UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA …lyceumonline.usf.edu.br/salavirtual/documentos/1393.pdf · viii RESUMO Da Silva, Ronaldo Wilton. Transmissão de Dados pela Luz

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UNIVERSIDADE SO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

TRANSMISSO DE DADOS PELA LUZ VISVEL

rea de Telecomunicaes

por

Ronaldo Wilton da Silva

Marcos Antonio Ben Sanches, Mestre Orientador

Campinas (SP), Dezembro de 2008

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UNIVERSIDADE SO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

TRANSMISSO DE DADOS PELA LUZ VISVEL

rea de Telecomunicaes

por

Ronaldo Wilton da Silva Relatrio apresentado Banca Examinadora do Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Eltrica para anlise e aprovao. Orientador: Marcos Antonio Ben Sanches, Professor

Campinas (SP), Dezembro de 2008

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SUMRIO

LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................ iv LISTA DE FIGURAS .............................................................................. v LISTA DE TABELAS ............................................................................. vi LISTA DE EQUAES ........................................................................ vii RESUMO ............................................................................................... viii ABSTRACT ............................................................................................. ix 1. INTRODUO.................................................................................... 1 1.1. OBJETIVOS ..................................................................................................... 2 1.1.1. Objetivo Geral ................................................................................................ 2 1.1.2. Objetivos Especficos...................................................................................... 2 1.2. METODOLOGIA ............................................................................................. 2 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 3

2. REDES SEM FIO ................................................................................ 4 2.1. COMPARAO - TECNOLOGIA PTICA E TECNOLOGIA RDIO ... 4 2.2. TECNOLOGIA PTICA ................................................................................ 6 2.3. CANAL FSICO ............................................................................................... 7 2.3.1. Canais ou Modos de Propagao ................................................................... 7 2.3.2. Modo Visada Direta ....................................................................................... 8 2.3.3. Modo Difuso ................................................................................................... 8 2.3.4. Modo Quase-Difuso ...................................................................................... 10 2.3.5. Aspectos de Segurana ................................................................................. 11 2.4. DISPOSITIVOS QUE COMPEM UM SISTEMA DE TRANSMISSO PTICO EM ESPAO LIVRE ............................................................................ 11 2.4.1. Dispositivos ptico-emissores...................................................................... 11 2.4.2. Dispositivos Fotodetectores .......................................................................... 13 2.4.3. Filtros pticos .............................................................................................. 15 2.4.4. Lentes e Concentradores .............................................................................. 15 2.4.5. Rudos e Interferncias ................................................................................ 16 2.5. LEDS BRANCOS ........................................................................................... 17 2.6. TCNICA DE MODULAO E CODIFICAO ..................................... 21 2.6.1. Modulao Analgica ................................................................................... 22 2.6.2. Modulao Digital ........................................................................................ 23 2.7. A NATUREZA DINMICA DO CANAL .................................................... 28 2.8. RESUMO DO CAPTULO ............................................................................ 29

3. RUDO E INTERFERNCIA DA ILUMINAO ........................ 31 3.1. FONTES DE ILUMINAO ........................................................................ 31 3.2. CARACTERIZAO DA ILUMINAO AMBIENTE ............................ 31

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3.2.1. Deteco da Irradiao e da Interferncia .................................................. 32 3.3. RESUMO DO CAPTULO ............................................................................ 33

4. EFEITOS DA INTERFERNCIA DA LUZ NO DESEMPENHO DE SISTEMAS DE TRANSMISSO PTICOS ................................ 34 4.1. RESULTADOS ............................................................................................... 34

5. TCNICAS CONTRA INTERFERNCIAS DA LUZ AMBIENTE 36 5.1. FILTROS PTICOS ...................................................................................... 36 5.2. FILTROS PASSA-ALTA ............................................................................... 36 5.3. CANCELAMENTO DA INTERFERNCIA ............................................... 38 5.3.1. Regras para a escolha dos filtros pticos .................................................... 39 5.4. RESUMO DO CAPTULO ............................................................................ 40

6. CONSIDERAES FINAIS ............................................................ 41 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................. 43

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LISTA DE ABREVIATURAS

AM Amplitude Modulation APD Avalanche PhotoDiode ASK Amplitude Shift Keying BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection DFE Decision-Feedback Equalisation DL Detector de Limiar DPIM Digital Pulse Interval Modulation EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EMI ElectroMagnetic Interference FM Frequency Modulation FOV Field-Of-View FQPSK Feher Quadrature Phase Shift Keying FSK Frequency Shift Keying GSM Global System for Mbile Communications ISI InterSymbol Interference LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LED Light Emitting Diode LOS Line Of Sight MAP Maximum-A-Posteriori M-QPSK Multiple carrier Quadrature Phase Shift Keying NRBI Non Return to zero with Bit Insertion NRZ Non Return to Zero OOK On Off Keying PAM Pulse Amplitude Modulation PDA Personal Digital Assistant PDM Pulse Duration Modulation PEB Probabilidade de Erro de Bit PIM Pulse Interval Modulation PN Positive-Intrinsic-Negative PPM Pulse Position Modulation QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RSR Relao Sinal-Rudo SPW Signal Processing WorkSystem TCC Trabalho de Concluso de Curso USF Universidade So Francisco Wi-Fi Abreviatura de Wireless Fidelity WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Feixes de luz se propagando no ambiente. ......................................................................... 6 Figura 2. Modo de propagao visada direta. ................................................................................... 8 Figura 3. Modo de propagao difuso. ............................................................................................. 9 Figura 4. Modo de propagao quase-difuso. ................................................................................. 11 Figura 5. Lmpada feita com conjunto de LEDs. ........................................................................... 12 Figura 6. Fotodetectores. ............................................................................................................... 13 Figura 7. Filtros pticos. ............................................................................................................... 15 Figura 8. Estrutura de um LED. ..................................................................................................... 17 Figura 9. LEDs de luz branca, distribudos uniformemente, transmitindo informaes para aparelhos

em uma sala. .......................................................................................................................... 18 Figura 10. Cenrio de uma comunicao ptica [AMK05]. ............................................................ 20 Figura 11. Tcnicas de Modulao [Mor97]. .................................................................................. 22 Figura 12. Formato de algumas tcnicas de modulao em Banda Base. ........................................ 23 Figura 13. Mostra dos espectros de potncia dos sinais OOK-NRZ e L-PPM com vrias ordens. ... 25 Figura 14. Modelo do Sistema de Transmisso. ............................................................................. 34 Figura 15. Receptor ptico com cancelamento da interferncia ptica [Mor97]. ............................. 38

vi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Desempenho de algumas tcnicas de modulao em banda base num canal sem disperso e sem interferncia (relativamente a OOK-NRZ) [Mor97]. ..................................................... 26

Tabela 2. Desempenho de algumas tcnicas de modulao com portadoras eltricas num canal sem disperso e sem interferncia (relativamente a OOK-NRZ). ................................................... 28

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LISTA DE EQUAES

Equao 1 ........................................................................................................................................ 9 Equao 2 ...................................................................................................................................... 14 Equao 3 ...................................................................................................................................... 20 Equao 4 ...................................................................................................................................... 20

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RESUMO

Da Silva, Ronaldo Wilton. Transmisso de Dados pela Luz Visvel. Campinas, 2008. Trabalho de Concluso de Curso, Universidade So Francisco, Campinas, 2008. No sentido de explorar as tecnologias sem fio, este trabalho apresenta um novo tipo de sistema de comunicao utilizando a luz visvel. O tema deste trabalho est voltado para sistemas de transmisso de dados pticos no espao livre (no guiada). Foi feito um estudo sobre transmisses utilizando a luz como meio de transmisso de bits advindas de LEDs brancos, que provavelmente sero os dispositivos que substituiro as lmpadas no quesito iluminao e possivelmente sero utilizados como transmissores de dados, modulando a luz. O conceito base passa pela modulao da prpria luz visvel, que efetuar a transmisso de dados desejada de uma forma imperceptvel ao olho humano: para o homem existe apenas iluminao, mas para os sistemas de comunicao essa iluminao transportar informao. Com a rpida evoluo dos dispositivos de iluminao baseados em LEDs, emitindo na gama da luz visvel e tendo como uma excelente caracterstica a capacidade de comutao a freqncias elevadas, poder permitir a realizao de duas funes em simultneo, iluminao e transmisso de dados, criando um conjunto de novos cenrios de aplicao. Palavras-chave: Comunicao ptica, led branco, transmisso de dados pela luz visvel, interferncia ptica.

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ABSTRACT

With the intention of to explore the technologies without wire, this work presents a new type of communication system using the visible light. The subject of this work is come back toward optic data-communication systems in the free space (not guided). A study was made about transmissions using the light as way of transmission of bits of white LEDs, that probably will be the devices that will substitute the light bulbs in the question illumination and possibly they will be used as transmitting of data, modulating the light. The concept base passes for the modulation of the visible light, that will effect the transmission of data desired of an imperceptible form to the human eye: for the man only illumination exists, but to the communication systems this illumination will carry information. With the fast evolution of the based devices of illumination in LEDs, emitting in the gamma of the visible light and having as an excellent characteristic the commutation capacity the raised frequencies, will be able to allow to the accomplishment of two functions in simultaneous, illumination and transmission of data, creating a set of new scenes of application. Keywords: Optics Communication, white led, transmission data for the visible light, optics interference.

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1. INTRODUO

O aumento da demanda por computadores pessoais e a necessidade de se comunicar com

outros usurios, se possvel, sem cabo, exigem portabilidade e mobilidade. As tecnologias sem fio

apresentam um crescente interesse, fazendo com que se estudem as possibilidades de se criar novos

sistemas de transmisso sem fios, baratos e com uma grande banda para as transmisses, passando

tambm a entrar em outras reas como automotiva, segurana e robtica. Alm dos conhecidos

sistemas rdio convencionais (CDMA, GSM, EDGE, Wi-Fi, WiMax etc.), h um novo sistema

ptico, capaz de gerar transmisses com altas taxas e utilizando a luz visvel. As redes baseadas em

tecnologias pticas esto se mostrando mais vantajosas e seguras, obtendo uma rea de aplicao

prpria. Ao contrrio das tecnologias a rdio, a tecnologia ptica no necessita licenciar seu

espectro ptico e com isso permite explorar uma maior largura de banda. Em paralelo ocorre

tambm uma evoluo dos dispositivos de iluminao baseados em LEDs, tanto para ambientes

interiores como exteriores, e se cria novos cenrios de comunicao at agora no explorados. O

sistema se baseia na codificao dos dados e modulao da luz atravs de pulsos muito rpidos que

geram os pulsos de bits.

Entre mltiplas possibilidades da utilizao do espectro de luz visvel para comunicaes

sem fios destacam-se, por exemplo, pequenas redes residenciais onde se criaria uma clula em que

somente dispositivos que se encontrassem dentro da sala e recebessem o sinal da luz de um LED

estariam se comunicando, evitando qualquer tipo de brecha para que outros usurios tenham acesso

a essa rede. Outro exemplo seria comunicao de/entre/para veculos e/ou semforos em ambientes

exteriores, proporcionando transmisso de dados como informaes da rodovia, velocidade do

veculo e itinerrios. Teoricamente, com a luz podem-se alcanar precises de alguns milmetros em

relao a outros sistemas tradicionais, e isto proporciona a sistemas de posicionamento baseados em

comunicao por luz visvel serem utilizadas para controles de robs.

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1.1. OBJETIVOS

1.1.1. Objetivo Geral

O objetivo deste trabalho consiste em apresentar um sistema de transmisso de dados

bidirecional utilizando luz comum, visvel aos olhos humanos, baseado em LEDs brancos que so

componentes ainda em estudo, mas que em breve sero componentes baratos, econmicos e com

longa vida til, alm de terem uma excelente capacidade de comutao a freqncias elevadas. As

transmisses seriam feitas por pulsos extremamente rpidos, indetectveis ao olho humano, mas

podendo ser configuradas para serem visveis se houver a necessidade de um acompanhamento da

comunicao entre os dispositivos.

1.1.2. Objetivos Especficos

Verificar tcnicas para se ter um requisito de potncia mnimo para um sistema de

transmisso ptico. Demonstrar o conceito da modulao da prpria luz visvel, conflitando todas as

possibilidades de modulao disponvel e identificar qual seria o modelo mais eficiente para este

tipo de aplicao.

Fazer um estudo e caracterizar a iluminao ambiente (solar e artificial) dentro de ambientes

a serem utilizados e verificar os seus efeitos no sistema. Expor tambm os modos de propagao

com mltiplas reflexes e os problemas relacionados iluminao ambiente que se sobrepe

banda ptica utilizada interferindo com a recepo dos sinais pticos transmitidos e produzindo

rudo quntico nos fotodetectores.

Foram verificadas tcnicas de filtragem ptica e eltrica destinadas a combater os efeitos da

iluminao ambiente e tambm uma tcnica de cancelamento de interferncia que apresenta

diversas vantagens em relao s tcnicas de filtragem normalmente utilizadas.

1.2. METODOLOGIA

O trabalho foi desenvolvido em trs fases. A primeira fase consiste na realizao de

pesquisas bibliogrficas e anlise de documentos e artigos sobre a tecnologia de transmisso de

dados ou redes pticas sem fio, bem como o estudo de suas arquiteturas. A segunda fase consiste no

estudo das referncias bibliogrficas pesquisadas e na consolidao dos dados em uma monografia.

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A terceira e ltima fase, consiste no estudo de modelos do sistema de transmisso, caracterizao

dos rudos e interferncias e tcnicas de filtragem para a minimizao destes efeitos.

1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho est estruturado em seis captulos, sendo o primeiro a introduo, o objetivo, a

metodologia e a estrutura de apresentao deste documento.

O segundo captulo apresenta a tecnologia ptica, os meios de propagao, os dispositivos

utilizados e as tcnicas de modulao e codificao.

O terceiro captulo se aprofunda na caracterizao da iluminao ambiente, que neste caso

afeta negativamente redes de comunicao ptica introduzindo rudos qunticos nos receptores.

O quarto captulo voltado para o detalhamento dos efeitos das interferncias da luz no

desempenho de sistemas de transmisso pticos.

O quinto captulo demonstra tcnicas contra as interferncias e o uso de filtros pticos.

O sexto e ltimo captulo contm as consideraes finais do trabalho.

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2. REDES SEM FIO

Sem Fio (ou Wireless em ingls) um termo normalmente usado em qualquer operao

eltrica ou eletrnica e que realizada sem o uso de qualquer tipo de fio. No ramo das

Telecomunicaes, a comunicao sem fio se trata das transferncias de informaes/dados sem o

uso de qualquer fiao, independente da distncia. Geralmente essa tecnologia est relacionada a

dispositivos mveis, como telefone celular, PDAs, notebooks, teclados e mouses sem fio, etc.

Com o aumento e a disseminao de novos equipamentos existentes e os servios

disponveis para a comunicao requererem redes cada vez mais extensas geograficamente e com

larguras de banda cada vez maiores, os cabos ficaram para trs e novas solues tiverem que ser

implementadas para suportar a necessidade de mobilidade e portabilidade por parte dos usurios. A

comunicao sem fio veio para transformar isso possvel e a comunicao ptica pega carona para

dominar parte do mercado.

Alguns tipos de comunicao sem fio:

Infravermelho;

Microondas;

Freqncias de Rdio (RF);

LEDs brancos.

2.1. COMPARAO - TECNOLOGIA PTICA E TECNOLOGIA RDIO

As tecnologias pticas e rdio competem na rea de sistemas de comunicao sem fio. A

tecnologia a rdio se tornou muito popular devido a uma caracterstica muito interessante que a

comunicao a grandes distncias e a possibilidade de atravessar objetos, ao contrrio da ptica que

s atinge regies pequenas (clulas) e no atravessa paredes ou objetos opacos.

s ondas de rdio tambm se inclu vrias bandas que vo de centenas de MHz at as

microondas. Alm disso, proporcionam uma maior mobilidade dos terminais, o que na ptica h

tambm essa possibilidade, mas somente em regies onde se obtm luz, ou seja, onde no h

regies de sombra ocasionadas por qualquer objeto.

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O fato de termos terminais somente em um nico compartimento pode parecer uma

desvantagem, mas pode constituir uma vantagem em termos de privacidade. A recepo do sinal

indevidamente ou abusivamente muito mais difcil em sistemas pticos.

Outra vantagem criar vrios ambientes semelhantes, separados apenas por paredes e sem

interferncias mtuas.

Um aspecto importante e que diferencia estas duas tecnologias est no fato de se ter ou no o

licenciamento para transmisso. Para se utilizar uma determinada banda de rdio h a necessidade

de obter um licenciamento de emisso, enquanto que na ptica no h a necessidade de obter este

licenciamento, sendo assim totalmente livre o seu uso em transmisses. Com os vrios sistemas de

rdio em operao, o espectro radioeltrico j est congestionado, e a atribuio de novas bandas j

virou uma tarefa difcil, diminuindo as taxas de bits e limitando a qualidade dos sistemas. Se forem

utilizadas as bandas de freqncia na zona de microondas, as caractersticas de propagao acabam

ficando muito prximas das dos sinais pticos. Com essa diversidade de bandas, diversos tipos de

equipamentos so projetados e produzidos por diversos fabricantes para operam no mercado e

atender a todas estas bandas. Organismos de normalizao tm a funo de criar especificaes para

cada banda, como na norma IEE 802.11 em que se tm trs bandas de freqncia para trs regies:

Europa, Japo e Estados Unidos da Amrica.

Uma grande vantagem para os sistemas pticos a imunidade interferncia

eletromagntica (EMI), que praticamente total devida elevada freqncia de operao. Isto

proporciona este sistema a ser instalado em locais onde no se admite interferncias como hospitais

e avies.

Resumindo, com estas diferenas entre estas duas tecnologias, fica claro que cada uma delas

tem um papel diferente no domnio dos sistemas de comunicao sem fio, sendo apropriadas para

um ou outro tipo de aplicao. A tecnologia a rdio mais indicada para sistemas onde o alcance e

a mobilidade so os aspectos mais importantes, enquanto a tecnologia ptica mais indicada para

sistemas que requer maior largura de banda, maior privacidade ou onde a interferncia

eletromagntica um problema.

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2.2. TECNOLOGIA PTICA

O conceito deste sistema criar uma rede com terminais pticos com transmissores e

receptores de feixes de luz, fazendo transferncias de dados codificados e o sinal (luz) modulado

para a transmisso de dados.

A intensidade da potncia pode variar de acordo com a necessidade e de forma a sobrepor os

efeitos da iluminao ambiente. Contudo, o sistema necessita de uma boa distribuio uniforme de

potncia em todo o recinto para uma melhor qualidade de comunicao entre os terminais.

Atualmente, h dois tipos de sistemas pticos: o infravermelho, que uma comunicao

ptica que utiliza luz no visvel, e outra utilizando LEDs brancos, como uma comunicao ptica

atravs da luz visvel.

Figura 1. Feixes de luz se propagando no ambiente.

As vantagens da tecnologia ptica so:

Mais rpidas;

Menos sujeitas a interferncias;

Mais segura;

Preo competitivo;

Feixes Refletidos

Feixes Refletidos

Visada Direta

Transmissor / Receptor ptico

Transmissor / Receptor ptico

Feixes Refletidos

Link de Dados de / para Web

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No necessita de licenciamento;

Largura de banda ilimitada.

Sua nica desvantagem :

Velocidade de recepo dos dados no destino.

2.3. CANAL FSICO

O sinal, ao propagar-se com multi-percurso por todo o volume da sala, poder ser refletido

pelo teto, paredes, cho, mveis, qualquer objeto entre os terminais e at pessoas que possam estar

no ambiente, ou podem ser recebidos no receptor atravs de uma visada direta. Sendo assim, os

terminais receptores precisam de um grande campo de viso para receber este sinal de qualquer

direo. Analisando uma situao ideal, toda a potncia ptica que atinge o fotodetector de um

receptor independente da posio do receptor em relao ao emissor.

2.3.1. Canais ou Modos de Propagao

Temos ento trs tipos de Modos de Propagao:

O modo de visada direta: onde o sinal do emissor vai direto ao receptor e no h nenhuma

reflexo do sinal do emissor at o receptor, sendo este caso difcil de ser implementado devido

orientao correta do emissor para o receptor;

O modo difuso: onde a potncia ptica que o receptor recebe independente da posio do

receptor;

O modo quase-difuso: onde se coloca todos os terminais orientados para uma superfcie

refletora e a propagao do sinal advinda apenas de uma nica reflexo.

Para se ter um ambiente com uma potncia ptica distribuda uniformemente em uma sala,

necessrio a utilizao de elevados nveis de potncia e, portanto, utilizar dispositivos eletro-pticos

de elevada potncia (LEDs ou LASERS) e que possuem uma excelente eficincia na converso

eletro-ptica.

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2.3.2. Modo Visada Direta

O modo de visada direta (Line-of-Sight LOS) uma comunicao direta, sem nenhuma

reflexo entre o emissor e o receptor. Como se tem uma grande concentrao da potncia em um

ponto ou regio onde se encontra o receptor, acaba-se tendo um diagrama de radiao bastante

estreito. O FOV do receptor tambm acaba sendo bastante estreito.

Uma das vantagens em relao ao modo difuso que, como a potncia concentrada em

apenas um ponto ou regio, o nvel de potncia pode ser bem inferior, e o FOV do receptor tambm

pode ser menor, evitando assim que seja coletado menos luz ambiente e aumentando assim sua

sensibilidade ptica, e conseqentemente uma maior largura de banda por no haver multi-percurso.

As desvantagens so: no tolerncia com interrupes do percurso entre o emissor e

receptor, alinhamento dos transceptores.

Figura 2. Modo de propagao visada direta.

2.3.3. Modo Difuso

O modo difuso (ou canal difuso) tem como caracterstica estabelecer uma propagao do

sinal atravs de reflexes nas paredes, teto, cho e demais objetos que por ventura possam estar no

ambiente, bem como as pessoas que esto no recinto. Necessitam ter uma distribuio uniforme da

potncia ptica no recinto para que todas as reas que possam refletir este sinal no atenuem este

sinal, tornando indiferente a posio do receptor ptico. Uma das grandes dificuldades neste modo

de transmisso devida a grande diversidade de ambientes que possam utilizar este sistema e cada

ambiente possui um fator de reflexo. Um diagrama de radiao pode, muito bem, servir para um

determinado ambiente, mas pode no servir para um outro ambiente, com objetos ou cores de

paredes diferentes.

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A disperso multi-percurso prejudica o modo difuso devido a grande quantidade de

reflexes, gerando atrasos no sinal e diminuindo a largura de banda.

Os receptores necessitam ter um campo de viso largo (FOV Field-Of-View) para

coletarem uma grande quantidade de potncia vinda de vrias direes. Quanto maior for este

campo de viso, maior ser a quantidade de potncia ptica recebida.

Este modo providencia uma grande mobilidade por parte do receptor, j que no h a

necessidade de uma visada direta com o emissor.

De acordo com o Gfeller e Bapst [GfB79], uma maneira de calcular, de forma aproximada, a

distribuio da potncia em uma sala dada por:

Popt A.Hmin Equao 1

Sendo Popt = potncia ptica necessria;

A = rea total do plano onde o receptor se encontra e

Hmin = densidade de potncia mnima requerida pelo receptor

Figura 3. Modo de propagao difuso.

Na figura acima esto representados dois percursos possveis, na forma de raios, entre dois

transceptores. Para o transceptor A, o seu sinal atinge o receptor aps uma nica reflexo no

percurso. J para o transceptor B, houve quatro reflexes at atingir o receptor. Com as diferenas

entre os atrasos devido aos diferentes percursos se produz uma disperso do sinal transmitido e uma

limitao da largura de banda do canal.

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De acordo com Gfeller e Bapst [GfB79] que estenderam o modelo utilizado para o clculo

da potncia ptica recebida incluindo o tempo de propagao, a largura de banda pode ser estimada

sendo por volta de 260Mbit x metro/segundo, isso para uma nica reflexo do sinal e superfcie

plana.

Existem tambm vrios estudos para mltiplas reflexes e at simulaes para chegar ao

clculo da distribuio de potncia e tambm a resposta impulsional do canal. Barry apresentou um

trabalho que a resposta impulsional do canal depende principalmente das reflexes de ordem

elevada (2 e 3 ordem) [Bar92]. Em [Lom94] tambm h uma demonstrao de que as reflexes de

4 e 5 ordem tambm tm um papel importante na resposta impulsional do canal.

2.3.4. Modo Quase-Difuso

Este modo o meio termo entre os modos visada direta e difuso. baseado na utilizao de

um refletor no teto do ambiente, fazendo com que o sinal reflita apenas uma vez at chegar ao

receptor.

H dois tipos de refletores: ativo e passivo.

O passivo aquele que pode apresentar um coeficiente de reflexo prximo de 1 e dessa

forma pode refletir o sinal em todas as direes de uma forma semelhante. O teto de uma sala pode

se tornar um refletor passivo.

O ativo j so painis que utilizam materiais com um bom coeficiente de reflexo e que

podem ser instalados nos tetos de uma sala.

No modo quase-difuso, os emissores podem ter um campo de emisso bastante fechado e o

receptor pode ter um FOV moderadamente estreito, mas com sua orientao voltada para o refletor,

no havendo a necessidade de um alinhamento to preciso como no modo de visada direta.

Comparando este modo com os outros dois, a mobilidade dos dispositivos mdia e tambm

susceptvel a interrupes. Sua largura de banda grande em condies normais, principalmente

quando se usa um refletor ativo.

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Figura 4. Modo de propagao quase-difuso.

2.3.5. Aspectos de Segurana

Os modos difuso e quase-difuso requerem a utilizao de nveis de potncia ptica elevados.

No entanto, estes nveis de potncia mximos que podem ser utilizados so limitados por questes

de segurana para a sade de quem as utiliza. Uma exposio contnua e a nveis muito elevados de

radiao ptica podem provocar leses na pele, principalmente ao olho humano que muito mais

sensvel. O nvel de potncia, o tempo de exposio e o comprimento de onda so fatores que

proporcionam os efeitos da radiao e que podem afetar a crnea e a retina, com nveis graves para

comprimentos de onda prximos ao da luz visvel. Como o olho tem a capacidade de focar a

radiao emitida por uma fonte pontual numa rea muito pequena na retina, a irradincia nesta rea

pode ser muito elevada e conduz a leses. Estes limites de exposio so definidos pela norma

IEC825-1.

2.4. DISPOSITIVOS QUE COMPEM UM SISTEMA DE TRANSMISSO PTICO EM ESPAO LIVRE

2.4.1. Dispositivos ptico-emissores

Em um sistema de transmisso em espao livre, utiliza-se modulao de intensidade de uma

portadora ptica e tambm a deteco direta. Para isso, os dispositivos eletro-pticos emissores

capazes de atender a estes requisitos so os LEDs (Light Emitting Diode) ou LASER (Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Para este trabalho, a escolha foi para o LED branco, que um dispositivo de baixo custo e o

circuito associado para o seu funcionamento muito mais simples do que um circuito para diodos

LASER.

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Figura 5. Lmpada feita com conjunto de LEDs.

Para a caracterizao dos dispositivos pticos, alguns parmetros so muito importantes:

Comprimento de Onda: os sistemas que utilizam fibra ptica trabalham com

comprimentos de 850, 1310 e 1550nm. Para os sistemas de comunicao em espao livre o

comprimento de onda deve ser na ordem de 750 a 1000nm [Kei85]. Para sistemas outdoor, a

escolha do comprimento de onda deve ser cuidadosa, pois em grandes distncias a atenuao

atmosfrica varia conforme o comprimento de onda e esta deve ser conjugada com a resposta do

receptor.

Espectro ptico: Um LED tpico tem a largura do espectro ptico prximo de 80nm,

enquanto para um LASER esse valor pode chegar a alguns nm.

Potncia ptica Emitida: LEDs podem emitir nveis de potncia na ordem de 10 a

40mW contnuo, mas nas transmisses pulsadas, o pico dessa potncia pode chagar a algumas

centenas de mW. Os valores mximos que se consegue extrair de um LED depende muito da sua

utilizao como o tempo de emisso e o repouso, o valor da corrente e da potncia ptica mxima

permitida, da temperatura do ambiente e da dissipao do calor.

Eficincia na Converso Eletro-ptica: os LEDs possuem um fator de eficincia

entre 7 e 20%. J os diodos LASER podem chegar a 40%, mas o preo a se pagar por isso a maior

complexidade dos circuitos associados.

Largura de banda: os LEDs utilizados em fibra ptica so bastante rpidos no

quesito comutao, mas LEDs para sistemas indoor, de alta potncia, acabam tendo um tempo de

comutao muito alto, superiores a 10ns. Este tempo pode aumentar devido ao aumento da corrente

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e da temperatura ambiente. Os tempos de subida (estado de no emisso para o estado de emisso)

so normalmente inferiores ao de descida, e isso acaba limitando a largura de banda do sistema

produzindo interferncias entre smbolos.

Complexidade e custo: LEDs, por serem componentes baratos em relao ao

LASER, tambm possuem a vantagem de no necessitar utilizar circuitos de polarizao complexos

(basta apenas um MOSFET) e no precisa de sistemas de controle de temperatura e sistemas ativos

de arrefecimento. Outro item importante a segurana, onde se tem os LASERS como grandes

viles para a retina.

2.4.2. Dispositivos Fotodetectores

Para sistemas de comunicaes pticos sem fio, os melhores dispositivos eletro-pticos so

os fotodetectores do tipo PIN. H tambm dispositivos do tipo APD, mas estes no so as melhores

opes quando se tem muito rudo quntico produzido pela iluminao ambiente.

Figura 6. Fotodetectores.

Para estes dispositivos as caractersticas relevantes so:

rea ativa: toda a potncia ptica coletada (Ps), a amplitude do sinal eltrico e a

potncia do rudo quntico produzido pela iluminao ambiente (qxIB) so diretamente

proporcionais rea ativa do fotodetector (Ar), pelo que a relao do sinal-rudo (RSR) aumenta

proporcionalmente raiz quadrada da rea ativa (desprezando o rudo gerado no pr-amplificador)

[Mor97]:

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r

bB

s

bB

sA

RRHq

H

RIq

PRSR

=

= Equao 2

Onde Hs a irradincia produzida pelo sinal emitido, q a carga do eltron, IB a corrente

mdia no fotodetector produzida pela iluminao ambiente, HB a irradincia mdia produzida pela

iluminao ambiente, R a resposta do fotodetector e Rb a taxa de bits.

Atravs desta frmula, podemos notar que as perdas de propagao so muito elevadas, e

estes sistemas precisam de uma rea ativa muito elevada. Os valores tpicos vo desde alguns

milmetros quadrados a at alguns centmetros quadrados. Os fotodetectores com uma rea ativa

muito elevada tendem a ser mais caros, constituindo assim o componente mais caro de todo o

sistema ptico Por isso muito comum utilizarem o valor de 1cm2 como referncia.

Capacitncia Parasita: quanto maior a tenso de polarizao inversa menor ser a

capacitncia parasita que pode ser gerada no fotodetector, sendo prejudicial ao sistema. Valores

elevados da capacitncia parasita, como por exemplo, um valor tpico de 150 pF/cm2 para uma

tenso de polarizao de15V [Mor97], limitam a largura de banda do receptor e determina a

configurao do projeto do pr-amplificador.

Resposta: um valor tpico de resposta de 0,6 A/W [Mor97] e a curva da resposta do

fotodetector e o comprimento de onda do emissor devem ser escolhidos em conjunto para um

melhor desempenho do sistema.

Campo de Viso: todos os dispositivos so fabricados em forma de uma pastilha

plana. Se as perdas por reflexo na superfcie externa do fotodetector (parte do invlucro) forem

desprezadas, o FOV do fotodetector ser 90o. Mas na prtica estas perdas devero ser levadas em

considerao e este valor acaba ficando entre 60 e 90. H alguns fabricantes que incluem lentes e

filtros pticos para absoro, aumentando assim a rea coletora e diminuindo o FOV.

15

2.4.3. Filtros pticos

Os filtros pticos so indispensveis em sistemas de comunicao ptica sem fio, cuja

funo fazer a filtragem ptica eliminando o excesso de rudo que acabam saturando ou tornando

inteis os receptores.

Figura 7. Filtros pticos.

H dois tipos de filtros:

Filtros de Absoro: so filtros passa-alta, ou seja, o comprimento de onda inferior

ao comprimento de onda de corte atenuado, e so fabricados utilizando diversos tipos de

materiais. Se houver radiao com comprimentos de onda maiores que a de corte, esta atingir o

fotodetector.

Filtros de Interferncia: so filtros passa-faixa com largura de banda inferior a 10nm.

Este tipo de filtro reduz bastante a radiao ambiente, mas no bloqueia totalmente porque seu

espectro ptico sobrepe ao do sinal transmitido. Como caracterstica negativa que sua resposta

em comprimento de onda varia com o ngulo de incidncia da radiao ptica. Outro ponto

negativo o seu custo, mais elevado do que o de absoro.

2.4.4. Lentes e Concentradores

Com o intuito de coletar o mximo da potncia ptica emitida no receptor e no aumentar a

capacitncia parasita e nem aumentar a rea ativa do fotodetector (gerando custo) as lentes e

16

concentradores pticos so uma boa alternativa. Aumentando a potncia ptica coletada se tem uma

diminuio do FOV. Nos modos difuso e quase-difuso, essa diminuio do FOV constitui uma

grande limitao. Para o modo visada direta isso no problema, j que com as lentes se consegue

diminuir a potncia ptica necessria e aumenta o alcance da ligao. Para sistemas com FOV

largo, podem-se utilizar lentes hemisfricas, proporcionando ganhos de 2 a 5 dB [Bar92].

Os concentradores pticos, alternativa em relao s lentes, concentram a radiao incidente

numa superfcie de rea A numa outra de menor rea. O ganho de concentrao tambm est

relacionado diminuio do FOV.

2.4.5. Rudos e Interferncias

Como nestes sistemas so utilizados fotodetectores que so sensveis a uma grande faixa de

comprimentos de onda, a iluminao ambiente (radiao ptica solar e/ ou artificial) produz rudo

quntico, e este rudo afeta todo o sistema limitando o seu desempenho. A radiao solar apresenta

pequenas variaes lentas de intensidade e a artificial rpidas e de alta amplitude, interferindo no

sinal transmitido.

Para eliminar estes efeitos podem-se usar filtros pticos (de interferncia passa-faixa- ou

de absoro passa-alta).

Outras tcnicas que podem eliminar as interferncias podem ser por meio de filtragem

eltrica ou cancelamento.

Em uma sala, os nveis de distribuio da iluminao ambiente no so uniformes, se

concentrando mais nas regies das janelas e este rudo varia consideravelmente ao longo do dia.

Dependendo do tipo de lmpada utilizada no ambiente se tem uma distribuio de potncia

diferente. Lmpadas incandescentes acabam produzindo muito mais potncia ptica e

conseqentemente mais rudo quntico.

Se ocorrer diferenas nas intensidades de radiao emitida, se cria interferncias para o

sistema que podem chegar ao dobro da freqncia da rede e at harmnicos dessa freqncia, com

valores de at 20kHz.

17

2.5. LEDS BRANCOS

Os LEDs, sigla que vem do ingls para Light Emitting Diode, so muito encontrados em

relgios, controles remotos, semforos e em outras aplicaes. Os LEDs brancos surgiram a pouco

tempo no mercado e so considerados fortes candidatos para a futura tecnologia de iluminao. A

razo que os LEDs oferecem caractersticas bastante favorveis como alto brilho, baixssimo

consumo de energia e longa vida til. A luz, alm de ter mais brilho pode ser branca, ao contrrio

das lmpadas incandescentes que so amarelas. Uma lmpada de semforo dura cerca de um ano, o

LED desde que utilizado dentro dos parmetros de trabalho, pode durar 10 anos!

Alm disso, LEDs podem ser utilizados como um transmissor de comunicao wireless. Isso

no possvel para qualquer outro tipo de lmpada nas transmisses de banda larga. Esta

funcionalidade dos LEDs como um transmissor baseado em um tempo de resposta rpida e

modulao da luz visvel para comunicaes sem fios.

Figura 8. Estrutura de um LED.

Ao contrrio das lmpadas fluorescentes, que tem um maior desgaste da sua vida til no

momento em que so ligadas, nos LEDs possvel o acendimento e apagamento rapidamente

possibilitando o efeito flash, sem detrimento da vida til.

Recentemente, alguns engenheiros e pesquisadores demonstraram o uso dos LEDs brancos

para iluminao do ambiente e tambm para transferncia de dados em banda larga. Eles podem

funcionar em conjunto com redes eltricas de mdia ou baixa tenso, e oferecem uma velocidade de

18

transmisso mais rpida do que o DSL e a cabo, alm de serem mais seguros do que as ondas de

rdio.

Figura 9. LEDs de luz branca, distribudos uniformemente, transmitindo informaes para aparelhos em uma sala.

A figura acima mostra uma grande realizao de uma comunicao atravs da luz visvel,

um sistema utilizando LEDs brancos. Este um sistema sem fio ptico indoor que usa luz visvel

como transportadora. O conceito de comunicaes pticas indoor tem sido uma rea em

investigao desde o incio dos anos 80. A maior parte da investigao nesta rea feito com base

em comunicao infravermelho (IR), e quase todos os resultados desses esforos so aplicveis a

todos os tipos de espectro de luz.

Em [AMK05] foi feita uma demonstrao de um prottipo de um sistema baseado em LEDs

brancos que serve para iluminao e comunicaes wireless de alta velocidade em espaos internos.

Nesse sistema, os LEDs brancos so posicionados no teto de uma sala para prover uma

iluminao de forma mais uniforme possvel. Como eles podem ser associados rede eltrica

transmissora de dados, os dados passam para eles automaticamente ao serem alimentados por

eletricidade, e so assim emitidos pelos LEDs brancos como forma da prpria iluminao atravs

dos pulsos. Qualquer dispositivo capaz de receber transmisses sem fio pode ter acesso aos dados,

podendo alcanar velocidades de at 1 Gbps.

19

Existem vrias vantagens de se utilizar LEDs brancos para as comunicaes sobre Wi-Fi e

IR para comunicaes indoor:

A instalao mais fcil do que a maioria dos outros sistemas sem fio.

A radiao dos LEDs brancos no est sujeito s regulamentaes de licenciamento

de espectro porque ela no causa qualquer interferncia eletromagntica, diferente

das preocupaes em usar Wi-Fi ou qualquer outro tipo de RF em termos de sistemas

de comunicaes;

Diferentes usurios em diferentes salas em edifcios no sofrem interferncia mtua,

porque os raios do LED no atravessam paredes, portanto, uma grande banda pode

ser reutilizada vrias vezes ao longo de uma pequena rea. Por outro lado, em

sistemas Wi-Fi, possvel que diferentes transmisses de pontos de acesso distintos

interfiram e causem uma degradao no desempenho;

No h risco de invases de terceiros na rede;

O efeito de sombreamento menor em comparao direta outros mtodos, pois a

luz dos LED distribuda por toda a sala;

Os LEDs so mais baratos do que as fontes laser utilizadas no IR;

O receptor obtm, no mnimo, uma forte linha de visada (LOS) como sinal dos

transmissores que esto no teto. Este no o caso da maioria das situaes de

transmisso.

No h possibilidades conhecidas de danos sade decorrentes da luz dos LEDs, ao

contrrio das emisses eletromagnticas usuais das solues wireless, muito

discutidas recentemente. A luz eltrica convencional que usamos pulsa a 60 Hertz e,

at onde se saiba, no ficou provado nenhum efeito nocivo sade em funo desta

vibrao. Na escala dos MegaHertz ou dos GigaHertz no h indcios de dano, mas

nunca se sabe.

20

Segundo [AMK05], para qualquer ngulo de um transmissor ptico de meia potncia (HP) e

para qualquer receptor ptico, o campo de viso (FOV) definido. O ngulo de meia-potncia o

maior ngulo que o transmissor pode iluminar, e FOV o maior ngulo que o receptor pode receber

um sinal de raios direto. As definies matemticas destes parmetros so dadas pelas equaes (3)

e (4).

Figura 10. Cenrio de uma comunicao ptica [AMK05].

)(tan 11H

rFOV = Equao 3

)(tan 21H

rHP =

Equao 4

Onde r1, r2 e H so mostrados na Figura 10.

O receptor deve ser projetado de forma que o seu FOV seja maior, pelo menos o suficiente

para receber um sinal de visada direta a partir de um transmissor. Desta forma, no haveria nenhum

ponto cego na sala.

Portanto, o projeto para o receptor precisa de um FOV igual ou superior a 25 graus. Em

[JHK04] conceberam uma eficiente configurao de receptor para um FOV de 25 graus. De acordo

com esta investigao, um maior FOV precisa de mais complexidade e uma maior rea. No mesmo

documento, os autores investigaram diferentes cenrios de comunicaes pticas wireless para

cobrir um espao indoor. Neste documento, eles argumentam que um FOV de aproximadamente 30

21

graus pode otimizar o link de um sistema celular, como o LED branco, e mltiplas pequenas

lmpadas.

Alguns obstculos prticos, no entanto, ainda precisam ser contornados. Um deles a

distoro causada pelos diferentes caminhos pticos percorridos pela luz dos LEDs, um fenmeno

de reflexo e interferncia que depende das dimenses do cmodo e da configurao do sistema.

Este fator implicou numa srie de restries internas do sistema, fazendo com que a velocidade

mxima de transmisso chegasse apenas aos 1 Gbps. Se no houvesse tais barreiras, as velocidades

poderiam ser muito maiores, e talvez ainda o sejam num futuro prximo, com a aplicao de novas

solues atualmente em estudo.

2.6. TCNICA DE MODULAO E CODIFICAO

Existem hoje vrias tcnicas de modulao utilizadas em vrios tipos de sistemas de

transmisso e, para atender o canal ptico em espao livre, temos que avaliar o desempenho de cada

uma das tcnicas e levar em considerao as particularidades deste tipo de canal [Bar94].

As tcnicas de modulao acabam sendo determinadas pelas grandes perdas de propagao,

limitao na largura de banda e os efeitos da iluminao ambiente de um determinado ambiente. As

tcnicas de modulao em banda base so as que permitem uma maior eficincia na utilizao da

potncia ptica transmitida e tcnicas que utilizam portadoras eltricas ajudam no estabelecimento

de vrios canais simultneos.

Para se fazer a escolha da melhor modulao, podemos utilizar dois critrios: a eficincia

em termos de potncia e a eficincia espectral. No entanto, a capacidade de estabelecer vrios

canais simultneos utilizando portadoras eltricas pode ser utilizada como mais uma caracterstica a

ser analisada.

22

Figura 11. Tcnicas de Modulao [Mor97].

2.6.1. Modulao Analgica

Para uma transmisso ser efetuada diretamente, em banda base, temos dois tipos de

modulao: modulao da intensidade da portadora ptica e modulao por impulsos.

A modulao de uma portadora eltrica pode ser feita em amplitude - AM - ou em

freqncia FM. Para se escolher uma tcnica apropriada temos que levar em conta as

caractersticas dos sinais a transmitir e a qualidade pretendida para o sistema de transmisso, e esta

tcnica possui uma elevada largura de banda do sinal para transmisso se comparada a outras

tcnicas que exigiriam larguras de banda muito maiores e por estarem sujeitas aos efeitos de

disperso multi-percurso.

Uma observao que sistemas que utilizam modulao em banda base so mais

susceptveis aos efeitos de interferncia produzida pela iluminao ambiente.

23

2.6.2. Modulao Digital

Para sinais digitais, em banda base, uma das tcnicas utilizadas a modulao por impulso

PPM (Pulse position Modulation) devida a sua elevada eficincia em potncia. Sendo assim, temos

duas candidatas: L-PAM (L-Pulse Amplitude Modulation) ou modulao por L amplitudes

diferentes, e a L-PPM (L-Pulse Position Modulation) ou modulao por L posies diferentes.

A L-PAM apresenta uma boa eficincia espectral, enquanto a L-PPM apresenta uma boa

eficincia em termos de potncia.

Uma alternativa as duas seria a DPIM (Digital Pulse Interval Modulation) ou Modulao

Digital do Intervalo entre Impulsos.

2.6.2.1. Comparando alguns Tipos de Modulao

Em [Mor97] foram feitas comparaes entre vrias tcnicas de modulao. Na figura

abaixo, temos a comparao entre os formatos dos sinais OOK-NRZ, 4-PPM e 4-PIM, quando se

utiliza impulsos retangulares.

Figura 12. Formato de algumas tcnicas de modulao em Banda Base.

24

No OOK-NRZ, o bit 1 transmitido na forma de impulso com durao Tb=1/Rb, onde Rb

a taxa de transmisso em bits por segundo, enquanto que o bit 0 transmitido quando se tem

ausncia do impulso.

No L-PPM, ou PPM de ordem k, cada palavra de k bits modulada na forma de um dos

L=2k, smbolos possveis, e cada smbolo possui uma durao Tw=kxTb. Se dividirmos cada smbolo

por L intervalos iguais, ento a durao ser Ts= kxTb/L, o que chamamos de posies. Ou seja,

cada smbolo constitudo por um impulso de durao Ts transmitido em uma das L posies

existentes, como na figura que utiliza k=2 como exemplo. A informao transmitida est na posio

do impulso [Mor97].

No caso do L-PIM, que semelhante ao L-PPM, a informao transmitida pela distncia,

ou seja, pelo nmero de posies entre os impulsos consecutivos, pelo que os vrios smbolos

possveis tm duraes diferentes. Em relao ao PPM, suas vantagens so a maior taxa de bits para

a mesma largura de impulso e a ausncia de sincronismo de smbolo. Por outro lado, a potncia

ptica mdia transmitida superior utilizada em PPM, a durao dos smbolos no constante, o

que provoca um vagueio d.c. e a deteco dos impulsos s pode ser feita utilizando detectores de

limiar. Esta ausncia de sincronismo torna o receptor menos complexo, mas conduz a propagao

de erros: um impulso detectado na posio errada pode conduzir a dois smbolos errados [Mor97].

Os sinais PPM podem ser detectados por meio de detectores de limiar (DL) ou por

detectores de mxima verossimilhana ou Maximum-A-Posteriori (MAP).

Para um detector MAP, a energia contida em cada posio medida, e assim se determina a

posio do impulso transmitido onde se tem maior energia.

E para um detector DL, a energia contida em cada posio tambm medida, e para cada

uma das L posies, estima-se a presena ou ausncia de um impulso comparando o valor da

amostra com um nvel de deciso. Assim, se consegue detectar smbolos com vrios impulsos, os

quais constituem smbolos L-PPM ilegais.

O processo para se fazer a converso dos smbolos detectados (com zero, um ou mais

impulsos) nos k bits de informao correspondentes pode ser feito da seguinte forma:

a) No caso da deteco de apenas um impulso, a posio correspondente considerada

a posio onde o impulso foi transmitido;

25

b) No caso de no ser detectado nenhum impulso, considera-se que foi transmitido o

smbolo cujo impulso est na primeira posio;

c) Caso seja detectado dois ou mais impulsos, a primeira das posies correspondentes

considerada como a posio em que o impulso foi transmitido.

Assim, assumindo que todos os smbolos so transmitidos com probabilidades iguais, esta

a regra de demodulao que minimiza a probabilidade de erro de bit (PEB). Uma alternativa seria

declarar erros em todos os casos em que no apenas detectado um nico impulso.

Sobre o detector MAP, o detector DL leva vantagem pela menor complexidade de

implementao.

Segundo [Mor97], para se escolher uma tcnica de modulao, deve-se considerar a largura

de banda necessria. A figura abaixo mostra um comparativo das curvas da densidade espectral de

potncia dos sinais OOK-NRZ e L-PPM para vrias ordens.

Figura 13. Mostra dos espectros de potncia dos sinais OOK-NRZ e L-PPM com vrias ordens.

Em [Mor97] temos uma tabela onde se compara a eficincia espectral e a eficincia em

termos de potncia de vrias tcnicas de modulao, para um canal sem disperso multi-percurso e

sem interferncia ptica. Ele utiliza o sinal OOK-NRZ como referncia para efeitos de comparao

26

com as outras tcnicas, com largura de banda igual a 1 e que a potncia ptica necessria para um

dado desempenho de 0 dBm.

Tabela 1. Desempenho de algumas tcnicas de modulao em banda base num canal sem disperso e sem interferncia (relativamente a OOK-NRZ) [Mor97].

Largura de banda (normalizada) Requisitos de potncia (dB)

OOK-NRZ (2-PAM) 1 0

4-PAM 0,5 +3,3

8-PAM 0,33 +6,1

2-PPM (Manchester) 2 0

4-PPM 2 -3

8-PPM 2,67 -5,4

16-PPM 4 -7,5

Segundo [Mor97], a tcnica OOK-NRZ a mais simples e representa um bom compromisso

entre a largura de banda e potncia ptica necessria. Utilizando impulsos retangulares com durao

igual durao de um bit, a largura de banda necessria aproximadamente igual taxa de

transmisso [Kah94]. Dessa forma, sua caracterstica espectral a faz ser uma boa candidata para

sistemas com taxas de transmisso superiores a 10 Mbps, pois os efeitos da disperso multi-

percurso so inferiores aos observados para outras tcnicas. Para taxas de transmisso inferiores a

10 Mbps, em que os efeitos da disperso multi-percurso no so muito importantes, a baixa

eficincia em termos de potncia penaliza esta soluo.

Mesmo assim, os sinais OOK-NRZ tm uma grande percentagem da sua energia

concentrada nas baixas freqncias, o que dificulta a utilizao de filtragem eltrica passa-alta para

reduzir os efeitos da interferncia ptica. O sincronismo tambm uma desvantagem. O processo

de recuperao de relgio fica difcil devido a possibilidade de ocorrerem longas seqncias de

zeros ou uns. Podemos minimizar este problema recorrendo a embaralhadores (scramblers).

Uma outra forma de aliviar o problema da sincronizao associado ao NRZ utilizar NRBI (Non-

Return-to-zero with Bit Insertion). NRBI uma tcnica de codificao que insere um um sempre

que ocorra uma longa seqncia de zeros. Para taxas de transmisso superiores a 10 Mbps, a

27

penalidade em sistemas OOK-NRZ devida interferncia-entre-smbolos (ISI - InterSymbol-

Interference) provocada pela disperso multi-percurso comea a ser significativa.

O L-PPM a tcnica de modulao mais eficiente em termos de potncia ptica, mas

tambm a que exige mais em termos de largura de banda. Quanto maior a ordem de L-PPM,

menor ser a potncia necessria para a transmisso. Segundo [Mor97], quando se tem canais sem

disperso multi-percurso, a potncia ptica necessria em um sistema utilizando 16-PPM cerca de

7,5 dB inferior necessria em um sistema utilizando o OOK-NRZ. Em canais com disperso

multi-percurso esta diferena menor e diminui com o aumento da taxa de transmisso. No entanto,

para sistemas a 30 Mbps, o desempenho de 16-PPM ainda superior ao de OOK-NRZ.

Com essa elevada eficincia em termos de potncia de L-PPM tem conduzido procura de

solues que permitam a sua utilizao a taxas de transmisso elevadas (> 10 Mbps), s quais a ISI

provocada pela disperso multi-percurso maior.

Como alternativa modulao em banda base, podem utilizar-se tcnicas de modulao que

utilizam uma portadora eltrica. Estas permitem estabelecer vrios canais simultneos recorrendo a

vrias portadoras. A utilizao de mltiplas portadoras pode tambm ser usada para evitar os efeitos

da disperso multi-percurso. Num canal com disperso, a resposta em freqncia no varia

significativamente dentro de intervalos inferiores a 10 MHz, pelo que modulando cada portadora a

taxas de transmisso inferiores a 10 Mbps, os efeitos da disperso no so muito severos.

Combinando vrios canais, pode criar-se uma ligao com uma taxa de transmisso de vrias

dezenas de Mbps.

A grande desvantagem das tcnicas de modulao que utilizam uma portadora eltrica a

baixa eficincia em termos de potncia. Na tabela 2 temos a comparao da eficincia espectral e a

eficincia em termos de potncia de vrias tcnicas de modulao que utilizam portadora eltrica,

para um canal sem disperso multi-percurso e sem interferncia ptica.

28

Tabela 2. Desempenho de algumas tcnicas de modulao com portadoras eltricas num canal sem disperso e sem interferncia (relativamente a OOK-NRZ).

Largura de banda (normalizada) Requisitos de potncia (dB)

OOK-NRZ (ref) 1 0

BPSK 2 +1,5

4-BPSK 2 +4,5

QPSK 1 +1,5

4-QPSK 1 +4,5

Um terceiro aspecto que condiciona a escolha da tcnica de modulao mais apropriada para

um dado sistema de transmisso a interferncia ptica produzida pela iluminao artificial. A

interferncia ptica produzida por lmpadas fluorescentes equipadas com reatores eletrnicos pode

provocar penalidades de potncia muito elevadas. Considerando os efeitos da interferncia ptica,

16-PPM com deteco MAP mostra-se como uma das tcnicas mais apropriadas. Para taxas com

transmisso inferior a 1 Mbps, o BPSK uma boa soluo.

2.7. A NATUREZA DINMICA DO CANAL

Diferentemente do que se pensava, de que o canal ptico em espao livre era sempre

esttico, o canal ptico apresenta um comportamento bastante dinmico, com variaes

considerveis dos valores de alguns dos parmetros que o caracterizam. E estas caractersticas

resultam principalmente das variaes das condies de iluminao ambiente e da interao dos

utilizadores com o sistema de transmisso. Este aspecto muito importante e deve ser tomado em

considerao no projeto e implementao dos sistemas de transmisso, pois durante um perodo de

tempo, um sistema de transmisso pode estar completamente operacional e no perodo seguinte

pode estar totalmente intil.

Ao longo do tempo as condies de iluminao ambiente variam substancialmente. Com o

movimento da Terra girando em torno do sol, pode-se criar zonas em que a luz solar muito

intensa, conduzindo a elevados nveis de rudo quntico ou mesmo saturao dos receptores

pticos. Nos casos em que a luz solar incide diretamente sobre o receptor, quase impossvel

manter uma ligao fsica, mesmo utilizando a filtragem ptica. Nas solues que utilizam

diversidade espacial, como o receptor setorizado ou o receptor que utiliza uma lente e uma matriz

29

de fotodetectores, so necessrios cuidados especiais para que a luz solar no destrua alguns dos

fotodetectores. Conforme a posio do sol se vai alterando, as zonas com iluminao mais intensa

vo tambm mudando. Isso provoca alteraes na rea e na forma das clulas pticas. Assumindo

que os transceptores pticos esto fixos, este fenmeno coloca alguns deles dentro da clula e

retiram outros que antes estavam dentro da clula.

Alm das variaes da iluminao solar, quando se utiliza a iluminao artificial tambm se

verifica rudos e interferncias no sistema. A movimentao dos dispositivos e das pessoas no

ambiente tambm provoca variaes nos nveis de interferncia captados.

2.8. RESUMO DO CAPTULO

A maior largura de banda do canal, a ausncia de licenciamento, pequena interferncia de

clulas adjacentes e o baixo custo das implementaes so as principais vantagens dos sistemas de

transmisso pticos em espao livre frente aos sistemas rdio.

H duas maneiras de se estabelecer ligaes pticas:

1- Propagao direta com linha de visada do sinal ptico entre o emissor e o receptor

2- Depender de reflexes do sinal ptico nas superfcies envolventes (paredes, teto,

cho e demais objetos) para criar um canal difuso ou canal quase-difuso.

Cada um dos tipos de canal apresenta caractersticas diferentes em termos de perdas de

propagao e disperso. A disperso particularmente importante nos canais difusos e provocada

pelos diferentes atrasos de propagao que o sinal ptico sofre ao percorrer percursos diferentes

entre o emissor e o receptor.

O canal em visada direta o que apresenta menores perdas de propagao e o que tem a

maior largura de banda por estar pouco sujeito a disperso multi-percurso, mas exige orientao dos

transceptores pticos e no permite a interrupo do percurso em visada direta.

O canal difuso permite uma maior mobilidade dos transceptores e bastante imune a

sombras, mas exige elevados nveis de potncia ptica e tem uma largura de banda limitada pela

disperso multi-percurso.

30

O rudo e a interferncia ptica produzidos pela iluminao ambiente, natural e artificial, so

outros aspectos que limitam o desempenho dos receptores pticos. Os nveis mdios de irradincia

produzidos pela luz ambiente so normalmente muito elevados e conduzem a elevados nveis de

rudo quntico gerado nos fotodetectores. As variaes da intensidade luminosa das fontes de luz

artificial produzem um sinal ptico que interfere com o sinal transmitido.

Os LEDs brancos so considerados fortes candidatos para o futuro da tecnologia de

iluminao, pois possuem caractersticas bem favorveis como o alto brilho, o baixo consumo de

energia e uma grande vida til. Alguns cientistas predizem que, dentro de poucos anos, os LEDs

brancos tero a capacidade de iluminao das lmpadas de 60 Watts, com apenas uma fonte de

alimentao de quatro pilhas de tamanho D. Dessa forma, fcil de se acreditar que os LEDs

brancos venham realmente a substituir as luzes incandescentes e fluorescentes. Alm de seu uso

peculiar como transmissor de rede em banda larga, que nenhum outro sistema de iluminao

capaz.

Para cada tipo de canal e dependendo da aplicao podem ser utilizadas diferentes tcnicas

de modulao. Para transmisso digital a taxas inferiores a 30 Mbps, L-PPM (uma tcnica em banda

base), conduz aos menores requisitos de potncia, mesmo em canais com disperso multi-percurso e

sob o efeito de interferncia ptica. Para taxas de transmisso superiores, a melhor tcnica a

OOK-NRZ. Para taxas de transmisso inferiores a 1 Mbps, o BPSK uma boa soluo.

Os sistemas de transmisso pticos em espao livre tm sido aplicados nos mais diversos

tipos de sistema de comunicao.

Para ambientes exteriores: so comuns as ligaes ponto-a-ponto utilizando o modo de

visada direta.

Para ambientes interiores: em modo difuso, as taxas de transmisso utilizadas so de

apenas alguns Mbps, mas trabalhos publicados recentemente demonstram que possvel

implementar ligaes em modo difuso com taxas de transmisso da ordem dos 100 Mbps. Tais

ligaes poderiam competir facilmente com os meios de transmisso por cabo, os quais fornecem j

taxas de transmisso desta ordem de grandeza. No entanto, as tcnicas mais avanadas que

suportam estas taxas de transmisso, tais como a diversidade espacial, os emissores com mltiplos

feixes pticos, as tcnicas de cancelamento da interferncia ptica carecem ainda de resultados

experimentais que demonstrem as suas potencialidades.

31

3. RUDO E INTERFERNCIA DA ILUMINAO

Uma das maiores limitaes de desempenho nos sistemas de transmisso pticos em espao

livre, afetando diretamente os receptores pticos destes sistemas, est relacionado iluminao

ambiente. Tanto a iluminao artificial quanto a radiao solar produzem elevados nveis de

potncia ptica. A densidade de potncia ptica por unidade de rea, chamada tambm de

irradincia, produzida pela luz solar aproximadamente constante ao longo do tempo, e observa-se

apenas lentas variaes (mas com grandes amplitudes) que so provocadas por sombras e pelo

movimento relativo do sol. Ao contrrio da luz solar, a iluminao artificial apresenta rpidas

variaes (tambm com grandes amplitudes) que so resultantes da utilizao de corrente alternada

na alimentao das lmpadas.

3.1. FONTES DE ILUMINAO

Para determinar o rudo e a interferncia produzidos pela iluminao ambiente, h a

necessidade de se determinar quais tipos de fontes de iluminao podem existir na maioria dos

ambientes. As classes de fontes de iluminao mais utilizadas so as seguintes:

a) radiao solar;

b) lmpadas incandescentes (ambientes domsticos);

c) lmpadas fluorescentes equipadas com reatores convencionais (ambientes de

escritrio e de ensino);

d) lmpadas fluorescentes equipadas com reatores eletrnicos (ambientes comerciais e

instalaes hoteleiras).

3.2. CARACTERIZAO DA ILUMINAO AMBIENTE

Como temos vrios tipos de fontes de iluminao ambiente e que podem afetar diretamente

os sistemas de transmisso pticos, as mais importantes so a solar e as dos dispositivos de

iluminao artificial (lmpadas).

Os dispositivos de iluminao ambiente possuem um espectro ptico ocupando uma gama

de comprimento de onda muito largo, desde os ultravioletas at os infravermelhos. Os Sistemas de

32

Transmisso pticos trabalham com comprimentos de onda entre os 750 nm e os 1000 nm e vai

depender do espectro ptico da fonte de sinal utilizada (LED ou LASER). Sendo assim, a potncia

ptica detectada pelo dispositivo fotodetector inclui uma parcela da potncia produzida por essa

iluminao ambiente, atingindo algumas ordens de grandeza superior potncia ptica do sinal

transmitido [Mor97].

Os efeitos dessas fontes de iluminao podem vir de duas formas distintas: na forma de

rudo quntico produzido no prprio fotodetector e na forma de interferncia resultante das

variaes temporais da irradincia produzida pela luz ambiente.

No caso da potncia ptica incidente ser constante, o rudo quntico estacionrio, e a

potncia do rudo proporcional potncia ptica incidente. Quando ela no for constante, o rudo

quntico um processo no-estacionrio.

3.2.1. Deteco da Irradiao e da Interferncia

Durante o funcionamento normal de um Sistema de Transmisso ptico, o sinal transmitido

captado pelos fotodetectores e estes convertem o sinal de luz em uma corrente, proporcionando a

determinao da informao. Toda a irradiao e a interferncia que atingem os fotodetectores

acabam gerando uma corrente induzida nestes fotodetectores, alterando o nvel da corrente

alterando o sinal recebido. De acordo com a intensidade desta corrente induzida se determina o

nvel da interferncia e os meios para se eliminar estas interferncias.

A radiao solar produz nveis de irradincia muito elevados, constituindo a fonte de rudo

quntico mais importante.

De acordo com os resultados apresentados em [Mor97], a interferncia da iluminao

artificial foi caracterizada e cada tipo de lmpada possui um nvel de interferncia diferente:

a) as lmpadas incandescentes produzem um sinal interferidor cuja forma a de uma

senide quase perfeita. O respectivo espectro de potncia ocupa uma gama de freqncias at cerca

de 1 kHz. Todas as lmpadas incandescentes produzem interferncia muito semelhante.

b) as lmpadas fluorescentes equipadas com reatores convencionais produzem interferncia

que ocupa uma gama de freqncias mais larga que as lmpadas incandescentes, at cerca de 20

kHz. No entanto, todas as componentes espectrais de freqncia superior a 2 kHz esto mais de 40

33

dB abaixo da componente mais forte. Tambm at cerca de 2 kHz, o espectro de potncia da

interferncia produzida pelos vrios conjuntos lmpada+reator bastante semelhante, apresentando

diferenas significativas apenas para freqncias mais elevadas.

c) as lmpadas fluorescentes equipadas com reatores eletrnicos produzem interferncia de

banda relativamente larga, com espectros que se estendem at cerca de 1 MHz. O espectro de

potncia apresenta duas componentes distintas: uma s baixas freqncias, semelhante produzida

pelas lmpadas com reator convencional, e uma outra a mais altas freqncias resultante da

freqncia de comutao dos reatores eletrnicos.


Neste captulo foram descritos algumas fontes de iluminao e a caracterizao da

iluminao de ambiente, bem como os efeitos que os dispositivos proporcionam para estes

ambientes.

Um fator importante e que no foi levado em considerao est relacionado diretividade,

ou diagrama de radiao das diversas fontes de iluminao ambiente. Este aspecto muito

importante e relevante para a avaliao do desempenho real de algumas tcnicas tal como a

utilizao da diversidade angular no receptor.

34

4. EFEITOS DA INTERFERNCIA DA LUZ NO DESEMPENHO DE SISTEMAS DE TRANSMISSO PTICOS

Todo sistema de transmisso ptico afetado pela presena da luz ambiente, que pode ser

tanto natural ou artificial, prejudicando o seu desempenho, e cada tipo de fonte de iluminao gera

um efeito diferente nos Sistemas de Transmisso pticos.

Em [Mor97] foram feitas avaliaes dos efeitos da iluminao ambiente de acordo com cada

tipo de fonte de iluminao e utilizando tcnicas de modulao diferentes, adotando como medida a

eficincia em termos de potncia ptica (potncia ptica necessria para uma determinada

probabilidade de erro).

O modelo utilizado em [Mor97] para um sistema de transmisso ptico, o mostrado na

figura abaixo:

Figura 14. Modelo do Sistema de Transmisso.

Foram escolhidas 3 tcnicas de modulao (as mais utilizadas para sistemas pticos): OOK-

NRZ, L-PPM e BPSK. Para cada uma delas foi transmitida uma seqncia de bits ai={0,1} dividida

em palavras de um ou mais bits e dessa forma transmitida em forma de smbolo.

4.1. RESULTADOS

Os resultados encontrados em [Mor97], um dos nicos pesquisadores a ir mais a fundo no

teste das tcnicas de modulao e na descrio dos efeitos das radiaes e interferncias, mostram

que a interferncia produzida pela iluminao artificial deve ser considerada nos estudos de

desempenho e no projeto de sistemas de transmisso pticos em espao livre, por serem as mais

prejudiciais aos sistemas.

35

Os efeitos da interferncia ptica podem resumir-se da seguinte forma:

As tcnicas de modulao em banda base utilizadas pelos sistemas pticos so os

mais afetados pela interferncia ptica, produzida pela iluminao artificial. Para

sistemas que utilizam portadoras eltricas, deve-se utilizar portadoras com

freqncias elevadas permite evitar os efeitos da interferncia ptica;

Em canais sem interferncia, ou seja, em ambientes onde no existe iluminao

artificial, o desempenho dos Sistemas de Transmisso limitado apenas pelo rudo

quntico induzido pela radiao solar;

Em canais com interferncia, a iluminao artificial gera muita interferncia,

atenuando bastante os nveis de potncia dos sinais transmitidos, sendo assim os

grandes viles dos Sistemas de Transmisso pticos;

A atenuao da potncia dos sinais transmitidos devido interferncia maior

quanto se trabalha com baixas taxas de transmisso;

Em sistemas OOK-NRZ e L-PPM com deteco de limiar (DL), todos os tipos de

interferncia produzem atenuaes elevadas nos sinais transmitidos;

Os sistemas L-PPM com deteco MAP, para taxas de transmisso superiores a 1

Mbps, so bastantes robustos interferncia produzida por lmpadas incandescentes

ou por lmpadas fluorescentes equipadas com reatores convencionais;

A interferncia ptica produzida por lmpadas fluorescentes equipadas com reatores

eletrnicos produz atenuaes de potncia muito elevadas em todos os sistemas em

banda-base considerados, para taxas de transmisso at cerca de 10 Mbps. Para taxas

de transmisso superiores, a atenuao em sistemas L-PPM com deteco MAP

menor, sendo praticamente nula para taxas de transmisso na ordem dos 100 Mbps.

Pelos resultados encontrados, a tcnica 16-PPM constitui uma boa tcnica de modulao na

presena de interferncia e sem interferncia. Mas para sistemas com taxas de transmisso

inferiores a 1 Mbps, a melhor tcnica a BPSK.

36

5. TCNICAS CONTRA INTERFERNCIAS DA LUZ AMBIENTE

Nos captulos anteriores, vimos que o desempenho dos sistemas de transmisso pticos so

afetados pela interferncia ptica produzida pela iluminao ambiente e acaba provocando, muitas

vezes, altas atenuaes de potncia. Para evitar estas atenuaes, existem diversas tcnicas para a

sua reduo.

5.1. FILTROS PTICOS

A filtragem ptica uma das formas utilizadas no combate dos efeitos da iluminao

ambiente, e a sua eficincia na reduo da irradincia no fotodetector foi avaliada

experimentalmente em [Mor97]. Utiliza-se filtros passa-alta para se fazer a filtragem ptica. Com

os resultados de vrios experimentos, conclui-se que:

a) a filtragem ptica mais eficiente para a radiao produzida por lmpadas fluorescentes

que para os restantes tipos de iluminao ambiente;

b) para as lmpadas fluorescentes, a eficincia do filtro ptico maior na reduo da

corrente induzida do que na reduo da amplitude da interferncia.

Este ltimo resultado era inesperado nos experimentos em [Mor97], pois o coeficiente de

transmisso do filtro ptico depende do espectro ptico da radiao em causa, este ltimo resultado

sugere que os espectros pticos da irradincia mdia e da interferncia produzidos por lmpadas

fluorescentes no so iguais. Complementando, a componente mais forte do espectro de potncia da

interferncia est em 100 Hz, estando as outras componentes espectrais mais de 20 dB abaixo. Isto

implica que a atenuao produzida pela filtragem ptica na amplitude da interferncia

denominada pela atenuao produzida na componente a 100 Hz, sofrendo assim, junto com o

corrente induzida uma atenuao semelhante a 27 dB [Mor97].

5.2. FILTROS PASSA-ALTA

Em [Mor97], foram feitos estudos a respeito deste tipo de filtragem eltrica passa-alta, e

devido s expresses das probabilidades de erro de cada sistema serem complexas, requerendo

muito tempo de processamento, optou-se por recorrer s simulaes, pois permite obter resultados

37

mais rapidamente e uma maior flexibilidade no estudo de vrias solues. O software utilizado foi o

Signal Processing WorkSystem (SPW).

Esse estudo da utilizao da filtragem eltrica foi feito sobre os sistemas OOK-NRZ e L-

PPM, pois sistemas que utilizam portadoras eltricas (BPSK, FSK, etc.) com freqncias elevadas

permitem sempre evitar a gama de freqncias ocupada pela interferncia [Mor97].

O critrio utilizado foi a quantidade de erros de bits. Para probabilidades de erro de bits

elevada (>10-3) foram considerados 1000 erros. Para probabilidades de erro de bis baixas foram

consideradas 100 erros. Dessa forma, consegue-se obter estimativas e probabilidade de erro com

margens de erro muito reduzidas [Jer84].

Os resultados obtidos em [Mor97] revelam que a utilizao de filtragem eltrica passa-alta

permite, em muitos casos, combater eficazmente a interferncia produzida pela iluminao

artificial.

Quando no se tem lmpadas fluorescentes com reatores eletrnicos no ambiente, pode-se

utilizar qualquer tcnica de modulao, pois a utilizao de filtragem eltrica passa-alta permite

combater os efeitos da interferncia de forma eficaz. Dentre as tcnicas de modulao utilizadas, a

16-PPM constitui um bom candidato pela sua elevada eficincia em termos de potncia [Mor97].

Agora quando se tem lmpadas fluorescentes equipadas com reatores eletrnicos no

ambiente, a escolha da tcnica de modulao mais crtica. Os resultados apresentados em [Mor97]

mostram que OOK-NRZ no uma soluo vivel, pelo menos para taxas de transmisso at 10

Mbps. Para taxas de transmisso superiores a 1 Mbps, 4-PPM ou 16-PPM so as melhores opes.

No entanto, para taxas de transmisso superiores a 10 Mbps, a tcnica 4-PPM seria a mais

apropriada [Mor97].

Nos testes feitos em [Mor97], as caractersticas do filtro eltrico passa-alta foram ajustadas

de forma a obter um melhor desempenho. Na prtica, o filtro tem que ser dimensionado para

certas condies de iluminao, pelo que o desempenho em outras condies de iluminao pode

ser muito inferior ao que se obteria se o filtro fosse ajustado para esses casos.

38

5.3. CANCELAMENTO DA INTERFERNCIA

Esta tcnica consiste em identificar as diferenas entre dois sinais captados por dois

fotodetectores e eliminar esta diferena, deixando apenas o sinal transmitido.

Considerando o receptor ptico mostrado na figura abaixo, ele constitudo por dois pr-

amplificadores. Em cada amplificador esto associados um fotodetector e um filtro ptico. Os dois

fotodetectores podem ser ou no semelhantes (rea ativa e curva de resposta), enquanto que os dois

filtros pticos devem ser diferentes. No caso mais simples, o filtro ptico F2 pode ser retirado.

Simplificando a anlise, admite-se que os dois fotodetectores so perfeitamente semelhantes,

embora esta no seja uma condio para que a tcnica possa ser aplicada [Mor97].

Figura 15. Receptor ptico com cancelamento da interferncia ptica [Mor97].

Para mostrar o princpio do cancelamento da interferncia, consideremos apenas a corrente

de sinal (iS) e a corrente de interferncia (ii) em cada fotodetector. Consideremos tambm os dois

filtros pticos, F1 e F2, apesar de diferentes, no atenuam o sinal transmitido, portanto iS1(t)=iS2(t).

Sendo estes dois filtros pticos diferentes, a atenuao provocada por um deles maior. Se

ii1(t)>ii2(t), ao juntarmos o ganho do amplificador para o valor dado por ii1(t)/ii2(t), ento a

interferncia cancelada no somador. Por outro lado, o somador no consegue cancelar o sinal

desejado, pois iS1(t)AviS2(t). Sendo assim, este fato permite que, por combinao linear da corrente

nos dois fotodetectores, seja possvel cancelar a interferncia sem que seja cancelado o sinal

desejado [Mor97].

Para esta tcnica funcionar, as correntes nos fotodetectores precisam ser diferentes, ajudado

pelo fato dos dois filtros serem diferentes. Sendo assim, as diferenas entre as respostas em

comprimento de onda dos filtros pticos resultam em diferentes valores para os coeficientes de

39

transmisso associados a cada uma das componentes da irradincia. Assim, a relao entre a

amplitude do sinal desejado iS(t), e a amplitude da interferncia ii(t), diferente em cada um dos

fotodetectores. Assumindo que os dois pr-amplificadores so semelhantes (mesma resposta em

freqncia) e que tm um comportamento linear, a tenso sada dos mesmos uma funo linear

da corrente em cada um dos fotodetectores.

Um ponto negativo para esta tcnica devido a necessidade de aumentar a potncia ptica

necessria para compensar a utilizao de cancelamento relativamente a um receptor que no usa

cancelamento e que no est sob o efeito de interferncia ptica.

Uma caracterstica desta tcnica que o valor da penalidade no depende da taxa de

transmisso, do tipo de interferncia e nem da sua intensidade (exceto no caso em que a sua

amplitude seja zero).

Com esta caracterstica, se consegue sistemas que se adaptam a variaes das condies de

iluminao ambiente, sendo isto uma grande vantagem relativamente aos sistemas que utilizam

filtragem eltrica passa-alta, uma vez que estes s podem ser otimizados para um caso de

iluminao ambiente, a menos que se utilize filtragem adaptativa [Mor97].

No entanto, enquanto para sistemas de transmisso digital normalmente possvel recorrer a

filtragem eltrica passa-alta para combater a interferncia, nem sempre possvel em sistemas de

transmisso analgica em banda base. Por exemplo: em sistemas de transmisso de vdeo em banda

base, a forma do espectro do sinal de vdeo no permite a utilizao de filtragem eltrica passa-alta,

alm do que o desempenho dos sistemas no satisfatrio. Nestes casos, o recurso tcnica de

cancelamento da interferncia poder conduzir a melhores resultados.

5.3.1. Regras para a escolha dos filtros pticos

Para se fazer a escolha correta dos filtros pticos F1 e F2, necessrio definir as

caractersticas dos filtros pticos que minimizam a atenuao e tambm em relao ao custo. Outro

ponto importante que os nveis de rudo quntico N1 e N2 dependem tambm das caractersticas

dos filtros pticos, o que torna ainda mais complexa a operao de minimizao da atenuao.

Para comear, deve-se assumir o ramo superior como receptor do sinal transmitido e o ramo

inferior como receptor das interferncias.

40

Em [Mor97] h uma explicao para isso. A escolha do filtro F1 deve ser feita de forma a

maximizar a amplitude do sinal transmitido (Ts11) e a minimizar a amplitude da interferncia

(Ti10), e da mesma forma o filtro F2 deve ser escolhido para maximizar a amplitude da

interferncia (Ti21) e a minimizar a amplitude do sinal desejado (Ts20). Para escolher o filtro

F1 as regras so as mesmas que para um receptor convencional e levam escolha de um filtro do

tipo passa-longo com um comprimento de onda de corte ligeiramente inferior ao comprimento de

onda central do sinal transmitido, ou a um filtro do tipo passa-faixa com um comprimento de onda

central e largura de banda semelhantes ao do sinal transmitido. Para escolher o filtro F2 as regras

levam escolha de um filtro que rejeite o sinal transmitido e que no atenue a interferncia em

demasia. Uma soluo possvel escolher um filtro do tipo passa-baixa com um comprimento de

onda de corte ligeiramente inferior ao comprimento de onda central do sinal transmitido. Uma outra

soluo consiste na utilizao de um filtro do tipo passa-longo com um comprimento de onda de

corte ligeiramente superior ao comprimento de onda central do sinal transmitido. Esta segunda

soluo no maximiza a amplitude da interferncia, mas reduz consideravelmente o nvel de rudo

quntico N2. A soluo mais apropriada depende, neste caso, dos nveis esperados para o rudo

quntico.


Foram estudados trs tcnicas de combate aos efeitos da interferncia ptica produzida pela

iluminao artificial: a filtragem ptica, a filtragem eltrica passa-alta e o cancelamento da

interferncia.

A filtragem ptica ajuda muito na reduo dos efeitos da interferncia das lmpadas

fluorescentes, onde so mais eficientes.

O estudo sobre a filtragem eltrica foi efetuado para sistemas utilizando dois tipos de

modulao em banda base, OOK-NRZ e L-PPM, uma vez que so estes os mais afetados pela

interferncia ptica. Esta tcnica permite, em muitos casos, reduzir a atenuao de potncia

provocada pela interferncia para valores aceitveis (< 2 dB). Se no forem utilizadas lmpadas

fluorescentes no ambiente, ela acaba sendo eficiente para sistemas com taxas de transmisso

superiores a 1 Mbps. Para taxas inferiores a esta, a filtragem eltrica no eficiente.

A grande desvantagem da filtragem eltrica passa-alta que, para cada tipo diferente de

iluminao ambiente, deve-se utilizar filtros diferentes. Isto faz com que o desempenho dos

41

sistemas de transmisso possa ser apenas otimizado para casos de iluminao ambiente pr-

definidos. Nos casos em que a filtragem eltrica passa-alta no eficaz, ou quando no possvel

recorrer a essa tcnica, como por exemplo, em sistemas de transmisso analgica de sinais de vdeo

em banda base, a tcnica de cancelamento da interferncia mostra-se bastante atrativa. Apesar de

mais complexa que a filtragem eltrica passa-alta, a tcnica de cancelamento permite reduzir a

atenuao de potncia para valores aceitveis por ser mais verstil [Mor97].

6. CONSIDERAES FINAIS

Este trabalho foi efetuado no sentido de analisar os aspectos fsicos de um sistema de

transmisso ptico em espao livre, relatando os componentes opto eletrnicos mais utilizados por

este sistema e tambm suas caractersticas, sendo baseado principalmente na utilizao de LEDs

brancos que, no futuro, podem vir a substituir as lmpadas convencionais devido a sua grande

eficincia e ao acrscimo de funes no ambiente, como iluminador e transmissor.

Com a anlise das principais caractersticas da ligao fsica que envolve os sistemas pticos

em espao livre, logo no incio deste trabalho, foram identificados os principais problemas desta

tecnologia e suas limitaes. A partir disso, foram verificados os vrios modos possveis de

propagao de um sinal de luz em um ambiente: o modo difuso, o modo visada direta e o modo

quase-difuso.

Foi feito um estudo das tcnicas de modulao mais utilizadas e verificadas as ideais, de

acordo com as taxas de transmisso necessrias e imunidade s interferncias. Os aspectos que

acabam limitando o desempenho dos sistemas de transmisso pticos so: a disperso multi-

percurso, que limita a largura de banda e resultante da propagao do sinal ptico devido s

reflexes em vrias superfcies encontradas em um ambiente (ocorre nos modos difuso e quase-

difuso); as perdas de propagao, que normalmente so muito elevadas; e os efeitos da iluminao

do ambiente que resultam em elevados nveis de rudo e interferncia, cuja fonte pode ser tanto

natural (solar) quanto artificial (lmpadas).

A tecnologia ptica apresentou ser muito interessante e pode, para muitas aplicaes, ser

uma excelente alternativa transmisso a rdio. Comparando estas duas tecnologias, as vantagens

da tecnologia ptica sobre a rdio na grande largura de banda disponvel, altas taxas de

transmisso e pela ausncia da necessidade de licenciamento. A tecnologia a rdio apresenta

42

grandes vantagem em termos de alcance quando se tem receptores longe dos transmissores e

tambm na mobilidade dos dispositivos.

Os resultados obtidos dos estudos feitos para os tipos de tcnicas de modulao disponveis

foram que a tcnica de modulao PPM a mais apropriada para este tipo de transmisso ptico,

tanto para canais sem interferncia ptica quanto para canais com interferncia ptica. Quando se

utiliza detectores de MAP, os resultados so ainda melhores.

Foi feito um

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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA …lyceumonline.usf.edu.br/salavirtual/documentos/1393.pdf · viii RESUMO Da Silva, Ronaldo Wilton. Transmissão de Dados pela Luz