Balanço de potência óptica

Escrevi em outros artigos sobre o balanço de perda óptica e seu cálculo. Mas existe um conceito muito parecido, que acaba causando confusão com o anterior, que é o do “balanço de potência óptica”. Neste artigo, vamos falar sobre ele, e como ele se diferencia do balanço de perda.

Só para recordar, o “balanço de perda óptica” é um cálculo realizado para estimar qual será a atenuação total de um enlace em fibra óptica antes mesmo de ser instalado. Já o “balanço de potência óptica” é um cálculo realizado para se conhecer a quantidade mínima e máxima de potência que poderá (ou deverá) ser perdida durante a transmissão.

O balanço de perda é específico para os tipos de equipamentos de transmissão e recepção (transceivers) que serão utilizados. Portanto, para realizar esse cálculo é absolutamente necessário saber quais os modelos exatos dos transceivers que serão empregados em determinada instalação.

As características dos equipamentos que precisam ser conhecidas são:

  • Potência do transmissor
  • Sensibilidade do receptor
  • Faixa dinâmica do receptor

Esses valores são tipicamente expressos em “dBm”. O dBm é uma unidade de medida que expressa a potência absoluta mediante uma relação logarítmica (em decibéis) com base em 1 mW. Ou seja, 0 dBm equivale a 1 mW. Como exemplo, 30 dBm representa uma potência 30 dB superior a 1 mW, ou seja, 1.000 mW, ou 1 W. Em mais um exemplo, -10 dBm representa uma potência 10 dB inferior a 1 mW, ou seja, 0,1 mW, ou 100 µW.

O cálculo do balanço de potência é simples: subtraímos a sensibilidade do receptor da potência do transmissor para saber o quanto de potência podemos perder durante a transmissão sem que haja uma diminuição significativa na sua qualidade (expressa pela “taxa de erro de bit”, ou BER).

Exemplos:

  • Equipamento com potência de transmissão de 10 dBm e sensibilidade do receptor de 2 dBm.
    Balanço de potência = 10 dBm – 2 dBm = 8 dB.
    Ou seja, o canal passivo de transmissão (enlace óptico completo) pode apresentar atenuação de até 8 dB sem que haja degradação de qualidade
  • Equipamento com potência de transmissão de -5 dBm e sensibilidade do receptor de -20 dBm.
    Balanço de potência = -5 dBm – (- 20 dBm) = 15 dB.
    Ou seja, o canal passivo de transmissão (enlace óptico completo) pode apresentar atenuação de até 15 dB sem que haja degradação de qualidade.

Mas não devemos nos esquecer da faixa dinâmica do receptor. Ela nos informa os valores mínimos e máximos de potência que devem ser recebidos para que o equipamento interprete os sinais recebidos corretamente.

Se um receptor possui sensibilidade de -20 dBm e faixa dinâmica de 15 dB, isso significa que ele aceita sinais com potência entre -20 dBm e -5 dBm (ou seja, -20 + 15). Se ele receber um sinal com potência superior a -5 dBm, também haverá degradação na qualidade, e poderá ocorrer até mesmo a queima do receptor. Por exemplo, se a potência do transmissor for de -2 dBm, além de saber que a atenuação máxima deve ser inferior a 18 dB (-2 – (-20)), também saberemos que a atenuação mínima do canal deverá ser de 3 dB (-2 -(-5))! Se o enlace óptico não possuir atenuação igual ou maior que 3 dB, também haverá degradação da qualidade da transmissão, com aumento do BER.

Isso ocorre com frequência em equipamentos de transmissão de longa distância, que possuem alta potência de transmissão e ata sensibilidade do receptor, pois devem contar com enlaces de diversos quilômetros de fibra óptica, com diversas emendas. Nesses casos, quando queremos testar os equipamentos em uma bancada, e vamos conectá-los apenas com um patch cord, corremos o risco de até queimar o receptor, tamanha será a potência recebida. Para isso, devemos usar atenuadores, dispositivos que introduzem uma perda proposital no enlace a fim de não “inundar” o receptor com uma potência que esteja fora de sua faixa dinâmica.

Como vimos, o resultado do balanço de potência nos dá a atenuação máxima que o canal óptico passivo pode apresentar para que o equipamento de rede funcione a contento. E é agora que entra o outro cálculo, o do “balanço de perda óptica” que vimos nos outros artigos. Sabendo do balanço de potência, temos que projetar um enlace que apresente um balanço de perda inferior ao balanço de potência do equipamento.

Ao utilizar o valor do balanço de perda, não devemos deixar de incluir previsões para manutenções futura, além de uma margem de segurança.

Exemplos:

  • Enlace composto por 20 km de fibra monomodo OS2 terminada em ambas as extremidades dentro de distribuidores ópticos (DIO) através da fusão de pigtails, cujos conectores serão acoplados na parte interna dos adaptadores frontais do DIO; haverá uma fusão no meio da rota; prever duas fusões para manutenção futura. Equipamento com potência de transmissão de 10 dBm e sensibilidade do receptor de -5 dBm:
    1. Perda da fibra óptica: 20 km X 0,4 dB/km = 8,0 dB
    2. Perda das conexões: 2 X 0,75 dB = 1,5 dB
    3. Perda das emendas: 3 X 0,3 dB = 0,9 dB
    4. Previsão de perda das possíveis emendas futuras: 2 X 0,3 dB = 0,6 dB
    5. Margem de segurança: 1 dB
    6. Balanço da perda (1310 nm e 1550 nm): 8,0 + 1,5 + 0,9 + 0,6 + 1,0 = 12,0 dB
    7. Balanço da potência: 10 – (-5) = 15 dB
    8. Conclusão: projeto correto, pois ainda há uma margem de 3 dB (15 – 12) entre o balanço da potência e as perdas projetadas do enlace óptico.
  • Enlace composto por 30 km de fibra monomodo OS2 terminada em ambas as extremidades dentro de distribuidores ópticos (DIO) através da fusão de pigtails, cujos conectores serão acoplados na parte interna dos adaptadores frontais do DIO; haverá duas fusões no meio da rota; prever duas fusões para manutenção futura. Equipamento com potência de transmissão de 5 dBm e sensibilidade do receptor de -10 dBm:
    1. Perda da fibra óptica: 30 km X 0,4 dB/km = 12,0 dB
    2. Perda das conexões: 2 X 0,75 dB = 1,5 dB
    3. Perda das emendas: 4 X 0,3 dB = 1,2 dB
    4. Previsão de perda das possíveis emendas futuras: 2 X 0,3 dB = 0,6 dB
    5. Margem de segurança: 1 dB
    6. Balanço da perda (1310 nm e 1550 nm): 12,0 + 1,5 + 1,2 + 0,6 + 1,0 = 16,3 dB
    7. Balanço da potência: 5 – (-10) = 15 dB
    8. Conclusão: projeto incorreto, o enlace óptico projetado pode apresentar perda acima do tolerado pelo equipamento previsto.

Equipamentos de rede Ethernet já possuem tabelas que mostram o balanço da perda alocada para o enlace óptico, assim não precisamos realizar esse cálculo, basta consultar as tabelas publicadas no padrão IEEE 802.3. Como exemplo, a tabela abaixo mostra a perda máxima alocada para o canal óptico para os padrões Ethernet sobre fibra óptica entre as velocidades de 10 Mb/s e 1 Gb/s:

Padrão FibraComprimento de onda (nm) Perda máx. do canal (dB)
10BASE-FL OM1 850 12,5
100BASE-FXOM1 1300 11
1000BASE-SX OM2 850 3,56
1000BASE-LX OM2 1310 2,35
1000BASE-LX SM 1310 4,57

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Até a próxima!

Marcelo Barboza, RCDD, DCDC, NTS, ATS, DCS Design, Assessor CEEDA
Clarity Treinamentos
marcelo@claritytreinamentos.com.br

Cálculo do balanço de perda óptica

Em 04/abr/2017, escrevi um artigo sobre o “balanço de perda óptica” (http://www.claritytreinamentos.com.br/2017/04/04/balanco-de-perda-optica/), onde conceituo o que ele é e para que serve. Neste artigo, vamos abordar a sua forma de cálculo.

Para recordar, o “balanço de perda óptica” é um cálculo realizado para estimar qual será a atenuação total de um enlace em fibra óptica antes mesmo de ser instalado. Dentre suas finalidades, podemos ressaltar duas:

  • Verificar se o enlace óptico sendo projetado atenderá aos requisitos das aplicações que nele rodarão. Se o cálculo do balanço for superior à margem de perda alocada para o cabeamento da aplicação pretendida (ex.: 10GBASE-SR), o link poderá apresentar perda de dados e até mesmo nem “subir”;
  • Estabelecer um limite que será utilizado durante os testes de aceitação do enlace instalado. Ao testar o link com um PMLS (power meter + light source), se a atenuação medida for superior ao balanço de perda do projeto, então saberemos que algo falhou na execução: o material e/ou a mão-de-obra envolvidos.

Mas, como calcular o balanço de perda óptica? Primeiramente, temos que saber exatamente quais os componentes ópticos que serão utilizados no enlace, de preferência com marca e modelo. Componentes usuais:

  • Fibra óptica
  • Conectores
  • Emendas
  • Splitters
  • Outros componentes passivos (como taps e atenuadores, por exemplo)

Em seguida, devemos determinar a perda (atenuação) que cada um desses componentes apresentará ao ser instalado no enlace. Essa informação pode ser obtida nos folhetos de especificações técnicas dos componentes escolhidos. Atenção: a atenuação poderá ser diferente dependendo do comprimento de onda de luz utilizado.

O cálculo deve ser realizado em todos os comprimentos de onda previstos a serem utilizados no enlace em questão. No mínimo, testar:

  • Fibras multimodo nos comprimentos de onda 850 nm e 1300 nm;
  • Fibras monomodo nos comprimentos de onda 1310 nm e 1550 nm.

Se as marcas e modelos dos componentes não forem ainda conhecidos, utilizar valores padrões de mercado e/ou especificados pelas normas nacionais/internacionais correspondentes.

Exemplos de valores de atenuação padrões estabelecidos pela norma ISO/IEC 11801-1:2017, e que possivelmente estarão na próxima revisão da norma nacional ABNT/NBR 14565:

  • Par de conectores acoplados: 0,75 dB
  • Emenda: 0,3 dB
  • Fibra MM, OM1 a OM4: 3,5 dB/km (850 nm) e 1,5 dB/km (1300 nm)
  • Fibra MM, OM5: 3,0 dB/km (850 nm) e 1,5 dB/km (1300 nm)
  • Fibra SM, OS1 e OS1a: 1,0 dB/km (1310 nm e 1550 nm)
  • Fibra SM, OS2: 0,4 dB/km (1310 nm e 1550 nm)

Precisamos saber também o comprimento total do enlace final, em quilômetros. Pois a perda do componente “fibra óptica” será proporcional ao seu comprimento (por isso a perda é dada em “dB/km”, como visto acima).

Com base nessas informações, somamos todos os valores para o enlace para a obtenção do balanço de perda, em decibéis (dB).

Exemplos:

1 – Enlace composto por 3.000 m de fibra monomodo OS2 terminada em ambas as extremidades dentro de distribuidores ópticos (DIO) através da fusão de pigtails, cujos conectores serão acoplados na parte interna dos adaptadores frontais do DIO; haverá uma fusão no meio da rota

Perda da fibra óptica: 3 km X 0,4 dB/km = 1,2 dB
Perda das conexões: 2 X 0,75 dB = 1,5 dB
Perda das emendas: 3 X 0,3 dB = 0,9 dB
Balanço da perda (1310 nm e 1550 nm): 1,2 + 1,5 + 0,9 = 3,6 dB

2 – Enlace composto por 200 m de fibra multimodo OM3 terminada em ambas as extremidades dentro de distribuidores ópticos (DIO) através da terminação direta em conectores (processo de cola e polimento), e eles serão acoplados na parte interna dos adaptadores frontais do DIO

Perda da fibra óptica a 850 nm: 0,2 km X 3,5 dB/km = 0,7 dB
Perda da fibra óptica a 1300 nm: 0,2 km X 1,5 dB/km = 0,3 dB
Perda das conexões: 2 X 0,75 dB = 1,5 dB
Balanço da perda a 850 nm: 0,7 + 1,5 = 2,2 dB
Balanço da perda a 1300 nm: 0,3 + 1,5 = 1,8 dB

Os valores obtidos, como já mencionado, deverão ser comparados às especificações das aplicações e aos valores medidos durante a certificação do enlace instalado.

Se o valor medido for superior ao balanço de perda calculado, verifique o material instalado, a rota da fibra, a limpeza das conexões e a qualidade das emendas. Se for o caso, utilize um OTDR para encontrar os locais que apresentam perdas acima do esperado.

Saiba mais sobre o balanço de perda óptica no curso rápido online SCE335, e sobre os testes com PMLS no curso rápido online SCE333. Ao final de cada curso, você poderá baixar materiais de referência, realizar avaliações e, se for bem nelas, ainda receberá certificados de conclusão!

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