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Desenvolvimento do experimento

4 Desenvolvimento do experimento

Este capítulo descreve as etapas percorridas após a análise da viabilidade

dos sistemas de comunicações ópticas no espaço livre através das referências

pertinentes com o objetivo de desenvolver e implementar um conjunto

experimental e comparativo destes sistemas em comprimentos de onda diferentes,

porém com características ópticas e mecânicas muito semelhantes com a

finalidade de caracterizar melhor apenas os efeitos típicos das atenuações que se

apresentam na transmissão de sinais ópticos na atmosfera. A proposta deste

trabalho é explorar as mais diversas possibilidades de configuração, emissão e

detecção dos sinais ópticos, principalmente explorando janelas de transmissão não

utilizadas comercialmente, como é o caso dos comprimentos de onda na faixa do

infravermelho distante, nos comprimentos de onda da janela de 10 mícrons e de

novas tecnologias dos dispositivos empregados e desenvolvidos em laboratório.

4.1. Projetando um Sistema FSO

O projeto de um sistema FSO inclui muitas áreas técnicas envolvidas para

otimizar o desempenho do enlace, não apenas a opto-eletrônica é necessária,

conhecimentos meteorológicos, de mecânica e materiais, entre outros são muito

importantes para o sucesso na implementação do produto final.

O projeto deve sempre contemplar um compromisso entre custo,

disponibilidade de materiais, peso, dimensões e principalmente confiabilidade.

Com a definição teórica de uma linha geral de configuração do enlace e seu local

de instalação, faz-se necessária uma análise estatística das condições

meteorológicas históricas da região e da viabilidade mecânica e civil da

instalação, e com essas informações pode-se dimensionar mais especificamente a

óptica do sistema, respeitando os limites mecânicos e de disponibilidade dos

materiais propostos. Definida esta parte, podemos projetar a parte eletro-óptica

adaptada para os transceptores.

DBD

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116426/CA

Desenvolvimento do experimento 104

Com toda a configuração dos transceptores definida e as condições

meteorológicas típicas do local da instalação, utilizamos um software proprietário

para a simulação dos efeitos característicos que o enlace pode sofrer, como

desalinhamentos, truncamentos, difrações, aberrações e demais penalidades para

definir com mais precisão sua margem de operação e eficiência. Estes

procedimentos são apresentados a seguir e discutidos mais detalhadamente.

4.1.1. Definição dos Comprimentos de Onda

Assim que definimos o local de instalação do enlace óptico, precisamos

analisar as condições típicas meteorológicas da região e definir qual ou quais os

comprimentos de onda que se deseja trabalhar com o sistema e suas respectivas

fontes e receptores ópticos.

Como já é amplamente conhecido dos sistemas de transmissões ópticas à

fibra, existem as tradicionais janelas de transmissão entre os picos de absorção de

hidroxila ideais para a propagação do sinal óptico. Na atmosfera não é muito

diferente, dentro do espectro do infravermelho próximo, médio e distante também

existem janelas de transmissão que favorecem as condições de transmissão, como

observado na figura 42, onde se nota, é evidente, que uma janela dessas encontra-

se nos comprimentos de onda do visível e infravermelho próximo, e existe entre

outras, uma janela em torno do comprimento de onda de 10 mícrons, localizada no

infravermelho distante que também possui boas características de transmissão.

Figura 42 – Janelas de transmissão em função do comprimento de onda [32].

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Podemos ainda observar que o sol possui uma energia muito maior nos

comprimentos de onda do visível e vai decaindo seu valor à medida que os

comprimentos de onda aumentam. Desta forma, na luz do dia, quanto maior for o

comprimento de onda utilizado menor será a contribuição de energia do sol a ser

detectada no sistema de recepção, melhorando assim o nível de sinal-ruído do

sistema.

4.1.2. Dispositivos e Materiais Selecionados

Definido os comprimentos de onda a serem implementados em função das

condições atmosféricas de propagação, onde em nosso caso, usamos o

comprimento de onda de 780 nm (no infravermelho próximo, logo acima do

visível), o de 1550 nm (infravermelho médio mais utilizado comercialmente em

sistemas a fibra) e o comprimento de onda do infravermelho distante de 9,1 µm,

assim, podemos começar a descriminar os materiais e dispositivos existentes no

mercado para estas aplicações.

Para os comprimentos de onda do infravermelho próximo podemos utilizar

as lentes de BK7 (Borosilicato - 305 nm a 2 µm), muito comuns a venda e podem

ser adquiridas de muitos fabricantes. Como já foi discutido anteriormente, devido

ao comprimento dos enlaces, geralmente de mais de centenas de metros, a

qualidade dos componentes a serem utilizados é essencial para evitar desvios ou

aberrações fora da especificação do projeto. Para o infravermelho médio e distante

podemos utilizar lentes de Ge (Germânio) ou ZnSe (Seleneto de Zinco), também

comercialmente encontradas, mas na maioria dos casos sob encomenda e com

algumas restrições de tamanhos e profundidades focais. Em nosso projeto

utilizamos lentes de ZnSe, pois a utilização das lentes de Ge apesar de nos

remeterem a uma diminuição considerável do custo, possuem uma transmitância

menor nesta janela. Também não podem ser utilizadas no espectro do visível,

desta forma, acabam por dificultar os procedimentos de alinhamento, o qual terá

de ser feito apenas com o próprio comprimento de onda de 9 mícrons. A figura 43

apresenta os espectros de transmissão em função do comprimento de onda que

cada um dos materiais selecionados para as lentes que podemos trabalhar.

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(a)

(b)

(c)

Figura 43 – Espectro de transmissão em função do comprimento de onda das lentes

selecionadas: (a) Borosilicato, (b) Germânio e (c) Seleneto de Zinco [34].

A escolha dos dispositivos a serem utilizados nos canhões transmissores e

receptores também tem grande importância nesta etapa do projeto, pois

dependendo da área ativa de cada componente em relação ao diâmetro das lentes

utilizadas, poderemos não estar na melhor relação com suas profundidades focais

e desta forma haver truncamentos ou aberrações do feixe de luz emitido ou

recebido. Existe um compromisso entre esses efeitos. Embora seja o ideal, nem

sempre é viável tentar elimina-los totalmente do sistema óptico, assim quanto

maior a relação do diâmetro da lente comparada ao diâmetro da área ativa do

dispositivo, maior deve ser a distância focal da lente para minimizar as

aberrações. Porém, quanto maior a distância focal, maior a perda por truncamento

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levando-se em conta a abertura numérica do dispositivo e maior a possibilidade de

vibrações do sistema por cargas de ventos e oscilações da estrutura. No software

de simulação que desenvolvemos para estes cálculos esta condição anterior é

contemplada e apresenta graficamente a melhor proporção para minimizar esses

efeitos e diminuir assim ao máximo as perdas.

4.1.3. Projeto de um Conjunto de detectores de Monitoramento do Feixe

Os alinhamentos dos canhões transceptores ópticos de um sistema FSO são

efetuados na instalação do enlace sob condições atmosféricas e meteorológicas

específicas deste momento. Assim, durante o período de um dia o sistema pode

ser submetido a variações de temperatura do dia e da noite, cargas de vento, sol

direto e sombra, chuva, vibrações e acomodações mecânicas da estrutura entre

outros efeitos aleatórios que podem vir a acontecer. Esses efeitos causam uma

degradação no nível médio do sinal, podendo inclusive, dependendo do tamanho

da mancha (spot size) que se use no receptor, tornar o sistema indisponível ou

muito sensível a pequenas perturbações por errar o centro do feixe do centro da

lente receptora.

Para entender a evolução mecânica das estruturas de fixação, prédios e dos

próprios canhões transceptores (em geral, totalmente construídos em metal), foi

desenvolvido um sistema de array com canhões ópticos para que pudéssemos

monitorar em tempo real o comportamento do feixe de luz do infravermelho no

comprimento de 1550 nm correlacionado com este mesmo sinal medido pelos

canhões do array dispostos ao redor do detector de 1550 nm durante o período

inicial de testes. Este array é composto por oito canhões com detectores de grande

área e filtros RG1000 que possuem boa transmitância a partir de 1000 nm, assim

eliminando os efeitos da luz visível do dia. Este sistema de monitoramento do

feixe principal não foi utilizado durante a fase de testes comparativos da

performance dos três comprimentos de onda devido ao seu grande peso e

dimensão, o que poderia acarretar em um mascaramento dos resultados deste

comprimento de onda tendo em vista a diferença mecânica para os outros canhões,

conforme pode ser visto na figura 44.

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Figura 44 – Disposição dos oito canhões detectores do Array de monitoramento.

Os sinais recebidos pelos oito canhões do array ao redor do canhão

principal do enlace são simultaneamente capturados e armazenados para

correlacionar com as excursões do sinal sofridas pelo canhão receptor principal

durante um determinado período de tempo de medida, podendo nos informar

precisamente se o feixe sofreu desvios de trajetória como um todo ou então se ele

está desfocalizando, devido aos efeitos dos espalhamentos ou da variação da

temperatura.

4.2. Simulando os Sistemas FSO Propostos

Nesta etapa os dispositivos propostos para a confecção dos enlaces já foram

primariamente escolhidos, mas antes da aquisição e confecção final do sistema

foram simulados com o máximo possível de precisão para garantir a máxima

performance através da otimização dos dispositivos e suas características. Através

deste procedimento podemos avaliar as reais condições de funcionamento dos

canhões propostos e eventualmente efetuar correções ou adaptações pertinentes.

Conforme visto anteriormente, a difração é causada quando as ondas de luz

se propagam transversalmente, e é conseqüentemente impossível ter um feixe

perfeitamente colimado. O espalhamento de um feixe laser pode ser previsto

seguindo a teoria da difração pura. A seguir, as fórmulas descrevem exatamente o

espalhamento na transmissão do feixe no espaço, tornando mais previsíveis as

limitações ópticas do sistema proposto. Mesmo se uma frente de onda do feixe

laser Gaussiano TEM00 fosse gerada perfeitamente plana em algum momento, com

todos os elementos movendo-se em direções precisamente paralelas, adquiriria

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rapidamente uma curvatura e começaria a se espalhar de acordo com a teoria da

difração.

Como início dos cálculos da simulação, podemos determinar a distância

entre a cintura da imagem e a lente nº 1, que é a lente do transmissor:

2

2

01 ..Mw

Z o

λπ

= (40)

12

1

12

11 )(

)(

oo

oi Zfd

fdffd+−

−+= (41)

Onde Z01 é a distância propagada da frente de onda plana, λ é o

comprimento de onda do sinal, wo2 é o raio do plano onde a irradiância é de 1/e2

(13,5% do pico da Gaussiana), M2 é o fator de correção da onda pelo truncamento

da abertura da lente, f1 é a focal da lente nº 1 e do é a distância da fonte até a lente

nº 1. A distância da cintura da imagem em wi:

201

21

12

102 .)(

.Zfd

ZfZo

o

−= (42)

πλ 02

2 .. zMwi = (43)

Onde Z02 é a distância de propagação da imagem. O tamanho da mancha em

uma determinada distância d é dado por:

2/12

2

2

2 ..)(

1⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+=

i

ii w

Mddww

πλ

(44)

Onde di é a distância da imagem e wi é o tamanho da mancha da imagem. A

aberração esférica da lente nº 2, que é a lente do receptor é dada por:

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

3

32

2067.0

wf φ (45)

Onde f2 é a focal da lente nº 2, φ2 é o diâmetro da lente nº 2 e w3 é o

tamanho da mancha no detector. O truncamento do feixe é dado por:

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22

2.2

22.

.2)( wr

tx ewPrI

−

=π

(46)

Onde Ptx é a potência do sinal transmitido. O truncamento da potência

óptica recebida é dado pela eq. (47):

∫= 2

0

2

)(...2)(φ

π drrIrrP (47)

A potência que deve chegar ao detector é o somatório de todas as perdas:

efPdftx

R LLLLLLP

P −−−−−−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= − ξ.2.2.210

log.10 213 (48)

Onde: L1 - Perda Fresnel na lente nº 1;

L2 - Perda Fresnel na lente nº 2;

Lf - Perda Fresnel no filtro;

LPd - Perda na iluminação da área do fotodetector;

Lξ - Perda no truncamento;

Lef - Perda por efeitos diversos.

A mínima potência recebida e a margem do sistema são dadas por:

QNEPPrec .= (49)

Margem ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= −−

ex

exrecR

rrPP

11log.10

10log.10

10log.10 33 (50)

Margem ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

−−=ex

exrecR r

rPP11log.10 (51)

Onde NEP é a definição para a potência de ruído equivalente, que é a

potência de entrada óptica no detector que produz uma relação sinal ruído unitário

(S/N = 1) e rex é a razão de extinção do sistema. Este resumo dos principais

procedimentos de cálculos nos permite analisar a resposta do sistema em função

de um orçamento de potências para determinar a margem de operação que iremos

trabalhar, margem esta que pode ser comparada com as estatísticas das condições

de propagação, que variam de região para região onde os enlaces podem ser

instalados.

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4.2.1. Desenvolvimento do Software de Simulação

Através dos cálculos da simulação dos enlaces podemos prever com

bastante exatidão todos os efeitos não aleatórios que podem ocorrer durante a

transmissão dos sinais ópticos em nosso sistema implementado. A necessidade de

poder variar os parâmetros e os dispositivos para otimizar a margem de operação

nos fez desenvolver um software que calcula automaticamente a partir dos dados

dos fabricantes dos componentes todos os comportamentos que o sistema vai

apresentar, desde as dispersões e aberrações do sistema óptico das lentes até os

ruídos e penalidades elétricas em função de uma BER escolhida para a recepção,

nos fornecendo uma resposta em função da margem total disponível para perdas

por efeitos atmosféricos aleatórios ou não. Este software possui uma ferramenta

gráfica que nos permite analisar comparativamente com precisão não somente a

resposta final pela troca de determinados dispositivos utilizados, mas também nos

fornece parâmetros ideais para a otimização dos enlaces até convergir na melhor

relação de potência da margem total. As figuras 45 e 46 nos mostram

ilustrativamente algumas telas do programa e seu funcionamento simplificado, da

simulação óptica até a parte elétrica, respectivamente.

Figura 45 – Software desenvolvido para simular comparativamente as margens dos

enlaces nas condições reais de utilização, simulando neste exemplo a parte óptica.

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Figura 46 – Software desenvolvido para simular comparativamente as margens dos

enlaces nas condições reais de utilização, simulando neste exemplo a parte elétrica.

Uma vez que a simulação esteja pronta e devidamente otimizada, levando-se

em conta os parâmetros já discutidos, como disponibilidade de materiais e

dispositivos, peso total, custo, performance por truncamentos ou aberrações e

ruídos, etc, podemos efetuar a compra do material especificado e a confecção dos

canhões transceptores a fim de acomodar todo o sistema projetado.

4.3. Instalação dos Enlaces

Depois de devidamente montados e testados em laboratório, os

transceptores e demais equipamentos estão prontos para a instalação no local

definitivo previamente escolhido de operação dos enlaces. Neste trabalho

utilizamos dois lugares completamente diferentes para a instalação dos enlaces,

sendo o primeiro, três enlaces paralelos de diferentes comprimentos de onda com

216 m de extensão dentro do próprio campus da PUC-Rio, interligando o telhado

do prédio Kennedy com o telhado da outra extremidade do prédio Leme, e

posteriormente, instalamos os três enlaces no morro do Sumaré, também na cidade

do Rio de Janeiro, porém a uma altitude de mais de 800 m do nível do mar e

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sujeito a nevoeiros muito densos e variações de temperaturas grandes e rápidas.

Os enlaces montados dentro do próprio campus serviram para uma primeira

análise com todos os recursos de apoio disponíveis, devido a proximidade com o

laboratório. Desta forma foi possível avaliar com mais precisão pequenos

problemas detalhados a seguir e corrigir para a instalação no Sumaré. O segundo

local de instalação dos enlaces foi propositalmente escolhido para aquisição dos

dados sob condições de forte nevoeiro, o que atualmente representa o maior

problema para os sistemas FSO se tornarem populares. Devido a estas condições

ruins de propagação, nós optamos por diminuir a distância dos enlaces para 75 m,

a fim de garantir uma maior disponibilidade do sinal para a aquisição em

condições de baixa visibilidade.

Para o alinhamento dos canhões foram necessários alguns artifícios

especiais a fim de facilitar o trabalho e obter a melhor performance dos sistemas.

Cada canhão transceptor teve de ser alinhado com informações da equipe de

instalação da outra ponta do enlace via rádio, por esse motivo, depois de

convencionar as ações de cada equipe de instalação, o alinhamento foi efetuado

em primeiro lugar com o laser em um comprimento de onda visível, até ajustar o

alinhamento grosso de fixação nos suportes da estrutura. Após, através do próprio

sinal foi efetuado o alinhamento fino controlando o nível de potência recebida do

sinal. Nós optamos por trabalhar com os canhões colimados e perfeitamente

alinhados com o centro das lentes, desta forma, o tamanho da mancha nos

receptores foi controlado através de máscaras de diferentes tamanhos encaixadas

na abertura dos mesmos. Os alinhamentos geralmente foram efetuados com a

ajuda de parafusos micrométricos, pois devido à distância e ao feixe

extremamente colimado, a sensibilidade dos ajustes ficou muito crítica.

A seguir podemos observar os primeiros resultados obtidos com o enlace de

testes dentro do campus da PUC-Rio com suas respectivas análises e soluções.

4.3.1. Ruído de Vibração

O enlace de testes que foi instalado primeiro foi o do comprimento de onda

de 1550 nm, que recebeu especial atenção à instalação do sistema de

monitoramento do feixe em forma de array, que avaliava em tempo real o sinal e

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correlacionava com as variações do sinal detectado no canhão principal. Alguns

problemas não previstos no projeto foram detectados neste primeiro instante e

serviram de base para o aprimoramento dos outros canhões desenvolvidos

posteriormente.

Através de uma análise da Transformada Rápida de Fourier2 (FFT) dos

sinais recebidos e aquisitados pelo canhão principal de 1550 nm podemos verificar

o aparecimento de uma perturbação de baixa e média freqüência que afetava

bastante o nível médio do sinal transmitido. Embora alguns destes ruídos fossem

oriundos de cintilações naturais da atmosfera, as altas freqüências e a

predominância de horários específicos nos demonstraram que havia algum

problema mecânico com o sistema transceptor. Vários testes foram realizados

durante um período de dias, inclusive durante o final de semana nos mesmos

horários dos outros dias.

Notou-se então que o sistema durante o final de semana, nos mesmos

horários e sob condições idênticas de propagação do meio apresentava apenas os

ruídos normais previstos para a cintilação do sinal e vibrações mecânicas de

acomodamento das estruturas em freqüências mais baixas, conforme pode ser

observado na figura 47 (a). Desta forma, durante o final de semana podemos

observar os efeitos isoladamente e constatamos que esta interferência era oriunda

do funcionamento das casas de máquinas dos elevadores, que em grande número e

no alto do prédio, próximos ao experimento, induziam uma grande vibração nas

estruturas. É evidente que esta é uma situação muito comum para os sistemas

FSO, que na grande parte são instalados nas áreas mais altas dos prédios para

melhorar a linha de visada, e conseqüentemente próximos às casas de máquinas de

elevadores e bombas d’água. Mas no sistema mecânico projetado, havia uma

previsão destas interferências e não deveria ser afetado com tanta intensidade.

Uma análise detalhada dos dispositivos nos demonstrou uma falha na montagem

dos canhões, onde a fonte do sinal era acoplada ao canhão através de uma fibra

óptica conectorizada e rosqueada em um adaptador específico para esta aplicação.

2. A Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) consiste em uma implementação rápida da Transformada Discreta de Fourier (TFD), aproveitando a estrutura repetitiva do cálculo. Podemos descrever a TFD como o produto de uma matriz por um vetor, sendo a matriz chamada de matriz de transformação e o vetor contendo as amostras do sinal a transformar. A grande utilização da FFT deve-se, por um lado, ao vasto número de aplicações e por outro, à estrutura particular da TFD que faz com que a matriz de transformação possua uma grande redundância nos seus elementos facilitando a sua implementação recursiva.

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Porém o conector de fibra óptica tipo FC-PC tem um sistema de mola na

extremidade de conexão para melhorar o contato óptico e não danificar a sua

ponta, conforme observado na figura 47 (b). Embora essa mola seja bastante dura,

induzia um movimento ondulatório ressonante em freqüências mais altas e

comprometia o nível médio do sinal, piorando a relação sinal ruído do sistema.

(a) (b)

Figura 47 – (a) Análise FFT do sinal recebido com intensa vibração em diferentes dias e

horários e (b) Apresentação do problema com a mola do conector.

Este problema da vibração foi eliminado com a adição de uma peça de

encaixe mais justa, tirando por completo o efeito da mola do conector, desta

forma, testes foram realizados de forma idêntica e nos mesmo dias e horários para

comparar os resultados. Na figura 48 (a) podemos observar estes resultados e o

tratamento que foi dado ao conector de fibra óptica para minimizar os efeitos

destas vibrações (b), onde nota-se que o problema foi totalmente resolvido e assim

foi implementado na confecção dos novos canhões de forma semelhante.

(a) (b)

Figura 48 – (a) Análise FFT do sinal recebido com a correção da vibração em diferentes

dias e horários e (b) Solução do problema com a mola do conector.

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4.3.2. Contaminação das Lentes

Na elaboração do projeto dos canhões transmissores e receptores, ambos

receberam uma proteção externa independente e não solidária ao sistema ativo e

alinhado para minimizar os efeitos meteorológicos que eles ficam expostos no

enlace, como sol e chuva. Estas proteções, em forma de caixas metálicas ao redor

do canhão, foram projetadas de acordo que com suas dimensões principalmente de

comprimento aliassem pouco peso, tamanho reduzido para minimizar a área total

em relação ao vento e prevenir a contaminação das lentes com as gotas da chuva

para um ângulo de inclinação de até 20º em relação ao horizonte.

Assim como qualquer sistema de transmissão de sinais em altas taxas e

freqüências, os canhões necessitam uma manutenção periódica, onde é

fundamental que seja efetuada a limpeza das áreas principais em contato com o

ambiente, para remover partículas de poeira, poluição e maresia e assim manter a

performance desejada no projeto. Este tempo varia de acordo com a agressividade

do ambiente em que o enlace será instalado, sendo que o que se procura é

aumentar o máximo possível o tempo entre cada uma dessas intervenções, e para

isto, artifícios podem ser utilizados, como a utilização de limpadores mecânicos

das lentes, semelhantes aos limpadores de pára-brisas automotivos, aquecedores

de janela, ultra-som ou tubos relativamente longos do diâmetro da lente instalados

em frente do canhão a fim de minimizar a possibilidade de alguma gota da chuva

ou partícula sólida chegar à lente. Estes dispositivos tem alguns inconvenientes,

como por exemplo, o efeito de uma alavanca no canhão, surgimento de vibrações

ou turbulências mecânicas no sistema e adição de peso excedente fora do centro

de gravidade do transceptor.

Em testes preliminares com o sistema notamos que embora o canhão

estivesse bem protegido dentro de uma caixa metálica, totalmente fechada por

cima, pelo fundo e pelas laterais, depois de eventos de chuva de maior intensidade

o sinal recebido demorava um tempo bem maior para retornar as condições

normais de potência do sinal, como pode ser visto na figura 49, enquanto que para

eventos de chuva de menor intensidade a recuperação era mais rápida ou

instantânea.

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Levando-se em conta o projeto das proteções contra intempéries, mesmo

com as gotas da chuva se movimentando aleatoriamente em todas as direções com

a ação de rajadas de vento, a possibilidade de acertar a lente era muito baixa

devido ao pequeno ângulo de entrada na boca da caixa e a não circulação de

correntes de vento no interior da mesma.

Figura 49 – Contaminação das lentes por respingos de chuva, o tempo de recuperação

após a chuva é longo e compromete a estatística do sinal médio até que a lente esteja

seca totalmente.

Uma observação mais cuidadosa nos dados aquisitados, nos mostrou que o

vento não tinha correlação alguma com estes efeitos. A contaminação das lentes

se dava pelo respingo das gotas d’água que batiam com grande velocidade na

estrutura de fixação e no próprio prédio, fazendo um ângulo contrário de entrada

na caixa de proteção fora do previsto no projeto (de baixo para cima),

conseguindo alcançar a face externa das lentes. Para resolver esse problema,

instalamos um aparato metálico inclinado na parte interna da base da caixa de

proteção até a altura das lentes, porém a 15 cm distante delas, desta forma, o

ângulo de entrada ficou reduzido a quase a zero em relação ao horizonte, e os

respingos que eventualmente pudessem alcançar a lente ficam barrados neste

aparato ou se passarem acertarão o canhão fora da lente. Um exemplo deste

dispositivo pode ser observado na figura 50, instalado no protótipo do canhão

receptor do enlace de 9100 nm.

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Figura 50 – Proteção contra os respingos das gotas de chuva.

Este aparato que não acrescentou peso algum ao sistema do canhão se

demonstrou muito eficiente para eliminar esses respingos de chuva que

eventualmente atingiam as lentes do sistema, mesmo nas tempestades mais fortes

medidas as lentes não foram nunca atingidas pela água da chuva.

4.3.3. Análise do comportamento espacial do Feixe

Em geral, os sistemas FSO não costumam operar com o feixe muito estreito

ou com a mancha no receptor muito pequena para minimizar os efeitos do erro da

mira ao atingir a lente do receptor, devido às cintilações da atmosfera e as

variações mecânicas dos canhões e estruturas de fixação. Essa interferência é

muito difícil de ser prevista com exatidão no projeto, desta forma, utilizamos o

sistema de array que instalamos ao redor do canhão de 1550 nm para monitorar a

movimentação do feixe durante longos períodos de tempo. Somente pela análise

do sinal recebido no canhão principal, podemos observar que existe um efeito de

respiração natural e periódico do sinal durante as variações de temperatura do dia

e a noite. Essa variação da intensidade do sinal não é desejável, pois além de

comprometer a margem do enlace ainda pode saturar os detectores, dependendo

da situação e condição em que o sistema foi instalado. Todo o conjunto é

susceptível as variações de temperatura, uns menos, como no caso das edificações

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de baixo e médio porte, e outros mais, como no caso das estruturas de fixação e os

próprios canhões transceptores, todos feitos em metal.

A aquisição correlacionada dos oito canais dispostos ao redor do canhão

mais o canal principal de 1550 nm nos mostrou que conforme a variação da

temperatura, todos os canhões do array ganhavam incrementos de potência

semelhantes enquanto o principal perdia sinal, e de forma inversa, quando a

temperatura voltava a anterior, conforme pode ser observado na figura 51, onde

notamos que o enlace foi alinhado e colimado durante o dia, que é onde ele

apresenta a maior potência detectada. As variações laterais eram muito pequenas e

praticamente não afetavam o sinal recebido, porém o diâmetro da mancha

aumentava e diminuía de tamanho com essa variação de temperatura.

Com todas informações analisadas, foi constatado que o maior afetado pela

variação de temperatura era o corpo do canhão transceptor, onde devido a

dilatação do metal alterava a posição da lente em relação a fonte, desta forma

variando a distância da imagem em relação a focal da lente e causando a variação

do tamanho da mancha no detector e proporcionando uma variação de intensidade

semelhante em todo array. Como a focal da lente é relativamente grande para

minimizar a aberração esférica, o canhão é longo e sua dilatação no comprimento

é proporcional a isso, e maior do que a óptica aceita de variação para manter a

cintura do feixe ainda dentro do enlace.

Figura 51 – Variação do tamanho da mancha no receptor por mudança da temperatura

ambiente, apresentando variação semelhante em todos canhões do array.

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Para minimizar este efeito, foi desenvolvido um sistema de compensação

mecânico de funcionamento simples e baixo custo, que consiste em utilizar

materiais de coeficientes de dilatação bastante diferentes engastados em uma

extremidade (A) e livres nas outras (B e C), assim quando a dilatação do material

1 ocorre resulta na variação do comprimento total do canhão em uma das direções

do engaste, enquanto que a dilatação do material 2 ocorre na direção oposta,

anulando assim o efeito da dilatação externa e eliminando quase todo este

problema. Este sistema foi desenvolvido utilizando um material de coeficiente de

dilatação mais baixo no corpo do canhão chamado de material 1, onde em uma

extremidade fica o suporte da lente (C) e na outra extremidade fica o material 2

engastado (A). Este material 2 tem um coeficiente de dilatação muito maior, mas é

bem mais curto em comprimento, e está preso em uma das pontas no corpo do

canhão (A) e na outra extremidade livre leva a fonte de luz (B). O aumento de

temperatura aumenta a dimensão do corpo do canhão (material 1) externo em x

mícrons, levando o material 2 para mais distante da lente, porém para esta mesma

variação de temperatura o material 2 interno, que é mais curto, dilata a mesma

dimensão x mícrons, como estão presos apenas em uma extremidade (A), o

material 2 leva a fonte (B) de volta a posição inicial do em relação a lente

anulando o efeito da dilatação. Na figura 52 podemos observar este dispositivo

montado e verificar como ele mantém a distância entre a lente e a fonte constante.

Figura 52 – Compensador mecânico para a dilatação dos canhões transceptores.

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Após estas correções e adaptações para a otimização dos sistemas, os três

enlaces, nos comprimentos de onda de 780 nm, 1550 nm e 9100 nm foram

montados lado a lado e em dois lugares diferentes, o primeiro praticamente ao

nível do mar e posteriormente em cima de uma cadeia de montanhas a 800 m de

altitude em relação ao nível do mar, cada um deles com suas respectivas

características e peculiaridades, a fim de obter o maior conjunto possível de

informações de comparação de performance dos três sistemas. Para o melhor

entendimento das medidas realizadas, foram implementados juntamente com os

enlaces uma estação meteorológica e um sistema de determinação das condições

de visibilidade do meio de propagação sincronizados com a medida dos sinais.

4.4. Estação Meteorológica

As condições meteorológicas do tempo determinam as principais

características do meio de propagação e devem ser monitoradas em tempo real

com a aquisição dos sinais para representar uma medida válida. A utilização de

dados meteorológicos de estações distantes dos enlaces é totalmente inviável para

a análise dos resultados, pois a maioria dos efeitos que o sistema irá sofrer são

localizados nesta região ou nas redondezas, e a não homogeneidade destas

condições impede que se utilize este recurso nestas medidas.

Cada sensor da estação meteorológica fornece um tipo de informação que,

sozinha ou correlacionada com outros dados nos fornecem as condições do tempo

da região. O termômetro nos fornece informações sobre a variação de temperatura

(dada em ºC) que todos os dispositivos estão sujeitos e é uma importante

ferramenta na análise dos sinais recebidos, pois diferentes temperaturas alteram as

propriedades dos materiais em suas dimensões e as condições de propagação da

atmosfera. A temperatura também é utilizada para determinar o ponto de orvalho,

que é a temperatura em que o vapor de água fica saturado, ou seja, a umidade

chega a 100 % e proporciona a formação do orvalho, muito importante para evitar

que as diferenças de temperatura das lentes e do ambiente façam-nas orvalhar sob

condições de umidade alta. O higrômetro mede a umidade do ar em porcentagem,

que representa a quantidade de vapor d’água em suspensão na atmosfera. O

pluviômetro mede a quantidade de chuva acumulada em um período, sua

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informação é dada em mm de chuva acumulada, podemos derivar este dado e

obter a quantidade de chuva em função do tempo da amostra. Este resultado é

muito importante e em geral é calculado em mm/h de chuva. A biruta mede a

direção do vento e o anemômetro é utilizado para medir a velocidade dos ventos,

seu resultado é geralmente obtido em Km/h, também é um dado importante para

os enlaces porque dependendo da classificação dos ventos alteram as freqüências

e intensidades de cintilação da atmosfera e induzem vibrações nas estruturas dos

canhões. A figura 53 mostra a estação meteorológica utilizada no experimento.

Figura 53 – Estação Meteorológica instalada e utilizada no experimento.

Existem normas e recomendações específicas para a instalação e a

calibração das estações meteorológicas, deixando os pontos ideais bastante

restritos em ambientes urbanos. Mas, no entanto tomando-se alguns cuidados

básicos descritos nas recomendações pode-se calibrar a estação para estas

condições e aproveitar perfeitamente os dados aquisitados na análise, inclusive

garantindo uma melhor precisão de suas medidas do que se estiverem muito longe

do experimento.

4.5. Teoria da Visibilidade

Uma das medidas mais importantes para correlacionar os dados dos sinais

recebidos pelos canhões é a visibilidade, onde, por se tratar de uma grandeza

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visual, se aproxima muito da definição da transmissão de sinais ópticos no espaço

livre e proporciona um bom parâmetro de comparação de performance de

diferentes enlaces em diferentes comprimentos de onda.

Por definição, visibilidade é a maior distância na qual um objeto preto, de

dimensões apropriadas, pode ser reconhecido em frente ao horizonte do céu.

Embora essa definição nos pareça simples, ela envolve uma série de padrões e

definições que devem ser observados para garantir uma maior precisão e

calibração das medidas, como [40]:

- A Distância Meteorológica é a distância efetiva na qual um objeto escuro

ideal, tem uma relação limite de contraste de 0,02, em frente de um fundo branco;

- A Distância Visual (Visual Range) é a distância efetiva na qual uma pessoa

pode distinguir um objeto escuro ideal em frente ao horizonte do céu;

- O Limiar de Contraste é o menor valor da razão de contraste (0,02) que um

observador padrão consegue perceber um objeto escuro de dimensões apropriadas;

- A Dimensão Apropriada do Objeto: 0,1º < Objeto < 0,5º;

- A Relação de Contraste de um Objeto Escuro é dada por:

F

oF

III

C−

= (52)

Onde IF é a iluminância do fundo (Lux ou Lúmen/m2) e Io é a iluminância do

objeto (Lux ou Lúmen/m2);

- A relação de contraste de um alvo preto e branco é dada por:

PB

PB

IIII

C+−

= (53)

Onde IB é a iluminância da parte branca do alvo (Lux ou Lúmen/m2) e IP é a

iluminância da parte preta do alvo (Lux ou Lúmen/m2);

- Lúmen é a unidade de medida de potência ou fluxo luminoso no sistema

fotométrico (lm), onde 680 lumens = 1 Watt para um λ = 555 nm;

- Iluminância é a medida do fluxo luminoso (ou potência) incidente no

detector por unidade de área de uma superfície iluminada, no sistema fotométrico.

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4.5.1. Relação de Koschmieder

Koschmieder desenvolveu cálculos detalhados da iluminância de um cone

do ar que recebe a luz da atmosfera, do céu e da terra, e obteve com uma

expressão simplificada da luminância aparente de um objeto de iluminância

intrínseca IP observado a uma distância Vr de encontro ao azul do horizonte [63].

Para utilizarmos esta relação de Koschmieder devemos observar algumas

hipóteses limites para a sua validade, como:

- O brilho do céu no local do observador deve ser similar ao brilho do céu

no local do objeto observado;

- A possibilidade de considerar uma distribuição homogênea de partículas

na linha de visada;

- Possuir uma linha de visada horizontal;

- A curvatura da terra pode ser ignorada para Vr < 150 Km;

- Um objeto escuro de tamanho apropriado;

- O limiar de contraste do observador igual a 0,02.

Considerando essas hipóteses anteriores como válidas, podemos utilizar a

aproximação de Koschmieder no cálculo da visibilidade conforme a eq. (54).

rEX Vbe .02,0 −= (54)

Onde, bEX é o coeficiente de extinção e Vr é a distância visual. Conforme foi

mencionado anteriormente este cálculo deve ser utilizado contra o horizonte do

céu, que em nosso caso não é possível, desta forma propomos uma pequena

mudança na metodologia de medida para utilizar um alvo padrão preto e branco.

4.5.2. Proposta para Medida da Visibilidade para um Sistema FSO

A medida de visibilidade para sistemas de comunicações ópticas em espaço

livre requer mais precisão a pequenas distâncias do que os sistemas de medição

meteorológicos tradicionais, como os utilizados em aviação, que podem ter uma

resolução de centenas de metros e ainda assim mesmo não oferecer grandes

problemas, pois utilizam além de grandes distâncias envolvidas os coeficientes de

segurança que chegam a operar com 50 % do valor medido. No caso específico

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dos enlaces FSO, que muitas vezes operam em algumas centenas de metros, o

sistema de medição pode ser adequado para essa escala de distância, perdendo

informação apenas em distâncias de algumas ordens de grandeza maiores, quando

não interessa mais o valor quantizado e pode ser considerado como infinito.

Nesta proposta, vamos admitir a utilização de uma modificação da relação

de Koschmieder para a determinação do coeficiente de extinção pela medida de

contraste aparente de um alvo conhecido e o cálculo da distância visual. A medida

do contraste aparente de um alvo branco opaco conhecido e um preto absoluto a

uma distância determinada, menor do que Vr foi realizada utilizando uma câmera

CCD. A lei de Beer-Lambert-Boguer para a transmitância da atmosfera [64]

estabelece esta relação entre o contraste aparente C de um alvo preto e branco

localizado a uma distância conhecida Z e o coeficiente de extinção bEX, através da

eq. (55).

Zbo

EXeCC −= (55)

Onde Co é a relação de contraste intrínseco do alvo medido próximo e Z é a

distância do alvo. A figura 54 mostra a configuração utilizada para essa medida,

onde podemos ver a configuração do alvo preto e branco que foi colocado junto

com os canhões transmissores e a câmera CCD, que foi instalada ao lado dos

canhões transceptores transmissores.

Figura 54 – Montagem característica para medição de visibilidade.

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A confecção de um alvo ideal que possa satisfazer a condição da eq. (56) é

muito difícil de se obter.

.. 0 .. 100

auIauI

P

B

==

101000100 =

+−

=C (56)

Porém, através da utilização de um alvo confeccionado com uma cobertura

branca anti-reflexiva na parte de fora e no centro com uma abertura dando acesso

a um corpo negro, que garante praticamente a ausência total de luz no seu interior

podemos calcular um alvo real na proporção abaixo:

.. 0 .. 95

auIauI

P

B

==

1095095 =

+−

=C (57)

Desta forma, podemos determinar o contraste aparente medido do alvo

quando a relação do contraste acima for diferente de 1.

Zbo

PB

PB EXeCIIIIC .. −=

+−

= (58)

Onde C é o contraste aparente medido e Co é o contraste intrínseco do alvo.

4.6. Ambientes Agressivos

Dispositivos FSO têm como característica de construção uma certa

fragilidade dos canhões transceptores por conter principalmente peças de vidro e

sistemas de alinhamento muito finos para se obter precisão nos ajustes, e por esse

motivo ficam mais sujeitos a apresentarem problemas se forem instalados em

ambientes mais agressivos, tanto por poluição, maresia, vibrações como também

por ambientes com grande concentração de fontes de radiofreqüência, o que hoje

em dia é muito comum observarmos nos telhados dos prédios de melhor visada na

cidade. Poluição e maresia provocam contaminação das lentes pelo depósito de

partículas sólidas, degradando o sinal e ainda agravam muito o processo de

oxidação dos canhões, principalmente causando problemas nos dispositivos de

maior precisão para ajustes. Contornar estes problemas as vezes pode ser

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impossível e o sistema instalado ficará sujeito a manutenções em períodos mais

curtos do que o convencional.

Para descrever o outro problema, vamos lembrar uma expressão muito

utilizada como apelo comercial em sistemas ópticos em espaço livre que é:

“imunidade a radiofreqüência”. Esta afirmação não deixa de ser verdadeira

quando nos referimos ao sistema puramente óptico, onde realmente as ondas

eletromagnéticas da luz, de comprimento de onda muito menor que as do rádio,

não são influenciadas pela presença de sistemas de transmissão sem fio por

radiofreqüência.

O grande atrativo dos sistemas ópticos em geral é a alta taxa de transmissão

que eles operam, geralmente limitados pela eletrônica envolvida na geração,

modulação ou detecção dos sinais ópticos utilizados. Esses equipamentos

eletrônicos responsáveis pelo funcionamento dos dispositivos ópticos costumam

trabalhar priorizando o desempenho do sistema em relação a taxa de transmissão,

desta forma acabam ficando muitas vezes bastante susceptíveis as influências de

radiações de radiofreqüência de médias e grandes potências, muito presentes em

ambientes urbanos de grande concentração de enlaces via rádio, como repetidoras

em geral ou estações de sistemas telefônicos móveis. Nossos sistemas foram

instalados no morro do Sumaré no Rio de Janeiro, conhecido por abrigar várias

repetidoras de rádio e TV e com grande presença de radiofreqüências em todos

espectros. O primeiro problema, que inclusive é previsível, foi que os

equipamentos, embora de boa qualidade, não previam uma intensidade de campos

eletromagnéticos tão forte e tiveram de ser totalmente blindados e modificados

para filtrar ruídos elétricos, mas mesmo com todos estes artifícios, o nível de ruído

dos dispositivos aumentou muito, diminuindo a relação sinal ruído e

conseqüentemente a nossa margem de operação. Outro efeito desagradável da

presença desta radiação foi o sacrifício dos diferentes materiais metálicos dos

canhões, que devido a radiofreqüência estavam todos bem aterrados e solidários

entre si, desta forma perdendo material e acabamentos de proteção para o terra,

fazendo com que o processo de oxidação principalmente das partes móveis fosse

muito rápido e profundo, deixando todo os sistemas praticamente sem

possibilidades de ajuste.

A corrosão é uma alteração físico-química que o ambiente exerce sobre os

objetos metálicos manufaturados. Na primeira etapa da corrosão, o conjunto

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oxigênio, água e ferro funcionam como uma bateria ocorrendo uma transferência

de elétrons do ferro para o meio (água e oxigênio) através do próprio metal. O

ferro oxida (perde elétrons):

Fe - 2 elétrons = Fe2+ (59)

Devido a circulação de uma corrente através do ferro estes elétrons são

transferidos para o meio (oxigênio e água) que sofrem uma redução (ganho de

elétrons):

H2O + 1/2 O2 + 2 elétrons = 2 OH- (60)

O Fe2+ obtido da oxidação e os íons OH- resultantes da redução combinam-

se produzindo o hidróxido ferroso:

Fe2+ + 2 OH- = Fe(OH)2 (61)

Na segunda etapa o hidróxido ferroso em presença do oxigênio e água

transforma-se em um óxido hidratado denominado ferrugem:

2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 + x H2O = Fe2O3 x H2O (62)

O óxido férrico hidratado obtido (ferrugem) desprende-se do metal

permitindo a continuação da corrosão. Este processo é acelerado pela presença de

fontes de correntes circulantes externas ao conjunto, como a radiofreqüência

excessiva referenciada ao aterramento do sistema, onde quanto maior a

intensidade, mais rápido será o sacrifício do material metálico. Por exemplo, de

maneira análoga, para retardar a corrosão do aço em canalizações de água,

oleodutos, gasodutos, cascos de navio, etc., costuma-se ligá-lo a blocos de

magnésio. O magnésio funciona como metal de sacrifício, sendo corroído mais

depressa e retardando, assim, a corrosão do aço. A figura 55 demonstra as

condições de opacidade por deposição de partículas nas lentes e a oxidação dos

dispositivos sujeitos as condições climáticas e excesso de radiofreqüência, sendo

que todos os materiais metálicos estavam devidamente galvanizados e protegidos.

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Figura 55 – Opacidade total das lentes pela contaminação por partículas em suspensão

na atmosfera e oxidação acentuada dos materiais metálicos mesmo galvanizados, porém

expostos ao ambiente e a condições de grande presença de radiofreqüências.

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Desenvolvimento do experimento - DBD PUC RIO · Podemos ainda observar que o sol possui uma energia...

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