Estudo da Viabilidade de Comunicações Ópticas no

Estudo da Viabilidade de Comunicações Ópticas no Espaço Aberto – II
Esta série de tutoriais analisa diferentes aspectos da tecnologia de comunicação óptica no espaço livre (FSO,
free space óptical transmission), incluindo suas características vantajosas e algumas limitações específicas.
Em particular, verificam-se as consequências das interações de sinais com pequenos comprimentos de onda
com os componentes da atmosfera na degradação do sinal transmitido.
Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso “Estudo da Viabilidade de
Comunicações Ópticas no Espaço Aberto”, elaborada pelos autores, e apresentada ao Instituto Nacional
de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Foi
orientador do trabalho o Prof. Dr. José Antônio Justino.
Este tutorial parte II apresenta inicialmente os fatores limitantes dos sistemas FSO, detalhando as forma de
atenuação atmosférica, de linha de visada e de turbulências atmosféricas, e outro fatores que afetam esses
sistemas. A seguir apresenta o circuito receptor, detalhando as lentes, os fotodetectores, o sistema de
amplificação e o circuito de decisão e os tipos de ruídos que podem afetar o sistema. Finalmente, apresenta
os comentários e conclusões sobre o sistema analisado.
Dênio Ferreira de Lima Vilela
Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações –
Inatel (Junho, 2011), e Técnico em Eletrônica com ênfase em Automação Industrial pela Escola Técnica de
Eletrônica Francisco Moreira da Costa (2005).
Atuou como Técnico em Eletrônica II pela Nexcode Eletrônica, executanto atividades de desenvolvendo de
hardware para a área de segurança.
1
Jorge Luiz dos Santos
Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações –
Inatel (Junho, 2011).
Luiz Gustavo Gonçalves Brandão
Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações –
Inatel (Junho, 2011).
Atuou no Departamento de Vendas da Inovale Tecnologia, executando atividade de pesquisas de mercado,
contato com clientes finais e participando do desenvolvimento dos planos de negócios da empresa, tendo
ajudando a mesma conquistar o Prime, que é um investimento do governo para o desenvolvimento de
projetos de pequenas empresas. Atuou também como Estagiário na Teleco – Inteligência em
Telecomunicações, executando atividade de faz coletas de dados e analises de mercado.
Atualmente é Analista de Informações na Teleco, executando atividade de consultoria e participando no
desenvolvimento de Workshops e relatório analíticos sobre o setor de Telecomunicações do Brasil e do
exterior. É também um dos responsáveis pela atualização do blog Ucel, que publica conteúdo especializado
do setor de telefonia celular.
Email: [email protected]
Mateus de Paula Grilo Breda
Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações –
Inatel (Junho, 2011).
2
Categoria: Redes Ópticas
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 20 minutos
Publicado em: 16/04/2012
3
FSO II: Introdução
A comunicação óptica no espaço livre (FSO, free space óptical transmission) é uma tecnologia de
transmissão na faixa de infravermelho em ambiente de propagação não confinado. Como nos sistemas
tradicionais de comunicação via fibra óptica, é utilizado para envio de diferentes mensagens, como voz,
vídeo, dados e etc.. Trata-se de uma opção para contornar alguns problemas relativos à escassez de
frequências disponíveis no espectro de rádio frequência RF. Este fato está se tornando um provável gargalo
nas redes de telecomunicações devido à crescente demanda por maiores capacidades de transmissão, com o
crescimento de acessos à internet por diferentes processos.
Esta série de tutoriais analisa diferentes aspectos desta tecnologia, incluindo suas características vantajosas e
algumas limitações específicas. Em particular, verificam-se as consequências das interações de sinais com
pequenos comprimentos de onda com os componentes da atmosfera na degradação do sinal transmitido.
O tutorial parte I apresentou inicialmente uma visão geral dos sistemas FSO, tratando da tecnologia, sua
evolução histórica, suas aplicações e as vantagens de seu uso no espaço livre. A seguir apresentou o
funcionamento do sistema óptico no espaço livre, detalhando o sistema básico de comunicação, as formas de
modulação e multiplexação utilizadas, a maneira como ocorre a comunicação óptica no espaço livre, e o
diagrama em bloco do sistema FSO. Finalmente apresentou as técnicas de transmissão utilizadas, detalhando
as fontes ópticas e sua característica mais importantes, os amplificadores ópticos e os acopladores ópticos.
Este tutorial parte II apresenta inicialmente os fatores limitantes dos sistemas FSO, detalhando as forma de atenuação atmosférica, de linha
de visada e de turbulências atmosféricas, e outro fatores que afetam esses sistemas. A seguir apresenta o circuito receptor, detalhando as
lentes, os fotodetectores, o sistema de amplificação e o circuito de decisão e os tipos de ruídos que podem afetar o sistema. Finalmente,
apresenta os comentários e conclusões sobre o sistema analisado.
4
FSO II: Fatores Limitantes
Introdução
Neste seção, serão apresentados os efeitos mais relevantes no desempenho do sistema FSO. A partir da
emissão da energia eletromagnética, identificam-se os fenômenos de atenuação atmosférica, atenuação por
espalhamentos e turbulência atmosférica. Serão discutidos como alterações na atmosfera afetam a
propagação do feixe óptico, comprometendo a recepção do sinal transmitido. Diversas dessas influências
serão analisadas e quantificadas no que diz respeito à avaliação do desempenho do enlace.
Atenuações atmosféricas
Com a propagação na atmosfera o feixe óptico interage com diversos tipos de partículas, como gases,
gotículas de água, poeira em suspensão, etc. Esta interação gera uma redução na energia captada pelo
receptor através de espalhamento e/ou absorção. Os valores em níveis que dependem do comprimento de
onda adotado pelo sistema, do tamanho e do índice de refração das partículas. Dessa interação do feixe
óptico com partículas originam-se fenômenos que afetam o desempenho do sistema e, portanto suas análises
são de grande importância no projeto de enlaces FSO.
Espalhamentos
Generalidades
O espalhamento ocorre quando o feixe de luz transmitido encontra partículas distribuídas no meio de
transmissão. Estas partículas redirecionam parte da energia do feixe e reduzem a quantidade de potência
captada pelo receptor. Este fenômeno é um dos fatores de atenuação no enlace. O tipo de espalhamento
depende da relação entre raio da partícula e o comprimento de onda da luz, conforme o valor [2]:
(1)
Sendo r o raio da partícula e λ o comprimento de onda da luz. Conforme o valor deste parâmetro
identificam-se os espalhamentos de Rayleigh, de Mie e outros. Alguns destes fenômenos serão analisados
resumidamente.
Espalhamento de Rayleigh
Quando x0 << 1, ou seja, o raio da partícula for bem menor do que o comprimento de onda na faixa de
comunicações ópticas ocorre o espalhamento de Rayleigh, causado predominantemente por componentes
moleculares contidos no meio de transmissão. Na comunicação via atmosfera, esses componentes são
devidos às moléculas em suspensão [2]. Quando o feixe óptico incide em moléculas com as características
especificadas, ocorre o espalhamento de maneira quase uniforme em todas as direções. A figura 1 representa
a irradiação oriunda por este fenômeno em coordenadas polares, em um plano especificado. Este
comportamento reproduz-se em diferentes planos do espaço [10].
5
Figura 1: Diagrama de irradiação do espalhamento de Rayleigh, representado em coordenadas
polares
Espalhamento de Mie
Quando x0 ~= 1, ou seja, quando o raio da partícula for comparável ao comprimento de onda, ocorre o
espalhamento de Mie. Nas transmissões pelo espaço aberto, geralmente é causado por gotículas d’água,
cerração, partículas de poluição e poeira, etc.. Esse espalhamento é o mais frequente e tem grande
relevância na quantificação das características de um sistema FSO [2]. No levantamento do diagrama de
irradiação relativo ao espalhamento de Mie, identifica-se emissão em muitas direções, porém não com a
mesma intensidade, como se ilustra na figura 2. No sentido de propagação retrógrada, a influência do
espalhamento de Mie é inferior ao do espalhamento de Rayleigh [1].
Figura 2: Diagrama de irradiação do espalhamento de Mie
6
Espalhamento Não-Seletivo
Quando x0 >> 1, ou seja, o raio da partícula for maior do que o comprimento de onda, tem–se espalhamento
não seletivo. A influência do comprimento de onda não é significativo nesse tipo de espalhamento e a
principal causa são as gotas d’água [2]. Novamente, com o levantamento do diagrama de irradiação relativo
ao espalhamento não seletivo, é possível perceber que a emissão em muitas direções, porém com uma
intensidade muito menor no sentido retrógrado como se ilustra na figura 3. Evidenciando, uma menor
influência quando comparada com os demais espalhamentos.
Figura 3: Diagrama de irradiação do espalhamento não seletivo
Absorções atmosféricas
À medida que a luz se propaga pelo espaço livre, interage com as diversas partículas suspensas, como vapor
d’água, poeira, e alguns gases, denominando uma absorção atmosférica.
A atenuação por absorção dependerá da características do sinal, principalmente do comprimento de onda
empregado. Alguns gases, como o O2 (oxigênio), CO2 (dióxido de carbono), O3 (ozônio) e o H2O (vapor de
água), causam severas atenuações nos comprimentos de onda do infravermelho, limitando a transmissão aos
comprimentos de onda localizados em uma das janelas de alta transmitância, como observado no espectro de
absorção típico da figura 4 [1].
7
Figura 4: Janelas Atmosféricas [1]
As janelas atmosféricas são as faixas do espectro onde ocorre uma menor absorção por moléculas, ou seja, é
o comprimento de onda que possui maior transmitância na propagação.
Percebe-se que, no interior das janelas há uma variação suave da transmitância em relação a variação dos
comprimentos de ondas. A escolha dos comprimentos de onda utilizado nos enlaces ópticos do FSO (785nm,
850nm e 1550nm) é feita com a escolha das janelas de maior transmitância.
Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas, o vapor d’água é o maior responsável por
absorção.
Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas pelo FSO, na janela onde estão presentes
os comprimentos de onda do infravermelho próximo, o vapor d’água é o maior responsável por absorção.
Atenuação por chuva
Embora seu impacto seja significativamente menor do que a atenuação gerada por neblina, para o feixe
óptico, a chuva pode ser um fenômeno muito degradante. Suas gotas possuem dimensões entre 200 mm a
2000 mm (muito maiores que os comprimentos de onda utilizados pela transmissão do FSO), e introduzem
uma atenuação moderada. Para contornar tal atenuação deve-se projetar o enlace para operar com uma
margem maior do que a atenuação oferecida pela chuva para que o feixe óptico possa penetrar a chuva sem
elevada degradação [1].
Atenuação por neblina
Um dos fatores mais degradante é a neblina, que em certas condições pode interromper o sistema FSO.
Composta por de gotículas de água, que possuem apenas alguns de micro diâmetro, formam um obstáculo na
trajetória do laser e até mesmo pode impossibilitar a passagem da luz por completo. O problema da neblina
pode ser contornado na adoção de enlace de curta distância. A Tabela 4.1 mostra os diferentes graus chuva e
neblina de acordo com o Código Internacional de Visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1].
Tabela 1: Código internacional de visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1] e [2]
8
CONDIÇÕES
DE TEMPO
Nevoeiro
Denso
Nevoeiro
Grosso
Nevoeiro
Moderado
Nevoeiro Leve
TIPO DE
PRECIPITAÇÃO
Tempestade
100
Nevoeiro Fino
Chuva Forte
25
Neblina
Chuva Média
12,5
Neblina Fina
Chuva Fraca
2,5
Limpo
Garoa
Muito Limpo
PRECIPITAÇÃO
(MM/H)
0,25
VISIBILIDADE
(M)
0 – 50
ATENUAÇÃO
(DB/KM)
-271,65
200
-59,57
500
-20.99
770
1000
1900
2000
2800
4000
5800
10000
18100
20000
23000
50000
-12,65
-9,26
-4,22
-3,96
-2,58
-1,62
-0,96
-0,44
-0,24
-0,22
-0,19
-0,06
Linhas de Visada (LOS)
A linha de visada pode ser definida como a vista de um ponto de interesse sem a obstrução de obstáculos. A
utilização de um sistema FSO requer uma linha de visada direta (LOS) o que significa que o transmissor e o
receptor devem ser visíveis entre si.
Como os raios na faixa do infravermelho, propagam de forma linear. Os critérios adotados para a obtenção
de uma linha de visada para o FSO são menos rigorosos, quando comparados com os critérios adotados em
sistemas de micro-ondas, pelo requerimento de uma autorização do caminho adicional para dar conta da
extensão das Zonas de Fresnel [1].
Podemos determinar se há linha de visada no enlace FSO de várias maneiras, a mais simples é a observação
visual, porém este método é restrito a longas distâncias, podendo ser empregue telescópio de alinhamento,
ou mapeamento por satélite do enlace [1].
Atenuação por divergência do feixe
Devido à impossibilidade de obtenção de um feixe óptico perfeitamente colimado, a luz sofrerá um
espalhamento e essa perda denominamos de atenuação por divergência do feixe. No projeto de um enlace do
sistema FSO, o cálculo dessa atenuação e feito a partir do ângulo de divergência oferecido pelo laser. Esta
divergência faz com que a área da seção reta do feixe aumente continuamente, e consequentemente apenas
uma parcela da energia óptica transmitida será captada pelo receptor. Na figura 5, tem-se uma ilustração do
cone de divergência e dos principais parâmetros utilizados no modelo de atenuação por divergência.
9
Figura 5: Diagrama representativo da atenuação geométrica [1]
Podemos obter a atenuação por divergência através da equação 2, que descreve a relação entre a área
efetiva de captação do Receptor SRX e da área da seção reta do feixe na posição do receptor SRX(R), onde
dRX e dTX são os diâmetros efetivos do receptor e do transmissor, respectivamente, q é o ângulo de
divergência do feixe e D é o comprimento do enlace.
(2)
Turbulências atmosféricas
Definição
A partir do que foi discutido anteriormente, conclui-se que locais com clima quente e seco favoreceriam a
implantação do sistema FSO. Isso não é totalmente verdade, pois em regiões com estas características
ocorrem fenômenos denominados turbulências. Surgem com o aquecimento do solo e, posteriormente, com o
aquecimento de bolsas de ar. Algumas bolsas de ar são aquecidas mais do que as outras e isso provoca
variações constantes do índice de refração, que por sua vez modifica a direção do feixe óptico interferindo
na propagação. A figura 6 ilustra esse fenômeno.
Figura 6: Representação do feixe óptico em encontro com bolsas de ar
Como o movimento dessas bolsas variam com o tempo e com o espaço, o índice de refração seguirá um
movimento aleatório, comportamento denominado Turbulento. Assim todos os feixes ópticos que
atravessarem uma região com a presença de bolsas de ar quente sofrem desvios igualmente variantes no
10
tempo e aleatórios.
Podemos classificar três efeitos distintos na ocorrência de turbulência, são eles:
Passeio do feixe. Na presença de grandes bolsas de ar, o feixe óptico tem seu alinhamento modificado
através da mudança aleatória do índice de refração o que pode prejudicar a linha de visada. Este
fenômeno é conhecido como “passeio do feixe”. Com o emprego de um eficiente sistema de auto
alinhamento podemos reduzir sua influência e até mesmo desconsiderar o passeio do feixe no
dimensionamento do enlace [1].
O aumento da divergência do feixe. Esse pode ser percebido pelo aumento da seção transversal do
feixe, mais do que previsto na análise da atenuação por divergência [1].
Mudanças de fase. O efeito devido às mudanças de fase sofridas por parcelas do feixe que percorrem
comprimentos ópticos ligeiramente diferentes, devido à propagação através de bolhas de ar quentes
menores que o diâmetro do feixe. Essas parcelas do feixe, ao alcançarem o receptor geram
interferências construtivas e destrutivas aleatórias. Isso causa flutuações na intensidade do sinal
recebido em torno de um valor médio, fenômeno é conhecido como cintilação. Trata-se do efeito que
traz maiores prejuízos em um sistema FSO [1].
Outros fatores que afetam FSO
Visibilidade
A baixa visibilidade reduz a eficácia e a disponibilidade dos sistemas FSO. A figura 7 apresenta-se um
gráfico com a relação entre visibilidade e o máximo alcance do FSO nas condições climática especificadas
pelo Código Internacional de Visibilidade. Nota-se que em um enlace FSO hipotético, seu alcance máximo
seria de 8 km, nas condições de céu claro, e em regiões onde probabilidade da ocorrência de nevoeiro é alta,
para manter a confiabilidade do sistema, o alcance do enlace seria próximo de 2 km [8].
Figura 7: Relação entre Visibilidade e o alcance máximo de um enlace FSO
No projeto de enlaces FSO necessita-se de dados meteorológicos com uma média anual de visibilidade da
região de interesse, a fim de manter a confiabilidade do sistema. Os Gráficos abaixo apresentam uma média
anual de visibilidade de algumas das principais cidades brasileiras para uma possível comparação. De acordo
com o Gráfico 4.8 (a) nas capitais nordestinas, em 90% do tempo, a visibilidade se aproxima em até 12 km,
e em Aracaju a visibilidade chega a até 20 km. No Gráfico 4.8 (b) observam-se as principais cidades da
11
região Sudeste onde a situação é pior, porque em 90% do tempo sua visibilidade seria de apenas 5 km. A
exceção é Belo Horizonte, onde esse índice é ainda pior, devido as grandes variações atmosféricas.
Analisando a disponibilidade de um enlace FSO por estes gráficos, nota-se que, enquanto em Aracaju o
enlace poderia chegar a até 20 km, em Belo Horizonte o enlace poderia chegar a no máximo 2,5km [8].
(a)
(b)
12
(c)
(d)
Figura 8: Visibilidade média anual regional
A figura 8. apresenta os gráficos com a média anual de visibilidade [8] de algumas da principais cidades das
regiões:
Nordeste (a);
Sudeste (b);
Centro-oeste – capitais (c);
Sul – capitais (d).
Distância
A distância é um dos fatores mais importante para a implantação de um sistema FSO, o impacto sofrido com
a sua variação pode ser dividido em três formas:
1°- Mesmo que haja condições climáticas favoráveis, o feixe óptico transmitido irá divergir com o
aumento do comprimento do enlace e consequentemente o receptor irá receber menos potência. Por
13
exemplo, se o comprimento de um enlace fosse duplicado, a atenuação geométrica iria ser acrescida
de 6dB [1].
2°- A atenuação por espaço livre irá aumentar, proporcional ao aumento da trajetória do feixe óptico
[1].
3° - Em distâncias mais longas o efeito da cintilação irá aumentar. Para compensar, será necessário o
aumento da margem de segurança para cintilação para manter o valor da BER desejada [1].
Obstruções Físicas
As obstruções físicas também ocasionam vários problemas de recepção, um simples pássaro voando podem
interromper a linha de visada temporariamente, causando pequenas interrupções e a necessidade de
retransmissões. Podemos contornar esse problema com transceptores de múltiplos feixes ópticos [4].
Segurança
O sistema FSO utiliza lasers de alta potência para a transmissão e a exposição do olho humano a esses raios
de luz pode ocasionar sérias lesões, por isso a implantação dessa tecnologia deve seguir alguns padrões
internacionais que visa um balanço entre segurança e desempenho do sistema [4].
Atividade Sísmica
Em algumas localidades com registro de pequenos abalos sísmico podem ocorrer à perda do alinhamento dos
transceptores, prejudicando o desempenho do sistema. Porém podemos recuperar o alinhamento através de
um sistema de auto alinhamento ou transceptores com múltiplos feixes ópticos [4].
Balanço de potência
Para que um sistema FSO seja corretamente planejado atendendo as exigências de confiabilidade, devemos
fazer o cálculo do balanço de potência com a finalidade de equilibrar as atenuações impostas ao enlace com
a potência de transmissão e sensibilidade de recepção.
(3)
Para um enlace onde não haja nenhuma das atenuações apresentadas, ou seja, em condições atmosféricas
ideais, a potência total recebida deve ser definida pela equação 4:
(4)
Onde:
SRX: Sensibilidade óptica média do receptor;
PTX: Potência óptica média emitida pelo transmissor;
dRX: diâmetro da abertura do receptor em metros;
dTX: diâmetro da abertura do transmissor em metros;
θ: Ângulo de divergência;
14
D: Comprimento do enlace em metros;
Dopt: Perda de potência introduzida pelos elementos ópticos;
Dal: Perda de potência devido ao desalinhamento entre transmissor e receptor;
Mc: Margem de segurança para a cintilação;
M: Margem de segurança para as atenuações atmosférica
O termo dRX2 / (dTX + θ * R)2 é referente à atenuação geométrica do enlace, as perdas referentes aos
elementos ópticos passivos, como lentes e filtros são descritos pelo fator Dopt, e o fator Dal refere-se à
atenuação causada pela não uniformidade do feixe óptico dentro do ângulo de divergência, o fator Mc e o
fator M são as margens de segurança para acomodar as atenuações e atenuações atmosféricas
respectivamente [1], [4] e [9].
15
FSO II: Circuito Receptor
Introdução
Analisaram-se os modelos de transmissores de luz como diodo emissor de luz, diodo laser, e como se
transmitem sinais digitais através de modulação PCM. Os dispositivos óptico-eletrônicos produzem uma
intensidade do feixe de luz modulada com base no sinal digital codificado. Na detecção, o processo produz
uma corrente proporcional à intensidade de luz incidente, através de fotodetectores. Necessita-se de um
circuito receptor para dar origem a uma tensão digital adequada.
O desempenho do sistema FSO depende de certas características do receptor, como, sensibilidade do
receptor, a largura de banda que se quer utilizar, o consumo de energia do sistema, e a área exigida para
implantação do mesmo, de acordo com a necessidade do local de implantação, as taxas que se quer do
sistema, a robustez do sistema e quanto de energia se pode utilizar, verifica-se quais características são mais
importantes para determinada aplicação. Como um exemplo, a comunicação entre satélites, no satélite se
tem baixa disponibilidade de energia, área limitada, com estas características o sistema deve ter um baixo
consumo, uma boa sensibilidade e ter tamanho e peso reduzido, com estas características pode-se extrair o
máximo do sistema de comunicação nesta aplicação.
Nesta seção será descrito o receptor, as tecnologias de fotodetectores, com analise das perdas e como o
sistema recupera o sinal transmitido, a sua conversão óptico-elétrica e demais fatores para garantir a
eficiência da comunicação.
Lentes convergentes para detecção do sistema FSO
Na transmissão o feixe óptico é concentrado para se propagar no espaço com o menor espalhamento
possível, mas conforme a propagação deste feixe, o mesmo sofre espalhamento e interferências. Conforme a
distância percorrida tende a se espalhar e a ser atenuado, portanto temos um fator importante nesta lente de
recepção que é sua área a fim de captar a maior intensidade deste feixe transmitido para uma maior
intensidade de luz no fotodetector. Esta lente deve ser uma lente convergente e em seu foco deve estar o
fotodetector.
Fotodetectores
O fotodetector tem a função de receber o sinal luminoso e converter esta intensidade luminosa que tem certa
potência em uma corrente elétrica, para posteriormente ser amplificada e demodulada.
Os fotodetectores são feitos de material semicondutor, baseados no mecanismo elétrons-lacuna. Isto
significa que quando o material semicondutor é exposto a fótons os mesmos são absorvidos pela camada de
valência, portanto temos uma redução em sua resistência ôhmica ( ), energia absorvida através dos fótons
for maior que a energia necessária para romper a banda proibida, com este ocorrência os elétrons absorvem
esta energia e passam para a camada de condução, deixando lacunas na camada de valência. Aplicando-se
uma tensão externa teremos uma corrente com valores proporcionais à energia luminosa absorvida pela
pastilha semicondutora através de uma resistência de carga teremos um valor de tensão com a mesma
proporcionalidade da corrente, portanto sendo proporcional a potencia luminosa absorvida [10]. Na figura 9,
temos um exemplo de fotodetector.
16
Figura 9: Detector fotossensível, conforme a incidência de luz terá uma corrente proporcional
Através destes fatores foram desenvolvidos os fotodetectores. Existem vários tipos de fotodetectores como,
por exemplo: fotodiodo, fotodiodo PIN, fotodetector avalanche (ADP), e fotodetector FET.
Fotodiodo
Os fotodiodos são cristais semicondutores de junção p e n, através de estudos se observou que os fótons de
comprimento de onda menores possuem alta energia e em contato com o cristal são rapidamente absorvidos,
portanto com pequena profundidade de penetração. Os fótons de comprimento de onda maiores possuem
baixa energia, portanto com grande penetração no meio. A incidência de luz comumente é feita sobre o
cristal do tipo p, temos um modelo básico na figura 10 [10].
Figura 10: Esquema básico de um fotodiodo
Fotodiodo PIN
O fotodiodo PIN (PPD) se diferencia do fotodiodo convencional, pois o semicondutor é levemente dopado
tendo as regiões p e n bem pequenas, consequentemente a região intrínseca tende a ser bem maior, tem a
vantagem de responder com comprimentos de onda menores, esta camada entre os cristais pode ser um
cristal p ou n pouco dopado na figura 11 temos o exemplo do fotodiodo PIN [10].
17
Figura 11: Esquema básico de um fotodiodo do tipo PIN
Fotodetector avalanche (ADP)
O fotodiodo de avalanche (APD – avalanche photodiodo) demonstra um ganho bem maior que os
fotodiodos, e os fotodiodos PIN em ordem de 30dB, funcionando da seguinte maneira, com a geração dos
pares elétrons-lacuna pelo bombardeio de fótons, são geradas novas lacunas, sendo aceleradas em sentidos
opostos ao movimento dos elétrons, neste processo novos eletros e lacunas são criados se acumulando
gerando o efeito avalanche, gerando uma grande corrente de saída no dispositivo. Na figura 12 temos um
exemplo de pastilha semicondutora exemplificando este efeito [10].
Figura 12: Esquema de um fotodiodo do tipo avalanche APD
Fototransistores
O fototransistor é nada mais que a junção de dois diodos, a diferença do fotodiodo é que além de converter
o sinal luminoso para um sinal elétrico esta pastilha pode fornecer um ganho para ente sinal elétrico
deixando o sistema mais robusto [10].
O fototransistor BJT normalmente utiliza a base desligada, ou se necessário para alguma polarização, a
corrente circulante será diretamente proporcional a potencia luminosa recebida. Exemplo de ligação com
BJT na figura 13 [10].
18
Figura 13: Esquema elétrico de um fotodetector BJT
O fototransistor FAT utiliza o gate para recepção dos fótons, este processo gera uma corrente no gate, esta
variação de corrente passa por uma carga resistiva, onde podemos obter uma variação de tensão (gatesource), após teremos a multiplicação deste sinal através da transcondutância do fototransistor FAT, gerando
uma corrente que alterará a tensão entre dreno e source. Na figura 14 temos um exemplo de um
fototransistor FAT [10].
Figura 14: Esquema elétrico de um fototransistor FAT
Classificação dos pré-amplificadores
Classificam-se os receptores ópticos como de alta impedância, transimpedância, baixa impedância, e o
integrador (integrate-and-dump), dependendo do projeto do seu pré-amplificador. Na figura 15 ilustram-se
os quatro procedimentos [16].
19
Figura 15: Classificação dos pré-amplificadores, (a) baixa impedância, (b) alta impedância,
(c) transimpedância, (d) integrador (integrate-and-dump).
Os receptores de baixa impedância possuem uma largura de banda, mas baixa sensibilidade. Os receptores
de alta impedância possuem uma sensibilidade melhor, mas não possuem uma largura de banda útil. Os
receptores de trans-impedance, possui uma sensibilidade boa e uma boa largura de banda, oferecendo uma
boa relação entre os dois fatores. Os receptores integrate-and-dump além de oferecer uma sensibilidade
maior que a dos anteriores, com o tempo de bit já é possível fazer a digitalização do sinal recebido através
do comparador do capacitor e da chave controlada pelo tempo de bit. Como se tem grande dificuldade e
estudos avançam para este receptor pré-amplificador, temos dificuldades com o Glock deste sistema tendo
de estar sincronizando o sistema o tempo todo gerando muitas dificuldades e muito trafego de sinalização.
Observando estes fatores fica claro que atualmente o melhor sistema de recepção e pré-amplificação esta a
cargo do receptor de trans-impedance [16].
Podemos observar que nos três primeiros (a, b, c), temos o sinal analógico na entrada e saída do receptor, no
receptor integrador temos a entrada do sinal analógico e a saída digital, a partir de um circuito de decisão,
isto só é possível através do sincronismo entre transmissor e receptor, para fazer o chaveamento [16].
Amplificação
O projeto de amplificador mais simples possível é com um inversor CMOS, pois não necessita de nenhuma
tensão de polarização sendo utilizados apenas dois transistores, como podemos ver na figura 16 [16].
20
Figura 16: Projeto de amplificador por detector inversor CMOS
O projeto corrente invertida no source, substitui a tensão do sinal com um nível de tensão constante. Este
tipo de projeto pode ter uma capacidade menor do que o inversor CMOS, mas desde que a transcondutância
não seja utilizada, também possui um ganho menor comparado com inversor CMOS. Com a tensão de
polarização temos mais liberdade para ajustar o ganho do amplificador que pode excursionar em uma faixa
muito maior que o inversor CMOS. Temos exemplo do circuito na figura 17. Estes dois projetos sofrem com
a capacitância parasita [16].
Figura 17: Projeto de amplificador por corrente invertida no source
Podemos evitar esta capacitância parasita utilizando transistores em cascata. Um fator negativo deste
sistema é imprecisão no ganho, para se evitar a capacitância parasita temos em detrimento a perda da largura
de banda [16].
O projeto com inversor source-ratio é visualizado na figura 18. É baseado nos inversores de corrente (FET),
incluindo um transistor-diodo ligado na saída, isto serve para deslocar o polo de saída para altas frequências
reduzindo a impedância, mais temos a perda do ganho. Isto nos permite um controle mais apurado sobre o
ganho e sobre a largura de banda [16].
21
Figura 18: Esquema de montagem do amplificador com transistores em cascata
Circuito de decisão
Para o circuito de decisão, podemos utilizar um inversor de corrente, como visto na figura 19. Apos a
decisão teremos bits, estes bits deverão ser analisados por um processador para se verificar possíveis erros,
determinando se a informação transmitida esta correta, se a algum bit errado, se temos a possibilidade de
correção, ou se o numero de erros e muito elevado e não é possível com a capacidade do sistema esta
correção, então haverá um pedido de novo envio da informação transmitida, através da retransmissão dos
pacotes perdidos ou errados [16].
Figura 19: Circuito de decisão para detecção de bits, com inversão de corrente
Ruídos
Um dos principais fatores para a escolha do fotodetector, que torna difícil esta escolha, é o ruído, pois o sinal
óptico muitas vezes chega com um nível baixo no receptor, e qualquer influencia neste ponto pode degradar
muito o sinal tornando impossível sua decodificação [10].
Ruído térmico
22
Ruído térmico, ou ruído branco (AWGN) surge pala agitação térmica aleatória das cargas do material
semicondutor. Podemos calcular sua potencia através da equação 5.
(5)
Onde, Nt é o ruído térmico, K constante de Boltzman igual à 1,38 x 10-23 J/K, T temperatura dada em
Kelvins, e B a largura debanda do sistema [10].
Ruído de avalanche
Com o efeito avalanche temos um problema que este efeito também gera ruído, denominado de ruído de
avalanche, sendo o ganho do semicondutor (M) amplificador do ruído de escuro e a corrente de ruído
quântico, através da equação 6 temos:
(6)
Onde temos, para valores de M <= 50, sendo x um parâmetro empírico, com um valor para cada tipo de
material: como Ge ~= 1, Si ~= 0,3, InGaAs ~= 06. Para M > 50 temos a equação 7:
(7)
Sendo Ka a probabilidade de ionização por impacto [1].
Ruído corrente de escuro
A corrente é oriunda da falta de incidência de luz no semicondutor, aumentando quando o material se
aquece, portanto devemos ter um cuidado com estes componentes a corrente é dada pela equação 8:
(8)
Onde, q é carga de elétrons, B é a largura de banda, e Is é a corrente média no semicondutor, com estes
fatores podemos determinar a corrente de escuro Isd [10].
Ruídos de disparo
Este tipo de ruído acontece através da flutuação da corrente do seu valor médio e pode ser determinada pela
equação 9:
(9)
Onde, q é a carga do elétron, I é a corrente continua, e B a largura de banda. Portanto se sabemos a corrente
23
que circula no semicondutor podemos calcular a corrente de flutuação Ish.
Ruído quântico
Sabemos que a geração de luz em um semicondutor é aleatória, portanto um processo probabilístico. Com a
irradiação da luz temos a flutuação deste feixe, gerando assim o ruído quântico, como podemos observar na
equação 10:
(10)
Sendo, Po a potência óptica incidente [10].
24
FSO II: Considerações Finais
Comentários gerais
Neste trabalho, foram descritos os principais fatos que marcaram a evolução de sistemas ópticos no espaço
livre para fins de comunicações. Inicialmente, foi apresentada uma descrição dos aspectos relevantes e a
motivação para desenvolvimento e implantação do sistema de comunicações ópticas no espaço livre (FSO).
Mostrou-se que esse sistema surgiu como uma alternativa viável para auxiliar no provável gargalo das atuais
redes de telecomunicações envolvendo altas taxas de transmissão. Em particular, mostrou-se sua relevância
no que concerne à possibilidade de contornar diferentes problemas envolvendo a escassez do espectro de
frequência na faixa de radiocomunicações. Além disto, auxilia de maneira significativa na crescente
demanda por sistemas que permitam as operações em elevadas taxas de transmissão. Posteriormente
mostrou suas vantagens na melhoria do coeficiente entre custo e benefício, em relação a outros processos
mais tradicionais, e a evolução de equipamentos capazes de cumprirem as aplicações exigidas.
Conclusões
Em sistemas FSO, a atenuação atmosférica afeta de forma muito importante a visibilidade entre os pontos de
conexão e determina diversos fatores que definem a capacidade e o alcance do enlace. Destacam-se
diversos fenômenos que afetam a propagação e, consequentemente, a visibilidade do sistema. Entre eles, um
dos mais importantes é o espalhamento de Mie, fortemente dependente do comprimento de onda escolhido.
A visibilidade de um enlace FSO está também associada às condições meteorológicas. Em dias chuvosos ou
com nevoeiros, ela é muito reduzida, diminuindo assim o alcance previsto para determinado equipamento.
Em dias ensolarados, tem-se maior visibilidade, garantindo maior alcance.
Devido à alta dependência em relação às condições climáticas, o projeto deve cumprir critérios muito
rigorosos, principalmente no que concerne às garantias de extensões dos enlaces. Para as propostas atuais,
os equipamentos devem satisfazer as condições para alcances desde algumas dezenas de metros até dezenas
de quilômetros. Para se aumentar a margem de segurança do enlace e, consequentemente, a capacidade do
mesmo devem ser empregados fotodetectores de elevadíssima sensibilidade, no lado do receptor, e diodos
lasers com alta potência, pequena largura espectral, elevada estabilidade e longo tempo de vida útil no lado
do transmissor. Além disto, há necessidade de dispositivos que impeçam divergências acentuadas do feixe
óptico irradiado.
Referências
[1] WILLEBRAND, H.; GHUMMAN, B. S. – Free-Spece Optics: Enabling Optical Connectivity in
Today’s Network. Editora Sams. Indianapolis USA.
[2] BOPUCHET, O.; SIZUN, H.: BOISROBERT, C.; FORNEL, F.; FAVENNEC, P. N. – Free-Space Optics,
Propagation and Communication – ISTE. Londres 2006.
[3] BARBOSA, C. F – Análise de Parâmetros Envolvidos na Implantação de um Sistema de
Comunicação Utilizando Óptica no Espaço Livre. Universidade Federal do Espírito Santo. Espírito Santo,
Vitória, Março/2008.
[4] JÚNIOR, J. F. M. A.; FONSECA, M. A. S. da – Balanço de Potência em Enlace FSO. Teleco
Inteligência em Telecomunicação, 2011. Disponível em:
25
www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfso/default.asp
Acesso em: 27 de maio 2011.
[5] SANTOS, L. B. dos – Análise de Sistemas de Comunicação Utilizando Óptica no Espaça Livre.
Instituto Militar de Engenharia. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro 2008
[6] SAKAMOTO, B. F. R.; FEGADOLLI, W.; OLIVEIRA, J. E. B.; Emprego Militar de Comunicações
Ópticas em Espaço Livre – FSO;
[7] JORGENSEN, S. E. – Optisk kommunikation i deep space. Speciale i fysik ved Niels Bohr Institutet
for Astronomi, Fysik og Geofysik, udarbejdet på Dansk Rumforskningsinstitut; København, 27 oktober
2003.
[8] MOURA, L. E. da S.; BARBERO, A. P. L.; HARBOE, P. B. – Estudo Teórico e Experimental da
Viabilidade da Tecnologia Óptica no Espaço Livre. Revista Ciência & Tecnologia. São Paulo, Piracicaba,
2004.
[9] ALEX, J. B.; RODRIGUES, C. N.; SANTOS, R. S. – Um Estudo de Caso para a Aplicação de Enlaces
FSO em Backhaul de Telefonia Celular. Rio de Janeiro 2010.
[10] RIBEIRO, J. A. J. – Comunicações ópticas, 3ª edição, Editora Érica. São Paulo, Tatuapé, 2007.
[11] NUNES, F. D. – Sistemas de Comunicação Óptica – Projetando Enlaces Ópticos; Universidade de
Pernambuco.
[12] SCOTT BLOOM, PhD – The Physics of Free-Space Optics; Chief Technical Officer. AirFiber, Inc. 2
may 2002.
[13] WAUNRIGHT, E.;HAZEM H. R.; SLUSS, J. J. Jr. – Wavelength Diversity in Free-Space Optics to
Alleviate Fog Effects. Electrical and Computer Engineering, University of Oklahoma Tulsa; Oklahoma
2005.
[14] TEIXEIRA, Cassiane Ribeiro. Transmissores e receptores para comunicações ópticas. 2009. 44 p.,
il. Graduação - Graduação - Engª Elétrica, Santa Rita do Sapucaí, 2009. Orientação de: José Antônio Justino
Ribeiro. (TCC - Trabalho de Conclusão de Curso Inatel)
[15] FIGUEIREDO, Rogerio Alves. Amplificadores ópticos. 12/06/2002. 44 p., il. Especialização Pós-Graduação, Santa Rita do Sapucaí, 12/06/2002. Orientação de: Maria Regina Campos Caputo. (TCC Trabalho de Conclusão de Curso Inatel)
[16] KRISHNAKUMAR VENKITAPATHY, B.E. – Transmitter and Receiver Circuits for Digital
Free-Space Optical Interconnect: Design and Simulation. Texas Tech University. The Requirements for
the Degree of Master of Science. May 2004.
26
FSO II: Teste seu entendimento
1. Qual das alternativas abaixo representa um dos tipos de atenuações atmosféricas que afetam os
enlaces FSO?
Espalhamentos.
Absorções atmosféricas.
Atenuação por chuva.
Atenuação por neblina.
Todas as anteriores.
2. Qual são os efeitos que afetam os feixes ópticos dos enlaces FSO quando da ocorrência de
turbulências?
Concentração do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de fase.
Passeio do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de frequência.
Passeio do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de fase.
Passeio do feixe, aumento da convergência do feixe e mudanças de fase.
3. Qual das alternativas abaixo não representa um dos tipos de ruídos que afetam os fotodetectores dos
sistemas FSO?
Ruído crosstalk.
Ruído térmico e ruído de avalanche.
Ruído corrente de escuro e ruídos de disparo.
Ruído quântico.
27