Quando conectamos dois aparelhos de som com um cabo óptico, pode parecer que estamos utilizando apenas mais um tipo de cabo de áudio.
Mas existe uma diferença fundamental:
o sinal não é transportado eletricamente pelo cabo. Ele é transportado por luz.
Isso torna o cabo óptico particularmente interessante para quem gosta de eletrônica, porque permite relacionar duas tecnologias bastante comuns em equipamentos domésticos:
a transmissão óptica de áudio e o controle remoto por infravermelho.
Os dois utilizam luz para transportar informação.
Mas — e esta é uma distinção importante — não utilizam necessariamente o mesmo tipo de luz nem o mesmo sistema de codificação.
O que é aquele cabo óptico dos aparelhos de som?
Em televisores, receivers, aparelhos de DVD, videogames e equipamentos de áudio podemos encontrar uma conexão identificada como:
OPTICAL
DIGITAL AUDIO OUT
ou:
TOSLINK.
TOSLINK é um sistema de conexão óptica originalmente desenvolvido pela Toshiba para transportar sinais digitais.
Em vez de utilizar:
CORRENTE ELÉTRICA
↓
CABO DE COBRE
↓
OUTRO EQUIPAMENTOtemos:
SINAL ELÉTRICO DIGITAL
↓
TRANSMISSOR ÓPTICO
↓
LUZ
↓
FIBRA ÓPTICA
↓
RECEPTOR ÓPTICO
↓
SINAL ELÉTRICO DIGITALPortanto, o cabo não está transportando diretamente uma tensão elétrica entre os dois aparelhos.
Ele está conduzindo pulsos de luz que representam informação digital.
Se olhar para a saída óptica, podemos ver luz
Essa é uma experiência interessante.
Em muitos equipamentos TOSLINK, quando a saída óptica está ativa, conseguimos observar uma pequena:
luz vermelha.
Isso já revela algo importante sobre a tecnologia.
O TOSLINK tradicional utiliza normalmente um emissor óptico na região vermelha visível, em torno de 650 nm.
Isso é diferente do controle remoto convencional, que normalmente utiliza luz infravermelha, frequentemente próxima de 940 nm, portanto fora da região visível aos nossos olhos. Sistemas de controle remoto doméstico também costumam modular essa luz numa portadora em torno de 38 kHz, embora existam outras frequências.
Portanto, uma correção importante seria:
cabo óptico de áudio e controle remoto usam o mesmo princípio geral de transmitir informação por luz, mas não são o mesmo sistema óptico.
Luz também pode carregar informação
Estamos acostumados a pensar em sinais eletrônicos assim:
0 V → 0
5 V → 1Mas também podemos representar informação utilizando:
LUZ APAGADA → estado
LUZ ACESA → outro estadoNaturalmente, os sistemas reais possuem codificação e temporização muito mais sofisticadas.
O princípio fundamental, entretanto, é simples:
variar a luz ao longo do tempo permite transportar informação.
O receptor detecta essas variações e as transforma novamente em sinais elétricos.
O áudio que passa pelo TOSLINK já é digital
Isso também precisa ficar claro.
O cabo óptico não recebe diretamente a forma de onda analógica que sairia de um microfone ou de um amplificador.
Antes da transmissão temos informação digital.
Em uma conexão de áudio digital típica:
ÁUDIO
↓
DADOS DIGITAIS
↓
CODIFICAÇÃO DO LINK
↓
LUZ
↓
FIBRA
↓
FOTODETECTOR
↓
DADOS DIGITAIS
↓
CONVERSOR D/A
↓
ÁUDIO ANALÓGICOQuando necessário, o equipamento receptor utiliza posteriormente um DAC — Digital-to-Analog Converter para recuperar um sinal analógico que possa ser amplificado e reproduzido pelos alto-falantes.
O cabo óptico não “transforma o som em luz” sozinho
Outra maneira de explicar é separar:
cabo
de:
transmissor e receptor.
O cabo é simplesmente o meio óptico.
Quem realiza as conversões são os circuitos instalados nos equipamentos.
Na origem:
sinal elétrico → luz.
No destino:
luz → sinal elétrico.
Isso é realizado por componentes optoeletrônicos.
O que existe na saída óptica?
De maneira simplificada, temos um:
emissor de luz.
Ele recebe o sinal apropriado do circuito eletrônico e produz pulsos luminosos.
Podemos representar:
EQUIPAMENTO A
DADOS DIGITAIS
↓
DRIVER
↓
EMISSOR ÓPTICO
↓
* * * * * *
LUZEssa luz entra na fibra do cabo.
E na outra extremidade?
No equipamento receptor existe um:
fotodetector.
Ele realiza o processo inverso:
* * * * * *
LUZ
↓
FOTODETECTOR
↓
SINAL ELÉTRICO
↓
DECODIFICAÇÃO
↓
ÁUDIO DIGITALPortanto, estamos utilizando componentes capazes de fazer uma ponte entre:
eletrônica e óptica.
Como a luz consegue percorrer o cabo?
Dentro do cabo existe um meio transparente capaz de guiar a luz.
Em aplicações TOSLINK domésticas é muito comum utilizar fibra óptica plástica, embora existam também cabos de outras construções.
A luz permanece guiada pelo interior da fibra devido às propriedades ópticas do núcleo e de sua interface.
Uma explicação simplificada costuma utilizar o conceito de:
reflexão interna total.
Imagine:
┌──────────────────────────────┐
│ ╲ ╱╲ ╱╲ ╱ │
│ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ │
│ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ │
│ ╲╱ ╲╱ ╲╱ │
└──────────────────────────────┘
FIBRAO desenho é apenas conceitual — a propagação real é mais complexa —, mas ajuda a entender como a luz pode ser conduzida ao longo do cabo.
Por isso o cabo óptico não deve ser dobrado excessivamente
Um cabo óptico não deve ser tratado exatamente como um fio elétrico comum.
Curvas muito fechadas podem aumentar perdas e, em situações extremas, danificar a fibra.
Portanto:
dobrar suavemente: sim.
amassar ou fazer uma dobra muito fechada: não.
Também é importante manter as extremidades:
limpas
e:
sem danos.
A transmissão depende de a luz entrar e sair adequadamente da fibra.
Qual é a grande vantagem de não existir ligação elétrica?
Essa é uma das características mais interessantes do TOSLINK.
Entre os dois aparelhos não existe um condutor metálico realizando a conexão do sinal.
Temos:
APARELHO A
LUZ
↓
══════════ FIBRA ══════════
↓
APARELHO BIsso proporciona isolação galvânica entre os equipamentos através daquela conexão.
Em sistemas de áudio, isso pode ser particularmente útil para evitar determinados problemas associados a:
diferenças de potencial de terra
e:
ground loops.
Um cabo óptico não cria um caminho elétrico de terra entre os aparelhos.
Isso não significa que TOSLINK magicamente elimina qualquer ruído possível no sistema, mas elimina aquele caminho condutivo específico entre os equipamentos.
E o controle remoto infravermelho?
Agora podemos comparar com outra tecnologia muito comum.
Quando pressionamos um botão do controle remoto:
VOLUME +o aparelho precisa receber uma informação que significa:
“aumentar volume”.
O controle possui normalmente:
teclas + circuito eletrônico + LED infravermelho.
Ao pressionar a tecla, o circuito produz uma sequência codificada de pulsos e aciona o LED IR.
Podemos representar:
BOTÃO
↓
CÓDIGO
↓
MODULAÇÃO
↓
LED INFRAVERMELHO
↓
~ ~ ~ ~ ~ ~
ESPAÇO
~ ~ ~ ~ ~ ~
↓
RECEPTOR IR
↓
DECODIFICAÇÃO
↓
COMANDOPor que não enxergamos a luz do controle remoto?
Porque o LED normalmente emite na região do:
infravermelho.
O olho humano não detecta essa faixa como luz visível.
Em controles domésticos, emissores próximos de 940–950 nm são comuns.
Por isso:
LED aceso não significa necessariamente luz visível.
Existe uma experiência muito simples
Pegue um controle remoto e abra a câmera de um celular.
Aponte a extremidade do controle para a câmera e pressione alguns botões.
Dependendo da câmera, podemos enxergar no display uma luz:
branca, violeta ou rosada
piscando na região do LED.
O sensor da câmera pode responder a parte do infravermelho que nossos olhos não conseguem enxergar diretamente.
Nem todos os smartphones permitem isso da mesma maneira, pois alguns possuem filtros infravermelhos mais eficientes, especialmente em determinadas câmeras.
Mas é uma experiência interessante.
O LED do controle não fica simplesmente aceso
Aqui está a parte mais importante.
Quando pressionamos:
VOLUME +
o controle não simplesmente liga o LED infravermelho continuamente.
Ele envia:
pulsos codificados.
Além disso, em muitos sistemas esses pulsos são transportados utilizando uma portadora próxima de:
38 kHz.
Isso significa que durante determinadas partes da mensagem o LED pode estar sendo acionado aproximadamente:
38.000 vezes por segundo.
Essa modulação ajuda o receptor a diferenciar o sinal do controle de outras fontes de infravermelho presentes no ambiente.
Por que isso é necessário?
Porque existe infravermelho por toda parte.
Podemos encontrar IR proveniente de:
Sol
lâmpadas
fontes de calor
e diversas outras fontes ambientais.
Se o receptor simplesmente respondesse a qualquer luz infravermelha:
ficaria confuso o tempo inteiro.
Por isso ele procura determinadas características do sinal transmitido.
O receptor é mais sofisticado do que parece
Aquele pequeno componente escuro instalado na frente do aparelho não é necessariamente apenas uma fotocélula simples.
Módulos receptores de controle remoto podem integrar:
fotodetector
amplificação
controle automático de ganho
filtro
e:
demodulação.
Existem receptores especificamente ajustados para portadoras como 38 kHz, entregando na saída um sinal digital muito mais fácil de ser interpretado pelo microcontrolador.
Conceitualmente:
LUZ IR MODULADA
↓
FOTODETECTOR
↓
FILTRO / AMPLIFICADOR
↓
DEMODULADOR
↓
DADOS
↓
MICROCONTROLADORCada botão pode enviar um código diferente
Pressionar:
POWER
não produz a mesma sequência que:
VOLUME +.
O controle transmite dados que identificam o comando.
Existem diferentes protocolos de controle remoto, como:
NEC
Sony SIRC
RC5
e outros.
Cada protocolo define sua própria forma de representar os dados.
Por isso não podemos afirmar que:
todo controle remoto funciona exatamente da mesma maneira.
O princípio óptico é semelhante, mas:
frequência de portadora, protocolo e codificação podem variar.
Então qual é a relação com o cabo óptico?
Agora podemos comparar diretamente.
| Característica | Cabo óptico de áudio | Controle remoto |
|---|---|---|
| Meio | fibra óptica | espaço |
| Informação | áudio digital codificado | comandos digitais |
| Emissor | transmissor óptico | LED infravermelho |
| Receptor | fotodetector óptico | receptor IR |
| Luz típica | vermelha visível | infravermelha |
| Direção | guiada pela fibra | propagação pelo ambiente |
| Objetivo | transportar áudio digital | enviar comandos |
Portanto:
ambos utilizam luz para transportar informação, mas de maneiras diferentes.
Essa distinção é importante porque chamar o cabo TOSLINK de:
“cabo infravermelho”
não seria tecnicamente correto para o TOSLINK doméstico convencional.
Um controle remoto também pode funcionar por reflexão
Existe outra experiência interessante.
Às vezes não precisamos apontar o controle exatamente para o receptor.
Podemos apontá-lo para:
uma parede clara
ou:
o teto
e o aparelho ainda responde.
Isso acontece porque parte da radiação infravermelha pode ser:
refletida.
Na prática, controles IR dependem fortemente de visada, mas reflexões podem permitir funcionamento mesmo sem uma linha perfeitamente direta entre transmissor e receptor.
Isso também explica por que um extensor de controle remoto pode ser útil quando o equipamento fica:
dentro de um móvel
ou:
fora da linha de visão.
Inclusive podemos construir extensores infravermelhos
Em outro projeto já mostrei uma solução para receber o sinal de um controle remoto e retransmiti-lo utilizando outro LED infravermelho.
A ideia é:
CONTROLE
↓ IR
RECEPTOR
↓
CIRCUITO
↓
LED IR
↓ IR
APARELHOMas existe um detalhe técnico interessante: receptores IR integrados normalmente demodulam a portadora. Se quisermos retransmitir o comando com esse tipo de receptor, o circuito pode precisar recriar a modulação adequada antes de acionar o novo LED IR.
Isso torna o assunto muito mais interessante do que simplesmente:
“o LED pisca”.
Podemos transportar muita informação utilizando luz
Quando pensamos em fibra óptica, normalmente imaginamos:
internet de alta velocidade
ou grandes sistemas de telecomunicações.
Mas o princípio também aparece em algo tão cotidiano quanto:
um cabo ligando a televisão ao receiver.
E a ideia de codificar informação em luz aparece até naquele pequeno:
controle remoto da televisão.
Em ambos os casos temos uma cadeia conceitualmente semelhante:
INFORMAÇÃO
↓
SINAL ELÉTRICO
↓
EMISSOR
↓
LUZ
↓
RECEPTOR
↓
SINAL ELÉTRICO
↓
INFORMAÇÃO RECUPERADAO que muda é:
como a luz é produzida, por onde ela viaja e como os dados são codificados.
Veja a experiência no vídeo
No vídeo abaixo mostro o funcionamento do cabo óptico utilizado em aparelhos de som e faço a relação com a transmissão por infravermelho utilizada nos controles remotos.
É uma experiência simples, mas permite visualizar um conceito muito importante:
luz também pode ser utilizada como meio de comunicação.
Do controle remoto à fibra óptica
Talvez seja justamente isso que torne essa experiência interessante.
De um lado temos algo extremamente cotidiano:
apertar um botão no controle remoto.
Do outro:
conectar um cabo óptico ao aparelho de som.
Parecem tecnologias completamente diferentes.
Mas quando olhamos para o princípio físico encontramos uma relação:
informação → luz → detecção → informação.
No controle remoto, essa luz atravessa o espaço.
No TOSLINK, ela é guiada por uma fibra.
No controle, normalmente utilizamos infravermelho invisível.
No TOSLINK convencional, encontramos tipicamente luz vermelha visível.
Entender essa diferença evita uma confusão comum e, ao mesmo tempo, mostra como a optoeletrônica está presente em equipamentos que utilizamos todos os dias.