Demultiplexor Optoelectrónico una Señal Luminosa para un

DISTRIBUIDOR OPTOELECTRÓNICO DE UNA SEÑAL
LUMINOSA PARA UN RECEPTOR INALÁMBRICO
ÓPTICO
A. A. Olivera Ramírez1,2, F. de J. Rivera López 1,2, E. Tepichín Rodríguez1, G. Ramírez Zavaleta1.
1
Instituto Nacional de Astrofísica Óptica, y Electrónica, A.P. 51 Puebla, Pue. Méx. 72000
2
Universidad Tecnológica de la Mixteca, A.P. 71, Huajuapan de León, Oax., Mex. 69000
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo describe la distribución de una señal de audio digital en banda base mediante un
demultiplexor optoelectrónico para un sistema de comunicación inalámbrico. La señal de audio es generada
por un reproductor de CD, esta señal es digitalizada por medio de un ADC y posteriormente la información es
convertida a forma serial con la ayuda de un microcontrolador, la información serial alimenta a un modulador
electro-óptico el cual modula en amplitud a un láser semiconductor con longitud de onda de 658 nm. El
demultiplexor optoelectrónico permite distribuir la señal hacia múltiples fotorreceptores. Éste es controlado
por medio de una PC. La señal recuperada de los fotorreceptores es amplificada y regenerada, un
microcontrolador convierte esta información a formato paralelo y un DAC recupera la señal de audio original.
ABSTRACT
This document describes the distribution of a digital audio signal by an optoelectronic demultiplexer for an
optical wireless communication system. The audio signal is generated by a reproducer of CD player, this
signal is digitized by an ADC and later the information is converted to serial information with the help of a
microcontroller, the serial information feeds to an electro-optic modulator which modulates a semiconductor
laser with a wavelength of 658 nm. The optoelectronic demultiplexer allows to distribute the signal toward
multiple photo detectors. This is controlled by a PC. The recovered signal from the photo detectors in then
amplified, finally a microcontroller converts this information to parallel form and a DAC recovers the audio
signal.
1. INTRODUCCIÓN
La demanda de transferencia y distribución de información es cada vez mas grande por eso se están
desarrollando sistemas cada vez mas eficientes que ayuden a resolver este problema. Uno de estos sistemas es
el propuesto en el articulo titulado “Demultiplexor Optoelectrónico” [1]. El sistema que a continuación se
presenta es una aplicación dada a este demultiplexor optoelectrónico, la información que se distribuye es
audio digital. El sistema desarrollado consta de un transmisor de audio digital, el demultiplexor
optoelectrónico antes mencionado y un receptor de audio digital. El transmisor de audio digital se encarga de
digitalizar la señal de audio, procesarla y enviarla a través del diodo láser semiconductor hacia el
demultiplexor optoelectrónico en forma óptica inalámbrica, este proceso se describirá en la sección 2 de este
documento. El sistema demultiplexor optoelectrónico es el que distribuye la señal hacia los múltiples
usuarios, este proceso se describe en la sección 3 y se explica a detalle en el trabajo titulado “Demultiplexor
Optoelectrónico” [1]. El receptor de audio digital se encarga de detectar la señal transmitida, éste obtiene la
señal luminosa directamente del demultiplexor optoelectrónico, la procesa y genera una salida de audio
analógica, en la sección 4 se detalla este proceso. En la sección 5 se muestran y analizan los resultados
obtenidos, en la sección 6 se dan las conclusiones.
2. TRANSMISOR ELECTRO-ÓPTICO DE AUDIO DIGITAL
El circuito transmisor de audio digital se encarga de transmitir la señal hacia el demultiplexor optoelectrónico.
En la figura 1 se muestra el diagrama a bloques del circuito transmisor de audio digital.
Figura 1. Diagrama a bloques del circuito transmisor
2.1 Fuente de información
La señal de audio es obtenida directamente de un reproductor de CD.
2.2 Acondicionamiento de señal
En la etapa de acondicionamiento de señal el audio es amplificado mediante un amplificador operacional
TL081 en configuración no inversora con una ganancia de 2.5 y posteriormente se le suma un nivel de voltaje
de 2.5 V para que el ADC la digitalice adecuadamente ya que éste solo acepta voltajes entre 0 y 5 V.
2.3 Convertidor analógico digital
El convertidor analógico digital ADC0820 [2] digitaliza la señal de audio, la frecuencia de muestreo es de 40
000 muestras por segundo y es controlado por el microcontrolador el cual envía la señal de control hacia el
ADC cada 25 microsegundos. La salida correspondiente del ADC es dada en 8 bits en forma paralela en
niveles de voltaje TTL.
2.4 Microcontrolador
El microcontrolador utilizado es el AT90S2313 [3] de ATMEL que además de controlar al ADC funciona
como un convertidor paralelo-serie de la información digital. Toma los bits paralelos del ADC y los envía en
forma serial hacia el modulador electro-óptico. Es importante mencionar que envía un bit de inicio en “alto”
después 8 bits de información y por último un bit de paro en “bajo” esto con la finalidad de no perder la
sincronía con el microcontrolador receptor. De esta manera se envían 10 bits cada 25 microsegundos y se
determina que el tiempo de bit es de 2.5 microsegundos, lo que da una tasa de transferencia de 400 000 bps.
2.5 Modulador electro-óptico
El modulador electro-óptico se encarga de modular al diodo láser semiconductor y de esta forma envía la
información a través de una señal luminosa hacia el demultiplexor optoelectrónico usando como canal de
transmisión la atmósfera. El modulador electro-óptico esta formado por dos compuertas NOT 74LS04[4] en
serie que son alimentadas por la señal serial generada en el microcontrolador. La compuerta NOT se conectan
a un transistor npn 2N2222A [5] el cual modifica la corriente a través del diodo láser semiconductor en
función del voltaje de entrada, por tanto, es modulado en amplitud. El resistor variable en el colector es usado
para ajustar la corriente que circula a través del diodo láser semiconductor. En la figura 2 se muestra el
diagrama del modulador electro-óptico.
Figura 2. Modulador electro-óptico
El modelo del diodo láser semiconductor es el DL7147-201 [6]. En la tabla I se enlistan algunas de sus
características dadas por el fabricante.
Diodo Láser semiconductor DL7147 – 201
Longitud de onda
658 nm.
Potencia señal continua
60 mW
Potencia señal pulsante
100 mW
Corriente de umbral (min.)
40 mA
Corriente de operación (min.)
90 mA
Voltaje de operación (min)
2.5 V.
Tabla I. Características del diodo láser semiconductor.
3. DEMULTIPLEXOR OPTOELECTRÓNICO
En la figura 3 se puede observar el sistema demultiplexor optoelectrónico. El sistema funciona de la siguiente
manera. La señal luminosa que se obtiene a la salida del modulador electro-óptico se inyecta a un ocular de
40X para generar una onda esférica, posteriormente se le hace pasar por un sistema 4f. En medio de ese
sistema 4f se coloca un modulador espacial de luz dinámico para desplegar en él rejillas bidimensionales de
amplitud. Éstas son generadas por el programa desarrollado para la PC1. A la salida del sistema 4f la señal
luminosa ya está modulada por la rejilla y en el plano de Fresnel se puede colocar un arreglo de fotodetectores
para recuperar la señal transmitida. Una explicación detallada se hace en el trabajo titulado “Demultiplexor
optoelectrónico” [1].
Figura 3. Demultiplexor optoelectrónico.
4. RECEPTOR OPTOELECTRÓNICO DE AUDIO DIGITAL
En la figura 4 se puede observar el diagrama a bloques del receptor de audio digital.
Figura 4. Diagrama a bloques del receptor de audio digital.
4.1 Demodulador optoelectrónico
El demodulador optoelectrónico recupera la señal modulante del haz del láser proveniente del demultiplexor
optoelectrónico. El voltaje de salida recuperado tiene una amplitud muy pequeña, aproximadamente de unos
30 mV, y necesita ser amplificada. En la figura 5 se muestra el circuito del demodulador opto-electrónico.
Figura 5. Demodulador optoelectrónico.
El fotorreceptor usado es el fotodiodo FDS010 [7] y algunas de sus características se muestran en la tabla II,
obtenidas por su fabricante.
Fotodiodo FDS010
Respuesta espectral
200 – 1100 nm.
Área activa
0.8 mm2
Tiempo de Subida (RL=50 )
< 1 ns (20V bias)
Tiempo de Subida (RL=50 )
< 1 ns (20V bias)
Corriente de oscuridad
2.5 nA max. (20 V)
Responsividad máxima a 658 nm.
0.42 A / W
Tabla II. Características del fotodiodo utilizado.
4.2 Amplificación
La amplificación de la señal recibida se hace a través de amplificadores operacionales TL082 en una
configuración inversora. La amplificación se hace en 4 etapas en cascada con una ganancia total de
aproximadamente de 200. A la salida de esta etapa la señal tiene una amplitud de aproximadamente 6 V pero
es necesario acondicionarla para que obtenga el nivel TTL requerido.
4.3 Acondicionamiento de la señal
El acondicionamiento de la señal se hace por medio de un comparador LM311[8] y 2 compuertas lógicas
“NOT” 74LS04 en cascada. El circuito comparador de voltaje tiene un valor de referencia de 2.2 V y entrega
una salida de 5 V, si el voltaje de entrada es mayor a 2.2V ,y 0V si el voltaje de entrada es menor a 2.2 V. El
voltaje de salida del circuito comparador se inyecta a las compuertas “NOT” que se usan con fines de
acoplamiento para que la señal sea inyectada al microcontrolador.
4.4 Microcontrolador
El microcontrolador utilizado al igual que en el transmisor es el AT90S2313 de ATMEL. El microcontrolador
toma la señal proveniente de las compuertas NOT en forma serial y convierte esta señal a una salida en
paralelo de 8 bits la cual es inyectada a un DAC.
4.5 Convertidor digital – analógico (DAC)
El convertidor digital-analógico utilizado en esta etapa es el DAC0800 [9]. En esta etapa se convierte la señal
digital en formato paralelo de 8 bits a una salida analógica bipolar. En esta etapa el voltaje de salida no es el
adecuado porque contiene frecuencias no deseadas. Para eliminar esto es necesario un proceso de filtrado.
4.6 Filtro pasabajas
Para eliminar los componentes de frecuencia no deseados en la señal se utiliza un filtro pasabajas con una
frecuencia de corte de 15 Khz. El filtro diseñado es un filtro activo con un amplificador TL081 con respuesta
butterworth. A la salida del filtro se obtiene la señal de audio analógica.
5. RESULTADOS
En la figura 6 se muestra en diagrama a bloques general con el fin de mostrar como se realizarán las
mediciones.
Figura 6. Diagrama a bloques del sistema completo
En la figura 7 se muestra la señal a la salida del microcontrolador del transmisor (punto 4) y la señal a la
entrada al microcontrolador del receptor (punto 9). Las señales muestran un pulso con una frecuencia de 40
Khz. esto es debido a que la entrada analógica es 0 V, entonces el único pulso en alto es el bit de inicio que se
envía al principio de cada cadena de 8 bits. Esta frecuencia es la frecuencia de muestreo del ADC ya que por
cada 8 bits de datos esta mandando un bit de inicio en nivel lógico alto .
Figura 7. Señal digital enviada (canal1) y señal digital recuperada (canal 2).
En la figura 8 se muestra una cadena de bits tomada a la salida del microcontrolador del transmisor (punto 4)
y la señal obtenida a la entrada del microcontrolador del receptor(punto 9). Como se observa en la figura los
pulsos de las señal de audio digital enviada corresponden a los pulsos de la señal digital recibida. Se aprecia
un pequeño retardo debido al procesamiento de la señal en las distintas etapas del sistema.
Figura 8. Señal digital enviada (canal1) y señal digital recuperada (canal 2).
En la figura 9 se muestra una señal sinusoidal analógica a la entrada del sistema (punto 1) y la señal
recuperada a la salida del sistema (punto 12). Con esto se demuestra la factibilidad de transmitir señales de
audio analógico con una frecuencia de hasta 15 Khz.
Figura 9. Mediciones en el osciloscopio de la señal analógica mandada
y señal analógica recuperada a una frecuencia 15 Khz.
6. CONCLUSIONES
Con los resultados obtenidos se demuestra que el sistema funciona de manera correcta para la distribución de
audio digital. El fotodiodo se movió hacia varios interconectores ópticos y se podía conectar y desconectar el
interruptor óptico correspondiente muy fácilmente lo cual demuestra la versatilidad del demultiplexor
optoelectrónico para conectar-desconectar la señal que reciben los fotorreceptores. Lo anterior es de suma
importancia ya que representa una alternativa real a la solución de problemas actuales de distribución de
señales de alta velocidad. Otro hecho de importancia que hay que resaltar es que la información se transmite
de forma inalámbrica hacia el receptor lo cual nos da la posibilidad de enviar la información sin la necesidad
de fibra óptica, esto podría ser una ventaja en lugares de difícil acceso o donde sea imposible la instalación de
sistemas alambricos. También tiene la gran ventaja que un sistema de comunicación óptica inalámbrica
actualmente no requiere ningún tipo de licencia para uso de espectro electromagnético lo cual representa una
limitante cuando el espectro se encuentra saturado. Otra ventaja notable es que al ser un sistema
optoelectrónico se pueden alcanzar anchos de banda mucho mayores que los alcanzados por los sistemas de
comunicación basados en cobre. Con todo lo anterior además de que se demuestra la viabilidad de la
propuesta expuesta en el trabajo “Demultiplexor Optoelectrónico” [1] se deja claro el gran potencial de dicha
propuesta.
Este trabajo ha sido apoyado por CONACyT a través del proyecto PY-42822-F
7. REFERENCIAS
[1] F. J. Rivera-López, E. Tepichín-Rodríguez, G. Ramírez-Zabaleta, “Demultiplexor optoelectrónico”,
Memorias en extenso del XLVII Congreso de la SMF. Referencia 1MD14. Presentado en este congreso.
[2] www.national.com/ds/AD/ADC0820.pdf
[3] www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0839.pdf
[4] www.ee.washington.edu/stores/Datasheets/74ls/74lso4[4]
[5] www.semiconductors.philips.com/acrobat/datasheets/2N2222_CNV_2.pdf
[6] www.thorlabs.com/Thorcat/8700/8739-S01.pdf
[7] www.thorlabs.com/Thorcat/0600/0636-S01.pdf
[8] www.national.com/ds/LM/LM111.pdf
[9] www.national.com/ds/DA/DAC0800.pdf