Instrumentación para medir la calidad de enlaces ópticos: medidores de BER

Martes, 18 Agosto 2009

Para medir la calidad de los enlaces de comunicaciones ópticas se requiere habitualmente instrumentación de altas prestaciones. En este artículo nos centraremos en el procedimiento de medida de la tasa de error (BER) y presentaremos algunos equipos disponibles comercialmente.

Día tras día los sistemas de comunicaciones ópticas aumentan su alcance y capacidad. Actualmente se ha dado ya el paso a los primeros sistemas comerciales de 40 Gbit/s, si bien se han demostrado en diferentes trials transmisiones de 160 Gbit/s por canal e incluso superiores. Para poder medir la calidad de señales de alta velocidad se necesita toda una serie de instrumentación de altas prestaciones, la cual supone un desembolso económico importante. Se trata de equipos de laboratorio, entre los que se encuentran: osciloscopios ópticos digitales, generadores de PRBS y medidores de tasa de error, analizadores de espectro ópticos, autocorreladores de pulsos, analizadores de trama y de protocolo, etc. En este artículo nos centraremos en los medidores de BER y los fundamentos asociados a la medida.

Medidores de tasa de error
Los medidores de tasa de error se utilizan básicamente para determinar el parámetro de BER de un enlace de comunicaciones ópticas. Para realizar esta medida se inyecta en el transmisor óptico una secuencia pseudoaleatoria o PRBS y posteriormente se mide en el receptor óptico el número de errores que se han producido en el sistema. A día de hoy, estos equipos alcanzan tasas de bit de 40 Gbit/s y suelen disponer de interfaces ópticos de entrada/salida, pues se comercializa una solución completa que incluye toda una serie de dispositivos tales como un generador de PRBS electrónico, un medidor de tasa de error electrónico, un transmisor óptico compuesto de láser y modulador externo, mux/demuxes, un receptor óptico, un circuito de recuperación de reloj, etc.
En el mercado se pueden encontrar opciones de múltiples fabricantes.

Las figuras 1 y 2 muestran sendos ejemplos de este tipo de instrumentación. El primero de ellos es el ParBERT 45G de Agilent, que permite la generación de señales OC-768 (40 Gbit/s) y medición de BER sobre sistemas y dispositivos ópticos en general. Se trata de una plataforma de gran flexibilidad que puede configurarse vía software para cualquier necesidad de medida específica. Entre las novedades, incluye la generación de señales NRZ, RZ y RZ-CS, ejecutar medidas de bucles recirculantes mediante ráfagas de señal, configuración de umbrales y puntos de muestreo, recuperación de reloj de los datos, etc. Por otro lado, el segundo equipo es el SHF 50G BERT. Se trata de una solución compacta y escalable, también configurable por software, que permite ir incorporando módulos según necesidades (tx/rx ópticos, recuperación de reloj, etc.). Proporciona tasas de bit desde 6 hasta 50 Gbit/s con un bajo jitter (< 500 fs). Como novedad, tiene la posibilidad de incluir un receptor óptico DPSK. Adicionalmente, y sin entrar en detalle, se recomienda consultar también los sistemas de test a 48 Gbit/s de Anritsu (modelo ME7780A) y de Rohde & Schwarz (modelo D3691/D3692/D3693), con capacidades y prestaciones similares a los anteriormente comentados.

Fundamentos de la medida de BER
Los errores de bit son el resultado de decisiones incorrectas del circuito receptor debido a la presencia de ruido en la señal digital. Considerando una modulación óptica de intensidad de dos niveles (OOK, on-off keying) y ruido gaussiano, la tasa de error (BER)

se define como:

donde el significado de cada una de las variables se representa de forma esquemática en la figura 3.
El umbral de decisión óptimo es aquel que proporciona la mínima BER,

dada por:

donde Q representa una medida de la calidad de la señal, el cual se define como:

A este factor Q se le conoce habitualmente como relación señal a ruido (SNR) en unidades de tensión o corriente. En realidad, puede definirse incluso cuando el ruido no es gaussiano, si bien en el primer caso existe una relación directa entre BER y Q.
Tradicionalmente, la BER se mide en función de la SNR. Este es el caso de sistemas inalámbricos o de cable coaxial, donde las contribuciones dominantes de ruido pueden no encontrarse en el receptor (ruidos de fuente o de canal) y habitualmente la SNR es proporcional a Q. En cambio, en el caso de sistemas ópticos la BER se mide en función de la potencia óptica media recibida o Prec. Suponiendo que el ruido dominante es el térmico del receptor y que la relación de extinción de la señal digital es alta, entonces se cumple que el factor Q es proporcional a Prec y que la SNR en dB es proporcional a Prec en dBm.
Las medidas de BER comienzan con la configuración “back-to-back”, mediante la cual se consigue caracterizar la calidad del dispositivo receptor de forma independiente. Para ello, se conecta el transmisor directamente con el receptor a través de un atenuador óptico variable, tal y como se representa en la figura 4(a). De este modo, y dado que la calidad de la señal transmitida es lo suficientemente buena, las medidas de BER se refieren a las prestaciones del receptor óptico únicamente. Para cada valor de atenuación óptica (que se corresponde con un valor de Prec), se ajusta el umbral de decisión óptimo y se mide la BER. La sensibilidad del receptor se define como aquel valor de Prec para el que se obtiene una BER de 10-9, 10-10 ó 10-12. A continuación se inserta el sistema bajo test, figura 4(b), y se repiten las medidas. Si el sistema añade ruido o cualquier tipo de degradación que modifique la señal, entonces dichos efectos se reflejarán en la curva de BER. Conviene indicar que cualquier tipo de atenuación del sistema no degradará la BER por sí misma, pues la BER se representa en función de Prec. Sin embargo, una atenuación seguida de un proceso que añada ruido (por ejemplo, un amplificador óptico) provocará una reducción del factor Q y por lo tanto un aumento de la tasa de error. Es decir, una degradación de la curva de BER.

Tipos de degradaciones

En general, los resultados de BER resultan de gran ayuda para determinar el tipo de degradación que ocurre en el sistema e identificar su origen físico. A continuación comentaremos algunos ejemplos. La relación de extinción (extintion ratio, ER) de una señal OOK óptica se define como el cociente entre las potencias ópticas medias de los niveles ‘1’ y ‘0’. En el caso ideal, ésta es igual a infinito, pues la potencia del nivel ‘0’ debe ser nula. La degradación de la ER se manifiesta en la curva de BER como un desplazamiento de la misma hacia potencias mayores, como muestra la figura 5(a). En este caso, la penalización de potencia definida como la degradación en dB de la sensibilidad del receptor puede calcularse mediante:

donde r = P0/P1, siendo P0 y P1 las potencias ópticas medias de los niveles ‘0’ y ‘1’, respectivamente. Por ejemplo, para una ER dada por r = 0,1 (10 dB), se tiene una penalización de potencia de 0,87 dB.
De igual modo, el ruido ASE de los amplificadores ópticos de un enlace también contribuye a degradar las curvas de BER. Por una parte, la potencia media de ruido ASE produce un aumento del nivel ‘0’, resultando en una degradación de la ER y en un desplazamiento de la curva de BER. Por otra parte, este ruido ASE degrada el diagrama de ojos, por lo que un aumento de la potencia óptica recibida no mejora la calidad de la señal. El resultado es la aparición de una BER de fondo por debajo de la cual no se puede bajar. Este efecto aparece reflejado en la figura 5(b).

Por último, la interferencia entre símbolos (ISI) también causa una egradación de la BER (penalización de potencia y/o aparición de fondo de BER). Ésta puede deberse a múltiples causas (dispersión cromática, no linealidades, etc.), si bien el análisis de las curvas de BER no es suficiente para identificar la naturaleza del problema y se requieren otro tipo de medidas tales como diagramas de ojos. En este caso, la ISI puede identificarse por medio de la dependencia de la curva de BER con el patrón de la PRBS. Para ello, se deberían hacer medidas comparativas con patrones de PRBS desde 27 - 1 hasta 231 - 1, e incluso con el patrón “0101 ...”.

Validez de las medidas
Dado que la BER posee un claro componente estadístico, se necesita asegurar una cierta confianza en las medidas. Como estimador estadístico se puede utilizar la siguiente expresión:
donde ne es el número de errores y Nb es el número total de bits (suficientemente grande). Suponiendo errores independientes, la distribución estadística es binomial. Con estos datos, para asegurar un nivel de confianza del 95% se necesita observar un total de 100 errores. Esto equivale a unos 3 segundos a 40 Gbit/s para 1011 bits (BER = 10-9) y unas 7 horas para 1015 bits (BER = 10-12).
Pero desafortunadamente algunos sistemas presentan errores correlados, siendo el caso más usual la aparición de ráfagas de errores provocadas por algún tipo de fluctuación externa. Es decir, se observa una tasa de error bastante baja durante un largo período de tiempo y de repente aumenta considerablemente como resultado de una ráfaga de errores. En estos casos, para que los resultados de las medidas sean razonables, se debe intentar independizar la causa de dicha ráfaga y medir la BER en el período sin ráfagas. O por el contrario, tomar un intervalo de tiempo suficientemente grande como para que incluya un número significativo de ráfagas de errores, desde un punto de vista estadístico. Para este fin, los equipos de medida suelen disponer de contadores de intervalos de errores, desde un punto de vista estadístico. Para este fin, los equipos de medida suelen disponer de contadores de intervalos de errores que ayudan en esta tarea.
En resumen, las medidas de BER requieren un proceso metódico que asegure. Afortunadamente, los equipos de medida actuales ofrecen una gran versatilidad y un gran número de opciones e interfaces de conexión tanto eléctricos como ópticos, facilitando las tareas de diseño y supervisión de los sistemas y redes de comunicaciones ópticas.