Sistemas de Modulação e Multiplexação

Multiplexação

É um sistema que permite a transmissão de 2 ou mais canais simultâneos por um mesmo meio de transmissão. Os sistemas mais conhecidos de multiplexação são os das estações FM (freqüência modulada) e das estações de TV, onde os sinais de vídeo são transmitidos em AM (amplitude modulada) e os sinais de áudio em FM.

Em sistemas de transmissão por fibra óptica, permitem a transmissão de 2 ou mais canais de informação simultâneas por uma única fibra. Em sistema ópticos são usados basicamente 3 tipos de sistemas de multiplexação:

- FDM - Frequency Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão de Freqüências.

- TDM - Time Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão do Tempo.

- WDM - Waveligth Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão de Onda de Luz.

FDM - Multiplexação por Divisão de Freqüências

Em um sistema FDM, cada canal de informação é associado a uma Portadora específica, com freqüência, fase ou amplitude diferentes, sendo depois multiplexados em um único canal de transmissão através de uma matriz de resistores, sendo depois amplificado.

O sinal resultante é um sinal composto por vários sinais com portadoras discretas, também chamadas de canais intermediários, que são separadas no receptor por filtros e demoduladores, cada um sintonizado em uma freqüência de portadora especifica.

O sistema FDM é muito usado para transmissões de TV à cabo, porém, em sistemas ópticos, pelo fato das fontes ópticas não serem lineares, sua linearidade situa-se entre 0,001 e 0,1%, acabam gerando distorções harmônicas nos sinais transmitidos.

TDM - Multiplexação por Divisão do Tempo

É um sistema de multiplexação onde cada canal de informação é associado à um intervalo de tempo, para que se possa fazer esta associação, cada canal de informação é informação em BUFFER de memória.

A eficiência de modo de transmissão digital multiplexada por TDM é muito maior que a FDM, requer um menor número de repetidores, cerca de um a cada 30 ou 40 km, uma das desvantagem os sistema TDM é que temos que acrescentar ao sinal original uma quantidade de BITs de informação, estes BITs são para o sincronismo de multiplexação e desmultiplexação, detecção de erro e para o gerenciamento da rede. Outra desvantagem é que atualmente a técnica de transmissão por PCM é relativamente cara, mas a atual tendência é a queda nos custos devido ao grande interesse neste sistema.

WDM - Multiplexação por Divisão de Onda de Luz

Através da técnica de multiplexação por WDM, cada canal TDM ou FDM, com vários canais associados pode ser transmitido por uma determinada cor de luz. Esta luz não está dentro do espectro visível de luz, mas sim dentro do infravermelho.

Então canal de luz comporta-se como uma onda portadora, com comprimento de luz diferente, podendo transmitir vários canais TDM ou FDM por comprimento de onda.

A multiplexação por WDM não é usada em redes do tipo LAN, apenas em sistema de telefonia, CATV e telecomunicações intercontinentais.

Nestes sistemas, as taxas de transmissão  necessitam de sistemas ópticos complexos, que tornam-se economicamente inviáveis para as redes locais - LAN's.

Modulação

É o processo onde um sinal principal (portadora) têm sua forma alterada, em freqüência, fase ou amplitude, através de um sinal secundário (moduladora), podendo este estar dentro da faixa audível, sinais de voz ou acima desta.

A freqüência da portadora é que define o canal de TV ou estação de rádio.

A modulação de um sinal senoidal por outro sinal também senoidal é a base dos vários tipos sistemas irradiantes em uso atualmente.

- PCM - Pulse Codification Modulation - Modulação por Codificação de Pulso.

PCM – Modulação por Codificação de Pulso

A modulação por codificação de pulso consiste, basicamente, em transformar um sinal analógico em uma sucessão de pulsos que, devido ao seu comportamento de admitir apenas dois níveis distintos, permitem sua codificação em um padrão binário. Esse código binário deve ser capaz de representar os valores amostrados do sinal modulante analógico.

A grande vantagem do PCM reside justamente no fato de só haver dois níveis distintos para o sinal modulado, reduzindo-se de forma substancial o ruído que interfere sobre o sinal modulado, pois este pode ser constantemente regenerado, reassumindo sua forma original.

Um sistema PCM monocanal, ou seja, para a transmissão de um único sinal modulante, é sugerido em diagrama de blocos na figura a seguir. Os sistemas PCM multirraciais, como veremos posteriormente, adicionam uma etapa de multiplexação por divisão no tempo ao sistema monocanal.

Fig. Sistema PCM monocanal básico

O sinal analógico que vai ser modulado em PCM terá associado a si, como já vimos, um conjunto de bits que forma um código binário. Ora, esse código representa uma quantidade discreta (que só pode assumir valores determinados), em contraposição ao sinal modulante, que varia de forma contínua, por ser de natureza analógica. Esse impasse pode ser resolvido com a utilização da Amostragem, que retém o valor instantâneo do sinal analógico por um espaço de tempo suficiente para sua codificação e da Quantização, que aproxima os valores dos sinais amostrados a níveis determinados pela codificação binária.

A etapa de Codificação encarrega-se de gerar o código binário correspondente ao sinal quantizado e transmiti-lo através de um meio que normalmente  corresponde a linhas de transmissão com cabos pares.

O Receptor PCM conta, na sua entrada, com um dispositivo Regenerador que se presta e restabelecer a formal ideal ao pulso recebido, que normalmente chega ao receptor bastante atenuado e distorcido. É justamente nesse ponto que se localiza a enorme vantagem  da modulação PCM sobre a demais, pois a ação do ruído sobre o pulso é totalmente eliminada, aumentando sensivelmente a relação sinal/ruído deste sistema.

A etapa de Decodificação é responsável pela conversão do código binário em um nível de tensão correspondente e o sinal amostrado assim obtido passa por uma etapa de Filtragem, que recupera o sinal modulante original.

Os sistemas PCM multicanais, para aplicação em telefonia, foram inicialmente desenvolvidos nos Estados Unidos e o número de canais utilizados era de 24. Atualmente, o CCITT aprova também a existência do padrão Europeu, que por sinal é também adotado no Brasil, que multiplexava 30 canais telefônicos. A figura a seguir dá uma idéia de como pode ser realizado um sistema PCM multicanais.

Fig. Sistema básico de PCM multicanais

O sianl de sincronismo incluido na codificação é indispensável para que se possa operar simultaneamente o multiplex e o demultiplex na transmissão e na recepção, respectivamente, sem contar os sinais de sinalização e alarme, normalmente incluídos na codificação.

Tecnologias

A tecnologia preferencial atualmente inclui a transmissão na janela de 1300nm com fibras monomodos substituindo a tecnologia pioneira na janela de 850nm. Sistemas analógicos típicos baseados na técnica de multiplexação FDM permitem a transmissão de 8 canais por fibra, em distâncias da ordem de 20 a 25 km, com uma relação sinal-ruído de 60dB. Por outro lado, sistemas digitais, baseados nas técnicas PCM e TDM, possibilitam a transmissão típica de 8 canais de 70Mbps, em distâncias de 30 a 40km, às custas de uma relação sinal-ruído inferior a 57dB e de maiores custos.

Transmissão Analógica

De um modo geral, em troncos de curto ou médio alcance, as técnicas de transmissão analógica são atualmente mais atraentes em razão da simplicidade e custos mais baixos. As técnicas de modulação analógica para transmissão são as seguintes:

1. IM (Intensity Modulation): é uma técnica fácil de implementar com componentes ópticos menos sofisticados. A intensidade do sinal luminoso na saída do foto-emissor está diretamente correlacionada com a tensão do sinal na sua entrada. O desempenho desta técnica de modulação analógica depende das características de resposta do foto-emissor, bem como do nível e do comprimento de onda da potência óptica emitida. Na pratica, os dispositivos ópticos ativos não apresentam uma característica de conversão linear ideal, causando distorção nos sinais transmitidos pela técnica IM. Os fotodiodos PIN, embora menos eficientes que os APD's, apresentam características de conversão opto-eletrônica mais linear, sendo, portanto, preferidos no caso de sistemas analógicos IM. A técnica IM implica uma relação sinal-ruído limitada em 60dB.

2. PFM (Pulse Frequency Modulation): esta técnica analógica para modulação de sinais de vídeo foi desenvolvida a fim de reduzir a níveis aceitáveis as degradações associadas à técnica IM, incluindo aquelas atribuídas à não-linearidade dos dispositivos ópticos ativos. Na técnica PFM, o sinal modula em freqüência uma onda quadrada (tipicamente na faixa de 20 a 30MHz) de modo que, ao contrário da modulação IM, a intensidade na saída do foto-emissor permaneça fixa, num determinado nível (ON), por uma duração comandada pelo sinal de vídeo. Consegue-se, com esta técnica de modulação analógica, sistemas com relação sinal-ruído da ordem de 70dB e boa linearidade do sistema dependem mais dos dispositivos eletrônicos (componente de custos menos significativa) e menos dos dispositivos ópticos (componente de custos mais significativa). Por outro lado, a técnica PFM implica custos maiores e uma banda de sinal mais restrita (10 a 15MHz).

3. PFM / FDM (Frequency Division Multiplexing):  a técnica de modulação analógica PFM pode ser associada à técnica de multiplexação (eletrônica) em freqüência FDM para a transmissão de múltiplos canais, conforme ilustrado na figura.Neste caso, sinais PFM eletrônicos multicanais multiplexados em FDM modulam em intensidade o foto-emissor (DL geralmente). Cuidados especiais tem de ser tomados para prevenir excessiva interferência de intermodulação.

4. PFM / FDM / WDM (Wavelight Division Multiplexing): a técnica de modulação PFM associada com a técnica de multiplexação (eletrônica) FDM pode ainda ser aplicada juntamente com a técnica de multiplexação (óptica) em comprimento de onda WDM. Esta combinação de técnicas pode ser economicamente atrativa no cado de aumento da capacidade de sistemas de fibra já instalados. A figura ilustra o diagrama de blocos de sistemas tronco com multiplexação ótica WDM apenas.

Diagrama esquemático de sistema multicanal (8 canais por fibra) FM/FDM

Transmissão Digital

As aplicações com transmissão digital enfrentam ainda uma barreira causada pela indisponibilidade de circuitos capazes de digitalizar e tratar, convenientemente, a informação analógica que constitui os sinais. Em razão dos requisitos de banda passante, a expansão da transmissão digital aguarda ainda o surgimento de circuitos padrões para digitalizar e comprimir adequadamente, a banda passante dos sinais.Do mesmo modo que ocorreu com a tecnologia de transmissão digital de voz, espera-se, com o aparecimento de codec's, uma proliferação das aplicações de transmissão digital, bem como uma integração efetiva e completa dos serviços de comunicação (voz, dados e imagens) por meio de redes com integração de serviços (RDSI-BL  etc).

Sistema Analógico

Sistema Digital

A técnica de modulação digital usualmente adotada em sistemas de transmissão sem compressão de banda é a PCM (Pulse Code modulation) operando tipicamente a 140 Mbps. A transmissão é feita com amostras de 10 bits, sendo 8 bits para o canal, 1 bit de sincronização e 1 bit para um subcanal (áudio digital, alarmes, supervisão etc). Sistemas multicanais digital podem ser implementados utilizando-se a técnica de multiplexação (eletrônica) no tempo TDM.

As vantagens da modulação digital para sinais de vídeo incluem:

• a degradação do sinal, devido a flutuações do ruído, é independente do comprimento do sistema de transmissão;

• a distorção causada pela digitalização diminui linearmente com número de bits por amostra do sinal;

• com a disponibilidade dos dispositivos eletrônicos operando em velocidades cada vez maiores, as técnicas TDM permitem mais canais compartilharem circuitos comuns, diminuindo o custo de terminal por canal multiplexado;

• a técnica TDM trata os intervalos de tempo (slots) sempre da mesma maneira, ao contrário da FDM que convive com variações de distorção de amplitude e fase, e com a atenuação típica experimentada pelos canais nas bandas de extremidade dos sistemas FDM; a uniformidade provida pela técnica TDM simplifica a integração de sinais de vídeo, voz, gráficos etc., num mesmo sistema de transmissão por fibra óptica.

As desvantagens dos sistemas de modulação digital para transmissão que podem, possivelmente, ser consideradas transitórias, por razão da contínua evolução da tecnologia de fibras ópticas, incluem, por exemplo:

• as facilidades de transmissão são predominantemente analógicas e a única interface padrão universal é analógica, de modo que sistemas digitais devem geralmente superar a barreira de custos para interfacear com a planta e equipamentos existentes;

• o processo de codificação digital pode ser uma fonte importante de degradação do sinal, dependendo do tipo de codificação e do número de níveis de quantificação; enquanto numa modulação analógica é possível enlaces curtos a 30MHz, a modulação digital PCM exige no mínimo 140Mbps.

Sistemas de transmissão digital multicanais também podem fazer uso de técnica de multiplexação óptica WDM, conforme exemplo da figura.

| home | mapa do site | fibras ópticas | Assuntos complementares | últimas atualizações | Glossário Óptico |
| perguntas mais freqüentes | referência bibliográfica | Downloads (leituras complementares) |