Multiplexación de señales en sistemas de fibra óptica
Multiplexación por división de tiempo
TDM combina múltiples señales digitales en un único flujo de bits digital serie. Un circuito especializado, denominado serializador, asigna flujos de entrada paralelos a intervalos de tiempo en la salida en serie. En un sistema de fibra óptica, el flujo de bits serie se transmite como una única longitud de onda a través de un cable de fibra óptica. En el extremo remoto del canal, un deserializador reconstruye la señal original en paralelo desde el flujo de bits serie, como se muestra en la imagen 1. La tasa de datos serie debe ser lo suficientemente rápida como para asegurar que no se pierden datos. Los transmisores y receptores de fibra óptica para señales AV de alta resolución funcionan típicamente a una tasa de datos de 4 Gbps a 6 Gbps.
TDM se utiliza para transmitir una amplia variedad de señales, incluyendo HDMI, DVI, 3G-SDI, RGB, vídeo por componentes HD y SD, S-video, vídeo compuesto, USB, audio y control RS-232. En sistemas AV modernos de fibra óptica, las señales de vídeo y audio analógico se convierten en señales digitales, evitando efectos no lineales que afectan a la conversión óptica directa de señales analógicas. La transmisión digital asegura que el vídeo de alta resolución es transmitido píxel a píxel con el cable de fibra óptica.
El transmisor de la imagen 2 acepta señales de vídeo HDMI/DVI, audio estéreo y control RS‑232. El multiplexor combina las señales en forma de un flujo serie de pulsos digitales. Un conversor de eléctrico a óptico – E a O cambia los pulsos digitales a pulsos de luz con una única longitud de onda para su transmisión a través de la fibra. El receptor del extremo remoto convierte la señal de óptica a eléctrica – O a E antes de deserializar para restablecer la señal original.
Multiplexación por división de longitud de onda
WDM hace referencia a la transmisión de dos o más señales ópticas con diferentes longitudes de onda a través de una única fibra. Las múltiples longitudes de onda que viajan a través de una fibra son similares a las múltiples señales de radio que viajan por el aire con frecuencias diferentes. Cada longitud de onda puede transportar una señal diferente que es independiente de las demás longitudes de onda. Además, las diferentes longitudes de onda pueden viajar en la misma dirección o en direcciones opuestas, permitiendo la comunicación óptica bidireccional a través de una única fibra como se muestra en la imagen 3. Siempre que los conversores ópticos tengan un ancho de banda lo suficientemente alto, WDM permite que el formato de la señal original y la tasa de datos se mantenga en ambos dominios, eléctrico y óptico.
WDM es apropiada para cualquier aplicación en la que se transmiten múltiples señales a través de cableado de fibra óptica. Las señales pueden ser completamente independientes, como para diferentes canales en un entorno de televisión por cable, señales USB o RS‑232 bidireccionales, componentes de una señal DVI o HDMI multivía, o una combinación de estas. Cada señal se aplica a una longitud de onda diferente para la transmisión independiente por el mismo cable de fibra óptica.
El transmisor y receptor WDM mostrado en la imagen 3 permite la transmisión de una señal HDMI/DVI a través de cable de fibra óptica. El transmisor tiene cinco entradas y una salida. Cada entrada tiene su propio conversor de E a O con un diodo láser que opera con una única longitud de onda. Un dispositivo especial llamado multiplexor/demultiplexor WDM combina las diferentes longitudes de onda para la transmisión a través de un cable de fibra óptica.
El multiplexor/demultiplexor WDM también separa la señal óptica utilizada para los datos de vuelta, que operan con una longitud de onda diferente desde las entradas. Los datos de vuelta de la señal óptica pasan a través de un conversor de O a E para recuperar la señal original.
El receptor WDM que se muestra en la imagen 3 tiene cinco salidas y una entrada. El multiplexor/demultiplexor WDM del receptor separa las señales ópticas, enviando cada una a un conversor de O a E independiente.
Señalización bidireccional
Las señales bidireccionales como USB, RS‑232 o Ethernet se utilizan en una gran variedad de aplicaciones AV. Como se ha mostrado anteriormente en la imagen 3, un sistema WDM transmite señales bidireccionales a través de una sola fibra utilizando una longitud de onda única para los datos de retorno. En un sistema TDM, una sola transmisión de longitud de onda es inherentemente unidireccional, de manera que la señalización bidireccional se logra utilizando una segunda fibra, como se muestra en la imagen 4.
Distancia de transmisión de la señal AV
En un sistema WDM, la distancia de transmisión máxima queda afectada por la pérdida óptica, el ancho de banda de la fibra y el retardo entre canales. La pérdida óptica equivale a la atenuación en la fibra, conexiones y empalmes. El margen de pérdida, determinado por la potencia de salida del transmisor y la sensibilidad de entrada del receptor, es la cantidad máxima de pérdida óptica permitida en el enlace de fibra entre el transmisor y el receptor. El ancho de banda de la fibra es la frecuencia o tasa de datos máxima que puede transmitirse a una longitud dada a través de un cable de fibra óptica. El retardo es causado por las diferentes longitudes de onda que se propagan a diferentes velocidades a través de la fibra, como se muestra en la imagen 5. El resultado es similar al retardo creado al variar la tasa de trenzado en cables de categoría (CAT) dentro de un sistema de par trenzado.
La cantidad de retardo de un sistema WDM depende del rango de las longitudes de onda utilizadas en el sistema. En sistemas multimodo que utilizan longitudes de onda alrededor de 850 nm, el retardo puede convertirse en el efecto dominante, limitando la distancia de transmisión. Por ejemplo, un sistema HDMI con un reloj de píxeles de 225 MHz tiene un retardo máximo permitido del cable entre canales de 1.78 ns.
Un conocido dispositivo utilizado en extensores HDMI y DVI multimodo WDM tiene una distancia máxima especificada de unos 300 m (984 ft) antes de que su retardo exceda los 1,78 ns. El mismo dispositivo puede funcionar hasta 400 m (1,312 ft) para una señal HDMI o DVI con un reloj de píxeles de 165 MHz que permita un retardo máximo de 2,42 ns.
Un sistema TDM transmite la señal de fibra óptica a una única longitud de onda, de manera que toda la señal se propaga a la misma velocidad. Con un retardo insignificante, la distancia de transmisión máxima queda limitada solo por el margen de pérdida disponible y el ancho de banda del sistema. Una fibra OM4 optimizada para láser, con margen de pérdida y uso del ancho de banda bien gestionados, permite que los sistemas TDM puedan alcanzar distancias de hasta 2 km (6,561 ft), como se muestra en la imagen 6. Como resultado, los sistemas TDM alcanzan mayores distancias de transmisión que los sistemas WDM utilizados para la extensión de la señal AV.
Los sistemas monomodo utilizan longitudes de onda largas, de 1310 nm o 1550 nm. A estas longitudes de onda, los sistemas WDM experimentan menos retardo entre canales para alcanzar distancias de transmisión mayores. Un típico sistema monomodo WDM para señales HDMI/DVI transmite hasta 12 km (7,5 mi), en comparación con los 30 km (18,75 mi) de un sistema monomodo TDM. Sin embargo, no todos los sistemas WDM soportan fibra OS1, que es el tipo más común de fibra monomodo instalado. Los sistemas WDM con longitudes de onda alrededor de 1390 nm sufren una atenuación alta en fibra OS1 debido a la absorción del pico de agua, como se muestra en la imagen 7.
La atenuación limita severamente la distancia de transmisión. Con una longitud de onda alrededor de 1390 nm, la atenuación de la fibra OS1 puede ser 4 dB/km o más debido a la absorción del pico de agua. Asumiendo un margen de pérdida de 10 a 13 dB, la distancia de transmisión máxima es de solo 2 km a 3 km a esta longitud de onda. Para alcanzar una distancia de transmisión mayor, este tipo de sistema WDM requiere fibra monomodo de bajo pico de agua OS2. Alternativamente, un sistema monomodo TDM utiliza una longitud de onda de 1310 nm o 1550 nm, en el que la atenuación de la fibra OS1 es típicamente 1 dB/km o menos, para operar a su capacidad de distancia total a través de los tipos de fibra OS1 y OS2.
Conexión en cadena
La conexión en cadena permite distribuir una señal a múltiples destinos sin la necesidad de equipos de distribución, enrutamiento o de múltiples transmisores, como se muestra en la imagen 8. Una señal AV de un único transmisor, o desde una única salida de una matriz de conmutación se envía a un receptor con capacidad de conexión en cadena. El receptor proporciona una señal en bucle que se envía al siguiente receptor en la conexión en cadena. Esta configuración utiliza una única fibra desde el transmisor o salida de la matriz hasta el primer receptor de la cadena. Una única fibra conecta cada receptor consecutivo en la cadena para un uso eficiente de la infraestructura de fibra. Una configuración de conexión en cadena es ideal para aplicaciones de señalización digital.
En un sistema TDM, la segunda fibra utilizada para comunicaciones bidireccionales está normalmente disponible como bucle para crear una configuración de conexión en cadena, como se muestra en la imagen 9. Como solo hay un flujo de bits, la retransmisión de la señal requiere solo un conversor de E a O. Como alternativa, un sistema WDM transmite múltiples flujos de bits que requieren múltiples conversores ópticos y un multiplexor/demultiplexor WDM adicional para implementar un paso en bucle. Por tanto, un receptor WDM normalmente tiene solo una única conexión de fibra, y no puede conectarse en una configuración de conexión en cadena.
Sistemas seguros
Entre los entornos seguros se encuentra cualquier sistema que gestione información confidencial, como salas de sesión informativa del gobierno y militares, centros de operaciones de emergencia o salas de planificación o presentación de empresa para una tecnología patentada. Muchos de estos sistemas deben acceder a información tanto de fuentes seguras como públicas. Las fuentes seguras se denominan señales “rojas”, mientras que las fuentes públicas se denominan señales “negras”.
Los requisitos detallados para sistemas seguros a menudo están clasificados y no están disponibles para el público, sin embargo, se han desclasificado pautas generales. Los sistemas seguros con fuentes negras deben tener gran cuidado para asegurar que la información roja no se “filtra” a través de la conexión a la fuente negra. Los sistemas rojo y negro deben estar aislados de forma eléctrica el uno del otro. En un sistema basado en el cobre, las señales rojas y negras deben permanecer separadas de forma física. Debido a que los cables de fibra óptica están hechos de vidrio, se prefiere un sistema de fibra óptica ya que proporciona un aislamiento eléctrico casi perfecto entre las señales negras y rojas, vea la imagen 10.
Los sistemas seguros requieren que las señales de fuentes públicas sean unidireccionales. La transmisión de cualquier señal desde un sistema seguro “rojo” a un sistema no seguro “negro” no está permitida. Por ello, se prefieren los sistemas de fibra óptica TDM a los sistemas WDM. Los dispositivos de fibra óptica bidireccionales que utilizan técnicas de WDM están prohibidos para conectar una fuente negra a un sistema rojo.
Conmutación y distribución
Conmutación y distribución activa en sistemas AV
Los sistemas de conmutación utilizados en sistemas AV de fibra óptica utilizan normalmente tecnología OEO (entrada óptica-conmutación eléctrica-salida óptica). La señal óptica se convierte en eléctrica en la entrada del router, conmutador o amplificador de distribución.
Se procesa entonces en la forma eléctrica, y se restablece a una señal óptica en la salida. Los sistemas OEO restablecen el nivel de potencia de transmisión completo en la salida para preservar el margen de pérdida óptica. El uso de tecnología OEO evita las pérdidas que tienen lugar en sistemas OOO (entrada óptica‑conmutación óptica‑salida óptica) que utilizan empalmes pasivos para distribuir las señales ópticas a múltiples destinos, lo que es particularmente importante cuando hay una multidifusión de la señal AV de fibra óptica a varios dispositivos de visualización.
Conmutación y enrutamiento TDM de señales AV de fibra óptica
Los sistemas de conmutación TDM procesan un único flujo de bits serie por cada señal para producir un diseño compacto y eficiente. El sistema de conmutación de longitud de onda única/fibra única realiza una única conversión O a E para cada entrada y una única conversión E a O para cada salida, como se muestra en la imagen 11. La conmutación digital de alta velocidad asegura el rendimiento píxel a píxel para señales de vídeo de alta resolución. La matriz de conmutación también mantiene el formato serie de la señal para simplificar la conmutación y mantener la sincronización correcta.
Mantener el flujo de bits digital serie permite que la conmutación pueda ser independiente del formato de vídeo vinculado, como se muestra en la imagen 12. Esto permite al sistema de distribución soportar una amplia variedad de señales digitales, incluyendo HDMI/DVI, 3G-SDI, USB, RS-232 y otras. Los tipos de señal están definidos por los puntos de destino – el transmisor y el receptor. Las señales digitales serie, como 3G-SDI, son soportadas en su formato nativo, permitiendo entradas y salidas locales.
Las señales bidireccionales se manejan fácilmente utilizando dos fibras, una entrada y salida que se conmutan juntas. Sin embargo, las señales multivía como HDMI, DVI y RGB requieren transmisores y receptores externos para proporcionar entradas y salidas locales. La capacidad de soportar una amplia variedad de señales simplifica la actualización de fuentes y dispositivos de visualización con un mínimo impacto en el sistema de conmutación y enrutamiento.
El diseño eficiente de una matriz de conmutación TDM permite un gran número de entradas y salidas en un pequeño espacio con requisitos de potencia moderados. La FOX Matrix 14400 de Extron mostrada en la imagen 12 proporciona una completa matriz de conmutación de fibra óptica de 144x144 sin restricciones en un chasis de 8U.
Conmutación y enrutamiento WDM de señales AV de fibra óptica
Una matriz de conmutación para señales WDM es más grande y compleja que la utilizada para una señal TDM, como se muestra en la imagen 13. Cada entrada de fibra óptica incluye el circuito receptor WDM completo para convertir la señal óptica en un formato HDMI/DVI. El núcleo del sistema de conmutación soporta el formato multivía de una señal HDMI/DVI que requiere múltiples componentes de conmutación internos paralelos. Cada salida de fibra óptica incluye el circuito transmisor WDM completo para convertir la señal HDMI/DVI de nuevo en una señal óptica. Los recursos de conmutación y el circuito de E/S adicionales hacen que las matrices de conmutación WDM sean grandes, de gran potencia y requieren refrigeración adicional. Debido a que el núcleo del sistema de conmutación soporta señales HDMI/DVI en su formato nativo, se pueden añadir fácilmente entradas y salidas locales a la matriz. El soporte de otro tipo de señales, como 3G‑SDI, requiere conversores externos para cambiar la señal original a una señal DVI/HDMI. Las matrices de conmutación WDM normalmente no soportan señales 3G‑SDI locales.
Tamaño relativo de matrices de conmutación TDM y WDM
Una matriz de conmutación digital de alta velocidad en un sistema TDM funciona eficientemente, normalmente utilizando menos potencia que una matriz de conmutación WDM. El eficiente diseño también permite a una matriz de conmutación TDM ocupar menos espacio de rack. Por ejemplo, el Sistema A de la imagen 14 es una matriz de conmutación de fibra óptica FOX Matrix 14400 de 144x144 de Extron que ocupa 8 unidades de rack. Es compatible con la completa familia de transmisores y receptores de la serie FOX que soportan señales HDMI conforme a HDCP, DVI, 3G-SDI, RGB, vídeo por componentes HD/SD, S-video, vídeo compuesto, USB, audio estéreo y control RS-232. También hay disponible una tarjeta de matriz para proporcionar señales 3G-SDI locales.
El Sistema B de la imagen 14 es una matriz de conmutación WDM de 80x80 que tiene casi el doble de tamaño con 15 unidades de rack, y soporta señales HDMI y DVI conforme a HDCP. Carece de soporte para señales 3G-SDI, vídeo de definición estándar, audio, USB y control, pero proporciona entradas y salidas HDMI y DVI locales. El Sistema C de la imagen 14 es una matriz de conmutación WDM de 144x144 que utiliza 16 unidades de rack, pero solo soporta señales DVI no conforme a HDCP, VGA, vídeo por componentes HD, audio y control RS‑232 unidireccional. Carece de soporte para señales 3G-SDI, vídeo de definición estándar y RS‑232 bidireccional. Como matriz de conmutación WDM, soporta entradas y salidas DVI o VGA locales, pero no HDMI conforme a HDCP. El sistema TDM es el diseño más compacto con soporte completo de tipos de señales AV. El soporte de señales 3G-SDI locales puede proporcionarse en el chasis de la matriz modular. Las entradas y salidas locales para otros tipos de señales se proporcionan con compactos transmisores y receptores. Los sistemas WDM requieren mucho más espacio en el rack para la matriz de conmutación y soportan menos tipos de señal. Por ejemplo, el Sistema B de la imagen 14 utilizaría 30 unidades de espacio de rack para proporcionar los mismos recursos de conmutación que la FOX Matrix 14400. La FOX Matrix necesita mucho menos espacio de rack, incluso con la integración de algunos transmisores y receptores para entradas y salidas HDMI locales.
Resumen
Tanto TDM como WDM son tecnologías comunes implementadas en sistemas AV de fibra óptica. Cada una tiene sus propias y únicas ventajas y retos. La tabla de abajo compara y contrasta las dos tecnologías:
| Comparación de las tecnologías TDM y WDM | ||
|---|---|---|
| TDM | WDM | |
| Hasta 2 km en fibra multimodo | Normalmente 300 m a 400 m | |
| Hasta 12 km en fibra OS2. |
||
| Señalización bidireccional | ||
| Extiende señales HDMI/DVI | ||
| Extiende señales RGB | ||
| Extiende señales 3G-SDI | Requiere conversión | |
| Soporte de HDCP | ||
| Extensión USB | ||
| Capacidad de conexión en cadena | Con paso en bucle | Normalmente no compatible |
| Preferida para sistemas seguros | ||
| Matriz de conmutación de baja potencia | ||
| Matriz de conmutación de E/S de alta densidad | ||
| E/S HDMI/DVI local | ||
| E/S RGB local | Con conversores externos | Conversión de digital a analógico |
| E/S 3G-SDI local | ||
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