O Protocolo Profibus (Parte III)

E ai pessoal,

Como prometido no post passado, hoje vou falar sobre as Fibras Óticas em Profibus.

As fibras óticas podem ser utilizadas em aplicações onde existe alto índice de interferência eletromagnética ou com o objetivo de se aumentar o comprimento máximo do barramento, independente da velocidade de transmissão. É um meio físico comumente utilizado em aplicações onde se utiliza tanto a tecnologia DP quanto Profinet.

 

Protocolo Profibus: Cabo de Fibra ótica
Figura 1 – Fibra Ótica

 

Um sistema de transmissão com fibra ótica consiste em três elementos: um dispositivo que gera a luz, um dispositivo que detecta esta luz e um meio de transmissão por onde a luz irá trafegar. No momento da transmissão dos dados, um pulso de luz indica bit 1 e a ausência de luz, indica bit 0 (zero).

Este meio de transmissão pode trabalhar com uma velocidade de até 50 Tbps, porém, para uso em redes industrias, esta velocidade é limitada em 1 Gbps, devido ao fato de não ser possível converter sinais elétricos e óticos em uma velocidade maior [1].

Existem dois tipos de fibra ótica:

  • Multimodo;
  • Monomodo.

Veja abaixo a descrição de cada uma delas:

Multimodo

As fibras multimodo são utilizadas para cobrir distâncias médias, que variam entre 2 e 3 Km. O fator que limita a distância na utilização dessas fibras é a dispersão modal*. Elas possuem núcleos maiores, de aproximadamente 62,5 micrômetro de diâmetro e, transmitem luz infravermelha a partir de diodos emissores de luz (600 a 850 nanômetros). O comprimento de onda do infravermelho é de 850 a 1300 nanômetros.

De acordo com [4] as fibras multimodo são mais baratas e o núcleo mais espesso demanda uma precisão menor nas conexões, o que torna a instalação mais simples, mas, em compensação, a atenuação do sinal luminoso é muito maior. Isso acontece porque o pequeno diâmetro do núcleo das fibras monomodo faz com que a luz se concentre em um único feixe, que percorre todo o cabo com um número relativamente pequeno de reflexões. O núcleo mais espesso das fibras multimodo, por sua vez, favorece a divisão do sinal em vários feixes separados, que ricocheteiam dentro do cabo em pontos diferentes, aumentando brutalmente a perda durante a transmissão.

Veja Figura 2:

Protocolo Profibus: Fibra ótica multimodo
Figura 2 – Exemplo de fibra multimodo

As principais aplicações das fibras multimodo são as redes internas de computadores (LANs) e demais aplicações de curta distância como as redes corporativas e Data Centers [4].

Essas fibras podem ser divididas em dois modelos: Step Index e Graded Index.

De acordo com [3] as fibras do tipo Step Index possuem o índice de refração do núcleo constante. A energia de um impulso luminoso vai distribuir-se por todos os modos.

Ver Figura 3:

 

Protocolo Profibus: Modo de refração no Step Index
Figura 3 – Modo de refração no Step Index

Já no Graded Index o índice de refração do núcleo tem uma variação parabólica. Esta característica tem o efeito de aproximar os tempos de propagação dos vários modos, reduzindo a dispersão modal. A largura de banda utilizável é superior à da fibra Step Index.

Ver Figura 4:

Protocolo Profibus: Modo de refração no Graded Index
Figura 4 – Modo de refração no Graded Index

Vantagens de se utilizar fibras multimodo:

  • Devido ao tamanho grande do núcleo fica mais fácil o alinhamento, no caso de emendas, conectores etc;
  • Baixo custo.

 

Desvantagens de se utilizar fibras multimodo:

  • Cobre distâncias menores e limitadas;
  • Taxas de transmissão mais baixas.

Monomodo

As fibras monomodo são utilizadas para cobrirem distâncias longas, acima de 15 Km. De acordo com [5], as fibras de modo simples têm núcleos pequenos, de aproximadamente 9 micrómetros de diâmetro e, transmitem luz laser infravermelha (comprimento de onda de 1300 a 1550 nanómetros). Neste tipo de fibras o diâmetro do núcleo é tão pequeno que não há mais do que um modo de propagação. Logo, não existe dispersão modal. A largura de banda utilizável é maior do que em qualquer dos tipos de fibra multimodo. Veja Figura 5 e 6, para exemplos de fibra monomodo e modo de refração da fibra monomodo, respectivemente.

Protocolo Profibus: Exemplo de fibra monomodo
Figura 5 – Exemplo de fibra monomodo

 

Protocolo Profibus: Modo de refração da fibra monomodo
Figura 6 – Modo de refração da fibra monomodo

 

A aplicação das fibras monomodo vão desde sistemas de ultra-longa distância (~1000 km), como os sistemas submarinos e terrestres, assim como os sistemas de telefonia regionais, acesso e serviços de TV a cabo (~100 km) [4].

De acordo com [4] as fibras monomodos podem ser divididas em três grupos: fibras monomodo convencionais ITU-T G.652 (Standard Monomode Fiber – SMF), fibras de dispersão deslocada ITU-T G.653 (Dispersion Shifted Fiber – DSF) e fibras de dispersão deslocada não-nula ITU-T G.655 (Non Zero Dispersion Shifted Fiber – NZDF).

Veja abaixo uma breve descrição de cada uma delas [4]:

 

– As fibras ITU-T G.652 foram as primeiras a serem construídas. Esses tipos de fibras foram otimizadas para operarem na janela de 1310 nm. Para sinais nesse comprimento de onda, as fibras convencionais apresentam dispersão nula e baixa atenuação. Praticamente todos os sistemas de comunicações do início da década de 1980 possuíam fontes que operavam nesse comprimento de onda. Esse tipo de fibra vem sendo fabricado desde o início dos anos 80 e é o tipo de fibra monomodo mais instalada no mundo inteiro. Apesar de estar otimizada para operação em 1310 nm, essa fibra também permite a operação na janela de 1550 nm, quando a dispersão não é um fator limitante para o sistema.

– No meio da década de 80, surgiram os primeiros amplificadores, a fibra dopada com érbium (AFDEs). Esses amplificadores são capazes de amplificar sinais em torno de 1550 nm, coincidentemente a mesma região espectral onde as fibras apresentam a menor atenuação possível. Por essa razão, foi interessante migrar a região de operação dos sistemas de 1310 nm para a região de 1550 nm, onde os amplificadores poderiam ser utilizados e como conseqüência os sistemas poderiam cobrir distâncias muito maiores. Por esse motivo, foram desenvolvidas as fibras ITU-T G.653. Essas fibras possuem dispersão nula na região de 1550 nm, i.e., um sinal com comprimento de onda em 1550 nm propagando nessa fibra não sofrerá os efeitos da dispersão. Somando o efeito nulo da dispersão, com o mínimo de atenuação e o uso dos AFDEs, os sistemas baseados em fibras de dispersão deslocada puderam cobrir distâncias nunca antes imaginadas.

– As fibras NZDs podem ser encontradas comercialmente apresentando tanto dispersão positiva ou negativa na região de 1550 nm e são uma evolução das fibras DS. Essas fibras apresentam uma pequena dispersão suficiente para evitar os efeitos não lineares, mas ainda pequena o suficiente para não causar penalidades no sistema pelo alargamento dos pulsos.

 

Vantagens de se utilizar fibras monomodo:

  • Distâncias maiores e ilimitadas;
  • Taxas de transmissão muito altas.

 

Desvantagens de se utilizar fibras monomodo:

  • Torna difícil o alinhamento devido ao núcleo ser muito pequeno;
  • Alto custo.

 

Nota:
*Dispersão modal: são atrasos do sinal na fibra multimodo causado pelos diferentes modos de propagação que a luz pode ter no núcleo.

 

E isso aí pessoal. Neste post se encerra a parte onde falei sobre os meios físicos utilizados no Profibus DP. No próximo post vou falar um pouco mais sobre a Camada de Enlace e os telegramas de mensagens.

Até mais!

 

Referencias Bibliográficas:

[1] ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional Editora.
[2] http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfoIII/pagina_4.asp
[3] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html
[4] http://www.telcon.com.br/Telcon/Web/Perguntas/Default.aspx?idper=S10110509132753
[5] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html
[6] http://www.dsif.fee.unicamp.br%2F~rudge%2Fpdf%2FDispers_Complet_f201r.pdf&ei=P23sT6_UMJSQ8wTbxK3hBQ&usg=AFQjCNFOdn_8eek38TEOmRotC9T6L0_7og&cad=rja