4 Evaluación Primera Parte NOMBRE: Ignacio Alonso Vicuña Rojas CARRERA: Técnico Telecomunicaciones, Conectividad y Redes ASIGNATURA: Infraestructuras de Redes PROFESOR: Daniel Araya Astudillo FECHA: 28/12/2020 1 Fotodiodo PIN – APD Fotodiodo PIN: Es un diodo semiconductor al que se le ha introducido una zona intermedia llamada intrínseca para que la eficiencia del fotodiodo sea alta. El problema que presenta es que el tiempo de tránsito de los foto-portadores es mayor, aumentando el tiempo de respuesta. Fotodiodo APD: Tiene una estructura muy similar al fotodiodo común, la ventaja es que permite trabajar con voltajes inversos mayores. Normalmente se utiliza cuando la potencia recibida puede ser limitada, ya que su responsividad es mayor que los fotodiodos. Su uso no es recomendable en proyectos en los cuales se emplean señales ya que introducen ruido al circuito. El tiempo de respuesta de APD depende de: -Tiempo de tránsito de los portadores por la región de absorción. -Tiempo empleado por los portadores en realizar el proceso de multiplicación por avalancha. -Constante de tiempo RC (capacidad de la unión y resistencias internas y externas). Ganancias pequeñas el tiempo predominante es el de tránsito Ganancias grandes el tiempo predominante es el de multiplicación por avalancha. Producto Ganancia-Ancho de Banda constante factor de mérito No se puede utilizar APDs de alta ganancia para sistemas de elevada tasa binaria. Cuadro comparativo PIN – APDs 2 Responsividad y Sensibilidad de un Fotodetector Si la energía de los fotones incidentes excede el bandgap, es decir, hv > Eg, se genera un par electrón- hueco, cada vez que un fotón es absorbido por el semiconductor. En presencia de un campo eléctrico, los electrones y huecos son arrastrados a través del material, generándose así un flujo de corriente eléctrica. Donde, R es la Responsividad del fotodetector, en A/W (capacidad de generar electrones) Pin: Potencia óptica incidente La Responsividad puede ser expresada en términos de la eficiencia cuántica η, definida como: Donde: η : tasa de electrones generados con relación a la tasa de fotones incidentes. La responsividad es proporcional a la λ, por lo tanto, aumenta con λ porque simplemente hay más fotones para la misma potencia óptica. Y cada fotón contribuye a la formación de pares electrón hueco. Pero, esto ocurre hasta el límite en que hv = Eg. Se dice que un receptor es más sensible que otro si para un mismo desempeño (BER), necesita de menor potencia recibida. Se define el BER como la probabilidad de identificación incorrecta de un bit por el circuito de decisión del Rx. La sensibilidad de un receptor (digital) se mide como la mínima potencia óptica recibida (Prec) para operar a un BER de 1x10-9. La siguiente figura muestra la señal recibida por el circuito de decisión: Recordando, la probabilidad de error para una recepción digital: BER = P(1/ 0) p(0) + P(0 /1) p(1) Donde p(1) y p(0) son las probabilidades de recibir un “1” y un “0”, respectivamente. P(1/0) es la probabilidad de decidir un “1” cuando se recibe un “0”, y P(0/1) es la probabilidad de decidir un “0” cuando se recibe un “1”. Puesto que “1s” y “0s” son igualmente probables de ocurrir p(1)=p(0)=1/2. Entonces: BER = ½ [P (1/0) + P (0/1)] 3 BER En una transmisión de datos digitales en telecomunicaciones, el BER es la cantidad de bits recibidos con errores dividida por la cantidad total de bits recibidos, durante un período de tiempo dado. Lo traduciremos al español como “Tasa de Error de Bits”. BER= Cantidad de Bits recibidos con errores/Cantidad de Bits recibidos El BER normalmente es expresado como 10 elevado a una potencia negativa. Por ejemplo, una transmisión puede tener un BER = 10 - 6 , lo que significa que de 1.000.000 de bits transmitidos y recibidos, 1 bit tenía error. (1/ 10 + 6 = 10 – 6 ). El BER nos da una indicación de cuando un paquete, u otra unidad de datos, tiene que ser retransmitida a causa de un error. Un BER muy alto, puede indicar que una velocidad menor de los datos podría reducir el tiempo de transmisión para una determinada cantidad de datos, ya que un BER más bajo reduciría la cantidad de paquetes que deban ser retransmitidos. El BERT (Bit Error Rate Test o Tester) es un procedimiento o dispositivo que mide el BER para una transmisión. En las referencias, al pie de esta nota, encontrará las especificaciones técnicas de varios instrumentos de distintas marcas que permiten medir el BER. El BER es un parámetro clave, usado para evaluar los sistemas que transmiten datos de un lugar a otro. Los sistemas en los cuales el BER es aplicable incluyen enlaces de datos por radio o por fibra óptica, Ethernet o cualquier sistema que transmita datos sobre una red, cuando el ruido, las interferencias y fluctuaciones de fase pudieran provocar una degradación de la señal digital. A diferencia de muchas otras formas de evaluación, el BER permite evaluar un sistema de punta a punta, incluyendo el transmisor, el receptor y el medio entre ambos. De esta forma, el BER permite realizar el test para evaluar el performance del sistema en operación real, en lugar de hacer las pruebas de las partes por separado, con la esperanza de que se comporten igual cuando estén en el lugar de operación. 3.1 Factores que afectan el valor del BER Los factores que afectan el valor del BER son todos los que hagan que la relación señal ruido (S/N) en el camino de la RF pueda empeorar, más las causas que puedan afectar a la señales modulantes y moduladas, serán factores que aumentarán el valor del BER. Por ejemplo la aparición de señales interferentes, la disminución de la potencia irradiada por los transmisores, o de la sensibilidad de los receptores, en ambos casos tanto por falla en los equipos electrónicos como en las antenas y guías de onda, desenfoque de parábolas, o aparición de edificios construidos con posterioridad a la instalación de los enlaces, que se interpongan en el camino del haz de RF. En el caso de enlaces con frecuencias de portadora en el orden de los 23 GHz, la lluvia intensa es una causa muy conocida, que hasta suele interrumpir el establecimiento de los enlaces. Estos equipos, que van instalados en las partes altas de las torres, junto a las antenas y parábolas, disponen normalmente de instrumentos que mediante un software permiten leer los valores de campo electromagnético recibido y también de un test para determinar si hay bits errados, severamente errados, etc. También en estos equipos la humedad ambiente es un factor a tener en cuenta. Un antenista que no cierre correctamente la puerta del gabinete del radio, se traduce rápidamente en una disminución del campo recibido y en aumento del BER. El silicagel cumple una función muy importante, tanto para resolver problemas de humedad cuando se hizo una mala operación, como cuando esta no se produjo y hay que reemplazarlo periódicamente, cuando está iniciándose su cambio de color por efecto de la humedad. 4 SNR La relación señal/ruido o S/R (en inglés signal-to-noise ratio, abreviado SNR o S/N) se define como la proporción existente entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. Este margen es medido en decibelios. Rango dinámico y relación señal/ruido para referirse a este margen que hay entre el ruido de fondo y nivel de referencia, pueden utilizarse como sinónimos. No ocurre lo mismo, cuando el rango dinámico indica la distancia entre el nivel de pico y el ruido de fondo. Que en las especificaciones técnicas de un equipo aparezca la relación señal/ruido indicada en decibelios no significa nada si no va acompañado por los puntos de referencia utilizados y las ponderaciones. Para indicar correctamente el margen dinámico, la medida en dB debe ir acompañada por: La curva de ponderación. El nivel de referencia. Por ejemplo, en el caso de un magnetófono en unas especificaciones técnicas encontraríamos: 60 dB, CIR 468-3 (ref. 1 kHz, 320 nWb/m−1). CIR 468-3 es la curva de ponderación 1 kHz es la frecuencia de referencia 320 nWb/m−1 es el nivel magnético en que se ha grabado el nivel de referencia. Evidentemente, para poder comparar equipos en lo que se refiere a su respuesta en frecuencia, los equipos deben haber medido esta relación señal/ruido utilizando la misma curva de ponderación y nivel de referencia. 5 Amplificador Opto-Eléctrico Amplificadores en fibra son amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras. Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. Típicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980nm o 1480nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal. Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda (WDM, wavelength division multiplexing). 6 Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) que se basa en el dopaje con erbio de una fibra óptica, como se muestra en el esquema a continuación: Algunas características típicas de los EDFA comerciales son: Frecuencia de operación: bandas C y L (aproximadamente de 1530 a 1625 nm). Para el funcionamiento en banda S (por debajo de 1480 nm) son necesarios otros dopantes. Bajo factor de ruido (típicamente entre 3-6 dB). Ganancia entre (15-40 dB). Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada. Máxima potencia de salida: 14-25 dBm. Ganancia interna: 25-50 dB. Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB. Longitud de fibra dopada: 10-60 m para EDFAs de banda C y 50-300 m para los de banda L. Número de láseres de bombeo: 1-6. Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm. Ruido predominante: ASE (Amplified Spontaneous Emission). El ruido ASE generado a la salida de un amplificador de este tipo se puede calcular como: Donde, es el factor de emisión espontánea, es el ancho de banda óptico del amplificador. es la ganancia del amplificador y 7 Optical Power Budget La conversión de medios es una herramienta de red popular. Ayuda a las empresas a integrar sus arquitecturas Ethernet de fibra óptica y de cobre. Esto permite a las organizaciones optimizar de manera rentable el rendimiento dentro de la red y mantenerse al día con la tecnología emergente. Sin embargo, la implementación efectiva de convertidores de medios depende de calcular con precisión el presupuesto de potencia óptica de la red. El balance de potencia óptica es la cantidad de luz necesaria para transmitir señales con éxito a distancia a través de una conexión de fibra óptica. La cantidad de energía luminosa disponible dentro de la configuración determinará cuánto tiempo las organizaciones pueden extender los enlaces de cable de fibra óptica entre los convertidores de medios dentro de la red. Los presupuestos de energía óptica son fundamentales para ayudar a las empresas a comprender cuánto tiempo pueden extender las redes ópticas sin experimentar distorsión de la señal debido a la falta de energía para generar luz. Al calcular los presupuestos de potencia óptica, las organizaciones dependen de dos estadísticas de los fabricantes: potencia de transmisión mínima y sensibilidad de recepción mínima. Las empresas que calculan su presupuesto de potencia óptica simplemente restan la sensibilidad de recepción mínima de la potencia de tránsito mínima. La sensibilidad de recepción mínima suele ser un número negativo, lo que hace que el cálculo sea el mismo que sumar el valor absoluto de la sensibilidad de recepción mínima a la potencia de tránsito mínima. “Cuadro de presupuesto de potencia óptica” Sin embargo, hay algunos matices en esta ecuación relativamente simple. Una es que muchos fabricantes de dispositivos proporcionan el promedio mínimo de sensibilidad de recepción o media potencia mínima de tránsito. Como resultado, el cálculo no mostrará con precisión la menor cantidad de potencia óptica que necesitará porque el valor mínimo real, a veces, caerá por debajo del valor promedio proporcionado. Es imperativo que en el cálculo se utilice el verdadero valor mínimo, no el promedio. 8 Cálculo de Máxima Atenuación en el Enlace Para una correcta planificación de las instalaciones de cables con fibras ópticas es necesario considerar la atenuación total del enlace y el ancho de banda del cable utilizado. Para el cálculo de atenuación de enlace se consideran 2 métodos: Cálculo del cable de fibra óptica Cálculo del margen de enlace con cable de fibra óptica seleccionado 8.1 Cálculo del cable La atenuación total del cable considerando reserva será: at = LaL + neae + ncac + arL L = longitud del cable en Km. aL = coeficiente de atenuación en dB/Km ne = número de empalmes ae = atenuación por empalme nc = número de conectores ac = atenuación por conector ar = reserva de atenuación en dB/Km La reserva de atenuación (margen de enlace), permite considerar una reserva de atenuación para empalmes futuros (reparaciones) y la degradación de la fibra en su vida útil (mayor degradación por absorción de grupos OH). La magnitud de la reserva depende de la importancia del enlace y particularidades de la instalación, se adopta valores entre 0.1 dB/Km y 0.6 dB/Km. Las pérdidas en los empalmes se encuentran por debajo de 0.1 dB/Km no superan 0.5 dB/Km. El enlace será proyectado para un margen de potencia igual a la máxima atenuación antes de ser necesario un repetidor. PM = Pt - Pu Donde: PM = Margen de potencia en dB (máxima atenuación permisible) Pt = Potencia del transmisor en dB Pu = Potencia de umbral en dB (dependiente de la sensibilidad del receptor) La potencia de salida del transmisor es el promedio de la potencia óptica de salida del equipo generador de luz empleando un patrón estándar de datos de prueba. El umbral de sensibilidad del receptor para una tasa de error de bit (BER) es la mínima cantidad de potencia óptica necesaria para que el equipo óptico receptor obtenga el BER deseado dentro del sistema digital. En los sistemas analógicos es la mínima cantidad de potencia de luz necesaria para que el equipo óptico obtenga el nivel de señal a ruido (S/N) deseado. Por lo tanto de la expresión de at = PM Fija la máxima atenuación por Km para el cable a ser seleccionado. 8.2 Cálculo del margen La atenuación total en dB sin considerar reserva del cable será: at = LaL + neae + ncac Siendo PM = Pt - Pu El margen de enlace Meen dB será: Me= Pm - at Ejemplo: Tenemos un enlace para un sistema de 34 Mbits y λ= 1300 nm. Supongamos que L = 25 Km y se emplean fibras ópticas de 2000 mts. por lo que se requieren 12 empalmes con atenuación promedio de 0.2 dB, los conectores de transmisión y recepción con atenuación 0.5 dB. 8.2.1 Cálculo de la fibra La reserva fijamos en 0.3 dB/Km Para una potencia de transmisión de 0 dB y un umbral de sensibilidad de –30 dBm (BER 10-9) El margen de potencia máxima = 30 dB Podemos elegir un cable con una atenuación menor o igual a 0.76 dB/Km.
