Modelaje y analisis de desempeño para una transmisión digital sobre canal de fibra óptica de un sentido usando WDM

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey
Medios de Transmisión

Introducción
Los canales de fibra óptica son muy usados hoy en día cuando se requiere una transmisión rapida y sin afectación de ruido electromagnético. Las líneas de fibra óptica pueden ser de dos maneras: doble sentido o de un solo sentido. Las líneas de un solo sentido sólo pueden enviar o transmitir datos en un tiempo y no los dos al mismo tiempo, sin embargo, son mas económicos y muy usados cuando las distancias son muy grandes, ya que el canal de fibra óptica es caro. En telecomunicación, la multiplexación por división de longitud de onda (WDM, del inglés Wavelength Division Multiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un laser o un LED. Esta técnica es útil al momento de transmitir grandes cantidades de datos, ya que por medio de la longitud de onda se puede descomponer los datos y transmitir datos hasta ciento sesenta veces mas rapido hasta velocidades de 25.6 Tb/s.

Multiplexado por longitud de onda (WDM)
El multiplexado por división (WDM, de wavelength-division multiplexing) se llama a veces multiplexado pordivisión de onda. Como la longitud de onda y la frecuencia se relacionan en forma estrecha, el multiplexado por división de longitud de onda se parece al de división de frecuencia (FDM), esto dado que se trata de mandar señales de información que ocupen la misma banda de frecuencias, a través de la misma fibra y al mismo tiempo, sin que interfieran entre sí. Esto se logra modulando diodos laser de inyección que transmiten ondas luminosas muy concentradas a distintas longitudes de onda (es decir, a distancia frecuencias). Por consiguiente, el WDM es acoplar la luz de dos o mas longitudes de onda discretas para que entre y salga de una fibra óptica. Cada longitud de onda es capaz de llevar grandes cantidades de información, sea analógica o digital, y la información puede estar ya multiplexeada por división de tiempo o de frecuencia. Aunque la información que se usa con los laseres casi siempre consiste en señales digitales multiplexeadas por división de tiempo, en la separación de longitudes de onda que se usa con el WDM es analoga a los canales analógicos de radio que funcionan a distintas frecuencias de portadora.

Comparaciones de WDM vs FDM
Aunque el multiplexado por división de frecuencia y de longitud de onda se basan en los mismos principios, no son lo mismo. La diferencia mas obvia es que las frecuencias ópticas (en THz) son mucho mayoresque las radiofrecuencias (en MHz y GHz). Sin embargo, es posible que la mayor diferencia sea la forma en que se propagan las dos señales por sus medios respectivos de transmisión. En el FDM, las señales de información con el mismo ancho de banda procedentes de varias fuentes modulan distintas frecuencias, y cada frecuencia tiene su propio circuito modulador, y cada señal de información tiene su propia tasa de modulación. Las señales FDM se propagan al mismo tiempo, por el mismo y siguen el mismo camino de transmisión.
Sin embargo, el principio basico del WDM es algo distinto. Las longitudes de onda distintas de un pulso de luz viajan a través de una fibra óptica a velocidades diferentes; la luz azul se propaga con mas lentitud que la luz roja. En los sistemas normales de comunicaciones con fibra óptica, al propagarse la luz por el cable, la dispersión de longitudes de onda hace que las ondas luminosas se repartan y distribuyan su energía por un tiempo mayor. Así, en los sistemas normales de fibra óptica, la dispersión de longitudes de onda origina problemas que establecen limitaciones para la eficiencia del sistema. Sin embargo, en el WDM, la dispersión de longitudes de onda es la esencia de la operación del sistema. En él, las señales de información procedente de varias fuentes que ocupan el mismo ancho de banda modulan laseres que funcionan adistintas longitudes de onda. Por lo mismo, las señales entran a la fibra al mismo tiempo, y viajan por el mismo medio. Sin embargo, no toman la misma trayectoria por la fibra; como cada longitud de onda toma una ruta de transmisión distinta, cada una de ellas llega al receptor en momentos ligeramente distintos. Así, se puede codificar datos en forma secuencial en el canal WDM con un solo modulador de datos. El resultado es una serie de arcoíris formados de distintos colores (longitudes de onda), cada uno de unas 20 mil millonésimas de segundo de duración, y se propagan en forma simultanea por el cable. La figura muestra los principios basicos de la propagación de señales FDM y WDM a través de su respectivo medio de transmisión.

Ventajas y desventajas del WDM
Una ventaja obvia del WDM es su mayor capacidad y con ese multiplexado, también es posible la transmisión dúplex con una sola fibra. Ademas, en las redes de comunicaciones se usan componentes ópticos que son mas sencillos, mas fiables y con frecuencia menos costosos que sus contrapartes electrónicas. El WDM tiene la ventaja de ser en forma inherente mas facil de reconfigurar, es decir, agregar o quitar canales. Por ejemplo, se han instalado redes de area local con WDM que permiten a los usuarios entrar a la red solo sintonizando cierta longitud de onda.
También el WDM tiene sus limitaciones.No se pueden poner las señales tan cercanas en el espectro de longitudes de onda porque se interfieren. Su proximidad depende de los parametros de diseño del sistema, como por ejemplo si se usa amplificación óptica, y que técnica de amplificación se usa para combinar y separar las señales de distintas longitudes de onda. La Unión Internacional de Telecomunicaciones adoptó una retícula patrón de frecuencias para D-WDM con una separación de 100 GHz o de múltiplos enteros de 100 GHz lo cual a 1550 nm corresponde a una separación aproximada de longitudes de onda de 0.8 nm.
En el WDM la intensidad general de la señal debería ser aproximadamente igual para cada longitud de onda. Esta intensidad se ve influida por las características de atenuación de la fibra y por el grado de amplificación, estos dos parametros dependen de la longitud de onda. Bajo condiciones normales, las longitudes de onda seleccionadas para un sistema se separan tan poco entre sí que la atenuación varía muy poco entre ellas.
Una diferencia entre FDM y WDM es que el multiplexado WDM se hace a frecuencias ópticas extremadamente altas mientras que el FDM se hace a las frecuencias relativamente bajas de radio y de banda base. Por consiguiente las señales de radio que conducen FDM no se limitan a propagarse por un medio de transmisión físico contenido, por ejemplo, a través de un cableóptico. Las señales de radio se pueden propagar a través de casi cualquier medio de transmisión, incluyendo el espacio libre. Por lo anterior, se pueden transmitir en forma simultanea señales de radio a muchos destinos, mientras que las ondas luminosas que conducen el WDM se limitan a un circuito de dos puntos, o a una combinación de muchos circuitos de dos puntos, que sólo pueden estar donde van los cables.
La capacidad de información de una sola fibra óptica se puede aumentar n veces, donde n representa cuantas longitudes de onda distintas se propagan por la fibra al mismo tiempo. Cada longitud de onda en un sistema WDM esta modulada por señales de información de distintas fuentes. Por consiguiente, un sistema de comunicaciones que use un solo cable de fibra óptica que propague “n” longitudes de onda distintas debe utilizar “n” moduladores y n demoduladores.

Referencias
[1] S. Haykin, B. Van Vee, “Señales y sistemas”, 1°ed. México, D.F: Editorial Limusa, 2008.
[2] S. Haykin, “Communication Systems”, 4° ed. New York, NY: Editorial Wiley, 2001.
[3] W. Tomasi, “Digital T-Carriers and Multiplexing,” in Electronic Comunications Systems, 5th ed. New Jersey. Pearson Prentice Hall, 2004, ch. 11, sec. 16, pp. 503–507.
[4] W. Tomasi, “Sistemas de comunicaciones electríonicas”, 4° ed. Naucalpan de Juarez, Edo. De México: Editorial Pearson, 2003.