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Sistema Ópticode

Comunicação Atmosféricade

Reduzida Complexidade

Henrique C. Miranda1,2, Luís Miguel T. F. Tato1

1 Faculdade de Engenharia (U. P.)Dep. de Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresRua dos Bragas4050 PORTOTel: (02) 2087830Fax: (02) 2087829

2 INESC - PortoPç. da República, 934050 PORTOTel: (02) 2094243Fax: (02) 2084172

Sistema Óptico de Comunicação Atmosférica de Reduzida Complexidade

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Sumário

O equipamento apresentado consiste num sistema de comunicação ópticaatmosférica (portanto, em linha de vista), que permite transmitir sinais analógicoscom uma largura de banda de 20 KHz a uma distância superior a 1 Km.

Este sistema possui algumas características que o podem tornar comercialmenteviável, nomeadamente:

• muito baixo custo;• elevada portatibilidade;• facilidade de instalação e uso;• alcance elevado (tendo em conta a tecnologia empregue);• isenção de licenciamento;• novidade em termos comerciais.

Existe uma variedade de aplicações onde o sistema referido se pode enquadrarcom vantagens evidentes [1]:

• comunicação entre edifícios;• estabelecimento rápido de ligações temporárias (situações de emergência, por

exemplo);• comunicação em locais de acesso difícil (estádios de futebol, pavilhões, locais de

espectáculos em geral, margens de rios e albufeiras);• difusão para espaços limitados;• entretenimento (walkie-talkies ópticos).

O desenvolvimento deste sistema foi efectuado no âmbito da disciplina deComunicações Ópticas do 5º ano do ramo de Telecomunicações e Computadores daLicenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores da FEUP.

1. Introdução

Actualmente, são já comuns sistemas de comunicação usando comprimentos deonda ópticos, recorrendo a dispositivos emissores e detectores semicondutores, alémde fibras ópticas de vários tipos que promovem o suporte da transmissão. Nestas,conseguem--se atenuações muito baixas (0.2 a 3dB/Km, tipicamente) conforme ocomprimento de onda utilizado e as características da fibra. Para sistemas deelevada capacidade usam-se fibras multimodo de gradiente de índice de refracção efibras monomodo. Uma vantagem inerente a este último tipo de fibras é apossibilidade de implantação de sistemas com grandes intervalos entre repetidores.Para sistemas a 565Mbit/s, usando emissor laser e um fotodíodo de avalanche noreceptor, com fibras monomodo na 3ª janela (1550nm), conseguem-se intervalossuperiores a 100Km [2].


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No entanto, por vezes pretende-se apenas uma ligação de curta distância (dealgumas dezenas de metros até alguns quilómetros), eventualmente em linha devista, o que possibilita o uso de um sistema de comunicação atmosférica.

Com um sistema atmosférico tem-se uma grande versatilidade de instalação e deremoção, especialmente útil em casos de emergência, em locais de difícil acesso epara a realização de ligações temporárias, já que se evita a instalação de cabos, quepoderia ser difícil, demorada e por isso dispendiosa.

Comparativamente com os sistemas equivalentes de microondas, podemosconsiderar que o equipamento óptico é consideravelmente mais simples e compacto,e como tem uma boa direccionalidade, é possível evitar interferências entresistemas. No entanto, existem alguns problemas relacionados com a propagaçãoatmosférica que devem ser tomados em conta, nomeadamente:

• absorção atmosférica, que atenua a potência óptica transmitida;• dispersão causada por hidrometeoros;• divergência do feixe, que torna a potência menos concentrada;• obstrução do feixe.

2. Descrição do sistema

O sistema desenvolvido é constituído por dois suportes tubulares que alojam oscomponentes ópticos e electrónicos do transmissor e do receptor, como está ilustradona fig. 1.

Fig. 1 - Imagem do transmissor e do receptor ópticos


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Na fig. 2 está representado o corte das estruturas mecânicas que suportam osvários elementos do sistema.

300 mm

97 mm

Transmissor óptico

300 mm

97 mm

Receptor óptico

Fig. 2 - Corte dos suportes do transmissor e do receptor ópticos.

Como se pode verificar, todos os elementos constituintes do sistema estãoembutidos em suportes de igual dimensão (300mm de comprimento por 97mm dediâmetro), que incluem a alimentação dos circuitos electrónicos, formada por 8pilhas de 1.5V (LR6) para cada uma das partes.


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Salienta-se a existência de um indicador do nível de recepção, que conjuntamentecom a mira telescópica, permite alinhar convenientemente o sistema. Esteacessório, que encarece significativamente o sistema, pode ser suprimido se não sepretender utilizar o equipamento a grandes distâncias.

A fig. 3 ilustra o aspecto visual dos painéis de controlo do transmissor e doreceptor.

Fig. 3 - Aspecto visual dos painéis de controlo.

O painel do transmissor, à esquerda na figura, é constituído pelos seguinteselementos:

• entrada de sinal áudio, com uma sensibilidade de 7mV/10KΩ;• entrada para alimentação externa 12VDC;• regulação de profundidade de modulação;• ajuste da potência óptica emitida;• LED indicador e interruptor de alimentação.

No painel do receptor, podemos encontrar:

• um indicador do nível da potência óptica recebida, que permite alinhar oreceptor, como já foi referido;

• saída áudio com uma potência máxima de 1W/8Ω;• entrada para alimentação externa 12VDC;• controlo do ganho de recepção;• ajuste do volume de saída• LED indicador e interruptor de alimentação.


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Em anexo, encontra-se uma descrição mais detalhada das características técnicasdo equipamento.

3. Descrição dos circuitos emissor e receptor deinfravermelhos

O emissor óptico é baseado num LED de infravermelhos (modelo CQY89A daPhilips [3]), responsável pela conversão electro-óptica, e o receptor tem comoelemento de conversão opto-eléctrica um fotodíodo PIN (modelo BP104 da Siemens[4]), que são componentes facilmente acessíveis no mercado. Neste sistema usou-seuma modulação de frequência do tipo PFM (Pulse Frequency Modulation).

Os componentes ópticos utilizados resumem-se a duas lentes, uma para otransmissor e outra para o receptor, com o objectivo de aumentar a potência ópticaisotrópica efectivamente radiada e recebida em linha de vista.

O diagrama de blocos do sistema é apresentado na figura 4.

Moduladorde FMPré-ênfase

Driver

Controlode ganho

Controlode potência

Pré-amp.

Entrada de sinal

Óptica de colimação

LED IV

De-ênfase

Amp.de

Audio

Limitadore Desmod.

de FM

Intensidadede campo

Antena Óptica

LNA

Diodo PIN

Controlode ganho

Controlode volume

Fig. 4 - Diagrama de blocos do transmissor e receptor ópticos.

O sinal a transmitir, na banda áudio, é aplicado a um amplificador operacionalde baixo ruído, no qual é possivel ajustar o ganho por forma a variar a profundidadede modulação. Posteriormente, um filtro activo permite obter a pré-ênfasenecessária ao sinal modulador, tendo em vista uma melhoria global da relaçãosinal-ruído. Antes de ser entregue ao modulador FM, o sinal passa por um filtropassa-baixo de segunda ordem com frequência de corte de 10kHz, evitando efeitosde intermodulação com a portadora (da ordem dos 100kHz). Depois de filtrado e


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amplificado, o sinal de audiofrequência vai actuar um conversor tensão-corrente,cujo sinal de saída é aplicado a um CCO (current controlled oscilator). A sua saídavai excitar o LED de infravermelhos com um sinal rectangular cujo duty-cycle éaproximadamente 0.5, sendo a radiação emitida colimada pelo sistema ópticotransmissor.

A radiação recebida pelo sistema óptico receptor é focada sobre o fotodíodo, o qualefectua a conversão opto-eléctrica. O sinal do fotodíodo é aplicado a um pré-amplificador de elevado ganho (cerca de 10000) e baixo ruído, possuíndorealimentação negativa variável, o que permite optimizar a relação sinal-ruído paraum vasto domínio de potências ópticas recebidas.

Depois de amplificado, o sinal é entregue ao desmodulador de FM, que inclui umlimitador usado para cancelar o efeito de ruído resultante de alguma modulação emamplitude do sinal recebido. Uma malha de captura de fase efectua a detecçãolinear de FM.

O sinal de audiofrequência obtido passa por um filtro de deênfase de modo acompensar a resposta em frequência do sistema. Finalmente, o sinal é entregue aum amplificador de áudio, de forma a permitir actuar um altifalante ou unsauscultadores.

4. Sistemas ópticos transmissor e receptor. Balançoenergético de uma ligação.

Sistema óptico transmissor

Para optimizar o alcance do sistema, procedeu-se à colimação do feixe, visto quenão é viável controlar o efeito da atmosfera.

Idealmente, um feixe que se propague na atmosfera deverá ser colimado, ou seja,ter divergência nula, mas esse objectivo só é alcançado se a fonte de radiação forpontual [5]. Nesse caso bastaria colocar a fonte no foco de uma lente convergente eteríamos o feixe colimado. Essa aproximação é válida para este sistema, e podeconsiderar-se que a fonte é pontual face ao diâmetro da lente, como está ilustradona fig. 5.

θ

f

d

Fig. 5 - Sistema óptico transmissor utilizado.


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O ganho deste sistema óptico é obtido, aproximadamente, pela relação entre asáreas planas do feixe radiado, com e sem colimação. O ganho alcançado nestesistema é de cerca de 96 (18.9dB).

Uma outra vantagem de se usar um feixe colimado de largura apreciável estáligada ao facto de se reduzirem os cortes de comunicação em resultado doatravessamento do feixe por corpos opacos (problema bem presente em sistemasequivalentes baseados em díodos laser).

Sistema óptico receptor

Um conceito bem conhecido é o de que o melhor amplificador que se pode utilizarnum sistema de comunicações é a antena. Por isso, foi utilizada uma lente colectorano receptor, colocando o fotodíodo no seu foco, com o objectivo de aumentar a área decaptação do receptor, como está ilustrado na fig. 6. A lente usada tem um diâmetrode 95mm e uma distância focal de 130 mm, o que permitiu obter um sistemarelativamente compacto e com um ganho suficiente para a aplicação em vista.

Lente colectora

Fotodíodo

Fig. 6 - Sistema óptico do receptor.

Desta forma, podemos estimar o ganho da “antena óptica” pela relação entre aárea do fotodíodo sensível à radiação (4.84mm2) e a área da lente colectora(7088mm2).

O ganho estimado da “antena” receptora é:

G dBr = ⋅

=10 7088 24 84

31 710log ..

. , cerca de 1465 vezes.

Balanço energético de uma ligação

Considerando o conjunto dos sistemas ópticos transmissor e receptor, a relaçãosinal-ruído à entrada do receptor obtém-se da seguinte equação:

SN

G G di

t rd

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅− −α β2 1000/ ,


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em que:

• αα é uma constante que depende dos componentes opto-electrónicos usados,sendo 11080 para este sistema;

• ββ é o factor de atenuação da atmosfera por quilómetro que para ocomprimento de onda óptico usado (930 nm) é 6.6dB/Km como se podeextrair do gráfico da fig. 7 [6];

• Gt é o ganho do sistema óptico transmissor (18.9dB);• Gr é o ganho do sistema óptico receptor (31.7dB);• d é a distância que separa o emissor do receptor.

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

60

50

40

30

20

10

Factor de transmissão (%)

λpico = 930nm

λ( nm )

luz visível infravermelho próximo

Fig. 7 - Comportamento do factor de transmissão da atmosfera em função do comprimento deonda.

O alcance máximo do sistema, para a relação sinal-ruído mínima permitida àentrada do receptor (aproximadmente 15dB), para quatro situações distintas:

• sem qualquer lente no sistema:

dmáx=19m;

• com uma lente no emissor de diâmetro 65mm, proporcionando um ganhoaproximado de 96 (19.8dB):

dmáx=166m;

• com uma lente no receptor de diâmetro 95mm, proporcionando um ganhoaproximado de 1465 (31.7dB):

dmáx=504m;


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• com as lentes no receptor e no emissor, que oferecem respectivamente ganhosde 31.7dB e 19.8dB:

dmáx=1826m;

Para uma ligação de 1000m com ∆F=±50kHz (desvio de frequência da portadora)e fmax=10kHz (frequência máxima do sinal analógico), temos uma relação sinal ruídoà entrada do receptor de:

SN

dBi

= =3461 25 4. .

A relação sinal-ruído do sinal de áudio (saída do desmodulador de FM) pode serestimada por [7]:

SN

ff F

SN

dBo i

= ⋅

⋅

⋅

= ⋅

⋅ ⋅ = =

32

1 32

5010

13

3461 43267 36 42 2∆

m ax

. . .

Daqui se pode concluir que nestas condições a qualidade do sinal recebido ébastante satisfatória.

O gráfico da fig. 8 dá uma ideia da evolução da relação sinal-ruído à entrada doreceptor em função da distância entre o emissor e receptor (sem ter em contafactores externos como a luz ambiente, a qual é atenuada pela utilização de umfiltro óptico incluído no díodo detector).

Relação S/N vs distância

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

Distância (Km)

S/N (dB)

Fig. 8 - Variação da relação sinal-ruído à entrada do receptor em função da distância.


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5. Resultados experimentais e perspectivas.

Relativamente aos resultados obtidos com este sistema, atingiram-se distânciasque avalizam as previsões teóricas, como é o caso dos 18 metros obtidos sem lentesno sistema, embora já com algum ruído de fundo e sem a influência da luz do dia.Com o sistema completo, isto é, com as lentes colimadora e colectora conseguiu-seuma comunicação de boa qualidade a uma distância de cerca de 1000 metros, peloque estamos em condições de garantir que o alcance máximo do sistema écertamente superior a este valor. Na tabela 9 estão apresentados os diversosalcances máximos obtidos com este sistema de transmissão, nas várias condições deteste.

Condições de medida(reduzida luz ambiente)

Alcance máximo

para SN

dB≈ 30

Sem qualquer lente no sistema 18mApenas com lente no transmissor 140mApenas com lente no receptor 350mCom ambas as lentes no sistema >1000m

Tabela 9. Alcances máximos do sistema sob várias condições.

Os alcances experimentais embora menores, aproximam-se razoavelmente doscalculados teoricamente. Tal discrepância, justifica-se pelo facto de não terem sidoconsiderados nos cálculos teóricos factores como desvios de pontaria, desfocagem eaberrações dos sistemas ópticos.

Outro teste efectuado ao sistema, permitiu obter a resposta em frêquencia docanal. Esse teste consistiu na aplicação de um sinal sinusoidal de amplitudeconstante e frequência variável à entrada do cicuito emissor, com o receptor a umadistância relativamente curta (para que o sinal transmitido não fossesignificativamente afectado). Através da leitura da amplitude do sinal obtido àsaída do receptor, construiu-se uma tabela de atenuação para várias frequências deteste (nível de referência de 0dB@1KHz). A partir dessa tabela extrapolou-se ográfico da resposta em frequência do sistema, mostrado na figura 10.

Resposta em frequência do sistema

-1

0

1

2

3

40.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Frequência(KHz)

Atenuação (dB)

Fig. 10 - Resposta em frequência do canal analógico.


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Como se pode constatar pela resposta obtida, a largura de banda do canal éaproximadamente 19KHz, a qual cobre plenamente toda a gama áudio.

Um dos aspectos que concerteza tem alguma influência negativa é a luz solar,porque, pelo que foi possivel constatar, há alguma degradação do desempenho dosistema se o receptor estiver sujeito a uma forte exposição solar (apesar do filtro deluz ambiente do fotodíodo), pelo que os melhores resultados são conseguidos naausência de luz, bem como com uma atmosfera límpida.

Os resultados obtidos com este sistema viabilizam a sua utilização nasaplicações referidas anteriormente. Em termos da sua comercialização, esteequipamento não levantaria grandes dificuldades já que os componentes que oconstituem são relativamente baratos e a sua construção mecânica pode serfacilmente automatizada.

O sistema actual, apesar de ser analógico, por apresentar uma largura debanda considerável, permitirá a transmissão de sinais digitais de débitosequiparados aos dos modems telefónicos mais simples sem dificuldades. A inclusãode um modem apropriado permitirá a utilização do mesmo sistema para taxasmuito superiores, oferecendo interfaces digitais normalizadas. Os autores estãopresentemente a avaliar alternativas para esse efeito.

Referências

[1] Laser Focus / Electro Optics, “Commercial Market for Free-Space Links toGrow Tenfold”, págs 116 a 122, Dez. 1983.

[2] Senior, J.M., Optical Fiber Communications-Principles and Practice, 2nd

edition, Prentice Hall, 1992.

[3] Philips, CQY89A GaAs Light Emitting Diode, Devices for Optoelectronics,March 1980.

[4] Siemens, Silicon PIN Photodiode with Daylight Filter, Complete ProductInformation CD-ROM, 5th Edition, October 1994.

[5] Santos, J.L., Leite, A.P., Sistemas de Comunicação Atmosférica.Transmissão no Infravermelho Próximo, Relatório Técnico, Inesc, Julho de1984.

[6] Wilson, J., Hawkes, J. F. B., Optoelectronics: An Introduction, PrenticeHall.

[7] Taub,H.,Schiling, D. L., Principles of Comunication Systems, 2nd edition,McGraw-Hill Book Company, 1986.


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Anexo - Especificações técnicas do equipamento

• Transmissor

Tensão de alimentação: 12VDCMáximo consumo de corrente: 120mA aprox.Sensibilidade da entrada analógica : 7mV/10KΩ

Comprimento de onda óptico (λo): 930nmLargura espectral (∆λ): 50nmPotência óptica colimada (máx): +30dBm

Modulação: FMFrequência da portadora (fo): 100 KHzDesvio de frequência máx. (∆f): ±50KHzPreênfase (τ): 50µsForma de onda da portadora: Rectângular, duty-cycle de 0.5

• Receptor

Tensão de alimentação: 12VDCMáximo consumo de corrente: 80mA aprox.Potência de saída : 1W/8ΩDistorsão harmónica total (THD): 0.5%

Comprimento de onda de máximasensibilidade (λmáx): 950nm

Modulação: FMSensibilidade (Ip): 230pAGama de sintonia (fo): 60 - 150 KHzGama de retenção. (fl): ±0.65foGama de captura. (fl): ±16KHzPreênfase (τ): 50µs

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