Sistemas de Comunicação Óptica

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Sistemas de Comunicação Óptica

Introdução

Desde que o mundo é mundo, nunca, nós os seres humanos, havíamos passado por tamanho volume de mudanças em nossas vidas, atingindo atividades como produção, comércio, serviços, ensino, entretenimento, pesquisas e assim por diante. Enfim, todas as atividades humanas estão passando por brutais transformações, afetando a oferta de empregos, o perfil dos profissionais solicitados pelo mercado de trabalho, o mercado de produtos oferecidos e procurados, as relações humanas, as trabalhistas, as estruturas familiares, e, com isto, são criadas novas situações sociais, políticas, econômicas, militares e quaisquer outras que sejam pensadas.

Por que tudo isto? Poderíamos dizer que a resposta estaria na tecnologia disponível no mundo atual. A famosa terceira onda de Alvin Toffler, a onda do conhecimento. Mas, dentro dela, há um agente propulsor de grandes transformações: a comunicação. E a consideramos não de forma isolada, mas ligada à maneira como é gerada, processada, transmitida. Hoje, não apenas o conhecimento, mas também a informação, virou um produto, uma ferramenta e um agente de transformação. Nesta seção, vamos dispensar alguma atenção à idéia da comunicação enquanto um sistema de comunicação, com ênfase para a tecnologia óptica.

Deixando de lado qualquer definição de cunho acadêmico, vamos definir o que é comunicação como um processo de interação entre dois sistemas ou dois seres. Processo este que contém alguns elementos tais como:

- informação

- código

- lógica

- veículo.

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Emissor (Boca)

Meio (Ar)

Receptor (Ouvido)

Antes do emissor há um elemento que elabora a codificação, no caso o cérebro humano, o mesmo que na outra extremidade realiza a função de decodificador da informação recebida. Comunicar significa levar informações transmitidas a partir de uma fonte e compreendidas em seu destino.

Duas pessoas dialogando pode ser configurado como um sistema de comunicação. Primeiro, um sistema de comunicação sonora, pois é o som o veículo que transporta as palavras, as quais contendo um código, levam em si a informação transmitida. Duas pessoas conversando também podem ser consideradas como um sistema óptico, pelo menos no que se refere a parte da comunicação que é feita pela visão; logo, baseando-se naquilo que é transmitido pela luz. Se a conversa fosse inteiramente por sinais, como ocorre entre duas pessoas surdas, teríamos um sistema puramente óptico.

Os meios de comunicação encontrados na história do homem sempre apresentaram uma estreita correlação com as sociedades envolvidas, sendo o seu grau de complexidade intimamente relacionado com a complexidade delas. Partindo dos meios próprios do seu corpo, como a fala, e usando os seus cinco sentidos o homem teve exemplos básicos de sistemas de interação com o mundo onde vivia, daí a sistemas artificialmente criados foi um passo.

O nome sistema de comunicação óptica traz em si a idéia de comunicar, o que é uma necessidade básica do ser humano. Antes de qualquer consideração sobre projeto de sistemas ópticos, devemos em primeiro lugar considerar o que é um sistema de comunicação óptica. Neste capítulo vamos estudá-lo, analisando a sua estrutura básica, seus elementos fundamentais, a saber: fonte de luz, meio de transmissão e fotodetector, é certo que outros elementos, como: conectores, acopladores, WDMs, amplificadores à fibra dopada com Érbio, aparecem a cada instante. Tais elementos trazem consigo diferentes formas de interferência no projeto de um sistema de comunicação óptica, sua estrutura, seu desempenho e os tipos de serviços a serem disponibilizados por meio dele.

Quero comprar uma TV

Amigo! quero comprar uma TV.

1.1 - Um pouco de história

O uso das comunicações ópticas é sempre sugerido como uma grande tecnologia, definitivamente conquistada nas últimas duas décadas. Entretanto, já na década de quarenta, engenheiros e cientistas “sonhavam” com o uso de ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda, abaixo de milímetros (microondas) em comunicação. Este sonho teve início com a efetivação da telegrafia sem fio, quando a invenção do físico italiano Guglielmo Marconi se transformou numa realidade prática.

Conquanto seja uma realidade tecnológica da geração atual, as comunicações ópticas em última análise são uma velha opção dos seres humanos, a começar pelo uso do sentido da visão. Afora este exemplo trivial há referências a outras tecnologias além da “simples” visão no dia a dia. Livros fazem referências ao sistema inventado por Chappe, na França em 1791, usualmente chamado de semáforo. O semáforo formava um sistema de linhas de torres de comunicação, distribuídas ao longo de caminhos entre locais a se comunicarem. Nestas linhas, existiam torres que possuíam um sistema de dois braços pivotados, como ilustra a fig.(1.1-1). Operadores destes braços enviavam mensagens através de sinais codificados que eram observados e reproduzidos na torre posterior. Com isto os sinais eram passados adiante sendo, segundo alguns, o primeiro sistema de comunicações de alta velocidade da história da humanidade. Sua taxa de transmissão seria algo menor do que 1 bit/s e alcançava distâncias da ordem de quilômetros. Particularmente entre Lile e Paris, distantes de 230 km, uma transmissão levava algo como quinze minutos.

Entretanto, por essa forma a sofisticação dos semáforos, podemos dizer que outros povos, não considerados tão avançados quanto os franceses, usavam a visão como receptor de sinais emitidos a partir de pontos distantes. Como os índios da América do Norte que transmitiam informação através de sinais de fumaça, um verdadeiro sistema de comunicação óptica. Ou, indo mais para trás na história humana, sabemos que Políbio transmitia informações usando uma matriz com as letras gregas, na qual as letras eram escolhidas uma a uma com o uso de duas tochas, como ilustra a fig.(1.1-2). Consta que com tal sistema se comunicou ao governo em Atenas a vitória dos gregos na ilha de Creta.

Fig.(1.1-1) - Ilustração de uma torre com um semáforo para comunicação visual.

α β χ δ ε

φ γ η

ι ϕ

κ

λ µ ν

ο

π

_{θ ρ σ τ}

υ

ϖ

ξ

ζ ω

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Com o invento do telégrafo em 1835, pelo americano Samuel F. B. Morse, o Semáforo rapidamente desapareceu e o uso de sinalização para comunicação ficou reduzido a um uso marginal. A comunicação com bandeiras na marinha é, ou foi, um exemplo de meio óptico de comunicação que foi substituído pelo telégrafo dando início à era das comunicações elétricas.

A palavra telégrafo se origina das palavras gregas tele, significando distante, e grafos, significando escrita. Assim sendo, seu nome indica um sistema de escrita à distância. A primeira transmissão se deu em 1839, da cidade de Baltimore até Washington e a mensagem foi: “What hath Gods wrought!”.

Com o telégrafo se iniciou uma era fundamental das comunicações modernas, usando-se sinais elétricos transportados via fios metálicos. Era um sistema de transmissão digital, usando dois dígitos, representados por um bit curto e um bit longo, ou um ponto e um traço que constituí o código Morse. O telégrafo transmitia a taxas em torno de 10 bits/s, alcançando distâncias de até 1000 km com o uso de estações repetidoras.

O telefone, inventado por Graham Bell, aparece em 1886, dando início aos sistemas analógicos de transmissão, também de caráter elétrico. Tal sistema foi, sem dúvida um elemento de fantástico impacto tecnológico, mudando crucialmente os hábitos sociais, mercadológicos e outros aspectos mais da vida humana, neste século XX. As constantes demandas por maiores volumes de interconexões telefônicas promoveu o desenvolvimento dos sistemas implantados, incluindo-se nisto o aparecimento dos cabos coaxiais em substituição aos de pares de fios, em aplicações requerendo maiores taxas de transmissão, como por exemplo a transmissão de sinais de TV. Já em 1940 apareceu o primeiro sistema de comunicação operando com cabo coaxial, transmitindo 300 canais de voz, ou um de TV, com uma banda de 3 MHz.

Porém os cabos coaxiais têm o limitante de aumentarem as suas perdas com o aumento da freqüência do sinal. Isto se torna mais grave para freqüências acima de 10 MHz. Não é de se estranhar, pois o aparecimento de meios de transmissão com maiores freqüências, como foi o aparecimento das microondas por volta do final dos anos quarenta.*** Em 1948 apareceu o primeiro sistema comercial de microondas, operando a 4 GHz e permitindo taxas da ordem de 100 Mb/s.

Antes, e durante a segunda Guerra Mundial, já estavam sendo investigados, a nível experimental e de cunho militar, sistemas de comunicação usando luz incoerente com altas taxas de transmissão de informação. Tais sistemas usavam parabolóides refletores e fotomultiplicadoras. Entretanto, as ondas eletromagnéticas no espectro do rádio, propagando-se na atmosfera, ainda eram a grande opção das comunicações.

A década de cinqüenta trouxe o início da Eletrônica do Estado Sólido, primeiro com os dispositivos discretos e depois com os integrados, os famosos CI’s. Era uma dramática mudança tecnológica, inicialmente desapercebida por muitos. Na década de sessenta a tecnologia dos sistemas de microondas, baseados em válvulas e componentes de guia de ondas, já era uma realidade consolidada. Entre os novos desafios procurados, estava o uso dos dispositivos de microondas a semicondutor e circuito integrado e a tentativa de se tornar prática a existência de guias ópticos. Vários tipos de estruturas de guias de ondas foram propostos, baseados em lentes, espelhos, e outros elementos.

dB/km. Este processo se tornou padrão na fabricação de fibras nos anos seguintes. De 1974 a 1975 novos avanços ocorreram, realizados por várias empresas nos Estados Unidos e no Japão, e as perdas das fibras ópticas foram reduzidas a algo entre 2,0 e 1,5 dB/km. No final dos anos setenta a Ibaki Electrical Communication Laboratory e a Fujikura Cable Works reportaram fibras com perdas de 0,47 dB/km, quando operadas com luz de 1,2 µm. Atualmente, perdas abaixo de 0,1 dB/km são uma realidade para fibras operando em 1,33 e 1,55 µm.

Também, na década de sessenta, as fontes de luz não estavam apropriadamente preparadas para funcionar em um sistema como conhecemos hoje. Por outro lado, no início desta década surgia o domínio de um processo de geração de luz que seria fundamental para a viabilização das comunicações via processos ópticos. A geração de luz coerente. Primeiro foi o MASER (Microwave ou Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation), inventado pelo físico americano Charles H. Townes e cooperadores. Em segundo lugar veio o LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), cuja possibilidade de construção foi mostrado por Townes e A. L. Schawlow. O primeiro laser foi construído por T. H. Maiman, em 1960, usando um bastão de rubi. Os lasers de semicondutor apareceram por volta de 1962 quando Keyes e Quist, do Lincoln Laboratory, anunciaram na Solid-State Device Reaserch Conference, em julho de 1962, a operação de um dispositivo eletroluminescente de GaAs, funcionando a 77 0_{K, e capaz de emitir luz com}

quase 100% de eficiência quântica. Em setembro de 1962, Hall e colaboradores observaram, definitivamente, a emissão de luz coerente por uma junção p-n de GaAs diretamente polarizada e operando a 77 0_{K. Passando dos lasers de homojunção para os lasers de heteroestrutura dupla,}

inventado pelo físico russo Zh. I. Alferov do Ioffe Institute em Lenigrado, os lasers de semicondutores se tornaram comerciais no início dos anos oitenta.

1.2 – Sistema de Comunicação

Um sistema de comunicação, como vimos, é uma linha de conexão entre dois pontos, através da qual fazemos com que uma informação se desloque de um dos pontos ao outro. Isto é feito via uma onda portadora, nos casos padrões de comunicação. A maneira através da qual se transmite a informação é usando-se um código que contém uma semântica, ou significado. Este código escreve na onda a mensagem por meio da variação de uma variável física que a onda possui. A sua intensidade, ou a amplitude do campo, sua freqüência, fase, ou polarização são exemplos de variáveis físicas que podem ser usadas para a codificação desejada. Isto é feito no ponto de partida da transmissão sendo traduzido do outro lado na recepção (ou detecção) do sinal. Este processo de se escrever a mensagem é chamado de modulação da onda.

Entretanto, pode-se transmitir mais de uma mensagem no mesmo enlace. Isto exige que se identifique cada uma das mensagens a fim de poderem ser corretamente separadas na recepção. Tal identificação é feita, também, manipulando-se uma das propriedades físicas da onda. Este esquema de mistura de mensagens num enlace se chama de multiplexação.

O direcionamento das mensagens através do sistema de comunicação é feito por meio de elementos do circuito como os acopladores e chaveadores, sobre os quais iremos comentar adiante.

1.2-1 – Sistema Básico de Comunicação Óptica

Um sistema de comunicação óptica é aquele que tem como portadora dos sinais ondas eletromagnéticas no espectro óptico. Este, como mostra a fig.(1.2-3), está contido no intervalo de freqüências que vai desde a região do infravermelho longínquo (≈100 µm), passando pela faixa de luz visível (0,39 a 0,77 µm), e terminando no domínio do ultravioleta (0,05 µm).

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manda informação é o emissor, o que recebe é o receptor, e a luz é o elemento de transporte das informações. Para completar podemos dizer que a atmosfera foi o meio físico usado para a transmissão das ondas luminosas que carregou a informação. Neste exemplo simples, podemos caracterizar o sistema de duas pessoas como um sistema de configuração ponto-a-ponto. Caso houvesse inúmeras pessoas falando entre si, tal sistema se transformaria em um sistema multi-ponto.

Assim sendo, muitas especificidades poderão ser consideradas de forma a dar diferentes nomes e definições aos sistemas de comunicação. Por exemplo, para pessoas próximas o sistema seria de curta distância, enquanto pessoas distantes dariam lugar a um sistema de longa distância, ficando em aberto a questão de quão perto ou quão próximo elas deveriam estar para caracterizar o que foi chamado de curta e longa distância.

Se a informação fosse transmitida através de sinais como os obtidos com duas bandeiras, semelhante ao que se faz (ou fazia) entre navios, a comunicação poderia ser classificada de digital. Já com os movimentos contínuos do corpo a melhor classificação seria de um sistema analógico. Enfim, muito mais detalhes, que requerem outras definições, poderão ser sugeridas ou necessárias.

Transmissor Receptor

Meio Físico Blá, blá, blá,

patati, patatá !

Processamento

de Sinal Transmissor

Modulação Multiplexação

Codificação

Receptor

Demodulação Demultiplexação

Decodificação Processamento

de Sinal Entrada

de Sinal

Saída de Sinal

Fig.(1.2-1) – Duas pessoas se comunicando demonstrando a configuração básica de um sistema de comunicação e um esquema mais detalhado de um sistema.

Processamento

de Sinal Transmissor

Modulação Multiplexação Codificação

Fibra Conectores

Splices

Receptor

Demodulação Demultiplexação

Decodificação

Processamento de Sinal

Entrada de Sinal

Saída de Sinal

O processo de comunicação é simples, em princípio. A fonte de informação gera uma mensagem, que será transmitida até o receptor pelo meio de transmissão. No caso de duas pessoas conversando, como foi mostrado na fig.(1.2-1), esse meio é o ar e a mensagem é transmitida através de ondas sonoras. A evolução tecnológica permitiu sofisticar os sistemas de comunicação com objetivo de eliminar barreiras como distância, ausência e outras mais. Nos sistemas ópticos de nosso interesse as fibras ópticas são o meio de transmissão de informações.

Resumindo o que acabamos de descrever, um sistema de comunicação óptica pode ter, como configuração básica, aquela que está indicada na fig.(1.2-2), sendo, obviamente, uma configuração ponto-a-ponto. Nela, vamos encontrar os três elementos básicos que compõem um sistema de comunicação, a saber:

1 - Transmissor

2 - Meio de transmissão

3 - Receptor

1.2-2 – Parâmetros Característicos de um

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Todo sistema de comunicação tem características importantes, que agem diretamente sobre a performance do mesmo, as quais provocam distinção entre as diversas tecnologias de transmissão existentes e levam ao predomínio de umas sobre as outras, conforme a aplicação. Abaixo são listadas as características relevantes aos sistemas de comunicação.

3 km 300 m

30 m

3000 km 3 cm 0,3 mm 3 µm 30 nm 0,3 nm 3 pm

102 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀6 ₁₀8 ₁₀10 ₁₀12 ₁₀14 ₁₀16 ₁₀20

Rádiofrequências

700 nm Vermelho

400 nm Violeta

Áudio, Ondas Longas Ondas_Médias Ondas_Curtas VHF UHFMicro_Ondas Ondas_mm Infravermelho Ultravioleta

Raios Gama

Raios Cósmicos Raios X

0

0,6

Ge

0,7 0,8 1,0

1,2 1,1 1,4

1,6 1,5 1,3 0,9

Si InGaAsP

InGaAs

P

GaA

s

GaA

lAs

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Ondas

Na maioria dos sistemas de comunicação existentes, o sinal que se propaga no meio físico é transportado por meio de ondas, sejam sonoras, luminosas ou outra qualquer. O papel do transmissor é transformar a mensagem em ondas e a do receptor o processo inverso. Dependendo do sistema que esteja sendo considerado, a onda usada pode ser de um ou outro tipo, como por exemplo: a sonora, no caso das duas pessoas que estão conversando, ou luminosa, no caso da projeção de um filme para pessoas em um auditório.

As ondas sonoras são vibrações mecânicas que se propagam no ar, precisando do meio como suporte para a sua propagação. Já as ondas eletromagnéticas (luz) não precisam de um meio físico para se propagarem, podendo propagar até mesmo no vácuo.

Assim, as ondas eletromagnéticas têm características físicas totalmente diferentes das ondas sonoras, já que elas são variações de campos elétrico e magnético que, se induzindo mutuamente, propagam-se tanto no vácuo, quanto no ar ou qualquer outro meio dielétrico(não condutor) como o vidro com o qual são feitas as fibras ópticas usada no sistema de comunicação óptica padrão. As ondas eletromagnéticas são conhecidas por nomes familiares, como raios X, microondas, ondas de rádio AM, FM, ondas de TV, infravermelho, luz visível, etc. O que caracteriza cada tipo de onda eletromagnética é a sua freqüência. A fig.(1.2-3) apresenta o espectro das ondas eletromagnéticas, no qual se encontram as ondas que pertencem ao espectro óptico usado nos atuais sistemas de comunicação óptica.

Freqüência e Comprimento de Onda

Ainda que as ondas possam ter características físicas completamente distintas, elas são regidas por algumas regras comuns, bem como certos parâmetros fundamentais. Um deles é a freqüência das vibrações, ou seja, o número de vibrações por unidade de tempo. O tempo em que ocorre uma vibração é o que se chama de período da onda. Por outro lado, o que estamos falando para o tempo também é válido para o espaço, de forma que podemos definir um período espacial, denominado comprimento de onda. Tal período define o comprimento da distância entre dois pontos na qual ocorre uma vibração no espaço. A fig.(1.2-4) apresenta uma onda harmônica com a indicação da sua amplitude e do seu período (temporal ou espacial). A seguir apresentamos alguns parâmetros que são fundamentais na caracterização de ondas.

- velocidade da onda v

- período T

- comprimento da onda λ - freqüência da onda ν

- amplitude A

Sabemos que a amplitude A da onda está diretamente relacionada à potência do sinal. A velocidade v com que a onda se propaga varia de acordo com o meio de transmissão. No vácuo, por exemplo, a velocidade de propagação de qualquer onda eletromagnética (onda de rádio microondas, raios X, infravermelho), é constante e igual a

300.000 km/s (3x108 m/s), a velocidade da luz no vácuo.

período período amplitude

Exemplo (1.2-1) – Calcular a freqüência de uma onda cujo comprimento de onda é de 1,5 µm.

Solução:

Lembrando que a velocidade pode ser calculada como a distância percorrida em um período dividido pelo intervalo de tempo correspondente a este período podemos escrever que a velocidade da onda é dada por:

λν = λ =

T

v (1.2-1)

Hz 10 x 2 10 x 5 , 1

10 x 3

v ₁₄

6 8

= =

λ =

ν ₋ ou 200 THz

Esta freqüência determina a banda de transmissão disponível para esta onda. Quanto maior for a freqüência, maior será a banda disponível. Se fizéssemos o mesmo cálculo para o caso de uma onda na faixa de microondas, com um comprimento de onda de 1,5 mm, obteríamos para a freqüência um valor igual a 200 GHz, ou seja mil vezes menor do que a que acabamos de calcular. Logo, a microonda pode transportar mil vezes menos informação do que a onda no infravermelho. ________________________________________________________________________________

Banda Passante

A banda passante de um sistema de comunicação é a capacidade em volume de informação, que um meio de transmissão pode transferir entre os elementos em comunicação. Logicamente, quanto maior a banda passante de um sistema, mais informações podem ser transmitidas. Fazendo-se uma analogia com um sistema de canalização de água, dutos com maior diâmetro permitem que mais água passe de um ponto a outro. A unidade de medição de uma banda de transmissão de um sistema é a dimensão da faixa de freqüência (Hz, KHz, MHz,...) que o sistema dispõe, no caso analógico; no caso de um sistema digital, é a quantidade de bits por segundo ( Kb/s, Mb/s,...) que o sistema dispõe para o envio de sinais digitais.

Devemos salientar que o conceito de banda passante de um sistema não deve ser aplicado apenas a um dos seus elementos. Como, por exemplo, a fibra óptica em um enlace óptico. Antes, o conceito de banda passante deve ser aplicado a todo o sistema de comunicação uma vez que um meio físico com alta banda passante pode ser limitado pela capacidade de outro elemento do enlace, como por exemplo a do transmissor ou a do receptor. Assim sendo, a visão com que devamos considerar a banda passante de um sistema deve ser, obrigatoriamente, sistêmica e não setorizada. Com isto se deve alertar quanto ao excessivo enfoque que se dá à fibra óptica em um sistema de comunicação, muitas vezes em detrimento de análises mais acuradas com relação aos demais elementos do sistema.

Potência e Atenuação

Quando um sinal é colocado num meio de transmissão, ele tem uma determinada potência na saída do transmissor. Já os meios físicos, por diversas razões, levam a onda a se atenuar, em maior ou menor escala, a potência do sinal original.

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Em um sistema óptico, o mesmo raciocínio é feito, dizendo-se que a luz saindo de um emissor vai sendo reduzida ao longo da fibra, num processo que chamamos de perda de potência ou atenuação.

Degradação

Além da atenuação, que é uma redução da potência do sinal, o sinal transmitido nunca é o mesmo quando recebido, pois o meio de transmissão sempre tende, em maior ou menor grau, a contaminar o sinal original com ruídos espúrios. Um avião que esteja passando próximos daqueles que estão conversando, pode impossibilitar a comunicação entre eles, o que seria um exemplo extremo. Em menor grau poderia impedir o perfeito discernimento das palavras pronunciadas por quem estiver falando.

1.3 – Modulação

Em um sistema de comunicação, inclusive os ópticos, o sistema é definido a partir da variável que sofre a alteração com a qual se realiza a codificação da mensagem. O campo elétrico da onda eletromagnética usada, seja de baixa freqüência (ondas de rádio) ou de alta freqüência (ondas

ópticas), é uma das variáveis que podem ser manipuladas para a realização da modulação. Seja

e

E(t)=Eosen(

ω

φ

o campo elétrico E(t) de uma portadora em um ponto P do espaço, onde Eo é a intensidade do

campo, ω a sua freqüência, φ a fase, e e é o versor que define a direção deste campo elétrico no espaço. As variáveis de modulação podem ser a amplitude do campo, a freqüência ou a fase, com o que se define três tipos de modulação, a saber:

AM Modulação de Amplitude (Amplitude Modulation)

PM Modulação de Fase (Phase Modulation)

FM Modulação de Freqüência (Frequency Modulation)

A fig.(1.3-1) ilustra os tipos de modulação com a amplitude do campo.

(a)

(b)

(c)

Uma outra variável usada é a intensidade (ou potência) do campo óptico. A maioria dos sistemas comerciais de comunicação óptica usam a modulação de intensidade, fazendo-se a variação da intensidade de luz do transmissor óptico através da variação da corrente elétrica que passa pelo dispositivo. Além disto, pode-se escolher diferentes formatos de modulação, como:

Analógico

Digital

Pulsado

A modulação por código de pulso, denominada no jargão prático de PCM (Pulse Code Modulation) é de essencial importância nos sistemas de transmissão óptica. A seguir faremos um breve comentário sobre este tipo de modulação.

1.3-1 – Modulação PCM

Para analisarmos como se procede a modulação PCM, tomemos um sinal de voz, que é um sinal analógico. Sobre tal sinal é feita uma amostragem da sua intensidade com uma periodicidade que segue o Critério de Nyquist, segundo o qual a freqüência de amostragem deve ser maior ou igual a duas vezes a largura de banda do sinal a ser transmitido. Este procedimento está ilustrado, a seguir, na fig.(1.3-2).

Desta forma um sinal de voz, com 4 KHz de banda, deverá ser amostrado com uma freqüência mínima de 8 KHz, ou seja, uma amostragem a cada 125 µs. Cada valor do sinal amostrado será escrito em um código binário, bits do tipo 0 e 1, com o qual se formarão as palavras, os bytes, que transportarão os sinais de voz.

Escrevendo-se os diferentes níveis de sinal de amostragem com palavras de 8 bits, o que determina 28_{=256 níveis diferentes, teremos que a transmissão do canal de voz será feita a 64 Kbit/s; ou seja 8}

bits para cada 8000 amostras por segundo do sinal de voz.

No caso da modulação de intensidade o bit 0 significará ausência de luz, o emissor desligado, e o bit 1 o oposto. O nível de intensidade do bit 0 não precisa ser obrigatoriamente nulo, senão um dado nível de referência (nível baixo) acima do qual o bit passará a ser o 1 (nível alto). Em face da primeira colocação, podemos chamar este tipo de modulação de OOK (on-off keying). Existem outros tipos de modulação, nas quais o bit é escrito com variação de freqüência (FSK – Frequency Shift Keying) ou de fase (PSK – Phase Shift Keying). A fig.(1.3-3) ilustra o que acabamos de dizer.

4KHz

8000 amostras

64 Kb/s

Sinal

Amostra

Sinal PCM

tempo

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A modulação OOK admite dois padrões distintos, a saber:

sem retorno ao zero NZR (NonReturn to Zero) e

com retorno ao zero RZ (Return to Zero),

como mostra a fig.(1.3-4). O NZR é em geral usado em face do fato de estar associado com ele uma largura de banda menor, enquanto o segundo se tem aplicado a sistemas do tipo solitônico; aqueles em que o sinal é transportado por sólitons.

1.4 – Multiplexação

O que se define por multiplexação é a transmissão e recepção de vários sinais distintos através de um mesmo enlace. Como parte do procedimento de multiplexação, cada sinal recebe um

RZ NRZ

t

t

Fig.(1.3-4) –Representação dos formatos de modulação por pulsos; NRZ e RZ.

Bit 1 Bit 0 Bit 1

Int

ensidade

Campo

OOK-MI

FSK-MI

FSK

PSK t

t

t

t

Fig.(1.3-3) –Exemplos de diversos tipos de modulação binária

Transmissor

Fibra Conectores

Splices

Receptor

Multiplexador Sinal

1 2 3 4

N

Demulti plexador

Sinal

1 2 3 4

N

rótulo, ou identificação, de modo a ser destinguido dos demais na fase de demodulação. A fig.(1.4-1) ilustra o que estamos dizendo.

Há dois sistemas básicos de multiplexação, a saber:

FDM Multiplexação por Divisão de Freqüência (Frequency Division Multiplexing)

TDM Multiplexação por Divisão de Tempo (Time Division Multiplexing)

No caso da multiplexação FDM, há no sistema de recepção a separação dos diferentes sinais por meio de filtros de freqüência, os quais separam as diferentes portadoras. Já no caso da multiplexação TDM, a separação de sinais é feita por diferentes portas de tempo seqüenciadas, de acordo com a seqüência dos sinais.

A multiplexação TDM é aquela de uso amplo, multiplexando grande número de canais de voz em um fluxo de bits seqüenciados, como se pode ver um exemplo na fig.(1.4-2). Nela temos seis canais de voz multiplexados no tempo.

O conceito da multiplexação TDM foi concebido para se estabelecer a hierarquia CDH (Comercial Digital Hierarchy), havendo diferenças entre as versões européia e aquela adotada pelos Estados Unidos e o Japão. No primeiro caso a primeira versão CDH foi concebida para 30 canais de voz, resultando em uma composição de 2048 Mb/s, enquanto que no segundo caso o padrão foi de 24 canais resultando em 1544 Mb/s. Este tipo de hierarquia também é designada por hierarquia SD-1. Considerando-se que um canal de voz opera a 64 Kb/s, vê-se que a taxa total de canal padrão difere do produto de canais pela taxa de um canal. Esta diferença se deve ao fato de que há a necessidade de haver alguns bits adicionais de controle para a execução de operações de demultiplexação.

Outros níveis de hierarquia foram criados a partir da SD-1, gerando-se múltiplos desta primeira. Por exemplo a hierarquia SD-2 corresponde à hierarquia SD-1 vezes quatro, resultando em 8448 Mb/s na versão européia e 6312 Mb/s na versão americana e japonesa. Outros níveis hierárquicos seguem o mesmo procedimento de múltiplos do padrão SD-1.

Com o advento das comunicações ópticas no início dos anos oitenta, houve uma quebra de padronagem de multiplexação, passando a existir a necessidade de se estabelecer um novo padrão. Este veio a se chamar de SONET (Synchronous Optical Network) e passou depois a ser designado por SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Tal hierarquia define a estrutura que comporta a transmissão de sinais digitais do tipo TDM. Tal como a CDH, a SDH tem uma taxa mínima que é de 51,84 Mb/s, a partir da qual se obtém os demais níveis através de múltiplos desta taxa básica. Por exemplo a SDH-3 teria uma taxa de 3 vezes 51,84, que corresponde a 155,52 Mb/s. Esta última define a taxa básica do que se chama de hierarquia STM (Synchronous Transport Module). A tabela (1.4-1) apresenta uma lista de níveis hierárquicos SDH, juntamente com a sua designação

t

6 1 2 3 4 5 6 1

canal

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correspondente para o caso de portadoras ópticas (OC – Optical Carrier). Desde 1990 que se opera sistemas ópticos com hierarquias STM-16 (OC-48) e sistemas com STM-64 também são realidades.

A busca por bandas maiores de transmissão, capazes de incorporar as crescentes demandas de serviços solicitados pelo mercado e oferecidos pelos fabricantes de equipamentos, levaram ao surgimento de uma nova opção de multiplexação, a já conhecida ATM (Asynchronous Transfer Mode)

No caso dos sistemas ópticos, um novo tipo de multiplexação aparece, a chamada multiplexação WDM (Wavelength Division Multiplexing). Neste caso, cada sinal é transmitido por um comprimento de onda diferente, oriundo de diferentes fontes. A multiplexação, bem como a demultiplexação, em comprimento de onda é feita por meio de um acoplador óptico, um dispositivo passivo sobre o qual falaremos. Podemos também dizer que a multiplexação WDM é um caso da FDM, desde que consideremos que multiplexar em comprimento de onda é também multiplexar em freqüência.

1.5– Componentes de um Sistema de Comunicação

Pelo que acabamos de analisar, podemos determinar quais os componentes básicos de um sistema de comunicação óptica. Como vimos, o transmissor é o elemento que dá início ao processo de transporte das informações.

O elemento transmissor é aquele que transforma os sinais a serem transmitidos, normalmente de caráter elétrico, em sinais de natureza óptica. Assim sendo, nos transmissores, deixando-se de lado todo o aparato eletrônico de fornecimento de potência elétrica e modulação, o laser é o elemento responsável em transformar os sinais a serem transmitidos em sinais ópticos. Adiante, faremos algumas considerações sobre este dispositivo.

O segundo componente de um sistema de comunicação óptica é o meio físico no qual as ondas irão viajar, carregando as informações e todo o aparato lógico de controle, identificação de sinais e outros mais. O estado atual da arte nos leva de imediato a dizer que este elemento é a fibra óptica, sobre a qual discutiremos mais tarde. Por outro lado, devemos desde já dizer que um enlace óptico não obrigatoriamente necessita de uma fibra óptica. A nossa comunicação com aparelhos de televisão, com o objetivo de realizarmos o controle do aparelho, é feita usando-se transmissores de infravermelho, logo é um processo de comunicação óptica. No caso, o meio de comunicação dispensa o uso de fios, quer sejam metálicos ou de vidro e a transmissão ocorre através da atmosfera. Podemos esperar muita novidade para o futuro neste tipo de sistema, o de comunicação óptica via atmosfera.

O elemento final (para não dizer terminal) do sistema é o receptor, que no caso óptico tem como elemento básico o fotodetector. Ele é o dispositivo que transforma o sinal óptico em elétrico e este em sonoro, ou outro qualquer que se faça necessário.

SONET SDH/SDM Mb/s Canais

OC-1 51,84 672

OC-3 STM-1 155,52 2.016

OC-12 STM-4 622,08 8064 OC-48 STM-16 2.488,32 32.256 OC-192 STM-64 9.953,28 129.024

Em sistemas de comunicação óptica mais complexos outros elementos ópticos são requisitados e adicionados, como por exemplo aqueles que estão indicados na tab.(1.5-1). Inicialmente iremos considerar um sistema básico e analisaremos as características e propriedades fundamentais de cada um destes elementos básicos, em capítulos posteriores. É claro que eles são apenas o mínimo requerido para a formação de um sistema de comunicação, e muitos outros elementos podem se fazer necessário dependendo de que sistema estejamos falando. Componentes como: conectores, acopladores, WDMs, enfim uma série vasta de dispositivos e componentes, são exemplo disto. Esta série de novos componentes aumenta a cada dia com as exigências advindas não só das especificidades dos próprios sistemas mas, também, em decorrência dos novos requerimentos de serviços solicitados pelos usuários ou oferecidos pelos fornecedores de meios de comunicação.

1.6 – Enlaces Ópticos

A seguir, consideraremos alguns tipos de enlaces ópticos, onde algumas particularidades são comentadas. Sistemas ópticos de comunicação são sistemas em que as mensagens são convertidas em sinais luminosos e transmitidas em um meio como uma fibra óptica. Deve-se, no entanto, se chamar a atenção de que as fibras ópticas não são eficientes na transmissão de qualquer tipo de luz, ou seja, luz em qualquer comprimento de onda. O comportamento de uma fibra dependerá do material com o qual ela é feita. Por exemplo, as fibras plásticas operam de modo conveniente na faixa de comprimentos de onda em

torno de 0,65 µm, região de luz vermelha. Para outras fibras, a luz deverá ter comprimentos de onda maiores que a luz visível, começando a partir de 0,85 µm, que é infravermelho. Por essa razão, dependendo da fibra há comprimentos de onda (ou freqüência) em que a transmissão dos sinais pode ser realizada de uma forma mais efetiva e isto define as chamadas janelas ópticas. Uma janela é a faixa em torno de um dado comprimento de onda na qual o sistema irá operar. Nos sistemas de comunicação atuais temos três janelas, a saber: 0,85 µm, 1,30 µm

COMPONENTE FUNÇÃO

Conectores Unir opticamente elementos de um enlace (laser-fibra)

Acopladores Servir como um derivador óptico

WDM's Realizar a multiplexação de sinais em comprimento de onda

Compensadores de Dispersão Reduzir ou eliminar o efeito de alargamento de pulsos ópticos devido _{ao efeito de dispersão do meio de transmissão}

Amplificadores Ópticos Amplificar o sinal óptico usando meios ópticos (fibra dopada com érbio)

Tab. (1.5-1) –Componentes ópticos de um sistema de comunicações.

codificador

modulador

fonte óptica fibra óptica

decodificador

amplificador

detetor óptico

informação de entrada informação de saída

transmissor receptor

componentes eletrônicos

componentes ópticos

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e 1,55 µm. A fig.(1.6-1) ilustra os elementos básicos de um sistema de comunicação óptica destacando as partes em que o sistema tem o predomínio da eletrônica e da óptica, que passaremos a chamar de fotônica. O termo fotônica, passará a designar a tecnologia em que o fóton é a ferramenta básica, assim como eletrônica é a tecnologia em que a ferramenta básica é o elétron.

Entretanto esta separação, acima indicada, deverá sofrer mudanças na medida em que novos dispositivos vão sendo incorporados aos sistemas de comunicação, como por exemplo a parte de modulação tornando-se de caráter predominantemente fotônico. O uso de efeitos como o eletroóptico, e outros inclusos no escopo da Óptica não-linear, na modulação de sinal, trazem esse horizonte tecnológico aos nossos olhos.

1.7 – Vantagens dos Sistemas de Comunicação Óptica

A utilização de fibras ópticas em sistemas de comunicação é algo bastante recente. As primeiras implantações aconteceram na década de setenta estando, ultimamente, a substituir outros meios, em especial o cobre, devido a benefícios reais em sua utilização. A seguir vamos enfatizar oito vantagens na utilização de sistemas de comunicação à fibra óptica.

1. Volume de informação transmitida

As fibras, comparadas a outros meios de transmissão, oferecem uma banda passante muito superior ao que é necessário para as aplicações atuais. As fibras comuns utilizadas em sistema de cabeamento para redes de computadores (multimodo, 62,5/125µm) têm uma largura de banda mínima de 160 MHz/Km em um comprimento de onda de 0,85 µm ou 500 MHz/Km em 1,30 µm.

A figura de mérito MHz/Km fornece a informação da banda disponível a partir do tamanho do enlace. Para tanto basta se dividir o valor dado pelo comprimento do enlace. Com os valores fornecidos, se vê que a largura de banda para um enlace óptico de 100 m é superior a 1 GHz. O comprimento de 100 m foi tomado por ser um valor característico para enlaces a par trançado ou cabos metálicos coaxiais. Com as fibras monomodo de alto desempenho utilizadas em sistemas de telefonia de longa distância, a largura de banda é essencialmente infinita, isto é, a capacidade de transmissão de informação dessas fibras é muito maior do que a eletrônica atual pode explorar. A fig.(1.7-1) nos mostra a comparação entre as bandas disponíveis para diversos meios de transmissão usados em redes locais. Para efeito de comparação se apresenta na figura o desempenho de cabos UTP categoria 5.

O desenvolvimento de novas tecnologias adequadas a transmissão integrada de dados, voz e imagens, brevemente, no real sentido da palavra, esgotará a capacidade de transmissão dos cabos de cobre e as fibras assumirão importância singular. Obviamente, há todo um esforço de pesquisadores no sentido de aumentar o tempo útil de vida das redes metálicas, ainda mais em face do elevado valor imobilizado nelas, afinal cobre é um metal que não pode ser considerado barato.

Apenas para termos uma boa idéia da necessidade de um sistema capaz de transmitir grandes volumes de informação, consideremos os dados da

Largura de banda disponível para a janela de 850 nm Largura de banda disponível para a janela de 1300 nm

MHz

1000

800

600

400

200

0

10 Base F 16 Mbs Token

FDDI ATM

155 Mbs ATM 622 Mbs

ATM 1,2 Gbs Banda para 100 m

fig.(1.7-2) na qual vemos, desde 1850 a evolução da quantidade de informação que é transmitida pelos sistemas que vêm sendo desenvolvidos. Se toma como medida de informação, a figura de mérito (bit/s)-km.

2. Baixa perda

As fibras ópticas oferecem baixa perda da potência óptica que transmitem, o que significa que possibilitam maiores distâncias de transmissão. Mais uma vez a comparação com o cobre é importante. Numa rede de dados, o limite recomendado para os enlaces de cobre é de 100m, ao passo que com fibras multimodo o comprimento chega aos 2.000 m.

Uma das principais desvantagens do cabo de cobre é que as perdas aumentam com a freqüência do sinal. Isso significa que altas taxas de transmissão tendem a aumentar as perdas de potência e diminuir as distâncias de transmissão. Já nas fibras ópticas, as perdas não mudam com a taxa do sinal, variando apenas com o comprimento de onda de operação. A fig. (1.7-3) fornece valores sobre a evolução das perdas em uma fibra óptica entre os anos de 1965 e 1979. Vemos que em 1965 a atenuação de sinal em uma fibra óptica, 1000 dB/Km reduzia a sua utilização, em sistemas práticos ao nível do sonho ou mesmo do impossível. O exemplo (1.7-1) nos mostra a razão desta aparente impossibilidade.

Hoje, em laboratório, se busca perdas abaixo de centésimos, ou mesmo da ordem de milésimos de decibéis por quilômetro, o que permitiria substanciais aumento dos comprimento dos enlaces a serem projetados e postos em operação, independentemente do uso de amplificadores ópticos.

BL (Bit/s)-km

1 103

106

109

1012

1015

1850 1900 1950 2000

Telégrafo

Telefone

Cabo Coaxial

Microondas Sistemas Ópticos Amplificadores Ópticos

Fig.(1.7-2) – Evolução do número de bits por segundo-km, a partir de 1850 até o presente.

1965 - 1000 dB/Km

1974 - 4,0 dB/Km (0,85 µm)

1,1 dB/Km (1,10 µm)

☺

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3. Imunidade eletromagnética

Algumas estimativas mostram que 60% das causas de falhas em redes de computadores baseadas em cabos de cobre são causadas por problemas de cabeamento como crosstalk, descasamentos de impedância e susceptibilidade a ruídos eletromagnéticos. Esses problemas tornam o processo de instalação de cabos categoria 5 mais delicado.

Como as fibras são construídas com material dielétrico, portanto não condutor de eletricidade, são imunes à interferência eletromagnética. Elas não causam crosstalk, o que é um grande limitante na tecnologia de cabos de cobre, e podem ser utilizadas em ambientes de alta exposição eletromagnética como fábricas, geradores de energia elétrica, próximas às linhas de transmissão elétrica e locais com alta probabilidade de incidência de raios.

4. Menor peso

Cabos de fibras ópticas pesam menos que cabos de cobre. Um cabo óptico dúplex é 20% a 50% mais leve que um cabo categoria 5 com 4 pares e por isso são mais fáceis de instalar. Para termos uma melhor idéia, quanto as questões de peso, podemos dizer que um cabo óptico de 6,3 mm de diâmetro, possuindo uma fibra óptica multimodo, possui capacidade equivalente a um cabo metálico de 7,6 cm de diâmetro, contendo 900 pares metálicos. Enquanto o cabo óptico pesaria uns 3 quilos e meio o metálico pesaria algo próximo a 100 quilos. Isto viabiliza o uso de fibras em ambientes em que peso é crucial, tais como aviões, navios, satélites, por exemplo.

5. Menor tamanho

Cabos ópticos têm seções transversais menores que os cabos de cobre que eles substituem. Usando novamente a comparação com os cabos categoria 5, cabos ópticos usam em média 15% menos espaço. Se considerarmos as questões de instalações prediais, principalmente quanto se trata de reforma, as fibras ópticas têm mais condições de serem usadas do que os cabos metálicos por exigirem dutos muito menores.

6. Segurança

Por ser um meio dielétrico, as fibras não conduzem eletricidade e não são suscetíveis a problemas que possam gerar centelhas. Tão pouco elas passam por problemas como levar tensão elétrica aos equipamentos aos quais estejam conectadas, como poderia ocorrer com cabos metálicos.

Além disso, têm um grau de imunidade ao fogo similar ao dos cabos metálicos atendendo aos padrões internacionais, inclusive para utilização interna.

7. Segurança das informações

8. Menor valor agregado

Quanto a valor agregado é notório que os cabos metálicos, feitos com cobre ou mesmo alumínio, possuem alto valor comercial. Já os cabos ópticos não possuem tal valor agregado, ou seja, não conseguem ser vendidos ou revendidos, pelo menos convencionalmente, após furtados. Com isto é menor a probabilidade de roubo dos cabos ópticos, afora requererem um menor investimento em infra-estrutura de segurança.

Para finalizar esta parte, estão apresentadas na tab.(1.7-1) comparações entre as características de cabos metálicos e ópticos. Nela, vemos que os cabos ópticos têm características muito superiores aos metálicos no campo prático das aplicações. Não é, pois, sem razão que os sistemas a fibra óptica estão substituindo os metálicos nos meios comerciais.

1.8 – As Cinco Gerações de Sistemas Ópticos

A seguir vamos dar uma pincelada sobre a evolução dos sistemas ópticos de comunicação, a partir dos primeiros sistemas, direcionados à telefonia. Como veremos no desenrolar da descrição, pelo menos cinco gerações de sistemas podem ser contabilizadas ao longo destas quase duas décadas de utilização de sistemas de comunicação óptica.

1.8-1 – A Primeira Geração de Sistemas Ópticos

A primeira geração de sistemas ópticos surgiu no início dos anos oitenta, usando lasers de GaAlAs-GaAs operando na janela de 0,80 µm, ou melhor dizendo na faixa de 0,80 a 0,85 µm, e fibras multimodo de SiO2. Tais sistemas usavam na detecção de sinal detetores de Si e operavam a

taxas de até 50 Mb/s, perfazendo enlaces sem repetidor com comprimentos de até 10 Km. Tais características superavam em muito aquelas apresentadas por sistemas a cabos coaxiais.

Cobre

Fibra

Multimodo Monomodo

Largura de banda (100 m) 100 MHz 1 GHz > 100 GHz

Distância de transmissão 100 m 2.000 m 40.000 m

Imunidade Eletromagnética não sim sim

Crosstalk sim não não

Potencial de aterramento sim não não

Peso mais pesado mais leve mais leve

Tamanho maior menor menor

Valor agregado sim não não

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1.8-2 – A Segunda Geração de Sistemas Ópticos

A segunda geração de sistemas apareceu no final dos anos oitenta quando se tornaram comerciais os lasers operando na janela de 1,30 µm (1,29 a 1,33 µm), com os quais duas vantagens foram obtidas. A redução das perdas na fibra a níveis abaixo de 1 dB/Km (com valor típico de 0,5 dB/Km) e um mínimo na dispersão cromática, originada na dependência do índice de refração com o comprimento de onda. Tais lasers eram feitos com um novo material o InP e suas ligas InGaAsP, enquanto os detetores, para esta janela de transmissão, eram feitos de Ge ou InGaAs. O limite estava no desempenho de dispersão das fibras multimodo, já que a dispersão modal era elevada, levando à degradação dos sinais. Por volta de 1981 os laboratórios já realizavam experiências com fibras monomodo, as quais com apenas um modo propagante tinha eliminada a questão da dispersão modal. Já em 1987 estava em operação o primeiro sistema monomodo na janela de 1,30 µm, com taxas de 1,7 Gb/s e repetidores com espaçamento de até 50 Km. Com atenuação de 0,5 dB/Km as fibras monomodo não permitiam maiores avanços quanto o comprimento dos enlaces. Isto só seria alcançado na década de noventa com o uso de lasers de InGaAsP na janela de 1,55 µm.

1.8-3 – A Terceira Geração de Sistemas Ópticos

A terceira geração de sistemas de comunicação se tornou possível apenas nos anos noventa, quando os lasers de InGaAsP na janela de 1,55 µm, com espectro de emissão do tipo monomodo longitudinal, se tornaram comerciais. Os lasers padrões da época, emitiam luz com um espectro do tipo multimodo, muitos modos longitudinais na cavidade, como veremos adiante, produzindo um efeito de degradação do sinal para distâncias da ordem de centena de quilômetros a taxas acima de alguns gigabits por segundo. Nessa nova janela, as fibras de SiO2, dopadas com Germânio,

apresentam um mínimo de atenuação em torno de 0,2 dB/Km, conquanto a dispersão permanece um pouco maior do que aquela da janela de 1,30 µm. Isto pode ser ultrapassado com o advento das fibras de dispersão deslocada, com as quais a dispersão para modos propagantes na janela de 1,55 ficam abaixo da dispersão das fibras monomodo operando na janela de 1,30 µm. Neste contexto, já em 1985 se havia demonstrado em laboratório a possibilidade de se operar sistemas ópticos a taxas de 4 Gbit/s com enlaces de até 100 Km. Desta forma, em 1990 apareceram os sistemas comerciais na janela de 1,55 µm operando a taxas de 2,5 Gb/s, chegando a até taxas em torno de 10 Gb/s e comprimentos de enlaces entre 60 a 70 Km. Comprimentos maiores degradavam o sinal de forma que apenas os sistemas com detecção homodina ou heterodina podiam permitir aumentos de desempenho dos receptores a ponto de suplantarem os problemas de degradação existentes. Entretanto, mesmo com boas demonstrações em laboratório do seu potencial, as detecções coerentes não puderam se tornar uma nova opção comercial em face dos amplificadores de fibra dopada com Érbio. Estes surgiram no final dos anos oitenta (1989) e deram lugar a uma nova geração de sistemas de comunicação.

1.8-4 – A Quarta Geração de Sistemas Ópticos

com comprimento de 21.000 Km, e 5 Gb/s a distâncias de 14.000 Km. Com isto se demonstrou a viabilidade de sistemas transoceânicos e em 1996 entrou em operação o cabo transpacífico TPC-5.

1.8-5 – A Quinta Geração de Sistemas Ópticos

A quinta geração de sistemas de comunicação óptica veio com o advento das transmissões com sólitons, com o que o efeito de alargamento dos pulsos, oriundo da dispersão das fibras, é reduzido a níveis muito baixos, permitindo que haja transmissão até 4000 Km sem problema de degradação da recepção do sinal. Um sóliton é uma estrutura propagante que se forma, em face da interação não linear da onda eletromagnética com o meio onde está propagando, que preserva a sua forma enquanto se desloca no meio. Concebido em 1973, só em 1988 foi demonstrado a possibilidade prática da transmissão de sinais. Em 1994, se tem transmissões com sólitons ao longo de 35.000 Km a taxas de 10 Gb/s e 24.000 Km a taxas de 5 Gb/s. Em 1996, usando a técnica de recirculating-loop, foram feitas transmissões de sólitons em um enlace de 9400 Km a uma taxa de 70 Gb/s multiplexando-se, em comprimento de onda, 7 canais de 10 Gb/s.

1.9 – Tipos de Enlaces Ópticos

Nesta seção consideraremos alguns tipos de sistemas ópticos para comunicação. Cada um deles atende a determinadas demandas de serviços, possuindo diferenças, muitas das quais são aparentes. Uma análise mais profunda mostrará a tendência deles fazerem parte de um todo, senão unificado, pelo menos embricado, havendo interpenetrações nas suas áreas de atendimento ao usuário final e dando lugar à ocupação de mercados em princípio pertencentes a outro setor.

1.9-1 – Enlaces Ópticos para Telefonia

O início dos enlaces ópticos para comunicação se deu pelos sistemas correspondentes a troncos de telefonia, fazendo a interligação entre as centrais telefônicas interurbanas, sendo pois sistemas ponto-a-ponto. Tais sistemas operam em modo digital de grande capacidade podendo se estender de alguns quilômetros até centenas ou mesmo milhares de quilômetros.

Em face da alta capacidade de transmissão das fibras, o comprimento do enlace sem repetidores e outras vantagens fizeram dos enlaces ópticos o meio preferido para os sistemas de telefonia, inclusive pelas possibilidades de ampliação da gama de serviços. Citamos dados e imagem para exemplificar.

Já em 1985, o Japão estava usando um tronco nacional, a fibra óptica, com um comprimento de 3400 Km, interligando diversas cidade nipônicas a uma taxa de transmissão de 400 Mbps. Neste caso, havia repetidores a cada 40 Km de distância.

Hoje, aqui no Brasil, temos enlaces deste porte, operando a taxas de 2,5 Gbps. Um exemplo disto são vários enlaces urbanos, em diversas cidades brasileiras, ou ainda a rota Rio de Janeiro-São Paulo da Embratel que opera a 10 Gbps, multiplexada a 2,5 Gbps em quatro comprimentos de onda.

1.9-2 – Enlaces Ópticos para Sistemas RDSI

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também é natural se buscar a ampliação do leque de serviços, saindo da telefonia pura e simples para o oferecimento de shopping, TV a cabo, Internet, WEB, vídeo conferência e assim por diante. Daí se chegar ao que se passou a chamar de Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI). Quando lemos integrados, já percebemos o que está neste contexto, a união de vários tipos de serviços, antes realizados de modo separado, por empresas muitas vezes distintas.

A cidade de Biarritz , na França, tornou-se em um laboratório na experimentação do uso dos serviços integrados. Outros casos semelhantes apareceram, como o sistema BIGFON na Alemanha, o INS em Tóquio (1984) e o VIVID da AT&T nos Estados Unidos (1985). Hoje, os sistemas RDSI são uma realidade sonhada por qualquer usuário de comunicações.

1.9-3 - CATV – Televisão a Cabo

Outro sistema de comunicação óptica que cresce com ímpeto é o da transmissão de sinais de TV via fibras ópticas. Tendo um dos primeiros sistemas instalados em 1976, em Hasting na Inglaterra, um circuito de 1,4 Km, atendendo 34.000 assinantes, esses sistemas têm crescido bastante motivados por razões como a qualidade dos sinais, imunes a ruídos (como os famosos fantasmas dos sistemas convencionais), afora o grau de exigência dos usuários e aspectos como as possibilidades de expansão de negócios agregados aos da distribuição de sinal de TV. Por exemplo vídeo-shopping, WEB e outros.

Novamente, vem a questão do embricamento de diferentes tecnologias e mercados de comunicação moldando os sistemas e suas vocações. E isto tem reflexo imediato nos projetos dos sistemas. Para posicionar a questão, citaríamos a questão do padrão de confiabilidade que os sinais de CATV devem ter se, efetivamente, quiserem ser competitivos com os sistemas tradicionais. No Brasil, não é novidade o padrão TELEBRÁS, procurado por países vizinhos em busca de normas e padrões de procedimentos.

1.9-4 - Sistemas Submarinos

Os sistemas de transmissão a fibra, embora tenham começado em terra firme, logo passaram a ocupar a parte líquida do globo, como parte integrante da rede internacional de telecomunicações; à semelhança do que já havia ocorrido no passado com os sistemas de telegrafia. Dado às condições agressivas do meio, às longas distâncias, às dificuldades de manutenção e outras características, os sistemas submarinos se constituem num capítulo à parte entre todos os tipos de sistemas existentes. Operando com comprimentos de onda de 1,55 µm, trabalham com sistemas repetidores, com distâncias entre si da ordem de 100 Km e fazem uso de sistemas de amplificação óptica com fibras dopadas com Érbio.

O primeiro cabo óptico submarino transatlântico, associado ao sistema TAT-8, entrou em operação em 1988, conectando os Estados Unidos da América do Norte à Europa e elevando o nível de circuitos de voz para 20.000. Proposto em 1980, ele conecta Tuckerton (New Jersey) a Widemouth na Inglaterra e Penmarch na França. Esse sistema tem um comprimento superior a 7500 Km, com repetidores a uma distância média de 60 Km, num total de 125 repetidores e é composto de dois sub-sistemas de transmissão digital a 280 Mb/s.

Um outro cabo a ser citado é aquele da AT&T e a KDD do Japão, formando um enlace que usa os amplificadores com fibras dopadas com Érbio, constituindo repetidores distanciados entre si de 40 Km. Este sistema opera com 600.000 canais de voz.

Aqui no Brasil, temos o cabo submarino que vem da América Central e entra por Fortaleza indo até o sul do país, de onde se interliga com outros cabos formando uma malha como mostra a fig.(1.9-1). Este sistema trabalha a 10 Gb/s, usando a janela de 1,55 µm.

1.10 – Os quatro mitos da fibra óptica

Toda tecnologia recentemente introduzida vem acompanhada de preconceitos, esperanças infundadas, enfim de uma aura de mitos prós e contras, naturais da situação de desconhecimento, ou ignorância, que em média atinge os que já são seus usuários, ou são usuários potenciais. O mesmo ocorreu com as fibras ópticas fazendo com que, apesar da indiscutível superioridade tecnológica, alguns fatores concretos atrasassem a implantação das fibras nos sistemas de comunicação. Vamos, a seguir apresentar alguns desses mitos que atrasaram, ou ainda atrasam, o uso da fibra óptica em diversos setores. E entre eles não estão apenas o da comunicação tradicional, a telefonia, mas o de redes em edifícios, condomínios, fábricas e tantos outros.

I. Fibras são frágeis

As evidências experimentais mostram que uma fibra óptica tem resistência à tração maior do que os filamentos de cobre, ou aço, do mesmo diâmetro. A fibra é flexível e resistente à maior parte dos elementos corrosivos que atacam os cabos de cobre. Cabos ópticos podem suportar forças de puxamento 6 vezes maiores do que as recomendadas para os cabos de cobre categoria 5. De fato, esses cabos podem ser ainda mais frágeis que as fibras, pois se instalados com curvas em excesso ou com filamentos desenrolados em demasia nos conectores podem degradar, a ponto de não mais atender os requerimentos de certificação de categoria 5.

Argentina Uruguai Paraguai Chile

Brasil

Venezuela

Bolívia Peru Colômbia

México _Flórida Bermuda

Equador

Unisur Pacific Transit

Nova Zelândia

India Atlantic Manaus

Fortaleza Europa Americas I USA

Guatemala Jamaica

Recife Columbus II

Rio de Janeiro S. Paulo

Belem

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II. Fibras são rígidas e difíceis de trabalhar

É difícil trabalhar com as fibras. Este mito vem dos primeiros dias dos conectores ópticos. Eles eram difíceis de usar, tinham muitas partes pequenas e demandavam instaladores especializados (e pacientes). Era necessário usar epóxi, curar, cortar e polir, e as tecnologias para fazer essas tarefas também eram primitivas. Os conectores de hoje são práticos, têm poucas partes e os instaladores utilizam máquinas de polimento e fornos para cura. Também existem os conectores sem epóxi e cordões com cabos pré-terminados, o que torna o trabalho fácil e rápido. Já há conectores com perdas tão baixas quanto uma emenda óptica feita com uma máquina de fusão.

III. Fibras são caras

Os cabos ópticos e também os componentes necessários à implementação de sistemas de cabeamento têm custo similar aos dos sistemas de cabos categoria 5. O custo de puxamento dos cabos é o mesmo e o tempo para fazer as terminações é próximo ao usual para cabos metálicos.

Por outro lado, apesar dos custos dos componentes e cabos serem similares, os serviços de instalação das fibras são mais caros, principalmente porque exigem uma mão-de-obra de maior nível, No entanto, este encarecimento, também se dá pelo fato de ainda existirem menos empresas especializadas em tecnologia óptica. À medida em que fica mais fácil trabalhar com as fibras e a tecnologia se dissemina, os custos de instalação tendem a diminuir. Se considerarmos outros fatores como obsolescência e maior confiabilidade, os custos serão francamente menores ao longo do tempo desta forma, não seria inteligente assumir como premissa que uma instalação óptica terá um custo superior a uma instalação com cabos de cobre. É recomendável fazer sempre as duas análises.

IV. Fibras não devem ser usadas no desktop

Se falássemos no mundo das comunicações veríamos interessantes fenômenos. Tomemos o que se passou a chamar de convergência tecnológica. “Antigamente”, e isto significa menos de uma década (1980-1990), havia uma clara separação entre os serviços de telefonia, comunicação de dados, entretenimento (rádio e TV Broad-Casting), serviços classificados e ficamos por aí para não complicarmos muito. Hoje, as coisas estão se apresentando de uma forma bem diferente, ainda mais com o advento das TV’s por assinatura, as famosas TV’s a cabo, ou via satélite com as antenas parabólicas. Estas já de tamanho reduzido com 60 centímetros de diâmetro, sendo portáteis e de fácil locomoção. Se antes o número de canais oferecidos era um pouco mais de uma dezena (13 canais) hoje temos quase duas centenas e a previsão é chegarmos à casa dos milhares no próximo século. Um próximo já tão próximo que o atual cheira a coisa passada.

Assim, os famosos “Back-Bones”, estabelecidos por empresas como a Embratel, a Rede Globo, a Abril Cultural e outras, passam a terem de ser reorientados. Afinal, a TV a cabo que chega às nossas casas não só nos traz imagem, mas voz, serviços (shopping, classificados e etc.…), e por que não dados, ou mesmo telefonia? O que eram antes grupos distintos de tecnologia, já não o são mais.

Una-se a Internet aos serviços de TV e teremos o mundo dentro de casa sem separação entre o entretenimento, os bancos de dados, os serviços classificados de oportunidade de trabalho e assim por diante. Com essas redes acopladas aos setores produtivos, muita coisa será feita fora das empresas, ou dos edifícios antes dedicados a determinados setores, quer sejam administrativos, de projeto, de marketing ou mesmo pessoal.

Mesmo com tudo isto, em redes de dados e telefonia prediais, ainda é prática comum não se avaliar a implantação de fibras para usuários finais sob o argumento de que é uma solução cara e desnecessária. No entanto, historicamente, as soluções de alto desempenho para redes de computadores chegaram rapidamente a seu limite (Token-Ring 4 e 16 Mbps, FDDI 100 Mbps). As empresas começam a demandar tecnologias que integram dados, voz e imagens num único meio, para aplicações multimídia, como videoconferência e sistemas de workgroup computing de alta produtividade. A perspectiva de implantação dessas tecnologias é uma realidade atual e a implantação de fibras até o desktop pode ser uma decisão inteligente e estratégica.

Assim sendo, faz-se necessário uma reavaliação dos paradigmas de concepção de sistemas, e desta forma os projetos devem seguir novas direções, inclusive porque não se deve projetar as coisas para ontem ou hoje. Deve-se projetar visando-se o amanhã, e é nisto que reside uma das grandes dificuldades (de se projetar, enxergar, pelo menos um pouco, o amanhã).

1.11 – Topologias de Enlaces Ópticos

Quando queremos interligar as partes que devem estar em comunicação, as linhas de comunicação e os pontos de conexão estabelecem uma malha, ou rede, de comunicação que apresenta uma forma, ou noutras palavras uma topologia. Uma ligação ponto-a-ponto como ocorre entre duas centrais dá lugar a uma topologia do tipo barramento. Se a este barramento forem conectados outros pontos de comunicação, então, teremos um barramento multiponto. Uma boa adaptação entre a topologia da rede, os serviços a serem prestados, a rede lógica a ser implantada, e detalhes como meio ambiente, tipo de usuários, afora outros, é uma ação fundamental para a criação de um projeto de qualidade. Apresentaremos algumas topologias com suas vantagens e desvantagens, dependendo do tipo de aplicação a ser feita e outras nuances que envolvem os aspectos lógicos do sistema, confiabilidade e outros mais.

Variedade de Aplicações

30 %

Cliente/Servidor 22 % Aumento Conexões

LAN 21 %

Multimídia 18 %

Outras 3 %

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Ponto-a-ponto

Os dispositivos de barramento na rede são interconectados através de linhas de dados serial bidirecional.

Vantagens:

• Somente uma conexão é afetada por uma interrupção.

• É possível Transmissão simultânea.

Desvantagens:

• Cada dispositivo do barramento requer sua própria interface.

• Sem conexão direta entre todos os dispositivos do barramento.

Estrela

Cada dispositivo do barramento é conectado para uma unidade central através da própria linha de transmissão.

Vantagem:

• Falha de um dispositivo do barramento não afeta a comunicação entre os outros dispositivos do barramento.

Desvantagens:

• Sem conexão direta entre todos os dispositivos do barramento.

• Falha da unidade central conduz uma falha total do sistema.

Anel

Os dispositivos do barramento são interconectados no formato anel, habilitando um dispositivo do barramento para comunicação com cada um de seus vizinho.

Mensagens para dispositivo do barramento muito distantes são passados de dispositivo a dispositivo do barramento.

Vantagens:

• Essa estrutura pode ser facilmente expandida.

• Baixo número de linhas.

Desvantagens:

• Sem conexão direta entre todos os dispositivos do barramento.

• Falha de um dispositivo, ou do canal de comunicação leva a falha no sistema. N1

N2

Fig.(1.11-1)-Topologia ponto-a-ponto.

Fig. (1.11-2)- Topologia em estrela.

Fig.(1.11-5) -Topologia em árvore. Barramento

Todo os dispositivos do barramento são interconectados usando o mesmo caminho de transmissão. O barramento pode manejar somente uma mensagem por vez.

Vantagens:

• Conexão direta entre todos os dispositivos do barramento

• Falha de um dispositivo do barramento não afeta a comunicação entre os outros dispositivos.

Desvantagem:

• Interrupção no cabo do barramento interrompe a comunicação.

Árvore

A estrutura árvore é uma combinação das estruturas descritas acima. Um dispositivo é responsável em mandar a informação para a origem da rede por onde passa todos os dados para o dispositivo do barramento do sistema.

Vantagem:

• Pode ser facilmente adaptada e ampliada.

Desvantagens:

• Sem conexão direta entre todos os dispositivos do barramento.

• Falha da origem leva a falha no sistema.