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Fibras Ópticas

Capítulo 1: Descripción de la Fibra Óptica y los equipos Ópticos.

Técnico en Telecomunicaciones.Escuela de Informática y Telecomunicaciones.

Duoc UC sede Antonio Varas.

CONCEPTOS GENERALES

FIBRA ÓPTICA

• Medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos.

• Hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que puede ser posible enviar pulsos de luz.

• Dichos pulsos de luz representan la información a transmitir a través de datos en los sistemas de comunicaciones.

CONCEPTOS GENERALES

COMPOSICIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICA

• Nucleo (core): estructura por donde viaja la luz.

• Revestimiento (cladding): estructura que permite que la luz no salga del núcleo y se propague con la menor perdida posible hacia el exterior.

• Fibras protectoras (buffer): primera capa de protección de la fibra.

• Cubierta (jacket): Capa fundamental de protección de la fibra

CONCEPTOS GENERALES

CONCEPTO Y MEDIDA DE LA INFORMACIÓN

• Información corresponde a un conocimiento especifico o dato de interés.

• Mensaje es una materialización de la información.

• Información es transferida desde una fuente a un destinatario.

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Forma probabilística de medir la información derivada por Shannon

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CONCEPTOS GENERALES

PRINCIPIO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN

• Busca explicar la transmisión de información.

• Compuesto de dos partes esenciales: transmisor y receptor.

• Unión entre ambas partes se realiza mediante el canal de transmisión, el cual para nuestro caso es la fibra óptica.

• Canal no puede ser modificado, por ende la información debe ser adaptada y desadaptada al canal.

CONCEPTOS GENERALES

VENTAJAS EN EL USO DE UNA FIBRA ÓPTICA

• Una banda de paso muy ancha, lo que permite grandes flujos de datos.

• Pequeño tamaño, por lo que ocupa poco espacio.

• Gran flexibilidad y ligereza lo que facilita las instalaciones.

• Inmunidad a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión muy buena.

• Gran seguridad a la intrusión, fácilmente detectable debido al debilitamiento de la energía lumínica en la recepción.

• Resistente al calor, frio y corrosión, además de no provocar interferencia al ambiente.

• Facilidad para localizar fallas en el trayecto de la fibra, basado en telemetría.

• Baja atenuación, la cual es independiente de la frecuencia, lo que permite abordar grandes distancias.

CONCEPTOS GENERALES

DESVENTAJAS EN EL USO DE UNA FIBRA ÓPTICA

• Fragilidad de las fibras.

• Uso de transmisores y receptores más costosos.

• Dificultad al momento de empalmar fibras, provocando que el trabajo de reparación de fibras sea muy complejo.

• La inclusión de equipos conversores eléctrico-óptico..

• No existen memorias ópticas.

• No puede transmitir potencias elevadas.

• Compleja normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.

CONCEPTOS GENERALES

TEORÍA DE LAS ONDAS

• Es la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, el campo eléctrico o el campo magnético, implicando un transporte de energía sin transporte de materia.

• A: amplitud; T: Periodo; w: frecuencia angular; λ: longitud de onda; ϕ: fase; f: frecuencia;

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CONCEPTOS GENERALES

PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

• Es un campo electromagnético variable, es decir una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.

• Son ondas que no necesitan un medio material para propagarse y son capaces de propagarse en el vacío.

CONCEPTOS GENERALES

REFRACCIÓN

• Consiste en el cambio de dirección que experimenta una onda cuando pasa desde un medio a otro distinto.

• Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios.

CONCEPTOS GENERALES

REFLEXIÓN

• Es el cambio de dirección en la propagación de las ondas electromagnéticas, cuando la onda alcanza otro medio de propagación.

• A diferencia de la refracción, la reflexión de una onda no permite el traspaso de la onda entre medios distintos reflejándola totalmente.

CONCEPTOS GENERALES

DIFRACCIÓN

• Fenómeno de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija

CONCEPTOS GENERALES

DISPERSIÓN

• Desviación de las ondas electromagnéticas producto de una reflexión o refracción, la cual es capaz de separar una onda en varias cambiando la frecuencia de estas.

CONCEPTOS GENERALES

INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA Y DESTRUCTIVA

• Constructiva: se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia se superponen entre si cuando están fase. En este caso las ondas se refuerzan entre sí formando una onda de mayor amplitud.

• Destructiva: se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra: En este caso las ondas se anulan entre sí.

CONCEPTOS GENERALES

ATENUACIÓN

• Perdida de energía o potencia de una señal (onda) sufrida al momento de transitar por cualquier medio de transmisión. Esto se ve reflejado en una disminución de la amplitud de una onda.

CONCEPTOS GENERALES

INTERFERENCIA INTERSIMBOLO (ISI)

• Provocado por fenómenos como reflexión, refracción, dispersión y difracción.

• Estos fenómenos provocan desplazamientos de fase de la señal y por consecuencia interferencia destructiva, lo que afecta a los simbolos enviados mediantes pulsos de luz.

CONCEPTOS GENERALES

RUIDO

• Toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil que se quiere transmitir en un sistema de comunicaciones.

• Enmascara la información presente en la señal cuando se presenta en la banda de frecuencias del espectro de la señal, es decir dentro de su ancho de banda.

• Se puede presentar tanto en el canal de transmisión como en los dispositivos electrónicos presentes en transmisor y receptor.

CONCEPTOS GENERALES

ESPECTRO ELECTROMÁGNETICO

• Distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.

• Se extiende desde la radiación de menor frecuencia, como lo son las líneas de transmisión eléctrica, hasta la radiación cósmica denominada rayos Gamma, que posen frecuencias elevadas.

ONDAS DE LUZ

DUALIDAD PARTÍCULA-ONDA

• La dualidad onda partícula postula que todas las partículas presentan propiedades de onda y partícula, vale decir que como partículas pueden presentar interacciones localizadas debido a la masa y el movimiento de estas y como ondas exhibir el fenómeno de interferencia.

• Einstein descubrió mediante el efecto fotoeléctrico, la existencia del fotón, descubriendo que emitiendo un haz de luz a una placa metálica se podía generar electricidad. Esto se debe a que un fotón con cierta masa y velocidad es capaz de impactar un electrón y provocar su movimiento.

• En el mundo de las fibras ópticas la luz es guida por la fibra como una señal electromagnética de luz, pero al momento de trabajar con emisores y detectores de habla de como una cierta cantidad de fotones son capaces de producir una corriente eléctrica.

ONDAS DE LUZ

POSTULADOS DE LAS ONDAS DE LUZ

• La luz viaja en forma de rayo, donde estos rayos son emitidos por fuentes de luz y pueden ser observados cuando ellos alcanzan un detector óptico.

• La ruta óptica es el camino recorrido a la velocidad de la luz en el vacío, en un tiempo “t” empleado por la luz para recorrer dicha distancia en un medio con índice de refracción “n”.

distancia = (velocidad * tiempo) / índice de refracción

• El trayecto seguido por la luz al propagarse desde un punto “a” hasta un punto “b” es tal que el tiempo empleado es el mínimo (Principio de Fermat). Este principio da lugar a la ley de Snell.

ONDAS DE LUZ

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

• La velocidad de la luz en el vacío esta definida como 300000 Km/s, pero el vacío es una condición ideal.

• El índice de refracción es una medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio no ideal.

n = velocidad de la luz en el vacío / velocidad de la luz en el medio

n = C / Cm

• En un medio no homogéneo, el índice de refracción “n” posee dependencia espacial. Es decir, n(x,y,z). En un medio homogéneo, “n” es constante en ese espacio.

ONDAS DE LUZ

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

ONDAS DE LUZ

LEY DE SNELL

• La relación entre los índices de refracción de dos medios distintos cuando un haz de luz pasa desde un medio a otro, es igual a la relación de las componentes sinusoidales de los ángulos de incidencia y de refracción respecto a la normal.

ONDAS DE LUZ

LEY DE SNELL

2211 sinsin nn

ONDAS DE LUZ

ÁNGULO CRÍTICO

• La idea principal en una fibra óptica es que toda la luz que se desea guiar por la fibra viaje a través de ella sin perder energía refractando luz hacia el exterior.

• Dicho ángulo máximo de aceptación se conoce como ángulo critico y se calcula mediante la siguiente expresión.

ONDAS DE LUZ

LEY DE SNELL: EJERCICIO 1

Un rayo incide sobre un vaso que contiene bebida sprite. Un estudiante de primero medio decide aplicar sus conocimiento y quiere saber el índice de refracción de la bebida y también la rapidez de la luz en su interior. Para ello se consigue un transportador, lo pega en el vaso y hace incidir con láser de color rojo (λ=650 nm en el aire) detectando que el ángulo de incidencia es de 30° y el de refracción 23°. Calcular:

a) índice de refracción en la bebida. (1.28)b) velocidad del rayo de luz en la bebida. (234000 Km/s)c) ángulo crítico para la interfaz sprite-aire. (51.37°)

ONDAS DE LUZ

LEY DE SNELL: EJERCICIO 2

• Una capa de aceite (n=1.45) flota sobre el agua (n=1.33).Un rayo de luz penetra dentro del aceite con una ángulo incidente de 40° sobre la normal. Encuentre el ángulo que el rayo hace en el agua.

• Solución: 28.9°

ONDAS DE LUZ

TOTAL INTERNAL REFLECTION (TIR)

• Es el fenómeno que se produce después del ángulo critico, vale decir no existe haz de luz transmitido otro medio, sino que todo el haz es reflejado hacia el mismo medio.

• ¿Pero como podemos asegurar que dentro de una fibra dicho fenómeno se repetirá durante todo el trayecto de la fibra?

ONDAS DE LUZ

APERTURA NÚMERICA (NA)

• Determina la cantidad de luz que puede aceptar una fibra óptica, es decir de la energía que puede transportar, la cual no esta ligada a la cantidad de información.

• Parámetro adimensional, es decir no tiene unidades de medida.

ONDAS DE LUZ

APERTURA NÚMERICA (NA)

ONDAS DE LUZ

APERTURA NÚMERICA: EJERCICIO 3

• Calcule la apertura numérica (NA), el ángulo de aceptación máxima y el ángulo critico que es provocado una vez el haz de luz esta dentro de la fibra, para una fibra que tiene un índice de refracción de 1.5 para el núcleo y 1.45 para el revestimiento.

• Solución: a) 0.3841 b) 22.6° c) 75°

FIBRA ÓPTICA

ESCENCIA DE LA FIBRA ÓPTICA

• Un sistema de dos índices de refracción distintos, donde el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el cladding para que ocurra el efecto TIR.

• Si el índice de refracción del cladding es mayor que del núcleo no sucede reflexión al interior de la fibra.

• Fibra Monomodo: core < 12um; cladding ~ 125 um.• Fibra Multimodo: core 50 – 200 um; cladding 125 ~ 400 um.

FIBRA ÓPTICA

ELECCIÓN DE FRECUENCIA DE OPERACIÓN EN LA FIBRA

• Que sea inmune a la interferencia electromagnética, y contenga sistemas de repetidores que transmitan con el mínimo ruido y margen de error.

• Que permita generar exclusividad en la frecuencia utilizada en la transmisión en el espacio libre y aumentar el ancho de banda disponible.

• Que presente atenuaciones menores que las originadas por la propagación en el espacio libre.

FIBRA ÓPTICA

PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN LA FIBRA.

• Si la fibra fuese solo núcleo quedaría expuesta a la humedad y a elementos contaminantes que cambiarían constantemente el ángulo critico y generar fugas de potencia luminosa.

• Con el revestimiento ligero el núcleo denso se protege y se garantiza un ángulo critico constante.

• Siempre será necesaria una segunda capa de revestimiento plástico para evitar que impactos generen microtrizaduras en la fibra y la protejan de la humedad y la luz exterior.

FIBRA ÓPTICA


• La luz que entra por una fibra tiene la posibilidad de ingresar justo por el centro del núcleo, así como por la frontera entre en núcleo y el revestimiento y así también puede salir desde la fibra.

• Dependiendo de la proporción entre el núcleo y el revestimiento pueden considerarse dos variables asociadas a la entrada y la salida de un haz de luz.

• Estas variables son:• El cono de aceptación• El índice de apertura numérica

FIBRA ÓPTICA


FIBRA ÓPTICA


• Problemas prácticos que revelan estas variables:

•La fuente de luz excede el cono de aceptación del núcleo•Se soluciona colocando lentes a la fuente de luz que enfoquen toda la potencia óptica al cono de aceptación

FIBRA ÓPTICA


• Problemas prácticos que revelan estas variables:

•El ángulo de incidencia excede el cono de aceptación del núcleo•La reflexión interna total se genera en el revestimiento y no en el núcleo, esto genera grandes perdidas.

TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS


• Los distintos tipos de perfiles de índice de refracción, más las diferencias en el diámetro de los núcleos dan tres tipos de fibras ópticas distintas.


FIBRA MONOMODO

• Transmite solo un modo de luz. El perfil del índice de refracción se conoce como step-Index (índice escalonado).

• El diámetro del núcleo es muy pequeño, entre 4 a 25 micrómetros, Mientras que el diámetro del cladding es de 125 micrómetros aproximadamente.

• Es difícil acoplar la luz debido a su núcleo de pequeño tamaño. Como fuente de luz se utiliza un láser en estado sólido.

• Se deben utilizar componentes de buena precisión para los empalmes y conexiones.

• No hay dispersión modal por lo que se consiguen velocidades de transmisión de datos muyos mayores sobre distancias más largas.

• Permite transmitir a distancias mucho más largas que las fibras multimodo (Puede superar con facilidad los 10 Km).

• Mas costosa debido a la mayo dificultad de fabricación.


FIBRA MULTIMODO

• Transmite varios modos de la luz. El perfil puede ser Step-Index o Graded-Index

• El diámetro del núcleo esta entre 40 a 80 micrómetros, mientras que el diámetro del cladding esta entre 125 y 175 micrómetros aproximadamente.

• Se usa en aplicaciones de comunicación a corta distancia (no llega a 10 Km). Además de utilizar un LED como fuente de luz.

• Es fácil de interconectar debido a su gran núcleo y tiene una buena tolerancia a componentes de baja precisión.

• Las fibras de índice escalonado, son bastante economicas mientras que presenta como inconvenientes la dispersión modal, los flujos de datos poco elevados y la limitación de distancia.

• Las fibras de índice graduado reduce la dispersión modal, tiene mayor ancho de banda de transmisión que las de índice escalonado. Como inconveniente es su coste, son mas caras.


FIBRA MONOMODO FIBRA MULTIMODO



• También es una fibra multimodo, pero la diferencia esta en que el índice de refracción va decreciendo a medida que nos alejamos del centro de la fibra óptica. Es decir, que el índice de refracción es heterogéneo y depende del punto en el espacio de la fibra n(x,y,z).

• La luz viaja mas rápido en un índice de refracción bajo, por tanto aunque los rayos de la región externa recorran mayor distancia, lo hacen a mayor velocidad por lo que llegan al destino al mismo tiempo que los rayos de la región interior.


FRECUENCIA NORMALIZADA (V)

• Existe un parámetro que combina la apertura numérica NA, el radio del núcleo “r” y la longitud de onda de la luz con la que se quiere transmitir.

• Es este el parámetro que indica si se está transmitiendo en single mode o multimode.

NAd

V

2


FRECUENCIA NORMALIZADA


ATENUACIÓN EN LA FIBRA

• La transmisión por fibra óptica se realizara por tres ventanas.

• 850 nanómetros• 1310 nanómetros• 1550 nanómetros

• En la practica es imposible lograr buenos resultados en el margen de los 1400 nanómetros debido a una ventana de dispersión que se produce por la formación de iones hidroxilos a causa de la humedad en la fibra.

• En 850 nanómetros existen alta tasa de perdidas pero sus sistemas son baratos y fáciles de instalar, esto la convierte en la mas utilizada en transmisiones de corta distancia y de cableado de redes LAN.

• En 1300 nanómetros y 1550 nanómetros son mas costosas y dificiles de instalar, pero garantizan bajas atenuaciones y son ideales para las transmisiones a largas distancias.



NAd

V

2

MODOS DE TRANSMISIÓN

PRINCIPIO DE TRANSMISIÓN EN LA FIBRA COMO GUÍA DE ONDA

• Para que un rayo pueda ser guiado en la fibra no solo la condición de TIR debe cumplirse, el rayo reflejado debe interferir constructivamente cono otro rayo de una misma onda.

• Los ángulos que satisfacen esta condición resultaran reforzados y los que no serán debilitados hasta desaparecer.



• Solo ciertos ángulos son posibles y se denominan angulos congruentes.

• Cada ángulo discreto da lugar a una configuración de campo particular en la sección transversal de la fibra y se denomina MODO.



• La teoría de rayos no permite explicar los fenómenos como coherencia e interferencia. Por ende, es necesario realizar la distribución de campos dentro de la fibra resolviendo las ecuaciones de Maxwell para la geometría cilíndrica de la fibra.

• De esta forma se obtienen las constantes de propagación (compuesta por la atenuación y fase de los modos) que permiten definir los modos complejos que viajan en la fibra. Los modos que viajan dentro de la fibra son llamados TEM (transversal electromagnético)


TIPOS DE MODOS

• Modo TE (transversal eléctrico): no existe ninguna componente del campo eléctrico en la dirección de propagación.

• Modo TM (transversal magnético): no existe ninguna componente del campo magnético en la dirección de propagación.

• Modos TEM (transversal electromagnético): no existe ninguna componente del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.

• Modos Híbridos: son aquellos donde hay componentes del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.


PERFIL DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN

• Es una función del radio de la fibra óptica.

• La propagación de los modos depende de su forma.

• El número de modos (N) en una fibra óptica depende de la frecuencia normalizada.


PERFIL DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN

• “g” es el factor de potencia del perfil del índice de refracción, su valor es 2 para fibras de índice gradual y ∞ para índices escalonados.

• Si V (frecuencia normalizada) es menor o igual a 2,405 entonces sólo el modo fundamental es conducido y se dice que se cuenta con una FIBRA MONOMODO.

ATENUACIÓN Y DISPERSIÓN


• Pérdida de energía de la señal luminosa a media que se propaga por el medio de transmisión. Su coeficiente la relaciona con la distancia.



DISPERSIÓN DE RAYLEIGH

Producidas por difusión de la luz por presencia de irregularidades, discontinuidades y des-homogeneidad del material. Es un fenómeno inherente a todos los materiales transparentes.

ABSORCIÓN DEL MATERIAL

Es producida por el mecanismo de interacción luz-materia.

Absorción intrínseca: producida por resonancia mecánica de las moléculas del vidrio (extrae energía en parte del infrarrojo) y por las transiciones de las estimulaciones de las bandas electrónicas (extrae energía en parte del ultravioleta)

Absorción Extrínseca: producida por impurezas del material como iones de metales de transición (<0,7 μm) (Cr, Mg, Na, Fe, Co, Ni, Cu) y por iones OH.



ATENUACIÓN POR DISPERSIÓN LINEAL

Acoplamiento de modos de diferentes distribución. También se producen por tensiones y curvaturas extremas <10 cm de diámetro.

ATENUACIÓN POR DISPERSIÓN NO LINEAL

Fenómeno complejo que implica la aparición de modos superiores (generación de frecuencias diferentes, más altas).

Recibe el nombre de emisión estimulada de Raman y Brillouin, se la utiliza en amplificadores ópticos. Requiere potencias relativamente grandes.


DISPERSIÓN EN LA FIBRA

• Fenómeno que provoca ensanchamiento de los pulsos a medida que se propagan los pulsos en el medio de transmisión



• Dispersión Modal: llamada INTERMODAL, surge en las fibras multimodo por diferentes tiempos de tránsito de los modos, al tener que recorrer diferentes trayectorias (dispersión temporal). La dispersión modal total es un fenómeno no lineal con la distancia, tiene relación con los efectos de equilibrio modal y mezcla de modos, para una distancia L.

• Dispersión Cromática: llamada INTRAMODAL, está compuesta por los fenómenos de dispersión del material y de la dispersión de la fibra como guía de onda.



• Dispersión por modo de polarización (PMD): En fibras monomodo realmente fluyen dos modos fundamentales ortogonalmente polarizados, que en condiciones idénticas de polarización, cualquier cambio leve en la simetría del perfil debido al proceso de fabricación, tensiones o deformaciones ocasiona que ambas componentes presenten diferentes retardos ocasionando la PMD.


ENSANCHAMIENTO DEL PULSO

• La dispersión y la atenuación provocan que el pulso de luz se deforme a medida que viaja por la fibra, disminuyendo la amplitud de este y estirando la duración del pulso. Este fenomeno es conocido como ensanchamiento del pulso.

• El ensanchamiento del pulso de luz, provoca interferencia entre los distintos pulsos de luz que representan los datos, deteriorando la performance del sistema de comunicación óptico.



• Los tiempos de ensanchamiento provocados por cada tipo de dispersión pueden ser calculados de forma independiente, donde el ensanchamiento total viene dado por la siguiente fórmula.

• El ensanchamiento del pulso esta inversamente relacionado con la tasa de bits que se pueden enviar por la fibra. Debido a que mientras más anchos son los pulsos de luz, menos información se puede enviar por un instante de tiempo determinado, con el fin de evitar la interferencia inter-símbolo. La máxima tasa de datos viene dado por el recíproco del tiempo de ensanchamiento total.

22modint

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2

pmdalraalertotal

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totalMDRBw /1max

CONVERSIÓN DE POTENCIA

DECIBEL

• Es una unidad de medida de potencia donde su unidad de medida es el decibelio (dB). Se utiliza en redes de radiofrecuencia, microondas y fibra óptica como una medida de la potencia absoluta a causa de su capacidad para expresar valores muy pequeños y muy grandes.

• Un aumento de 3 dB (3 dBm) representa el doble de la potencia, lo que significa que -3 dB (-3dBm) representa la mitad de la potencia. La unidad utilizada para redes inalámbricas es el dBm.

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dBm y dBW • Existen los dBW y los dBm, los cuales hacen referencia a las unidades de

potencia W (watt) y mW (miliwatt) respectivamente.

• 1 mW 0 dBm, • 1 W 0 dBW

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])[log(10][dBmP

mWP

mWPdBmP

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])[log(10][dBWP

WP

WPdBWP

30][][ dBWPdBmP


INTERACCIÓN DEL dB CON dBm y dBW • El decibel permite trabajar con variaciones de potencia de forma mas

rápida y apena.

• El decibel puede interactuar como suma o resta con las unidades dBm y dBW sin ningún problema pero el dBm y el dBW no pueden interactuar libremente entre sí ya que existe una diferencia de 30 entre ellos.

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dBdBdBdBmx

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