MEDIOS DE TRANSMISION 1

Transmision y recepcion de datos simplex via LaserBismar Carrion, Diego Pillaga, Edgar Ramirez,Patricio Siguenza

Abstract—La transmision de datos via laser se esta convier-tiendo en un metodo ultimamente usado debido a sus propiedadescomo baja de atunuacion y dispercion del haz. En este documentose disena un sistema de transmision y recepcion de datos simplexutilizando un laser de 44mW con longitud de onda de 55nmcomo medio de transmision y un optotransistor como dispositivoreceptor. Tales datos son evidados desde un pc hacia otro pcseparados por una distancia de 200m

Index Terms—Laser, optotransistor, wireless, medio de trans-mision, trama

I. INTRODUCCION

U n factor preponderante en el desarrollo humano ha sidosin duda las comunicaciones, actualmente un factor

vital es la comunicación entre computadoras.De manera gen-eral, al referirnos a medios de transmisión entre dispositivoselectrónicos, se realizan de dos formas: alámbrica e inalám-brica. En la transmisión inalámbrica o también llamada mediosno guiados, técnicamente, la atmósfera de la tierra provee elcamino físico de datos para la mayoría de las transmisionesinalámbricas. El medio inalámbrico también es susceptiblea la interferencia, en el caso particular el empleo de altasfrecuencias y/o alta potencia por parte del emisor que estábasado en el led laser, permite que el medio atenúe poco laseñal sin llegar a ser un gran inconveniente al momento derecibir.

Investigadores del Karlsruhe Institute of Technology enAlemania alcanzaron una velocidad de transferencia de infor-mación vía láser de 26 terabits por segundo, una marca quehasta ahora no se había logrado. Para llegar a esta rapidez detransferencia, el profesor Wolfgand Freude explicó a la BBCde Londres que utilizaron diferentes ondas de colores, éstasinteractúan entre sí para crear un abanico de alrededor de 325tonalidades diferentes. Cada color tiene su propia secuencia dedatos, así que a mayor diversidad, hay una mayor oportunidadde flujo de información en cuanto el láser se refiere. Antes sehabían hecho pruebas con mucho menos colores, por lo quelas velocidades alcanzadas eran de alrededor de 10 terabits porsegundo.[1]

II. MARCO TEORICO

La palabra laser proviene de las siglas en inglés para “LightAmplification by the Stimulated Emission of Radiation”, que

Carrion Torres Bismar Orlando, Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca-Ecuador e-mail: bcarrion@est.ups.edu.ec.

Pillaga Loja Diego Esteban, Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca-Ecuador e-mail:dpillaga@est.ups.edu.ec.

Ramirez Obando Edgar Yamid , Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca-Ecuador e-mail: eramirez@est.ups.edu.ec.

Siguenza Barros Edgar Patricio, Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca-Ecuador e-mail:esiguenza@est.ups.edu.ec.

en español seria, “amplificación de la luz por emisión es-timulada de radiación”. El láser típicamente consiste en undispositivo semiconductor que produce radiación, en la quetodas las ondas poseen la misma frecuencia y fase, a lo quese le llama radiación coherente. Cuando pasa la corrienteeléctrica a través de ella, ésta radiación es emitida en formade infrarrojo, por lo tanto, se encuentra en el espectro delo visible al ojo humano. Otra de sus características radicaen que el haz de luz que emite un láser no se dispersa,característica que se llama direccionalidad [2]. La radiaciónláser se caracteriza por una serie de propiedades, diferentesde cualquier otra fuente de radiación electromagnética, comoson: Monocromaticidad: emite una radiación electromagnéticade una sola longitud de onda, en oposición a las fuentesconvencionales como las lámparas incandescentes (bombillascomunes) que emiten en un rango más amplio, entre el visibley el infrarrojo [3]. Coherencia espacial o direccionalidad: laradiación láser tiene una divergencia muy pequeña, es decir,puede ser proyectado a largas distancias sin que el haz seabra o disemine la misma cantidad de energía en un áreamayor [3]. Coherencia temporal: La luz láser se transmite demodo paralelo en una única dirección debido a su naturalezade radiación estimulada, al estar constituido el haz láser conrayos de la misma fase, frecuencia y amplitud [3].

Figure 1. Comparación entre la emisión de luz de una bombilla incandescentey el laser

A. Tipos de lasers

Existen numerosos tipos de láseres que se pueden clasificarde muy diversas formas siendo la más común la que se refierea su medio activo o conjunto de átomos o moléculas quepueden excitarse de manera que se crea una situación de in-versión de población obteniéndose radiación electromagnéticamediante emisión estimulada. Este medio puede encontrarse encualquier estado de la materia: sólido, líquido, gas o plasma

1) Láser gaseoso: Este tipo de láser se caracteriza por tenercomo medio activo un gas atómico, iónico o molecular con el

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conjunto idóneo de niveles de energía. La estructura del nivelde energía de un gas de baja densidad se aproxima a la deun átomo aislado con transiciones entre niveles individuales oquizá en algunos grupos de niveles muy próximos entre sí [4].

2) El láser de HeNe: El láser de HeNe fue el segundosistema en funcionamiento demostrado, pero fue el primerláser gaseoso en funcionar y también fue el primero enproducir un haz de salida continuo, es de uso común porejem., óptica general, holografía, topografía y procesamientode imágenes [4].

3) El láser de iones de argón: A diferencia del láser deHeNe, en el que el efecto láser se lleva a cabo en especieatómica, el medio activo en el láser de argón es un plasmade iones excitados. Se crea una descarga eléctrica en un tuboestrecho de argón gaseoso. Primero se ionizan los átomos delargón y luego son excitados por colisiones múltiples con loselectrones en sus niveles de energía superiores [4].

4) El láser de bióxido de carbono: El tercer láser gaseosoque se analiza es fundamentalmente distinto a los otros dos.Los niveles de energía importantes se obtienen no por ladistribución de los electrones, sino que se deben al movimientooscilatorio de toda la molécula de carbono en sí. Esta moléculapuede representarse como un arreglo lineal de átomos O-C-Oque vibran cada uno con respecto a los demás [4].

5) Láser semiconductor: El láser semiconductor es enmuchos sentidos la última fuente optoelectrónica. Al propor-cionar alta potencia en un pequeño paquete a bajo costo, eldiodo láser (para llamarlo por su nombre alternativo) se haconvertido en la fuente normal de las comunicaciones ópticasy de aplicaciones de almacenamiento de alta densidad comoel disco óptico. Para apreciar por completo su operación,es necesario estudiar algo de los principios básicos de lossemiconductores, ya que se aplican a los diodos láser [4]

B. Comunicación por medio del láser en la actualidad

Uno de los inconvenientes de la transmisión de datos através de tecnologías de alta velocidad o banda ancha es lanecesidad de cablear ya que el principal medio de transportede la información es la fibra óptica. Ante esta problemática enlos últimos cinco años han surgido un sinfín de tecnologías detransmisión inalámbrica (WAP, GPS, UMTS Bluetooth, etc.)que culminan en una tecnología de la que hasta ahora casino se ha oído hablar: Free-Space Optic (FSO); una tecnologíasofisticada y revolucionaria que utiliza el láser como medioaéreo de transmisión de la información. Aunque se estánrealizando las primeras instalaciones, los analistas estimanun volumen de mercado de entre 2.000 y 4.000 millonesde dólares para 2005, lo que supone un crecimiento cercanoal 85%. Esta novedosa tecnología permite la transmisiónde datos, vídeos o sonidos con gran capacidad de bandaancha a través de sistemas basados en tecnología óptica enespacio libre. Entre sus principales ventajas, junto al ahorrode tiempo y dinero que implica la no necesidad de instalarcables, hay que destacar que FSO tampoco requiere ningúntipo de licencia -como sería el caso de la radiofrecuencia- loque permite a empresas, operadores de telecomunicaciones yproveedores de servicios aprovechar al máximo sus conexiones

de red [6]. Según un artículo de la revista Nature Photonics,investigadores del Karlsruhe Institute of Technology en Ale-mania (dirigidos por el académico Wolfang Freude), lograrontransmitir datos a la increíble velocidad de 26 terabits porsegundo. Para lograrlo, utilizaron un sólo rayo láser y la teoríaconocida como “transformada rápida de Fourier”, un trucodesarrollado por el físico alemán Jürg Leuthold que le permitióal dispositivo utilizado, discriminar entre más de 300 coloresdiferentes dentro del haz de luz enviado a través de una fibraóptica, cada uno de ellos transportando una parte significativade información [7].

III. SISTEMA DE TRANSMISION

El sistema de transmision de datos consiste tanto en hard-ware como en software, el hardware esta compuesto porun microcontrolador pic 18f2550 el cual soporta conexionUSB(Universal Serial Bus) mediante el cual se realiza lacomunicacion hacia la la PC, el software por el cual se generalos datos a enviar es Labview, para la conmutacion del Laserse usa un mosfet IRF510 de canal n entre las principalescaracteristicas es la alta impedancia gate-source y sobre todolos tiempo de conmutacion que esta en el orden de los 20 nscosa que no se puede lograr con un transistor bipolar

A. Diseño del Hardware

Ademas de tener los componentes mencionados anteri-ormente, tambien contiene componentes como osciladores,resistencias, capacitores, conectores, etc. Un punto importantesa tener mucho en cuenta es la fuente de alimentacion dellaser, por recomendacion se debe usar las mismas baterias,caso contrario si se usa una fuente CD, el laser tiende a sufrirdaños irreversibles

Figure 2. Laser utilisado

El circuito esquematico se muestra en la siguiente figura:Mediante el software de simulacion “Proteus” se simulo el

circuito exitosamente y ademas se genera el respectivo PCBcon una previsualizacion en 3D

B. Diseño del Software

El software del transmisor contiene 2 partes, la primera es eldiseño en labview, el cual principalmente esta constituido porla comunicacion unidireccional USB pc-pic y la conversionde datos string-ascii-binario. La otra parte es la programacion

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Figure 3. Circuito esquematico del transmisor

Figure 4. PCB del circuito transmisor

del microprocesador pic18f2550 el cual tiene como objetivola recepcion del mensaje (7 bytes) y la conmutacion dellaser por medio del puerto B.0. Ademas agrega 5 bits decabecera(“11100”) y 5 bits de flag(“00111”) al inincio y finalde la trama logrando tener un total de 66 bits, el tiempo detrama es de 30.03 mseg, y el tiempo de bit de 0.455ms, estosvalores fueron establecidos en base a las caracteristicas fisicasde los elementos usados y sobre todo el requerimiento de latransmision.

La longitud maxima del mensaje es de 7 caracteres estospueden ser letras, simbolos, numeros, cualquier caracter que

Figure 5. Visualizacion 3D del circuito transmisor

tenga su correspondiente valor ascci, si se escribe mas de 7caracteres envia solo los primero 7, y si se escribe menos,entonces se hace un padding con espacios(valor 32 en ascii )

Figure 6. Front panel en labview del transmisor

Figure 7. Block diagram en labview del transmisor

IV. SISTEMA DE RECEPCION

El sistema de recepcion de datos consiste al igual queel transmisor en hardware como software, el hardware estacompuesto por un optotransistor(ver figura tal) el cual conmutasegun la precesnsia de luz sobre su superficie, al igual que elmosfet, el tiempo de conmutacion esta sobre los 20 a 50 ns,el cual hace idoneo la recepcion. El problema al utilizar esteoptotrancistor es el area de recepcion de la luz el cual tieneun radio de 2.2mm lo que dificulta la sincronizacion con elhaz del laser.

Figure 8. Optotransistor

A. Diseño del HardwareAl igual que en el transmisor, el hardware del receptor con-

tiene un microcontrolador pic18f2550 para la comunicacionUSB pic-pc, ademas hay que tomar en cuenta que la señalllega invertida debido a la configuracion del optotransistor, espor ello que por software se puede corregir.

El circuito esquematico se muestra en la siguiente figura:

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Figure 9. Circuito esquematico del receptor

Figure 10. PCB del circuito receptor

B. Diseño del Software

Del mismo mode que en el transmisor, el software contiene2 partes, la primera es el diseño en labview, el cual princi-palmente esta constituido por la comunicacion unidireccionalUSB pic-pc y la conversion de datos binario-ascii-string.La segunda parte es la programacion del microprocesadorpic18f2550 el cual tiene como objetivo la recepcion de la tramadel mensaje y la sincronizacion del mismo. La sincronizacionse logra al comparar un segmento(5 bits) de la trama de datoscon la cabecera, si 5 bits de la trama coincide con la trama dela cabecera, entonces los 7bytes siguientes son de datos, y los5 bits finales de flag sirve para indicar que la trama finalizo.

Figure 11. Visualizacion 3D del circuito receptor

Figure 12. Front panel de labview del receptor

Figure 13. Block Diagram en labview del receptor

V. RESULTADOS

Los resultados que se obtubieron en la transmision dedatos fueron los esperados, es decir el receptor sincronisoperfectamente la trama, los datos en el transmisor y receptorfueron los mismos siempre y cuando exista LOS. Por el otrolado si el LOS estaba en un 50% o 40% tambien se recibiasin problemas, aun a travez de la existencia de lluvias no senoto visualmente retardos o perdidas grandes. Se probo a unadistancia maxima de 350m, el problema es la fijacion tantodel transmisor como el receptor sobre una base fija, para elloel uso de un tripode resulta bastante util.

El problema que se noto es que en funcion de la distanciael haz de luz se dispersa hasta llegar a un punto donde laintensidad de luz esta bajo el nivel de umbralizacion deloptotransistor dejandole inutil para la conmutacion

VI. CONCLUSIONES

Como conclusion se puede decir que la transmision de datospor laser puede realizarce a largas distancias con linea devista(LOS) y aun sin el 100% del LOS se puede recoperar latrama, con un 10% a 40% del LOS, la trama recibida empiesa asufrir alteraciones, una posible solucion a este problema puedeser el uso de codificadores/decodificadores de canal comocodificacion convolucional para la deteccion y correccion deerrores

REFERENCES

[1] http://www.parentesis.com/noticias/ciencias/Nuevo_record_en_transferencia_de_datos_via_laser

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[2] http://www.misrespuestas.com/que-es-un-laser.html[3] http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Laser/Laser.php[4] http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/UNIDAD5TEMA4.PDF[5] http://www.sl-laser.com/es/productos/71-laserklassen.html[6] http://www.idg.es/computerworld/noticia.asp?id=21876[7] http://www.wificlub.org/noticias/