alto nivel” y más relacionados con
aspectos telemáticos: errores de transmisión, eficiencia de protocolos, etc. En
comunicaciones ópticas digitales, el más utilizado es el medidor de tasa de error
de bit (BERT, Bit Error Ratio Tester).
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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En la figura anterior se muestra un ejemplo de sistema WDM con dos canales
independientes. La parte óptica incluye el canal de fibra óptica, acopladores y filtros
ópticos. La parte electrónica consistiría en dos transmisores y receptores. Debe tenerse en
cuenta que la frontera entre ambos “mundos” está en la fuente de luz y en el fotodiodo,
respectivamente: la fuente de luz tiene una conexión eléctrica (ánodo y cátodo) y una
salida luminosa, mientras que el fotodiodo produce una corriente (eléctrica) a su salida, en
respuesta a una señal luminosa.
La instrumentación de comunicaciones (caracterización extremo a extremo)
considera la entrada y salida de señales digitales o analógicas, sin importar la tecnología
de transmisión. Los instrumentos de caracterización de extremo a extremo son aplicables a
casi cualquier sistema de comunicación (por radio, fibra, cable eléctrico, …)
Medidor de Potencia Óptica (MPO)
Proporciona el valor de potencia óptica media que recibe en su entrada óptica. Se
utiliza para comprobar los niveles de potencia óptica que genera un transmisor, o en
diferentes puntos del canal de fibra óptica.
Todos los MPOs presentan dos peculiaridades que hay que tener en cuenta antes de
su utilización:
1.
Es necesario especificar al instrumento la longitud de onda de luz que
reciben, ya que debe calibrarse la respuesta (responsividad) del fotodiodo
interno que incorporan. Si la longitud de onda indicada no es la correcta, la
medida será también incorrecta.
2.
Es necesario re-calibrar periódicamente su amplificador interno, ya que
factores ambientales o el propio envejecimiento de los componentes
afectan a la media. Se debe este “ajuste del offset” o “ajuste del cero” al
manos una vez al día, antes de realizar la primera medida. Durante el
procedimiento de ajuste, la entrada óptica debe estar totalmente tapada y
sin recibir radiación luminosa.
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Analizador de Espectros Ópticos (OSA)
Realiza un análisis del contenido espectral (las “lambdas”) que contiene la radiación
luminosa que recibe en su entrada. En su pantalla se muestra un gráfico, el eje horizontal
es la longitud de onda (en nm típicamente) y el eje vertical es la cantidad de radiación a
cada longitud de onda. Estrictamente, el eje vertical debe estar calibrado en unidades de
“densidad espectral de potencia”, por ejemplo, uW/nm, si bien es habitual que el eje no
esté calibrado (unidades arbitrarias) o lo esté en términos de potencia óptica directamente
(uW, mW, dBm, …)
Es útil para comprobar el espectro de las fuentes de luz, los canales de un sistema
WDM, o cómo varía la atenuación de una fibra óptica o un dispositivo óptico en función de
la longitud de onda.
En éste último caso, se necesita una fuente de luz que genere todas las longitudes de
onda a las que se quiere comprobar la atenuación de la fibra o el dispositivo. A una fuente
de luz que genere una gran variedad de “lambdas” simultáneamente se le denomina
“fuente de luz blanca”. El ejemplo típico es una bombilla convencional: genera longitudes
de onda en todo el rango visible (desde el violeta hasta el rojo) e incluso en el infrarrojo.
Si la luz “blanca” se hace pasar por el dispositivo o fibra a analizar, el análisis espectral a
la salida nos dirá qué longitudes de onda se han atenuado más o menos.
Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR)
Es un instrumento complejo que incorpora una única entrada/salida óptica, a la que
se conecta un canal de fibra óptica. Inicialmente, el instrumento “lanza” un pulso de luz
estrecho y de gran intensidad al canal de fibra, que viaja a través del mismo. Nada más
lanzar el pulso, el instrumento, mediante un fotodiodo, pasa a medir la evolución temporal
de la radiación óptica devuelta hacia atrás por el canal y que se introduce hacia el
instrumento. Esta radiación se debe a diferentes fenómenos a lo largo del canal que
devuelven luz hacia atrás, típicamente, los cambios bruscos de índice de refracción
(interfase fibra-aire o aire-fibra al final o principio del canal, reflexión de Fresnel) o bien
la luz retro-esparcida –scattering- de Rayleigh).
En la pantalla se muestra un gráfico, en el eje horizontal la distancia, y en el vertical
de luz recibida en cada punto. La distancia es posible saberla a través de la velocidad de
propagación del pulso de luz por la fibra. La forma de la gráfica, analizada por el usuario,
permite determinar el coeficiente de atenuación de la fibra, la posición de conexiones
ópticas y fusiones, posibles roturas y su posición, la longitud total del canal, etc.
Osciloscopio
Por su capacidad para visualizar señales eléctricas en el dominio del tiempo, se
emplea para estimar diversos parámetros de las señales de entrada (al transmisor) o salida
(del receptor) del sistema, por ejemplo, la amplitud pico a pico, valor medio, distorsión,
etc. Una medida habitual es el cálculo de la frecuencia máxima de funcionamiento del
sistema a partir del tiempo de subida o bajada de los flancos.
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Medidor de la tasa de error de bit (BERT)
Es un instrumento de utilidad para cualquier sistema de comunicaciones digital.
Presenta una salida con secuencia pseudoaleatoria de unos y ceros, que se inyectan en el
sistema a través de su transmisor. Por otro lado, presenta una entrada que recoge los unos
y ceros recibidos al final del sistema, a la salida del receptor. Comparando el valor enviado
(uno o cero) con la señal recibida en cada momento, se puede detectar los “errores de
bit”, es decir, bits que el sistema interpreta equivocadamente debido a que la señal es
muy débil (atenuación) o está distorsionada (dispersión). El instrumento incorpora un
simple contador que va indicando los bits transmitidos, los erróneos, y el cociente entre
ambas magnitudes, que es precisamente la tasa de error de bit (BER).
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Fusionadora Fujikura FSM-01SU
d
c
g
f
e
Se trata de una máquina poco automatizada y ya anticuada, pero que es capaz de
realizar correctamente la soldadura entre dos fibras ópticas multimodo. Después de accionar
el interruptor principal (rojo ←), se enciende la luz que permite observar la soldadura por el
visor (interruptor verde ↑) y se coloca en modo automático (interruptor blanco →). El mando
“AC Adjust” ↓ regula la intensidad del arco eléctrico que produce el calentamiento y su valor
depende del tipo y fabricante de cada fibra óptica en particular.
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Antes de posicionar la fibra, hay que regular los carriles laterales a la posición media,
para tener más margen de maniobra. Los tramos de fibra se posicionan sobre los surcos en “V”
mientras se observa a través del visor, de forma que los dos extremos queden lo más próximos
posibles. Con los mandos se mueven los carriles laterales hasta que los extremo se encuentren
en el centro del campo de visión y separados algunas micras. La fusión se produce pulsando
simultáneamente los botones laterales “Arc” durante el tiempo suficiente. La duración exacta
del arco eléctrico es calculada por la máquina.
Si la soldadura realizada es correcta, no debe distinguirse a simple vista la separación de
los dos tramos a través del visor.
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Fusionadora Fujikura FSM-05R
e
d
g
c
f
Se trata de una fusionadora portátil con alimentación a baterías. Los parámetros de
fusionado (potencia del arco eléctrico, tiempo de fusión, tiempo de pre-fusión y posicionado)
son programables. Esta preparada para soldar cables “ribbon” mediante 4 canales paralelos
separados la distancia normalizada.
El proceso de fusión es como sigue: En primer lugar, se pulsa en botón “power-on” ←
para inicializar la máquina. Se ajustan los dos mandos laterales de posicionado manual (inout) ↑ en su posición media para aumentar el margen de maniobra de estos posicionadores. Se
levanta el visor y los “cepos” → y se posicionan los dos tramos de fibra sobre dos surcos en
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“V” enfrentados, cerrando los cepos con mucho cuidado para evitar la rotura de la fibra.
Observando por el visor, se posicionan las fibras de forma que sus extremos estén separados
una raya.
A continuación se pulsa en botón “Clean/Rearc” ° una vez para realizar la pre-fusión y el
botón “Splice” ↓ para la soldadura en si. Este proceso puede tardar varios segundos
dependiendo de los parámetros de fusionado. Un pitido indica la finalización del proceso.
Pulsando el botón “Clean/Rearc” ° se provoca una re-fusión. Antes de extraer las fibras, debe
levantarse el visor y la máquina desplazará ligeramente las fibras para comprobar la calidad
mecánica del empalme.
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Fusionadora Ericcson FSU-850
g
e
c
f
d
Es una máquina automática con todos los parámetros programables (hasta 3 tiempos e
intensidades de fusión) y que permite almacenar múltiples programas para distintos tipos de
fibra. Presenta la ventaja de sujetar la fibra mediante una bomba de vacío, lo que aumenta la
facilidad de uso.
Secuencia de empleo: pulsar el botón “On/Off” ← y a continuación “yes”. Verificar en
la pantalla que el número de programa es adecuado a la fibra que se va soldar (el programa nº
1 es el más apropiado para fibras estándares de telecomunicación). Pulsar el botón “VAC” ↑ y
desplazar el cierre de seguridad ° (hacia abajo en la fotografía anterior) de forma que sean
visibles los dos electrodos. Los extremos de fibra se posicionan sobre los surcos laterales,
debiendo quedar la fibra “pegada” a los mismos gracias al efecto del vacío creado.
Observando a través del visor, debe ser posible ver los dos extremos de las fibras ópticas,
enfrentados y cercanos entre si.
Cerrando la tapa de seguridad ° (hacia arriba en la fotografía), es posible mover la fibra
derecha utilizando las flechas → hasta que ambos extremos estén prácticamente juntos y
perfectamente enfrentados. Una vez conseguido el alineamiento, es necesario repetirlo en
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otro plano. Para ello, pulsar el botón “Left” y realizar de nuevo el ajuste anterior. La
distancia óptima entre las fibras depende del programa seleccionado, pero usualmente debe
ser de unas pocas micras, debiendo estar los extremos de las fibras prácticamente juntos.
Cuando las fibras estén bien posicionadas, pulsar los botones “Enable” ↓ durante el
tiempo suficiente para realizar las operaciones de pre-fusión, fusión y re-fusión
consecutivamente. Para realizar una nueva soldadura, pulsar el botón “Enter”.
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Fusionadora Sumitomo Type-35
d
c
Se trata de un fusionadora de fibra totalmente automatizada, pensada para la
instalación en campo de tendidos de fibra óptica. Se caracteriza por la facilidad de uso y la
poca duración del ciclo de fusionado, que permite disminuir los tiempos de instalación del
cable. Esta máquina realiza automáticamente el posicionado de las fibras y la fusión,
proporcionando además una estimación de las pérdidas del empalme. Para ello, se basa en la
captura del proceso mediante una cámara de vídeo y el posterior tratamiento de la imagen.
Para realizar una fusión, poner el botón de encendido (a la derecha) en la posición
“AC”←. Levantar la pantalla de vídeo y colocar las fibras en los surcos, de forma que queden
a 1 mm de distancia de los electrodos. Cerrar nuevamente la tapa y asegurarse de que la
máquina esta configurada para la fibra adecuada (SM para monomodo estándar de
telecomunicación y MM para fibra multimodo). Basta pulsar el botón verde “SET” ↑ para que
la máquina realice el proceso. Al final del mismo, indicará las pérdidas estimadas del
empalme.
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Breve introducción a OptiSystem®
El software de simulación OptiSystem de Optiwave (www.optiwave.com) 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,
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 al flujo de la señal en el sistema.
La figura 1 muestra un aspecto general del interface gráfico del programa, en el que
se está simulando un sistema MI-DD simple. Puede verse el área de trabajo (Layout) y a su
izquierda, la ventana con la librería de componentes (Component Library). En la figura
mostrada se está simulando un sistema que incluye (de izquierda a derecha): un generador
de secuencia de bits pseudos-aleatoria, un modulador NRZ, una fuente de luz tipo láser, un
atenuador variable –que simula el comportamiento de un canal de fibra de diferente atenuación-, un fotodiodo PIN como receptor y un filtro paso bajo eléctrico para limitar el
ancho de banda de ruido. 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).
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Fig. 1. Entorno de
trabajo del simulador OptiSystem.
Operaciones más 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.
Modificar los parámetros globales de una simulación
La gran mayoría de parámetros que debe modificarse al simular son los propios de
cada componente: eficiencia de un láser, responsividad de un fotodiodo PIN, longitud de la
fibra óptica, etc. Sin embargo, existen un 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 com-
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prometida. 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 ó varios de los siguientes
parámetros globales de simulación:
•
La tasa de bit (bit rate) o régimen binario, en bits por segundp (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).
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
Fig. 2. Ventana
de parámetros
globales.
bien a través del menú Layout->Parameters. La figura 2 muestra esta ventana.
Como el régimen binario es un requerimiento que no puede cambiarse, lo más adecuado en la mayoría de los supuestos es especificar la tasa de bits en el campo Bit rate,
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y como valor del parámetro Simulation Windows especificar la opción “Set bit rate”. De esta forma el resto de parámetros se ajustan para obtener una ventana adecuada
para el régimen binario especificado.
Como todos ellos están relacionados (por ejemplo, el número total de muestras es el
número de muestras por bit, multiplicado por el número de bits transmitidos), al modificar
alguno de estos parámetros, es posible que otros se modifiquen automáticamente. Si queremos que el régimen binario sea siempre el fijado por nosotros (por ser un requisito por el
diseño) y no se cambie automáticamente por el simulador para ajustar la ventana, debe
estar activada además la opción referenced bit rate (lo está por defecto).
Hay que tener en cuenta que en algunos casos la ventana de simulación calculada automáticamente a partir del régimen binario no es adecuada. Típicamente, ocurrirá con
fuentes de luz de gran anchura espectral (LEDs y con algunos láseres FP), o con el ruido
óptico ASE generador por los amplificadores ópticos.
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.
Fig. 3. Ventana
de parámetros
de un fotodiodo
PIN.
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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.
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:
•
Binaria: es una secuencia de unos y ceros “abstractos”, sin amplitud, ni forma
de onda, ni ruido, etc. Representa típicamente la señal a transmitir.
•
Eléctrica: es una señal en el dominio eléctrico, con su forma de onda, amplitud, ruido, etc.
•
Óptica: es una señal en el dominio óptico, alrededor de una portadora generada por una fuente de luz.
Fig. 4. Ventana
de Layout con
un sistema sencillo.
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No es posible interconectar señales de diferente tipo entre sí, sino que el correspondiente componente debe realizar la “translación”. Por ejemplo, un modulador NRZ traduce
una señal binaria en otra eléctrica; un láser traduce la señal eléctrica en una óptica, y un
fotodiodo realiza el proceso contrario, etc. La figura número 4 muestra un ejemplo de sistema sencillo: incluye, de izquierda a derecha, una fuente de bits, un modulador de canal
NRZ, una fuente tipo LED y un analizador de espectros ópticos para observar el espectro de
la fuente.
Simulación del sistema
Se deberá escoger la opción File->Calculate o pinchar sobre el icono
desplegará la ventana de simulación, que se muestra en la figura número 5.
Fig. 5. Ventana
de simulación.
Los botones disponibles permiten:
Iniciar la simulación
Pararla en cualquier momento
Cerrar la ventana
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. Se
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.
Fig. 6. Pantalla
de un instrumento virtual,
en este caso,
un analizador
de BER mostrando el diagrama de ojo.
Librería de instrumentos virtuales
Se enumeran y comentan brevemente los instrumentos (Visualizers) más comunes:
Medidor de potencia óptica (Power Meter Visualizer).
Muestra la potencia óptica media (tanto en dBm como en Watios) de la señal en su entrada.
Analizador de espectros ópticos (Optical Spectrum Analyzer). Muestra el espectro de la señal óptica aplicada a su entrada, en términos de longitud de onda o de frecuencia óptica .
Osciloscopio (Osciloscope Visualizer). Es un osciloscopio
convencional, que muestra la señal eléctrica en el dominio del
tiempo.
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Analizador de espectros eléctricos (RF Spectrum Analyzer). Muestra el contenido frecuencial de la señal eléctrica
aplicada a su entrada.
Analizador de diagrama de ojo (Eye Diagram Analyzer).
Muestra el diagrama de ojo. Para su correcto funcionamiento
necesita tres señales: la señal binaria a transmitir, la señal
eléctrica a transmitir, y la señal eléctrica recibida.
Analizador de tasa de error (BER Analyzer). Estima la tasa
de error de la señal recibida a partir del análisis de su diagrama de ojo. Como el instrumento anterior, necesita tres señales: la señal binaria y la señal eléctrica a transmitir, y la señal
eléctrica a la salida del receptor.
Librería de componentes
A continuación se muestran los componentes más utilizados, disponibles en la ventana de librería de componentes (Component Library).
Generador de secuencia de bits pseudos-aleatoria
(Pseudo-random bit sequence generador). Este componente genera una señal binaria de unos y ceros aleatorios. Esta secuencia es la más empleada para comprobar las prestaciones de un sistema, pues el tráfico
de datos real tiene un carácter casi aleatorio. Téngase
en cuenta que esta señal binaria no puede aplicarse
directamente a un transmisor o fuente de luz, debe
convertirse antes a una señal eléctrica con la modulación adecuada (RZ, NRZ, …)
Generador de pulsos NRZ (NRZ pulse generador). Convierte una señal binaria de unos y ceros en una señal
eléctrica con modulación NRZ.
Generador de pulsos RZ (RZ pulse generador). Convierte una señal binaria de unos y ceros en una señal eléctrica con modulación RZ.
Láser de onda continua (Continuos Wave Laser). Simula una fuente de luz tipo láser sin posibilidad de modulación directa.
LED. Simula una fuente de luz tipo LED de gran anchura espectral.
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Láser basado en medidas con modulación directa (Directly modulated laser measured). Se trata de un
componente que simula un láser, que puede ser modulado directamente por una señal eléctrica. Además,
los parámetros del modelo pueden obtenerse fácilmente a partir de medidas de un dispositivo real, lo
que facilita el modelado de dispositivos comerciales
concretos (es decir, se especifican parámetros como la
potencia óptica emitida a una determinada corriente
de inyección o la anchura espectral, en lugar de parámetros tales como la eficiencia cuántica diferencial o
la longitud de la cavidad, que están relacionados pero
son difíciles de conocer.
Modulador de electro-absorción (Electroabsorption
modulator). Es un dispositivo que modula la señal óptica a base de modificar la absorción óptica de un material de acuerdo a una entrada eléctrica de control
(la señal a transmitir).
Modulador Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator).
Es un dispositivo que modula la señal óptica mediante
interferencias controladas de la señal óptica consigo
misma, de acuerdo a una entrada eléctrica de control
(la señal a transmitir).
Fibra óptica (Optical fiber). Es el modelo general de
fibra óptica trabajando en régimen monomodo, que
incluye los efectos de atenuación, dispersión y no linealidades.
Fibra óptica multimodo (Linear multimode fiber). Es el
modelo de una fibra óptica trabajando en régimen
fuertemente multimodo, que se caracteriza fundamentalmente por su anchura de banda modal (Modal
bandwidth), es decir, su producto ancho de banda por
longitud.
Amplificador de fibra dopada con Erbio (Erbium-doped
fiber amplifier EDFA). Dispositivo que amplifica la luz
a su entrada, en la zona de tercera ventana.
Amplificador óptico semiconductor basado en ondas
progresivas (travelling wave semiconductor optical
amplifier). Dispositivo que amplifica la luz a su entrada, en un rango de longitudes de onda dependiente
del material en el que se basa.
Amplificador de transimpedancia (Transimpedance
amplifier TIA). Es el componente eléctrico básico de
un receptor: convierte la fotocorriente generada por
el fotodiodo en una tensión proporcional. Tiene por
tanto una entrada y salida eléctricas.
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Atenuador óptico (Optical atenuador). Permite atenuar una señal óptica.
Acoplador divisor 1x2 (power splitter 1x2). Es un acoplador óptico de una entrada y dos salidas, para dividir
la señal óptica que sale de una fibra en dos caminos
diferentes.
Acoplador combinador 2x1 (power combiner 2x1). Es
un acoplador óptico de dos entradas y una salida, para
combinar la señal óptica de dos fibras en una única
fibra óptica de salida.
Fotodetector PIN (Photodetector PIN). Simula un fotodiodo PIN, caracterizado fundamentalmente por su
responsividad y corriente de oscuridad.
Fotodetector APD (Photodetector APD). Simula un fotodiodo APD, caracterizado fundamentalmente por su
ganancia, responsividad y corriente de oscuridad.
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Medidor de Potencia Óptica ML9002A
El medidor de potencia óptica portátil ML9002A de Anritsu esta diseñado para
monitorizar la potencia óptica al final de un cable de fibra óptica en un rango de entre –70
a +10 dBm, es decir, desde menos de 1 nW hasta 10 mW, y con capacidad para detectar luz
tanto en el rango visible como en las tres ventanas de transmisión de la fibra óptica. La
medida se muestra de forma digital, con cambio de escala automático, y puede elegirse su
lectura en dBm o en Watios.
La conexión de la fibra óptica al medidor c acepta conectores tipo FC/PC, SMA o
Plug-in, mediante adaptadores. El interruptor situado en el módulo receptor permite
seleccionar la longitud de onda de medida. Nótese que este interruptor no permite filtrar
la longitud de onda indicada de la luz recibida, simplemente modifica la calibración del
medidor para ajustarse a la longitud de onda central de la señal a medir.
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Opcionalmente, es posible incorporar al instrumento un módulo emisor d, basado en
diodo LED. Hay disponibles emisores de diferentes longitudes de onda, que permiten
verificar, por ejemplo, la continuidad de un canal de fibra óptica, medir la atenuación de
un componente óptico, etc.
A la derecha del instrumento se encuentran dos interruptores: el de encendido
“On/Off” y el que permite elegir la unidad de la medida, “dBm/Watts”. El medidor se
apaga automáticamente tras 5 minutos de inactividad. A la izquierda hay dos conectores:
uno es la conexión a un alimentador externo, mientras que el otro proporciona una tensión
proporcional a la potencia óptica detectada (1 Voltio a fondo de escala).
El resto de botones e realizan las siguientes funciones:
“Shift”
Permite acceder a las funciones señaladas en azul, como “Offset”.
“Opt Out”
Activa/desactiva la fuente de luz en el módulo emisor opcional.
“Rel”
Realiza medidas relativas respecto a la medida actual. Muy útil para
estimar pérdidas de dispositivos.
“Offset”
Realiza una recalibración del instrumento. Debe realizarse sin potencia
óptica en el módulo receptor. Puede ser necesario realizar la
calibración antes del uso si se va a trabajar con potencias ópticas
pequeñas, del orden de nW.
“Mod”
Permite modular con una señal cuadrada de 270 o 1000 Hz la luz
emitida por el módulo emisor. Igualmente, la señal recibida es filtrada
a estas frecuencias. Esta posibilidad de modulación es útil para aislar
la medida de luz interferente, como puede ser la luz ambiente o el
ruido óptico de 50 Hz emitido por un tubo fluorescente, por ejemplo.
“Avg”
Realiza un promediado de la medida de la potencia óptica, ayudando a
eliminar las pequeñas oscilaciones de nivel que dificultan la medida.
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OTDR Tektronics OF151
Escala
Vertical:
2 ó 10 dB/div
Lectura
Promediado:
Fast-MediumSlow
Distancia
/Pérdidas
CURSOR
Longitud del
pulso: LongShort
Conexión
Óptica
Escala Horizontal
en metros/div.
Pulsar para
una traza
adquirir
El O.T.D.R. Tektronics OF151 es un instrumento para la segunda ventana de
transmisión (λ = 1330 nm) que permite calcular distancias y pérdidas de forma manual
sobre la traza empleando cursores móviles y una pantalla LCD donde indica la lectura.
Se enciende tirando del mando “POWER”, y se puede utilizar al cabo de unos
segundos, después de un tiempo de calentamiento y re-calibración. A la izquierda de la
pantalla están los pulsadores para configurar la medida. Con “FILTER” se elige el nivel de
promediado. El modo “SLOW” es el más lento pero ayuda a eliminar el ruido en la traza.
Con el conmutador “PULSE” se elige la anchura del pulso, ancho para grandes
distancias/poca resolución y estrecho para pequeñas distancias/alta resolución. La traza se
adquiere pulsando el botón “SWEEP”.
Para tomar medidas sobre la traza, el instrumento tiene dos modos de
funcionamiento: Distancias y Pérdidas, modos que se seleccionan con el conmutador
“READOUT MODE”. En el modo de distancias, aparece un cursor vertical en la pantalla que
se puede desplazar con el mando del cursor (“Ù POSITION”). La escala horizontal puede
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seleccionarse desde 5 hasta 5000 metros/división. La distancia en metros se lee
directamente sobre la pantalla LCD de la esquina superior derecha. El modo de pérdidas,
el cursor es horizontal y puede desplazarse igualmente con el mando “Ù POSITION”.
Solo hay dos posibles escalas (2 y 10 dB/división) y las medidas deben leerse sobre la
pantalla LCD y no sobre la traza. Hay que tener en cuenta que la medida de pérdidas es
siempre relativa, y la traza puede desplazarse en vertical a cualquier posición (para tomar
un punto de referencia) mediante el mando “Ú POSITION”.
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Espectrómetro S2000 de OCEAN OPTICS
Este instrumento permite analizar el contenido espectral de la luz que recibe a
través de un conector SMA para fibra óptica. Este espectrómetro se basa en una red de
difracción (o grating) fija, que recibe la luz a través del conector óptico SMA e incorpora
una rendija (slit) de 50 um de ancho. La luz es dispersada por el grating sobre un CCD
lineal de silicio, con 2048 elementos, que recogen la luz a las diferentes longitudes de
onda dispersadas por la red de difracción.
Fig. 1. Principio de
funcionamiento de
un analizador de
espectros ópticos
basado en red de
difracción.
CCD
Grating
El rayo de luz que atraviesa la rendija incide sobre el grating, que lo refleja hacia
el detector CCD lineal de 2048 elementos. El poder de difracción del grating hace que las
diferentes longitudes de onda que componen el espectro de la luz que le llega sean
reflejadas en direcciones diferentes, incidiendo sobre una zona u otra del CCD. La posición
del grating respecto del CCD y su tipo se configuran a medida por el fabricante, en función
del rango espectral que se quiera observar. En este caso, se ha elegido medir entre 332 y
1015 nm, longitudes de onda que se reparten entre los 2048 elementos fotosensibles
(“pixeles”) del CCD. La luz con longitud de onda de 332 nm incide sobre el elemento #0 y
la luz con longitud de onda de 1015 nm incide sobre el elemento #2047. Haciendo un
sencillo cálculo se obtiene que cada pixel recoge fotones en un rango de 0,33 nm, aunque
la resolución final del instrumento es peor (en torno a ~1 nm) debido a la dimensión finita
de la rendija de entrada. Este espectrómetro no puede trabajar en segunda o tercera
ventana porque el CCD está fabricado en Silicio, cuya longitud de onda de corte está
alrededor de 1100 nm.
Cada “pixel” se encarga de recoger los fotones correspondientes a su longitud de
onda, acumulando fotones durante un tiempo predeterminado, que se conoce como
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“tiempo de integración”. Finalizado el tiempo de integración, se mide y digitaliza la carga
eléctrica en cada pixel, que es proporcional al número de fotones recogidos durante ese
periodo. La carga acumulada por cada pixel se digitaliza con 12 bits de resolución,
obteniéndose 4096 posibles valores entre 0 y 4095. La intensidad luminosa para cada
longitud de onda es mostrada por el espectrómetro en estas unidades, llamadas “cuentas”.
Para fuentes de luz débiles, es necesario aumentar el tiempo de integración, para
acumular más cuentas. Por el contrario, el período de integración para las fuentes intensas
debe ser pequeño para evitar la saturación de cada pixel (la carga acumulada supera el
máximo de 4096 cuentas y la medida queda invalidada).
Este espectrómetro muestra el eje horizontal de longitudes de onda en nanometros,
pero el eje vertical está en cuentas y debe ser convertida a mano a unidades de potencia
óptica si se necesita conocer el valor absoluto de la intensidad luminosa. Para medidas
relativas (por ejemplo, medidas de la anchura espectral) se puede trabajar directamente
en cuentas.
Como en todos los procesos de medida, el ruido presente en la luz dificulta su
análisis espectral. El espectrómetro incorpora dos mecanismos para minimizar los efectos
del ruido. Por un lado, es posible realizar el promedidado de varias medidas consecutivas y
mostrar en pantalla el espectro “promedio” entre ellas. Por otro lado, también es posible
“suavizar” el espectro mediante el promediado entre los valores de varios píxels vecinos.
El espectrómetro es controlado por un programa basado en Windows cuya pantalla
principal se muestra a continuación:
Fig. 2. Pantalla
principal del
software de
control del
espectrómetro.
Los parámetros básicos para poder observar un espectro de forma adecuada son:
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• Rango de longitudes de onda visualizadas (eje de Abcisas). Pulsando el botón
se escala la imagen para mostrar el “rango estándar” de longitudes de
onda, entre 332 y 1015 nm. Con el botón
es posible seleccionar un rango
cualquiera, por ejemplo, para observar un espectro muy estrecho, una
determinada línea espectral, o el modo longitudinal de un láser. Pinchando
con el ratón en una zona cualquiera del espectro y dibujando una caja es
posible seleccionar y visualizar un área cualquiera del mismo.
• Rango de “cuentas” a visualizar. Con el botón
se visualiza el rango
estándar de 0 a 4095, mientras que el botón
permite elegir un rango
cualquiera. Pinchando con el ratón en una zona cualquiera del espectro y
dibujando una caja es posible seleccionar y visualizar un área cualquiera del
mismo.
• Tiempo de integración. Este parámetro es muy importante, pues define el
tiempo durante el cual se recogen los fotones en cada pixel. Pulsando el
botón
o el menú “Setup-A/D Conversion Rate” es posible seleccionar
cualquier valor entre 1 milisegundo y 2 segundos. El valor correcto es aquel
que muestra el espectro con el mayor número de cuentas posibles, pero sin
llegar a la saturación.
• Promediado entre diferentes espectros recogidos consecutivos. Con el botón
o el menú “Setup-Data Analysis” se puede seleccionar el número de
muestras que se promedian, entre 1 (no promediar) 29 (fuerte promediado).
Normalmente se utilizará el valor de 1, salvo que la señal sea muy ruidosa.
• Suavizado del espectro, es decir, un promediado espacial entre puntos
vecinos de un espectro dado. Se accede mediante el botón
o el menú
“Setup-Data Analysis”, especificando el número de pixels que
intervienen en el suavizado, entre 0 (sin suavizado) y 25 (fuerte suavizado).
Igualmente, no suele ser necesario emplear suavizado.
El espectro que se muestra en pantalla puede ser impreso mediante el menú “FilePrint”. También es posible exportar el mismo como un fichero de texto, de forma que
puede ser importado por cualquier programa de análisis y representación de datos, por
ejemplo, Excel. Basta pulsar el botón de “foto”
para detener la adquisición, acceder al
menú “File-Export Spectrum”, pulsar sobre la casilla “Sample” y especificar un
nombre cualquiera de fichero. Por defecto, la extensión de este fichero será “.sco”, pero
se trata de un fichero de texto que puede ser leído por un procesador de textos o una hoja
de cálculo con facilidad. El fichero contendrá dos columnas: la primera guarda los valores
del eje de abcisas en nanometros, y la segunda columna el eje de ordenadas, siendo su
unidad el número de cuentas. No se debe utilizar la opción “File-Save” ya que el
formato resultante solo puede ser leído por esta aplicación.
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Tabla con las características principales del instrumento dadas por
el fabricante.
Detector:
2048-element linear silicon CCD array
CCD elements:
2048 elements @ 12.5 μm x 200 μm per element
Well depth (@600 nm): 160,000 photons
Sensitivity (estimated): 86 photons/count
2.9 x 10-17 joule/count (wavelength 1 μm)
2.9 x 10-17 watts/count (for 1-second integration)
Effective range:
200-1100 nm
Integration time:
4 milliseconds to 60 seconds (with 500 kHz A/D card)
(shorter integration times available with custom electronic
interface)
Gratings:
multiple grating choices, optimized for UV, VIS or Shortwave NIR
Slit:
50 nm width (slit height is 1000 mm);
alternative option is no slit (optical fiber is entrance aperture)
Order-sorting:
single-piece, multi-bandpass detector coating for applications
from ~ 200-850 nm (available only with 600-line gratings) or
Schott glass longpass filters (installed or loose)
Resolution:
~ 0.3 nm-10.0 nm FWHM (depends on groove density of grating
and diameter of fiber or width of slit)
Stray light:
< 0.05% at 600 nm
< 0.10% at 435 nm
Fiber optic connector:
SMA 905 to single-strand optical fiber (0.22 NA)
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Analizador de Comunicaciones MD6420A
POWER
F2
BACK
SCREEN
NEXT
SCREEN
El analizador de comunicaciones MD6420A es un instrumento que permite medir el
BER, que es el parámetro mas crítico a la hora de analizar la calidad de una transmisión
digital .Se van a utilizar básicamente dos pantallas “interface” y “error”. Cuando se
enciende con el mando (“POWER” ) aparece la pantalla principal, y se accede a la pantalla
“interface” mediante el botón (“F2”) o mediante la tecla (“NEXT SCREEN”).La pantalla del
“interface” se muestra debajo
MODIFY
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CURSOR
En la pantalla “interface” se muestran las condiciones del interfaz de transmisión y
recepción. Se accede a cada una de las ventanas mediante las teclas (“CURSOR”) y para
modificar los valores de los parámetros con el cursor (“MODIFY”) o las teclas (F1,F2,...F6).
En esta pantalla SOLO se debe cambiar, según cada caso, el valor del BIT RATE
con el cursor (“MODIFY”) , si se pulsa simultáneamente el botón central (“COARSE”) la
velocidad de incremento/decremento es mas rápida, y mantener la configuración que está
definida.
A la pantalla “error” se accede mediante el botón (“F1”) o la tecla (“NEXT SCREEN”)
(nota: si se quiere volver a la pantalla “interface” con la tecla (“BACK SCREEN”)). La
pantalla del “error” se muestra debajo
En esta pantalla se muestran los resultados para diversos parámetros relacionados
con la medida de errores en la comunicación. Algunos de los más importantes son:
ERROR COUNT- Número de bits erróneos
ERROR RATIO- Relación del número de bits erróneos en función del número de
bits transmitidos (BER)
ES- Segundos con errores
SES- Segundos con errores severos (el BER es superior a 10-3).
EFS – Error Free Seconds, número de segundos libres de errores.
Este instrumento dispone de dos puertos serie y puede generar un tráfico de datos
entre ellos a la velocidad especificada en el BIT RATE. Pulsando la tecla (“F1”, start meas)
comienza la comunicación y en la pantalla “error” se muestra la tasa de error a la
velocidad seleccionada. Para finalizar la medida o iniciar una nueva hay que pulsar la tecla
(“F1”, stop meas)
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Entrenador de Comunicaciones
Ópticas, Fibras Ópticas y Láser
El entrenador EF-970B-E es un equipo docente para la demostración y
experimentación de los sistemas de comunicaciones ópticas, de los fenómenos
relacionados con la luz y de los principios de la transmisión por fibras ópticas.
El entrenador consta de:
• Equipo Emisor, de dos canales independientes, con fotoemisores y láser
• Equipo Receptor, con medidor de potencia óptica incorporado
Módulo Emisor
Módulo Receptor
Equipo Emisor
Entradas
El equipo dispone de ocho entradas seleccionables. Puede seleccionarse la señal
de entrada a través del canal 1 (CH1), se indica mediante un led de color rojo ,y canal 2
(CH2), con un led de color amarillo.
1. Generador BF: señal senoidal,
triangular y cuadrada (Interna)
2. Entrada Analógica DC (75Ω)
(Externa)
3. Entrada Analógica AC (75Ω)
(Externa)
4. Micrófono (monofónico) (Externa)
5. Entrada Digital (Externa)
6. Entrada Digital Invertida (Externa)
7. Entrada Digital constante a "1"
(Interna)
8. Conmutador Digital "1" / "0",
mediante la tecla TL1 (Interna)
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Generador BF (onda cuadrada, triangular, senoidal)
El generador BF dispone de cuatro pulsadores de control. Con el pulsador
"SHAPE" se selecciona la forma de onda: cuadrada, triangular o senoidal (estas dos
últimas se generan digitalmente).
SHAPE
Canal 1 y 2
El equipo emisor se comprende de dos canales independientes, que permiten
transmitir señales desde cualquier entrada óptica y controlar la amplificación del nivel de
la señal de entrada.
Los potenciómetros P1 y P3 (GAIN) se emplean para controlar la amplificación de la señal
de entrada, de los canales 1 y 2 respectivamente. Los potenciómetros P2 y P4 (I-bias) se
utilizan para ajustar la corriente DC de los elementos emisores, de los canales 1 y 2
respectivamente.
P1
P2
P3
P4
Miliamperímetro
El equipo emisor consta de un miliamperímetro que indica la corriente que circula a
través del fotoemisor escogido. Mediante el pulsador "A-METER CH1/CH2" se elige sobre
que canal se efectúa la medida de corriente.
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Salidas Ópticas
El pulsador "OUTPUTS CH1" selecciona el fotoemisor asociado al canal 1, y con
"OUTPUTS CH2" el del canal 2. La elección se realiza cíclicamente entre los seis
fotoemisores disponibles, sin estar permitido asociar el mismo fotoemisor
simultáneamente a los dos canales.
FUENTES DE LUZ
Realimentación del láser
La naturaleza del láser, cuando se opera sin realimentación hace que su potencia
se vea alterada por la influencia que ejercen ciertos factores como la temperatura y el
tiempo. El circuito de realimentación permite mantener una potencia óptica estable e
inalterable sean cual sean las condiciones externas.
Cuando se selecciona, en el canal 2, el láser (fotoemisor nº 5) mediante el
pulsador "FEEDBACK ON/OFF" puede activarse el circuito eléctrico de realimentación. Al
conectar la realimentación se ilumina el diodo D1 y el potenciómetro I-bias (P4) del canal
2 se desconecta, no siendo posible el ajuste manual de la corriente del láser.
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FEEDBACK ON/OFF
Equipo Receptor
El receptor consta principalmente de dos bloques independientes (excepto los
circuitos de entrada: fotodetectores y conmutadores), uno dedicado para la señal y otro
para la medida.
Entradas Ópticas
El equipo receptor dispone de cuatro fotodetectores incorporados. La tensión
inversa de polarización de los tres primeros fotodetectores, se ajusta mediante los
potenciómetros P5 (BIAS COARSE) y P7 (BIAS FINE). En los fotodetectores nº 4 y 5
(EXT) la tensión inversa está fijada internamente a 0 V, por lo que no es posible su ajuste
por parte del usuario.
Los pulsadores “ANALOG INPUTS” y “DIGITAL INPUTS” seleccionan que fotodetector se
conecta al canal analógico y al digital. La elección del canal analógico se indica mediante
leds de color rojo “INPUT 1” …“INPUT 4 (EXT)”, y la del canal digital con leds de color
amarillo “INPUT 1” …“INPUT 4 (EXT)”. Los leds “ANALOG OUTPUT ON” Y “DIGITAL
OUTPUT ON” indican que el bloque de señal está activo y que se dispone de la señal, de
ambos canales, en las salidas BNC.
FOTODETECTORES
P5
P7
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Bloque de señal: Canal Analógico.
El canal analógico tiene una ganancia de 40 dB, mediante dos etapas
amplificadoras de 20 dB. Después del primer amplificador, el potenciómetro P1 (GAIN)
ajusta la ganancia del canal analógico. El bloque de señal dispone de un conmutador
SW3(1) para seleccionar el tipo de acoplamiento DC o AC, que se aplica en la entrada del
primer amplificador y en la sección de salida del canal analógico. La sección de audio
consta de un filtro paso-banda de un ajuste independiente de ganancia P3 (VOLUME)
para regular el nivel de señal aplicada al altavoz interno o auriculares.
P1
P3
Bloque de señal: Canal Digital.
La señal que entra en el canal digital sigue unos procesos de filtraje y amplificación
para poder ser posteriormente comparada con un nivel de referencia. Se añade o resta
un nivel de continua mediante los potenciómetros P4 “THRESHOLD COARSE” y P6
““THRESHOLD FINE” para variar la tensión de comparación.
La amplitud de la salida puede seleccionarse a través del conmutador S2(2) entre nivel
TTL y nivel RS-232. Cuando se selecciona este último, el led “RS-232” parpadea para
indicar que los niveles de salida corresponden a 10 y -10 V.
P4
P6
Bloque de señal: Medidor de Potencia Óptica.
Este bloque efectúa la medida, absoluta o relativa, de la potencia óptica recibida.
El medidor de potencia dispone de cuatro modos de medida, seleccionables con el
pulsador “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” (A1).
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•
•
•
ANALOG (modo de monitorización).
DIGITAL (modo de monitorización).
1 Khz (modo de precisión para la medida de la componente de 1
Khz).
• DC (modo de precisión).
En el modo ANALOG el medidor indica, orientativamente, la potencia óptica que
llega en el fotodetector seleccionado del canal analógico. En el modo DIGITAL,
orientativamente, la potencia óptica que llega en el fotodetector seleccionado del canal
digital. En el modo DC, el medidor, operando en modo precisión, indica la potencia óptica
que llega en el fotodetector seleccionado en el canal analógico.
La resolución del medidor de potencia en los modos de monitorización es de 0.1
dB, y en los modos de precisión, de 0.01 dB.
En cada fotodetector, se puede realizar la medida de potencia en varias longitudes de
onda. Éstas se escogen mediante el pulsador “WAVELENGTH”
WAVELENGTH
A1
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Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Transcripción

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