Trabalho de fibra óptica

UNIVERSIDADE INDEPENDENTE DE ANGOLA
Faculdade de Ciências e Tecnologias
Engenharia de Telecomunicações

TEMA: LINK DE FIBRA ÓPTICA DE LUANDA AO DONDO

DOCENTE:
PhD. António Tavares P. de Sousa

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

COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

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José Alves Manuel


ÍNDICE

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INTRODUÇÃO

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

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

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

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OBJECTIVO

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

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

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BREVE HISTÓRIAL DA FIBRA ÓPTICA

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

200 D.C: Heron da Alexandria estudou a reflexão.
1621: Willebrod Snell descobriu que quando a luz atravessa dois meios, sua
direção muda (refração).
1678: Christian Huygens modela a luz como onda.
1830: Telégrafo com código Morse (digital) chegava a alcançar mil km, o
equivalente a velocidade de 10 bits por segundo, com os repetidores.
1870: John Tyndal (1820-1893) mostrou a Royal Society que a luz se curva para
acompanhar um esguicho d’água, ou seja, pode ser guiada pela água.
1876: Invenção do telefone analógico por Graham Bell
1880: O engenheiro William Wheeler, recebeu uma patente pela idéia de
“conduzir” intensas fontes de luz para salas distantes de um prédio. O escocês
naturalizado americano, Alexander Graham BELL (1847-1922), inventou o
Photophone, um sistema que reproduzia vozes pela conversão de luz solar em
sinais elétricos (telefone óptico).
1956: O físico indiano Narinder Singh Kanpany inventa a fibra óptica:
desenvolveram a idéia de uma capa de vidro sobre um bastão fino de vidro
para evitar a “fuga” da luz pela superfície.
1958: Arthur Schwalow e Charles Townes inventam o laser.
1962: Foi inventado o primeiro fotodetector PIN de silício de alta velocidade
(EUA).
1968: Primeiro diodo laser com dupla heteroestrutura, DHS, (EUA).
1972: 1973: Um link telefônico de fibras ópticas foi instalado no EUA.
1976: O Bell Laboratories instalou um link telefônico de 1 km em Atlanta e
provou ser possível o uso da fibra para telefonia, misturando técnicas
convencionais de transmissão. O primeiro link de TV a cabo com fibras ópticas
foi instalado em Hastings (UK). A empresa Rank Optics em Leeds (UK) fabrica
fibras de 110 nm para iluminação e decoração.
1978: Começa, em vários pontos do mundo, a fabricação de fibras ópticas com
perdas menores do que 1,5 dB/km, para as mais diversas aplicações.
1979: MYA e colaboradores, Japão, anunciam a primeira fibra monomodo
(SMF) com 0,20 dB/km em 1550 nm.
1981: Ainslie e colegas (UK) demonstram a SMF com dispersão nula em 1550
nm.
1988: Operação do primeiro cabo submarino, TAT-8, entre EUA, França e
Inglaterra.

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1989: Introdução comercial dos amplificadores ópticos dopados com érbio.

REGULAMENTAÇÃO

Normas Técnicas

O que é uma norma?

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

Normas para Cabeamento Estruturado Fibra Óptica

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

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

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

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

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LEI DE SNELL

Reflexão e Refração

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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ESTUDO DA FIBRA ÓPTICA
Conceito de fibra óptica

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

Estrutura da fibra óptica

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

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

Veremos agora a estrutura do cabo de fibra óptica.

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

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Núcleo: O núcleo é um fino filamento de vidro ou plástico, medido em micra (1
ηm = 0,000001m), por onde passa a luz. Quanto maior o diâmetro do núcleo
mais luz ele pode conduzir.
Casca: Camada que reveste o núcleo. Por possuir índice de refração menor que
o núcleo ela impede que a luz seja refratada, permitindo assim que a luz
chegue ao dispositivo receptor.
Capa: Camada de plástico que envolve o núcleo e a casca, protegendo-os
contra choques mecânicos e excesso de curvatura.
Fibras de resistência mecânica: São fibras que ajudam a proteger o núcleo
contra impactos e tensões excessivas durante a instalação. Geralmente são
feitas de um material chamado kevlar, o mesmo utilizado em coletes a prova
de bala.
Revestimento externo: É uma capa que recobre o cabo de fibra óptica.

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

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

Fibras Multimodo (MMF Multimode Fiber)

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

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

Figura 13 – Propagação da luz multimodal [3]

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Multimodo de Índice Degrau

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

Figura 14 – Fibra Óptica Multimodo ID

Multimodo de Índice Gradual

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

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

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

Figura 15 – Fibra Multimodo IG

Fibras Monomodo (SMF Single Mode Fiber)

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

Figura 16 – Propagação da luz em monomodal [3]

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

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PROPRIEDADES DAS FIBRAS ÓPTICAS

Imunidade a Interferências

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

Ausência de diafonia

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

Isolação elétrica

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

Dispersão

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

Modal
Cromática

Dispersão Modal

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

t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem
Δ é a diferença percentual de índices de refração entre o núcleo e a casca dada
por Δ =(n1-n2)/n1
A dispersão modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo será guiado.

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Disperção Cromática

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

Dispersão material
Dispersão de guia de onda

Disperção Material

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

dn
D
A dispersão provocada pela dispersão material é dada por c d , onde.

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

Disperção de guia de onda

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

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AS VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS

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

Largura de Banda

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

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

Imunidade a Interferências Externas e Insolação Eléctrica

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

Segurança da informação e do sistema
As fibras ópticas não irradiam significativamente a luz propagada, implicando
um alto grau de segurança para a informação transportada.
Baixo Preço da Matéria-prima

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

Baixo Peso e Pequena Dimensão

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

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

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DESVANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS

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

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

Derivações Limitadas

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

Padrão dos Sistemas Ópticos

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

Efeitos da Radiação Laser

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

Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos

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

As pequenas dimensões das fibras ópticas exigem procedimentos e dispositivos de alta
precisão na realização das conexões e junções.
Acopladores tipo T com perdas muito altas

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

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

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

Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)

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

Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede
internacional de telecomunicações.
Uso de Fibras Ópticas em Telecomunicações
A Fibra monomodo é a opção preferida para comunicação a longa distância. Ela
permite que a informação seja transmitida a altas taxas sobre distâncias de dezenas de
quilômetros sem um repetidor.
Redes Locais de Computadores
As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de
comunicação de dados que podem ser interligados por cabos de fibra óptica.

Televisão por Cabo (CATV)

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

Sistemas de Energia e Transporte

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

FONTES ÓPTICAS

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

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

Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se comparados
com os leds , LED : (-7 a -14dBm) e LASER: (1dBm)
Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que
proporciona menor dispersão material.

Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os leds,
mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.
Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais
concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de
acoplamento maior.
Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à
temperatura.
Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers
(aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.
Custos: os lasers são mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricação é
maior.

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

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

Laser

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

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

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Existem duas condições básicas para que o fenômeno laser aconteça:

Inversão de população
Alta concentração de luz

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

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

As características típicas de um laser são:

luz coerente
altas potências
monocromaticidade
diagrama de irradiação concentrado
altas tensões de polarização
fluxo de luz não proporcional à corrente
vida útil baixa (10000 horas)
sensível a variações de temperatura
alto custo
próprio para sinais digitais

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altas velocidades, ou seja, grande banda de passagem (1 Ghz ou mais)

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

Existem dois tipos de lasers quanto ao tipo de fabricação:

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

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

As suas principais diferenças são:

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

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

c) Sensibilidade: GLD: baixa e ILD: alta

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

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

Díodo emissor luminescente (LED)

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

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

23
José Alves Manuel


Fig: 12 Fonte luminosa ( led)

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

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

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

Diodos PIN

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

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José Alves Manuel


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

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

a b

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

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

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

Parâmetro Símbolo Unidades Si Ge InGaAs

Comprimento Λ μm 0,4 – 1,1 0,8 – 1,8 1,0 – 1,7

25
José Alves Manuel


de onda

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

Eficiência Η % 75 – 90 50 – 55 60 – 70
quântica

Corrente de I0 nA 1 – 10 50 – 500 1 – 20
escuridão

Tempo de Tr ns 0,5 – 1 0,1 – 0,5 0,05 – 0,5
resposta

Largura de Δf GHz 0,3 – 0,6 0,5 – 3 1–5
banda

Tensão V V 50 - 100 6 - 10 5-6
aplicada

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

A performance do pin-díodo com base na heteroestrutura (Fig.) pode melhorar
consideravelmente os seus parâmetros. A largura da zona proibida do semicondutor
InP é Eg = 1,35 e V, portanto este material é transparente para a radiação com
comprimento de onda λ > 0,92 μm. Ao contrário, a largura da zona proibida do In 1-x Gax
As para x = 0,47 é Eg = 0,75 eV. Este valor corresponde ao comprimento de onda limiar
λ = 1,65 μm e este material absorve fortemente a radiação no intervalo de c.d.o. de 1,3
a 1,6 μm. A componente de difusão da corrente fotoeléctrica do pin-fotodíodo com
base na heteroestrutura é totalmente eliminada, porque os fotóes são absorvidos só
na região de depleção. A eficiência quântica pode ser bem próxima a 100% se usar as
camadas de InGaAs com espessura cerca de 4 – 5 μm. Em 1995 foi fabricado um pin-

26
José Alves Manuel


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

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

Díodo APD

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

Parâmetro Símbolo Unidades Si Ge InGaAs

Comprimento Λ μm 0,4 – 1,1 0,8 – 1,8 1,0 – 1,7
de onda

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

Coeficiente de M - 100 – 500 50 – 200 10 – 40
multiplicação

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

Corrente de I0 nA 0,1 – 1 50 – 500 1–5
escuridão

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Tempo de Tr ns 0,1 – 2 0,5 – 0,8 0,1 – 0,5
resposta

Largura de Δf GHz 0,2 – 1,0 0,4 – 0,7 1–3
banda

Tensão V V 200 - 250 20 - 40 20 - 30
aplicada

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

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

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

O factor de multiplicação M é dado pela fórmula:

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

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

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

M = exp(αn d).

28
José Alves Manuel


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

M = 1/(1 - αn d).

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

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

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

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

V = Vc

Zona de
multiplicação
V > Vc
V < Vc Região de
deriva

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

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José Alves Manuel


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

Os parâmetros médios típicos dos díodos de avalanche são seguintes:

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

.

MODULAÇÃO

Definição de modulação

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

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

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

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José Alves Manuel


NECESSIDADE DE MODULAÇÃO

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

Modulação para facilidades de radiação

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

Modulação para fins de Multiplexagem

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

Modulação para suprimir Limitações de Equipamento

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

TIPOS DE MODULAÇÃO

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

Modulação analógica

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José Alves Manuel


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

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

Modulação em Amplitude (AM)

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

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

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

Principais processos de modulação em AM

1. AM-DSB
2. AM-DSB/SC
3. AM-SSB
4. AM-SSB/SC
5. AM-VSB

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José Alves Manuel


Representações analíticas e
gráficas

Modulação em Frequência (FM)

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

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

MODULAÇÃO DIGITAL

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

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

Também é o processo pelo qual a informação a transmitir numa comunicação é
adicionada a ondas electromagnéticas. O transmissor adiciona a informação numa

33
José Alves Manuel


onda básica de tal forma que poderá ser recuperada na outra através de um processo
reverso chamado Demodulaçao.

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

TIPOS DE MODULAÇÃO DIGITAL

Modulaçao PSk

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

Modulação QPSK

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

Modulação 8PSK

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

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

Representações analíticas e gráficas da modulação digital

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José Alves Manuel


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

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

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

MULTIPLEXAÇÃO

35
José Alves Manuel


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

TIPOS DE MULTIPLEXAÇÃO

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

Time Division Multiplexing (TDM) multiplexagem por divisão no tempo;
Frequency Division Multiplexing (FDM) multiplexagem por divisão na
freqüências;
Wavelength Division Multiplexing (WDM) multiplexagem por divisão do
comprimento de onda;

TDM - Time Division Multiplexing

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

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

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

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

FDM - Frequency Division Multiplexing

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José Alves Manuel


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

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

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

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

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

WDM - Wavelength Division Multiplexing

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

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

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José Alves Manuel


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

Fig: 16 Princípio do DWDM

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

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

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

FUNCIONAMENTO DOS BLOCOS DO ESQUEMA BÁSICO DO TRANSMISSOR E
RECEPTOR ÓPTICO

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José Alves Manuel


Bloco transmissor

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

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

Uma linha espectral de largura mínima (para uma fonte ideal monocromática
deve tender para zero);
O comprimento de onda do raio emitido deve coincidir com uma das “janelas”
de transparência da própria fibra óptica;
Um longo tempo de vida activa;
Uma alta rapidez (possibilidade de modular o raio luminoso por um sinal de
alta frequência).

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

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

Bloco receptor

RCVR - Receptor de sinais ópticos

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

Converter Dowm/ Receptor Óptico

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

DPFM

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

ESQUEMA BÁSICO DO TRANSMISSOR E RECEPTOR ÓPTICO

Transmissor

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José Alves Manuel


Receptor

Fig: 19 Transmissor e Receptor Óptico – Fonte Folheto

FUNCIONAMENTO DO PROJECTO

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José Alves Manuel


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

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

Fig: 20 Espectro do Sinal de TV

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

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

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

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José Alves Manuel


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

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

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

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

fam = 2 x fm frequência de amostragem segundo Nyquist

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

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

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José Alves Manuel


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

Fig: 21 multiplexagem WDM – Fonte Internet

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

LINK DE FIBRA ÓPTICA LUANDA DONDO
Atendendo a necessidade de garantir um sistema de comunicação por fibra
óptica com boa qualidade, surge a necessidade de usarmos cabos fibra óptica que
fornecem melhor qualidade de serviço.

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

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José Alves Manuel


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

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

Mapa de Luanda e Bengo.

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José Alves Manuel


CÁLCULO DE PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DA FIBRA MONOMODO UTILIZADA

Parâmetros da fibra monomodo utilizada

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

Atenuação nas fibras monomodo ᾳ f

ᾳ f = 0.35 dB ⁄ Km

Atenuação nos conectores na ligação, ᾳ c

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

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

ᾳ c T = 14 × 0.5 = 7dB ( teremos 7dB de perdas nos conectores)
Atenuação nas junções, ᾳ s

ᾳ s ≈ 0 visto que não temos nenhuma junção entre cabos

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José Alves Manuel


Atenuação nos loops

ᾳ L = 0.023dB correspondente a cada 1m de loop
atendendo que cada loop corresponde a 20ms, então, 0.023× 20 = 0.46dB

Perdas totais nos loops ᾳ LT

ᾳ LT = 0.23 × 6 = 1.38dB

Atenuação total do percurso, ᾳ t

ᾳ t = ᾳ f × LT + ᾳ cT + ᾳ LT = (180× 0.35) + 6 + 1.38= 70.38 dB
ᾳ t = 70.38 dB

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

ᾳ t = ᾳ f × LT + ᾳ c + ᾳ L = (25× 0.35) + 1 + 0.23 = 9.98dB

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

Ganho total, Gt

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

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

Margem de segurança de 19.62dB

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

1. DETERMINAR PARA A FIBRA MULTIMODO:

A.

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

Dados:

N1 = 1.48

N2 = 1.46

Usando a Lei de Snell, temos:

O ângulo mínimo dado por

n2 1.46
sen min min 80.6º
n1 1.48

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

máximo max 90 min 90º 80.6º 9.4º

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

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

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

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

No campo existe o interesse do parâmetro chamado Frequência normalizada:

dado por,

Para f=5THz

Para f=1THz

B. CALCULAR

a). A abertura numérica da Fibra Óptica

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b). O cone do ângulo de aceitação

C. CALCULAR

a). A abertura de perdas

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

- Fibra intermodal: 5ns/Km

- Expansão do pulso intermodal: 1ns/Km

- PIN Diodo: 5ns

- Led: 7ns

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

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

Gama de impulsos em repouso = 10MHz

Pico de desvio de frequência = 1.5MHz

APD receptivo = 0,7

APD, factor de multiplexação = 60

Ruído de banda base na Largura de Banda = 5MHz

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

Solução:

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

Cálculo:

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CONCLUSÃO

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

Com a implementação do projecto verifica-se que haverá:

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

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RECOMENDAÇÕES

1. Adequar os equipamentos ao sistema uniformizado pelas normas da UIT- T
para garantia de boa qualidade;
2. Efectuar o estudo prévio da referida zona em questão e efectuar os cálculos de
todos parâmetros necessários;
3. Efectuar o cálculo das atenuações no final do projecto.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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

- www.Google.com.br

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ANEXOS

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Esquema básico de um link de Fibra óptica

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