DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un sistema de telecomunicaciones mediante multiplexación espacial de canales ópticos, que emplea la modulación óptica espacial conexa (OSCM, utilizando las siglas de su traducción al inglés, “Optical Space Connected Modulation”), para establecer enlaces de telecomunicaciones ópticos aéreos.

Caracteriza a la presente invención la arquitectura de los sistemas emisores y receptores para obtener un diseño que permita una eficiencia energética por bit transmitido y capacidades en bit/seg superiores a las actuales en enlaces de telecomunicaciones ópticos. La modulación en estos sistema se producen por medio de los píxeles de un modulador espacial óptico que puede ser una pantalla, un proyector, una válvula espacial óptica (SLV, utilizando las siglas de su traducción al inglés, “Spatial Light Valve”), una válvula espacial óptica de difracción (GLV, utilizando las siglas de su traducción al inglés, “Grating Light Valve”), un conjunto de fuentes de luz (cada fuente de luz sería equivalente a un pixel), u otros dispositivos que dispongan de píxeles en una configuración espacial, en el que se modulan los símbolos que se transmiten en el enlace.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los sistemas de telecomunicaciones ópticos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los enlaces de telecomunicaciones ópticos que se utilizan en la actualidad, la fuente de luz que emite la luz que transporta la información se sitúa en el foco de un sistema óptico emisor. Y el fotodetector que recibe la luz y la transforma en una señal eléctrica de la que se extrae la información se sitúa en el foco del sistema óptico receptor. Como tanto la fuente de luz en el emisor, como el fotodetector se sitúan en los focos, que son puntos únicos, y por lo tanto sólo puede haber una fuente de luz y un fotodetector si solo hay un sistema óptico emisor y receptor.

La capacidad de los sistemas de telecomunicaciones viene dada por la fórmula de Shannon. Hartley que indica que la capacidad del canal C es:

C = B x log ₂ (l + ^S / _N ) donde:

• B es el ancho de banda del canal en Hertzios.

• C es la capacidad del canal (tasa de bits de información bit/s)

• S es la potencia de la señal eléctrica en el receptor una vez realizada la demodulación, que puede estar expresada en vatios, m ilivatios, etc., (W, mW, etc.)

• N es la potencia del ruido que se suma a la señal eléctrica en el receptor, expresada en las mismas unidades que la potencia de la señal, S, causada por fenómenos físicos en el emisor, canal y receptor.

Para aumentar la capacidad de un enlace de telecomunicaciones hay dos vías fundamentales, aumentar B, y hacer un múltiplex de vahos canales que envíen información en paralelo. El ancho de banda disponible en el canal, B, depende de la geometría, del material del que está hecho el canal y de la velocidad de los relojes de los circuitos electrónicos, se ha avanzado mucho en la mejora de estos factores para obtener valores de B más elevados pero el esfuerzo necesario para avanzar más por esa vía es cada vez mayor. Hacer múltiplex de un número de canales muy grande multiplicando el número de los sistemas necesarios por el número de canales es una solución mucho menos escalable que la solución que se propone mediante esta invención. El objeto de la presente invención es desarrollar un sistema de telecomunicaciones de múltiples canales ópticos donde haya múltiples emisores y múltiples receptores utilizando una óptica común a todos los canales, de forma que establecer un múltiplex de canales ópticos sea más más escalable que mediante las soluciones actuales y que presenta las características que a continuación se describe en la “Descripción de la Invención” y queda recogidas en su esencialidad en la reivindicación primera.

Se ha realizado una búsqueda de posibles anterioridades. Lo más próximo que se ha encontrado es un artículo “A Pixelated MIMO Wireless Optical Communication System” en la revista IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol 12, n°4, Julio/Agosto 2026. Las diferencias fundamentales con la presente invención es que el citado artículo no contempla ninguna óptica en el sistema emisor que es un elemento clave de los sistemas OSCM, como queda recogido en la primera reivindicación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un sistema de telecomunicaciones mediante multiplexación espacial, es decir, en el espacio, de canales ópticos. Los moduladores/demoduladores ópticos modulan/demodulan la luz de cada canal del múltiplex de canales en distintos puntos del espacio que se llaman píxeles. El sistema comprende un emisor y un receptor ambos del tipo OSCM al tener moduladores y demoduladores que tienen píxeles.

La transmisión de la información se realiza mediante una generación de una imagen óptica del modulador espacial del emisor sobre una matriz de fotodetectores, parecida a un sensor de imagen pero con menos píxeles y más rápida, situados en el receptor. Para ello se utiliza un sistema óptico similar a un telescopio con un sistema óptico que hace de objetivo y puede haber otro sistema óptico haciendo la función de ocular. En los fotodetectores del receptor, con la imagen del modulador espacial formada sobre ellos, se detectan los cambios producidos por la modulación de la luz en cada uno de los píxeles del modulador espacial del emisor y esto permite extraer la información.

A los enlaces OSCM se los denomina “conexos” porque la radiación emitida por cada uno de los canales presentes en el enlace puede llegar a superponerse con la de otros canales en su viaje desde el emisor hasta el receptor, formando superficies bidimensionales “conectadas” al observar la distribución de potencia de cada canal en las secciones transversales a la propagación de la información, siendo, sin embargo, posible recuperar la información. A estas superficies las denominamos “superficies de energía del múltiplex OSCM”.

El sistema de telecomunicaciones objeto de la invención comprende:

• Un sistema emisor OSCM que contiene: o Un puerto de entrada de datos al enlace OSCM que recibe los bits a transmitir. o Un sistema modulador OSCM, que dispone de:

■ Un sistema procesador, que recibe los bits del controlador del puerto de entrada de datos al enlace, mapea los bits a símbolos y genera las señales eléctricas necesarias para producir el símbolo apropiado al pasar la luz por la pantalla.

■ El modulador espacial en la que se modulan los símbolos que hay que transmitir. o Una fuente de luz genérica que genera un haz de luz que, al atravesar la pantalla en cuyos píxeles se van modulando cada uno de los canales, se generan los símbolos a transmitir la señal óptica resultante. o Un sistema óptico emisor cuya función es maxim izar la potencia de señal en el múltiplex de canales ópticos modulados OSCM al sistema receptor OSCM. Puede consistir en un sistema con lentes, espejos, sistemas de prismas, redes de difracción limitadores de apertura numérica, diafragmas o difusores, o por combinaciones de ellos.

• Un canal de comunicación.

• Un sistema receptor OSCM que contiene: o Un sistema óptico receptor cuya función es, crear la imagen de la pantalla del sistema modulador OSCM sobre el sensor de imágenes del sistema demodulador OSCM. Puede consistir en un sistema con lentes, espejos, sistemas de prismas, redes de difracción, limitadores de apertura numérica, diafragmas o difusores, o por combinaciones de ellos. o Un sistema demodulador OSCM, que dispone de:

■ Un sensor de imágenes que recibe la señal óptica, y extrae los símbolos de la comunicación en señales eléctricas que se envían a un sistema procesador.

■ Un sistema procesador, que recibe señales eléctricas del sensor de imágenes al recibirse en una secuencia temporal cada uno de los símbolos, y des-mapea dichos símbolos a bits que son entregados al controlador del puerto de salida de datos del enlace OSCM.

El motivo por el que se propone esta arquitectura de enlaces OSCM es porque la capacidad de los canales OSCM es:

Frente a la fórmula de capacidad de Shannon-Hartley mencionada anteriormente en los “Antecedentes de la Invención”, la fórmula de OSCM proporciona beneficios claros al aumento de potencia de la señal frente a la fórmula de Shannon-Hartley donde la potencia de la señal está dentro de un logaritmo y los aumentos de potencia de señal no se reflejan en aumentos de capacidad de una forma lineal. Este aumento de la capacidad de los enlaces de comunicaciones es la necesidad que satisface la invención. Con la técnica OSCM es consumo de energía por bit transmitido es óptimo. La ecuación de capacidad de OSCM lineal con ( JV) ^cuan d° ^e l número de canales del múltiplex OSCM, M, cumple que M » Esto se consigue aumentando el número de píxeles en el modulador del emisor y el número de fotodiodos en el receptor. Conseguir un número M » enlaces OSCM aéreos es sencillo porque consistirá en aumentar el número de píxeles en el moduladores espacial del emisor y el número de fotodetectores del receptor. Y formar la imagen del modulador espacial del emisor sobre los fotodetectores del receptor.

En el estado de la técnica cuando se emplean canales aéreos para la transmisión óptica de información debe haber una alineación perfecta, hecho que limita su uso, sin embargo, con el sistema OSCM propuesto no es necesario que haya un alineamiento perfecto, sino que basta con un apuntamiento. El alineamiento requerido en los sistemas de telecomunicaciones ópticos aéreos actuales se produce al situar los focos de los sistemas ópticos emisores y receptores y los centros de ambos sistemas ópticos sobre una única línea, es una condición muy estricta. El apuntamiento sin embargo se refiere a que los sistemas ópticos tienen un campo de visión que es el ángulo máximo de incidencia de los rayos de luz que impactan en la matriz de fotodetectores del receptor, cuanto mayor sea el campo de visión más se podrá mover el receptor respecto del emisor sin perder la formación de la imagen del modulador espacial sobre la matriz de fotodetectores del receptor, siendo por lo tanto capaces de transmitir información, la condición de apuntamiento es por lo tanto menos estricta.

En los enlaces OSCM se trata de que la radiación de cada pixel del modulador espacial se reciba sobre la matriz de fotodetectores del receptor en conjuntos de píxeles que sean distintos para cada pixel emisor. Estableciéndose un múltiplex de canales OSCM.

El número máximo de canales de un múltiplex OSCM si hay N píxeles emitiendo y M recibiendo, es el valor mínimo del par (M, N). Normalmente interesa tener más píxeles en la recepción porque en la formación de imágenes, el tamaño de las mismas no se puede ajustar arbitrariamente, depende de la física, y entonces es muy difícil que se genere la imagen de cada pixel del modulador espacial en un único pixel en el receptor.

Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.

A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.

EXPLICACION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.

En la figura 1 , podemos observar un esquema general del sistema de telecomunicaciones mediante multiplexación espacial de canales ópticos de acuerdo a la invención. En la figura 2, podemos observar un esquema de los sistemas ópticos emisores y receptores y la señal óptica portadora de la información transmitida desde el sistema óptico emisor al sistema óptico receptor.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.

En la figura 1 podemos observar el sistema de telecomunicaciones objeto de la invención y que comprende:

• Un sistema emisor (1 ) OSCM que comprende: o Un puerto de entrada de datos (3) al sistema emisor (1 ) OSCM que recibe unos bits a transmitir. o Un sistema modulador (4) OSCM, que comprende:

■ Un sistema procesador (5), que recibe los bits a transmitir de un controlador (6) conectado al puerto de entrada de datos (3) al enlace, encargado de mapear los bits a símbolos y generar unas señales eléctricas necesarias para producir el símbolo apropiado.

■ Un modulador espacial (7) provistos de una señe de pixeles en los que se modulan los símbolos que hay que transmitir. o Una fuente de luz genérica (8) que genera un haz de luz (9) que al atravesar los pixeles del modulador espacial (7) se va a producir una modulación de cada uno de los canales, generándose los símbolos a transmitir. o Un sistema óptico emisor (10) cuya función es maximizar la potencia de señal en el múltiplex de canales ópticos modulados OSCM al sistema receptor (2) OSCM; y, en algunos casos, difractar la luz antes de ¡luminar la pantalla de manera que cada pixel sea iluminado y module longitudes de onda distintas. Puede consistir en un sistema con lentes, espejos, sistemas de prismas, redes de difracción, limitadores de apertura numérica, diafragmas o difusores, o por combinaciones de ellos.

• Un canal de comunicación (11 ) que puede ser aéreo o con guía de ondas.

• Un sistema receptor (2) OSCM que contiene: o Un sistema óptico receptor (12) cuya función es, crear una imagen del modulador espacial (7) OSCM sobre un sensor de imágenes (13); o, en caso de que en el sistema óptico emisor se haya utilizado una técnica de difracción, difractar la señal luminosa recibida para proyectarla sobre el sensor de imágenes (13) de forma ordenada en función de sus longitudes de onda. Puede consistir en un sistema con lentes, espejos, sistemas de prismas, redes de difracción, limitadores de apertura numérica, diafragmas o difusores, o por combinaciones de ellos. o Un sistema demodulador (14) OSCM, que comprende:

■ El sensor de imágenes (13) que recibe la señal óptica del sistema óptico receptor (12), y extrae los símbolos de la comunicación en señales eléctricas que se envían a un sistema procesador (15).

■ El sistema procesador (15) está diseñado para recibir las señales eléctricas del sensor de imágenes (13) en una secuencia temporal cada uno de los símbolos, y produce un proceso de des- mapeado de dichos símbolos a bits que son entregados a un controlador (16) de un puerto de salida (17) de datos del sistema receptor (2) OSCM.

En la figura 2 se muestra una óptica condensadora en el sistema óptico emisor proyecta la luz hacia el sistema óptico receptor, para que este forme una imagen de los píxeles del sistema emisor modulados sobre una matriz de fotodetectores, y así hacer efectiva la comunicación. Los elementos de la figura son:

• Un par de píxeles modulados con la señal de información (18) y (19). Podrá haber más píxeles, pero solo se representan dos por claridad de la figura. Los píxeles se sitúan más próximos a las lentes (21 ) que su punto focal para que el haz se habrá y no viaje de emisor a receptor completamente colimado. • Los haces viajan desde los píxeles modulados (18) y (19) experimentado un mayor ángulo de apertura a la salida de la fuente y disminuyendo este a su paso por las lentes (21 ).

• Un sistema óptico emisor que consta de una óptica condensadora mediante la utilización de sistemas ópticos convergentes (21 ), que pueden estar formado por uno o vahos componentes, espejos, lentes, ...

• Un sistema óptico receptor que es un sistema óptico convergente (22), que puede estar formado por uno o vahos componentes, espejos, lentes, ... ; y que tiene como función formar una imagen de los píxeles modulados (18) y (19) sobre el sensor de imágenes (23).

• La imagen del pixel (18) sobre el sensor de imágenes es (24). Lo que se transmite en (18) se recibe en (24).

• La imagen del pixel (19) sobre el sensor de imágenes el (25). Lo que se transmite en (18) se recibe en (25).