Práctica 4: Respuesta en frecuencia En esta práctica se analizará la respuesta en frecuencia eléctrica de diversos sistemas de Comunicaciones Ópticas, empleando tanto modulación analógica como digital, para lo cual se utilizará un Analizador de Espectro Eléctrico (AEE). En primer lugar se observará el espectro eléctrico de la señal transmitida al modular analógicamente un diodo láser por encima y debajo del umbral. En segundo lugar se observará el espectro al modular un LED con datos en formato digital. Finalmente, en el último apartado se estudiarán las características de transmisión de un sistema de fibra de plástico, observando el efecto de la atenuación en la fibra sobre la potencia óptica y eléctrica de la señal recibida y se estimará el nivel de ruido del sistema. El AEE permite observar los espectros de las señales aplicadas, que anteriormente han sido calculados de forma teórica, permitiendo calibrar las medidas obtenidas.

PRECAUCIONES ESPECÍFICAS •

No encienda ni apague el diodo láser ni la caja de emisores durante toda la práctica.

•

Cuando en alguna parte de la práctica se le indique que debe medir corrientes, esta medida se realizará SIEMPRE de modo indirecto, midiendo tensión en bornas de una resistencia de valor conocido por la que circula la corriente.

•

NUNCA utilice el polímetro en escalas de corriente.

•

El Analizador de Espectro puede dañarse si se le introduce una potencia mayor de 10 dBm. NO INTRODUZCA NUNCA EN EL ANALIZADOR LAS SEÑALES QUE PROCEDEN DE LOS GENERADORES. Introduzca sólo las salidas analógicas de los detectores.

Febrero 2010

Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica

MATERIAL NECESARIO •

Caja de emisores

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3 cables BNC-BNC

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Caja de detectores

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1 adaptador BNC en T

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Caja de generadores

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1 Atenuador BNC 1:10

•

Osciloscopio

•

Carrete de fibra de plástico de ~50m

•

Analizador de espectro eléctrico

•

Latiguillo de fibra de plástico

• •

1 Medidores de potencia óptica Generador de funciones

•

•

Latiguillo de fibra MM FC

1 adaptador BNC 50 Ω (o un segundo BNC en T y un terminador de 50 Ω)

Conocimientos teóricos necesarios • Antes de realizar la práctica, el alumno debe •revisar y conocer los conceptos teóricos siguientes: •

Sistemas lineales: Señales periódicas y no periódicas; espectros discretos y continuos.

•

Características de los LDs y de las fibras ópticas de plástico.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA Y CÁLCULOS PREVIOS Los Analizadores de espectro, tanto ópticos, como eléctricos, representan la densidad espectral de potencia (PSD) de una señal en función de la frecuencia (o longitud de onda en el caso óptico). La PSD es, en rigor, la transformada de Fourier de la función de autocorrelación y representa cómo se distribuye la potencia de la señal a lo largo de su espectro en frecuencias. Desde un punto de vista muy simplificado, un analizador de espectro consiste en aplicar un filtro ideal rectangular paso-banda muy estrecho a la señal a analizar y medir la potencia a la salida del filtro. Moviendo la frecuencia central del filtro a lo largo del rango a medir obtenemos la potencia que lo atraviesa en cada una de esas frecuencias. El equipo representa la potencia que atraviesa el filtro en cada valor de su frecuencia central. Esta potencia es relativa y se da en dB, pero puede determinarse su valor en dBm calibrando el equipo con una señal de potencia conocida y tomando una referencia en la pantalla. Para determinar la densidad espectral de potencia

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Práctica 4: Respuesta en frecuencia

de señales de espectro continuo, habrá que tener en cuenta la anchura del filtro utilizado, y dividir el valor de potencia indicado por el AEE entre dicho ancho de banda. Si una señal es periódica, su espectro consiste en una serie de componentes discretas de potencia finita en las frecuencias múltiplo de la frecuencia básica o fundamental. Claramente, el filtro paso-banda no puede ser infinitamente estrecho, así que el resultado estará formado por picos de anchura igual a la del filtro. A esta anchura se denomina resolución del espectro y suele poder ajustarse en función de la medida a realizar; así en el AEE del laboratorio podremos seleccionar 20 ó 400 kHz. Un parámetro que hace especialmente útil a los AEE es su rango dinámico, normalmente superior a 60 dB, que permite comparar componentes espectrales con amplitudes muy diferentes. Aprovecharemos esta capacidad para medir cómo se distorsiona una señal analógica al ser transmitida por un canal óptico. En la zona inferior de la pantalla puede apreciarse normalmente el ruido propio del equipo cuando se conecta a su entrada una impedancia de 50Ω (si ésta es su impedancia de entrada) y determina la sensibilidad del equipo. En cuanto a los controles del AEE del laboratorio, además de seleccionar su resolución, como se dijo antes, podemos introducir atenuaciones de 10 dB con la botonera próxima a la entrada, además de subir o bajar la traza de forma continua. En cuanto al eje de frecuencias, podemos seleccionar la escala en MHz/cm y desplazar la imagen para centrar la zona de la frecuencia de interés. La escala vertical es fija y vale 10 dB/cm. En la parte izquierda del equipo se incluye un generador de barrido de frecuencias que no se utiliza en la práctica, tenga cuidado en no confundir la salida de este generador con la entrada de señal, que se sitúa en la parte inferior derecha del equipo.

Información adicional: Descripciones de los AEE, y sus parámetros, de las marcas comerciales Tektronix y Agilent se pueden encontrar en los correspondientes catálogos. En la documentación disponible en la página web del departamento, en la sección de documentación "General y complementaria", se han incluido ambos catálogos para facilitar su consulta. Hay que resaltar que el AEE que se utilizará en el desarrollo de la práctica no se corresponde con esas firmas comerciales, por lo que la parte de interés de sus

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catálogos es la relacionada con descripciones generales de los AEE y sus parámetros más relevantes.

Cálculos previos 1.- Para reconocer las curvas obtenidas en el desarrollo de la práctica, es calcule u obtenga de alguna referencia los espectros de las siguientes señales: a) Tono puro sinusoidal de frecuencia f0. b) Tono puro de frecuencia f0 rectificado en media onda. c) Señales digitales aleatorias (NRZ y RZ) con un periodo de bit T0. d) Señal de ruido blanco con una potencia espectral SN (W/Hz). 2.- En los espectros anteriores, obtenga la relación entre las frecuencias significativas y las amplitudes correspondientes, así como la forma de la curva (continua, picos, etc.). 3.- ¿Qué relación existe entre la amplitud de una sinusoide y su valor eficaz?

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA En esta sesión se estudiarán los siguientes puntos: 1. Estudio del espectro de una señal sinusoidal. Aplicación a la medida de la corriente umbral de un LD 2. Espectro de una señal pseudoaleatoria de datos 3. Medida de la atenuación de una fibra de plástico y nivel de ruido del sistema.

1. Espectro de una señal sinusoidal transmitida por una fibra óptica. Medida de Ith del LD El montaje es el siguiente: Aplicamos una señal sinusoidal de pequeña amplitud (20-80 mVpp), offset nulo y una frecuencia de 1MHz, a la entrada analógica del LD. El modo de funcionamiento del LD es “estabilizado en corriente” y el potenciómetro deberá estar en una posición intermedia. Llevamos la salida de “monitor de corriente”) al canal 1 del osciloscopio para medir tanto su amplitud como el offset aplicado por el driver. Por medio de un latiguillo de fibra, aplicamos la salida del LD al módulo receptor de 1300 nm. La salida analógica del receptor la llevamos al canal 2 del osciloscopio y al AEE. Para mejor estabilidad, sincronizamos el osciloscopio con el canal 2. IV-4

Práctica 4: Respuesta en frecuencia

Idea básica del procedimiento:

Comprobamos que la señal del receptor no está distorsionada en el osciloscopio y observamos su espectro eléctrico, que debe consistir en un pico a 1 MHz y otros picos de mucha menor altura, en los sucesivos armónicos (2 MHz, 3MHz,...). Importante: no se confunda con el pico de mayor altura correspondiente a la componente DC (frecuencia 0), que siempre está presente. Si la sinusoide no está distorsionada, el pico fundamental será superior en 30 dB, o más, a los de los armónicos. Reduzca la polarización del LD hasta conseguir que aparezcan armónicos de gran altura, observe la señal correspondiente en el osciloscopio y explique la forma de onda visualizada. En esta posición tendremos que el punto más bajo de la corriente aplicada al láser coincide con la corriente umbral (en realidad, ligeramente por encima). Mida y anote el valor de Ith y compruebe que se aproxima a los valores medidos por otros métodos en prácticas anteriores.

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Varíe la corriente de polarización y observe qué ocurre con los armónicos cuando la señal se distorsiona, bien por bajar de la corriente umbral, bien por saturación. Compruebe también que la distorsión es pequeña cuando todo el recorrido de la corriente está por debajo del umbral, si bien el pico fundamental tiene un valor mucho más bajo (es lineal, pero prácticamente no emite luz). Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje las formas de onda y espectros observados, con sus respectivas cotas, tanto en la medida de Ith, como con distorsión.

2. Espectro de una señal de datos pseudoaleatoria En este montaje realizaremos la transmisión de una señal de datos y analizaremos el espectro de la señal recibida. Emplearemos el emisor LED a 1300 nm y el correspondiente módulo receptor. La señal de datos es una secuencia de máxima longitud (MLS) generada en un registro de desplazamiento de N etapas con una cierta realimentación. El resultado es una secuencia periódica de 2N-1 bits que contiene todas las combinaciones de N bits, salvo la formada por N ceros. Aplicaremos una señal de datos de 10 Mb/s desde la caja de generación de datos a la entrada digital del transmisor. Llevaremos la señal óptica por medio de un latiguillo de fibra al receptor y la salida analógica del módulo receptor la aplicaremos al AEE para analizar su espectro. Compruebe que el espectro obtenido coincide con el descrito en su trabajo previo. Sin embargo, en realidad los datos se repiten cada cierto número de bits y esta frecuencia de repetición también aparece en el espectro en forma de picos separados por una frecuencia menor (la de la trama). Amplíe el espectro hasta observar estos picos, mida su separación con la mayor precisión posible y calcule la longitud de la trama y el número de etapas en el registro de desplazamiento (N). Nota: como esta frecuencia es inferior a 200 kHz, utilice la resolución de 20 kHz en el AEE para poder resolverlos.

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Práctica 4: Respuesta en frecuencia

Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje los espectros utilizados para medir la tasa binaria y la frecuencia de repetición de las tramas.

3. Atenuación de la POF y nivel de ruido En este apartado mediremos con el AEE la atenuación de la fibra óptica de plástico (POF). Para ello, aplicaremos a la entrada analógica del transmisor de 630 nm una señal sinusoidal de frecuencia 500 kHz sin offset y con una amplitud en el rango de algunos centenares de milivoltios (más tarde ajustaremos su valor). Por otra parte, llevaremos la salida del receptor de 630 nm al AEE para observar su espectro. Primero conectaremos el emisor y el receptor con un latiguillo de fibra. Mida la longitud de dicho latiguillo ya que la atenuación de la POF hace que no sea despreciable. Ajuste la amplitud de la señal del generador para asegurarse que no hay distorsiones (los armónicos a 200 kHz, 300 kHz, … tienen amplitudes, al menos, 30 dB por debajo del fundamental). Recuerde la posición del pico a 500 kHz. Puede mover verticalmente la traza del AEE para hacerlo coincidir con una de las líneas horizontales de la pantalla. A continuación, cambie el latiguillo por el carrete de fibra y observe cuánto ha disminuido el pico fundamental. La diferencia de nivel es causada por la atenuación de la fibra. Tenga en cuenta que el AEE mide potencias (o, más correctamente, densidades de potencia) eléctricas, no ópticas. Conociendo la diferencia entre las longitudes del carrete y el latiguillo, calcule la atenuación de la POF en dB/m.

En la parte inferior de la pantalla del AEE puede observarse el ruido. Para calcular su nivel necesitamos establecer una medida absoluta en el analizador. Para ello, conecte IV-7

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simultáneamente la señal de entrada del AEE al osciloscopio, con el fin de medir su amplitud. Sabiendo que la impedancia de carga del AEE son 50Ω y la amplitud de la señal, calcule su valor en dBm, que será el representado por el pico del AEE.

Mida la diferencia entre el pico de la señal y el fondo de ruido para conocer la densidad espectral de ruido (suponga que es ruido blanco, aunque haya zonas donde no sea plano). Tenga en cuenta la resolución del AEE y exprese su valor en W/Hz.

Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje los espectros obtenidos con las frecuencias y amplitudes utilizadas para las mediciones. Incluya los resultados obtenidos y los cálculos intermedios.

POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN.

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