trabalho de fibra óptica

DOCENTE:PhD. António Tavares P. de Sousa

UNIVERSIDADE INDEPENDENTE DE ANGOLAFaculdade de Ciências e Tecnologias

Engenharia de Telecomunicações

TEMA: LINK DE FIBRA ÓPTICA DE LUANDA AO DONDO

LINK DE FIBRA ÓPTICA DE LUANDA AO DONDO 18 de Junho de 2011

COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

2José Alves Manuel


ÍNDICE

3José Alves Manuel


INTRODUÇÃO

Com a explosiva evolução das comunicações, motivadas pela necessidade de aumento da capacidade de tráfego de voz, vídeo e dados em alta velocidade, constantemente nos deparamos com novos conceitos em tecnologias em termo de meios de transporte das informações (meios físico de transmissão). Sendo que, vários são os tipos de cabos utilizados no transporte de informações, e cada um com suas vantagens e desvantagens no que tange a Largura de banda, taxas de transmissão, atenuações especificas e distancia de transmissão sem o uso de repetidores.

É nesta ideia que surge a fibra óptica que garante um nível elevado de fiabilidade a nível de transmissão de sinais de dados, voz e vídeo.

Com este trabalho, pretende-se transmitir conhecimento a nível de projectos de link à grandes distancias (como no nosso caso), utilizando fibra óptica, apresentando as motivações da escolha deste meio de transmissão, vantagens e desvantagens relativamente a outros tipos existentes no mercado.

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OBJECTIVO

O objectivo deste projecto, é a projecção de um link de Fibra óptica de 180Kms de distancia entre Luanda e Dondo, para a transmissão de VOIP, sinal de TV e Telefonia, de forma que seja estabelecida as comunicações entre estes dois pontos do Pais.

Consiste em um projecto que não seja só para o presente mas com perspectivas futuras, oferecendo este, um elevado nível de confiabilidade, disponibilidade e alta qualidade de a nível dos sinais acima mencionados.

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BREVE HISTÓRIAL DA FIBRA ÓPTICA

Os primeiros experimentos utilizando fibra óptica ocorreram em 1930 na Alemanha, mas as pesquisas sobre suas propriedades e características tiveram inicio por volta de 1950. Hoje, as fibras ópticas são largamente utilizadas e representam uma revolução na transmissão de informações. Hoje em dia, as fibras ópticas utilizadas em sistemas podem operar com taxas de transmissão que chegam até a faixa dos terahertz.

200 D.C: Heron da Alexandria estudou a reflexão. 1621: Willebrod Snell descobriu que quando a luz atravessa dois meios, sua

direção muda (refração). 1678: Christian Huygens modela a luz como onda. 1830: Telégrafo com código Morse (digital) chegava a alcançar mil km, o

equivalente a velocidade de 10 bits por segundo, com os repetidores. 1870: John Tyndal (1820-1893) mostrou a Royal Society que a luz se curva para

acompanhar um esguicho d’água, ou seja, pode ser guiada pela água. 1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bell 1880: O engenheiro William Wheeler, recebeu uma patente pela idéia de

“conduzir” intensas fontes de luz para salas distantes de um prédio. O escocês naturalizado americano, Alexander Graham BELL (1847-1922), inventou o Photophone, um sistema que reproduzia vozes pela conversão de luz solar em sinais elétricos (telefone óptico).

1956: O físico indiano Narinder Singh Kanpany inventa a fibra óptica: desenvolveram a idéia de uma capa de vidro sobre um bastão fino de vidro para evitar a “fuga” da luz pela superfície.

1958: Arthur Schwalow e Charles Townes inventam o laser. 1962: Foi inventado o primeiro fotodetector PIN de silício de alta velocidade

(EUA). 1968: Primeiro diodo laser com dupla heteroestrutura, DHS, (EUA). 1972: 1973: Um link telefônico de fibras ópticas foi instalado no EUA. 1976: O Bell Laboratories instalou um link telefônico de 1 km em Atlanta e

provou ser possível o uso da fibra para telefonia, misturando técnicas convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo com fibras ópticas foi instalado em Hastings (UK). A empresa Rank Optics em Leeds (UK) fabrica fibras de 110 nm para iluminação e decoração.

1978: Começa, em vários pontos do mundo, a fabricação de fibras ópticas com perdas menores do que 1,5 dB/km, para as mais diversas aplicações.

1979: MYA e colaboradores, Japão, anunciam a primeira fibra monomodo (SMF) com 0,20 dB/km em 1550 nm.

1981: Ainslie e colegas (UK) demonstram a SMF com dispersão nula em 1550 nm.

1988: Operação do primeiro cabo submarino, TAT-8, entre EUA, França e Inglaterra.

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1989: Introdução comercial dos amplificadores ópticos dopados com érbio.

REGULAMENTAÇÃO

Normas Técnicas

O que é uma norma?

Uma norma é um grau ou nível de exigência, é uma excelência, um objectivo para promover interoperabilidade e confiabilidade em sistemas estruturados. As normas para cabeamento estruturado definem um sistema geral para redes de telecomunicações, criando um ambiente heterogêneo. Essas normas nasceram com a necessidade de padronizar soluções para sistemas de cabeamento de telecomunicações que pudesse abrigar equipamentos de vários fabricantes. Existem organizações responsáveis pela elaboração e coordenação de padrões usados pela indústria, governo e outros setores.Vamos citar apenas os órgãos que interferem na Fibra óptica.

ANSI – American National Standards Institute EIA – Electronic Industries Alliance TIA – Telecommunications Industry Association

Normas para Cabeamento Estruturado Fibra Óptica

ANSI/EIA/TIA TSB72 – Guia para gerenciamento centralizado de dispositivos de fibra ópticaA intenção deste boletim e especificar conjunto de diretrizes para administrar sistemas de fibra ópticas no ambiente da sala de equipamentos utilizando sistema de racks e armários de telecomunicações.

ANSI/EIA/TIA 526-14 – Especificações técnicas para medidas ópticas multimodoEste documento especifica procedimentos usados para medir um link de fibra óptica multimodo, incluindo terminações, componentes passivos, fontes de luz, calibração e interpretação de resultados.

ANSI/EIA/TIA 526-7 – Especificações técnicas para medidas ópticas monomodoTem a mesma função do documento anterior, só que para fibras monomodo.

ANSI/EIA/TIA 568 – Componentes para Cabeamento de fibra ópticaEsta norma especifica os requisitos mínimos para componentes de fibra óptica, tais como cabos, conectores, hardware de conexão, patch cards e equipamento de teste de campo. Cabos 50/125µm multimodo e monomodo são reconhecidos.

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LEI DE SNELL

Reflexão e Refração

O princípio fundamental que rege o funcionamento das fibras ópticas é o fenômeno físico denominado reflexão total da luz. Para que haja a reflexão total a luz ângulo de incidência deve ser igual ou maior do que o ângulo limite.

A Figura (abaixo) mostra um feixe de luz interceptado por uma superfície plana de vidro. Parte da luz incidente é refletida pela superfície, isto é, se propaga, em feixe, para fora da superfície, como se tivesse se originado naquela superfície. A outra parte é refratada, isto é, se propaga como um feixe através da superfície para dentro do vidro. A menos que o feixe incidente seja perpendicular ao vidro, a luz sempre muda a direção de sua trajetória quando atravessa uma superfície, por isso, dizemos que o feixe incidente é “desviado” na superfície.

Com base na figura, vamos definir algumas grandezas utilizadas e iremos representar os feixes incidente, refletido e refratado como raios, que são linhas retas traçadas perpendicularmente às frentes de onda, que indicam a direção do movimento dessas ondas. O ângulo de incidência Ø1 o ângulo de reflexão Ø1’ e o ângulo de refração Ø2 , também estão sendo mostrados. Observe que cada um desses ângulos é medido entre a normal à superfície e o raio correspondente. O plano que contém o raio incidente e a normal à superfície é chamado de plano de incidência. Na Figura, o plano de incidência é o plano da página.

Observamos experimentalmente que a reflexão e a refração obedecem às seguintes leis:

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Figura 5 – Reflexão e a refração de um feixe de luz [10]

LEI DA REFLEXÃO: O raio refletido está contido no plano de incidência, e Ø1’ = Ø2’ (Reflexão)

LEI DA REFRAÇÃO: O raio refratado está contido no plano de incidência, e n1 os Ø1= n2 os Ø2 (Refração)

n1 é uma constante adimensional chamada índice de refração do meio l, e n2 é o índice de refração do meio 2.

A Equação da reflexão é chamada de Lei de Snell. O índice de refração de uma substância é igual a c/v, onde c é a velocidade da luz no espaço livre (vácuo), e v é a sua velocidade na substância considerada, conforme será visto mais adiante. O índice de refração da luz, em qualquer meio, exceto o vácuo, depende do comprimento de onda da luz. Além disso, ondas luminosas de comprimentos de onda diferentes são refratadas com ângulos diferentes ao atravessarem uma superfície.

Assim, quando um feixe de luz, consistindo em componentes com diferentes comprimentos de onda, incide numa superfície de separação de dois meios, os componentes do feixe são separados por refração e se propagam em direções diferentes.

O índice de refração em um meio é, geralmente, maior para um comprimento de onda menor (luz azul), do que para um comprimento de onda maior (luz vermelha). Isso significa que, quando a luz branca se refrata, através de uma superfície, o componente azul sofre um desvio maior do que o componente vermelho, com as cores intermediárias apresentando desvios que variam entre esses dois.

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ESTUDO DA FIBRA ÓPTICA

Conceito de fibra óptica

Fibra Óptica: É um guia de onda dieléctrico com estrutura circular cilíndrica e sessão circular recta que funciona como meio de transmissão a longa distância sem interferência externa para a luz produzida pelo transmissor óptico.

Estrutura da fibra óptica

As fibras ópticas são constituídas basicamente de materiais dielétricos (isolantes) que, como já dissemos, permitem total imunidade a interferências eletromagnética; uma região cilíndrica composta de uma região central, denominada núcleo, por onde passa a luz; e uma região periférica denominada casca que envolve o núcleo.

A fibra óptica é composta por um núcleo envolto por uma casca, ambos de vidro sólido com altos índices de pureza, porém com índices de refração diferentes. O índice de refração do núcleo (n1) é sempre maior que o índice de refração da casca (n2). Se o ângulo de incidência da luz em uma das extremidades da fibra for menor que um dado ângulo, chamado de ângulo crítico ocorrerá à reflexão total da luz no interior da fibra.

Veremos agora a estrutura do cabo de fibra óptica.

Figura 12 – Estrutura em corte da fibra óptica [1]

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Núcleo: O núcleo é um fino filamento de vidro ou plástico, medido em micra (1 ηm = 0,000001m), por onde passa a luz. Quanto maior o diâmetro do núcleo mais luz ele pode conduzir.

Casca: Camada que reveste o núcleo. Por possuir índice de refração menor que o núcleo ela impede que a luz seja refratada, permitindo assim que a luz chegue ao dispositivo receptor.

Capa: Camada de plástico que envolve o núcleo e a casca, protegendo-os contra choques mecânicos e excesso de curvatura.

Fibras de resistência mecânica: São fibras que ajudam a proteger o núcleo contra impactos e tensões excessivas durante a instalação. Geralmente são feitas de um material chamado kevlar, o mesmo utilizado em coletes a prova de bala.

Revestimento externo: É uma capa que recobre o cabo de fibra óptica.

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

Existem duas categorias de fibras ópticas: Multimodais e Monomodais. Essas categorias definem a forma como a luz se propaga no interior do núcleo.

Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)

As fibras multimodo (MMF MultiMode Fiber) foram as primeiras a serem comercializadas. Porque possuem o diâmetro do núcleo maior do que as fibras monomodais, de modo que a luz tenha vários modos de propagação, ou seja, a luz percorre o interior da fibra óptica por diversos caminhos. E também porque os conectores e transmissores ópticos utilizados com elas são mais baratos.

As setas verde, azul e vermelha representam os três modos possíveis de propagação (neste exemplo), sendo que as setas verde e azul estão representando a propagação por reflexão. As dimensões são 62,5 ηm para o núcleo e 125 ηm para a casca. Dependendo da variação de índice de refração entre o núcleo e a casca, as fibras multimodais podem ser classificadas em: Índice Gradual e Índice Degrau.

Figura 13 – Propagação da luz multimodal [3]



Multimodo de Índice Degrau

Possuem um núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca. As fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por isto, possuem características inferiores aos outros tipos de fibras a banda passante é muito estreita, o que restringe a capacidade de transmissão da fibra. As perdas sofridas pelo sinal transmitido são bastante altas quando comparadas com as fibras monomodo, o que restringe suas aplicações com relação à distância e à capacidade de transmissão.

Figura 14 – Fibra Óptica Multimodo ID

Multimodo de Índice Gradual

Possuem um núcleo composto com índices de refração variáveis. Esta variação permite a redução do alargamento do impulso luminoso. São fibras mais utilizadas que as de índice degrau. Sua fabricação é mais complexa porque somente conseguimos o índice de refração gradual dopando com doses diferentes o núcleo da fibra, o que faz com que o índice de refração diminua gradualmente do centro do núcleo até a casca. Mas, na prática, esse índice faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e chegue à outra extremidade da fibra ao mesmo tempo praticamente, aumentando a banda passante e, conseqüentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica.

São fibras que com tecnologia de fabricação mais complexa e possuem característica principais uma menor atenuação 1dBm/km, maior capacidade de



transmissão de dados (largura de Banda de 1Ghz), isso em relação as fibras de multimodo de índice Degrau.

Figura 15 – Fibra Multimodo IG

Fibras Monomodo (SMF Single Mode Fiber)

As fibras monomodais são adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias, embora requeiram conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo. Nas fibras monomodais, a luz possui apenas um modo de propagação, ou seja, a luz percorre interior do núcleo por apenas um caminho. As dimensões do núcleo variam entre 8 ηm a 10 ηm, e a casca em torno de 125 ηm. As fibras monomodais também se diferenciam pela variação do índice de refração do núcleo em relação à casca; classificam-se em Índice Degrau Standard, Dispersão Deslocada (Dispersion Shifed) ou Non-Zero Dispersion.

Figura 16 – Propagação da luz em monomodal [3]

As características destas fibras são muito superiores às multimodos, banda passante mais larga, o que aumenta a capacidade de transmissão. Apresenta perdas mais baixas, aumentando, com isto, a distância entre as transmissões sem o uso de repetidores de sinal. Os enlaces com fibras monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os repetidores.



PROPRIEDADES DAS FIBRAS ÓPTICAS

Imunidade a Interferências

Por serem compostas de material dielétrico, as fibras óticas não sofrem interferências eletromagnéticas. Isso permite uma boa utilização dela, mesmo em ambientes eletricamente ruidosos.

Ausência de diafonia

As fibras adjacentes em um cabo ótico não interferem umas nas outras por não irradiarem luz externamente. Não ocorrendo o mesmo nos cabos metálicos, que quando perdem parte de seu isolamento, ocorre uma irradiação entre pares metálicos adjacentes, ocasionando o fenômeno crosstalk.

Isolação elétrica

O material dielétrico que compõe a fibra proporciona um isolamento elétrico entre os transceptores ou estações interligadas. Ao contrário dos suportes metálicos, as fibras óticas não têm problemas de aterramento com interfaces dos transceptores.

Dispersão

É uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica, dada em MHz/km, e está relacionada com a capacidade de transmissão de informação das fibras. Os mecanismos básicos de dispersão são

Modal Cromática

Dispersão Modal

Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Numa fibra degrau, todos os modos viajam com a mesma velocidade, pois o índice de refração é constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem (que percorrem caminho mais longo) demorarão mais tempo para sair da fibra do que os modos de baixa ordem. Neste tipo de fibra, a diferença entre os tempos de chegada é dado por ?= Δt1, onde;

t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem Δ é a diferença percentual de índices de refração entre o núcleo e a casca dada

por Δ =(n1-n2)/n1A dispersão modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo será guiado.



Disperção Cromática

Esse tipo de dispersão depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos

Dispersão material Dispersão de guia de onda

Disperção Material

Como o índice de refracção depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem certa largura espectral finita (Δλ), temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso.

A dispersão provocada pela dispersão material é dada por , onde.

Δλ é a largura espectral da fonte luminosa c é a velocidade da luz no vácuo n é o índice de refração do núcleo

Disperção de guia de onda

Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material reduzida (Δλ pequeno em torno de 1300 nm) e é da ordem de alguns os/(nm.km).



AS VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS

As principais características das fibras ópticas, estacando suas vantagens como meio de transmissão, são os seguintes:

Largura de Banda

Como as fibras ópticas permitem a transmissão de sinais da ordem de 1THz, a excelente performance das fibras ópticas permitem maior capacidade de transmissão superando os meios de transmissão convencionais. Actualmente, mais de 120.000 canais de voz podem ser transmitidos em uma única fibra.

Perda de transmissão muito baixa

A baixa atenuação possibilita enlaces de maiores distâncias com poucos repetidores de sinal, representando uma diminuição nos investimentos para implantação dos sistemas de transmissão e os gastos com a posterior manutenção. Hoje é possível implementar enlaces em tomo de 200 km sem uso de repetidores

Imunidade a Interferências Externas e Insolação Eléctrica

A fibra é feita de material dieléctrico, por isso não é afectado por interferência electromagnética (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI), o que toma viável sua utilização em sistemas que podem sofrer degradações causadas por descargas eléctricas e instalações eléctricas de alta tensão, além de eliminar o uso de sistemas de protecção contra centelhamento, para utilização em áreas de atmosfera explosiva.

Segurança da informação e do sistema

As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, implicando um alto grau de segurança para a informação transportada.

Baixo Preço da Matéria-prima

A matéria-prima utilizada para fabricação do vidro é a sílica, amplamente encontrada na natureza.

Baixo Peso e Pequena Dimensão

A fibra óptica pesa, aproximadamente, 30 g/km. Se compararmos um cabo óptico a um cabo de cobre com a mesma capacidade, notamos que o de fibras ópticas é 20 vezes mais leve, além da menor dimensão. Isso o torna mais viável em aplicações onde peso e dimensão são parâmetros importantes, como em cabos aéreos, etc.

Alta resistência a agentes químicos e variações de temperatura

As fibras ópticas, por serem compostas basicamente de vidro ou plástico, têm uma boa tolerância a temperaturas, favorecendo sua utilização em diversas aplicações. Além disso, as fibras ópticas são menos vulneráveis à ação de líquidos e gases corrosivos, contribuindo assim para uma maior confiabilidade e vida útil dos sistemas.



DESVANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS

O uso de fibras ópticas, na prática tem as seguintes implicações que podem ser consideradas como desvantagem em relação aos suportes de transmissão convencional:

Emenda da Fibra Óptica

Se não forem tomados os cuidados necessários nas emendas das fibras, poderá haver grande perda da potência óptica nessa emenda. Para que uma emenda seja bem-feita, é necessário utilizar equipamentos especiais e pessoas treinadas a operá-los. Isso pode acarretar em maior tempo e custo para fazer manutenção em cabos que tenham sofrido rompimento.

Derivações Limitadas

Existem limitações quanto ao uso de derivações passivas, pois os componentes utilizados para esse fim, atenuam consideravelmente o sinal, dificultando ligações do tipo ponto a multiponto.

Padrão dos Sistemas Ópticos

Não existem padronizações para conectores, interfaces, códigos digitais e comprimentos de onda. No momento actual apenas alguns padrões estão definidos, como os códigos de linha para SDH.

Efeitos da Radiação Laser

Apesar do nível de potência óptica não ser elevado, pessoas envolvidas com trabalho de instalação ou manutenção devem usar protectores para os olhos quando estiverem perto de lasers ou em uma extremidade da fibra óptica, prevenindo danos aos olhos.

Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos

O manuseio de uma fibra óptica “nua” é bem mais delicado que no caso dos suportes metálicos.

Dificuldade de conexão das fibras ópticas

As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização das conexões e junções.

Acopladores tipo T com perdas muito altas

É muito difícil se obter acopladores de derivação tipo T para fibras ópticas com baixo nível de perdas. Isso repercute desfavoravelmente, por exemplo, na utilização de fibras ópticas em sistema multiponto.

Impossibilidade de alimentação remota de repetidores



Os sistemas com fibras ópticas requerem alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão.

APLICAÇÕES DA FIBRA ÓPTICA

Rede Telefónica

Uma das aplicações pioneiras das fibras ópticas em sistemas de comunicação corresponde aos sistemas de troncas de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas troncas exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilômetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilômetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.

Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)

A rede local de assinantes, isto é, a rede física interligando assinantes à central telefônica local, constitui uma importante aplicação potencial de fibras ópticas na rede telefônica. Embora as fibras ópticas não sejam ainda totalmente competitivas com os pares metálicos, a partir da introdução de novos serviços de comunicações (videofone, televisão, dados etc.), através das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), o uso de fibras ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativo.

Cabos Submarinos

Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações.

Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações

A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de quilômetros sem um repetidor.

Redes Locais de Computadores

As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de comunicação de dados que podem ser interligados por cabos de fibra óptica.

Televisão por Cabo (CATV)

A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é uma outra classe de aplicações bastante difundida. As fibras ópticas têm sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitores externos instaladas em veículos.

Sistemas de Energia e Transporte



A fibra óptica apresenta facilidades de comunicações que incluem, além de serviços de comunicação telefónica, serviços de telemetria, supervisão e controle ao longo do sistema eléctricos.

FONTES ÓPTICASFONTES ÓPTICAS

Tipos de Fontes ÓpticasTipos de Fontes Ópticas

Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que são frequentemente utilizadas: LED e LASER.

Cada um destes dois tipos de fontes oferece certas vantagens e desvantagens, e diferenciam-se entre si sob diversos aspectos:

Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se comparados com os leds , LED : (-7 a -14dBm) e LASER: (1dBm)

Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que proporciona menor dispersão material.

Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.

Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à temperatura.

Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.

Custos: os lasers são mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricação é maior.



Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os leds. Ambos podem ser fabricados do mesmo material, de acordo com o comprimento onda desejado: * AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.* InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.

Através das características de ambos os elementos, vemos que o laser é o que nos fornece uma maior potência luminosa e uma menor largura espectral, razão pela qual é amplamente empregado nos circuitos ópticos. Desta forma, faremos um breve entendimento sobre os conceitos básicos do laser, bem como o seu funcionamento como fonte óptica.

LaserLaser

Para entendermos o funcionamento de um laser, vamos tomar um laser a gás (HeNe) de maneira didáctica onde os números usados são ilusórios para maior visualização dos fenómenos.

Um átomo é composto de um núcleo e de elétrons que permanecem girando em torno do mesmo em órbitas bem definidas. Quanto mais afastado do núcleo gira o elétron, menor a sua energia. Quando um elétron ganha energia ele muda de sua órbita para uma órbita mais interna, sendo este um estado não natural para o átomo mas sim forçado. Como esse estado não é natural, o átomo por qualquer distúrbio tende a voltar a seu estado natural, liberando a energia recebida em forma de ondas eletromagnéticas de comprimento de onda definido em função das órbitas do átomo.



Existem duas condições básicas para que o fenômeno laser aconteça:

Inversão de população Alta concentração de luz

A inversão de polarização é o estado em que uma grande quantidade de átomos fica com elétrons carregados de energia, girando em órbitas maior interna. É como se o átomo fosse engatilhado para o disparo de ondas electromagnéticas (os fótons). Esse estado é conseguido através de altas tensões de polarização fornecidas ao laser (200 à 300V).

A alta concentração de luz é a perturbação necessária para que o átomo dispare, ou seja, volte a sua condição natural, liberando portanto, a energia armazenada em forma de ondas eletromagnéticas. Se tivermos uma quantidade de átomos suficientes engatilhados e se a concentração de luz for suficiente teremos um efeito multiplicativo onde o fóton gerado gera outros fótons, obtendo-se assim o fenômeno laser (emissão de radiação estimulada amplificada pela luz).

As características típicas de um laser são:

luz coerente altas potências monocromaticidade diagrama de irradiação concentrado altas tensões de polarização fluxo de luz não proporcional à corrente vida útil baixa (10000 horas) sensível a variações de temperatura alto custo próprio para sinais digitais altas velocidades, ou seja, grande banda de passagem (1 Ghz ou mais)



Os lasers usados em sistemas ópticos são feitos de materiais semicondutores, os quais geram comprimentos de onda apropriados para transmissão (janelas de baixa atenuação). A cavidade onde ocorre o fenômeno laser é obtida através da diferença entre os índices de refração das várias camadas, da diferença de intensidade de campo elétrico e dos espelhos (face polida) do cristal semicondutor.

Existem dois tipos de lasers quanto ao tipo de fabricação:

Lasers cujo guia de onda (cavidade ressonante) é induzida por corrente, chamados lasers GLD (gainguide laser diode).

Lasers cujo guia de onda é incorporado pela variação de índice de refração, chamados lasers ILD (index guide laser diode).



As suas principais diferenças são:

a) Corrente de acionamento : GLD: 50 à 120 mA e ILD: 10 à 60 mA

b) Astigmatismo: GLD: forte e ILD: muito fraco

c) Sensibilidade: GLD: baixa e ILD: alta

d) Técnica de fabricação: GLD: simples e ILD: complexa

Os lasers são geralmente montados em módulos que tem a função básica de garantir um perfeito funcionamento e alinhamento em condições de operação, pois são componentes herméticos ou selados.

Díodo emissor luminescente (LED)

As fontes de luz mais comuns para os sistemas de comunicação por fibra óptica são os LEDs, porque emitem luz invisível próxima do infravermelho. Sua operação é como a operação básica de um diodo comum. Uma pequena tensão é aplicada entre seus terminais, fazendo uma pequena corrente fluir atráves da junção. Este diodo é formado por duas regiões de aterial semiciondutor, dopado com impurezas do tipo P e do tipo N. A região P é a que possui menos elétrons do que átomos, o que implica em lacunas onde há espaços para os elétrons na estrutura crstalina. Já a região N é caracterizada por apresentar mais életrons livres do que lacunas.

Díodo emissor luminescente (LED) é uma fonte de ondas não monocromáticasom uma grande largura de espectro de emissão ( 400 Å), não coerente, de rapidez média; LED tem longa vida de serviço, baixo preço e geralmente é usado nas linhas de curto alcance.



Fig: 12 Fonte luminosa ( led)

O comprimento de onda emitido pelo LED depende dos níveis internos de energia do semicondutor. Os comprimentos de onda mais usados em aplicações de fibra óptica são de 820 e 850 nm. Em temperatura ambiente, a largura de banda típica de 3dB de um LED de 820 nm é de 40 nm, aproximadamente.

A potência de luz de um LED é, aproximadamente, proporcional à injeção de corrente, devido a algumas recombinações entre eletróns e lacunas que não produzam fótons. O LED não é 100% eficiente.

Existem dois tipos de LED mais utilizados em sistemas de comunicação por fibras ópticas: emissores de borda e emissores de superfície, sendo que os emissores de superfície são mais comumente utilizados, porque oferecem melhor emissão le luz. Mas as perdas de acoplamento são maiores nestes emissores e eles apresentam larguras de banda de modulação menores que os emissores de borda.

Diodos PIN

Se os átomos de impureza não são distribuídos uniformemente na base do fotodíodo (região n), então nela aparece o campo eléctrico interno, que é proporcional



ao gradiente da concentração da impureza. Neste caso aumenta o número e a velocidade do movimento de portadores ópticos para a junção pn, o que melhora os parâmetros do fotodíodo (eficiência quântica e rapidez).

Nos fotodíodos com junção tipo n+p a largura da região de carga espacial depende da resistividade da região p. Se a resistividade é cerca de varias centenas de Ohm.m, então a zona da carga espacial pode ocupar quase toda a região p. A região com alta resistividade pelas suas propriedades é semelhante ao semicondutor intrínseco (tipo i) ou extrínseco ligeiramente dopado. Por isso os díodos com zona intrínseca na região da junção são denominados pin-díodos (Fig 17 ).

a b

Fig: 17. Estrutura física do pin-fotodíodo e distribuição do campo eléctrico nas regiões p, i, n (a); construção de InGaAs pin-fotodíodo com base na heteroestrutura

A largura óptima da região intrínseca depende do compromisso entre a sensibilidade e o tempo de resposta. A sensibilidade diminui com redução da largura da zona de depleção mas cresce a velocidade de resposta. Para os pin-díodos com base nos semicondutores com transições indirectas (Ge e Si) o valor típico da largura da zona de depleção W = 20 -:- 50 μm.

O factor principal que limita a largura de banda é o tempo de transito tr > 200 ps. Para os pin-díodos com base nos semicondutores com transições directas (InGaAS) o valor típico da largura da zona de depleção W = 3 -:- 5 μm, tr = 30-:-50 ps, portanto a largura de banda estes pin-fotodíodos é maior e oscila entre 3 – 5 GHz. As características típicas dos pin-fotodíodos são dadas na tabela.

Parâmetro Símbolo Unidades Si Ge InGaAs



Comprimento de onda

Λ μm 0,4 – 1,1 0,8 – 1,8 1,0 – 1,7

Sensibilidade S A/W 0,4 – 0,6 0,5 – 0,7 0,6 – 0,9

Eficiência quântica

Η % 75 – 90 50 – 55 60 – 70

Corrente de escuridão

I0 nA 1 – 10 50 – 500 1 – 20

Tempo de resposta

Tr ns 0,5 – 1 0,1 – 0,5 0,05 – 0,5

Largura de banda

Δf GHz 0,3 – 0,6 0,5 – 3 1 – 5

Tensão aplicada

V V 50 - 100 6 - 10 5 - 6

Eles têm a melhor eficiência quântica, maior rapidez (<1 ns) e baixa corrente de escuridão (< 1 nA) em comparação com os díodos de junção pn. A absorção da luz ocorre essencialmente na região de depleção (região i). Os portadores minoritários ópticos, gerados devido à absorção da luz na larga região tipo i, são separados pelo campo eléctrico e formam a corrente fotoeléctrica. A tacha de recombinação dos portadores ópticos na zona de depleção é baixa.

A performance do pin-díodo com base na heteroestrutura (Fig.) pode melhorar consideravelmente os seus parâmetros. A largura da zona proibida do semicondutor InP é Eg = 1,35 e V, portanto este material é transparente para a radiação com comprimento de onda λ > 0,92 μm. Ao contrário, a largura da zona proibida do In1-x Gax

As para x = 0,47 é Eg = 0,75 eV. Este valor corresponde ao comprimento de onda limiar λ = 1,65 μm e este material absorve fortemente a radiação no intervalo de c.d.o. de 1,3 a 1,6 μm. A componente de difusão da corrente fotoeléctrica do pin-fotodíodo com base na heteroestrutura é totalmente eliminada, porque os fotóes são absorvidos só na região de depleção. A eficiência quântica pode ser bem próxima a 100% se usar as camadas de InGaAs com espessura cerca de 4 – 5 μm. Em 1995 foi fabricado um pin-



fotodíodo com base na heteroestrutura com a largura de banda Δf = 110 GHz e o tempo de resposta cerca de 1 ps.

É de notar que os fotodiodos de junção e pin-fotodíodos não podem amplificar a corrente eléctrica internamente. Por outro lado, tem a resposta linear na larga escala da potência óptica incidente e podem funcionar com as tensões bastante baixas. Devido a estas características encontram vasta aplicação na optoelectrónica.

Díodo APD

O factor de multiplicação depende de dois coeficientes αn e αp, que são denominados por coeficientes de ionização de electrões e de lacunas por impacto, respectivamente. Eles dependem do material de semicondutor. Para tensão aplicada ao diodo de avalanche V = 100 Volts (E ≈ 2x105 V/cm) o valor típico de αn = 104 cm-1. Os parâmetros típicos de diferentes tipos dos díodos de avalanche são dados na tabela

Parâmetro Símbolo Unidades Si Ge InGaAs

Comprimento de onda

Λ μm 0,4 – 1,1 0,8 – 1,8 1,0 – 1,7

Sensibilidade S A/W 8 - 130 3 - 30 5 - 20

Coeficiente de multiplicação

M - 100 – 500 50 – 200 10 – 40

k – factor kA = αn/ αp - 0,02 – 0,05 0,7 – 1,0 0,5 – 0,7

Corrente de escuridão

I0 nA 0,1 – 1 50 – 500 1 – 5



Tempo de resposta

Tr ns 0,1 – 2 0,5 – 0,8 0,1 – 0,5

Largura de banda

Δf GHz 0,2 – 1,0 0,4 – 0,7 1 – 3

Tensão aplicada

V V 200 - 250 20 - 40 20 - 30

Para criar uma avalanche de portadores têm que ser cumpridos as seguintes condições:

1. A largura de zona de depleção, na qual cria-se o campo eléctrico interior forte deve ser maior que o percurso livre dos portadores minoritários.

2. A energia cinética adquirida pêlos portadores minoritários no campo eléctrico interior deve ser suficiente para a excitação dos electrões de valência, isto é deve ser maior que a energia de ionização por impacto (1,5 - 3,0) Eg , sendo Eg a largura de zona proibida.

O factor de multiplicação M é dado pela fórmula:

M = (1 – kA) / exp[-(1 – kA) αnd] - kA,

Sendo: kA = αp/αn , é o k – factor; d - é a largura da zona de multiplicação.

Se na formação da avalanche participam somente os electrões (αp = 0) então o factor de multiplicação é igual a

M = exp(αn d).



Se na formação da avalanche participam dois tipos de portadores e αn = αp, então kA = 1 e factor de multiplicação é

M = 1/(1 - αn d).

Desta expressão resulta que para αnd = 1 o factor de multiplicação M tende para infinito. Este caso corresponde à disrupção do diodo de avalanche. Portanto na pratica as vezes usam a formula aproximada para o factor de multiplicação (ou ganho interno):

M = 1/[1 - (V/Vd)n],

sendo V - a tensão aplicada à junção, Vd - a tensão de disrupção, n - o coeficiente que depende do tipo de ionização e do comprimento de onda da luz incidente (n = 3,4 - 4,0 para a ionização de electrões, n = 1,2 - 2,0 - para a ionização de lacunas).

A distribuição de concentração de impurezas e do campo eléctrico para diferentes valores da tensão aplicada está representada na figura abaixo.

Fig:18 Diodo de avalanche: a – concentração de portadores em diferentes regiões da estrutura; b,c,d – distribuição de campo eléctrico para diferentes valores da

tensão aplicada, Vc é a tensão crítica


Zona de multiplicação

Região de deriva

V = Vc

V > VcV < Vc


Duas construções de diodo de avalanche de InGaAs com base na mesma estrutura que podem detectar o sinal óptico na larga banda de freqüências, até 6 -7 GHz.

Os parâmetros médios típicos dos díodos de avalanche são seguintes:

O coeficiente de multiplicação 103; A sensibilidade integral até 100 a/w; A sensibilidade espectral limiar até 10-15 whz -1/2; O tempo da resposta 0,5 ns.

.

MODULAÇÃO

Definição de modulação

A modulação é definida como o processo de transformar a informação na sua forma original numa forma adequada para que seja realizada a transmissao;

A modulação é um processo que consiste em variar algumas das característica de onda sinusoidal de alta frequência de acordo com o valor instantâneo do sinal modulante, também podemos dizer que a modulação é o processo onde um sinal principal (a portadora) tem sua forma alterada, em frequência, fase ou amplitude, através de um sinal secundário (modulado), podendo este estar dentro da faixa audível dos sinais de voz acima desta.

Podemos ainda defini-la como sendo a adaptação de um sinal transmitido através de um canal de um ponto (origem) a outro (destino).



NECESSIDADE DE MODULAÇÃO

Antes de iniciar-mos uma discussão quantitativa da modulação interessa determinar as vantagens da modulação de um sinal. Foi já estudado anteriormente mencionado que a modulação é necessária para adaptar a característica de um sinal ao canal. Neste contexto esta adaptação envolve vários aspectos importantes que são:

Modulação para facilidades de radiação

Se um canal de comunicação consiste em espaço livre, então será necessárias antenas para radiar e receber o sinal. A radiação electromagnética eficiente requer antena cuja dimensão seja de grandeza do comprimento de onda usado. Mas muitos sinais incluindo sinais de áudio, têm frequência de 100Hz ou mais baixas. Para estes Sinais seriam necessárias antenas de 300Km (comp= C/f) se fossem radiadas directamente. Se for usada modulação ‘‘imprimindo’’ a mensagem num sinal de frequência muito elevada por exemplo 100MHz, então as antenas já terão dimensões mais razoáveis (na ordem de metros);

Modulação para fins de Multiplexagem

Se mais de um sinal utilizar um único canal, a modulação pode ser usada para transladar diferentes sinais para diferentes frequências, permitindo a selecção do sinal pretendido;

Modulação para suprimir Limitações de Equipamento

O desempenho dos dispositivos de processamento de sinais tais como filtros e amplificadores e a facilidade com que estes podem ser implementados dependem do domínio de frequência onde irão actuar e nomeadamente no quociente entre a frequência mais elevada e mais bai

TIPOS DE MODULAÇÃO

Como foi dito anteriormente, a modulação é necessária sempre que o sinal a ser transmitido não possua características compatíveis com as do meio de transmissão a ser utilizado. Assim, a modulação pode ser do tipo analógica ou digital, conforme os formatos do sinal de informação e da portadora.

Modulação analógica



A modulação analógica é classificada como modulação de onda continua (CW), na qual a portadora é uma onda cosenoidal e o sinal modulado é analógico ou contínuo. A modulação analógica tem as seguintes variantes:

Modulação AM (Modulação em Amplitude) Modulação FM (Modulação em Frequência)

Modulação em Amplitude (AM)

A modulação AM è o processo utilizado para variar a amplitude da portadora de uma frequência relativamente alta de acordo com a amplitude de um sinal modulado, o qual contém a informação.

È normalmente usada em sistemas de rádio, usando frequências irradiadas por antenas denominadas Rádio frequências(RF).

Esta contém uma envoltória da portadora que será a informação transmitida, e está presente nos semi-ciclos positivos e negativos da portadora. O índice percentual em que o sinal modulante altera a portadora sinodal determina o índice ou profundidade de modulação.

Principais processos de modulação em AM

1. AM-DSB2. AM-DSB/SC3. AM-SSB4. AM-SSB/SC5. AM-VSB



Representações analíticas e gráficas

Modulação em Frequência (FM)

A modulação em frequência consiste em desviar a frequência de uma portadora conforme as variações de frequência do sinal modulante. A informação esta contida nos desvios de frequência provocados na portadora, o circuito que ira reconhecer a informação nestes desvios è chamado de Desmodulador FM.

Se uma onda da portadora é modulada em frequência, a sua amplitude mantêm-se constante mas a frequência da portadora se desvia do seu valor nominal e è proporcional á amplitude do sinal modulante, e o número de vezes por segundo que se desvia è igual á frequência do sinal modulante

MODULAÇÃO DIGITAL

Esta modulação é também denominada modulação discreta ou codificada. Utilizado para transmitir uma forma de onda ou mensagem, que faz parte de um conjunto finito de valores discretos representando um código.

É a modificação de um sinal electromagnético inicialmente gerado antes de ser irradiado de forma que este transporte sobre uma onda portadora.

Também é o processo pelo qual a informação a transmitir numa comunicação é adicionada a ondas electromagnéticas. O transmissor adiciona a informação numa onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra através de um processo reverso chamado Demodulaçao.



A maioria dos sinais da forma como são fornecidos pelo transmissor, não podem ser enviados directamente através dos canais de transmissão. Consequentemente é necessário modificar este sinal através de uma onda electromagnética portadora; cujas propriedades são mais convenientes aos meios de transmissao

TIPOS DE MODULAÇÃO DIGITAL

Modulaçao PSk

É uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação quando há uma transição de um bit 0, para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0 a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180.

Modulação QPSK

É uma técnica derivada do PSK neste esquema são utilizados parâmetros de fase e quadratura da onda portadora para o modulador o sinal de informação. Em QPSK cada estado (símbolo) é formado por bits: 00, 01, 10, 11 por isso, para representa-los, há 4 fases.

Modulação 8PSK

modulação PSK è A o nome de uma técnica de modulação na qual a portadora pode ser transmitida/recebida em oito diferentes fases desta forma, è possível a transmissão de até 3 bit em cada símbolos de modulação, de 000 até 111.

A modulação 8psk exige uma alta relação sinal ruído e por isso não era utilizado nos primeiros sistemas celulares. Na tecnologia EDGE, que è 2,5G,a modulação 8-psk passou as utilizado em alguns dos MCS (modulation and coding schemes) para transmissão de dados por pacotes.

Representações analíticas e gráficas da modulação digital



Vantagens da Modulação Digital

A modulação digital tem referencia sobre a analogica devido a um factor fundamental: a informação transmitida na forma digital pode ser regenerada, replicada e retransmitida, mantendo-se livre de distorções.

Esta vantagem, entretanto, possui um certo custo: o sinal modulado digitalmente ocupa maior largura de faixa que seu correspondente modulado analogicamente.

Outra vantagem da modulação digital consiste na possibilidade de muitiplexação de sinais de informação originalmente analogica juntamente com dados provenientes de computadores os quais já são digitais por natureza.

MULTIPLEXAÇÃO



A idéia básica de multiplexação é que diferentes tipos de sinais podem ser transportados por um sistema de transmissão óptico, ou seja, é um meio em que é possível transmitir dois ou mais canais de informação simultaneamente.

TIPOS DE MULTIPLEXAÇÃO

São definidos três tipo de multiplexação, que serão tratados a seguir:

Time Division Multiplexing (TDM) multiplexagem por divisão no tempo; Frequency Division Multiplexing (FDM) multiplexagem por divisão na

freqüências; Wavelength Division Multiplexing (WDM) multiplexagem por divisão do

comprimento de onda;

TDM - Time Division Multiplexing

É o método de multiplexação de vários canais em um único canal, dado pela associação de cada canal a um intervalo de tempo diferente para transmissão de um grupo de bits. Ébutilizado apenas com sinais binários provenientes de modulação por código de pulso (PCM), sem se importar se a origem do sinal é analógica ou digital.

Esta associação de intervalos é obtida quando cada canal digital que origina a informação entra no multiplexador e é armazenado em um buffer de memória denominado bloco de sincronismo. As funções do multiplexador, como a amostragem de cada canal de entrada a taxas com velocidades compatíveis às requeridas pelo sistema, devem se feitas. Nesta taxa a amostragem, o circuito multiplexador pode amostrar o primeiro bit de informação dos canais 1 a N (último canal) e adicionar um overhead de informação de volta ao primeiro canal, antes que o próximo bit de informação do canal 1 entre. Este multiplexador pode aceitar um ou mais bits binários ao mesmo tempo de cada canal e gerar, depois, vários pulsos que compensam a transmissão do sinal.

O bit de overhead é utilizado para que o demultiplexador, no lado do receptor, possa identificar os canais, que são separados e reconstruídos.

Pela não utilização de banda de guarda o TDM se torna muito mais eficiente que o FDM. A única ineficiência é que um pequeno número de bits é adicionado ao conjunto de pulsos (dados) transmitido, para prover ao multiplexador e demultiplexador sincronismo e detecção de erro, bem como alguns poucos bits extras para gerenciamento em sistemas de comunicação em redes.

FDM - Frequency Division Multiplexing



É o método pelo qual vários canais de informação são multiplexados em um único canal, dado pela associação de cada um destes canais a um portadora diferente. Para tornar isto possível , cada canal de origem ou banda base modula uma portadora de uma freqüência diferente em amplitude, freqüência ou fase. Cada nova portadora modulada será referida como canal intermediário. Cada um desses canais intermediários é, então, combinado em um canal de transmissão simples, geralmente aplicando-o a um circuito combinador composto por um arranjo resistivo (talvez com alguma amplificação), não muito diferente de um divisor de potências.

Isto resulta em um sinal composto, onde cada canal é identificado como uma banda separada de freqüências, e que pode ser identificado por uma freqüência portadora discreta.

Este tipo de multiplexação é caracterizado pelo seu baixo custo e pela multiplexação de vários canais em um único canal, com uma largura de banda junta. Por isto esta técnica é utilizada na propagação de sinais de rádio e TV.

Sua desvantagem, quando aplicada a fibras ópticas, é que a linearidade das fontes ópticas, embora algumas estejam entre 0,001% e 0,1%, não é suficiente para evitar a geração de distorção harmônica.

Não segue nenhum padrão específico. Ele é desenvolvido e fabricado para aplicações específicas, como TV a cabo.

WDM - Wavelength Division Multiplexing

Os sinais que transportam a informação, em diferentes comprimentos de onda, são combinados em um multiplexador óptico e transportados através de um único par de fibras, com o objectivo de aumentar a capacidade de transmissão e, consequentemente, usar a largura de banda da fibra óptica de uma maneira mais adequada. Os sistemas que utilizam esta tecnologia, em conjunto com amplificadores ópticos, podem aumentar significativamente a capacidade de transmissão de uma rota sem a necessidade de se aumentar o número de fibras.

O DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - multiplexação densa por comprimento de onda) é uma tecnologia WDM. Segundo a ITU (International Telecommunications Union), os sistemas DWDM podem combinar até 64 canais em uma única fibra. No entanto, podemos encontrar, na prática, sistemas DWDM que podem multiplexar até 128 comprimentos de onda. Além disso, foram realizados alguns testes que provaram ser possível a multiplexação de até 206 canais.



O espaçamento entre os canais pode ser de 200 GHz (1.6 nm), 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), podendo chegar a 25 GHz (0,2 nm). Os sistemas DWDM utilizam comprimentos de onda entre aproximadamente 1500 nm e 1600 nm e apresentam alta capacidade de transmissão por canal, 10 Gbps, podendo alcançar 1Tbps na transmissão de dados sobre uma fibra óptica.

Fig: 16 Princípio do DWDM

Um sistema DWDM capaz de multiplexar 40 comprimentos de onda a 10 Gb/s por canal, possui uma banda total de 400 Gb/s, o que é suficiente para transportar em uma única fibra o conteúdo equivalente a mais que 1100 volumes de uma enciclopédia em 1s. Sistemas DWDM com 40 Gb/s por comprimento de onda já são realizáveis, e a tendência é aumentar continuamente tanto a densidade de canais multiplexados quanto a taxa de bits por canal.

O DWDM é a chave tecnológica para integração das redes de dados, voz e imagem de altíssima capacidade. Além de ampliar exponencialmente a capacidade disponível na fibra, o DWDM possui a vantagem de não necessitar de equipamentos finais para ser implementado. E ainda, esta técnica de multiplexação obedece ao padrão de fibra G.652 (monomodo) que é utilizado na maioria dos backbones de fibra óptica.

Actualmente, o DWDM é utilizado principalmente em ligações ponto-a-ponto. Nessa tecnologia, é possível que cada sinal transmitido esteja em taxas ou formatos diferentes. Desta forma, a capacidade de transmissão de sistemas DWDM podem ser ampliadas consideravelmente e de maneira relativamente fácil. E ainda é capaz de manter o mesmo grau de desempenho, confiabilidade e robustez do sistema.

FUNCIONAMENTO DOS BLOCOS DO ESQUEMA BÁSICO DO TRANSMISSOR E RECEPTOR ÓPTICO



Bloco transmissor

PFM (modulação por pulso de frequência). Associa-se a técnica de multiplexagem por divisão de frequência que consiste na transmissão simultânea de vários canais ou sinais num único meio.

Converter UP (Emissor electro-óptico). Consiste em converter em sinais ópticos os sinais eléctricos, deve ter os seguintes parâmetros:

Uma linha espectral de largura mínima (para uma fonte ideal monocromática deve tender para zero);

O comprimento de onda do raio emitido deve coincidir com uma das “janelas” de transparência da própria fibra óptica;

Um longo tempo de vida activa; Uma alta rapidez (possibilidade de modular o raio luminoso por um sinal de

alta frequência).

Combiner é um dispositivo electrónico que tem como função de efectuar a combinação de sinais ópticos em um só sinal a fim de serem entregue no equipamento transmissor.

XMTR é um bloco que fica localizado no transmissor que permite a transmissão de sinais ópticos

Bloco receptor

RCVR - Receptor de sinais ópticos

Separator - É um dispositivo electrónico que separa os sinais ópticos antes combinado pelo combiner.

Converter Dowm/ Receptor Óptico

Consiste em converter sinais ópticos em sinais eléctricos. Um diodo PIN ou um fotodiodo de avalanche (APD) são utilizados como receptores ópticos. Estes dispositivos convertem o sinal óptico novamente em um sinal eléctrico

DPFM

Desmoldador de pulso de frequência, associado a demultiplexacão por divisão de frequência. Este dispositivo, faz a demultiplexagem dos sinais, de forma que seja distribuído em diversos destinatários.

ESQUEMA BÁSICO DO TRANSMISSOR E RECEPTOR ÓPTICO

Transmissor



Receptor

Fig: 19 Transmissor e Receptor Óptico – Fonte Folheto

FUNCIONAMENTO DO PROJECTO



Baseia-se num sistema de transmissão via fibra óptica multicanal. Composto por varias fontes de informações, podendo ser dados, vídeo ou voz (serviço multimédia).

Para que a transmissão seja feita, totalmente por fibra óptica, deve-se ter em conta a capacidade que o meio apresenta em transmitir os dados (débito binário ou velocidade de transmissão). O ritmo binário de informação de entrada não pode ser superior aquela que é o ritmo máximo do tipo de fibra utilizado, com o risco de não se estabelecer a ligação adequada ao nosso sistema de transmissao. Não se esquecendo também que os sinais de vídeo devem ser modulados usando a técnica de modulação de amplitude vestigial side band (AM-VSB), e os áudio em FM ou AM . Conceitos estes, já referido anteriormente.

Fig: 20 Espectro do Sinal de TV

O XMTR (transmissor) composto por 3 PFM e QASK formando um sistema de 4 canais que podem transmitir em simultâneo as informações em diversos pontos da recepção.

Os sinais de vídeo, podem ser fornecido por um sistema de TV, que partir de uma câmara capta informações de uma cena real e os converte em sinais eléctricos de forma a serem modulados e transmitidos. Este sinal de vídeo, pode ser produzido num estúdio móvel ou fixo.

OBS: Estes sinais, podem ter vindo de uma estação de TV, DSTV transmitindo uma jogo de futebol para Dondo via fibra óptico.



Sinais de áudio, pode se referir de um estúdio de rádio que esteja a transmitir de uma dada localidade. Os microfones, são dispositivos electrónicos que permitem converter sinais acústicos (voz humana) em sinais eléctricos. Os sinais de áudio, são modulados em FM ou em AM

Para além de serviços de áudio analógico, pode se ter a necessidade de transmitir também Sinais de áudio sobre IP (VOIP), que para isso, também este sistema que disponibiliza serviço VOIP também transmitindo para um dado ponto de recepção.

Vários serviços, podem estar integrados e a transmitirem ao mesmo tempo (voz, dados e vídeo, etc.). Para isso, há que se dimensionar perfeitamente a rede em termo de meio de transporte. De modo que suporta um número elevado de transmissão de sinais.

OBS: os sinais de dados, podem ser modulados em PCM

fam = 2 x fm ⇒ frequência de amostragem segundo Nyquist

Todos estes sinais, são entregues a diversos PFM, onde são multiplexados e em um único canal, para darem saídas a diversos conversores eléctricos/ ópticos.

Estes conversores, podem ser um LED ou um diodo laser. Mas no caso especifico, usa-se o LD (diodo laser) devido as suas largas vantagens em relação ao



outro. Posteriormente, estes sinais são enviados para um combinador de sinais ópticos de modo que sejam multiplexados e enviados para que apartar da recepção usando a técnica de multiplexação WDM.

Fig: 21 multiplexagem WDM – Fonte Internet

OBS: alem dos sinais analógicos, também são transmitidos os sinais quase digitais que através da técnica de modulação QASK, são melhorados a sua forma digital

LINK DE FIBRA ÓPTICA LUANDA DONDO

Atendendo a necessidade de garantir um sistema de comunicação por fibra óptica com boa qualidade, surge a necessidade de usarmos cabos fibra óptica que fornecem melhor qualidade de serviço.

Para este caso. Optamos na elaboração do nosso projecto em usarmos fibras monomodo, visto que, elas apresentam grandes vantagens relativamente aos outros tipos de fibras. A seguir, é apresentado o esquema (link de F.O entre Luanda e Dondo, a distancia de 180km), figura é ilustratrativa visto que teremos 6 pontos de junção que serão feitos de 25 em 25km e vão representar também os loops que nos permitiram ter um excesso de fibra de 20m em cada ponto de junção.



O presente mapa abaixo, ilústra-se uma parte do mapa de Angola referente a província de Luanda e Bengo, a linha amarela no mapa, representa a fibra óptica. Devido aos acidentes que existem no trajecto, optou-se por implementar a fibra óptica junto das infra-estruturas rodoviárias existentes ao longo do caminho, assim sendo reduzirá o tempo necessário para se rastrear caso haja, algum problema com a fibra. Os pontos de junção serão postos em locais considerados seguros, e de fácil acesso para efeitos de manutenção.

Serão utilizados pontos de junção em troços de 25km, existirão no entanto 7 segmentos (troços), entre as centrais de Luanda e Dondo, e nas caixas de junção, existira, uma certa porção de fibra de reserva, para casos de novas junções que podem resultar de acontecimentos como degradação da junção, futuras derivações, etc.

Mapa de Luanda e Bengo.



CÁLCULO DE PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DA FIBRA MONOMODO UTILIZADA

Parâmetros da fibra monomodo utilizada

Comprimento de onda, λ =1550nm Atenuação especifica, ᾳf = 0.35 dB ⁄ Km Sensibilidade, Pr = -30dBm Margem de segurança, Fm = 4dB Dispersão, Dλ = 17 ps/ nm.km Atenuação nos conectores, ᾳc = 0.5dB (correspondente a cada conector) Bit–rate (taxa de transmissão) = 1.2Gbps Perdas nos loops ᾳL = 0.023dB correspondente a cada 1m de loop

Atenuação nas fibras monomodo ᾳ f

ᾳf = 0.35 dB ⁄ Km

Atenuação nos conectores na ligação, ᾳ c

ᾳc = 2 × 0.5 = 1dB correspondente a dois (2) conectores

Atendo o nº de conectores existente no nosso link, temos:

ᾳc T = 14 × 0.5 = 7dB ( teremos 7dB de perdas nos conectores)

Atenuação nas junções, ᾳs

ᾳs ≈ 0 visto que não temos nenhuma junção entre cabos



Atenuação nos loops

ᾳL = 0.023dB correspondente a cada 1m de loop

atendendo que cada loop corresponde a 20ms, então, 0.023× 20 = 0.46dB

Perdas totais nos loops ᾳLT

ᾳLT = 0.23 × 6 = 1.38dB

Atenuação total do percurso, ᾳt

ᾳt = ᾳf × LT + ᾳcT + ᾳLT = (180× 0.35) + 6 + 1.38= 70.38 dB ᾳt = 70.38 dB

Atendendo a distância entre os dois pontos, achou-se a necessidade de se usar 6 (seis) regeneradores distanciados a 25Km ente eles. Cuja atenuação por cada ponto, é de:

ᾳt = ᾳf × LT + ᾳc + ᾳL = (25× 0.35) + 1 + 0.23 = 9.98dB

Em função das características da fibra e o perfil da zona, aplicou-se seis repetidores separados a distancias de 25Km, com ganho de 15dB cada.

Ganho total, G t

Gt = G1 x 7 = 15x Gt = 90dB

Sendo que, Gt – At ¿o ⇒ Gt – At = 90dB – 70.38dB = 19.62dB

Margem de segurança de 19.62dB



CÁLCULOS NA CONSTRUÇÃO DE UM LINK DE FIBRA ÓPTICA DE TRANSMISSÃO DE DADOS VOZ E IMAGEM NUMA DISTANCIA DE 180 KMS

1. DETERMINAR PARA A FIBRA MULTIMODO:

A.

a). O ângulo mínimo que suporta a reflexão total;

Dados:

N1 = 1.48

N2 = 1.46

Usando a Lei de Snell, temos:

O ângulo mínimo dado por

b) Calcular a faixa total do raio inteiro neste ângulo;


º6.8048.1

46.1min

1

2min

n

nsen

º4.9º6.80º9090 minmax máximo


Trajecto da distancia em zig-zag (dz-z)

(dz-z) = Nº de (L´s)(L) = (82,72.106)(306,12.10-6) = 25322,24m

A diferença entre a distância em zig-zag com o raio axial.

c) Comparar a diferença do tempo de chegada com o raio axial.

No campo existe o interesse do parâmetro chamado Frequência normalizada:

dado por,

Para f=5THz

Para f=1THz

B. CALCULAR

a). A abertura numérica da Fibra Óptica



b). O cone do ângulo de aceitação

C. CALCULAR

a). A abertura de perdas

II Conforme o ponto 1 o sistema de F.O. é designado para operar com repetidores com espaçamento de 25Km com componentes e especificações disponíveis:

- Fibra intermodal: 5ns/Km

- Expansão do pulso intermodal: 1ns/Km

- PIN Diodo: 5ns

- Led: 7ns

Estimar a razão máxima de gama de bits que poderá suportar :



III Para o receptor da figura abaixo, um sistema de fibra óptica descrito neste exemplo, calcular o sinal pico a pico para a relação sinal ruído (rms). Assumindo um fotodiodo APD usado no mesmo receptor cuja potencia óptica é -40dBm. O sistema indica os seguintes parâmetros:

Gama de impulsos em repouso = 10MHz

Pico de desvio de frequência = 1.5MHz

APD receptivo = 0,7

APD, factor de multiplexação = 60

Ruído de banda base na Largura de Banda = 5MHz

Intensidade de corrente no receptor = (0,45.10-9)2 A2

Solução:

O impulso de tempo de ascensão no circuito regenerador poderá ser igual ao tempo de ascensão para o sistema optimal. Assim ….. -40dBm implica 10-7W

Cálculo:



CONCLUSÃO

De facto, concluímos que para estabelecermos um link entre duas localidades, nos foi necessário fazermos o estudo prévio da área a ser interligado de maneira a evitar consequências futuras. E favorecendo aos usuários serviços de alta qualidade.

Com a implementação do projecto verifica-se que haverá:

Diminuimos a distancia entre os usuarios Melhoramos a qualidade do serviço prestado Aumentamos a possibilidade de implementação de outros serviços



RECOMENDAÇÕES

1. Adequar os equipamentos ao sistema uniformizado pelas normas da UIT- T para garantia de boa qualidade;

2. Efectuar o estudo prévio da referida zona em questão e efectuar os cálculos de todos parâmetros necessários;

3. Efectuar o cálculo das atenuações no final do projecto.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- Comunicações ópticas; José ribeiro, editora Erica, 4º Edição

- www.Google.com.br



ANEXOS



Esquema básico de um link de Fibra óptica


trabalho de fibra óptica

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