Incidencia de la Dispersión cromática en fibras ópticas para el buen desempeño de un sistema de radio sobre fibra.

Ingeniería de Telecomunicaciones

Mauricio Herrera Duran

Proyecto Integrador

Medellín, Colombia

Definición del problema

• La dispersión cromática atenúa fuertemente la señal en frecuencias de RF.

• Dicha atenuación, dependerá en mayor parte de la frecuencia de operación y la distancia de transmsión.

• Cada día, hay más altas demandas de servicios de comunicaciones móviles a nivel global.

Observamos claramente que los países con mayor IDSM son aquellos que tienen mayor espectro asignado e igualmente un mayor índice de competitividad, esto muestra que Colombia va en un camino adecuado para su desarrollo impulsado directamente por el desarrollo de los servicios móviles especialmente los de TMC y BAM.

josefernandorestrepopiedrahita.2011.parte6: Análisis de inserción nuevas tecnologías TIC en Colombia

Conceptos

• RoF (Radio over Fiber: Radio sobre Fibra) Ventajas : mayor BW, menor atenuación, menor consumo de potencia

• Dispersión cromática (@1310nm y @1550nm, fibras monomodo, recomendación ITU G.652 )

• Velocidad de grupo

• Portadora óptica (THz - 10^12 – 10^14)

• Portadora de RF (Hasta 300 GHZ)

Esquema de RoF

• Una de las ventajas mas significativas es la flexibilidad de la red y la potencialidad en la distribución y re-uso de las señales entre los usuarios. Cuando la señal RF esta en el rango de las microondas(30 GHz a 300 GHz), la fibra proporciona un ancho de banda de varios GHz, pero se requieren de células pequeñas debido a la corta distancia de propagación.

Ventajas• Gestión de equipos.• Baja complejidad de equipos en estaciones base.• Disminución de consumo de potencia.• Eficiencia en ancho de banda.• Altas tasas de transmisión.• Robustez, seguridad, confiabilidad.• Láser y generador solo en el cuarto local, de resto solo se

dispone de elementos pasivos.• Reducción de cuello de botella, gracias a lo anterior.• No hay interferencias EM y hay pocos impactos ambientales.• No es necesario generar portadora de RF en la BTS, logrando

independencia del protocolo y formato de modulación.

Dispersión de la fibra

En una fibra estándar con dispersión alta en 1550 nm, las Componentes de alta frecuencia del pulso óptico se propagan más rápido que las componentes de baja frecuencia.

Dispersión cromática

• • = λ*f = / = c / n• = • • • ISI •

Comportamiento de la dispersión cromática como filtro

• Coeficiente de dispersión de la fibra (16 ps/nm.Km)• Velocidad de la luz en el vacío ( m/seg)• λ Longitud de onda del laser (en nm)• Distancia de propagación de la onda (en Km)• Frecuencia angular (en rad/seg)

Análisis grafico de la función de transferencia del filtro

• U. Gliese, S. Ngrskov, and T. N. Nielsen. 1996. “Chromatic Dispersion in Fiber-0ptic

Microwave and Millimeter-Wave Links”. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE

THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 44, NO. 10.

Análisis grafico de la función de transferencia del filtro

Consecuencias del filtro en las frecuencias de un sistema de TV radiada

• No confundir con CATV (Community Antenna Television)

- El sistema CATV difunde el mismo tipo de frecuencias

que la televisión por aire, con la excepción que las

señales son enviadas por un medio guiado como lo es

cable

Consecuencias del filtro en las frecuencias de un sistema de TV

Consecuencias del filtro en las frecuencias de un sistema de TV

Consecuencias del filtro en las frecuencias de un sistema de radio FM

Consecuencias del filtro en las tecnologías UMTS/HSDPA

Consecuencias del filtro en sistemas de radiación satelital (Microondas; 0.3 GHz – 30 GHz)

Consecuencias del filtro en sistemas de radiación satelital (Microondas; 0.3 GHz – 30 GHz)

Consecuencias del filtro en 193.54 THz

Discusión• El principal compromiso en el diseño de redes de acceso

se presenta en cuanto al ancho de banda (rata de bits), potencia de transmisión y distancia de propagación.

• A medida que se incrementa la frecuencia de operación, la dispersión cromática hace decrecer la distancia de transmisión.

• Los servicios de más alta demanda de tráfico en las redes precisan de un buen ancho de banda.

• Para tener un buen ancho de banda, es necesario aumentar la frecuencia de operación en donde aparecen dos problemas, la dispersión cromática y las cortas distancia de propagación en el aire.

Discusión• Para una frecuencia de 1900 MHz equivalente a 1.9 GHz

a una distancia de transmisión de 230 Km por fibra, la señal pierde la mitad de su potencia, mientras que en 850 MHz a esa misma distancia la señal esta casi intacta respecto a la dispersión cromática (circulo de 63000 .

Discusión• Bandas Ku (12 GHz – 18 GHz) y Ka (26.5 GHz y 40 GHz). Las

antenas que radian en estas bandas deben estar en zonas no residenciales.

• Para las frecuencias ubicadas entre los 11.7GHz y 12.2GHz la dispersión cromática permitiría que la señal viaje entre 30 Km y 40 Km antes de ser irrecuperable.

• Teledesic, fue un sistema de satélites de orbita baja (LEO) con finalidades de prestar servicios de banda ancha. Operaba entre 18.8 GHz – 19.3 GHz (Máx. 15 Km;

720 Mbps) para descarga de datos y entre 28.6 GHz y 29.1 GHz para subida (Máx: 5 Km; 100 Mbps).

Discusión• En 193.54 THz, la señal es extinta completamente a 50

Km. Si se enviaran señales a esta frecuencia, habría que incluir equipos activos más complejos, se reduciría el ancho de banda y disminuiría la tasa de bits (cuello de botella).

• Un diseñador de una implementación de RoF, incluso para diseñar un sistema basado solo en fibra, que trabaje a más de 5 GHz debe hacer una tabulación de datos que permita hacer una mediación de los parámetros distancia, frecuencia y atenuación y así cumplir los requerimientos que se hagan sobre su sistema.

Conclusiones• Implementar un sistema de Radio sobre Fibra (RoF) se

ve seriamente limitado por el efecto físico que actúa sobre el

canal de fibra, llamado dispersión cromática. Más que todo en

distancia y frecuencia, cuando esta última excede los 6 GHz.• Cuando se desea implementar un sistema de RoF con el fin de

ofrecer servicios de televisión, radio e internet móvil, la dispersión cromática no debe ser un factor tenido en cuenta de entre los muchos otros que afectan la transmisión por el canal de fibra. Caso contrario ocurre cuando la implementación se hace con finalidades de lograr grandes anchos de banda, como por ejemplo enlaces satelitales, en los cuales las altas frecuencias de operación en el rango de RF son las que activan el filtro de dispersión cromática, reduciendo cada vez más, la distancia máxima posible de propagación.

Conclusiones• En frecuencias ópticas el filtro de dispersión es un poco

más permisivo respecto a la máxima distancia de transmisión posible, ya que la señal ha sido extinta por completo en 250 Km aproximadamente, mientras que en el rango de RF la portadora que más lejos pudo llegar, lo hizo en menos de 100 Km.

• Buenas frecuencias de operación se encuentran en el rango de 1 GHz a 30 GHz, ya que para frecuencias mayores que 30 GHZ la señal no puede viajar largas distancias, por ejemplo, en 70 GHz, donde la señal ha sido extinta por completo antes de 1 Km de transmisión.

Conclusiones• A la hora de implementar un sistema de RoF se deben

hacer simulaciones como las mostradas en este artículo, en las que un compromiso por parte del diseñador entre frecuencia de operación y distancia de transmisión pueda ser establecido, logrando encontrar valores óptimos de operación según las necesidades de velocidad y potencia que se requieran.

Tendendencias

• Compensaciones de dispersión. Dopar el material para desplazar la curva de dispersión, variando los n.

• Dispersión como filtro de las no linealidades.

• Amplificadores ópticos.

• FTTx, fibra hasta un router inalámbrico.