Universidad Nacional de Colombia. Transmisión de una canción por una fibra óptica mediante PWM.
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"ransmisión de una canción por una fibra óptica mediante PWM #alvis #u$m%n, Luis &le!andro., onseca Pineda, (aniel )steban., * +ilva arela, (iego elipe. -niversidad acional de /olombia 0123
—It's presented a design procedure and Abstract —It's implementation for audio transmission via optical fiber, implementing PWM modulation and demodulation, and it shows the transision from the electrical dominium to the optical dominium of the signal, in this case, a song. Índice de Términos— Laser emisor, diodo fotoreceptor, emisión estimulada, PWM, filtro pasa ba!os, filtro pasaaltos, filtro pasabanda.
I.
INTRODUCCIÓN
Las telecomunicaciones son un ámbito de nuestra vida diaria del cual cual no estamos exentos de participar. Día a día utilizamos servicios tales como voz, video o datos, y como si fuera poco queremos que la interacción de nuestros dispositivos con estos se den de la mejor manera y de forma inmediata. Por esta razón se necesitaba la implementación de sistemas capaces de responder a las exigentes demandas de los usuarios. Entre las causas que obligaron el desarrollo de nuevas alternativas de comunicación, como lo es la fibra óptica, se encuentran la interferencia electromagnética y la baja transmisión de datos, la cual suple de forma satisfactoria dichas características. características. Es por esto que se presenta como objetivo principal la implementación de fibra óptica como medio de transmisión de un sistema de transmisión y recepción de una señal de audio.
II. DISEÑO DEL SISTEMA El sistema de transmisión y recepción de audio por medio de fibra óptica es descrito de forma sucinta en la Fig. 1.
Fig. 1. Diagrama de bloques del sistema
En el sistema se observa que al ingresar la señal se realiza modulación por ancho de pulso para luego convertir estos pulsos de tensión en pulsos de corriente debido al funcionamiento de los láseres. Posteriormente, dichos pulsos de corriente son detectados en el receptor óptico generando pulsos de corriente muy pequeños, razón por la que se utilizó un circuito regenerador de señal para luego realizar un filtro pasa baja DC y recuperar la señal de audio transmitida. A. Señal de Audio
La señal de audio fue obtenida mediante un dispositivo móvil al cual se le conectó un Jack macho-macho que nos provee la salida de tensión analógica de la canción. Se observó en el osciloscopio que la salida analógica de los conectores es alrededor de 500mV, razón por la que un pre procesamiento de la señal es requerido antes de la modulación PWM. B. Modulación por ancho de pulso pul so
Para la modulación PWM se utilizó el integrado TL494. El circuito implementado es presentado en la Fig. 2.
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Fig. 3. Diagrama de circuito amplificador de señal de audio
Una vez realizado esto, es posible obtener la señal de PWM la cual sale por el pin 8 del integrado. Esta señal se utiliza para realizar modulación directa sobre el láser utilizando la señal de PWM como fuente de polarización para un espejo de corriente, logrando así convertir los pulsos de tensión en pulsos de corriente, ya que este funciona con corriente. El espejo de corriente es presentado en la Fig. 4.
Fig. 2. Diagrama de circuito con TL494 para generar s eñal PWM.
En este se observa que mediante la escogencia de RT y CT se configura la oscilación de la señal de PWM, la cual es regida por la ecuación
=
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Para efectos de implementación del proyecto se escogió una frecuencia de oscilación de 60kHz y una capacitancia de 3.3nF, lo cual resultó en una resistencia de $5.1k Ω. La tensión de salida de esta señal tiene salida de 3Vpp aproximadamente y un nivel DC de 1.5V, es decir, la señal siempre es positiva. Por esta razón se debe realizar una etapa de acondicionamiento de señal para la señal de audio. Se implementó el circuito de la Fig. 3 amplifica la señal de audio mediante R1 para que esta tenga una amplitud de 3Vpp, mientras se ajusta su nivel DC en 1.5V con R3. El condensador de 0.1uF es para filtrar el ruido proveniente de la fuente de alimentación.
Fig. 4. Espejo de corriente para modulación de la señal del láser
Este espejo fue implementado con el integrado LM3086 utilizando el par de transistores acoplados para que tengan similitud en el factor β para la corriente de colector. La señal PWM nos arroja una señal de tensión que varía desde 0 a 10V. Es necesario convertir esta señal de tensión en una señal de corriente por medio de un espejo simple. La tensión de alimentación de dicho espejo es la señal de pulsos PWM, haciendo la conmutación del láser. La corriente del espejo es de 8mA. C. Emisor óptico
Para el emisor óptico se utilizó un láser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emiting Laser) con referencia OPV314YAT,
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el cual es polarizado con pulsos de corriente de aproximadamente 8mA. Se debe tener especial precaución a la hora de conectar los pines del mismo.
Fig. 6. Curva característica del láser obtenida en el laboratorio.
Se trabajó con una corriente de 8mA, que provee una señal de potencia óptica de aproximadamente 10uW.
1. Fibra Óptica
Fig. 5. Diodo VCSEL: ilustración diodo, pines y diagrama circuito del OPV314YAT
La curva característica del diodo láser se presenta en la Fig. 6, en esta se presenta la relación potencia de salida en [mW] vs corriente de entrada [mA]. En esta se puede observar que la corriente de umbral de este es de alrededor de 2mA, lo cual indica que la corriente del espejo debe ser mayor a esta. Las longitudes de onda que este envía se encuentran entre 840 y 860nm.
Fig. 7. Fibra Óptica multimodo con conectores ST –ST
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D. Detector óptico
Fig. 8. Conector ST de fibra multimodo y el láser VCSEL
La fibra usada fue una fibra multimodo de referencia STMTM1A-10. La longitud de la fibra es de aproximadamente 10 metros.
2. Acople con el receptor
Fig. 10. Foto-receptor óptico.
El detector óptico utilizado fue el OPF482, el cual recibe longitudes de onda entre 800 y 1000nm. Dicho receptor óptico al recibir la luz que proviene de la fibra óptica, provee una corriente fotodetectada de 400uA aproximadamente. Debe polarizarse en inversa. E. Filtro pasa-bajas
La luz que viaja por la fibra llega al foto-receptor, el cual absorbe un flujo de fotones, convirtiéndolos en una corriente foto-detectada. La potencia óptica y la corriente fotodetectada están relacionadas con la siguiente ecuación:
Dónde:
Para la recuperación de la señal de audio se implementó un filtro RC pasa bajas con frecuencia de corte de 60Hz con la finalidad de dejar pasar únicamente el nivel DC de la señal PWM modulada. El principio de uso de este filtro se debe a que el nivel DC instantáneo de la señal PWM es variable, lo cual regeneraría las amplitudes en tensión de la señal de audio para luego ser amplificadas mediante un speaker. 1) MODELO DE UN ALTAVOZ:
Ip = Corriente fotodetectada Pin = Potencia óptica incidente. R = Receptividad.
Fig. 9. Montaje electrónico del receptor para obtener una señal de voltaje en de 10V al recibir luz.
Fig. 11. Modelo eléctrico de un altavoz. [1]
Universidad Nacional de Colombia. Transmisión de una canción por una fibra óptica mediante PWM. Un altavoz posee componentes que hacen que su modelo llega a ser como el mostrado en la figura 1. La forma de llegar a dicho modelo se explica en [1].
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() = + + ó
2) SEÑALES DE ALTAVOZ EN LA FRECUENCIA:
Toda señal puede ser vista como una suma de señales periódicas:
Fig. 13. Señal expresada como la suma de dos ondas senoidales
3) DISTORSIÓN EN ALTAVOZ:
El altavoz es uno de los sistemas de audio que presenta mayor distorsión, por lo que los fabricantes no suelen suministrar al consumidor las cifras de distorsión de sus altavoces. La distorsión tiene causas muy variadas: flujo del entrehierro, vibraciones parciales, modulación de frecuencia sobre el diafragma, alinealidad de las suspensiones, etc. La mayor parte de la distorsión se concentra en el segundo y tercer armónico, por lo que afectará en mayor medida a los tonos graves. Se trata de una distorsión en torno al 10 %. · En las medias y altas frecuencias esta distorsión es proporcionalmente mucho menor y no llega al 1 %, aunque en las gargantas de bocinas de alta frecuencia esta distorsión llega hasta un margen de entre 10 y 15 %.
Fig. 14. Patrones típicos de un altavoz Fig. 12. Señales de Fourier
Existen por lo tanto componentes en gran cantidad de frecuencias, que servirán como señales demoduladoras.
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4) MODULACION Y DEMODULACIÓN:
Al modular una señal con una portadora a cierta frecuencia o muestrearla a cierta frecuencia, sus componentes en frecuencia se desplazan, por ejemplo cuando se modula una señal en AM con una portadora con una frecuencia wc, la señal en banda base sufre un corrimiento, entonces se dice que la señal esta fuera de banda base, y esta modulada. Para demodular una señal se realiza un corrimiento de la señal a la banda base y se aplica un filtro pasa bajas para eliminar las componentes en otras frecuencias de la señal demodulada y finalmente obtener la señal original. La señal que demodula está a la misma frecuencia que a portadora, para realizar el corrimiento a la banda base. Y un altavoz posee gran cantidad de señales a diferentes frecuencias debido a su distorsión, que servirán para demodular o pasar a banda base las señales moduladas.
Fig. 16. Onda y espectro de señal.
/4/L-+I4)+ (ebido a la e5cesiva manipulación de los pines del l%ser emisor, uno de dichos pines se rompió, por lo cual fue necesario soldarlo. Para evitar estos inconvenientes se recomienda soldar los pines del l%ser a una ba6uelita. •
+e debe tener especial cuidado al identificar los pines de laser emisor, identificando claramente la referencia del mismo, *a 6ue conectar los pines de manera incorrecta se puede estropear el l%ser. •
-nos parlantes de escritorio tienen dentro de s7, en su construcción, un sistema de filtro pasabanda, por lo cual se puede escuchar la canción conect%ndola directamente desde la se8al demodulada, sin colocarle una etapa de filtrado adicional anterior. •
Fig. 15. Modulación de una señal
5) ALTAVOZ COMO DEMODULADOR:
Un altavoz entonces produce componentes en todas las frecuencias debido a la presencia de armónicos debidos a la distorsión. Estos armónicos cumplen la función de demodular la señal y pasarla a la banda base, y debido a que se tienen componentes en gran cantidad de frecuencias, entonces una gran cantidad de señales moduladas pueden ser demoduladas.
R EFERENCIAS
[1] Varón, M. “Detectores” Universidad Nacional de Colombia 2015. Disponible en: https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVm YXVsdGRvbWFpbnxjb21vcHRpY2FzfGd4OjRjZjNjYjg1M WI4NjllN2U [2] Marín, R. y Vélez, L. “Fundamentos de fibra óptica” Empresas Públicas de Medellín. 1997. [3] Contreras, J. “Modulación por ancho de pulso PWM. Una introducción a las técnicas de modulación” Universidad Autónoma de Occidente. 2005. Disponible en: http://www.redalyc.org/pdf/478/47802507.pdf
