PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ERIK ACEIRO ANTONIO
DESENVOLVIMENTO DE UM WEBLAB PARA ESTUDO E
CARACTERIZAÇÃO DE SISTEMAS WDM
DESENVOLVIMENTO DE UM WEBLAB PARA ESTUDO E
CARACTERIZAÇÃO DE SISTEMAS WDM
Dissertação apresentada à Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador: Dr. Sérgio Szpigel
Co-Orientador: Dr. Eunézio Antonio de Souza
por um bom tempo, acabaremos captando algumas das regras. As regras do jogo são o que queremos dizer por física fundamental."
À minha esposa e eterna amiga, que com toda sua magnitude de carinho, sustentou minhas dificuldades e me amparou em momentos difíceis.
Aos meus queridos pais.
Ao meu irmão Douglas, que com seu companherismo e conselhos de Físico trouxeram preciosas contribuições para este trabalho.
Ao meu orientador e grande amigo Dr. Sérgio Szpigel, minha eterna gratidão, por ter contribuído com seus ensinamentos, valiosa paciência, acompanhamento constante e incentivo (quatro anos) que me levaram a concluir essa empreitada.
Ao Dr. Eunézio Antonio de Souza (Thoróh) pelos comentários e sugestões no decorrer do exame de qualificação e término do trabalho.
Ao Prof. Dr. Eduardo Landulfo (IPEN) que sempre foi prestativo para este projeto e forneceu sugestões preciosas no exame de qualificação.
Ao Vagner e ao Prof. Dr. Hugo do Laboratório de Comunicações Ópticas (Unicamp) que sempre foram prestativos para este projeto.
Ao meu amigo Corrales e sua família que sempre me motivaram e contri-buiram para as descontrações (pizza) de final de semana :).
Um agradecimento especial aos meus amigos Alexandre, Lúcia e Jackson, pela paciência e companherismo.
O advento da Internet e o desenvolvimento das Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC’s) geraram novos espaços para a comunicação e colaboração entre grupos de pessoas loca-lizadas em regiões geograficamente distintas. A associação da tecnologia Web com a automação e controle de instrumentos por computador tornou possível o desenvolvimento dos chamados Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes distribuídos que permitem o acesso e controle remoto de experimentos através de uma rede de comunicação ou da Internet em tempo real e com sensação de presença. Neste trabalho, foi desenvolvido um WebLab para estudo e caracte-rização de um sistema WDM (Wave Division Multiplexing), destinado a apoiar e complementar atividades em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. Foram desenvolvi-dos drivers e interfaces gráficas de usuário (GUI’s) com o software LabVIEW para o controle e aquisição de dados dos instrumentos utilizados em um experimento remoto de medida das características básicas de um sistema WDM. Também foi desenvolvido um aplicativo com o software VPI que permite simular a medida da Taxa de Erro de Bit (BER) do sistema. Este tra-balho é parte das atividades relacionadas à participação do Laboratório de Fotônica Mackenzie no Projeto KyaTera do Programa TIDIA da FAPESP.
The advent of the Internet and the development of Information and Communication Techno-logies (ICT’s) generated new spaces for communication and collaboration between groups of people in geographically distinct regions. The association of Web technology with instrument automation and control by computer has made possible the development of the so called Re-mote Laboratories or WebLabs - distributed environments that allow to access and control ex-periments remotely through a network or the Internet in real time and with the sensation of presence. In this work, a WebLab was developed for the study and caracterization of a WDM (Wave Division Multiplexing) system, aiming to support and complement activities in face-to-face and distance courses on Optical Communications. Drivers and graphic user interfaces (GUI’s) were developed with the software LabVIEW for control and data acquisition of ins-truments used in a remote experiment to measure the basic features of a WDM system. An application was also developed with the software VPI for the numerical simulation of Bit Error Rate (BER) measurements. This work is part of the activities related to the participation of the Mackenzie Photonics Laboratory in the KyaTera Project of FAPESP’s TIDIA Program.
Figura 2.1 Exemplo de Fluxograma. . . 6
Figura 2.2 Exemplo deFront Paneldo LabVIEW. . . 7
Figura 2.3 Exemplo deBlock Diagramdo LabVIEW. . . 8
Figura 2.4 Outro exemplo deBlock Diagramdo LabVIEW. . . 8
Figura 3.1 Estrutura do WebLab. . . 12
Figura 3.2 Arquitetura Cliente/Servidor Dupla. . . 13
Figura 3.3 Diagrama OOHDM do WebLab. . . 16
Figura 3.4 Diagrama de Pacotes do WebLab. . . 17
Figura 3.5 Diagrama de Classes do WebLab. . . 18
Figura 3.6 Diagrama de Colaboração do Módulo WebLab. . . 19
Figura 3.7 Diagrama de Atividades do Módulo WebLab. . . 20
Figura 3.8 Diagrama de Casos de Uso -Geral. . . 20
Figura 3.9 Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab -Administrador. . . 21
Figura 3.10 Tela utilizada pelo Administrador para incluir a URL dos recursos . . . . 21
Figura 3.11 Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab -Professor. . . 22
Figura 3.12 Tela Descrição do usuário Professor. . . 23
Figura 3.13 Tela Agendamento do usuário Professor. . . 23
Figura 3.16 Diagrama de Casos de uso do Módulo WebLab -Aluno. . . 25
Figura 3.17 Tela Descrição do usuário Aluno. . . 25
Figura 3.18 Tela Experimento do usuário Aluno. . . 26
Figura 3.19 Tela Relatório do usuário Aluno. . . 26
Figura 3.20SubVIpara aWebCam. . . 27
Figura 3.21 VI independente para aWebCam. . . 28
Figura 3.22 Aplicação JMF para transmissão de vídeo. . . 29
Figura 4.1 Sistema WDM de n-canais. . . 31
Figura 4.2 Laser DFB . . . 34
Figura 4.3 Modulação Direta . . . 35
Figura 4.4 Modulação Externa . . . 36
Figura 4.5 Formatos de modulação típicas: RZ e NRZ . . . 36
Figura 4.6 Propagação da luz na fibra óptica . . . 37
Figura 4.7 Cortes longitudinais de fibras ópticas . . . 38
Figura 4.8 Modos de propagação em uma fibra óptica . . . 39
Figura 4.9 Curva de atenuação em uma fibra óptica . . . 41
Figura 4.10 Dispersão Cromática em uma fibra óptica . . . 43
Figura 4.11 EDFA . . . 45
Figura 4.12 Níveis de energia no EDFA . . . 46
Figura 4.13 Fotodiodo PIN . . . 48
Figura 4.16 Grade de Bragg (FBG) . . . 51
Figura 4.17 Filtro Sintonizável Acusto-Óptico (AOTF) . . . 52
Figura 4.18 Grade de Guias de Onda Ordenados (AWG) . . . 52
Figura 4.19 Interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) . . . 53
Figura 4.20 Filtros de Filme Fino (TFF) . . . 54
Figura 4.21 Filtros de Filme Fino integrados para demultiplexar um sinal . . . 54
Figura 4.22 Optical Add/Drop MUX (OADM) . . . 55
Figura 4.23 Acoplador 2X2 . . . 56
Figura 4.24 Circulador . . . 56
Figura 4.25 Isolador . . . 57
Figura 4.26 Sistema WDM e seu parâmetros . . . 58
Figura 4.27 Comprimento de onda de pico . . . 59
Figura 4.28 Banda Passante . . . 60
Figura 4.29 Modelo Gaussiano para o ruído . . . 63
Figura 4.30 Relação entreQ-factore BER . . . 65
Figura 4.31 Formação do Diagrama de Olho . . . 66
Figura 4.32 Diagrama de Olho obtido com um Osciloscópio . . . 66
Figura 4.33 Geração de um Diagrama de Olho . . . 67
Figura 5.1 Estrutura do VPI . . . 68
Figura 5.2 Parâmetro global - TimeWindow. . . 70
Bits 1 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 74
Figura 5.5 BER x Potência do Laser (Largura dos lasers de 1 GHz): (a) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de Bits 1 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de Bits 10 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 75
Figura 5.6 BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 1 Gbps): (a) Potência de 0,1 mW / Canal de 1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência de 0,065 mW / Canal de 1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm. . . . 78
Figura 5.7 BER x Largura do Laser (Taxa de Bits 10 Gbps): (a) Potência de 0,1 mW / Canal de 1310 nm ; (b) Potência de 0,1 mW / Canal de 1550 nm; (c) Potência de 0,065 mW / Canal de 1310 nm; (d) Potência de 0,065 mW / Canal de 1550 nm. 79
Figura 5.8 BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 50 MHz e Potência dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 82
Figura 5.9 BER x Potência Recebida (Enlace de 50 km, Largura dos lasers de 1 GHz e Potência dos lasers de 1,2 mW): (a) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Taxa de bits 0,25 até 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Taxa de bits 2,5 até 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 83
com atenuações de 0, 3 e 6 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps. . . 86
Figura 5.12 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz com atenuações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . 87
Figura 5.13 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1GHz com atenuações de 6,5, 9,5 e 12,5 dBm (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps. . . 88
Figura 5.14 BER x Comprimento (Largura dos lasers de 50 MHz): (a) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/-Taxa de Bits de 0,25 a 1,25Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,035 mW/mW/-Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Potência 0,035 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 91
Figura 5.15 BER x Comprimento (Largura dos Lasers de 1 GHz): (a) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1310 nm ; (b) Potência 0,05 mW/-Taxa de Bits de 0,25 a 1,25 Gbps / Canal de 1550 nm; (c) Potência 0,05 mW/mW/-Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1310 nm; (d) Potência 0,05 mW/Taxa de Bits de 2,5 a 12,5 Gbps / Canal de 1550 nm. . . 92
Figura 5.16 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm / Largura do laser 1 GHz com comprimentos de fibra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . 94
com comprimentos de fibra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 0,5 e 1 Gbps. . . 96
Figura 5.19 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm / Largura do laser 1 GHz com comprimentos de fibra iguais a 10, 50 e 100 km (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 2,5, 5 e 10 Gbps. . . 97
Figura 5.20 BER x Taxa de Bits (Largura dos lasers de 50 MHz até 1,05 GHz): (a) Enlace de 50 km / 0,25 mW de Potência / Canal de 1310 nm ; (b) Enlace de 50 km / 0,25 mW de Potência / Canal de 1550 nm; (c) Enlace de 10 km / 0,035 mW de Potência / Canal de 1310 nm; (d) Enlace de 10 km / 0,035 mW de Potência / Canal de 1550 nm. . . 99
Figura 5.21 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 10 km com larguras do laser de 50 MHz, 0.55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . . 101
Figura 5.22 Diagramas de Olho para o Canal de 1310 nm para enlace de 50 km com larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . . 102
Figura 5.23 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 10 km com larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . . 103
Figura 5.24 Diagramas de Olho para o Canal de 1550 nm para enlace de 50 km com larguras do laser de 50 MHz, 0,55 GHz e 1,05 GHz (horizontal) e Taxas de Bits (vertical) de 0,25, 5,0 e 12,5 Gbps. . . 104
Figura 5.25 DDS para simulação do sistema WDM de dois canais. . . 105
Sistema WDM de Dois Canais. . . 106
Figura 6.3 Modulação analógica direta da corrente dos lasers com sinais senoidais LF. . . 108
Figura 6.4 Características dos Lasers (Curva L-I). . . 110
Figura 6.5 Espectro do Laser 1310 nm. . . 112
Figura 6.6 Espectro do Laser 1550 nm. . . 112
Figura 6.7 Curva de Ganho e Modos (1310 nm). . . 113
Figura 6.8 Curva de Ganho e Modos (1550 nm). . . 113
Figura 6.9 Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V =375mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 115
Figura 6.10 Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com ∆V =375mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 116
Figura 6.11 Modulação Direta do Laser de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com f =150kHz(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 117
Figura 6.12 Modulação Direta do Laser de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com f =150kHz(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 118
Figura 6.13 Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Laser de 1310 nm (b) Laser de 1550 nm. . . 119
Figura 6.14 Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1310 nm . . . 121
Figura 6.15 Espectro do sinal óptico transmitido: canal de 1550 nm . . . 121
375mV (verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 124
Figura 6.18 Canal de Transmissão de 1310 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150kHz(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 125
Figura 6.19 Canal de Transmissão de 1550 nm: (a) Sinal de Modulação com f = 150kHz(verde) e Formas de Onda (violeta); (b) Espectros. . . 126
Figura 6.20 Curvas de Resposta em Freqüência: (a) Canal de 1310 nm (b) Canal de 1550 nm. . . 127
Figura 7.1 Interface para o controle e aquisição de dados do Gerador de Sinais. . 129
Figura 7.2 Sub-VI do Gerador de Sinais. . . 130
Figura 7.3 Interface para o controle da Chave Óptica. . . 131
Figura 7.4 Sub-VI da Chave Óptica. . . 131
Figura 7.5 Interface para o controle e aquisição de dados do Osciloscópio. . . 132
Figura 7.6 Sub-VI do Osciloscópio. . . 133
Figura 7.7 Interface para o controle e aquisição de dados do OSA. . . 134
Figura 7.8 Sub-VI do OSA. . . 134
Figura 7.9 GuiaAnálise dos Canais. . . 136
Figura 7.10 GuiaCurva de Resposta em Freqüência- Modo Manual. . . 137
Figura 7.11 GuiaCurva de Resposta em Freqüência- Modo Automático. . . 138
Figura 7.12 Arquitetura do Sistema desenvolvido para o WebLab com o software LabVIEW . . . 139
dutor para Consumidor. . . 141
Figura 7.15 EstruturaProdutor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Con-sumidor para Produtor. . . 142
Tabela 2.1 Tipos de variáveis internas do LabVIEW. . . 10
Tabela 2.2 Tipos de interfaces eletrônicas disponíveis para controle de instrumen-tos. . . 10
Tabela 4.1 Comparativo entre amplificadores ópticos. . . 47
Tabela 5.1 Parâmetros globais típicos de uma simulação com o VPI. . . 70
Tabela 5.2 Parâmetros da fibra óptica utilizados na simulação. . . 71
Tabela 5.3 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência do Laser para vários Comprimentos. . . 73
Tabela 5.4 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Largura do Laser para vários Comprimentos. . . 77
Tabela 5.5 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Potência Re-cebida (ROP) para várias Taxas de Bits. . . 81
Tabela 5.6 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função do Comprimento da Fibra para várias Taxas de Bits. . . 90
Tabela 5.7 Parâmetros utilizados na simulação: BER em função da Taxa de Bits para várias Larguras. . . 98
Tabela 6.1 Parâmetros dos Lasers. . . 111
DAQ Data AcQuisition board.
EAD Educação à Distância.
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier.
FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. GPIB General Purpose Interface Bus.
GUI Graphic User Interface. HTTP HyperText Transfer Protocol. IV-LAB InteractiveVirtual-LAB.
LMS Learning Management System.
MIT Massachussets Institute of Technology.
MOODLE Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment. NI National Instruments.
ODBC Open DataBase Connectivity. OSA Optical Spectrum Analyser.
PHP um acrônimo recursivo para "PHP:Hypertext Preprocessor". RN Resource Name.
RS-232C Recommended Standard 232C. SNR Signal-to-Noise Ratio.
SOAP Simple Object Access Protocol. XML Extensible Markup Language.
TIC’s Tecnologias da Informação e Comunicação.
TIDIA Tecnologia da Informação para o Desenvolvimento da Internet Avançda. USB Universal Serial Bus.
VI Virtual Instruments.
VISA Virtual Instrument Software Architeture. VMEbus eXtensions for Instrumentation.
1 INTRODUÇÃO . . . . 1
2 AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS COM O PROGRAMA LABVIEW . . . . 5
2.1 LabVIEW: Programa de Instrumentação e Análise . . . 5
2.2 Controle e Aquisição de Dados de Instrumentos . . . 10
3 ESTRUTURA GERAL DO WEBLAB . . . 12
3.1 Arquitetura Cliente / Servidor Dupla . . . 13
3.2 Integração do WebLab a um Ambiente Virtual de Ensino-Aprendizagem . . . 14
3.2.1 Atividades e Ações do Módulo WebLab . . . 20
3.2.2 Usuário Administrador . . . 21
3.2.3 Usuário Professor . . . 22
3.2.4 Usuário Aluno . . . 25
3.2.5 Transmissão de Áudio e Vídeo . . . 27
4 SISTEMAS WDM PARA COMUNICAÇÕES ÓPTICAS . . . 30
4.1 Componentes para Sistemas WDM . . . 32
4.1.1 Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers . . . 32
4.1.2 Moduladores . . . 35
4.1.5 Receptores Ópticos: Fotodetetores . . . 47
4.1.6 Multiplexadores e Demultiplexadores Ópticos . . . 49
4.1.7 Acopladores, Circuladores e Isoladores . . . 55
4.2 Caracterização de Sistemas WDM . . . 57
4.2.1 Parâmetros Básicos e Especificações . . . 59
4.2.2 Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate - BER) e Fator de Qualidade (Q-factor) . . . 62
4.2.3 Diagrama de Olho e Análise das Formas de Onda dos Sinais Ópticos . . . 65
5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS CANAIS COM O SOFTWARE VPI . . . 68
5.1 Taxa de Erro de Bit (BER) . . . 71
5.1.1 BER em função da Potência do Laser para vários Comprimentos . . . 72
5.1.2 BER em função da Largura do Laser para vários Comprimentos . . . 76
5.1.3 BER em função da Potência Recebida para várias Taxas de Bits . . . 80
5.1.4 BER em função do Comprimento da Fibra para várias Taxas De Bits . . . 89
5.1.5 BER em função da Taxa de Bits para várias Larguras . . . 98
5.2 Dynamic Data Sheet (DDS) e VPIplayer . . . 105
6 EXPERIMENTO PARA CARACTERIZAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS CANAIS . . . 106
6.1 Descrição da Montagem Experimental . . . 106
6.2 Caracterização do Lasers . . . 110
6.2.3 Curva de Resposta em Freqüência . . . 119
6.3 Caracterização dos Canais de Transmissão . . . 121
6.3.1 Espectros . . . 121
6.3.2 Modulação Direta de Corrente com Sinais Senoidais . . . 122
6.3.3 Curva de Resposta em Freqüência . . . 127
7 INSTRUMENTOS VIRTUAIS . . . 128
7.1 Drivers e GUI’s para Controle e Aquisição de Dados dos Instrumentos . . . 128
7.1.1 Gerador de Sinais . . . 129
7.1.2 Chave Óptica . . . 131
7.1.3 Osciloscópio . . . 132
7.1.4 Analisador de Espectro Óptico (OSA) . . . 134
7.2 Interface Gráfica de Usuário para Realização do Experimento. . . 136
7.3 Arquitetura do Sistema Desenvolvido . . . 139
8 CONCLUSÃO . . . 145
1
INTRODUÇÃO
O advento da Internet e o desenvolvimento das Tecnologias de Informação e Comuni-cação (TIC’s) geraram novos espaços para a comuniComuni-cação e colaboração entre grupos de pes-soas localizadas em regiões geograficamente distintas MOECKEL (2000). Nesse cenário, tem sido desenvolvida uma grande variedade de sistemas baseados na tecnologiaWebque integram ferramentas degroupwaree recursos de comunicação síncrona e assíncrona.
No âmbito educacional, uma das características mais importantes da tecnologiaWebé a possibilidade de utilizar recursos de comunicaçãoon-linebidirecional para o desenvolvimento de atividades de ensino-aprendizagem colaborativas. A comunicaçãoon-linepode ocorrer atra-vés de interações síncronas (que exigem a conexão simultânea dos participantes) utilizando-se recursos comochat, áudio-conferência e vídeo-conferência ou interações assíncronas (que não exigem a conexão simultânea dos participantes) utilizando-se recursos como e-mail, lista de discussão e fórum virtual.
Esses recursos conectam professores e estudantes fora da sala de aula, eliminando as barreiras de espaço e tempo presentes no ensino presencial tradicional. Nesse sentido, aWeb
As Redes de Aprendizagem podem ser utilizadas basicamente de três modos:
• Modo Auxiliar - Os recursos da tecnologiaWebsão utilizados como ferramenta opcional, para apoio e melhoria de cursos presenciais.
• Modo Misto - Os recursos da tecnologia Web são utilizados como parte integrante das atividades educacionais. É o modo correspondente aos cursos híbridos (parte presencial e parte a distância).
• Modo TotalmenteOn-line- Todas as atividades são desenvolvidas à distância. É o modo correspondente à Educação a Distância (EAD).
Com a utilização crescente das TIC´s para apoiar e complementar as atividades reali-zadas em sala de aula, as fronteiras entre o ensino presencial e a Educação a Distância (EAD) têm se tornado cada vez mais indefinidas. Os sistemas educacionais híbridos ou bi-modais, ba-seados na combinação de atividades presenciais e à distância através de tecnologias interativas inovadoras, têm sido considerados como os mais promissores para o ensino em todos os níveis.
Uma tecnologia que tem sido explorada recentemente com o objetivo de ampliar os níveis de interatividade em ambientes virtuais de ensino-aprendizagem resulta da associação entre a tecnologia Web e a automação de instrumentos por computador. Essa tecnologia tor-nou possível o desenvolvimento dos chamados Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes distribuídos que permitem o acesso e controle remoto via Internet de experimentos reais com a sensação de presença (NEDICet al., 2003). Vários trabalhos relacionados à automação e con-trole remoto de experimentos através da Internet têm sido desenvolvidos, muitos com foco em aplicações educacionais direcionadas a cursos na área de Ciências Exatas (TELELABS PRO-JECT, 2006).
Measurement) (FJELDLYet al., 1999; SHENet al., 1999); o laboratório remoto do Departa-mento de Automação e Controle da Universidade de Galati (CHICULITA; FRANGU, 2002); o laboratório remoto do Instituto de Tecnologia de Lausane (LATCHMANet al., 1999; GILLET
et al., 2002); o IV-LAB (Interactive Virtual-LAB) da Universidade de Massachusetts, Amherst (HUA; GANZ, 2003); o laboratório de simulação na área de fotônica do Departamento de Ele-trônica e Telecomunicações da Universidade de Tecnologia de Kosice (TURÁN; OVSENÍK, 1999).
O trabalho apresentado aqui integra-se às atividades relacionadas à participação do Laboratório de Fotônica Mackenzie no Projeto KyaTera do Programa TIDIA (Tecnologia da Informação para o Desenvolvimento da Internet Avançada) da FAPESP. O KyaTera é um pro-jeto cooperativo cujo objetivo é implantar uma rede de fibras ópticas para pesquisa, desenvolvi-mento e demonstração de tecnologias para aplicações da Internet Avançada (TIDIA, 2008). Os laboratórios e grupos de pesquisa participantes estão interconectados através de duas redes:
• Rede Experimental: Rede que interliga todos os laboratórios participantes do KyaTera por meio de fibras ópticas apagadas que chegam diretamente ao interior dos laboratórios (Fiber-To-The-Lab), possibilitando a realização de experimentos colaborativos e distri-buídos de transmissão óptica e de redes sob condições reais.
Neste trabalho foi implementado um WebLab para o estudo das características bási-cas de um sistema WDM para comunicações óptibási-cas . Foram desenvolvidosdriverse interfaces gráficas de usuário com osoftwareLabVIEW para o controle e aquisição de dados de instrumen-tos utilizados em um experimento remoto de medida das características básicas de um sistema WDM (Wave Division Multiplexing). Também foi desenvolvido um aplicativo com osoftware
VPItransmissionMaker que permite simular a medida da Taxa de Erro de Bit do sistema.
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AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS COM O
PROGRAMA LABVIEW
Neste capítulo são apresentadas as principais características do programa de instru-mentação e análise LabVIEW daNational Instruments(NI) e das interfaces de controle e aquisi-ção de dados de instrumentos utilizados para a automaaquisi-ção e execuaquisi-ção de experimentos remotos através da Internet.
2.1 LabVIEW: Programa de Instrumentação e Análise
O programa LabVIEW da NI, adotado como padrão para os WebLabs do Projeto Kya-Tera, é um poderososoftwarede instrumentação e análise, baseado na linguagem de programa-ção gráfica G. Os recursos do LabVIEW são utilizados da mesma forma que em umDataflow Diagram (Diagrama de Fluxo de Dados) (NI, 2005b), possibilitando maior eficiência na au-tomação em relação a outras linguagens compiladas ou interpretadas disponíveis, tais como C/C++, Java, Perl entre outras (REGAZZIet al., 2002).
Figura 2.1: Exemplo de Fluxograma (STEPHENet al., 2006) e DFD (SANDRILA, 2006).
O processo de desenvolvimento de aplicações eficientes com o LabVIEW , sobretudo quando se trata da automação de sistemas mais complexos, deve atender a três princípios básicos de boas práticas de programação (NI, 2005b):
• Escalável (Scalable)Facilidade para adicionar mais funcionalidades na aplicação sem a
necessidade de se redesenhar completamente a mesma;
• Legível (Readable)Facilidade para ler e compreender o propósito geral do sistema;
• Mantenível (Maintainable)Facilidade para modificar o código de um primeiro
desevol-vedor ou qualquer outro sem afetar o objetivo do código original.
A interface gráfica fornecida pelosoftwareLabVIEW é conhecida comoFront Panel, pois simula a aparência e a operação dos instrumentos reais. O processamento relativo aoFront Panelé implementada noDiagram Block, onde são conectados (wired) os componentes gráficos a todas as funcionalidades e processamentos necessários.
Como ilustração, nas Figuras (2.2, 2.3 e 2.4) são mostrados respectivamente o Panel Frontal e os Diagramas de Blocos de uma aplicação para a ordenação de 10 números utilizando o algoritmoBubble Sort(NI, 2006).
Figura 2.3: Exemplo deBlock Diagramdo LabVIEW.
Figura 2.4: Outro exemplo deBlock Diagramdo LabVIEW.
Nesse exemplo, é criada uma estrutura de eventos baseada no User Interface Event Handler Design Pattern(NI, 2005b). Com esse Design Pattern , a interação entre o usuário e o LabVIEW torna-se mais flexível. Portanto, à medida que o usuário aciona um dos botões existentes, um evento interno ao LabVIEW é criado. Oloop mantém as ações (1.Generate), (2.Sort) e (3.Quit) em espera até que um evento deValue Changeseja criado.
Podemos inserir outros VI’s dentro de um Diagrama de Blocos através do uso de
SubVI’s. Um SubVI comporta-se como uma função, retornando valores para o Painel Fron-tal, ou como um procedimento, realizando apenas algum tipo de processamento.
As diferentes formas de um fio típico são:
• Fino- Escalar;
• Grosso- Matriz de uma dimensão;
• Duplo- Matriz de duas dimensões.
Por meio do código de cores, podemos identificar a que tipo de variável um fio corres-ponde:
• Azul- Inteiro;
• Laranja- Real (Float Point);
• Rosa- String;
• Verde- Booleana;
• Marrom-Clusternumérico ou forma de onda;
• Verde Escuro- Caminho (Path) ou ponteiro de endereço (Refnum).
Tipo Tamanho (bits)
Single(SGL) 8
Double(DBL) 16
Extended(EXT) 32
Complex single(CSG) 8
Complex double(CDB) 16
Complex extended(CXT) 32
I8 8 I16 16 I32 32 U8 8 U16 16 U32 32
Tabela 2.1: Tipos de variáveis internas do LabVIEW.
2.2 Controle e Aquisição de Dados de Instrumentos
O controle de instrumentos com o LabVIEW é realizado via portas ou interfaces ele-trônicas de comunicação. Tipicamente, essas interfaces possuem uma maneira padronizada de realizar a comunicação entre o computador e os dispositivos. Tal comunicação fornece um pro-tocolo acessível a cada tipo de aplicação existente. A Tabela (2.2) apresenta uma relação das principais interfaces utilizadas (REGAZZIet al., 2002).
Interface Formato Disp. Dist. (m) Tx. (bits/s)
RS-232 EIA/TIA-232 assíncrono serial 2 15-30 20K
RS-485 EIA/TIA-485 assíncrono serial 32 1200 10M
IrDA assíncrono serial infrared 2 2 115K
USB(v1.1) assíncrono serial 127 12M
USB(v2.0) assíncrono serial 127 48M
FireWire 400 serial 64 5 400M
FireWire 800 serial 00 100 800M-3200M
IEEE-488.2 GPIB paralelo 15 20 1M
Ethernet serial 1024 110 10M-10M
Paralela IEEE-1284 paralela 2/8 3-10 1M
Spread spectrum
IEEE-802.M serial 112 32000 144K
Além dos protocolos convencionais de comunicação, existem soluções híbridas dis-ponibilizadas pela NI, como um cabo GPIB-USB-HS (REGAZZI et al., 2002) que permite controlar um instrumento com interface GPIB através de uma interface de controle USB. Isso possibilita uma maior flexibilidade para controlar o instrumento, com taxa de transmissão de dados entre 1,8 MB/s e 7,2 MB/s.
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ESTRUTURA GERAL DO WEBLAB
Os principais requisitos para um laboratório remoto podem ser agrupados em quatro elementos essenciais: equipamento, interface de controle do servidor, ambiente esoftware cli-ente CHICULITA e FRANGU (2002). Na Figura (3.1) é mostrada a estrutura básica do sistema desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie para a implementação de WebLabs (JU-NIOR., 2006; FILHO, 2007; SZPIGELet al., 2007b, 2006b, 2006a, 2007a, 2007), baseada em um ambiente distribuído que permite a automação local dos instrumentos e o acesso e controle remoto de experimentos através da Internet em tempo real e com sensação de presença.
Figura 3.1: Estrutura do WebLab.
Um computador denominado Servidor Web, responsável pelo acesso e controle remoto do experimento via Internet, é o intermediário entre o Cliente e o Servidor Local, possibilitando gerenciamento do acesso dos usuários ao experimento. Um dispositivo de interconexão de redes (Hub/Switch) é utilizado para conectar o Servidor Local ao Servidor Web, bem como a estações locais que podem ser eventualmente utilizadas para a monitoração do sistema.
Completando o sistema desenvolvido, utiliza-se uma câmera digital (WebCam) conec-tada ao Servidor Local para a transmissão de áudio e vídeo à GUI (Graphical User Interface), permitindo a visualização em tempo real dos instrumentos e a comunicação on-line entre os usuários através de vídeo-conferência.
3.1 Arquitetura Cliente / Servidor Dupla
O controle remoto do experimento é implementado utilizando-se uma arquitetura Cli-ente/Servidor dupla (CHENet al., 1999), representada na Figura (3.2), envolvendo aplicativos de interface que possibilitam a comunicação entre o Servidor Local e o Servidor Web e entre este e os computadores clientes.
Figura 3.2: Arquitetura Cliente/Servidor Dupla.
Para controlar remotamente o experimento, os usuários utilizam uma Interface Gráfica de Usuário (GUI) executada em uma páginaWebacessada através do navegador (Browser). Para a execução do VI nos computadores Clientes é necessária a instalação do aplicativo LabVIEW
Runtime Engine. Essa GUI também pode ser implementada utilizando-se aplicativos baseados na tecnologiaWeb(Active-X, CGI (Common Gateway Interface), Java e AJAX, entre outras).
3.2 Integração do WebLab a um Ambiente Virtual de
Ensino-Aprendizagem
Os ambientes virtuais de ensino-aprendizagem consistem basicamente de um Sistema de Gerenciamento de Aprendizagem (Learning Management System- LMS) ou Sistema de Ge-renciamento de Cursos (Course Management System- CMS) ao qual são incorporados materiais didáticos e aplicativos hipermídia interativos. O Sistema de Gerenciamento é um conjunto in-tegrado de programas para a autenticação e gerenciamento de usuários, recursos para autoria e gerenciamento de conteúdos hipermídia, ferramentas de comunicaçãoon-linee instrumentos para acompanhamento e avaliação das atividades.
A integração do WebLab ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem é implemen-tada através de um novo módulo de atividades adicionado ao ambiente MOODLE, denominado Módulo WebLab, desenvolvido pelo grupo do Laboratório e Fotônica Mackenzie utilizando-se scripts PHP e componentes do próprio ambiente MOODLE (JUNIOR., 2006; FILHO, 2007). Seguindo o padrão do MOODLE, as funcionalidades do Módulo WebLab são executadas de forma diferenciada por três tipos de usuários: Administrador, Professor e Aluno. A estrutura desse módulo é representada pelo diagrama OOHDM (Object-Oriented Hypermedia Design Method), Diagrama de Pacotes e Diagrama de Classes exibidos respectivamente nas Figuras (3.3, 3.4 e 3.5).
Na Figura (3.3) são apresentadas as respectivas associações dinâmicas entre os eventos disparados pelo usuário e a função executada pelo módulo. Essa estrutura de eventos mostra como o Módulo WebLab foi organizado de forma que o usuário tenha um conjunto de objetos necessários para a sua orientação e controle espacial no módulo.
Com o objetivo de fornecer uma melhor visualização da implantação do sistema, a Figura (3.4) mostra a utilização do MOODLE como um sistema com 3 camadas (Moodlelib, Weblib e Datalib). Tais camadas formam as bases para uma possível adoção do modelo MVC (Model View Controller), permitindo assim uma melhor abordagem para o desenvolvimento bem como a descentralização de recursos específicos. A Figura (3.5) apresenta o relaciona-mento adotado para o Módulo WebLab. Para sua implementação, foi utilizado o padrãoBridge
Em tal esquema, optou-se por manter a associação entre as classes especializadas den-tro do arquivoview.php. Essa associação pode ser melhor observada através de um diagrama de colaboração apresentado na Figura (3.6).
Figura 3.6: Diagrama de Colaboração do Módulo WebLab.
Como mostrado acima, a base para a troca de mensagens entre as classes é a classe
view. A classeviewrealiza a instanciação da visualização escolhida pelo usuário. Além disso a classe também pode realizar a operação save_state para registrar uma sessão/estado atual do Módulo WebLab. O trecho de código mostrado abaixo mostra que para um parâmetro desejado (formode), a importação da classe ocorre (Linha 1). Os tipos permitidos são con-fig,experiment,report e slots. Na (Linha 2) ocorre a associação com o tipo especificado e na (Linha 4) é criado o objetoweblabinstance. As Linhas (5-8) registram/visualizam a sessão.
1 r e q u i r e _ o n c e(✧✩❈❋● ✲❃ ❞✐rr♦♦t ✴ ♠♦❞ ✴ ✇❡❜❧❛❜ ✴ t②♣❡ ✴ ✩❢♦r♠♦❞❡ ✴ ✇❡❜❧❛❜ ✳ ❝❧❛ss ✳ ♣❤♣ ✧) ;
2 $ w e b l a b c l a s s = ✧ ✇❡❜❧❛❜❴✩❢♦r♠♦❞❡ ✧;
3 $weblab−>formode = $formode ;
4 $ w e b l a b i n s t a n c e = new $ w e b l a b c l a s s ( $cm−>id , $weblab , $cm , $ c o u r s e ) ;
5 i f ( $ w e b l a b i n s t a n c e−> s a v e _ s t a t e ( ) )
6 $ w e b l a b i n s t a n c e−>view ( ) ;
7 e l s e
3.2.1 Atividades e Ações do Módulo WebLab
Com o objetivo de gerenciar o experimento para três tipos diferentes de usuários, o Módulo WebLab desenvolvido possui três ações principais: Adicionar Módulo, Configurar Ex-perimento e Realizar ExEx-perimento. A Figura (3.7) apresenta as principais atividades de cada usuário do MOODLE.
Figura 3.7: Diagrama de Atividades do Módulo WebLab.
A Figura (3.8) mostra as principais ações de cada usuário.
3.2.2 Usuário Administrador
O usuário Administrador é o responsável pela ativação do Módulo WebLab no ambi-ente MOODLE. Sua função principal é cadastrar os experimentos remotos e outros recursos utilizados. As ações do Aministrador são mostradas no Diagrama de Caso de Uso da Figura (3.9) e a Figura (3.10) mostra a tela utilizada para executar essas ações.
Figura 3.9: Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab -Administrador.
A ação de ativação do WebLab define a disponibilidade do Módulo WebLab dentro do ambiente MOODLE. O Administrador deve ativar o módulo para que o usuário Professor possa criar uma atividade vinculada ao mesmo. Além disso, o Administrador é o responsável por cadastrar e configurar cada experimento remoto dentro do módulo, definindo um nome, endereço IP do VI do WebLab e daWebCam.
3.2.3 Usuário Professor
O usuário Professor é o responsável pela criação, configuração e gerenciamento de atividades envolvendo o uso do WebLab.
Figura 3.11: Diagrama de Casos de Uso do Módulo WebLab -Professor.
Figura 3.12: Tela Descrição do usuário Professor.
O Professor também deverá criar osslotsde execução do experimento, possibilitando que cada aluno reserve um horário para fazer as suas medidas. A Figura (3.13) mostra a tela Agendamento, nela o Professor configura osslotsde execução.
Figura 3.13: Tela Agendamento do usuário Professor.
Figura 3.14: Tela Experimento do usuário Professor.
Caso o experimento possua uma Webcam associada, o Professor poderá definir se de-seja disponibilizá-la durante a realização do experimento ou não.
Na última etapa, o Professor realiza a configuração para o envio de um relatório de execução do experimento pelos alunos, indicando uma data e horário inicial, bem como uma data e horário final (Figura 3.15).
3.2.4 Usuário Aluno
O Aluno é um usuário que acessa a atividade do WebLab. As ações do usuário Aluno são mostradas no Diagrama de Casos de Uso da Figura (3.16). Quando o Aluno efetua olog-in, é apresentada uma tela com a descrição da atividade, conforme mostra a Figura (3.17).
Figura 3.16: Diagrama de Casos de uso do Módulo WebLab -Aluno
Posteriormente, o Aluno reserva umslotde execução de experimento. Na data e horá-rio correspondentes aoslotreservado, o Aluno poderá acessar os VI´s e controlar remotamente o experimento. Após o agendamento, os links Experimento e Webcam estarão ativos apenas durante o período correspondente aoslotreservado (Figura 3.18).
Figura 3.18: Tela Experimento do usuário Aluno.
Após a execução do experimento, o Aluno poderá elaborar o relatório de atividades e submetê-lo ao professor (Figura 3.19).
3.2.5 Transmissão de Áudio e Vídeo
Na primeira versão do sistema desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie para WebLabs, a transmissão de vídeo para o monitoramento dos experimentos remotos foi implementada através de um aplicativo desenvolvido em LabVIEW , utilizado-se um driver
genérico para comunicação através de interface USB da Logitech (TREVELYAN, 2004). Na Figura (3.20) é mostrado oSubVIdesenvolvido para aWebCam.
Figura 3.20:SubVI para aWebCam.
Inicialmente, é feita a abertura dostreamingde vídeo através do SubVI INIT da Web-cam, definindo o tamanho da janela em pixels (largura = 320 e altura = 240). Posteriormente, é definido o modo de operação da WebCamatravés do SubVI GRAB, o qual indica que será capturada uma imagem da mesma. Em seguida, a imagem é capturada pelaSubVI PICTURE e a imagem é apresentada no VI daWebCam.
Para disponibilizar um aplicativo desenvolvido em LabVIEW na Internet, utiliza-se o recursoWeb Publishdo LabVIEW . Uma das características dessa publicação, é que o servidor
No aspecto relacionado à QoS (Quality of Service), verifise que, devido a essa ca-racterística, a utilização de um monitoramento através de vídeo em LabVIEW não é uma so-lução ideal, uma vez que, para não comprometer a conexão do usuário com o experimento, o servidorWebdo LabVIEW diminui a taxa de atualização do vídeo. Uma primeira solução en-contrada para esse problema foi desvincular a interface de vídeo da interface do experimento, obtendo uma solução que depende de dois aplicativos distintos. Na Figura (3.21) é mostrada uma imagem do VI utilizado para transmissão de vídeo dessa forma.
Figura 3.21: VI independente para aWebCam.
Além da transmissão, o JMF suporta a captura e o armazenamento de áudio e vídeo, bem como o controle do tipo da mídia que está sendo apresentada/capturada. Muitos padrões de mídias são suportados por este framework, como por exemplo AIFF, AU, AVI, MPEG, WAV, entre outros. Na Figura (3.22) é mostrada uma imagem da aplicação JMF desenvolvida para a transmissão de vídeo.
4
SISTEMAS WDM PARA COMUNICAÇÕES
ÓPTICAS
O crescimento exponencial do tráfego nas redes de comunicação, devido principal-mente à expansão dos serviços da Internet, tem gerado a demanda por sistemas de comunicação com alta capacidade de transmissão através de distâncias cada vez maiores (LOPES, 2006).
Para atender tal demanda, uma grande variedade de tecnologias de comunicação óp-tica tem sido desenvolvida, tais como a Multiplexação Ópóp-tica por Divisão de Tempo (Optical Time Division Multiplexing - OTDM) e a Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (Wavelenght Division Multiplexing - WDM), possibilitando superar as limitações de velocidade de transmissão e largura de banda impostas por dispositivos eletrônicos (RAMASWAMI; SI-VARAJAN, 2002). Outras tecnologias que têm impulsionado o desenvolvimento de sistemas de comunicação óptica que operam a taxas de bit e potências de transmissão cada vez mais altas são os lasers sintonizáveis e os amplificadores ópticos, como os de fibra dopada com Érbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA).
de sinais independentes em diferentes comprimentos de onda. Quando o espaçamento entre os comprimentos de onda é pequeno (∼0,8nm) o sistema é chamado DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing), comportando um número maior de canais. Quando o espaçamento é grande (∼20nm) o sistema é chamado CWDM (Coarse Wavelenght Division Multiplexing), comportando um número menor de canais. Nesses sistemas de comunicação, o tipo e modelo de protocolo utilizados em enlaces (Ethernet, SONET/SDH ou ATM) são considerados como elementos de baixo nível, permitindo assim uma melhor abstração e independência entre os protocolos do nível óptico utilizado (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 2002).
Na Figura (4.1) é apresentada a estrutura básica de um sistema WDM de n-canais.
Figura 4.1: Sistema WDM de n-canais.
Na entrada, os sinais ópticos gerados por lasers de diferentes comprimentos de onda (λ1,λ2. . .λn) são modulados pelas fontes de informação correspondentes a cada canal de
trans-missão. Esses sinais ópticos modulados são, então, multiplexados no domínio da freqüência ou do comprimento de onda por meio de um dispositivo multiplexador (MUX) e transmitidos simultaneamente através do enlace de fibra óptica, mantendo-se as características físicas de cada componente. Na saída, os sinais ópticos são separados por meio de um dispositivo de-multiplexador (DEMUX) e recebidos por fotodetetores, recuperando-se, assim, as informações transmitidas por cada canal.
4.1 Componentes para Sistemas WDM
Os principais componentes de um sistema WDM são:
• Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers
• Moduladores
• Fibras Ópticas
• Amplificadores Ópticos
• Receptores Ópticos: Fotodetetores
• Multiplexadores e Demultiplexadores
• Acopladores, Circuladores e Isoladores
4.1.1 Transmissores Ópticos: LED’s e Lasers
Os transmissores ópticos são os componentes do sistema de comunicação óptica res-ponsáveis por converter os sinais elétricos correspondentes aos canais em sinais ópticos que serão acoplados à fibra óptica. As características das fontes ópticas utilizadas em sistemas de comunicação óptica constituem um aspecto importante a ser considerado, sendo frequente-mente um fator limitante com relação à performance dos enlaces ópticos. De modo geral, esses componentes devem ser compactos, monocromáticos (pequena largura espectral), estáveis e duráveis.
Existem dois tipos básicos de fontes ópticas utilizadas em sistemas de comunicação óptica: os Diodos Emissores de Luz (Light-Emition Diodes - LED’s) e os Lasers (Light Ampli-fication by Stimulated Emission of Radiation).
espectral (entre 30 nm e 60 nm), baixa capacidade de modulação (freqüência máxima de modu-lação típica de 100 MHz), resposta lenta e divergência angular elevada que gera dificuldade para acoplamento em fibras ópticas (eficiência de acoplamento máxima de 1 %). Geralmente são uti-lizados emlinks de comunicação que usam fibra multimodo e operam a taxas de transmissão menores que 10 Gbps.
Os Lasers são dispositivos que geram luz através de um mecanismo denominado inver-são de população. Suas principais características inver-são: emisinver-são coerente com pequena largura espectral (menor que 1 nm), alta potência, pequena divergência angular que permite melhor acoplamento em fibras ópticas (eficiência de acoplamento máxima entre 30 % e 50 %) e me-lhor tempo de resposta (tunability) em altas freqüências (até 40 GHz). Nesse sentido, são mais adequados para aplicação emlinks de longa distância e que utilizam fibras monomodo, prin-cipalmente os sistemas WDM. Os Lasers utilizados em sistemas de comunicação óptica são basicamente de dois tipos: os Lasers de Fibra Óptica e os Lasers de Semicondutor (Diodos Laser), sendo estes últimos os mais utilizados.
O funcionamento dos Lasers de Semicondutor é baseado nas propriedades ópticas das junções p-n. Quando uma corrente elétrica atravessa a junção p-n, elétrons livres absorvem
quantade energiaE, sofrendo transição do estado fundamental para um estado excitado. Após um certo intervalo de tempo, esses elétrons excitados voltam ao estado fundamental, emitindo a energia absorvida na forma de fótons de energiaE =hν, onde hé a constante de Planck e
ν é a frequência da radiação emitida. Essa oscilação aleatória de elétrons, passando do nível
de energia fundamental para um nível excitado com a emissão subsequente de radiação, é cha-madaEmissão Espontânea, no sentido de que os fótons emitidos apresentam uma distribuição aleatória de fase e freqüência. A radiação produzida porEmissão Espontânea não é adequada para sistemas de comunicação óptica, uma vez que apresenta baixa potência e espectro largo.
transição do nível excitado para o nível mais baixo é provocada pelo fóton externo. Para manter aEmissão Estimulada, é necessário estabelecer uma inversão de população, na qual o número de elétrons no estado excitado é maior do que o número de elétrons no estado fundamental. Se não houver inversão de população, aEmissão Espontâneaocorrerá predominantemente. Uma forma possível de obter inversão de população é através de processos de bombeio envolvendo múltiplos níveis de energia. O ponto de transição, no qual a Emissão Estimuladapassa a ser dominate, é chamado limiar de laser (laser threshold).
Uma vez estabelecida a inversão de população, o sistema apresenta um ganho óptico devido à interação de fótons com os elétrons excitados. Colocando a junção p-n dentro de uma cavidade que consiste em paredes refletoras, um processo de realimentação óptica é estabele-cido. Esse processo amplifica o sinal óptico exponencialmente, gerando um feixe de radiação laser de alta potência em uma determinada freqüência controlada.
Existem vários tipos de Lasers de Semicondutor que são utilizados em sistemas de comunicação óptica, tais comoDistributed Feedback Lasers(DFB),Distributed Bragg Reflec-tor Lasers(DBR),Fabry-Perot Lasers(FP),Vertical Cavity Surface Emitting Lasers(VCSEL), além de lasers sintonizáveis (mecanicamente ou por controle de temperatura) que fornecem comprimentos de onda dentro de um dado intervalo. Na Figura (4.2) (ANTONY; GUMASTE, 2002) é mostrado o esquema de um laser DFB.
4.1.2 Moduladores
A modulação em sistemas de comunicação pode ser definida como sendo a sobreposi-ção de um fluxo de dados sobre a portadora do sinal, através da alterasobreposi-ção de um dos parâmetros da portadora com respeito à mudança no fluxo de dados. O objetivo da modulação é permitir o transporte dos dados de forma eficiente e com um mínimo de erros.
Em sistemas de comunicação óptica, os dados são modulados sobre o sinal óptico gerado por um Laser Diodo, fazendo-se com que a potência óptica (ou a fase) dependa da seqüência binária do fluxo de dados. Duas técnicas são geralmente empregadas para realizar a modulação: Modulação Direta e Modulação Externa.
Na Modulação Direta Figura (4.3) (ANTONY; GUMASTE, 2002), a corrente forne-cida pelo driver do laser varia de acordo com o fluxo de dados. Isso faz com que a potência óptica de saída seja proporcional ao fluxo de dados binários, produzindo uma série de pulsos ópticos isomorfos que são então acoplados à fibra óptica. A Modulação Direta apresenta várias desvantagens e limitações a altas taxas de transmissão de dados (maiores que 2.5 Gbps) e lon-gas distâncias, devido ao excesso dechirp(variação da freqüência do sinal óptico com o tempo devida à instabilidade do laser) e efeitos não-lineares - especialmente Auto-Modulação de Fase (Self-Phase Modulation- SPM).
Figura 4.3: Modulação Direta (ANTONY; GUMASTE, 2002).
os efeitos não-lineares e o excesso dechirp. CavidadesFabry-Perot(FP) ou Interferômetros de Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometers- MZI’s) são bons candidatos para esse tipo de aplicação.
Figura 4.4: Modulação Externa (ANTONY; GUMASTE, 2002).
A modulação em sistemas de comunicação óptica é tipicamente implementada através de chaveamento ON/OFF (On-Off Keying - OOK) da fonte óptica. O fluxo de dados aparece como uma sequência de pulsos, com um nível de potência máximo representando um sinal lógico 1 e um nível de potência mínimo representando o sinal lógico 0. O problema dessa técnica é o tempo necessário para chavear o laser entre os níveis de potência. Existem dois formatos de OOK (Figura 4.5) (ANTONY; GUMASTE, 2002): return to zero (RZ) e Non-Return to Zero(NRZ).
No formato RZ, o nível de potência para o bit 1 retorna a zero na metade do período do pulso, enquanto para o bit 0 o nível de potência é mantido constantemente igual a zero. No formato NRZ, por outro lado, os níveis de potência correspondentes aos bits 1 e 0 são mantidos respectivamente no máximo e mínimo durante seus períodos completos. A vantagem do NRZ é que ocupa a metade da largura de banda do RZ, sendo o formato preferido para sistemas WDM. No entanto, longos períodos de bits 1 resultam em um bloco de alta potência, criando dificuldades para o receptor decodificar o sinal e gerando efeitos não-lineares indesejáveis.
4.1.3 Fibras Ópticas
As fibras ópticas são os componentes responsáveis pela transmissão dos sinais ópticos que carregam as informações, fornecidos pelos LED’s ou Diodos Laser.
As fibras ópticas são guias de onda cilíndricos compostos por um fino núcleo de sílica envolto por uma casca com índice de refração ligeiramente menor que o núcleo. Além do núcleo e da casca, a fibra possue um revestimento para proteção contra impactos. Essa estrutura possibilita o confinamento e propagação do feixe óptico no núcleo através do efeito de reflexão interna total (Figura 4.6) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
O ângulo crítico de reflexão total é dado por
Θc=ArcCos(n2/n1), (4.1)
onden1en2são respectivamente os índices de refração no núcleo e da casca.
Outro parâmetro que caracteriza uma fibra é a variação do índice de refração entre o núcleo e a casca, dado por:
δ = n1−n2
n1 . (4.2)
Na Figura (4.7) (ANTONY; GUMASTE, 2002) são mostradas representações esque-máticas dos cortes longitudinais de fibras ópticas com perfil de índice degrau e gradual.
Existem duas categorias gerais de fibras ópticas utilizadas em sistemas de comunicação óptica: Fibras Monomodo e Fibras Multimodo. Nas fibras multimodo, vários modos podem se propagar simultaneamente, enquanto nas fibras monomodo apenas um modo de propagação é permitido (Figura 4.8) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
Figura 4.8: Modos de propagação em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
Os modos de propagação em uma fibra óptica são obtidos através da solução das Equa-ções de Onda de Maxwell para os campos elétrico e magnético em um guia de ondas cilíndrico. A partir dessa solução, obtém-se a frequência normalizada,V (ou parâmetro V), que define o número de modos suportados pela fibra. A Equação (4.3) apresenta esse resultado:
V =2π λ a(n1
2
−n22)12. (4.3)
Na Equação (4.3), a é o raio do núcleo, n1 e n2 são respectivamente os índices de refração no núcleo e da casca eλ é o comprimento de onda da luz acoplada na fibra.
Quanto maior o valor de V, maior o número de modos suportados pela fibra. Para
V <2,405 a fibra será monomodo. O principal fator que define o valor deV é o raio do núcleo,
Perdas nas Fibras Ópticas
Vários efeitos podem afetar a propagação da luz em fibras ópticas, degradando os sinais ópticos e limitando as distâncias de transmissão. Esses efeitos dependem de vários fatores, particularmente das características da fibra óptica, e podem ser agrupados em três categorias básicas: Atenuação, Dispersão e Não-linearidades.
• Atenuação
A atenuação em fibras ópticas corresponde à perda de potência do sinal óptico à medida que se propaga na fibra e é causada por fatores intrínsecos, como espalhamento Rayleigh e absorção por impurezas ou imperfeições no vidro durante a fabricação, e fatores ex-trínsecos, como tensões e deformações causadas por forças externas (microbending ou
macrobending).
Os principais fatores que determinam a atenuação em uma fibra óptica são o comprimento da fibra e o comprimento de onda da luz. A atenuação em uma fibra é medida em termos do coeficiente de atenuação, dado por:
Γ= −10
z [log( Pout
Pin )](dBm/Km), (4.4)
onde Pout e Pin são respectivamente as potências de entrada e saída em watts (W) e z é o comprimento da fibra. Em termos das potências em dB, o coeficiente de atenuação é dado por
Γ=Pin−Pout
A Figura (4.9) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de atenuação típica.
Figura 4.9: Curva de atenuação em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
Os processos de fabricação de fibras ópticas evoluíram bastante. Com a redução dos picos de absorção por íons, de modo a obter um espectro de absorção mais plano, tornou-se possível a exploração de uma faixa de comprimentos de onda bem mais extensa. Os sistemas de comunicação óptica WDM operam atualmente em quatro janelas ou bandas, onde a atenuação é menor:
- Banda S (Short wavelenght): 1460 - 1530 nm.
- Banda C (Conventional): 1530 - 1565 nm.
- Banda L (Long wavelenght): 1565 - 1625 nm.
• Dispersão
A dispersão corresponde ao alargamento dos pulsos ópticos à medida que se propagam na fibra. Esse alargamento resulta em distorção do sinal, limitando a largura de banda da fibra. Dois tipos de dispersão geralmente afetam os sistemas WDM: Dispersão Cromática e Dispersão dos Modos de Polarização (Polarization Mode Dispersion - PMD).
A Dispersão Cromática ocorre devido às diferenças de velocidade de propagação na fibra entre as componentes espectrais do pulso. Esse efeito é chamado Dispersão da Velocidade de Grupo (Group Velocity Dispersion- GVD) e aumenta com o quadrado da taxa de bits. Em fibras monomodo, a Dispersão Cromática tem duas componentes: Dispersão Material e Dispersão do Guia de Onda.
A Dispersão Material ocorre quando diferentes comprimentos de onda propagam-se a diferentes velocidades, chegando ao final da fibra em instantes diferentes. Isso resulta em um alargamento do pulso.
A Figura (4.10) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de dispersão cromática típica.
Figura 4.10: Dispersão Cromática em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
A PMD, importante a taxas de bit maiores que 5 Gbps, ocorre devido a assimetrias na geometria cilíndrica da fibra resultantes do processo de fabricação, que introduzem pe-quenas diferenças entre os índices de refração de diferentes componentes de polarização. Devido a esse efeito, chamado Birrefringência, diferentes componentes de polarização propagam-se com velocidades diferentes, resultando em um alargamento do pulso óptico.
• Não-linearidades
Outros efeitos não-lineares associados a essa categoria são a Instabilidade Modulacional (Modulational Instability - MI) e a Formação de Sólitons (Sóliton Formation - SF). Uma vez que dependem da potência do sinal óptico, os efeitos não-lineares tornam-se impor-tantes para sistemas de comunicação óptica que operam a altas taxas de bit e potências de transmissão.
Tipos de Fibras
OInternational Telecommunication Union(ITU), grupo internacional responsável pela padronização de sistemas de telecomunicações, classifica e define os seguintes tipos de fibra óptica (HEATHERet al., 2004):
• Multimode Fiber with a 50-Micron Core(ITU-T G.651): fibra multimodo com diâmetro nominal do núcleo e da casca respectivamente iguais a 50 e 125 microns.
• Nondispersion Shifted Fiber (ITU-T G.652): fibra monomodo padrão (mais comumente utilizada), com dispersão zero em 1310 nm.
• Dispersion Shifted Fiber(ITU-T G.653): fibra monomodo, com dispersão zero em 1550 nm.
• 1550-nm Loss-Minimized Fiber(ITU-T G.654): caso especial de fibra monomodo padrão, com baixa perda na região de 1500 a 1600 nm.
4.1.4 Amplificadores Ópticos
Os amplificadores ópticos são dispositivos utilizados para amplificar o sinal, compen-sando as perdas devidas à atenuação. Funcionalmente, os amplificadores ópticos são idênticos aos amplificadores elétricos e repetidores, com a diferença de que a amplificação é realizada inteiramente no domínio óptico. Os amplificadores ópticos funcionam de forma semelhante aos Lasers: a amplificação do sinal de entrada é obtida por emissão estimulada, através um processo de bombeio elétrico ou óptico em um meio com ganho.
Existem tres tipos básicos de amplificadores ópticos:
• Amplificador de Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA):
O EDFA é um amplificador óptico, funcional na banda C, no qual o meio com ganho consiste em alguns metros de fibra óptica dopada com íons de Érbio, um elemento do tipo terra-rara. Na Figura (4.11) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) é mostrado um diagrama simplificado de um EDFA.
Na Figura (4.12) (NIITet al., 2001) é mostrado um esquema do funcionamento do EDFA.
Figura 4.12: Níveis de energia e funcionamento do EDFA (NIITet al., 2001).
O sinal óptico a ser amplificado é injetado em uma fibra dopada com Érbio, na qual é aplicado um sinal de bombeio contínuo em 980 ou 1480 nm. Esse sinal de bombeio faz com que elétrons no nível de energia fundamentalN1passem para um nível excitado de energia N3. Esses elétrons excitados decaem rapidamente para um nível meta-estável de energia N2. O sinal óptico injetado estimula os elétrons no nível N2 a decairem para o nívelN1, emitindo fótons de comprimento de onda da ordem de 1550 nm. Dessa forma, o sinal óptico injetado é amplificado.
• Amplificador Raman (Raman Amplifier - RA):
• Amplificador Óptico a Semicondutor (Semiconductor Optical Amplifier - SOA):
Lasers de Semicondutor podem ser utilizados como amplificadores ópticos removendo-se o feedbackda cavidade ressonante. Isso é feito substituindo as extremidades do laser por revestimentos anti-refletores. Devido a severas limitações, como elevadocrosstalk e baixa potência de saída, o SOA é atualmente pouco utilizado.
A Tabela (4.1) mostra uma comparação entre os três tipos de amplificadores ópticos.
Parâmetro EDFA Raman SOA
Ganho ∼30 dB ∼20-25 dB ∼10-20 dB
Potência de Saída Alta Alta Baixa
Potência de Entrada Moderado Alta Alta
Cross-talk Baixo Baixo Muito Alto
Tendência de Ganho Alto Baixo Alto
Aplicação Metrolong haul long haul short haul, canal simples, conversos
Tabela 4.1: Comparativo entre amplificadores ópticos.
4.1.5 Receptores Ópticos: Fotodetetores
• Fotodiodo PIN
O Fotodiodo PIN é uma extensão do diodo de junção p-n, no qual é inserido um material intrínseco ligeiramente dopado na junção, aumentando a largura de sua região de deple-ção. A Figura (4.13) (ALWAYN, 2004) mostra uma visão geral do funcionamento de um Fotodiodo PIN.
Figura 4.13: Fotodiodo PIN (ALWAYN, 2004).
• Fotodiodo de Avalanche
A Figura (4.14) (ANTONY; GUMASTE, 2002) mostra um esquema geral de um Fotodi-odo de Avalanche.
Figura 4.14: Fotodiodo Avalanche (ANTONY; GUMASTE, 2002).
4.1.6 Multiplexadores e Demultiplexadores Ópticos
O Multiplexador Óptico combina os múltiplos comprimentos de onda provenientes de várias fibras em um sinal de entrada único a ser transmitido por uma única fibra óptica. Na outra extremidade do sistema, o Demultiplexador Óptico separa novamente o sinal recebido em suas componentes de comprimento de onda, acoplando-as a fibras individuais. Vários dispositivos e tecnologias são utilizados na Multiplexação/Demultiplexação:
• Cavidade Fabry-Perot (FP)
A Figura (4.15) (ALWAYN, 2004) apresenta o esquema da cavidade ressomante (FP).
Figura 4.15: Cavidade Fabry-Perot (FP) (ALWAYN, 2004).
A refletividade das duas superfícies refletoras é função do comprimento de onda de ope-ração e pode ser ajustada para sintonizar diferentes comprimentos de onda de ressonân-cia. O comprimento de onda de ressonância também pode ser ajustado aplicando-se uma voltagem a um transdutor que muda a distância entre as superfícies refletoras, alte-rando o comprimento da cavidade. Um cavidade típica para sistemas WDM é construída utilizando-se um gap de ar entre as superfícies polidas de duas fibras ópticas.
• Grade de Bragg (Fiber Bragg Grating - FBG)
Figura 4.16: Grade de Bragg (FBG) (NIITet al., 2001).
Quando um sinal com várias componentes de comprimentos de onda diferentes propaga-se através dessa perturbação, uma única componente é refletida para trás, cujo compri-mento de onda corresponde ao chamado Compricompri-mento de Onda de Bragg, dado por
λB=2nτ, (4.6)
ondené o índice de refração do núcleo da fibra eτ é o período da perturbação ou grade.
• Filtro Acusto-Óptico Sintonizável (Acousto-Optical Tunable Filter - AOTF)
Figura 4.17: Filtro Sintonizável Acusto-Óptico (AOTF) (NIITet al., 2001).
• Grade de Guias de Onda Ordenados (Arrayed Waveguide Grating- AWG)
O AWG é um dispositivo que consiste de múltiplos guias de onda de diferentes com-primentos convergindo no mesmo ponto. Os sinais atravessam cada um desses guias de onda, percorrendo distâncias diferentes, tal que no ponto de convergência ocorre interfe-rência construtiva ou destrutiva dependendo da diferença de fase entre os sinais. Portanto, o AWG pode ser utilizado para multiplexar e demultiplexar o sinal em fase. Na direção de transmissão, o AWG combina comprimentos de onda de vários guias em um guia de saída, funcionando como multiplexador. Na direção oposta, o AWG separa os com-primentos de onda individuais do sinal composto, funcionando como demultiplexador (Figura 4.18) (NIITet al., 2001).
• Interferômetro de Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interfefometer - MZI)
O MZI é um dispositivo que consiste da junção de dois acopladores passivos 2X2. Os acopladores são conectados a dois braços de tal forma que os sinais em cada braço inter-ferem um com o outro duas vezes, conforme mostra a Figura (4.19) (NIITet al., 2001).
Figura 4.19: Interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) (NIITet al., 2001).
Os acopladores são balanceados de forma que a potência de entrada seja igualmente di-vidida entre os dois braços. O primeiro acoplador divide o sinal em dois. A diferença de fase entre os dois sinais que se propagam pode ser ajustada variando-se o comprimento dos braços. Dessa forma, os sinais interferem construtivamente ou destrutivamente no segundo acoplador, bloqueando um determinado comprimento de onda.
• Filtros de Filme Fino (Thin Film Filters - TFF)
Figura 4.20: Filtros de Filme Fino (TFF) (NIITet al., 2001).
Vários desses componentes podem ser integrados de modo a demultiplexar um sinal, conforme mostra a Figura (4.21) (ALWAYN, 2004).
• Optical Add/Drop MUX (OADM)
O OADM é um dispositivo de chaveamento óptico utilizado em sistemas WDM para adicionar/remover um ou mais comprimentos de onda do sinal óptico em algum ponto entre o multiplexador e o demultiplexador, sem que haja a necessidade de conversão do domínio óptico para o elétrico. Na Figura (4.22) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) é mostrado um esquema do funcionamento de um OADM.
Figura 4.22: Optical Add/Drop MUX (OADM) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).
4.1.7 Acopladores, Circuladores e Isoladores
Figura 4.23: Acoplador 2X2 (NIITet al., 2001).
Um Circulador é um dispositivo de múltiplas portas que permite a propagação de sinais ópticos em certas direções com base na porta de origem do sinal. O Circulador tipicamente possue três portas, conforme mostra a Figura (4.24) (ANTONY; GUMASTE, 2002).
Figura 4.24: Circulador (ANTONY; GUMASTE, 2002).
