Radar Tecnológico — A luz que transporta informação

A luz como portadora

A luz é uma onda electromagnética, da mesma família das ondas de rádio que transportam a emissão da tua estação preferida. O que muda é a frequência. Para passar do comprimento de onda λ, que é a grandeza com que normalmente se descreve a luz, para a frequência f, usa-se a relação fundamental das ondas, em que c é a velocidade da luz no vácuo, c = 299 792 458 m/s ≈ 3,00 × 10⁸ m/s:

Pela Equação (R.1), a luz de 1550 nm, muito usada nas fibras ópticas, oscila a cerca de 194 terahertz, umas 39 000 vezes mais depressa do que a portadora de 5 GHz de uma rede sem fios. A mesma conta, feita para os limites do visível (380 nm e 780 nm), dá cerca de 789 THz e 385 THz: só a luz visível ocupa uma faixa de uns 400 THz, mais de mil vezes a largura de todo o espectro de rádio e microondas, que vai até 300 GHz. É este o primeiro grande argumento a favor da luz: há muito espaço para transportar informação, e a maior parte dele não precisa de licença.

A Figura 2 coloca estas faixas lado a lado. Em cima está o espectro inteiro, numa escala em que cada divisão multiplica a frequência por dez. Em baixo amplia-se a zona onde trabalham as tecnologias deste Radar, do ultravioleta (UV) ao infravermelho (IV) próximo, com as faixas fixadas pelas normas que vamos citar: as do Instituto de Engenheiros Electricistas e Electrónicos (IEEE) e as do Sector de Normalização das Telecomunicações da União Internacional das Telecomunicações (ITU-T).

Todas as tecnologias seguintes são casos particulares do sistema de comunicação que estudarás na Teoria em 10 Minutos, com uma particularidade comum: a informação viaja na intensidade da luz. O emissor faz variar a potência óptica e o receptor mede-a com um fotodíodo, sem olhar para a fase da onda. A este método chama-se modulação de intensidade com detecção directa (IM/DD) e é o mesmo que vais usar no Projecto de Capa.

1. Li-Fi (IEEE 802.11bb) — Uma rede local que usa a luz

O Wi-Fi, a rede local sem fios definida pelas normas IEEE 802.11, usa ondas de rádio de 2,4 GHz e 5 GHz. Numa sala cheia de telemóveis e portáteis, todos partilham os mesmos canais e a rede fica lenta. O Li-Fi (do inglês Light Fidelity) faz o mesmo trabalho com luz: cada luminária passa a ser também um ponto de acesso à rede. A norma IEEE 802.11bb, aprovada em Junho de 2023, acrescenta ao Wi-Fi uma camada física (PHY) óptica e mantém o controlo de acesso ao meio (MAC) do IEEE 802.11. Para o computador, o Li-Fi é apenas mais uma forma de ligação à mesma rede.

A norma fixa três exigências principais: a ligação funciona nos dois sentidos na faixa de 800 nm a 1000 nm, isto é, no infravermelho próximo, invisível para o olho; o débito medido à entrada do MAC vai de um mínimo de 10 Mbit/s a um máximo de 9,6 Gbit/s; e emissores com larguras de banda de modulação diferentes têm de conseguir falar entre si. A Recomendação ITU-T G.9991, dedicada aos transceptores de comunicação por luz visível de alta velocidade para interiores, define duas faixas: o visível, de 380 nm a 780 nm, e o infravermelho, de 800 nm a 1675 nm.

O sistema bloco a bloco

A Figura 3 mostra uma ligação descendente, da luminária para o portátil. Os dados ① chegam da rede IEEE 802.11 como uma sequência de bits. O modulador OFDM + DC ② usa a multiplexagem por divisão ortogonal de frequência (OFDM) para transformar esses bits num sinal analógico com muitas subportadoras e soma-lhe uma componente contínua (DC, do inglês direct current), para que o sinal seja sempre positivo (veremos porquê mais à frente). O driver do LED ③ converte esta tensão numa corrente: é a corrente, e não a tensão, que comanda o brilho de um LED. O LED ④ emite então uma luz cuja intensidade copia a forma do sinal ②.

A luz atravessa o ar da sala ⑤, que é o canal. Pelo caminho, só uma pequena parte da potência emitida atinge o receptor, e junta-se-lhe a luz do sol e das lâmpadas, que para o receptor é ruído. Na lente + fotodíodo ⑥, a lente junta a luz numa área pequena e um filtro óptico corta as cores que não interessam; o fotodíodo transforma a potência óptica numa fotocorrente proporcional. O fotodíodo PIN tem uma camada intrínseca, quase sem impurezas, entre as zonas P e N, o que o torna rápido e linear. A fotocorrente é da ordem dos microamperes; o amplificador de transimpedância (TIA) ⑦ converte-a numa tensão utilizável, com um ganho medido em volts por ampere. Por fim, o desmodulador OFDM ⑧ separa as subportadoras, lê o que cada uma transporta e entrega de novo os bits à rede.

Modulação: do OOK ao OFDM

A forma mais simples de escrever bits na luz é a modulação por chaveamento liga-desliga (OOK, On-Off Keying): luz forte para «1», luz fraca ou apagada para «0». É o que vais usar no modo TEXTO do Li-Fi Comunicador. Funciona bem a débitos baixos, mas tem um limite: cada bit ocupa sozinho todo o canal, e os ecos da luz nas paredes misturam bits vizinhos quando o débito sobe.

Para débitos altos, os sistemas Li-Fi usam a OFDM. Os dados são repartidos por muitas subportadoras lentas, lado a lado; é como trocar uma estrada de uma só faixa, muito rápida, por uma auto-estrada com muitas faixas mais lentas. Se um eco prejudicar algumas frequências, só as faixas correspondentes sofrem, e o receptor pode deixar de as usar.

Há uma dificuldade: um sinal OFDM toma valores positivos e negativos, e a intensidade da luz nunca pode ser negativa. A ITU-T G.9991 prevê duas soluções. Na primeira, a OFDM com polarização contínua (DCO-OFDM), soma-se ao sinal uma componente contínua, a corrente de repouso do LED, de modo que quase todo o sinal fique acima de zero; é a solução da Figura 3. Na segunda, a OFDM óptica com corte assimétrico (ACO-OFDM), os dados são colocados só em parte das subportadoras e arrumados em espelho (com simetria hermitiana), o que dá um sinal real; depois cortam-se os valores negativos, e o corte não destrói a informação. A primeira aproveita melhor a largura de banda; a segunda gasta menos potência óptica.

Ligação ascendente e mudança de luminária

Uma rede só é útil se o portátil também puder responder. Na IEEE 802.11bb, a ligação ascendente, do portátil para a luminária, usa a mesma faixa de 800 nm a 1000 nm, com um pequeno emissor de infravermelho no portátil e um fotodíodo na luminária: é por isso que a norma fala de operação bidirecional. Como cada luminária ilumina apenas uma zona da sala, o utilizador que se desloca sai da zona de uma e entra na de outra. O MAC do IEEE 802.11 trata esta mudança como trata a passagem entre dois pontos de acesso Wi-Fi, e a ligação continua sem que o utilizador tenha de fazer nada.

Limites e aplicações

O LED branco de iluminação é, na maioria dos casos, um chip azul coberto de um fósforo amarelo, e o fósforo é lento a responder: limita a largura de banda de modulação. É por isso que a IEEE 802.11bb exige que emissores com larguras de banda diferentes se entendam, e é por isso que muitos sistemas trabalham no infravermelho, com LED dedicados. A luz não atravessa paredes, o que tem duas faces: cada sala precisa dos seus pontos de acesso, mas também ninguém, do outro lado da parede, consegue escutar a ligação. Como não emite rádio, o Li-Fi é útil onde as ondas de rádio são indesejadas ou estão congestionadas: salas com muitos utilizadores, equipamento médico sensível, zonas industriais ou aviões.

2. FSO — comunicação óptica em espaço livre

Ligar dois edifícios separados por uma avenida, ou um campus a um centro de dados do outro lado de um rio, pode exigir obras caras para enterrar um cabo. A comunicação óptica em espaço livre (FSO, Free-Space Optical communication) resolve o problema com um feixe estreito, normalmente de laser, apontado de um telescópio emissor para um telescópio receptor. Funciona como uma fibra óptica sem fibra: a luz viaja pelo ar, ou pelo vácuo nas ligações entre satélites. Os sistemas costumam usar as mesmas janelas das fibras, em particular a de 1550 nm, para aproveitar lasers e fotodíodos já desenvolvidos para as telecomunicações.

O sistema bloco a bloco

Segue a Figura 4. Os dados ① entram no modulador + driver ②, que liga e desliga a corrente do laser ③ ao ritmo dos bits; é o mesmo OOK do Li-Fi, agora a débitos muito maiores. O telescópio emissor ④ alarga um pouco o feixe à saída e torna-o quase paralelo: um feixe mais largo à partida abre-se menos ao longo do caminho e chega mais concentrado.

O feixe atravessa a atmosfera ⑤, o canal. No telescópio receptor ⑥, um espelho ou uma lente com uma área muito maior do que a do fotodíodo recolhe a luz e concentra-a. O fotodíodo de avalanche (APD) ⑦ é polarizado com uma tensão inversa elevada: cada electrão libertado pela luz ganha energia suficiente para arrancar outros, numa pequena avalanche, e a fotocorrente sai multiplicada. É a escolha natural quando chega muito pouca luz. O TIA, no mesmo bloco, converte a fotocorrente em tensão. O decisor ⑧ compara essa tensão com um limiar e diz, em cada intervalo de bit, se recebeu um «1» ou um «0».

Porque o feixe estreito chega mais longe

Compara uma lanterna com um ponteiro laser. A luz da lanterna abre-se num cone largo: a cada duplicação da distância, a mancha de luz tem o dobro do diâmetro e quatro vezes a área, e a potência que cai num receptor de tamanho fixo fica dividida por quatro. É a lei do inverso do quadrado da distância, que vais calcular no orçamento óptico do Projecto de Capa. O feixe de laser também se abre, mas muito menos, e quase toda a potência fica concentrada na abertura do telescópio receptor. Em troca, os dois telescópios têm de estar muito bem alinhados: um edifício que oscila com o vento ou dilata com o sol pode desviar o feixe. Os sistemas profissionais têm, por isso, mecanismos de seguimento automático.

O tempo meteorológico é o inimigo

O maior inimigo do FSO na superfície da Terra é o nevoeiro. As gotículas de água têm um tamanho próximo do comprimento de onda da luz e espalham-na em todas as direcções, como acontece aos faróis de um carro numa noite de nevoeiro. Há também a cintilação atmosférica: bolsas de ar a temperaturas diferentes funcionam como lentes em movimento e fazem a potência recebida flutuar, o mesmo efeito que faz as estrelas «piscar». É essa flutuação que aparece nos últimos painéis da Figura 4. As respostas dos engenheiros são várias: usar vários feixes e vários receptores, para que um compense a falha do outro (diversidade espacial); juntar uma ligação de rádio de reserva; e usar protocolos que voltam a enviar os blocos de dados perdidos. No espaço não há nevoeiro nem turbulência, e as ligações laser entre satélites são uma das aplicações mais promissoras.

3. Fibra óptica — Guiar a luz por um fio de vidro

Quase todo o tráfego da Internet entre cidades e continentes passa por fibras ópticas: fios de vidro de sílica com 125 µm de diâmetro, pouco mais do que um cabelo. Uma fibra tem duas zonas concêntricas: o núcleo, por onde a luz viaja, e a bainha, que o envolve. O vidro do núcleo tem um índice de refracção n₁ um pouco maior do que o da bainha, n₂. Quando a luz que viaja no núcleo chega à fronteira com um ângulo maior do que o ângulo crítico, não sai: é reflectida por inteiro e volta ao núcleo. É a reflexão interna total, representada na Figura 5(a), e repete-se ao longo de quilómetros, mesmo com a fibra curvada.

Monomodo e multimodo

A abertura numérica (NA) mede o cone de luz que a fibra aceita à entrada e depende só dos dois índices de refracção:

em que θ_a é o semi-ângulo do cone de aceitação. A Recomendação ITU-T G.651.1 especifica a fibra multimodo de índice gradual de 50/125 µm (núcleo de 50 µm, bainha de 125 µm), com NA = 0,20 ± 0,015. Resolvendo a Equação (R.2) em ordem a θ_a, obtém-se o maior ângulo de entrada aceite (≈ 11,5°); com um ângulo maior, a luz perde-se na bainha.

No núcleo largo da fibra multimodo cabem muitos caminhos de luz, os modos, que percorrem distâncias ligeiramente diferentes e chegam em instantes diferentes: o impulso alarga-se e limita o débito e a distância. Por isso a fibra multimodo serve sobretudo dentro de edifícios e em redes de acesso. A fibra monomodo da Recomendação ITU-T G.652 tem um núcleo tão estreito que só um modo se propaga acima do comprimento de onda de corte, no máximo 1260 nm. Para a variante G.652.D, o diâmetro do campo modal a 1310 nm tem um valor nominal entre 8,6 µm e 9,2 µm.

O sistema bloco a bloco

Na Figura 6, os dados ① de um centro de dados entram no driver ②, que comanda a corrente do laser ③ de 1310 nm ou de 1550 nm. O conector ④ acopla a luz do laser ao núcleo da fibra; um acoplamento mal feito desperdiça potência logo à partida. A fibra óptica ⑤ é o canal: atenua a luz um pouco por cada quilómetro e alarga ligeiramente os impulsos. No outro extremo, o fotodíodo PIN ou APD ⑥ converte a luz em fotocorrente, o TIA ⑦ converte-a em tensão e o decisor + relógio ⑧ recupera o ritmo dos bits a partir do próprio sinal e decide o valor de cada bit no instante certo.

Há ainda a dispersão cromática: um laser não emite uma só cor, mas uma faixa estreita de comprimentos de onda, e cada um viaja no vidro a uma velocidade ligeiramente diferente. Os impulsos chegam um pouco mais largos do que partiram. Na fibra G.652, o comprimento de onda em que a dispersão cromática se anula fica entre 1300 nm e 1324 nm, perto da janela dos 1310 nm; na janela dos 1550 nm a atenuação é menor, mas a dispersão já não é nula e tem de ser tida em conta nas ligações mais rápidas e mais longas.

Quanto se perde por quilómetro

A atenuação de uma fibra exprime-se em decibéis por quilómetro. A perda total A, em decibéis, é o produto do coeficiente de atenuação α pelo comprimento L da ligação, e a fracção da potência que chega ao fim obtém-se a partir dela:

Para a G.652.D, o cabo tem no máximo 0,40 dB/km entre 1310 nm e 1625 nm e 0,30 dB/km entre 1530 nm e 1565 nm, a janela dos 1550 nm. Pela Equação (R.3), ao fim de 50 km a 1550 nm chega pelo menos 3,2 % da potência emitida, o que um bom receptor ainda detecta. Na fibra multimodo G.651.1, a atenuação máxima é de 3,5 dB/km a 850 nm e de 1,0 dB/km a 1300 nm: em 2 km a 850 nm perdem-se 7 dB, e chega cerca de 20 % da luz. Estes números explicam a divisão de tarefas: multimodo e 850 nm para distâncias curtas, com emissores baratos; monomodo e 1550 nm para as grandes distâncias.

Muitas cores na mesma fibra: WDM

Uma só fibra pode transportar vários sinais ao mesmo tempo, cada um numa cor diferente: é a multiplexagem por divisão de comprimento de onda (WDM). No emissor, um multiplexador óptico junta a luz de vários lasers; no receptor, um desmultiplexador separa-a outra vez, e cada cor segue para o seu fotodíodo. A Recomendação ITU-T G.694.1 fixa a grelha da WDM densa (DWDM) em frequência, ancorada em 193,1 THz: as frequências centrais permitidas são 193,1 THz + n × Δf, com n inteiro (positivo, negativo ou zero) e espaçamentos Δf de 12,5 GHz, 25 GHz, 50 GHz ou 100 GHz, ou múltiplos inteiros de 100 GHz. A edição de 2020 acrescenta uma grelha flexível, em que a frequência central avança em passos de 6,25 GHz e a largura de cada canal é um múltiplo de 12,5 GHz. A Recomendação ITU-T G.694.2 fixa a WDM grosseira (CWDM), com espaçamento de 20 nm (18 comprimentos de onda nominais, de 1271 nm a 1611 nm). Com c = 2,997 924 58 × 10⁸ m/s, a Equação (R.1) dá o comprimento de onda da frequência de ancoragem da DWDM:

O resultado cai em plena janela dos 1550 nm. É assim que um único cabo submarino transporta o tráfego de milhões de pessoas.

4. UOWC — comunicação óptica sem fios subaquática

Debaixo de água, o rádio quase não serve: a água salgada conduz a electricidade e absorve as ondas de rádio em poucos metros. O som propaga-se bem e chega longe, mas a cerca de 1500 m/s, e as ligações acústicas são lentas e com grandes atrasos. A comunicação óptica sem fios subaquática (UOWC, Underwater Optical Wireless Communication) aproveita uma propriedade física da água: ela absorve fortemente o vermelho e o infravermelho, mas deixa passar muito melhor a luz azul e verde. É essa janela azul-verde, assinalada na Figura 2, que permite ligar com débitos elevados um robô submarino a uma bóia ou a outro veículo, a distâncias curtas.

O sistema bloco a bloco

Na Figura 7, os dados ① recolhidos pelos sensores de um robô submarino entram no modulador + driver ②, que comanda um LED ou laser azul-verde ③. O LED ilumina uma zona larga e tolera maus alinhamentos; o laser chega mais longe, mas tem de ser bem apontado. O canal é a água ④. No receptor, uma lente + filtro ⑤ recolhe a luz e deixa passar só a cor do emissor, cortando a luz do sol que entra pela superfície. O fotodíodo + TIA ⑥ converte a luz em tensão, e o decisor ⑦ recupera os bits, que chegam como dados ⑧ à bóia, de onde podem seguir por rádio até à costa.

Para que serve e limites

As aplicações típicas são as que precisam de passar muitos dados a curta distância: descarregar as imagens de vídeo de um robô de inspecção de um oleoduto ou do casco de um navio, recolher os dados de sensores pousados no fundo do mar, ou controlar em tempo real um veículo submarino. Muitas vezes a óptica e a acústica trabalham juntas: a ligação acústica, lenta mas de longo alcance, serve para localizar o robô e mantê-lo em contacto; quando ele se aproxima da bóia ou da estação, a ligação óptica descarrega rapidamente o grande volume de dados.

Três efeitos limitam o alcance: a absorção pela própria água e pelas substâncias dissolvidas; a dispersão por partículas em suspensão (numa água turva costeira, a melhor cor desloca-se do azul para o verde); e a turbulência, as bolhas e as variações de temperatura e de salinidade, que fazem a luz recebida flutuar.

5. VLC e OCC (IEEE 802.15.7) — A luz do dia a dia como canal

A comunicação por luz visível (VLC, Visible Light Communication) usa fontes de luz que já existem por outras razões, como semáforos, faróis, painéis informativos e iluminação, para transmitir dados a curta distância. A norma IEEE 802.15.7-2018, de comunicações ópticas sem fios de curto alcance, define a PHY e o MAC para comprimentos de onda de 10 000 nm a 190 nm, do infravermelho ao ultravioleta, passando pelo visível.

A versão de 2018 acrescentou a comunicação óptica por câmara (OCC, Optical Camera Communication), em que o receptor não é um fotodíodo, mas uma câmara digital com lente e sensor de imagem, como a de um telemóvel ou de um automóvel. Entre os modos de modulação previstos estão o OOK e a modulação por posição de impulso variável (VPPM), na VLC, e, na OCC, modos como o OOK por câmara (C-OOK) e o FSK com obturador de varrimento (RS-FSK).

VLC: do semáforo ao veículo

Na parte (a) da Figura 8, os dados do semáforo ① entram no modulador OOK/VPPM ②. Na VPPM, cada bit é um impulso colocado no início ou no fim do seu intervalo de tempo, e a largura do impulso pode ajustar-se para regular o brilho sem mudar os dados. O driver + LED do semáforo ③ emite a luz modulada, rápida demais para o olho a notar. A luz atravessa o ar da rua ④, onde se junta à luz do sol. O fotodíodo ⑤ do veículo converte-a em fotocorrente, o TIA + decisor ⑥ recupera os bits e os dados ⑦ chegam ao computador de bordo.

Um cuidado é essencial: a comunicação não pode fazer a luz cintilar de forma visível. O período máximo de cintilação (MFTP, maximum flickering time period) é de 5 ms (frequência mínima sem cintilação de 200 Hz), e o brilho médio de cada intervalo de 5 ms tem de ser igual, usando códigos equilibrados como Manchester, 4B6B e 8B10B.

OCC: a câmara como receptor

Na parte (b) da Figura 8, os dados ① passam pelo modulador ② (ex.: C-OOK) e acendem e apagam o painel LED ③. Através do ar ④, a luz chega à lente + sensor de imagem ⑤. Muitos sensores usam um obturador de varrimento (rolling shutter): as linhas da imagem são expostas uma a seguir à outra. Se o LED piscar mais depressa do que a imagem é lida, a fotografia mostra faixas claras e escuras. O processamento da imagem ⑥ lê essas faixas e recupera os dados ⑦.

Comparação das cinco tecnologias: Da norma à bancada

A Tabela 2 resume as cinco tecnologias. Todas usam modulação de intensidade com detecção directa; o que as distingue é o canal e, por causa dele, o comprimento de onda, o emissor e o receptor. Os blocos das cinco figuras são os que vais simular: o driver e o fotodíodo com TIA estão no Li-Fi Comunicador do Projecto de Capa, e o decisor é o comparador dos kits digitais. Os números mudam; o método é o mesmo.