UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

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1 UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA REDE HFC DIDÁTICA PARA ALUNOS DA ENGENHARIA Disciplina: Projeto de Graduação Acadêmico: Dante Correa Soares Neto Professor: Amauri Fagundes Balotin Passo Fundo, junho de 2013.

2 Dante Correa Soares Neto REDE HFC DIDÁTICA PARA ALUNOS DA ENGENHARIA Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obtenção do título de Engenheiro Eletricista, sob orientação do Prof. MSc. Amauri Fagundes Balotin. Passo Fundo,

3 Dante Correa Soares Neto REDE HFC DIDÁTICA PARA ALUNOS DA ENGENHARIA Banca Examinadora: Professor MSc. Amauri Fagundes Balotin - UPF - Orientador Professor Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina UPF - Examinador Professora Dra. Blanca Rosa Maqueira Sosa UPF - Examinadora Passo Fundo,

4 AGRADECIMENTOS Nesta longa trajetória do curso de Engenharia Elétrica ficam as lembranças de cada colega, cada professor, familiares e colegas de trabalho, pois todos foram importantes para as superações das barreiras do percurso. Agradeço aos meus pais, Luiz Carlos e Glaci, pelo incentivo e apoio desde os tempos do vestibular. Agradeço a minha avó Amélia pelas promessas e rezas que de alguma forma sempre ajudam. Também agradeço aos meus avalistas do crédito educativo João Diorgenes e Marli, pois naquele momento foi fundamental para a continuidade do curso. Agradeço aos colegas da Net, em especial a Isabel, João Bordin e ao Salvador, pela consideração e apoio para que a minha formação acadêmica fosse concluída. Também foram importantes neste processo toda a minha equipe técnica nas cidades de Passo Fundo e Erechim, pois o profissionalismo da equipe me tranquilizou para que em alguns momentos eu pudesse me focar neste objetivo. Agradeço aos colegas do curso, em especial aos que estão mais presentes nos últimos semestres, Heider, Jandercel, Tiago, Renato, Marcos e Darlan, pelo compartilhamento de informações, conhecimentos e preocupações. Saibam que exercitamos um bom trabalho em equipe e que cada um que concluí o curso é uma vitória de todos. Agradeço aos professores, em especial ao Prof. Edson que inesquecivelmente oportunizou um horário de aula diferenciado para que eu pudesse conciliar a disciplina de Eletrônica as minhas atividades profissionais. Estas atitudes diferenciadas ensinam muito aos acadêmicos, por isto, muito obrigado. Agradeço aos colegas do núcleo de eletrônica e do almoxarifado que estão sempre a disposição e prestam um ótimo atendimento aos acadêmicos. Agradeço ao Prof. Adriano Toazza pela ótima indicação de orientador. Ao orientador Amauri, agradeço por toda a contribuição e dedicação para que juntos pudéssemos chegar a este trabalho final. Finalmente, agradeço a Carol, pois sua dedicação familiar com a casa e com os filhos, supriram as minhas ausências com maestria. Creio que todo o apoio que recebi só tem uma definição, amor. Concluo o meu agradecimento, citando que somente foi possível este feito com muita dedicação, otimismo, fé, esperança, e com vocês. 4

5 RESUMO A rede HFC é uma rede híbrida composta de cabos de fibras ópticas e cabos coaxiais. Estas redes atualmente são amplamente utilizadas para transporte de multiserviços, tais como, televisão por assinatura, internet banda larga e telefonia. O grande diferencial da utilização da arquitetura HFC é a implementação dos cabos de fibras ópticas. A fibra óptica tem uma baixa perda em comparação aos cabos metálicos possibilitando a transmissão dos sinais a longas distâncias com qualidade. O presente trabalho visa construir uma rede HFC didática, a qual será composta de antena receptora VHF (Very High Frequency), para a recepção do canal UPF TV que será retransmitido no sistema para fins de testes; transmissor e receptor óptico na janela de 1310nm; fibra óptica monomodo; cabo coaxial; opção para atenuação dos sinais possibilitando os testes e um medidor de nível do sinal de RF e da potência óptica através de um microcontrolador. Também é possível acoplar um televisor e assistir o canal recebido e retransmitido no sistema de comunicação, monitorando a sua qualidade através dos testes disponíveis. Um dos grandes objetivos deste trabalho é disponibilizar a rede HFC didática para demonstração nas aulas práticas de comunicações tornando mais amplo o aprendizado e a visão global dos alunos da engenharia. 5

6 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - ÁREA EFETIVA DE CAPTURA DO SINAL DE UMA ANTENA. (WINDER E CARR, 2002) FIGURA 2 - ONDA ELETROMAGNÉTICA PROPAGANTE E SUAS COMPONENTES FIGURA 3 - GRÁFICO POLAR DA ANTENA DIPOLO DE MEIO COMPRIMENTO DE ONDA. (FUSCO, 2006) FIGURA 4 - (A) ANTENA DIPOLO DE 1/2Λ (MEIO-COMPRIMENTO DE ONDA). (B) VARIAÇÃO DA TENSÃO E CORRENTE AO LONGO DO DIPOLO. (C) CIRCUITO EQUIVALENTE RESSONANTE RLC SÉRIE FIGURA 5 - ILUSTRAÇÃO DOS ÂNGULOS DA LUZ INCIDENTE, REFRATADA E REFLETIDA. (INATEL, 2000) FIGURA 6 - FIBRA CONSTITUÍDA DE NÚCLEO E CASCA COM ÍNDICES DE REFRAÇÃO DIFERENTES FIGURA 7 - CABO DE FIBRA ÓPTICA COM TUBOS E PROTEÇÕES FIGURA 8 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM OTDR FIGURA 9 - CURVA CARACTERÍSTICA DE MEDIÇÃO DE UMA FIBRA ÓPTICA NO OTDR FIGURA 10 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM TRANSMISSOR ÓPTICO FIGURA 11 - COMPONENTES CONSTRUTIVOS DE UM CABO COAXIAL FIGURA 12 - CABO COAXIAL DE REDE EXTERNA FIGURA 13 - CABO COAXIAL DE REDE INTERNA RG FIGURA 14 - SISTEMA ÁRVORE-E-RAMO (TREE-AND-BRANCH) FIGURA 15 - SISTEMA HÍBRIDO FIBRA-COAXIAL (HFC) FIGURA 16 - ALOCAÇÃO DE FREQUÊNCIAS DO ESPECTRO DE CATV FIGURA 17 - DIAGRAMA EM BLOCO DE UM AMPLIFICADOR DE LINHA FIGURA 18 - DIAGRAMA EM BLOCO DO UM NÓ FIBRA/COAXIAL FIGURA 19 - DIAGRAMA EM BLOCOS DA REDE HFC DIDÁTICA FIGURA 20 MISTURADOR DESBALANCEADO HOLLAND DE 3 ENTRADAS E 1 SAÍDA FIGURA 21 - MÓDULO TRANSMISSOR ÓPTICO 1310 NM COM POTÊNCIA DE 7 DBM FIGURA 22 - MÓDULO RECEPTOR ÓPTICO 1310 NM COM POTÊNCIA IDEAL DE RECEPÇÃO DE 0DBM FIGURA 23 - RELAÇÃO DE TENSÃO (VDC) VS POTÊNCIA ÓPTICA (DBM) DO PONTO DE TESTE DO MÓDULO FIGURA 24 DIVISOR DESBALANCEADO HOLLAND DE 1 ENTRADA E 3 SAÍDAS E ATENUADORES DE 10DB (A) E 20DB (B) FIGURA 25 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO MEDIDOR DE SINAIS FIGURA 26 - PROJETO DE AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR PARA CONDICIONAMENTO DA TENSÃO VDC PROVENIENTE DO PONTO DE TESTE DO RECEPTOR ÓPTICO FIGURA 27 - CURVA DA RELAÇÃO DE CONVERSÃO VDC PARA DBM FIGURA 28 - CURVA DA CONVERSÃO VDC PARA DBM DO DETECTOR DE RF FIGURA 29 - PROJETO DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL PARA CONDICIONAMENTO DO SINAL FIGURA 30 - CONVERSÃO DA POTÊNCIA DO SINAL EM DBM PARA O NÍVEL DO SINAL EM DBMV FIGURA 31 - CURVA DE CONVERSÃO VDC PARA DBMV FIGURA 32 - REGULAÇÃO DE TENSÃO E ALIMENTAÇÃO DOS MÓDULOS DO PROTÓTIPO FIGURA 33 - MEDIDOR DE NÍVEL DE SINAL UTILIZADO PARA MEDIDAS PRELIMINARES

7 FIGURA 34 - CAPTAÇÃO DOS NÍVEIS DE SINAL EM CADA ÂNGULO DE DIRETIVIDADE FIGURA 35 DIAGRAMA DE RADIAÇÃO DA ANTENA DIPOLO DE MEIO-COMPRIMENTO DE ONDA FIGURA 36 NÍVEL DE SINAL CAPTADO E INSERIDO NO MISTURADOR/SISTEMA. NÍVEL DA PORTADORA DE VÍDEO DO CH DBMV E DA PORTADORA DE ÁUDIO +15,8DBMV FIGURA 37 - MEDIÇÃO DE POTÊNCIA ÓPTICA COM O POWER METER DA JDSU FIGURA 38 ATENUADOR ÓPTICO MONOMODO DE 2 DB INSTALADO NO RECEPTOR FIGURA 39 MEDIDAS DE POTÊNCIA ÓPTICA SEM ATENUADOR, COM ATENUADOR DE 2DB E 5 DB FIGURA 40 - TESTE QUALITATIVO DO CANAL 4 SEM ATENUAÇÃO FIGURA 41 - TESTE QUALITATIVO DO CANAL 4 COM ATENUAÇÃO DE 10DB FIGURA 42 - TESTE QUALITATIVO DO CANAL 4 COM ATENUAÇÃO DE 20DB FIGURA 43 - VALIDAÇÃO DA MEDIÇÃO DE RF E ÓPTICA FIGURA 44 - MEDIDA DE NÍVEL DE SINAL 9,83 DBMV RECEBIDA DO GERADOR DE SINAL HP FIGURA 45 - ESPECTRO DO CANAL 4 COM NÍVEIS DA PORTADORA DE VÍDEO E ÁUDIO FIGURA 46 - MEDIÇÃO DA LARGURA DE BANDA DO GERADOR DE SINAL HP, ONDE RESULTA 1MHZ

8 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - ALGUNS ÍNDICES DE REFRAÇÃO TÍPICOS E SUA VELOCIDADE RESPECTIVA. (INATEL, 2000) TABELA 2 - IDENTIFICAÇÃO DOS TUBOS E FIBRAS ÓPTICAS TABELA 3 - ESPECIFICAÇÕES DE CORRENTE MÁXIMA DOS COMPONENTES ATIVOS DO PROTÓTIPO TABELA 4 - LOCAIS E MEDIDAS EFETUADAS PARA TESTE PRELIMINAR

9 LISTA DE ABREVIATURAS Ampop Amplificador Operacional; A/D Analógico para Digital; CATV Cable Televison (Televisão a cabo); HFC Híbrida Fibra/Coaxial; LASER Amplificação Luminosa por Emissão de Radiação Estimulada; VHF Very High Frequency (Frequência muito alta); SP Estado Federativo de São Paulo; RS Estado Federativo do Rio Grande do Sul; UPF TV Canal de televisão da Universidade de Passo Fundo; RLC Circuito elétrico composto dos componentes de resistência, indutância e capacitância; FRP Fibre-reinforced plastic (Plástico reforçado com fibra, material resistente a tração); OTDR Optical time-domain reflectometer (Reflectômetro óptico no domínio do tempo); CAG Automatic Gain Control (Controle automático de ganho); RF Radio frequency (Radio frequência); TEC Thermoelectric cooler (Resfriador termo elétrico); DFB Distributed feedback (realimentação distribuída); AM Amplitude Modulation (Modulação de Amplitude); NTSC National Television Systems Committee (Sistema de Televisão Analógico adotado pelos Estados Unidos); FDM Frequency Division Multiplexing (Multiplexação por Divisão de Frequência); RG6 Radio Guide if 18 AWG (Guia de rádio com 18 AWG); 9

10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivos Justificativa FUNDAMENÇÃO TEÓRICA Antena do Tipo Dipolo Fibra Óptica Origem Refração Conceitos e Tipos de Fibras Ópticas Cabos Ópticos Medidas de Potência Óptica Localização de Falhas em Enlaces Ópticos Transmissor Óptico Receptor Óptico Cabo Coaxial Características Construtivas Impedância Característica Perdas nos Cabos Rede HFC Histórico MATERIAIS E MÉTODOS Diagrama de Blocos do Projeto Antena do tipo dipolo Definição Características Dimensionamento Opção de atenuação da recepção Transmissor Óptico Fibra Óptica Receptor Óptico Opção de atenuação do sinal

11 3.8 Medidor de Sinais Diagrama de Blocos do Medidor de Sinais Medidor de Potência Óptica Medidor de Nível de Sinal de RF RESULTADOS Antena Dipolo Testes Preliminares Diagrama de Radiação da Antena Opção de Atenuação da Recepção Transmissor Óptico Testes Preliminares Testes Finais Fibra Óptica Receptor Óptico Testes Preliminares Testes Finais Opção de atenuação do sinal Medidor de Sinais Medidor de Potência Óptica Medidor de Nível de Sinal de RF CONSIDERAÇÕES FINAIS Considerações sobre a Recepção do Sinal Considerações sobre a Retransmissão do Sinal Considerações sobre a Medição dos Sinais Sugestão de Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A UNIDADES LOGARÍTMICAS ANEXO B FOTO DO PROTÓTIPO FINAL ANEXO C CIRCUITO DO MEDIDOR DE SINAL

12 1. INTRODUÇÃO As primeiras experiências em televisão a cabo (CATV) aconteceram em novembro de 1948 nos estados da Pensilvânia e Oregon, nos Estados Unidos. Porém, essas primeiras transmissões tinham um caráter distinto do serviço oferecido hoje. Inicialmente, a TV via cabo era utilizada apenas para atender pequenas comunidades do interior que não conseguiam receber os sinais de TV ou nos lugares onde essas imagens eram ruins. (INATEL, 2000) O Sr. Ed Parsons, após acompanhar testes de transmissão que vinham sendo feitos na cidade de Seattle, estudou uma maneira de receber os sinais da nova emissora. Instalou uma antena receptora em um ponto elevado, para melhor recepção de sinais, retransmitindo o sinal em um cabo coaxial utilizando amplificadores monocanais e valvulados ao longo da linha até sua região. Para seus vizinhos terem acesso ao sinal, o Sr Ed Parsons lhes cobrava uma taxa. Surgia assim, a primeira operadora de televisão a cabo (CATV) do mundo. (INATEL, 2000) No Brasil, a cidade de São José dos Campos (SP) foi à pioneira. Em 1976, foi instalado o primeiro sistema de distribuição de sinais de televisão a cabo (CATV), que oferecia sete canais de VHF. (INATEL, 2000) Na cidade de Passo Fundo (RS) o sistema de televisão a cabo (CATV) foi implantado em 1994 na tecnologia tree and branch onde a rede é totalmente construída com cabos coaxiais e com uma cascata de amplificadores para compensar as perdas do trajeto entre o cabeçal (headend) e os assinantes. Em 2007, foi construída a rede Híbrida Fibra/Coaxial (HFC) na cidade, possibilitando a implantação de novos serviços. Na capital do estado do RS, Porto Alegre, as redes HFC começaram a serem implantadas em 1996 através da operadora de televisão a cabo Net Serviços. A rede HFC é uma rede híbrida composta de cabos de fibras ópticas e cabos coaxiais. Estas redes atualmente são amplamente utilizadas para transporte de multiserviços, tais como, televisão por assinatura, internet banda larga e telefonia. O grande diferencial da utilização da arquitetura HFC é a implementação dos cabos de fibras ópticas. A fibra óptica tem uma baixa perda em comparação aos cabos metálicos possibilitando a transmissão dos sinais a longas distâncias com qualidade. 12

13 1.1 Objetivos etapas: O presente trabalho visa construir uma rede HFC didática através das seguintes Projetar e construir uma antena receptora dipolo VHF (Very High Frequency), para a recepção do canal 04, UPF TV. Esta antena foi projetada para meio comprimento de onda. É possível ajustar as hastes para comprimentos de ondas entre ¼λ e ½λ para possibilitar testes e medições dos níveis recebidos. Conciliar opções de atenuação do sinal recebido pela antena dipolo VHF e do sinal obtido após a conversão óptica-elétrica do módulo receptor afim de possibilitar testes na rede HFC didática. Utilizar módulos, transmissor e receptor, ópticos para converter o sinal elétricoóptico e óptico-elétrico, respectivamente, e retransmitir o canal de televisão UPF TV na rede Híbrida Fibra Coaxial possibilitando aos acadêmicos uma vivência com a tecnologia da fibra óptica. Projetar e construir um medidor de nível de sinal e potência óptica microcontrolado para executar as medidas necessárias nos testes na rede HFC didática. Pode-se acoplar um televisor e assistir o canal recebido e retransmitido no sistema de comunicação, monitorando a sua qualidade através dos testes disponíveis. 1.2 Justificativa As redes de comunicações HFC (híbridas fibra coaxial) existem a menos de 20 anos no Brasil. É uma tecnologia nova e com carência de mestres e profissionais. Estas redes estão em ampla expansão e a cada dia levam mais conteúdos de vídeo, voz e dados a uma grande parcela da população. O presente trabalho justifica-se devido à necessidade de oportunizar aos estudantes, em especial da área de telecomunicações, o conhecimento desta tecnologia e suas características técnicas. Um dos grandes objetivos deste trabalho é disponibilizar a rede HFC didática para demonstração nas aulas práticas da comunidade acadêmica do curso de Engenharia Elétrica tornando mais amplo o aprendizado e a visão global dos alunos nesta nova tecnologia. 13

14 2. FUNDAMENÇÃO TEÓRICA 2.1 Antena do Tipo Dipolo Antenas são dispositivos que visam à transmissão e a recepção de energia de circuitos elétricos através do espaço. Desta forma, a energia recebida do circuito gerador é irradiada através do espaço na forma de uma onda eletromagnética. Esta onda tem os campos elétrico e magnético criados a partir do fluxo de corrente, e consequente variação de potencial de antena, ao se ligar o gerador. Uma segunda antena, distante da primeira, poderá sentir a presença desta onda. A principal característica da antena receptora é a sua área de eficiência, ou seja, sua área efetiva de captação da onda eletromagnética, conforme Figura 1. A área efetiva de captação e seu ganho podem ser quantificadas pela equação (1.1). Adaptado de (ALVES, 1994) (WINDER e CARR, 2002) (1.1) Onde: G ganho da antena em dbi. Ae área efetiva de captação da antena em metros. n - é a eficácia de abertura (n=1, sem perdas na antena; os valores típicos são entre 0,3 e 0,55). comprimento de onda em metros constante pi (valor = 3, ) Figura 1 - Área efetiva de captura do sinal de uma antena. (WINDER e CARR, 2002) 14

15 Em sistemas terrestres de televisão, que é uma das aplicações de sistemas difusão de informações sem fio (wireless broadcasting), a onda eletromagnética, ilustrada na Figura 2, contendo a informação, que pode ser modulada analogicamente ou digitalmente, é transmitida de uma estação utilizando alta potência e antenas instaladas a grandes alturas. O sinal é recebido nos televisores residenciais, tradicionalmente, através de antenas do tipo Yagi-Uda ou de antenas dipolo linear. (MARTINS, 2007) A antena Yagi-Uda possui banda larga e apresenta padrão de radiação direcional. Já o dipolo linear é uma antena de banda estreita, com baixa perda de retorno e diagrama de radiação omnidirecional. Figura 2 - Onda eletromagnética propagante e suas componentes. A antena possui dimensão equivalente a um valor múltiplo ou fração do comprimento de onda do sinal. Este comprimento de onda nada mais é que a distância em metros entre dois máximos do sinal (onda eletromagnética), e pode ser calculado utilizando a equação (1.2). (1.2) Onde: comprimento de onda em metros C velocidade de propagação de uma onda em m/s frequência em Hz 15

16 equação (1.3). A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética pode ser calculada pela (1.3) Onde: C velocidade de propagação de uma onda em m/s permeabilidade do espaço livre (4π* ) permissividade do espaço livre (1/36π* ) Resultando em: [m/s] (1.4) O diagrama de irradiação de uma antena ilustra a forma que o sinal irradiado ou recebido é distribuído no espaço. O diagrama de irradiação é muito importante, pois ele nos permite conhecer a forma de cobertura do sinal quando estamos transmitindo ou recebendo. Desta forma, podemos prever interferências de sinais vindos de direções diferentes da que desejamos receber o sinal principal. A Figura 3 ilustra o gráfico polar e o diagrama de irradiação da antena de meio comprimento de onda. Figura 3 - Gráfico polar da antena dipolo de meio comprimento de onda. (FUSCO, 2006) 16

17 O diagrama polar é dado em graus e quanto menor o ângulo de abertura do diagrama de irradiação, mais diretivo é o feixe de sinal. Pelo diagrama de radiação podemos conhecer a diretividade e a relação frente e costas da antena. A diretividade da antena determina a capacidade que ela tem em captar com maior intensidade o sinal na direção em que está apontada. A relação frente e costas determina o quanto o sinal enviado para a frente é maior que o sinal irradiado para as costas da antena. Este parâmetro é válido tanto para transmissão quanto para a recepção. Os valores de diretividade típico da antena isotrópica é igual a 1 e da antena dipolo de meia onda é de 1,64. (FUSCO, 2006) Ganho é a capacidade de concentração de energia de uma antena. A antena não amplifica a energia que lhe é entregue, mas a concentra segundo direções pré-estabelecidas de acordo com o seu projeto. Por exemplo, se acoplarmos uma antena isotrópica (antena que irradia em todas as direções) a um receptor e medirmos 0 dbmv, e então substituirmos esta antena por outra com ganho de 6 dbi, o sinal recebido aumentará para 6 dbmv. Isto acontece porque a segunda antena concentra mais o seu foco de recepção recebendo maior sinal na direção desejada que a antena isotrópica. (INATEL, 2000) Como o ganho de potência da antena inclui perdas, por definição, o seu valor será sempre menor que o da diretividade para a mesma antena, assim podemos escrever: (1.5) Onde: G ganho da antena em dbi fator de eficiência da antena em % diretividade da antena em dbi (1.6) Onde: fator de eficiência da antena em % resistência de radiação da antena em ohm perda ôhmica da antena em ohm 17

18 [Ω] (1.7) Onde: comprimento do dipolo [m] secção circular do dipolo [m] frequência angular de operação, =2*π*f [rad/s] condutividade do metal utilizado na construção da antena [S/m] Para o caso especial do dipolo de meia onda com alimentação central: (1.8) A integral neste caso pode ser avaliada apenas pelo significado numérico. Essa avaliação resulta no valor 1,22. Portanto, a resistência de radiação para um dipolo linear de meia onda, com alimentação central de corrente e na ressonância (termo de reatância nulo) é: (1.9) O dipolo de meia onda, Figura 4A, é um tipo básico de antena, formado por 2 condutores retilíneos cada um de comprimento de ¼ de onda da radiação a ser transmitida ou recebida. A Figura 4B representa a variação de tensão e corrente (em valores absolutos) ao longo do dipolo. No centro a corrente é máxima e a tensão é mínima. Isso permite deduzir que o dipolo é equivalente a um circuito ressonante RLC série (Figura 4C). Na ressonância, as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam e, portanto, a impedância é puramente resistiva. Para dipolos de meia onda, a impedância na frequência de ressonância é aproximadamente 73 ohms. Esta é uma característica que pode ser calculada. Um dipolo de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dbi em relação a uma antena isotrópica. (FUSCO, 2006) 18

19 Figura 4 - (A) Antena dipolo de 1/2λ (meio-comprimento de onda). (B) Variação da tensão e corrente ao longo do dipolo. (C) Circuito equivalente ressonante RLC série. 2.2 Fibra Óptica Origem Em 1870 o físico inglês John Tyndall demonstrou o princípio de guiamento da luz, através de uma experiência que consistia em injetar luz em um jato de água a partir de um recipiente. Desta forma, verificou-se que a luz era guiada dentro do jato de água, comprovando a possibilidade de condução da luz por um caminho qualquer. A partir de 1950 as pesquisas se concentraram em conseguir um guia de luz conveniente, já que o utilizado por John Tyndall não era prático. Começaram a surgir os primeiros bastões de vidro destinados a transmissão de imagem. Em 1960 foi criado o primeiro (LASER), e em 1962 começaram as experiências com os lasers de semicondutor. Inicialmente a vida útil destes lasers era de apenas algumas horas, mas foram aperfeiçoados e hoje os lasers de semicondutores são utilizados nas comunicações ópticas. (INATEL, 2000) As primeiras fibras ópticas foram desenvolvidas em Estas fibras apresentavam atenuação da ordem de 1000 db/km. Este valor extremamente alto de atenuação era provocado principalmente pelas impurezas do vidro. Com a utilização de vidros cada vez mais puros, a atenuação das fibras foi caindo de maneira bastante rápida. 19

20 Em 1970 as fibras já apresentavam atenuação da ordem de 20 db/km, em 1972 já eram obtidas em laboratórios fibras com atenuação de 4 db/km e em 1975 as fibras começaram a ser produzidas em escala comercial. Hoje em dia, já existem fibras com atenuação da ordem de 0,2 db/km. (INATEL, 2000) Refração Um princípio da Física, chamado de Lei de Snell, requer que exista relação entre o ângulo incidente e o refratado, na fronteira entre os dois materiais, tal efeito pode ser observado na Figura 5. n1 * Sen θi = n2 * Sen θr (1.10) Onde: n1 é o índice de refração do meio 1. n2 é o índice de refração do meio 2. Figura 5 - Ilustração dos ângulos da luz incidente, refratada e refletida. (INATEL, 2000) O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (θi). No fenômeno da reflexão o raio incidente é o refletido estão no mesmo meio (ou plano). Quando o raio de luz atinge uma superfície e passa de um meio para outro, como ilustrado acima, o fenômeno é chamado de refração, e conclui-se que o material ou meio pode transmitir luz. 20

21 A relação entre a velocidade da luz e a velocidade do raio no meio é denominada índice de refração e pode ser expressa como exposto na equação (1.11). (1.11) Onde: n índice de refração c velocidade da luz no vácuo. v velocidade do raio de luz no meio. Os materiais ou meios apresentam índices de refração diferentes, e de acordo com este índice a propagação da velocidade da luz varia, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1 - Alguns índices de refração típicos e sua velocidade respectiva. (INATEL, 2000) Material Índice de Refração Velocidade da Luz (Km/s) Vácuo 1, Ar 1, Água 1, Fibra Óptica 1, Diamante 2, Silício 3, Arseneto de Gálio 3,

22 2.2.3 Conceitos e Tipos de Fibras Ópticas Uma fibra óptica é composta basicamente de um material dielétrico, geralmente plástico ou vidro, transparente e flexível, de dimensões microscópicas. É formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por outra camada, também de material dielétrico, chamada de casca. A associação dos diferentes materiais com índices de refração diferentes usados no núcleo e na casca é que permitem a propagação da luz através de reflexões sucessivas, a construção desta fibra pode ser visualizada na Figura 6. A casca tem um índice de refração inferior ao índice de refração do núcleo. O mecanismo de transmissão da luz ao longo da fibra óptica consiste, em termos de óptica geométrica, num processo de reflexão interna total, pois o feixe de luz emerge de um meio mais denso para um meio menos denso. Figura 6 - Fibra constituída de núcleo e casca com índices de refração diferentes. Nas fibras multimodo tem-se a luz se propagando em vários modos, ou seja, com várias polarizações. Desta forma o sinal tem sua energia distribuída fazendo com que a perda de energia seja maior e que a recepção do sinal ofereça menor eficiência. Nas fibras monomodo o sinal se propaga com apenas uma polarização e toda a energia é concentrada. Desta forma o sinal tem baixa atenuação tornando este tipo de fibra ideal para transmissões em longas distâncias. (INATEL, 2000) 22

23 2.2.4 Cabos Ópticos Em redes HFC é comum o emprego de fibras monomodo e cabos aéreos com tubos. As fibras ópticas quando fabricadas são posicionadas, em conjuntos de 12 fibras, dentro dos tubos preenchidos com geléia de petróleo. Estes tubos são reunidos ao redor de um elemento central de tração e protegidos por uma capa interna, armação de fios de aramida e capa externa de polietileno. A Figura 7 ilustra as características construtivas, citadas anteriormente, de uma fibra óptica. Figura 7 - Cabo de Fibra Óptica com Tubos e Proteções. A quantidade de fibras ópticas nos cabos normalmente varia de 12 fibras (1 tubo) até 144 fibras (12 tubos), dependendo da necessidade e projeto de atendimento da operadora. Tanto os tubos como as fibras, possuem identificação através de uma codificação por cor conforme Tabela 2. 23

24 Tabela 2 - Identificação dos tubos e fibras ópticas. Numeração do Código de Cor Tubo ou Fibra Padrão 1 Azul 2 Laranja 3 Verde 4 Marrom 5 Cinza 6 Branco 7 Vermelho 8 Preto 9 Amarelo 10 Violeta 11 Rosa 12 Aqua Medidas de Potência Óptica A atenuação, ou perda de transmissão, pode ser definida com a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao se propagar através de um meio qualquer. Como a potência óptica é medida em dbm a atenuação será dada em db, e está representada na equação (1.12). (1.12) A medida de potência de uma fonte óptica pode ser feita diretamente na saída da fonte de luz, utilizando-se um wattímetro óptico, chamado de Power Meter. Para realizar a medida da perda de potência no enlace óptico utilizamos uma fonte óptica e um medidor de potência óptico. A medida da potência de saída da fonte deve ser subtraída da potência medida na saída da fibra, obtendo-se a atenuação do enlace, conforme descrito na equação acima. 24

25 equação (1.13). Caso a medida seja feita em watts, o cálculo da atenuação deve ser feito através da A[dB] = 10 * log ( Pout[dBm] / Pin[dBm] ) (1.13) As perdas de potências são devido as seguintes fatores: - Perda inerente à fibra óptica; - Perda nas emendas (por fusão ou mecânica); - Perda nos conectores (ligação entre a fibra e os transmissores e receptores ópticos). Na fibra óptica do tipo monomodo, a atenuação é de 0,3 db/km (para um comprimento de onda de 1310 nm) e 0,2 db/km (para um comprimento de onda de 1550 nm). A atenuação típica de uma emenda por fusão é de 0,1 db e de uma emenda mecânica é de 0,25 db. Os conectores tem perda máxima de 0,5 db Localização de Falhas em Enlaces Ópticos Para localização de falhas em enlaces ópticos é utilizado um equipamento chamado de reflectómetro óptico no domínio do tempo (sigla: OTDR). Este equipamento envia um pulso laser pela fibra e a maior potência atinge o final da fibra, mas uma parcela desta energia será perdida e ou refletida ao longo do enlace. A energia perdida é denominada Retroespalhamento de Rayleigh. A energia refletida pela extremidade da fibra recebe o nome de Reflexão de Fresnel. O OTDR mede o tempo que o pulso de luz leva para percorrer a fibra óptica e retornar ao detector fazendo a conversão do tempo em distância. Além da distância do enlace, o equipamento fornece a atenuação das emendas, conectores e da própria fibra óptica. A Figura 8 ilustra um diagrama de blocos de um equipamento OTDR. 25

26 Figura 8 - Diagrama de Blocos de um OTDR. A luz refletida por uma fronteira fibra/ar é apresentada como os picos na curva representada na Figura 9. Um ângulo de clivagem polido de 90 graus na extremidade de uma fibra reflete cerca de 4% da potência do pulso de volta a entrada. Este fenômeno é denominado reflexão de Fresnel. O valor da reflexão que ocorre na fibra depende da qualidade do polimento, da clivagem e do espaçamento entre as extremidades das fibras. Figura 9 - Curva Característica de Medição de uma Fibra Óptica no OTDR. 26

27 2.3 Transmissor Óptico Um transmissor óptico é composto principalmente por um diodo LASER que usualmente opera na janela de 1310nm ou na de 1550nm (raramente). A intensidade de luz emitida por esses dispositivos é praticamente linear e dependente da corrente depois de atingido o limiar de operação. Um raio laser é um feixe de luz colimada e monocromática. Luz colimada é um tipo de luz em que todos os raios saem paralelos. No interior do receptáculo do diodo LASER todas as paredes são espelhadas menos uma, sendo assim, a luz ficará refletindo até que consiga se tornar paralela a lente e sair por ali. Durante este processo, o raio de luz bate nos átomos do material, e com o impacto liberam mais fótons, os quais se chocam com mais átomos, provocando um efeito cascata, resultando em um feixe de emissão estimulada amplificada. No transmissor óptico há vários circuitos, os quais estão ilustrados no diagrama de blocos da Figura 10. Figura 10 - Diagrama de Blocos de um Transmissor Óptico. 27

28 O equalizador, o atenuador e o controle automático de ganho (CAG) fazem parte de um amplificador de RF. Eles servem somente para preparar o sinal de RF para excitar o transmissor. O circuito de controle de potência proporciona uma sequência inicial de ligação do transmissor para garantir que o RF não vai ser ligado ao LASER antes que ele esteja preparado para emitir o sinal modulado. Se ele não existisse, o LASER ficaria sujeito a polarizações reversas que poderiam sobre aquecê-lo e queima-lo. (HOSS e LACY, 1993) O circuito de retardo de início de polarização aumenta gradativamente a corrente de polarização do laser até seu valor correto de operação servindo de proteção adicional contra surtos. O circuito de controle térmico atua sobre o transistor, o TEC (resfriador termo elétrico) e o termistor que monitoram a temperatura e a mantém constante, aquecendo ou resfriando o módulo para que o laser se mantenha estável. O circuito monitorador do fotodiodo monitora a potência óptica de saída e informa se ela está no nível correto. O circuito de passagem de RF libera a passagem do sinal somente se o nível estiver adequado ao funcionamento do laser, evitando a queima do diodo. Os tipos de transmissores laser usados em modulação em amplitude são: - Laser Fabri-Perot: que oscilam em vários comprimentos de onda e apresentam baixa estabilidade diante de variações térmicas: usualmente 0,5 nm / C. - Laser DFB: produzem luz em um único comprimento de onda e possuem grande estabilidade diante das variações térmicas: usualmente 0,09 nm / C. Os transmissores laser são encontrados com potências ópticas entre 0,25 e 5 mw e operam com velocidade de transmissão de até 1 Tbps (Tera bit por segundo), na atualidade. (HOSS e LACY, 1993) 28

29 2.4 Receptor Óptico O receptor óptico é constituído pelo detector e por um pré-amplificador de RF. O detector pode ser de dois tipos: - Diodo Avalanche, é um tipo de detector que apresenta baixa estabilidade à variações térmicas, necessitando de circuitos de controle para sua estabilização. Precisa de uma alta corrente de polarização, mas não fornece nenhum ganho de corrente. - Diodo Pin, é um componente que altera sua impedância e consequentemente a queda de tensão entre os seus terminais, quando ocorre a variação de luminosidade. Ou seja, vária eletricamente sua característica com variação de potência óptica. As características mais importantes dos diodos Pin são: - Responsividade, é a relação entre sua corrente de saída e a potência óptica em sua entrada. Ela determina sua habilidade em recuperar sinais baixos sem ruído e o valor típico é em torno de 0,8 a 0,9 A / W. - Capacitância, é um fator indesejado que reduz a banda passante do sistema e deve ser a menor possível. - Corrente reversa residual, é a corrente que flui por ele quando não há nenhuma luz incidindo. Deve ser a menor possível para que os menores sinais ópticos sejam detectados. O receptor óptico, assim como o transmissor óptico, deve ter uma boa linearidade, ou seja, a variação da corrente proporcionada pela variação de luz deverá ser na mesma proporção que a variação da luminosidade. (HENTSHEL, 1998) 2.5 Cabo Coaxial Características Construtivas O condutor utilizado na distribuição dos sinais de CATV, nas frequências de RF, é o cabo coaxial. É uma eficiente linha de transmissão de banda larga, com a vantagem adicional da blindagem. Existem vários tipos de linha coaxial, mas todas elas são confeccionadas conforme ilustrado na Figura

30 Figura 11 - Componentes construtivos de um Cabo Coaxial. Um fio central é circundado por um condutor tubular ou cilíndrico e ambos ficam separados por um isolante. O tipo de cabo coaxial.500 normalmente usado em uma rota principal de sinais, denominada rede externa ou linha-tronco e ilustrado na Figura 12. Figura 12 - Cabo Coaxial de Rede Externa.500. Ele é composto por um condutor espesso central de alumínio, revestido de cobre. O condutor externo, também conhecido como blindagem, é igualmente feito de alumínio, com o formato de um tubo sólido. Uma espuma de polietileno preenche o espaço interno e sustenta o condutor interno exatamente no ponto central. O diâmetro do cabo é de aproximadamente 19,1 mm. A linha que vai de uma ramificação até o assinante é chamada de linha de descida ou derivação. Na prática, ela é normalmente um cabo coaxial RG-6, ilustrado na Figura 13. Esse cabo é flexível porque utiliza uma trança de cobre como blindagem externa. Seu diâmetro é de 6,35 mm, incluindo o revestimento externo de polietileno que o torna à prova de intempéries. 30

31 Figura 13 - Cabo Coaxial de Rede Interna RG Impedância Característica O cabo coaxial é uma linha de transmissão e toda linha de transmissão tem uma impedância característica, devido ao espaçamento constante entre os condutores. O símbolo dessa impedância é Zo, e é expresso pela equação (1.14). Os cabos coaxiais utilizados em CATV apresentam uma impedância característica de 72 a 75Ω. O valor nominal é de 75Ω. Onde: (1.14) Zo Impedância característica dada em Ω (ohm). L Indutância dada em H (Henry). C Capacitância dada em F (Farad) Perdas nos Cabos Nas linhas reais, uma parte da energia é acaba sendo dissipada, resultando uma atenuação do sinal. As causas para essa atenuação são: Perdas por I-R, produzidas pela corrente nos condutores. Perdas de dielétrico no isolante no isolante existente entre os condutores. Efeito peculiar, pois a corrente de RF flui mais pela superfície do condutor do que em seu miolo. O cabo de alumínio possui um revestimento de cobre ao redor do condutor interno, para reduzir as perdas ocasionadas pelo efeito peculiar. 31

32 Nos cabos coaxiais, as perdas aumentam em proporção à raiz quadrada da frequência. Por exemplo, o canal 13, esta situado entre MHz e tem uma frequência 4 vezes maior que o canal 2, que esta entre MHz, portanto, a atenuação de sinal no canal 13, em relação ao canal 2, será o dobro. 2.6 Rede HFC Histórico As clássicas redes de CATV se caracterizam pelo grande número de amplificadores ligados em cascata, utilizados nas redes-troncos do sistema de distribuição dos sinais transmitidos pelo cabeçal (headend). Esses amplificadores são necessários para atingir os usuários mais distantes, porém estes trazem consequências negativas. O cascateamento de amplificadores é o principal fator de degradação do sistema de TV a Cabo na tecnologia tree and branch, constituído puramente por redes coaxiais. Essa degradação atinge particularmente os sinais de vídeo que chegam aos televisores dos assinantes. Contudo, com o advento das redes HFC, a tecnologia de sistemas de faixa larga evoluiu bastante, devido à diminuição substancial dos trechos de cabos coaxiais por cabos ópticos, determinando, dessa forma, um grande impulso no desenvolvimento de componentes e arquiteturas que diminuirão gradativamente as dificuldades operacionais encontradas pelas operadoras de CATV. Tradicionalmente essas redes foram constituídas por sistemas coaxiais unidirecionais, operando apenas pelo canal direto na faixa de frequências de 54 a 550 MHz. Um grande impulso foi dado a partir do final dos anos 80 com a introdução gradual das redes de fibras ópticas operando com a modulação analógica. Isso foi motivado principalmente pelas limitações apresentadas pelas redes coaxiais, tais como, elevadas perdas de potência do sinal nos cabos e distorções causadas por ruídos nos amplificadores de RF. O acréscimo cada vez maior no número de canais ofertados, somados ao aumento da quantidade e da distância dos assinantes em relação ao equipamento central, exigiam uma compensação das perdas que advinham dessa expansão. Com isso, as operadoras de CATV começaram a introduzir gradualmente segmentos de fibras ópticas diminuindo o percentual de cabos coaxiais e, consequentemente, o número de amplificadores de linha. Essa condição, além de diminuir as perdas de transmissão, também diminui a distorção e a presença de ruído no sinal de RF. Inicialmente as fibras ópticas substituíram os 32

33 troncos coaxiais, eliminando os amplificadores e os cabos coaxiais troncos que eram as principais fontes dos problemas que aconteciam nessa rede. Esse procedimento aumentou a confiabilidade e a qualidade da rede de CATV que passou a ser denominada de rede híbrida fibra/coaxial HFC. (MAKING, 1995) Figura 14 - Sistema árvore-e-ramo (tree-and-branch). A Figura 14 ilustra a arquitetura tree-and-branch. Essa arquitetura tem como característica essencial à conexão e reunião de todos os assinantes da rede num único grande grupo. Os principais componentes limitantes no desempenho das redes de CATV puramente coaxiais são os cabos coaxiais e os amplificadores de RF. Os sinais de RF contendo os canais de vídeo sofrem elevadas perdas nos cabos coaxiais. Portanto, esses sinais necessitam ser amplificados periodicamente ao longo do percurso. O uso de amplificadores de RF em cascata introduz ruído que degrada a relação sinal-ruído do sinal de vídeo. Contudo, o maior problema em se usar amplificadores de RF é a degradação sofrida pelo sinal devido às distorções introduzidas pelos cascateamento desses amplificadores, com consequente limitação no número máximo de canais que podem trafegar pelas redes coaxiais. Esses são os principais fatores que motivaram a introdução da fibra óptica nas redes de CATV. Na arquitetura HFC, existe um sistema de agrupamento menor, onde cada ramo está diretamente voltado para o equipamento central, conforme observado na Figura

34 Figura 15 - Sistema híbrido fibra-coaxial (HFC). Para permitir que determinados serviços especiais possam trafegar pela rede HFC, existe a possibilidade da diminuição no número médio de dispositivos ativos empregados desde o equipamento central até o equipamento de assinante. Isso proporciona uma expansão na qualidade da rede devido à diminuição no número de componentes utilizados, reduzindo, dessa maneira, a possibilidade de falhas. Um benefício adicional da rede HFC é a grande facilidade que apresenta para subdividir a rede sem maiores re-investimentos, incrementando dessa forma a largura de banda disponível para a transmissão de sinais de faixa larga. Para ilustrar a ideia do que representa essa largura de banda disponível, a Figura 16 apresenta a alocação de frequências previstas para o canal direto e para o canal de retorno. (RASKIN e STONEBACK, 1998) 34

35 Figura 16 - Alocação de frequências do espectro de CATV. Os sinais de RF, no segmento coaxial, são transportados por meio de uma frequência portadora escolhida para cada canal de comunicação utilizado. Para a transmissão dos sinais de vídeo analógico, a amplitude da portadora varia em função da informação a ser transmitida pelo processo chamado modulação de amplitude (AM). A grande vantagem desse método é a sua compatibilidade com os receptores comerciais de televisão utilizados pelos assinantes. Através do Sistema NTSC (National Television Systems Committee) todos os canais de vídeo individuais são combinados através da Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM), empregando portadoras separadas na largura de faixa de 6 MHz. Os sinais do canal direto são colocados em frequências acima de 52 MHz, enquanto as frequências entre 5 e 42 MHz estão destinadas ao canal de retorno. Em vários pontos da rota coaxial do Sistema HFC, são inseridas unidades amplificadoras utilizadas para recuperarem a potência dos sinais: direto e de retorno. Como os circuitos amplificadores são inerentemente unidirecionais, a separação dos sinais em duas direções distintas é a melhor maneira para amplificar esses sinais bidirecionais. Essa divisão é realizada pelos circuitos conhecidos como diplexadores. A Figura 17 ilustra o diagrama simplificado de um amplificador de linha e a Figura 18 ilustra o diagrama simplificado de um receptor óptico de nó (node). 35

36 Figura 17 - Diagrama em bloco de um amplificador de linha. Figura 18 - Diagrama em bloco do um nó fibra/coaxial. 36

37 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Diagrama de Blocos do Projeto O diagrama de blocos do protótipo desenvolvido está ilustrado na Figura 19. Figura 19 - Diagrama em Blocos da Rede HFC Didática. 3.2 Antena do tipo dipolo Definição A antena do tipo dipolo foi projetada para captar o canal de televisão UPF TV, na frequência no canal 4 - VHF (66 a 72 MHz). A recepção deste canal analógico tem por objetivo retransmiti-lo no sistema de comunicação e possibilitar testes e medições Características A antena foi construída com dimensões de ½ comprimento de onda, situação ótima de recepção, podendo ser alterado este parâmetro até ¼ de comprimento de onda, situação onde a transferência de potência recebida será inferior tendo em vista a redução no ganho da antena e o descasamento da impedância entre a antena e a linha de transmissão coaxial. 37

38 Com o intuito de possibilitar a modificação do comprimento de onda da antena foram construídas hastes retráteis. O material utilizado na constituição das hastes do dipolo foi de inox, tendo em vista a indisponibilidade de tubos de alumínio de dois diâmetros próximos Dimensionamento A frequência da portadora de vídeo do canal 4 encontra-se em 67,25 MHz. A velocidade de uma onda eletromagnética no espaço livre é. Portanto, utilizando a equação (1.2) temos: Como a antena será construída para ½ comprimento de onda, a sua dimensão principal resultará em: O ganho teórico desta antena será definido de acordo com sua área efetiva de captação, conforme equação (1.1): Ae * x * * x x 8 Ae 8 Considerando que a eficácia de abertura (n) tem valor típico entre 0,3 e 0,55, o ganho real da antena variará entre G1 e G2: 38

39 Ae 8 Ae Opção de atenuação da recepção Para atenuação da recepção será adotado um misturador desbalanceado de fabricação da Holland, modelo GHS3, conforme na Figura 20. Sua faixa de frequências de operação é de 5 a MHz, e tem atenuação de 3,5dB em 1 porta de entrada e 7,0dB nas demais. Esta opção é interessante pois teremos no protótipo 2 portas extras caso seja necessário no futuro, combinar outros canais na retransmissão. Poderá também ser acrescido atenuador FAM-10dB ou FAM-20dB para fins de testes na atenuação da recepção. Desta forma, teremos as seguintes opções de atenuações de recepção no protótipo: 3,5dB; 7,0dB; 13,5dB; 17dB; 23,5dB; 27dB; 33,5dB e 37dB. Figura 20 Misturador desbalanceado Holland de 3 entradas e 1 saída. 3.4 Transmissor Óptico O transmissor óptico selecionado e apresentado na Figura 21, é de fabricação da empresa Antec e transmite na janela de 1310 nm com uma potência de 7 dbm. A especificação do transmissor é EIFPT (enhanced, isolated Fabry-Perot). A entrada de RF tem 39

40 impedância de 75 ohms e nível de sinal ótimo de entrada é de 22 dbmv. A faixa de frequência transmitida é de 5 a 200 MHz. Figura 21 - Módulo transmissor óptico 1310 nm com potência de 7 dbm. 3.5 Fibra Óptica Usualmente em redes HFC é utilizado um cabo de fibra óptica de 12, 24, 48, 72, 96, 120 ou 144 fibras ópticas do tipo monomodo, atendendo desta forma diversas regiões da cidade com a mesma infraestrutura. Na rede HFC didática será utilizada 1 fibra óptica do tipo monomodo para interligar os módulos transmissor e receptor. Esta fibra óptica estará protegida por uma capa e conectorizada nas suas pontas com conectores do tipo SC/APC. 3.6 Receptor Óptico O receptor óptico selecionado recebe na janela de 1310 nm com uma potência ideal de recepção 0 dbm, e com range ótimo entre -3 dbm a +2 dbm. A saída de RF tem impedância de 75 ohms. O módulo selecionado para o projeto é o modelo SG4-R fabricado pela Motorola e está ilustrado na Figura 22. A faixa de frequência recebida é de 54MHz a 1GHz. No módulo consta um ponto de teste de tensão que esta relacionado com a potência óptica recebida. A relação de conversão de Vdc para dbm esta apresentado na Figura

41 Figura 22 - Módulo receptor óptico 1310 nm com potência ideal de recepção de 0dBm. Figura 23 - Relação de tensão (Vdc) vs potência óptica (dbm) do ponto de teste do módulo. 41

42 3.7 Opção de atenuação do sinal Para atenuação do sinal após o receptor óptico adotou-se um divisor desbalanceado de fabricação da Holland, modelo GHS3, conforme ilustra a Figura 24. Sua faixa de frequências de operação é de 5 a MHz, e tem atenuação de 3,5dB em 1 porta de saída e 7,0dB nas demais saídas. O medidor de sinal esta conectado na saída de atenuação de 3,5dB do divisor. Um cabo coaxial RG-6 esta conectado em uma saída com atenuação de 7dB e tem a finalidade de ser uma opção para conectar uma televisão para análise qualitativa do sinal. Poderá também ser acrescido um atenuador FAM-10dB ou FAM-20dB para fins de testes qualitativos e quantitativos da retransmissão. Desta forma, teremos as seguintes opções de atenuações da retransmissão no protótipo: 3,5dB; 7,0dB; 13,5dB; 17dB; 23,5dB; 27dB; 33,5dB e 37dB. Figura 24 Divisor desbalanceado Holland de 1 entrada e 3 saídas e atenuadores de 10dB (A) e 20dB (B). 42

43 3.8 Medidor de Sinais O medidor de sinais óptico e de RF é composto por um circuito de condicionamento de sinal projetado com o circuito integrado TL072 e por um microcontrolador PIC16F877A que possibilita a conversão do sinal analógico em digital através das entradas AN0 e AN1. O tempo de conversão, sample and hold, será de 18,47 μs para cada canal considerando uma temperatura de 25 C. O sinal digitalizado é convertido em 10 bits de resolução, sendo utilizado 8 bits. A frequência de oscilação do microcontrolador é de 4 MHz. O clock de conversão do A/D selecionado é o oscilador RC interno com tempo típico de conversão de 4 μs para cada bit. Após a conversão as medidas dos sinais são apresentadas em um display de LCD com 2 linhas e 16 colunas. O detector LTC5507 presente no medidor de RF será detalhado no item Diagrama de Blocos do Medidor de Sinais O diagrama de blocos do medidor de sinais desenvolvido está ilustrado na Figura 25. Figura 25 - Diagrama de Blocos do Medidor de Sinais. 43

44 3.8.2 Medidor de Potência Óptica O ponto de teste disponível no receptor óptico fornece uma tensão em Vdc de acordo com a potência óptica recebida. A relação da conversão de Vdc para dbm pode ser observada na figura 23. A especificação do medidor de potência óptica é de -5 a 0 dbm, portanto o nível máximo em Vdc recebido será de 1 Vdc, pois 1 Vdc representa 0 dbm. Foi projetado um amplificador não inversor, utilizando o amplificador operacional TL072 com ganho de 5 vezes devido ao valor máximo de Vdc especificado. Este ganho foi aplicado, afim de condicionar o sinal recebido do receptor óptico ao nível de excursão de 0 a 5V, para realizar melhor proveito da faixa de conversão do A/D do microcontrolador. A Figura 26 ilustra o circuito projetado. Figura 26 - Projeto de amplificador não inversor para condicionamento da tensão Vdc proveniente do ponto de teste do receptor óptico. A relação Vdc/dBm foi transformada em uma equação para realização dos cálculos no microcontrolador. Esta equação foi obtida através dos seguintes passos executados no software Microsoft Excel: 1 seleção das 2 colunas com os dados em Vdc e dbm; 2 no menu inserir foi selecionado o gráfico de dispersão; 3 clicar com o botão direito do mouse sobre o gráfico e adicionar linha de tendência; 4 selecionada a tendência logarítmica e exibir a 44

45 Potência Óptica (dbm) equação no gráfico. Na Figura 27 consta a relação do eixo x que corresponde a tensão em Vdc e do eixo y que corresponde a potência óptica em dbm. 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, ,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5-4 -4,5-5 y = 4,1981ln(x) - 0,0347 Tensão (Vdc) Figura 27 - Curva da relação de conversão Vdc para dbm. Portanto, após a conversão do sinal (Vdc) analógico para o digital no microcontrolador, realiza-se o cálculo da expressão que consta na Figura 27 resultando no valor em dbm compatível. Esta informação é então disponibilizada no display com 2 casas decimais Medidor de Nível de Sinal de RF O sinal de RF é detectado pelo circuito integrado LTC5507 de fabricação da Linear Technology. Este componente é um RF power detector de 100KHz a 1GHz. Os níveis de potência do sinal detectado devem estar na faixa especificada de -34dBm a 14dBm, correspondendo respectivamente a faixa de níveis de sinal de -25dBmV a 23 dbmv. A faixa especificada de potência esta de acordo com a Figura 28, onde resulta em uma tensão Vdc correspondente na saída do circuito. A alimentação do componente esta especificada entre 2,7 a 6 Vdc. No protótipo existe alimentação de 5 Vdc disponível para este circuito. 45

46 Figura 28 - Curva da conversão Vdc para dbm do detector de RF. Foi projetado um amplificador não inversor, utilizando o amplificador operacional TL072 com ganho de 2 vezes. Como no caso anterior, este ganho foi aplicado afim de condicionar o sinal recebido do detector de RF ao nível de excursão de 0 a 5V do microcontrolador. A Figura 29 ilustra o circuito projetado. Figura 29 - Projeto de amplificador operacional para condicionamento do sinal. Para a conversão de dbm para dbmv foi utilizado o gerador de sinais HP em conjunto com um medidor de sinal JDSU, conforme a Figura 30. Desta forma, relacionou-se o 46

47 nível de sinal em dbmv em relação a tensão de saída do detector de RF. Ou seja, configurouse o gerador para 0 dbm em 67,25 MHz e no medidor foi lido 8,8 dbmv em 67,25 MHz. Desta forma, variou-se o range necessário do gerador e foram medidos os demais níveis de sinais, de acordo com a excursão de -14 a 34 dbm. Figura 30 - Conversão da potência do sinal em dbm para o nível do sinal em dbmv. A relação Vdc/dBmV foi transformada em uma equação para o cálculo no microcontrolador. Esta equação foi obtida através dos seguintes passos executados no software Microsoft Excel: 1 seleção das 2 colunas com os dados em Vdc e dbmv; 2 no menu inserir foi selecionado o gráfico de dispersão; 3 clicar com o botão direito do mouse sobre o gráfico e adicionar linha de tendência; 4 selecionada a tendência polinomial ordem 3 e exibir a equação no gráfico. Na figura 31 consta a relação do eixo x que corresponde a tensão em Vdc e do eixo y que corresponde ao nível de sinal em dbmv. 47

48 Nível de Sinal (dbmv) y = 14,238x 3-67,969x ,64x - 43, ,2-5 0,7 1,2 1,7 2, Tensão (Vdc) Figura 31 - Curva de conversão Vdc para dbmv. Portanto, após a conversão do sinal (Vdc) analógico para o digital no microcontrolador, realiza-se o cálculo da expressão que consta na Figura 31 resultando no valor em dbmv compatível. Esta informação também é mostrada no display com 2 casas decimais Fonte de Alimentação Afim de alimentar o sistema, foi utilizada uma fonte de tensão comercial com entrada automática 127/220V e com saída de 24Vdc/2A. O protótipo requer 1,3A de acordo com as correntes de cada componente ativo que estão apresentados na Tabela 3. Os módulos foram alimentados de acordo com suas especificações. 48

49 Tabela 3 - Especificações de corrente máxima dos componentes ativos do protótipo. Componentes Ativos Corrente Máxima Transmissor Óptico Antec 0,33 24 V Receptor Óptico Motorola 0,53 24 V Ampop TL072 2,5 9 V Detector de RF LTC V Microcontrolador PIC16F877A 0,3 5 V Display LCD LM016L V Conversor de tensão ICL V Regulador de tensão ,5 5 V Regulador de tensão V Corrente Total Requerida 1,3 A Capacidade da Fonte 2,0 A Percentual de utilização 65% Os circuitos utilizados para regulação das tensões e os módulos ativos estão ilustrados na Figura 32. Não utilizou-se dissipador no regulador de tensão 7809 tendo em vista a corrente máxima de 0,43A. Através de um termômetro de infravermelho constatou-se 27 C no encapsulamento externo do regulador. Figura 32 - Regulação de tensão e alimentação dos módulos do protótipo. 49