Compreender dB, dBm e orçamento de energia óptica

Qual a distância que a fibra óptica plástica pode transmitir?

soa como uma pergunta simples, mas não há uma única distância que se aplique a todos os links de FOP.

Um cabo de fibra óptica plástica tem uma especificação de atenuação, geralmente expressa em dB por metro. Esse valor é importante, mas é apenas uma parte do cálculo da distância. O alcance real de um link depende de quanta potência óptica o transmissor lança, quanta pouca potência óptica o receptor pode detectar de forma confiável, quanta potência é perdida através da fibra e das conexões, e quanta margem deve permanecer para as condições reais de operação., e orçamento de potência óptica

do link completo transmissor-fibra-receptor mudou.ExemplodBm−10 dBmdB, e mesma atenuação não produz o mesmo alcance quando o orçamento óptico disponível é diferente

.

O que determina a distância máxima de transmissão da fibra óptica plástica?

A distância máxima de transmissão da fibra óptica plástica é o comprimento do link mais longo que mantém a potência óptica recebida e a qualidade do sinal dentro dos limites especificados do sistema transmissor/receptor. Depende do orçamento de potência óptica, atenuação da fibra, perdas de conexão e de curvatura, temperatura, margem de projeto e, em alguns sistemas, limitações de taxa de dados e largura de banda.

A distância é uma propriedade do link óptico completo

Um link de dados FOP pode ser simplificado em três elementos principais:

Transmissor → Fibra Óptica Plástica → Receptor                                           

Orçamento de Potência Óptica Transmissor-FOP-Receptor

O transmissor cria o sinal óptico. A fibra o transporta. O receptor ainda deve receber potência óptica utilizável suficiente para recuperar os dados corretamente.

O transmissor, portanto, fornece ao sistema um nível de potência óptica inicial, enquanto cada parte do caminho óptico reduz essa potência em algum grau.

A relação básica é:

Potência Óptica Recebida = Potência Óptica Transmitida − Perda Óptica Total

Se a potência óptica recebida cair abaixo da sensibilidade exigida pelo receptor, o link não pode mais garantir o funcionamento correto.

Isso significa que a pergunta não é simplesmente:

Qual a perda desta FOP por metro?

A pergunta de engenharia mais útil é:

Qual a perda óptica total que este sistema transmissor-fibra-receptor específico pode tolerar?

Somente após esse valor ser conhecido é que a atenuação da fibra se torna útil para estimar a distância.

A potência óptica não é o único limite de distância possível

Para muitos links FOP industriais de curta distância, o orçamento de potência óptica é uma das maneiras mais práticas de entender a distância de transmissão. No entanto, potência recebida suficiente não garante automaticamente que qualquer comprimento de link e taxa de dados arbitrários funcionarão.

À medida que a taxa de dados aumenta, a forma do pulso, a largura de banda do sistema, a dispersão, o tempo do transmissor e o comportamento do receptor podem afetar a integridade do sinal. Um link pode, portanto, atingir um limite de qualidade de sinal mesmo quando um cálculo simples de potência óptica ainda parece aceitável.

Por esse motivo, o orçamento de potência óptica deve ser tratado como um cálculo de distância fundamental, mas não como um substituto para a especificação completa do link transmissor/receptor.

dB vs dBm: As unidades por trás dos cálculos de link óptico−10 dBmdBExemplodBm

8 dB

Entender essa distinção torna o restante do cálculo do orçamento de link muito mais fácil.

                                                      dBm vs dB em um link óptico

O que significa dBm?

dBm é um nível de potência absoluto.

Ele expressa a potência óptica em relação a 1 milliwatt:

0 dBm = 1 mW

Valores negativos de dBm não significam potência física negativa. Eles simplesmente significam que o nível de potência está abaixo de 1 mW.

Por exemplo, um transmissor pode especificar uma saída óptica mínima de −10 dBm, enquanto um receptor pode especificar uma sensibilidade de −18 dBm.

Esses são dois níveis de potência óptica absolutos.

O que significa dB?

dB descreve uma razão ou diferença entre dois níveis de potência.

• Em um link óptico, dB é usado para perdas como:

• atenuação da fibra,

• perda de conector ou adaptador,

• perda relacionada à curvatura,

e margem de engenharia.

Se uma seção do link introduz 2 dB de perda, a potência óptica recebida após essa seção é 2 dB menor do que antes dela.

Essa distinção é importante:
dBm diz onde está o nível de potência óptica.

dB diz o quanto ele muda.

Por que os valores de dBm podem ser subtraídos para obter dB?

Como dBm é logarítmico, a diferença entre dois valores de dBm é expressa em dB.

Suponha:

Saída mínima do transmissor = −10 dBm

e:

Sensibilidade do receptor = −18 dBm

Então:

−10 dBm − (−18 dBm) = 8 dB

O sistema, portanto, tem uma diferença de potência óptica de 8 dB disponível entre a saída mínima do transmissor e a sensibilidade do receptor.Esses 8 dB não são a distância da fibra. É o mesma atenuação não produz o mesmo alcance quando o orçamento óptico disponível é diferente

.

Como calcular um orçamento de potência óptica FOP

Um cálculo básico é:

Orçamento de Potência Óptica = Potência Mínima do Transmissor − Sensibilidade do Receptor

O resultado é expresso em dB.

Para engenharia conservadora, a saída mínima garantida do transmissor é geralmente mais útil do que um valor típico de transmissor, pois o objetivo é geralmente determinar se o link pode operar sob as condições de componente e ambientais pretendidas.

O mesmo princípio se aplica ao receptor: o valor de sensibilidade relevante deve corresponder às condições de operação e taxa de dados exigidas.

Comece com a Potência Mínima do Transmissor e a Sensibilidade do Receptor

Considere um sistema hipotético:
Saída mínima do transmissor: −10 dBm

Sensibilidade do receptor: −18 dBm

O orçamento de potência óptica inicial é:

−10 − (−18) = 8 dB

O sistema, portanto, pode tolerar 8 dB entre a saída especificada do transmissor e o limiar do receptor antes de atingir esse limite do receptor.

Mas não todos os 8 dB devem ser automaticamente atribuídos à fibra.

Outras perdas ainda precisam ser consideradas.

As especificações do receptor também precisam ser lidas como um intervalo, em vez de apenas como um limiar mínimo. Na extremidade de longa distância, a potência insuficiente é normalmente a preocupação. Em distâncias muito curtas em alguns sistemas, a entrada óptica excessiva também pode exceder o intervalo especificado do receptor. Portanto, mais potência nem sempre é automaticamente melhor.

Subtraia as Perdas Entre o Transmissor e o Receptor

Um modelo prático de perda de link é:

Perda Total do Link = Perda da Fibra + Perdas Adicionais de Interface + Perdas de Terminação + Perdas Relacionadas à Curvatura + Outras Perdas de Instalação

As categorias exatas dependem de como o sistema é construído.

Um detalhe importante é que nem toda interface aparente precisa ser adicionada novamente. Algumas especificações de transmissor e receptor já incorporam condições de acoplamento definidas em suas características ópticas publicadas.

Se um projetista adicionar essas perdas novamente, o orçamento se tornará desnecessariamente pessimista.

O erro oposto é igualmente problemático: assumir que um adaptador de painel, conexão em linha ou interface instalada em campo custa nada.O cálculo deve, portanto, distinguir entre perdas que já estão incluídas na especificação do componente ou do link

e perdas adicionadas pela instalação real.

Reserve Margem de Potência Óptica

Um projeto que atinge exatamente a sensibilidade do receptor no papel não tem praticamente nenhuma folga óptica restante.

Sistemas reais podem precisar de margem para fatores como variação de componente, envelhecimento, variação da fonte de alimentação, variação da instalação, condições ambientais e perdas passivas adicionais.

A margem necessária é específica do sistema. Não há uma regra universal dizendo que todo sistema FOP deve reservar exatamente o mesmo número de decibéis.

A equação de engenharia útil, portanto, torna-se:

Orçamento de Perda de Fibra Disponível = PTx(min) − PRx(sensibilidade) − Perdas Fixas − Margem Necessária

O que resta após essas deduções pode ser atribuído à fibra.

Converta o Orçamento Restante em um Comprimento Máximo Aproximado da FibraSe a atenuação da fibra for representada por α

em dB/m, um comprimento aproximado limitado pela potência pode ser calculado como:

Lmax ≈ Orçamento de Perda de Fibra Disponível / αmax

Por exemplo, se um sistema tem 4 dB disponíveis para a fibra e o valor de atenuação de projeto é 0,20 dB/m:

Lmax ≈ 4 dB / 0,20 dB/m = 20 m

Isso já é muito mais significativo do que começar com 0,20 dB/m e tentar adivinhar uma distância.

O valor de atenuação nos diz quão rapidamente o orçamento disponível é consumido. O transmissor e o receptor nos dizem quanto orçamento existe em primeiro lugar.

Para onde vai o orçamento de potência óptica?

Preserva a folga em vez de operar exatamente no limiar do receptor

                                                    Para onde vai o orçamento de potência óptica

Atenuação da Fibra

A atenuação da fibra descreve quanta potência óptica é perdida à medida que a luz viaja através da FOP.É comumente expressa em mesma atenuação não produz o mesmo alcance quando o orçamento óptico disponível é diferente

.Para algumas classes industriais de FOP de índice escalonado de 1 mm, os valores de atenuação publicados são da ordem de alguns décimos de decibéis por metro.

Dependendo da classe do cabo, comprimento de onda, temperatura e condição de teste, os valores típicos podem ser em torno de 0,19–0,22 dB/m.

Esses números são úteis para entender a escala da atenuação da FOP, mas não devem ser tratados como constantes universais.

Um projeto deve usar a especificação de atenuação apropriada para a fibra real e as condições de operação.Há também uma distinção importante entre um valor típico de atenuação e um valor máximo de atenuação especificado

. Um valor típico pode descrever o desempenho representativo, enquanto um projeto de link conservador de pior caso normalmente requer um valor consistente com a especificação garantida.

Conectores, Adaptadores e Interfaces Ópticas Adicionais

Toda vez que o caminho óptico passa por uma interface adicional, alguma potência pode ser perdida.

Isso pode incluir acopladores em linha, adaptadores de painel, conexões destacáveis ou outras interfaces adicionadas entre o transmissor e o receptor.

Em sistemas FOP industriais de curta distância, mesmo uma perda fixa relativamente pequena pode ser importante, pois o orçamento total de potência disponível pode ser de apenas alguns decibéis.

Suponha que um link tenha 5 dB disponíveis após reservar sua margem de sistema necessária. Se interfaces adicionais consumirem 1 dB, apenas 4 dB restam para a fibra.

A 0,20 dB/m, esse um decibel adicional corresponde a cerca de 5 metros de orçamento de perda de fibra.

Isso não significa que cada conector sempre custa 1 dB. Mostra por que as perdas fixas não podem ser ignoradas ao estimar a distância.

Qualidade da Face Final e Terminação da Fibra

A FOP é atraente em parte porque pode ser relativamente fácil de terminar, mas a qualidade da terminação ainda importa opticamente.

A face final da fibra deve entregar luz eficientemente do transmissor para a fibra e da fibra para o receptor. Corte ruim, polimento inadequado, contaminação, danos mecânicos ou mau alinhamento podem aumentar a dispersão ou reduzir o acoplamento óptico.

Não há uma regra universal útil como “cada face final de FOP adiciona X dB.” O resultado depende do método de terminação e da interface.

Para cálculos de engenharia, use a especificação relevante do conector ou da terminação, quando disponível. Para links instalados em campo, a qualidade da terminação também é uma razão pela qual a prática de instalação pode afetar o desempenho real medido.

Perda por Curvatura

Uma fibra não precisa estar quebrada para perder potência óptica.

Quando a FOP é dobrada muito apertada, parte da energia óptica guiada pode escapar, aumentando a atenuação. A perda real depende da construção da fibra, raio de curvatura, ângulo de curvatura e condição mecânica do cabo.

É por isso que as folhas de dados do cabo normalmente especificam os requisitos de curvatura.

Em vez de adicionar um valor arbitrário universal de perda por curvatura, uma abordagem melhor é rotear o cabo dentro de seus limites mecânicos especificados e tratar curvaturas incomumente apertadas ou repetidas como possíveis fontes de perda óptica adicional.

Temperatura e Deriva de Componentes

A temperatura não deve ser tratada como uma regra simples como “adicione X dB em alta temperatura.”

Ela pode influenciar várias partes do link óptico ao mesmo tempo.

A saída óptica do transmissor pode mudar. O comprimento de onda do LED pode mudar. A atenuação da fibra depende em parte do comprimento de onda e das condições ambientais. A sensibilidade do receptor também pode variar em sua faixa de operação.

A margem de link resultante é, portanto, um efeito de nível de sistema.

Para equipamentos industriais que devem operar em uma ampla faixa de temperatura, os valores típicos em temperatura ambiente sozinhos não são suficientes para o projeto de distância de pior caso. O transmissor, o receptor, o cabo e as condições completas do link precisam ser avaliados em toda a faixa de operação necessária.

Envelhecimento, Variação de Fornecimento e Margem de Projeto

Links ópticos não são projetados apenas para o momento em que saem da linha de produção.

As características dos componentes variam entre unidades e podem mudar com as condições de operação e o tempo. Tolerâncias de fornecimento e variação de instalação também podem influenciar o link real.

Este é o propósito da margem de projeto.

Margem não é potência não utilizada ou desperdiçada. É uma folga deliberada entre o ponto de operação previsto e o limite de falha.

A margem correta depende das especificações do componente, método de qualificação, vida útil necessária, ambiente e alvo de confiabilidade do sistema.

Por que a mesma FOP pode funcionar a 20 m em um sistema, mas apenas 10 m em outro?

É aqui que o orçamento de potência óptica se torna particularmente útil.

Imagine dois sistemas usando a mesma FOP, com a mesma atenuação de projeto de 0,20 dB/m.

A fibra é idêntica. O que muda é o orçamento óptico restante.

10 m

Para o Sistema A:

4 dB / 0,20 dB/m = 20 m

Para o Sistema B:

2 dB / 0,20 dB/m = 10 m

Estes são números hipotéticos deliberadamente simplificados. Eles não são especificações universais de FOP.Seu propósito é mostrar que a mesma atenuação não produz o mesmo alcance quando o orçamento óptico disponível é diferente

.

Diferentes Transmissores Criam Diferentes Níveis de Potência Inicial

Um transmissor mais forte dá ao link mais potência óptica no ponto de partida, desde que todas as outras condições permaneçam comparáveis.

Se um transmissor tiver uma potência de lançamento mínima garantida melhor do que outro, ele pode suportar mais perda total antes que o limite do receptor seja atingido.

Essa permissão de perda extra pode ser usada para mais fibra, mais interfaces passivas, mais margem ou alguma combinação delas.

Diferentes Receptores Precisam de Potência Óptica Mínima Diferente

O receptor é igualmente importante.

Um receptor capaz de detectar de forma confiável uma entrada óptica menor dá ao sistema um orçamento de perda potencial maior do que um receptor menos sensível, novamente assumindo condições de operação compatíveis.

Isso significa que substituir apenas o receptor pode mudar o alcance do link possível, mesmo que o transmissor e a fibra permaneçam inalterados.

Um Exemplo Simples de Orçamento de Potência de 20 m vs 10 m

Suponha que ambos os sistemas comecem com a diferença de potência do transmissor/receptor, depois subtraiam as perdas fixas necessárias e a margem de projeto.

Após todas essas deduções:
O Sistema A tem 4 dB restantes para a fibra.

O Sistema B tem 2 dB restantes para a fibra.

A mesma FOP de 0,20 dB/m, portanto, produz distâncias calculadas muito diferentes.

Um guia de seleção de componentes industriais atual ilustra o ponto claramente: diferentes combinações de transmissor/receptor FOP de 650 nm são especificadas para distâncias de link de aproximadamente 10 m, 20 m, 45 m, 50 m e 58 m em diferentes taxas de dados de operação.

O meio de transmissão ainda pode ser FOP de 1 mm, mas o sistema óptico completo é diferente.

A Taxa de Dados e a Arquitetura do Receptor Podem Mudar o Alcance Novamente

Uma combinação transmissor/receptor é projetada para uma faixa particular de velocidades de sinal e condições de operação.

Mudar a taxa de dados pode mudar o desempenho do link disponível porque a largura de banda do receptor, a sensibilidade, o comportamento do ruído, a distorção do pulso e outros fatores de integridade do sinal estão conectados.

Um sistema destinado a uma taxa de dados relativamente baixa pode, portanto, atingir um alcance diferente de um sistema de alta velocidade, mesmo quando ambos usam FOP semelhante.

Esta é outra razão pela qual escolher um cabo apenas pela atenuação não é suficiente. A fibra e os componentes optoeletrônicos devem ser considerados como um único link.

Por que a Distância da Folha de Dados e a Distância de Engenharia Real Podem Ser Diferentes

A frase “distância teórica” é frequentemente usada de forma muito vaga ao ler uma folha de dados de fibra óptica.

Uma distância de link publicada pode não ser um máximo teórico. Dependendo do componente, pode ser um alcance especificado ou garantido sob condições definidas de transmissor, receptor, cabo, circuito, temperatura e margem.

O primeiro passo é, portanto, entender o que o número realmente representa.

Valores Típicos Não São o Mesmo que Valores de Pior Caso

Uma saída típica do transmissor medida em temperatura ambiente não é necessariamente a saída do transmissor que deve ser usada para projeto de pior caso.

Da mesma forma, a sensibilidade típica do receptor ou a atenuação típica da fibra podem dar um resultado mais otimista do que os limites garantidos.

Isso pode produzir dois cálculos diferentes:Cálculo típico:

útil para entender o desempenho representativo.Cálculo de pior caso:

útil para determinar se o desempenho exigido permanece dentro da especificação em toda a variação de componente e ambiental.

As duas distâncias não devem ser confundidas.

Um Alcance Publicado Pode Já Incluir Várias Perdas e Margens

Algumas especificações de link são baseadas em combinações completas de transmissor/receptor, em vez de valores de componentes brutos isolados.

Por exemplo, um desempenho de link publicado pode já levar em conta condições de acoplamento definidas, atenuação da fibra, efeitos modais, variação de temperatura ou uma margem de potência óptica.

Nesse caso, subtrair independentemente cada perda assumida novamente pode subestimar o alcance especificado real.

Sempre determine o que já está incluído antes de construir um orçamento adicional.

Não Conte Duas Vezes Perdas Já Incluídas na Especificação do Link

Este é um erro comum no orçamento de link.

Suponha que uma especificação de saída do transmissor já represente a potência óptica sob uma condição de fibra acoplada definida. Adicionar uma perda de acoplamento do transmissor assumida novamente contaria o mesmo mecanismo duas vezes.

O mesmo princípio se aplica ao receptor.

Por outro lado, se o sistema instalado adicionar um conector de painel, um adaptador extra ou uma terminação adicional instalada em campo que não esteja incluída na especificação do link publicada, essa nova perda ainda precisa ser considerada.

Uma regra útil é:

Não conte uma perda porque ela existe fisicamente. Conte-a porque ela não está já contabilizada na especificação que você está usando.

Links Instalados Ainda Devem Ser Validados Sob as Condições Exigidas

Um cálculo de orçamento de link é um modelo de engenharia.

O sistema final ainda tem roteamento de cabo real, terminações, conectores, tolerâncias de componentes, condições de temperatura e interfaces elétricas.

Para aplicações onde a confiabilidade do link é importante, o orçamento calculado deve, portanto, ser verificado contra as especificações completas do transmissor e receptor e validado sob as condições do sistema exigidas.

O propósito do cálculo não é substituir a verificação. É tornar o projeto compreensível antes que a verificação comece.

Um Fluxo de Trabalho Prático para Estimar a Distância do Link FOP

1.                                          Das Especificações da Folha de Dados à Distância Prática do Link FOP

2. Identifique o transmissor real e sua saída óptica mínima sob as condições exigidas.

3. Identifique a sensibilidade do receptor e a faixa de entrada óptica válida.

4. Calcule o orçamento de potência óptica inicial do transmissor para o receptor.

5. Identifique quais perdas de acoplamento ou interface já estão incluídas nessas especificações.

6. Adicione perdas externas de conector, adaptador, terminação, curvatura e instalação que ainda não foram incluídas.

7. Reserve a margem óptica exigida pelo projeto do sistema.

8. Determine o orçamento restante disponível para a atenuação da fibra.

9. Use a especificação apropriada de atenuação da fibra de pior caso para estimar o comprimento limitado pela potência.

10. Verifique separadamente a especificação de taxa de dados e distância do link do par transmissor/receptor.

Valide o link montado sob as condições de operação exigidas.

Este processo muda a pergunta de:

“Quantos metros esta fibra óptica plástica pode transmitir?”

para:

“Este link óptico completo pode tolerar as perdas criadas pela distância e instalação exigidas?”

Essa é uma pergunta muito mais útil para o projeto industrial.

O Principal Resultado de Engenharia

A distância de transmissão da FOP não é definida por um único número de atenuação e não deve ser tratada como uma propriedade intrínseca fixa do cabo.

A atenuação da fibra determina quão rapidamente a potência óptica é consumida à medida que a distância aumenta. O transmissor determina quanta potência óptica entra no sistema. O receptor determina quanta potência óptica utilizável pode permanecer na outra extremidade. Conectores, qualidade da terminação, curvaturas, condições ambientais e margem consomem ou influenciam o orçamento restante.

A relação pode ser resumida como:

Potência do Transmissor → Orçamento Óptico Disponível → Perdas do Link → Margem Restante → Alcance Prático

É por isso que dois links usando FOP aparentemente semelhantes podem ter distâncias especificadas muito diferentes.

Para seleção de engenharia, comece com o transmissor e o receptor, calcule o orçamento de potência óptica, contabilize todo o caminho óptico e, em seguida, use a atenuação da fibra para estimar a distância.

Não comece com dB/m e assuma que a resposta já está contida no cabo.

Perguntas Frequentes

Qual a distância que a fibra óptica plástica pode transmitir?

Não há uma distância máxima de transmissão universal para fibra óptica plástica. O alcance depende da saída do transmissor, sensibilidade do receptor, atenuação da fibra, perdas de conector e instalação, condições de operação, margem de projeto e requisitos de taxa de dados do link completo. Diferentes sistemas de transmissor/receptor FOP industriais podem, portanto, especificar distâncias muito diferentes enquanto usam FOP de 1 mm semelhante.

Qual a diferença entre dB e dBm em fibra óptica?

dBm representa um nível de potência óptica absoluto referenciado a 1 mW. dB representa a diferença relativa ou perda entre dois níveis de potência. A saída do transmissor e a sensibilidade do receptor são comumente especificadas em dBm, enquanto a atenuação da fibra, a perda do conector e a margem óptica são expressas em dB.

Como calcular o orçamento de potência óptica de um link FOP?

Um cálculo básico é:

Orçamento de Potência Óptica = Potência Mínima do Transmissor − Sensibilidade do Receptor

Em seguida, subtraia as perdas ópticas fixas e a margem de engenharia necessária. O orçamento restante pode ser alocado para a atenuação da fibra. Dividir esse orçamento de perda restante pela atenuação apropriada da fibra em dB/m fornece um comprimento aproximado da fibra limitado pela potência.

Por que a mesma fibra óptica plástica pode ter distâncias máximas diferentes com transceptores diferentes?

Porque a fibra é apenas uma parte do link. Diferentes transmissores podem lançar diferentes níveis de potência óptica, enquanto diferentes receptores podem ter diferentes sensibilidades e características de largura de banda. Como resultado, a quantidade total de perda óptica que cada par transmissor/receptor pode tolerar pode ser diferente, mesmo quando a mesma FOP é usada.

Conectores e curvaturas reduzem a distância de transmissão da FOP?

Eles podem. Conectores e adaptadores adicionais podem introduzir perda óptica, enquanto curvaturas apertadas podem aumentar a atenuação da fibra. Terminação inadequada também pode reduzir o acoplamento óptico. Seu efeito real depende da fibra, sistema de conector, método de terminação, raio de curvatura e instalação, portanto, eles devem ser avaliados usando as especificações aplicáveis do componente e do cabo, em vez de um único valor de perda universal.

Por que a distância real de transmissão da FOP pode diferir do valor da folha de dados?