Uma cartilha sobre Fibra Ótica – Parte 1

A maioria de nós da indústria de radiodifusão está familiarizada com os sistemas de transmissão de fibra óptica e as soluções amplamente utilizadas para aplicações de radiodifusão. São tipicamente aplicações externas para conduzir sinais de vídeo entre locais distantes, ou transportar sinais de câmeras distantes para unidades de móveis de transmissão.

A distribuição de sinal dentro de uma instalação é feita tipicamente em cabo coaxial de cobre, que tem sido utilizado de uma forma ou de outra, desde o início da televisão. No entanto, com a transição para vídeo HDTV a largura de banda aumentou quase sete vezes, de 270 Mbit para 1.5 Gbit. Com a nova migração para 1080p, a largura de banda de vídeo aumentou ainda mais, foi a 3 Gbit. À medida que se aumenta a largura de banda, o alcance do cabo de cobre reduz e o nosso mundo interligado em cobre está encolhendo rapidamente. Os comprimentos dos cabos foram reduzidos de 350 metros em 270 Mbit a 140 metros em 1.5 Gbit, e agora ele baixou para cerca de 70 metros em 3 Gbit. Se você considerar algum overhead no comprimento para roteamento dos cabos e painéis de patch de emergência, então 70 metros de comprimento máximo dos cabos já traz sérios problemas para o projeto da instalação e expansão futura.

Para resolver este problema, a tecnologia de fibra já está sendo usada para distribuição de sinal interno. É pouco provável que a fibra irá substituir completamente a distribuição do sinal em cobre, no entanto, ela resolve as restrições para distâncias superiores a dos limites do nosso interligado mundo de cobre.

A tecnologia da fibra
Como a fibra está migrando das poucas aplicações dedicadas externas para uso em mais de uma função nas instalações internas, precisamos entender os conceitos básicos da tecnologia de fibra. Este documento não entra em grandes detalhes técnicos – ele oferece explicações relativamente simplistas para difundir a tecnologia e corrigir alguns equívocos comuns.

A maioria de nós sabe o princípio básico por trás da tecnologia da fibra. Pulsos de luz são transmitidos através de um cabo óptico VS, sinais elétricos enviados através de cabo de cobre. Ainda é necessária a conversão para/ de sinais elétricos em cada extremidade, que envolve o uso de conversores de fibra, isto é, um transmissor e um receptor óptico. Se você conectar um transmissor e um receptor com cabo de fibras, então, temos na sua forma mais rudimentar, um sistema de transmissão de fibra óptica ponto a ponto.

No entanto, existem alguns outros fatores que precisam ser considerados:
• A largura de banda do sinal;
• A distância total a ser coberta;
• Tipos de cabo de fibra e conectores sendo usados;
• Cuidados com cabos de fibra e seu roteamento.

A largura de banda
Os cabos de fibra podem transportar dados numa banda incrível, mas em termos de aplicações de vídeo, os conversores de fibra escolhidos devem suportar a largura de banda máxima de vídeo em uso atualmente e no futuro próximo. Existem muitas soluções disponíveis no mercado para 270 Mbit e 1.5 Gbit e soluções emergentes para 3 Gbit. A aposta mais segura é a “prova de futuro” e instalar 3 Gbit, mesmo se você estiver usando, hoje, sinais de vídeo em apenas 270 Mbit ou 1.5 Gbit. Outra consideração importante é a utilização de conversores com reclocking. Esta é uma boa prática, pois reduz o potencial de erro e garante um nível de qualidade consistente através do link de fibra.

Distâncias
A distância máxima é uma função do transmissor óptico e é uma combinação do comprimento de onda do laser, potência do laser e, o mais importante, o tipo de cabo utilizado. Outros fatores que contribuem são a sensibilidade do receptor ótico e o número de conexões e emendas no cabo. A maioria dos fabricantes associa uma distância máxima em quilômetros a um transmissor óptico (10 km, 40 km, 80 km). Esses valores são muito aproximados já que as variações no link de fibra em si podem influenciar muito as distâncias alcançáveis. Os números em km são normalmente uma estimativa muito baixa e, na maioria dos casos, essas distâncias podem ser facilmente alcançadas e muitas vezes ultrapassadas com a utilização de bons cabos, com um mínimo de conexões e emendas (a necessidade de se associar um valor em km para um dispositivo é principalmente por causa da comercialização, para que seja dada uma indicação da potência do transmissor óptico – km é muito mais fácil de compreender do que “-5 dBm @ 1310”, que é uma expressão exata da potência).

À primeira vista, 10 km parece ser uma “panacéia” para qualquer aplicação dentro de uma instalação com um overhead mais que suficiente. No entanto, alguns cuidados precisam ser tomados, como o tipo de fibra e o número de conexões e emendas que podem afetar significativamente a distância máxima possível. Com cabo de baixa qualidade e várias conexões e emendas em sequência, o alcance pode, potencialmente, ter uma queda de muitos quilômetros para centenas de metros.

É possível que tenhamos cabos de fibra já instalados, que podem ou não ter emendas, limitando as escolhas. É uma boa prática realizar alguns cálculos básicos para estabelecer um budget (uma previsão) do link óptico a partir do qual podemos determinar as distâncias que podem ser alcançadas, dado nosso mix de fatores fixos e variáveis. Isto será discutido em mais detalhes posteriormente.

Tipos de cabos
O marketing de telecomunicações vende para o público benefícios das comunicações em fibra como “centenas de sinais enviados simultaneamente em um sinal por um fio de fibra”. Multiplexar muitos sinais nas fibras é comum, mas isto causou um pequeno equívoco e confusão para aqueles que não estão familiarizados com a terminologia usada para descrever os diferentes tipos de fibra.

Existem dois tipos básicos de fibra: “monomodo” e “multimodo”. O equívoco é que monomodo implica em que irá acomodar um sinal e multimodo, muitos sinais. A conclusão lógica é de que cabo multimodo é melhor do que o cabo monomodo. De fato, o oposto é que é verdadeiro. Monomodo e multimodo não têm nada a haver com o número de sinais que podem ser transportados por uma fibra. Modo significa “caminho da luz”, e monomodo significa único caminho de luz, e multimodo significa muitos caminhos de luz. No “mundo elétrico” um cabo mais grosso significa menos resistência e, portanto, menos perdas no cabo. O oposto é verdadeiro para a fibra. O núcleo menor da fibra oferece mais largura de banda e maior distância.

Todas as fibras têm um núcleo de vidro. O núcleo é cercado com revestimento ótico (também de vidro) que impede a luz de escapar usando o princípio da reflexão interna total (ou de refração). O restante do cabo é camadas com misturas de diferentes materiais para fornecer proteção em relação ao ambiente e a danos físicos.

Cabo de fibras multimodo
O diâmetro do núcleo da fibra multimodo é incrivelmente pequeno (aproximadamente da espessura de um fio de cabelo humano), mas relativamente grande para fibras, 50 ou 62,5 micra. Este “tamanho grande” significa que a luz é dispersa em várias “modos” e os raios de luz, que se movem longitudinalmente, refletem por dentro do cabo. Se o ângulo de incidência é muito alto, então o raio de luz não será refletido (ou refratado) de volta para o núcleo, se perde no revestimento e ocorrem perdas de luz (atenuação). Os muitos caminhos de luz resultam na dispersão intermodal que provoca um efeito de sobreposição degradando a recuperação dos sinais no receptor. O resultado é um sinal de saída de baixa qualidade. O efeito de dispersão se multiplica com a distância e é influenciado pela freqüência do sinal, por isso, o cabo multimodo só é adequado para distâncias mais curtas.

Existem dois tipos básicos de cabo multímodo. Um é o “step index” e o outro “graded index”. O step index usa núcleo e revestimento com diferentes índices de refração, assim a passagem na transição entre as duas é um “passo difícil”. É adequada apenas para distâncias curtas e pequenas larguras de banda (por exemplo, aplicações de consumo, algumas aplicações médicas de curta distância e aplicações automotivas). A fibra multimodo step index deve ser evitada a todo custo, uma vez que não suporta o comprimento de onda do laser e a largura de banda necessários para o vídeo digital.

Fibra multimodo graded index usa variações na composição do núcleo de vidro para compensar percursos de comprimento diferente e reduzir os efeitos de dispersão intermodal. O valor do índice de refração do núcleo de vidro varia “gradualmente” do centro para a borda externa até que seja igual ao índice de refração do revestimento. Isso tem o efeito de minorar o trajeto da luz do exterior para o centro do núcleo conformando os feixes e, portanto, reduzindo as diferenças no comprimento dos trajetos. Além disso, praticamente elimina as perdas de luz no revestimento. O graded index suporta distâncias longas e larguras de banda muito maiores do que o cabo step index e é o tipo mais comum de cabo multimodo usado.

No entanto, não é possível eliminar totalmente a dispersão intermodal e essa característica é diretamente influenciada pela freqüência e a distância. Um sinal de vídeo em 3 Gbit é de alta frequência, e os efeitos sobre essa alta frequência terão um impacto negativo nas distâncias que se pode alcançar com cabo multimodo.

Cabo de fibras monomodo
O cabo monomodo, normalmente, é uma composição de step index utilizando um material para o núcleo e outro para o revestimento, mas o núcleo tem diâmetro tão pequeno que apenas um único raio de luz pode passar através do cabo. O diâmetro do núcleo é, normalmente, de 8 ou 9 micra, (você não pode vê-lo sem um microscópio). Isto aumenta muito a largura de banda, mas esta é praticamente limitada a cerca de 100 GHz. Como é um único caminho de luz, não existem efeitos negativos da dispersão intermodal e as distâncias suportadas são muito maiores do que no cabo multimodo.

No entanto, uma característica chamada “dispersão cromática” tem um impacto sobre os enlaces monomodo e isso é devido à estreita faixa (ou espectro) de comprimentos de onda que o emissor laser ocupa.

Diferentes comprimentos de onda viajam em velocidades diferentes através de uma fibra. Por razões de custo, os lasers usados em fibra para comunicações não emitem um único “ultra preciso” comprimento de onda de luz, além disso, eles têm uma banda (ou espectro) estreita de luz com comprimento de onda de pico e roll off muito próximos. Depois de trafegar pelo núcleo monomodo esta pequena mistura de comprimentos de onda atinge o receptor óptico em intervalos de tempo ligeiramente diferentes, o que provoca a dispersão cromática; obviamente, este efeito se multiplica com a distância. Isto terá um efeito negativo sobre a recomposição do sinal em distâncias muito longas. Isto se torna muito melhor se o laser tiver uma banda muito estreita (ou espectro), e alguns lasers são melhores que outros em termos de desempenho de banda (ou espectral).

Há dois comprimentos de onda utilizados predominantemente para fibras na indústria de vídeo; 1310 nm e 1550 nm. Geralmente os lasers usados na faixa de 1550 nm têm uma resposta espectral muito mais estreita do que a variedade 1310 nm e é por isso que você tende a encontrar transmissores usando lasers de 1550 nm para enlaces de longas distâncias (por causa da dispersão cromática reduzida). Um transmissor de 1310 nm pode atingir distâncias de 10 km, e um transmissor de 1550 nm pode atingir distâncias de 40 km. No entanto, estes valores têm um custo, e transmissores de 1550 nm custam mais do que os de 1310 nm. As características de faixa estreita dos lasers 1550 nm também os tornam ideais para aplicações CWDM, que é um processo de multiplexação de uma série de sinais em uma única fibra. Este tópico será o assunto de outro artigo da LYNX Technik no futuro próximo.

Em geral, os efeitos da dispersão cromática têm um impacto muito menor do que os efeitos da dispersão intermodal. Para aplicações de curta distância com fibra monomodo (menos de 10, 20 km) a dispersão cromática não é algo com que se deva preocupar excessivamente. Com os óbvios benefícios do monomodo você pode perguntar: Por que se preocupar com cabo multimodo? A principal razão é o custo. O cabo multimodo é muito menos dispendioso; e para aplicações em backbone de computadores, transmissores e receptores de baixo custo podem ser utilizados (emissores LED). É também mais fácil fazer conexões e emendas e, geralmente considerada uma instalação mais “amigável”. No entanto, existem algumas variáveis imprevisíveis, que impactarão na distância por causa dos efeitos de dispersão intermodal nas maiores taxas de bits (3 Gbit) que iremos utilizar

Conectores
Há poucos tipos de conectores de fibra para escolher, mas sua escolha é determinada pelo equipamento que você precisa para conectar. Para aplicações de radiodifusão tende a ser limitada a conectores do tipo LC, SC ou ST. Conectores LC e SC se encaixam adequadamente e fornecem uma conexão mecânica segura. Os conectores ST se assemelham ao conector BNC tipo baioneta. Todos estão disponíveis para cabo monomodo e multimodo.

Os adaptadores estão disponíveis para converter entre conectores diferentes. Normalmente, são em formato de cordões e têm os dois conectores necessários instalados num trecho de fibra curto. O importante é garantir que o adaptador utilizado é do tipo correto e do mesmo tipo de cabo que você está conectando. Mesmo que o cabo adaptador seja realmente curto, conectando um adaptador feito com fibra multimodo em um cabo monomodo resultará em perdas significativas de sinal.

É uma má idéia tentar misturar ou combinar cabos de fibra. Ligar fibra monomodo em fibra multimodo irá resultar em uma perda de 20 dB na conexão, o que corresponde a 99% de perda de energia. Mesmo as conexões entre os cabos multimodo com tamanhos ligeiramente diferentes de núcleo (cabo de 50 micra ligado a um cabo de 62,5 micra) resultará em 3 dB de perda de sinal, que corresponde a metade da potência. Assim, conheça sua fibra – entenda o que você tem instalado e leia atentamente as especificações quando for comprar adaptadores. Nunca tente unir diferentes tipos de cabos de fibra.

Há duas maneiras diferentes de um conector de fibra fisicamente fazer a conexão: APC (Angled Phisical Contact ou Contato em Ângulo Físico) ou UPC (Ultra Phisical Contact ou Contato Ultra Físico). Um desses métodos é sempre indicado no part number do conector, e a maioria dos conectores pode ser adquirida dos dois tipos. A maioria das aplicações de radiodifusão irá utilizar UPC. A APC é uma conexão de baixa perda, mais cara e, normalmente, usada para enlaces externos de longa distância, fora dos prédios. As especificações do fabricante devem indicar o método de conexão das fibras (UPC ou APC).

Steve Russell
LYNX Technik Inc.
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