Enlaces Ópticos: Transmissão de Áudio Através de Feixes Gaussianos

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1 Enlaces Ópticos: Transmissão de Áudio Através de Feixes Gaussianos Este tutorial apresenta resultados experimentais que validam o setup da análise experimental de um sistema de transmissão e recepção de áudio via luz, utilizando um laser ou led. Atualmente muitos dos sistemas de áudio que funcionam de forma não guiada trabalham apenas por ondas de rádio frequência, logo, um novo paradigma foi analisado neste trabalho para reforçar a capacidade e qualidade que a luz possui de enviar um sinal analógico por centenas de metros sem perder sua qualidade. Esse sistema pode ser de fácil adaptação para qualquer lugar ou região, e tem grandes possibilidades de uso em situações de calamidades onde não haja possibilidades de trabalhar com sinas de rádio frequência ou celular. Outra vantagem é a diretividade desse sistema e a eliminação de ruídos que podem ser causadas por outras fontes luminosas, pois foi concebido a partir do uso do fotodiodo SFH203-P[6], modulando a luz em amplitude e frequência, mantendo a qualidade do sinal mesmo com o aumento da distância até aproximadamente 400 m. José Francisco Meireles Aleixo Júnior Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia IESAM, PA (2007), Mestre (2013) e Doutorando em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas UNICAMP (Campinas, SP). Profissional com mais de 15 anos de experiência em TI, atuou no mercado de Belém PA com prestações de serviços desde 1999 com sua empresa SIGET Serviços em Informática e Telecomunicações. Atuou como técnico de manutenção de micros, impressoras, infraestrutura de redes, estações e servidores, participando de negociações em tomadas de preços e decisões em compras de equipamentos para empresas onde trabalhou como CLT e PJ. Desenvolveu atividades como instrutor de informática para diversos clientes e empresas, desenvolvendo e executando apresentações para treinamentos privados ou em feiras de tecnologia no estado do Pará. Possui sólidos conhecimentos em configurações e manutenção de micros e notebooks, impressoras, infraestrutura de Servidores Windows 2003 e 2008 R2 (Active Directory, DCs, DNS, RODC), Virtual PC e Hyper-V, em Linux com serviços de configurações do Squid, Samba, Apache, SSH, LTSP, Postfix, Iptables, Bind, entre outros, além de conhecimentos em roteadores CISCO e infraestruturas de redes físicas (metálica ou óptica) e wireless (RF ou óptica), com certificação CCNA, ITIL, e participante do Projeto Microsoft S2B Em São Paulo desenvolveu projetos vinculados ao CNPq/FAPESP ligado ao Instituto de Física, com o trabalho Gestão e Manutenção de Cluster CePOF de Computadores, além de atuante como professor de nível tecnológico e universitário. Prestador de serviços em caráter de consultoria para algumas empresas. 1

2 Atualmente dedica-se ao doutorado realizando pesquisas em Comunicações Ópticas pelo DMO/FEEC/UNICAMP, e exerce atividade de docente na Faculdade Vila Matilde em São Paulo. aleixo_telecom@hotmail.com Categoria: Redes Ópticas Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 25/02/2013 2

3 Enlace Óptico: Introdução O sistema de comunicação no espaço livre ou wireless óptico (figura 1) utiliza-se de um led ou laser como fonte, constituindo-se basicamente de um ponto de saída, onde se dá a transmissão (TX) e um ponto de chegada caracterizado pela presença de um fotorreceptor, onde ocorre a recepção (RX). Se houver qualquer obstrução no caminho da luz ou até mesmo fatores que provoquem desalinhamento em alguns dos lados, ocorrerá queda de potência na transmissão, não havendo força óptica que chegue até o fotodetector, promovendo com isso interrupção do funcionamento deste enlace, derrubando qualquer comunicação já estabelecida [1,2,3]. Figura 1 Sistema de enlace de dados óptico no espaço livre Observe-se que no sistema simplificado apresentado na figura 1 a visada direta é de fundamental importância. Seu objetivo é analisar a transmissão de um sinal de áudio através de um diodo laser, tendo o fotodiodo SFH203P como receptor este último caracterizado por uma abrangência de um amplo espectro óptico. Para este fotorreceptor desenvolveu-se uma plataforma eletrônica a fim de evitar ruídos durante a recepção do sinal. Neste enlace óptico estudado, o alcance é determinado a partir do foco de laser o que, portanto, nos permitiu atingir uma distância na ordem de centenas de metros. Por que usar um laser? Enlaces ópticos baseados em fonte laser, embora tido como custosos, têm se tornado cada vez mais acessíveis devido a alternativas mais baratas que vêm surgindo a partir do desenvolvimento de lasers de estado sólido. Dessa forma, a utilização desse tipo de fonte, em detrimento de fontes coerentes, tem sido mais largamente utilizada, dado que seus feixes transmitidos possuem características vantajosas quando comparados às outras fontes coerência, colimação, estreita largura de banda, dentre outras. Um feixe de laser com linha de visada limpa possui grande utilidade em locais, onde o cabeamento não é uma opção viável, além do que, os feixes não necessitam de blindagem contra interferências eletromagnéticas. Apesar dos transmissores de RF oferecerem distâncias maiores para enlaces quando em comparação com a linha de visada dos lasers, eles estão sujeitos a interferências de outros transmissores como as frequências dos roteadores sem fio, telefones sem fio e entre outros diversos aparelhos [4]. Amplitude e frequência são parâmetros que incidem diretamente na modulação de uma portadora. Ao se tratar de modulação em amplitude (figura 2), se tem a ocorrência da variação da amplitude da onda com uma frequência mantida constante, tudo de acordo com a amplitude do sinal que será transmitido. Já na modulação em frequência (figura 2), ocorre uma variação da frequência da onda portadora com a amplitude mantendo-se constante [7]. 3

4 Figura 2 Esquemas de Modulação A transmissão de informação através do laser permite o alcance a longas distâncias (por trabalhar com operações de modulação e demodulação). Simplificando, a modulação é a forma de sobreposição de um sinal que contém uma informação a uma onda portadora, assim, a demodulação opera de forma inversa, retirando a informação da onda portadora. 4

5 Enlace Óptico: Fundamentação Conectividade para Serviços Banda Larga Cada vez mais os usuários querem que todos os seus serviços possam ser acessados em qualquer lugar e através de qualquer terminal ou dispositivo. Eles querem estar constantemente conectados e com a possibilidade se comunicar de qualquer lugar com os amigos, a família e os colegas de trabalho. Enquanto trabalham, precisam estar conectados ao ambiente da rede corporativa para acessar s e arquivos. Fora do trabalho, eles querem poder conectar as redes residenciais para acessar as suas coleções pessoais de mídia e outros conteúdos. Hoje a oferta de serviços com abordagem multiplay não atende de forma completa as exigências dos usuários. Os serviços tripleplay deixam a receita do serviço de banda larga móvel para os concorrentes, enquanto os pacotes de serviços fixos e móveis básicos não fornecem integração suficiente para atingir o potencial pleno dos serviços FSBB em termos de crescimento de receita e redução de churn. Torna-se necessária uma arquitetura que permita a conectividade sem descontinuidade em todas as fronteiras das redes de acesso fixo e móvel. Essa arquitetura deve fornecer conectividade em banda larga e serviços multimídia padronizados para uma ampla variedade de dispositivos, incluindo servidores de mídia, vídeo câmeras e mídia players portáteis, bem como PC s e telefones celulares. A arquitetura deve estar em condições de satisfazer as necessidades de ganho de escala da indústria eletrônica de consumo, e ao mesmo tempo proporcionar integração harmoniosa com os ambientes corporativos. Deve ainda proporcionar uma solução baseada em padrões abertos que sejam aceitáveis para todas as partes, e que cultive um ecossistema comum, assim como acontece com a indústria de serviços móveis de hoje. A disponibilidade ubíqua de qualquer serviço gera o interesse dos usuários e, portanto, o valor de um serviço aumenta. O valor da capacidade de comunicação e de formação de redes sociais aumenta com o número de usuários conectados, que têm então a possibilidade de compartilhar esses serviços. O sucesso da tecnologia GSM, baseada em padrões abertos, é a prova desses princípios. Na nova arquitetura serviços banda larga FSBBA, a conectividade básica IP / Ethernet tem que ter boa relação custo-benefício, e deve ser segura e confiável. Isto é particularmente importante não apenas para as empresas, mas também para os serviços de comunicação de massa como os de TV. A fim de captar a receita potencial e a competitividade associada aos serviços FSBB, o escopo da conectividade em banda larga deve ser estendido tanto para os acessos móveis, como para os acessos fixos. Novos conceitos de garantia da qualidade também são necessários para produzir uma combinação de serviços de Internet, VPN IP e IMS. A nova arquitetura deve proporcionar uma base sólida para a oferta de serviços banda larga nas modalidades varejo e corporativo, e deve suportar a mobilidade do usuário de forma consistente, a fim de permitir que as operadoras possam cobrar pelos serviços de conectividade. A importância do conforto do usuário O conforto do usuário é um fator fundamental para conduzir o mercado de massa de serviços FSBB, especialmente à medida que a variedade de dispositivos e serviços cresce de forma contínua. O conforto do usuário engloba segurança, simplicidade, personalização e facilidade de uso (look and feel). Além disso, engloba também a capacidade de comunicar e acessar serviços de forma consistente e intuitiva, independente do meio de acesso utilizado. Da mesma forma, a capacidade de conectar um dispositivo a uma rede com ou sem fio, ou a uma rede móvel, de uma forma simples e cômoda é fundamental para aumentar a satisfação do usuário e minimizar interações com os centros de suporte. O peso desses fatores cresce com o número de dispositivos suportados. 5

6 Interfaces padrões tais como Ethernet, Wi-Fi e HSPA (WCDMA /High Speed Packet Access) estão sendo cada vez mais integradas em dispositivos e terminais. Os padrões abertos devem impulsionar o conforto do usuário ainda mais, tornando a ativação de serviços uniforme, e proporcionando serviços de uso simples e sem descontinuidades. Gerenciamento de Custo de Propriedade As redes de transportes que suportam os serviços FSBB enfrentam desafios significativos, sob a forma de grandes aumentos de escala, grandes demandas de largura de banda adicional e a necessidade de reduzir o custo por bit transportado. O crescimento do tráfego de vídeo e de empresas, tanto para serviços de TV como para vídeo gerado pelos usuários, através das redes fixas e móveis estão demandando maior capacidade de rede. A oferta de serviços interativos e personalizados de TV de alta definição (IPTV / HDTV) demandará redes de acesso de fibra óptica de alta capacidade. Além disso, a necessidade de maior largura de banda está motivando a evolução das tecnologias de acesso como, por exemplo, do VDSL2 (Very High bit-rate Digital Subscriber Line), do GPON (Gigabit Passive Optical Networks) e do 3G LTE (Long Term Evolution). A arquitetura serviços banda larga FSBBA deve suportar serviços que tenham preços acessíveis para os usuários e que proporcionem lucro para as operadoras. Isso significa que deve ocorrer redução de custo na implantação e operação das redes. Além disso, existe uma incerteza quanto ao tamanho, formato e momento em que essas novas demandas acontecerão, principalmente por causa dos serviços de TV. Portanto, é fundamental ter redes flexíveis para poder responder às alterações de demandas. O Gerenciamento de Telecom é outro fator chave na gestão de custo de propriedade, especialmente na implantação e provisionamento de novos serviços. A arquitetura FSBBA deve ser desenvolvida para minimizar o custo de introdução de novos serviços e de novas tecnologias de acesso. Essa arquitetura deve oferecer a flexibilidade necessária para permitir o acréscimo incremental de novos serviços e novos tipos de acessos. O uso de padrões abertos definirá volumes e economia de escala, permitirá a interoperabilidade e reduzirá os custos de propriedade para as operadoras. 6

7 Enlace Óptico: Sistema de Transmissão A base desse sistema de transmissão surgiu a partir do trabalho desenvolvido pela Radio Shack [5], onde se utilizou o laser para transmitir e o LDR (resistor cuja resistência varia conforme a intensidade de radiação eletromagnética do espectro visível que incide sobre ele, trabalhando com um raio de infravermelho de entrada sensor [8]) para se receber o sinal analógico. Em substituição a este fotorresistor, nesse artigo foi desenvolvido um novo paradigma para sistemas de recepção do sinal óptico, gerando significativas melhorias no sistema. O Transmissor Para atuar como emissor de sinal no transmissor utilizou-se um laser no comprimento de onda na faixa entre 630 e 680 nm, com potência de saída na ordem de 5 mw, com consumo de tensão contínua em torno de 4,5 V e, através de medições efetuadas, constatou-se que sua corrente está próxima dos 40 ma. Deste lado do sistema utilizou-se um transformador de linha, com potência de 25 W, variando suas entradas de 0, 4, 8 Ω para saída de 0, 500, 1 kω e 2 kω, este muito aplicado em linhas de potência para áudio e som ambiente. Figura 3 Esquema do Transmissor Nesse esquema do transmissor utiliza-se um plug P10 que será ligado ao aparelho de som para o transmissor, como exemplo, um celular utilizado no setup desse artigo. Para todo esse conjunto utilizou-se uma fonte contínua para alimentação mantendo o laser constantemente ligado. Caso o sistema fosse funcionar somente com a pulsação do sinal enviado, o laser alternaria conforme o ritmo do som; onde através de medições com osciloscópio verificou-se uma potência de entrada de 200 mv. Entretanto, passando pelo transformador de linha, esta ganha uma saída com tensão de 2V, não havendo necessidade de alimentação constante do laser, porém, assim ocorrem muitos ruídos pela baixa tensão de alimentação. O Receptor Em [5], foi usada uma LDR, no entanto, após alguns estudos desenvolvidos para fotorrecepção verificouse que o fotodiodo SFH203P[6] se torna muito superior para recebimento do sinal analógico ou digital, logo, não servindo apenas para redes de dados conforme sua aplicação em outros projetos. Os fotodiodos em geral possuem capacidade de resposta muito rápida às variações de luz. Possibilidades de se trabalhar acima da casa das centenas de mega-hertz quando atrelados a circuitos de comunicação de dados, oferecendo várias possibilidades de aplicações, como em fotodiodos nos foto-acopladores, circuitos digitais, controles remotos, conversores de mídia e etc. 7

8 Desta maneira, para a recepção do sinal analógico, foi usado esse fotodiodo com características especiais como suas aplicações no campo de 400 nm a 1100 nm, possui tempo de resposta curto (normalmente de 5 ns) tamanho de tamanho de 5 mm[6], com sensibilidade espectral e característica direcional onde a faixa de onda da luz visível que cobre a faixa de 400nm a 700nm coincide com banda de 50% do pico de responsabilidade do detector PIN (Figura 4). Figura 4 Sensibilidade espectral e as características direcionais do fotodetector OSRAM PIN SFH203p Utilizando-se um Mosfet de 4,5 MHz, resistências de 4 MΩ e um potenciômetro, foi construído um amplificador de sinal óptico para o fotodiodo. Isso nos permitiu variar a distância do enlace, aumentando a sensibilidade de fotorrecepção conforme se distancia o receptor do transmissor. E assim, ao atingir uma em torno dos 400 m, regula-se o amplificador aumentando o ganho de sinal de áudio e, consequentemente, melhorando sua qualidade. Além do amplificador foi feito o circuito regulador de tensão para o fotodiodo (figura 5), nesse ele possui a função de reconhecer o sinal de luz e transformá-lo para pulsos elétricos os enviando ao amplificador de sinal. Figura 5 Circuito conversor óptico-elétrico Já no amplificador foi inserido um transformador de tensão 12V + 12V de 500 ma, podendo variar a tensão de alimentação ao fotorreceptor melhorando seus ajustes de acordo com a intensidade do sinal recebido. O sistema de amplificação do sinal foi montado dentro de uma caixa separada do fotorreceptor (figura 6). Como este fotorreceptor já possui em suas características para conversão do sinal óptico em energia, utilizou-se o mosfet para regularizar a frequência do sinal estabilizando o som nas caixas de som. 8

9 Figura 6 Sistema de recepção do sinal com amplificador óptico 9

10 Enlace Óptico: Funcionamento do Sistema Nesta parte será mostrado o setup em funcionamento, onde foi obtido um som sem ruídos e com distância aproximada de 50 m indoor, teste feito no corredor da engenharia elétrica. Segue o link ilustrativo: É possível observar o sistema funcionando e com o áudio tocando em uma distância aproximada dos 50 m. Este foi realizado no corredor da FEEC-UNICAMP. Outro teste realizado foi na transmissão outdoor, entre dois prédios em distância aproximada de 500 m (figura 7) no centro de São Paulo. A transmissão ocorreu de forma satisfatória com o som chegando a perfeitas condições no ponto B, neste teste não foi possível fazer registro, devido ser proibido emitir feixes de laser visíveis em locais públicos ou áreas urbanas. Figura 7 Enlace de quase 500 m no centro de São Paulo (By Google Earth) Este sistema pode ser facilmente adaptado ao que hoje conhecemos como home theater, que atualmente é encontrado na versão por rádio frequência trazendo como consequência algumas interferências internas. Para melhor visualização de como seria a fácil instalação deste sistema, idealiza-se uma sala de estar com poltronas de frente para a televisão, onde nas laterais ficariam os transmissores apontados diretamente para caixas de som, localizadas presas no teto, onde nestas, teríamos um sistema de espelhamento interno dividindo o sinal para estas caixas e refletindo o sinal para as outras instaladas atrás do sofá (Figura 8). 10

11 Figura 8 Exemplo de instalação residencial 11

12 Enlace Óptico: Considerações Finais Analisou-se que o sistema por transmissão do áudio pela luz pode ser muito bem aproveitado comercialmente se tornando uma ótima alternativa para sistemas de home theather, transmissões rápidas de comunicação entre automóveis, aplicações para trios elétricos, viabilidade e segurança para polícia e forças armadas, uma vez que seus sistemas de rádio frequência são rastreados constantemente e com isso, muitas informações são copiadas pelos bandidos e etc. Acredita-se que venha a surgir maior interesse acadêmico e comercial desse sistema, por ser de baixo custo e fácil de montar, pode ser usado em vários ambientes. Referências [1] WILLEBRAND, H. e GHUMAN, B.S., Free-Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today s Networks, SAMS, ISBN: x, 259 pages (2002) [2] BOUCHET, O., SIZUN, H., et al, Free-Space Optics Propagation and Communication, Iste, ISBN : , (2004). [3] KILLINGER, Dennis, Free Space Optics for Laser Communication Through the Air, Optics & Photonic News, October (2002). [4] O'SHEA, Donald; CALLEN, W., et al, Introduction to Lasers and Their Applications.Reading, Addison-Wesley Publishing Co.(1978). [5] Disponível em: Acessado em 16/01/13 [6] OSRAM Catalog, "SFH203P Silicon PIN Photodiode with Very Short Switching Time". Disponível em: [7] SOARES, N.V.; "Telecomunicações - Sistemas de Modulação - Uma Visão Sistêmica", Editora: Erica; 3ª Edição (2012) [8] MALVINO, A.P., "Electronic principles". McGraw-Hill, Glencoe (1993) [9] YUN, G., KAVEHRAD, M., IEEE Fellow, "Spot-diffusing and fly-eye receivers for indoor infrared" Department of Electrical Engineering, University of Ottawa Ottawa, Ontario, Canadá.(1992) [10] ALATTAR, J.M., ELMIRGHANI, J.M., "Multi-line Multi-Spot Diffusing Indoor OW Channel with A 7-Detectors Diversity Receiver, "Institute of Advanced Telecommunications University of Wales Swansea (2007). 12

13 Enlace Óptico: Teste seu entendimento 1. Qual é a razão para o uso de um laser na transmissão do sinal no enlace óptico? Por ser uma fonte colimada de sinal. Pelo espalhamento do foco na saída. Pela concentração de fótons na atmosfera. Para alinhar é necessário o uso de lentes. 2. Quais são os parâmetros que incidem na modulação da portadora? Amplitude e descarga. Frequência e ruído. Amplitude e frequência. Ruído e descarga elétrica. 3. Qual é o melhor componente para recepção óptica em larga escala de comprimento de onda? Fototransistor. LDR. Célula solar. Fotodiodo. 13