dissertação - 2015 - ramon maia borges.pdf

7/25/2019 Dissertao - 2015 - Ramon Maia Borges.pdf

1/81

Inst ituto Nacion al de Telecom un icaesInatel

Transmissor de RF ReconfigurvelBaseado em Multiplicao de

Frequncia no Domnio ptico

Ramon Maia Borges

Maro/2015


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ii

Transmissor de RF Reconfigurvel Baseado

em Multiplicao de Frequncia no Domnioptico

RAMON MAIA BORGES

Dissertao apresentada ao Instituto

Nacional de Telecomunicaes, como

parte dos requisitos para obteno do

Ttulo de Mestre em Telecomunicaes.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Arismar

Cerqueira Sodr Jnior

Santa Rita do Sapuca

2015


3/81

Borges, Ramon MaiaB732t

Transmissor de RF reconfigurvel baseado em multiplicao defreqncia no domnio ptico. / Ramon Maia Borges. Santa Rita do Sapuca,2015.

57p.

Orientador: Prof. Dr. Arismar Cerqueira Sodr Jnior.Dissertao de Mestrado Engenharia de Telecomunicaes

Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL.Inclui bibliografia.

.

1. Fotnica de microondas 2. Modulador Mach-Zehnder 3.Multiplicao em frequncia 4. Rede ptico-wireless 5. Transmissor de RF. I.Sodr Jnior, Arismar Cerqueira. II. Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL. III. Ttulo.

CDU 621.39


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iv

FOLHA DE APROVAO

Dissertao defendida e aprovada em 31 / 03 / 2015, pela comissojulgadora:

______________________________________________________________Prof. Dr. Arismar Cerqueira Sodr Jnior

INATEL

______________________________________________________________Prof. Dr. Jos Antnio Justino Ribeiro

INATEL

______________________________________________________________

Prof. Dr. Vinicius Nunes Henrique Silva

UFF

________________________________Coordenador do Curso de Mestrado

Prof. Dr. Jos Marcos Cmara Brito


5/81

v

Para minha famlia, pelo amor, confiana, eapoio, durante toda a vida.


6/81

vi

Agradecimentos

Agradeo a Deus pelo privilgio de conviver com pessoas que amo e

pelas oportunidades que me foram dadas.

minha famlia pelos ensinamentos mais importantes da vida. Em

especial aos meus avs Maury Maia (in memorian) e Maria do Carmo Ferrer

Maia por todo apoio e confiana em mim depositada, por me fazer sentir forte

diante das dificuldades e por tornarem possvel esta importante etapa de minha

vida. Amo vocs!

minha namorada Ana Emlia pelos bons momentos que passamos

juntos, pela presena, incentivo e pacincia que foram fundamentais em minha

trajetria. Ao longo deste trabalho voc foi uma grande fonte de inspirao.

Ao Instituto Nacional de Telecomunicaes por me conceder a

oportunidade de realizar o curso de Mestrado. A todos os professores que

fizeram parte da minha formao, em especial ao meu orientador Prof. Dr.

Arismar Cerqueira Sodr Jnior, pela confiana e pelos ensinamentos que

foram essenciais para a concluso deste trabalho. Muito obrigado pelo apoio de

sempre!

Aos meus amigos e membros do laboratrio WOCA pelos conselhos e

momentos compartilhados, proporcionando um ambiente de trabalho

acolhedor.


7/81

vii

Aos funcionrios do Inatel, por fazerem desta Instituio um

agradvel e excelente ambiente de estudo.

Fundao Instituto Nacional de Telecomunicaes (Finatel) pelo

apoio financeiro.

Ao engenheiro Renan Alves dos Santos pelo projeto e fabricao da

antena banda larga, importante para validar um dos sistemas apresentados neste

trabalho.

Ao engenheiro Trcio Naves Rodovalho, colaborador da TIM, pelo

apoio tcnico oferecido.


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viii

ndice

Lista de Figuras ............................................................................................................ x

Lista de Tabelas.......................................................................................................... xiiLista de Abreviaturas e Siglas ................................................................................... xiii

Lista de Smbolos ....................................................................................................... xv

Lista de Publicaes ................................................................................................. xvii

Lista de Premiaes................................................................................................... xix

Resumo ....................................................................................................................... xx

Abstract ..................................................................................................................... xxi

Captulo 1 .................................................................................................................... 1

1. Introduo............................................................................................................ 1

1.1. Contextualizao e motivao ..................................................................... 1

1.2. Reviso bibliogrfica ................................................................................... 5

1.3. Estrutura da dissertao ............................................................................... 8

Captulo 2 .................................................................................................................. 10

2. Gerao fotnica de portadoras de radiofrequncia..................................... 10

2.1. Mtodo heterodino utilizando intermodulao .......................................... 10

2.2. Multiplicao em frequncia no domnio ptico ....................................... 12

2.2.1 O modulador Mach-Zehnder ............................................................ 13

2.2.2 Tcnica da modulao externa ......................................................... 15

Captulo 3 .................................................................................................................. 18

3. Transmissor de RF reconfigurvel.................................................................. 18

3.1. Conceito ..................................................................................................... 18

3.2. Validao computacional .......................................................................... 21

3.3.

Investigao experimental ......................................................................... 23


9/81

ix

3.3.1 Ajuste da tenso de polarizao ..................................................... 25

3.3.2 Ajuste da potncia de RF de entrada no modulador ...................... 29

3.3.3

Anlise senoidal e ajuste da potncia do laser ............................... 31Captulo 4 .................................................................................................................. 34

4. Aplicaesdo transmissor de RF reconfigurvel........................................... 34

4.1. Redes ptico-wirelessreconfigurveis em frequncia .............................. 34

4.2. Transmissor de RF multibanda aplicado s tecnologias UMTS, LTE e

Wi-Fi .......................................................................................................... 42

Captulo 5 .................................................................................................................. 47

5. Concluses.......................................................................................................... 47Referncias bibliogrficas .......................................................................................... 50


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x

Lista de Figuras

Figura 1.1Perspectivade crescimento do trfego de dados em redes sem fio........ 1

Figura 1.2 Modelo de ocupao atual do espectro radioeltrico e regiopotencialmente til para atender os requisitos de capacidade.................................... 3

Figura 1.3Soluespara a gerao de sinais de RF............................................... 4

Figura 2.1 Mtodo heterodino baseado na intermodulao entre duas ondas

pticas, gerando um sinal de RF aps a fotodeteco............................................... 11

Figura 2.2 Sinal de RF em 40 GHz, gerado numricamente com o mtodo

heterodino.................................................................................................................. 12

Figura 2.3

Representao da estrutura de um MZM............................................. 13Figura 2.4Curva caracterstica de transmisso do modulador............................ 15

Figura 3.1 Esquema utilizado para a duplicao em frequncia no domnio ptico

(k = 2) ......................................................................................................................... 19

Figura 3.2 Potncia da portadora ptica modulada em funo da , e espectroptico nos pontos de MITP e MATP.......................................................................... 22

Figura 3.3Espectro ptico obtido nas condies de MATP e MITP..................... 22

Figura 3.4 Sinal em 40 GHz gerado por meio da duplicao em frequncia com a

tcnica de modulao externa.................................................................................... 23

Figura 3.5 Montagem experimental para a duplicao em frequncia com

tecnologia fotnica, baseada na tcnica da modulao externa............................... 25

Figura 3.6 Comportamento da potncia ptica em 1.551 nm e da potncia eltrica

em 2,6 e 5,2 GHz, em funo da....................................................................... 26Figura 3.7Reconfigurabilidade da frequncia em funo da ....................... 27


11/81

xi

Figura 3.8Espectro eltrico obtido na sada do PD, para k = 1 e k = 2.............. 28

Figura 3.9 Portadora em 5,2 GHz gerada com tecnologia fotnica, antes e depois

da propagao em 2 km de fibra ptica.................................................................... 29Figura 3.10 - em funo da para = (k = 2)........................... 30Figura 3.11Anlise temporal dos sinais fotodetectados, considerando k igual a 1 e

k igual a 2 ................................................................................................................... 31

Figura 3.12 Potncia do sinal gerado em 5,2 GHz em funo da potncia do laser,

considerando a igual a 3, 6 e 9 dBm................................................................ 32Figura 3.13 Potncia da portadora de 5,2 GHz e harmnicos, em funo da

potncia de RF incidente ao MZM. Resultado obtido considerando a igual a10 dBm....................................................................................................................... 33

Figura 4.1 OWN convergente e reconfigurvel em frequncia. Ilustra-se

aplicaes para LTE e Wi-Fi offloading.................................................................... 35

Figura 4.2 Detalhes de implementao do transmissor fotnico para a arquitetura

RoF reconfigurvel em frequncia............................................................................. 36

Figura 4.3Identificao da rede ptica utilizada, correspondente a 1,5 km de SMF

dentro do campus do Inatel. Imagem obtida pelo Google EarthTM

........................... 37Figura 4.4Antena de banda ultralarga utilizada na recepo.............................. 40

Figura 4.5 Sinais de RF obtidos aps propagao pela OWN, convergente e

reconfigurvel............................................................................................................ 41

Figura 4.6 Reconfigurao em frequncia do sinal de micro-ondas gerado dentro

da banda do Wi-Fi de 5 GHz..................................................................................... 42

Figura 4.7 Arquitetura proposta para combinar trs padres de RF em uma nica

rede sem fio................................................................................................................ 43

Figura 4.8 Implementao do transmissor multibanda para aplicaes em UMTS,

LTE e Wi-Fi................................................................................................................ 45

Figura 4.9Espectros de RF obtidos com a arquitetura proposta.......................... 46


12/81

xii

Lista de Tabelas

Tabela 1.1Tcnicaspara gerao fotnica de sinais de RF................................... 8

Tabela 2.1

Tcnicas de modulao externa que utilizam o MZM para a OFM.... 17Tabela 4.1Potncias obtidas em pontos estratgicos da arquitetura................... 39


13/81

xiii

Lista de Abreviaturas e Siglas

2G Sistema de Telefonia Mvel de Segunda Gerao

3G Sistema de Telefonia Mvel de Terceira Gerao

4G Sistema de Telefonia Mvel de Quarta Gerao

5G Sistema de Telefonia Mvel de Quinta Gerao

ACRoF Adaptative and Cognitive Radio over Fiber

BTS Base Station

CO Central Office

DD-MZM Dual-drive Mach-Zehnder Modulator

DFB Distributed Feedback

DWDM DenseWavelenght Division Multiplexing

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

FBG Fiber Bragg Grating

FEC Foward-Error Correction

FTTH Fiber-To-The-Home

FWM Four-Wave Mixing

GSM Global System for Mobile

INATEL Instituto Nacional de TelecomunicaesLiNbO3 Niobato de ltio

LNA Low Noise Amplifier

LTE Long Term Evolution

MATP Maximum Transmission Point

MITP Minimum Transmission Point

MZM Mach-Zehnder Modulator

NF Noise FigureODF Optical Distribution Frame


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xiv

ODU Outdoor Unit

OFM Optical Frequency Multiplication

OSA Optical Spectrum AnalyzerOWN Optical-Wireless Network

PD Photodetector

PIN P-Intrinsic-N diode

QP Quadrature Point

RAU Remote Antenna Unit

RF Radiofrequncia

RFSSR Radio Frequency SpuriousSuppression RatioRIN Relative Intensity Noise

RoF Radio over Fiber

RU Remote Unit

S11 Coeficiente de reflexo

SD-MZM Single-drive Mach-Zehnder modulator

SMF Single Mode Fiber

SNR Signal-To-Noise Ratio

TEPS Tunable Electrical Phase Shifter

TIM TelecomItaliaMobile

TOPS Tunable Optical Phase Shifter

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UWB Ultra Wide Band

VSG Vector Signal Generator

Wi-Fi Wireless Fidelity

WOCA Wireless and Optical Convergent Access


15/81

xv

Lista de Smbolos

Campo eltricoE0 Amplitude do campo eltrico Campo eltrico incidente ao modulador Campo eltrico na sada do MZM

f Frequncia de operao do laser

Frequncia do sinal de RF tomado como refernciaI(t) Corrente na sada do fotodetector

Funes de Besselk Fator de multiplicaom ndice de modulao

M Amplitude do campo fotodetectado

Plaser Potncia ptica do laser

Pmod Potncia ptica modulada

Potncia do sinal de RF incidente ao MZM Potncia de RF na sada do fotodetector

PRX Potncia de recepoPTX Potncia de transmisso

Sinal de RF geradoS Responsividade do fotodetector

TF Transfer Function

Tenso de polarizao do modulador Tenso de modulao

Amplitude do sinal eltrico tomado como referncia Tenso de meia onda do modulador


16/81

xvi

Fase da onda Frequncia angular da portadora ptica Frequncia angular do sinal de RF tomado como referncia Comprimento de onda central do laser


17/81

xvii

Lista de Publicaes

1. R. M. Borges, T. N. Rodovalho, Arismar Cerqueira S. Jr.,

Reconfigurable multi-band RF transceiver based on photonicstechnology for future optical wireless communications, aceito para o

peridicoIET Optoelectronics, 2015.

2. R. M. Borges, Arismar Cerqueira S. Jr., Reconfigurable optical-wireless

communications for future generations, aceito para o IEEE Latin

America Transactions, 2015.

3. R. M. Borges, R. A. dos Santos, Arismar Cerqueira S. Jr.,

Implementation of a photonics-based frequency reconfigurable optical-

wireless network, aceito para o International Workshop on

Telecommunications(IWT), 2015.

4. Arismar Cerqueira S. Jr., N. Caas-Estrada, D. F. Noque, R. M. Borges,

S. A. S. Melo, Neil G. Gonzles, J. C. R. F. Oliveira, Photonic-assisted

microwave amplification using multiple four-wave mixing, em anlise

pelo peridicoIET Optoelectronics, 2015.

5. R. M. Borges, Arismar Cerqueira S. Jr., Convergent and reconfigurable

optical-wireless network for LTE and Wi-Fi offloading applications,

IEEE Latin-American Conference on Communications, 2014, Cartagena.

Proceedings of LATINCOM, 2014.


18/81

xviii

6. R. M. Borges, Arismar Cerqueira S. Jr., Duplicao e quadruplicao em

frequncia utilizando fotnica de micro-ondas, 16 SBMO Simpsio

Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrnica e o 11 CBMagCongressoBrasileiro de Eletromagnetismo, 2014, Curitiba. Proceedings of MOMAG

2014.

7. Arismar Cerqueira S. Jr., E. Raimundo-Neto, S. A. S. Melo, D. F. Noque,

J. R. G. Rosa, R. M. Borges, Research activities on microwave

photonics, nonlinear optics and optical communications from the Lab.

WOCA from Inatel areas, WorkInnova- Denmark-South AmericaWorkshop on Photonics Technologies (WorkInnova), Campinas,

November 2013.


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xix

Lista de Premiaes

1. Autor e apresentador do artigo destacado como melhor apresentao oral

vinculada a estudante na rea de fotnica e comunicaes pticas:

Duplicao e quadruplicao em frequncia utilizando fotnica de micro-

ondas, MOMAG (SBMO e SBMag), 2014.

2. Co-autor do trabalho premiado como melhor pster: Research activities

on microwave photonics, nonlinear optics and optical communications

from the Lab. WOCA from Inatel areas, WorkInnova- Denmark-South

America Workshop on Photonics Technologies(WorkInnova), 2013.


20/81

xx

Resumo

Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um transmissor deradiofrequncia reconfigurvel, capaz de atender as faixas de micro-ondas e ondas

milimtricas. Inicialmente, apresenta-se a tecnologia fotnica utilizada em sua

concepo, responsvel por proporcionar a multiplicao em frequncia no domnio

ptico. Na sequncia, prope-se o uso do dispositivo para habilitar caractersticas de

convergncia e flexibilidade em arquiteturas de rdio sobre fibra. A metodologia de

anlise baseia-se em trs etapas: simulaes numricas; caracterizao experimental;

implementao em redes ptico-wireless sob condies reais de operao. As

simulaes computacionais foram conduzidas utilizando o software comercial

OptiSystem, e os experimentos foram realizados no laboratrio WOCA (Wireless

and Optical Convergent Access), do Instituto Nacional de Telecomunicaes (Inatel).

Resultados numricos e experimentais comprovam a eficincia do transmissor e a

sua aplicabilidade para redes de telecomunicaes do futuro, incluindo sistemas

celulares 4G e 5G.

Palavras-chave: Fotnica de Micro-ondas, Modulador Mach-Zehnder,

Multiplicao em Frequncia, Rede ptico-Wirelesse Transmissor de RF.


21/81

xxi

Abstract

This work is focused on the development of a reconfigurable radio-frequency

transmitter applied to microwaves and millimeter-waves. Initially, the photonics-

based frequency multiplication technique is presented. Posterior, the proposed device

is applied to reconfigurable and convergent optical-wireless networks. The analysis

methodology is based on three main steps: numerical simulations; experimental

characterization; implementation and test in real optical-wireless networks.

Numerical simulations were carried out using the software OptiSystem and the

experiments were carried out in the laboratory WOCA (Wireless and Optical

Convergent Access) from the National Institute of Telecommunications (Inatel).

Numerical and experimental results demonstrate the efficiency of the proposed

transmitter and its applications to future telecommunications networks, including 4G

and 5G systems.

Keywords: Frequency Multiplication, Mach-Zehnder Modulator, Microwave

Photonics, Optical-Wireless Network, Radio-frequency Transmitter.


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1

Captulo 1

1. Introduo

1.1

Contextualizao e motivaoO aumento da demanda por servios mveis de telecomunicaes cria a

necessidade de se desenvolverem sistemas capazes de prover, simultaneamente,

mobilidade e alta capacidade. De 2012 a 2013, o trfego global de dados em redes

sem fio cresceu 81% e estima-se que alcance 15,9 Exabytes por ms at 2018, como

mostra a Figura 1.1 [1]. Nesse mesmo ano, sero 10,2 bilhes de dispositivos

conectados em redes mveis suportando acesso Internet, e mais de 69% do trfego

mencionado ser proveniente da distribuio de vdeo, o que exigir um aumento

significativo na largura de banda, robustez e velocidade das conexes.

Figura 1.1Perspectiva de crescimento do trfego de dados em redes sem fio [1].

0

9

18

2013 2014 2015 2016 2017 2018

15,9 EB

10,8 EB

7,0 EB

4,4 EB

2,6 EB1,5 EB

Ano

Exabytesp

orms

10,2 bilhes de conexes

52% de trfego offload

69,1% de trfego de vdeo

51% proveniente do 4G


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2

A migrao das estruturas de segunda gerao (2G) para as arquiteturas 3G,

4G e 5G tambm traz novos desafios, j que os sistemas de telecomunicaes do

futuro iro demandar convergncia entre padres sem fio para satisfazerrequerimentos de usurios fixos e mveis, que usam diferentes protocolos e servios.

Espera-se, por exemplo, que o escoamento de trfego por tecnologias

complementares (offloading) utilizando pontos de acesso Wi-Fi (Wireless Fidelity) e

Femtoclulas torne-se um novo segmento da indstria, como soluo para evitar ou

ao menos diminuir o congestionamento das redes celulares. Espera-se, ainda, novos

nveis de desempenho dos equipamentos de rdio, a fim de que estejam aptos a

otimizar parmetros de transmisso em funo da demanda por trfego e aspectos depropagao no ambiente sem fio. Entre os pr-requisitos desejados esto [2]:

flexibilidade e autonomia, alocao flexvel de espectro, extenso dos canais para

bandas de alta frequncia, operao com antenas reconfigurveis e suporte a

comunicao entre dispositivos.

Todas estas perspectivas e necessidades apontadas tm dirigido estudos para

o desenvolvimento de sistemas e dispositivos que se adequem s novas tendncias,

com o intuito de garantir a interoperabilidade das conexes e servios. Solues paracapacidade dos ncleos de rede podem estar diretamente relacionadas com as

comunicaes pticas, em constante otimizao. As recentes conquistas referem-se

utilizao da multiplexao por diviso de comprimento de onda (DWDM Dense

Wavelenght Division Multiplexing) [3], implantao de arquiteturas FTTH (Fiber-

To-The-Home) [4] e ao desenvolvimento de tcnicas de correo de erros (FEC

Foward-Error Correction) [5]. Outros resultados interessantes em nvel de pesquisa

relacionam-se com a evoluo das estruturas de transmisso e recepo dos enlacespticos. So as chamadas redes coerentes de nova gerao [6], que associam o uso de

modulaes avanadas [7][8] e processamento digital de sinais [9] para alcanar

taxas de at 1 Pb/s.

Por outro lado, as tecnologias sem fio so essenciais para prover mobilidade,

requisito fundamental para atender o novo perfil dos usurios de telecomunicaes.

Destacam-se a evoluo dos dispositivos mveis disponveis no mercado, cada vez

mais velozes [1], e pesquisas voltadas aos chamados Rdios Cognitivos [10], nos


24/81

3

quais um dos objetivos otimizar o uso do espectro radioeltrico em funo da

ocupao oportuna de suas lacunas. Destaca-se ainda a implementao de sistemas

de rdio sobre fibra (RoF Radio over Fiber) [11][12], que segundo a ERICSSON,continuaro crescendo e interligaro mais de 40% de todas as estaes at 2020 [2].

Com o crescente aumento do nmero de conexes e a consequente escassez

espectral, torna-se necessrio buscar faixas disponveis de frequncia,

correspondentes s micro-ondas e ondas milimtricas (Figura 1.2). Alm disso, o

aumento da capacidade em redes mveis depende no s de altas taxas de

transmisso nos ncleos de rede, mas tambm da elevao das frequncias de

operao. Estima-se, por exemplo, que as faixas de micro-ondas tenham potencial

para prover mais de 10 Gb/s por estao transmissora, em funo da largura de faixa

disponvel [2][13]. Com relao regio de ondas milimtricas, alguns trabalhos j

demonstram experimentos nas bandas Ka (27 - 40 GHz) [14][15], W (75 - 110 GHz)

[16][17] e na banda de 60 GHz [18][19], com taxas de transmisso de at 100 Gb/s

no ambiente sem fio [20].

Figura 1.2Modelo de ocupao atual do espectro radioeltrico e regio potencialmente til

para atender os requisitos de capacidade.

Neste cenrio, tecnologias fotnicas apresentam-se como segmento chave

para viabilizar a operao em bandas elevadas do espectro de frequncias e, por isso,

tais tecnologias tm sido continuamente aplicadas aos sistemas de micro-ondas, com

Potncia Frequncia [GHz]

Espectro em usoLacunas no espectro

Tempo

Regio de interesse

10

100

60

27

Regies alvo de pesquisas


25/81

4

funes bastante complexas e at mesmo impraticveis ao se trabalhar apenas com a

eletrnica convencional [21]. Entre elas, inclui-se o desenvolvimento de arquiteturas

adaptativas de rdio sobre fibra e a gerao, manipulao e distribuio de micro-ondas e ondas milimtricas [22]. Sabe-se das dificuldades em obter fontes de tais

sinais, geralmente construdas com circuitos eletrnicos de modo que a

complexidade e o custo do mtodo aumentam significativamente com a elevao das

frequncias. Como exemplo, a Figura 1.3a ilustra uma unidade externa (ODU

Outdoor Unit) de RF (radiofrequncia) capaz de prover um sinal de 7 GHz. O valor

comercial mdio deste produto de 3.000,00 reais.

J a gerao e distribuio de sinais na regio de micro-ondas e superior

utilizando tecnologia fotnica, aumenta a relao entre custo e benefcio,

principalmente para ondas milimtricas. Isto porque permite alcanar o desejado

incremento nas larguras de banda e oferece alocao flexvel de frequncias em redes

sem fio de ncleo ptico (OWN Optical-Wireless Network). Alm disso,

proporciona estabilidade, imunidade a rudos eletromagnticos, reduo de peso e

tamanho e simplificao dos equipamentos envolvidos. A Figura 1.3b ilustra a

funo de um gerador fotnico para regies elevadas do espectro, onde um sinal deRF tomado como referncia tem sua frequncia multiplicada por um fator de

multiplicao (k), podendo este assumir diferentes valores. Esta soluo apresenta

um custo aproximado de 5.800 reais para, por exemplo, k igual a 1 ou 2. Com

produo em larga escala, pode-se reduzi-lo para valores entre 600 e 1.200 reais.

a) ODU de 7 GHz. Tecnologia usada para a

gerao de micro-ondas no domnio eltrico.

b) Conceito de umgerador fotnico para

sinais de micro-ondas e ondas milimtricas.

Figura 1.3Solues para a gerao de sinais de RF.

Dispositivoptico


26/81

5

O presente trabalho focaliza o desenvolvimento de um transmissor de RF

reconfigurvel, capaz de atender as regies de micro-ondas e ondas milimtricas do

espectro radioeltrico. Tem-se ainda como meta a utilizao de RoF para integrarncleo de rede e acesso, reunindo na mesma arquitetura os benefcios tragos por

dispositivos pticos (largura de banda) e radiofrequncia (mobilidade e

flexibilidade). O dispositivo proposto baseia-se em uma tcnica de processamento

fotnico para a duplicao em frequncia no domnio ptico, denominada modulao

externa. Com ela, possvel selecionar a banda de operao e a frequncia das

portadoras geradas em funo da tenso de polarizao do modulador e da frequncia

do sinal eltrico tomado como referncia. Como contribuies, apontam-se emprimeiro lugar as investigaes numrica e experimental da tcnica, demonstrando o

impacto dos parmetros de entrada nas relaes entre frequncia, potncia, SNR

(Signal-To-Noise Ratio) e RFSSR (Radio Frequency Spurious Suppression Ratio) do

espectro gerado. Aponta-se ainda a explorao de dois fatores multiplicativos para a

implementao de redes OWN convergentes e reconfigurveis em frequncia, bem

como o uso do transmissor de banda flexvel para atender em uma mesma arquitetura

de rede, aplicaes entre os padres UMTS (Universal Mobile Telecommunications

System)em 2.1 GHz, LTE (Long Term Evolution) em 2.6 GHz e Wi-Fi em 5.2 GHz.

1.2 Reviso bibliogrfica

Fotnica de micro-ondas define-se como a interdisciplina que combina a

engenharia de radiofrequncia com a fotnica. Permite interaes entre ondas

eletromagnticas nas faixas pticas e de RF, favorecendo o desenvolvimento de

dispositivos para aplicaes em sistemas sem fio de altas frequncias. Em geral, tal

segmento inclui tpicos relacionados gerao, processamento e distribuio de

sinais de micro-ondas e ondas milimtricas [23].

Os primeiros experimentos, dcadas atrs, foram direcionados utilizao do

guia ptico como meio de transmisso para sinais analgicos de RF [24][25], dando

origem aos sistemas de rdio sobre fibra [11]. Desta maneira, tornou-se possvel

evitar as grandes atenuaes causadas por perdas do espao livre, que inviabilizavam

a distribuio de sinais com frequncias elevadas em redes sem fio. Desde ento, as


27/81

6

tecnologias fotnicas expandiram-se consideravelmente, sendo apontadas como

soluo para prover a solidificao dos sistemas de micro-ondas [21]. Decorreram-se

aplicaes envolvendo conversores analgico-digital [26-29] e filtros [30][31] parasinais de RF, controle ptico do diagrama de irradiao de antenas, [32-34],

sensoriamento espectral [35][12] e radares [36]. Sucederam-se tambm resultados

promissores referentes gerao fotnica de sinais de micro-ondas e ondas

milimtricas [37-54] e, mais recentemente, ao desenvolvimento de eficientes

conversores de frequncia e transceptores de RF multibanda [55][56].

A estratgia mais comum para o desenvolvimento de geradores de RF

baseados em tecnologia fotnica fazer uso da intermodulao entre duas ondas

eltricas no domnio ptico, provenientes de laseres sintonizados em comprimentos

de onda distintos [38][39]. Entretanto, a falta de correlao entre as fontes de luz

pode levar deteco de um alto rudo de fase no sinal gerado, j no domnio

eltrico. Para contornar este problema, ou seja, garantir baixo rudo de fase e largura

de linha bastante estreita a partir do mtodo em questo, foram propostas na

literatura tcnicas como Optical Injection Locking, Optical Phase Lock Loop e

Optical Injection Phase Locking [33], todas almejando o mesmo objetivo:proporcionar alta correlao de fase entre as duas ondas pticas e assim, gerar ondas

milimtricas de alta qualidade. Demonstrou-se a gerao de sinais entre 6 e 34 GHz

com pequena largura de linha [40][41]. Resultados potenciais tambm foram obtidos

utilizando, ao invs de dois laseres independentes, um nico dispositivo gerador de

luz capaz de emitir simultaneamente dois comprimentos de onda distintos [42][43].

Porm, o uso deste tipo de dispositivo tem a desvantagem de elevar

significativamente o custo do projeto.

Outros eficientes mtodos para a gerao de micro-ondas e ondas

milimtricas de alta qualidade utilizam o conceito de multiplicao em frequncia no

domnio ptico (OFM Optical Frequency Multiplication). A sua principal

vantagem o fato de no exigir nenhum tipo de controle de fase na fonte de luz.

Inicialmente, OReilly et al. (1992) [44] propuseram a tcnica de modulao externa

e demonstraram a gerao de uma portadora de 36 GHz tomando como referncia

um sinal eltrico de 18 GHz. Tal sistema foi ento utilizado para distribuir servios


28/81

7

de vdeo remotamente [45]. Posteriormente, demonstrou-se a gerao de um sinal de

60 GHz baseada na quadruplicao em frequncia de uma portadora de 15 GHz

entregue ao modulador [46]. Entretanto, para garantir pureza espectral, fez-senecessrio a utilizao de filtro ptico com largura de faixa igual ao espaamento

entre os harmnicos de segunda ordem, o que dificulta a flexibilidade do sistema.

Mais adiante, Shen et al. (2003) [47] utilizaram modulador de fase para tambm

obter fator multiplicativo igual a 4, porm o mtodo ainda recorria filtragem ptica

de bandas laterais.

Em sequncia, Qi et al. (2005) [48] demonstraram a quadruplicao em

frequncia de maneira reconfigurvel, gerando sinais entre 32 e 50 GHz a partir de

portadoras de RF entre 8 e 12,5 GHz. Na mesma linha, Li & Yao (2010a) apontaram

flexibilidade e apresentaram uma arquitetura para incrementar o fator de

multiplicao [49]. Com o mesmo objetivo, Li & Yao (2010b) e Vidal (2012)

aproveitaram ainda efeitos no lineares, como a mistura de quatro ondas (FWM -

Four-Wave Mixing), para gerar sinais de at 132 GHz [50] e obter fatores

multiplicativos com valores acima de 20 [51], respectivamente. No entanto, as

tcnicas apresentam-se muito complexas por envolver grande quantidade dedispositivos na montagem e demandar o controle de efeitos no-lineares. Ainda

dentro de OFM, Shi et al. (2010) [52] fez uso de ressonador ptico e modulao de

fase gerando harmnicos em diversas posies espectrais.

Por fim, mtodos reportados na literatura passaram a compor sistemas de RoF

bidirecionais, como os descritos em [53][54]. A Tabela 1.1 resume as principais

vantagens e desvantagens entre as mais importantes tcnicas de gerao de micro-

ondas com tecnologia fotnica reportadas na literatura.


29/81

8

Tabela 1.1Tcnicas para gerao fotnica de sinais de RF.

Tcnica Vantagens Desvantagens

Mtodo heterodino [33]

Alta relao sinal/rudo(SNR)

Resposta em frequnciadepende apenas da largura de

banda do fotodetector

No requer o uso de sinais

de RF como referncia

Falta de correlao entreos laseres

Requer tcnicas detravamento em fase das

fontes de luz

Modulao externa [37] Configurao bastantesimples

Utiliza um nico laser, de

baixo custo Fcil sintonia ereconfigurabilidade da

frequncia

Alta perda por insero

Largura de bandadepende das respostas

em frequncia domodulador e dofotodetector

FWM [51] Altos fatores demultiplicao (at 24)

Montagem complexa

Requer potncia ptica alta

Requer controle deefeitos no-lineares

Ressonador ptico [52] Proporciona componentes

em elevadas posies

espectrais

Suporta diferentes padres

sem fio simultaneamente

No oferece pureza

espectral

Requer operaoconjunta entre

modulador e ressonador

1.3 Estrutura da dissertao

Este trabalho estruturado em cinco captulos. O captulo 2 apresenta em

maiores detalhes o mtodo heterodino e variaes da tcnica de modulao externa

para a gerao fotnica de micro-ondas e ondas milimtricas. Realiza-se uma

abordagem comparativa entre cada uma delas. tambm demonstrado o

comportamento do modulador Mach-Zehnder, dispositivo essencial para a

multiplicao em frequncia no domnio ptico. O captulo 3 iniciado com a

descrio da tcnica de modulao externa que d origem ao transmissor de RF

reconfigurvel. So realizadas a validao computacional e a detalhada investigao

experimental da tcnica em questo, em funo de parmetros pticos e eltricos. No

captulo 4, diferentes experimentos ilustram a aplicabilidade do transmissor de


30/81

9

micro-ondas multibanda: implementao de uma OWN convergente e reconfigurvel

para aplicaes em LTE e Wi-Fi offloading; transmissor fotnico com banda flexvel

atendendo a trs padres de RF distintos, validado em uma rede real pertencente operadora TIM (Telecom Italia Mobile). Por fim, o captulo 5 apresenta as

concluses relevantes e sugestes para os trabalhos futuros.


31/81

10

Captulo 2

2. Gerao fotnica de portadoras de

radiofrequncia

2.1 Mtodo heterodino utilizando intermodulao

Uma fonte fotnica para a gerao de ondas milimtricas pode ser obtida por

meio de um mtodo bastante simples, baseado na intermodulao entre dois sinais

pticos com comprimentos de onda distintos [33][39], conforme mostra a Figura 2.1.

Sabe-se que um campo eltrico no domnio ptico pode ser expresso como

= (2.1)onde corresponde amplitude do campo eltrico, a frequncia angular da

portadora e representa a fase da onda. Ao considerarmos dois laseres sintonizadosem frequncias diferentes, obtm-se duas portadoras pticas dadas por

= (2.2)

=

(2.3)

onde novamente e so os termos de amplitude, e representam asfrequncias angulares e e correspondem s respectivas fases dos sinais

provenientes de cada fonte de luz. A interao entre estas duas ondas provoca

intermodulao e, considerando o limite de banda imposto pelo fotodetector (PD

Photodetector), tem-se aps a fotodeteco um sinal eltrico descrito por

||

| |

, (2.4)


32/81

11

sendo S a responsividade do PD e e as respectivas potncias dos camposindividuais [37]. Tomando M como termo de amplitude, pode-se descrever

simplificadamente o sinal eltrico resultante como

(2.5)onde representa um sinal de RF, cuja frequncia corresponde ao espaamentoentre os comprimentos de onda sintonizados em cada laser e com potncia

determinada pelas amplitudes dos campos individuais e responsividade do PD. Trata-

se, portanto, de um gerador fotnico faixa larga, sendo esta limitada apenas pela

largura de banda do fotodetector.

Figura 2.1Mtodo heterodino baseado na intermodulao entre duas ondas pticas, gerando um

sinal de RF aps a fotodeteco [37].

Entretanto, a falta de correlao entre as fontes de luz pode levar deteco

de um alto rudo de fase no sinal gerado, j no domnio eltrico. A Figura 2.2 mostra

uma portadora de 40 GHz obtida por meio de simulao numrica, considerando a

tcnica em questo. O resultado fruto da intermodulao entre ondas pticas

provenientes de dois laseres com potncias de 0 dBm, largura de linha iguais a 10

MHz e rudo RIN (Relative Intensity Noise) de -135 dB/Hz, sintonizados em

1.550,00 e 1.550,32 nm, respectivamente. Considerou-se uma perda de 3 dB causada

pelo acoplador ptico e o fotodetector utilizado foi do tipo PIN (p-intrinsic-n diode),

com responsividade de 0,9 A/W.

Laser 1

Laser 2

Acoplador

ptico Fotodetector

E1(t)

E2(t)

RFout


33/81

12

Figura 2.2Sinal de RF em 40 GHz, gerado numricamente com o mtodo heterodino. Notar a

presena de rudo de fase.

Observa-se que para obter a portadora eltrica centrada exatamente em 40

GHz, foi necessrio um ajuste fino da sintonia do laser ( ). Emtermos de implementao, adquirir estes dispositivos com tamanho grau de preciso

pode elevar o custo do projeto. Nota-se a alta largura de linha do sinal gerado,

mesmo quando os rudos provenientes do fotodetector so desconsiderados na

simulao. Tal caracterstica ento atribuda presena do rudo de fase, e dificulta

a operao de canais vizinhos a 40 GHz. Para amenizar este rudo, faz-se necessrio

o uso de tcnicas de travamento em fase entre os laseres, que em geral, caracterizam

processos muito trabalhosos. Assim, como alternativa para aumentar a eficincia no

processo de gerao sem recorrer a estas tcnicas complementares, destacam-se

mtodos baseados na multiplicao em frequncia no domnio ptico por meio da

modulao externa.

2.2 Multiplicao em frequncia no domnioptico

0 1 2 3 4 5 6

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Potncia[dBm]

-30

-40

-50

-60

-70

-80

-90

Frequncia [GHz]0 10 20 30 40 50 60

Rudo de Fase


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13

2.2.1 O modulador Mach-Zehnder

O modulador Mach-Zehnder (MZM Mach-Zehnder Modulator) um

dispositivo eletroptico que proporciona modulao de intensidade, frequentemente

aplicado a ptica integrada e a sistemas RoF. Pode atuar, por exemplo, na gerao de

componentes espectrais e em tcnicas para evitar pontos de potncia nula (fading

points), causados por efeitos dispersivos na fibra ptica [57]. estruturado com dois

guias pticos distintos de igual comprimento, chamados braos, sendo que em ao

menos um deles h a possibilidade de controle de fase. Tal controle realizado

atravs do efeito eletroptico oriundo do campo de RF aplicado aos eletrodos. Em

geral, faz-se a opo por substrato de niobato de ltio (LiNbO3) em seu processo de

fabricao, devido s larguras de faixa proporcionadas por moduladores com este

tipo de material [58]. A Figura 2.3 ilustra a estrutura bsica de um MZM.

Figura 2.3Representao da estrutura de um MZM [59].

O princpio de operao deste tipo de modulador consiste na diviso

igualitria do sinal ptico de entrada em duas ondas guiadas, de modo que ao menos

uma delas tenha sua fase alterada em funo da tenso de modulao, aplicada aos

eletrodos. Em sequncia, tais ondas so combinadas por uma juno Y, equivalente

utilizada na entrada do dispositivo para a ramificao entre os braos. Forma-se

ento um interfermetro, e a sobreposio das ondas resulta na modulao ptica de

intensidade, sendo esta dependente da diferena de fase entre os modos guiados.

Entrada ptica

Sada ptica

Guia ptico

Tenso de

modulao

Eletrodos


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14

Segundo OReilly et al. (1994), o campo eltrico na sada do MZM pode ser

descrito como [45]

( ) (2.6)onde representa o sinal proveniente da fonte de luz, a tenso de meiaonda do modulador e a tenso aplicada aos eletrodos, correspondente tenso demodulao. Considerando este parmetro composto pelo sinal de RF incidente e pela

tenso de polarizao () [60], pode ento ser escrito como

, (2.7)onde e correspondem amplitude e frequncia angular do sinal de RF deentrada, respectivamente. A funo de transferncia de um MZM proporcional ao

quadrado da Eq.(2.6), e pode ser descrita por [59]

|| * +. (2.8)

O significado desta funo refere-se variao na intensidade ptica do campomodulado em funo da tenso aplicada aos eletrodos.

A partir destas definies, alguns pontos especficos de polarizao levam o

MZM a operar em trs condies distintas: ponto mximo de transmisso (MATP

Maximum Transmission Point); ponto de quadratura (QPQuadrature Point); ponto

mnimo de transmisso (MITP Minimum Transmission Point). A Figura 2.4

apresenta a curva caracterstica de transmisso normalizada do MZM, identificando

os pontos mencionados. Sabe-se que, por definio, a tenso que introduz umdesvio de fase equivalente a 180 entre os braos do MZM [59]. Por esta razo, ao

polarizar o modulador com a tenso de meia onda obtm-se uma defasagem

destrutiva entre os sinais guiados por cada brao, resultando na menor intensidade de

transmisso. Este comportamento tambm comprovado pela Figura 2.4.


36/81

15

Figura 2.4Curva caracterstica de transmisso do modulador [61].

2.2.2 Tcnica da modulao externa

O conceito de multiplicao em frequncia no domnio ptico consiste em

processar um sinal de RF com tecnologia fotnica, de modo que sua frequncia seja

incrementada de kvezes. O dispositivo responsvel por esta tarefa o modulador

eletroptico [6], elemento chave que d origem s tcnicas de OFM baseadas na

modulao externa. Em geral, o mais utilizado para este tipo de aplicao o MZM

construdo com substrato de niobato de ltio (LiNbO3), contendo um (SD-MZM

Single-Drive Mach-Zehnder Modulator) ou dois (DD-MZM Dual-Drive Mach-

Zehnder Modulator) guias com o efeito eletroptico.

A Tabela 2.1 apresenta as principais vantagens e desvantagens do uso de

diferentes tipos de MZM em configuraes da tcnica de modulao externa. Todas

elas apresentam a vantagem de utilizar apenas um laser, eliminando a necessidade de

implementar metodologias complementares para adquirir estabilidade e baixo rudo

de fase. A configurao inicial composta por apenas trs dispositivos: laser, SD-

MZM e fotodetector. O modulador polarizado para suprimir a portadora ptica e,

0 V

/2 V

3V

2V

0

0,25

0,5

0,75

1

Tenso de polarizao

Intensidadepticanormalizada

MATP

MITP

QP


37/81

16

assim, alcana-se um fator multiplicativo igual a 2 e reconfigurabilidade em

frequncia [44].

A primeira variao do mtodo foi o acrscimo de filtro ptico na sado do

modulador como recurso para a quadruplicao em frequncia, garantindo pureza

espectral [46]. Porm, como a filtragem se d em relao a bandas laterais, e estas se

posicionam no espectro de acordo com a frequncia do sinal de RF de entrada, no

h flexibilidade a no ser que se use filtro reconfigurvel, o que aumenta o custo dos

sistemas. Como alternativa, Qi et al. (2005) props o uso da grade de Bragg (FBG -

Fiber Bragg Grating) como filtro rejeita-faixa de comprimento fixo em substituio

aos filtros at ento utilizados, de modo que tal dispositivo passou a atuar na

portadora ptica, e no mais em bandas laterais [48]. Com a tcnica, obtm-se fator

multiplicativo k = 4, pureza espectral e reconfigurabilidade em frequncia. No

entanto, um notvel empecilho refere-se dificuldade em se fabricar FBGs com

largura de banda menor do que 0,2 nm, o que impe limite inferior frequncia

mnima de operao.

Outras arquiteturas remetem utilizao de dois SD-MZM em cascata,

incluindo FBG e/ou transformadores de fase reconfigurveis nos domnios ptico

(TOPS) e eltrico (TEPS). A tcnica demonstrada por Kawanishi et al. (2005) [62]

considera um TEPS para a quadruplicao em frequncia. J Li & Yao (2010c) [63]

substituem este dispositivo por um TOPS e demonstram k= 8. Com a implementao

simultnea destes dispositivos e acrscimo da FBG, Yao (2010a) [37] aponta na

mesma arquitetura fatores multiplicativos equivalentes 4, 6, 8 e 12, dependendo da

combinao entre as regies de polarizao dos moduladores e das defasagens

aplicadas. Ressalta-se que moduladores em cascata contribuem para o acrscimo de

perdas por insero no sistema e, por isso, faz-se necessrio o uso de EDFA (Erbium

Doped Fiber Amplifier) ou amplificadores eltricos para compens-las.


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17

Tabela 2.1Tcnicas de modulao externa que utilizam o MZM para a OFM.

Tcnica Vantagens Desvantagens

SD-MZM [44]

No requer uso de filtro

Simplicidade

O maior fator demultiplicao alcanado

igual a 2

SD-MZM + FBG [48] Permite k= 4 O uso da FBG limita afrequncia mnima de

operao

SD-MZMs cascateados [37] Permite k= 4, 6, 8 e 12 Uso de dois moduladores.

Requer o uso de FBGe/ou TOPS e TEPS

DD-MZMs em paralelo ou

integrados [64-68]

No requer uso de filtro.

Permite k= 2 e 4

Custo do modulador

Requer controle dadefasagem entre os sinais

de RF tomados comoreferncia

Existem ainda configuraes baseadas na implementao de DD-MZMs em

paralelo ou integrados [64-68]. No modelo em questo, provoca-se defasagem entre

amostras do sinal de RF que iro compor as tenses de modulao, de modo que a

sobreposio dos campos modulados resulte, aps a fotodeteco, em uma portadora

com frequncia duas ou quatro vezes superior frequncia do sinal tomado como

referncia. O mtodo no requer uso de filtro e oferece pureza espectral, porm o

controle da defasagem entre os sinais modulantes, principalmente em sistemas que

exigem reconfigurabilidade, torna-se bastante trabalhoso. Pode-se tambm

acrescentar um SD-MZM a esta arquitetura [69] para alcanar k= 6, com a devida

inconvenincia de elevar o custo do sistema.


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18

Captulo 3

3. Transmissor de RF reconfigurvel

3.1 ConceitoO transmissor de RF reconfigurvel baseia-se em multiplicao de frequncia

por meio de tecnologia fotnica, de modo a prover sinais em diferentes bandas do

espectro radioeltrico. A Figura 3.1 [37] apresenta o esquema utilizado para a

duplicao em frequncia com a tcnica de modulao externa, bem como a

ilustrao dos espectros obtidos, conforme ser demonstrado. Trata-se da

configurao apresentada por OReilly et al. (1992), composta basicamente por um

laser DFB (Distributed feedback laser), um modulador SD-MZM e um fotodetector

do tipo PIN. A fibra ptica monomodo (SMFSingle mode fiber) pode ser utilizada

como alternativa para distribuir o campo modulado at estaes remotas,

viabilizando a operao de sistemas nas faixas de micro-ondas e ondas milimtricas.

O mtodo d origem a um transmissor de RF multibanda com custo

aproximado de 1.200,00 reais para produo em larga escala, considerado baixo

devido s vantagens oferecidas. Entre elas esto a flexibilidade em frequncia, a altalargura de banda, a facilidade de configurao, a estabilidade e a possibilidade de

integrao com sistemas RoF. Alm disso, a simplicidade dos dispositivos

envolvidos na montagem contribui para a reduo do custo quando comparado ao de

tcnicas similares. Ressalta-se que o valor mencionado foi estimado levando em

considerao principalmente os preos do laser, do MZM e do PD, para aplicaes

em at 12 GHz.


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19

Figura 3.1Esquema utilizado para a duplicao em frequncia no domnio ptico (k = 2). MZM

Modulador Mach-Zehnder; LDlaser; SMFFibra monomodo; PDfotodetector [37].

Em princpio, o modulador recebe uma portadora ptica proveniente do laser,

centrada no comprimento de onda , e um sinal de RF tomado como referncia, cujafrequncia igual a . Analiticamente, tal procedimento pode ser representado coma substituio da Eq.(2.7) na Eq.(2.6):

(3.1)

Considerando

, (3.2)ondef a frequncia de operao do laser, o campo eltrico na sada do MZM pode

ser reescrito como

(3.3)

De acordo com [44], a normalizao e a expanso deste campo em termos da funo

de Bessel leva seguinte representao:

SMFMZM

LD

PD

ptico

eltrico


41/81

20

(

) [

]

( ) [ ]

( ) [

]

( ) [

] (3.4)

onde

so as funes de Bessel de primeira espcie. A interpretao da Eq.(3.4)

indica que o campo eltrico, na sada do MZM, fica composto por elementos

espectrais referentes portadora ptica e bandas laterais, igualmente espaados de entre si. A quantidade destas bandas com nveis significativos de potncia depende

do ndice de modulao (m), determinado pela relao entre a amplitude do sinal

modulador e [70].Em uma aplicao convencional, onde no h a inteno de se obter OFM,

polariza-se o MZM fora da condio de MITP para que a frequncia do sinalfotodetectado seja . Por outro lado, de acordo com a Eq.(3.4), ajustar a tenso de

polarizao do MZM para (MITP) implica na supresso da portadora ptica e doselementos espectrais de segunda ordem. Neste caso, as bandas laterais de primeira

ordem, espaadas entre si de 2, passam a compor de maneira predominante ocampo modulado, ou seja, representam os elementos espectrais de maior potncia.

Como resultado da fotodeteco deste campo, gerada uma portadora de RF com

frequncia duas vezes maior em relao ao sinal eltrico tomado como referncia.

Deve-se observar que o mtodo no utiliza nenhum tipo de filtro e, por isso, o

fator de multiplicao obtido, k = 2, permanece inalterado independentemente da

frequncia do sinal eltrico de entrada. Portanto, obtm-se a duplicao em

frequncia de maneira reconfigurvel. O mtodo traz ainda como vantagem a

possibilidade de gerar ondas milimtricas com pureza espectral e baixo rudo de fase.

H a penalidade de uma significante reduo na potncia do sinal gerado devido

operao do MZM no MITP. Porm, este inconveniente facilmente superado pelos


42/81

21

benefcios oriundos da tcnica, podendo ser compensado com o uso de

amplificadores.

3.2 Validao computacional

O transmissor representado pelo esquema descrito na Figura 3.1 foi analisado

numricamente utilizando o programa comercial OptiSystem, da empresa Optiwave

Systems Inc, com a finalidade de validar numricamente a duplicao em frequncia

no domnio ptico. Para a simulao, foi utilizado um laser sintonizado em 1.550 nm,

com potncia de 10 dBm, largura de linha igual a 10 MHz e rudo RIN de -135dB/Hz. Considerou-se um fotodetector com as mesmas caractersticas ao utilizado na

obteno do resultado exposto pela Figura 2.2, e ainda, uma perda por insero de 6

dB imposta pelo SD-MZM. Foi tomado um sinal de RF como referncia com as

seguintes caractersticas: potncia () = 20 dBm; frequncia = 20 GHz; relaode amplitude entre a frequncia central e os esprios fora da banda (shoulder) igual a

50 dB. A SMF no fez parte da montagem nesta etapa da investigao, sendo

substituda por um cordo ptico.

A Figura 3.2a mostra os resultados numricos referentes relao entre a

tenso de polarizao e a potncia da portadora ptica na sada do modulador,

levando em considerao valores de distintos para o MZM (2,8 e 4 V). Observa-seum comportamento cclico, de modo que as menores potncias so obtidas

exatamente nos pontos em que a igual a ou 3, em conformidade com afuno de transferncia apresentada na Figura 2.4. tambm constatado que a adio

de amplificadores no sistema no altera o comportamento da resposta em potncia

obtida em funo da . As Figuras 3.2b e 3.2c apresentam o espectro pticoobtido nos pontos destacados. Da mesma forma, para fins de comparao, a Figura

3.3 expe detalhes do espectro modulado, onde nota-se uma atenuao de 22 dB na

portadora ptica quando polariza-se o modulador para a condio de MITP.


43/81

22

a) Potncia da portadora ptica na sada do modulador, em funo da .

b) Espectro ptico no MITP c)Espectro ptico no MATP

Figura 3.2Potncia da portadora ptica modulada em funo de , e espectro ptico nospontos de MITP e MATP [71].

Figura 3.3Espectro ptico obtido nas condies de MATP e MITP.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

V = 4 V

V = 2,8 V

V = 4 V, GEDFA = 16 dB

A

B

Tenso de polarizao [V]

Potnciadaportadoraptica[dBm]

A B


44/81

23

Na sequncia, fixando a tenso de polarizao do MZM em , obteve-seaps a fotodeteco uma portadora eltrica de 40 GHz, com potncia igual a -62

dBm. Para compensar a perda de 6 dB inserida pelo modulador e aumentar o nvel dosinal de RF obtido, foi ento adicionado sada do PD um amplificador com ganho e

figura de rudo (NFNoise Figure) iguais a 12 e 4 dB, respectivamente. O espectro

eltrico obtido com a simulao apresentado pela Figura 3.4, e comprova a

duplicao em frequncia garantindo caractersticas de pureza espectral. Em

comparao com o resultado exposto pela Figura 2.2, proveniente do mtodo

heterodino, nota-se uma reduo significativa do rudo de fase, bem como uma

penalidade de potncia imposta pela operao do MZM no MITP. Ainda assim,alcanou-se uma SNR superior a 30 dB com a tcnica da modulao externa.

Figura 3.4Sinal em 40 GHz gerado por meio da duplicao em frequncia com a tcnica de

modulao externa.

3.3 Investigao experimental

O objetivo deste subitem , alm de validar experimentalmente o transmissor

de RF descrito, demonstrar o impacto dos parmetros de entrada, pticos e eltricos,

no espectro gerado aps a fotodeteco. Procura-se ainda identificar modelos de

configurao que atendam a aplicaes especficas.

0 1 2 3 4 5 6

-90

-80

-70

-60

-50

-40

Frequncia [GHz]

Potncia[dBm]

0 10 20 30 40 50 60

-40

-50

-60

-70

-80

-90

fm = 20 GHz

k= 2

31 dB


45/81

24

A validao inicial foi realizada fixando a em , de modo que foramgeradas portadoras de 12 e 16 GHz a partir de sinais de 6 e 8 GHz, respectivamente.

Os resultados foram apresentados em [71]. No entanto, o foco do atual trabalhorefere-se a uma abordagem mais profunda, explorando, por exemplo, diferentes

fatores multiplicativos em uma mesma arquitetura. Para tal, utilizou-se a montagem

exposta pela Figura 3.5, composta pelos seguintes elementos: um laser DFB com em 1.551 nm e potncia ptica () = 4 dBm; um SD-MZM com = 3,1 V; umfotodetector do tipo PIN com responsividade de 0,9 A/W; uma fonte de tenso

contnua; um gerador de RF; um analisador de espectro eltrico com preciso de 0,2 dB. A potncia e a frequncia do sinal de RF de entrada foram ajustadas para 12dBm e 2,6 GHz, respectivamente, sendo a relao de amplitude entre a frequncia

central e os esprios fora da bandadeste sinal igual a 50 dB.

O Apndice 1 lista todos os dispositivos que foram utilizados nas montagens

experimentais ao longo deste trabalho. O Apndice 2 apresenta as principais

especificaes tcnicas do laser, MZM e PD utilizados na montagem inicial. Tais

informaes foram extradas dos seus manuais, disponibilizados pelos seus

respectivos fabricantes. A metodologia adotada para a obteno dos resultados

refere-se ao ajuste da tenso de polarizao do MZM (de 0 a 10 V), das potncias do

laser (de 0 a 10 dBm) e do sinal modulador (de 0 a 20 dBm). Faz-se ento a

subsequente anlise das caractersticas do sinal gerado, j no domnio eltrico. A

evoluo dos resultados foi dividida em trs etapas, as quais sero apresentadas a

seguir.


46/81

25

Figura 3.5Montagem experimental para a duplicao em frequncia com tecnologia fotnica,

baseada na tcnica da modulao externa.

3.3.1.

Ajuste da tenso de polarizaoOs experimentos iniciais referem-se ao controle da tenso de polarizao do

MZM, proveniente da fonte de tenso contnua, entre 0 e 10 V. O objetivo verificar

a influncia deste parmetro nas caractersticas do espectro radioeltrico obtido aps

a fotodeteco. Os resultados obtidos foram publicados em [72].

A Figura 3.6 reporta o comportamento da potncia ptica modulada em 1.551

nm e das potncias eltricas obtidas em 2,6 e 5,2 GHz, respectivamente. observadoum comportamento cclico da potncia ptica, bem como a potencializao da

portadora de RF em 5,2 GHz devido duplicao em frequncia em relao ao sinal

incidente de 2, 6 GHz. Ajustar a tenso de polarizao do MZM para (3,1 V)implica em elevada atenuao da portadora ptica, como mostra o espectro inserido

na Figura 3.6, obtido por meio de um analisador de espectro ptico (OSA Optical

Spectrum Analyzer) conectado na sada do modulador. Consequentemente, o fator de

multiplicao igual a 2 (k = 2)e obtm-se um aumento na potncia do sinal eltricocom frequncia duplicada. Verifica-se ainda que, nos pontos de maior potncia para

Fonte de Tenso

Gerador de RFAnalisador de espectro

eltrico

MZM

Laser

Fotodetector


47/81

26

a componente espectral em 5,2 GHz, o sinal referente 2,6 GHz decai para a sua

amplitude mnima. Da mesma forma, nos pontos de mximo para o sinal de 2,6 GHz

(k= 1), a componente de 5,2 GHz mnima.

Figura 3.6Comportamento da potncia ptica em 1.551 nm e da potncia eltrica em 2,6 e 5,2GHz, em funo da . A indicao corresponde ao espectro ptico obtido experimentalmente em

um dos MITPs do MZM.

Os resultados mostram que a seleo do fator multiplicativo entre 1 ou 2

depende do ajuste na tenso de polarizao do modulador, e que o transmissor

implementado com os parmetros previamente citados pode gerar portadoras em 2,6

ou 5,2 GHz, bem como prover sinais simultaneamente em ambas as frequncias

mencionadas. Nas condies impostas, identificam-se as tenses equivalentes a 3,1 e4,5 V como valores potenciais para a , assim considerados por proporcionarem amaior potncia e RFSSR entre os sinais de interesse, sendo este ltimo parmetro

definido como a relao de potncia entre as componentes espectrais. O valor de

igual a 1,3 V tambm desperta interesse, j que proporciona umcomportamento bem prximo ao obtido com 4,5 V, com a vantagem de exigir um

baixo valor de tenso da fonte de alimentao.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

f = 2.6 GHz

f = 5.2 GHz

1551 nm

supresso de portadora

Potn

cia[dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Vbias [V]


48/81

27

Esta caracterstica de reconfigurabilidade tambm ilustrada pela Figura 3.7,

que exibe a potncia de RF obtida (para diferentes frequncias em funo da. Ao configurar a tenso de polarizao para, por exemplo, 2,5 V, habilita-se a

presena simultnea das portadoras de 2,6 e 5,2 GHz no espectro fotodetectado,

sendo suas potncias similares. H a presena de uma componente espectral em 7,8

GHz, proveniente do processo de fotodeteco. Esta componente se apresenta com

um nvel de potncia bastante baixo, prximo ao nvel do rudo e pode ser

considerada irrelevante.

Figura 3.7Reconfigurabilidade da frequncia em funo da .A Figura 3.8 mostra que o espectro eltrico medido na sada do fotodetector

contm predominantemente uma portadora de 2,6 GHz quando a = 4,5 V(k= 1), e majoritariamente uma portadora de 5,2 GHz quando a = 3,1 V (k= 2),de modo que em ambos os casos nota-se a pureza espectral e a ausncia de

distores. Obteve-se SNR e RFSSR de 25 e 18 dB, respectivamente, para o sinal de

5,2 GHz gerado por meio da OFM, e o nvel de potncia obtido equipara-se ao

alcanado numricamente. No entanto, como o experimento no considerou

amplificaes, nota-se uma viso pessimista da ferramenta de simulao em relao

aos termos de amplitude.

PRFout

[dBm]

Vbias [V]

2,6 GHz

5,2 GHz

7,8 GHz

-30

-40

-50

-60

-70

-80

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0


49/81

28

Encerrando esta etapa, foi inserida uma fibra monomodo padro da empresa

Prysmian-Draka com 2 km de comprimento entre o modulador e o PD, a fim de

validar a distribuio do campo ptico na condio de portadora suprimida. Acomparao entre o sinal de 5,2 GHz gerado considerando a arquitetura inicial

(cordo ptico) e em seguida, a insero da fibra ptica, apresentada na Figura 3.9.

No houve distoro entre os resultados obtidos e pode-se reafirmar a impercepo

de rudo de fase. A diferena entre os nveis de potncia deve-se s perdas por

conectorizao e atenuao imposta pela SMF.

Figura 3.8Espectro eltrico obtido na sada do PD, para k =1 e k = 2.

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 109

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Frequncia [GHz]

Potncia[dBm]

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

-30

-40

-50

-60

-70

-80

Frequncia [GHz]

PRFout

[dBm]

25 dB

= 4,5 V

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

x 109

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Frequncia [GHz]

Pot

ncia[dBm]

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Frequncia [GHz]

-30

-40

-50

-60

-70

-80

PRF

out

[dBm]

2,0

18 dB

= 3,1 V


50/81

29

Figura 3.9Portadora em 5,2 GHz gerada com tecnologia fotnica, antes e depois dapropagao em 2 km de fibra ptica.

3.3.2. Ajuste da potncia de RF de entrada no

moduladorIdentificados os valores de que proporcionam k= 1 e k= 2, d-se incio

ao ajuste da potncia incidente porta de RF do MZM (, sendo este parmetrooutro grau de liberdade do transmissor proposto. Para a anlise experimental, foram

mantidas as caractersticas da montagem apresentada pela Figura 3.5, com uma nica

alterao. Dois amplificadores de RF em cascata, ambos do fabricante Mini-Circuits,

foram acoplados sada do gerador de RF, a fim de elevar a potncia do sinaleltrico tomado como referncia para at 20 dBm, sendo este valor prximo ao nvel

mximo tolerado pelo modulador em uso. O primeiro deles, cujo nmero de

identificao (part number) ZJL-4HG+, oferece ganho de 16 dB e figura de rudo

igual a 3,5 dB, enquanto o segundo corresponde a um amplificador de baixo rudo

(LNALow Noise Amplifier) identificado como ZX60-P103LN+, apresentando um

ganho de 6 dB com NF igual a 0,7 dB. A Figura 3.10 apresenta a potncia de RF

obtida na sada do fotodetector em funo da potncia de RF incidente ao MZM,considerando igual a (k= 2).


51/81

30

Figura 3.10 em funo de para=(k = 2).Nota-se que a potncia da portadora em 5,2 GHz aumenta com a elevao da

potncia de RF incidente ao MZM. Entretanto, os nveis de potncia referentes aos

elementos espectrais em 7,8 e 10,4 GHz tambm aumentam, reduzindo a RFSSR e

tornando este parmetro merecedor de ateno, principalmente quando se desejarpureza espectral sem a utilizao de filtragem eltrica. Como exemplo, uma SNR de

54 dB obtida quando a igual a 20 dBm, porm a RFSSR nesta condio de apenas 19 dB.

Este comportamento pode ser atribudo elevao do ndice de modulao

em consequncia do aumento da , j que operar com um alto mimplica em umaquantidade maior de bandas laterais aps o processo de modulao ptica. Desta

forma, o batimento destas componentes no PD provoca a potencializao de

harmnicos anteriormente considerados desprezveis.

A avaliao do resultado mostra que o transmissor oferecesse boa relao de

compromisso entre a , SNR e RFSSR quando a ajustada entre 12 e 16dBm. Nesta faixa, alcana-se uma SNR entre 42 e 49 dB, e a RFSSR fica entre 30 e

27 dB, respectivamente.

PRFin [dBm]

0

10

20

30

40

50

60

4 8 12 16 20

2.6 GHz

5.2 GHz

7.8 GHz

10.4 GHz

2,6 GHz

5,2 GHz

7,8 GHz

10,4 GHz

4 8 12 16 20

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-90

PRFout

[dBm]


52/81

31

3.3.3. Anlise senoidal e ajuste da potncia dolaser

Garantindo novamente as caractersticas da montagem inicial referente ao

transmissor, fez-se uma nova avaliao experimental dos sinais fotodetectados, desta

vez no domnio do tempo. A Figura 3.11 expe os resultados obtidos nas condies

de kigual a 1 (= 4,5 V) e kigual a 2 (= 3,1 V).A anlise senoidal mostra que a forma de onda da portadora com frequncia

duplicada no est distorcida e, portanto, pode ser eletricamente modulada como em

um sistema de RoF convencional. Conforme o esperado devido supresso da

portadora ptica, a amplitude do sinal em 5,2 GHz inferior amplitude do sinal em

2,6 GHz.

Figura 3.11Anlise temporal dos sinais fotodetectados, considerando k igual a 1 e k igual a 2.

Entretanto, a anlise das equaes referentes ao campo ptico na sada do

MZM, revela que uma melhor eficincia na converso eletroptica pode ser

alcanada incrementando as potncias do laser e do gerador de RF. Motivado por

esta anlise e na tentativa de elevar a potncia dos sinais gerados pelo transmissor, j

pensando no alcance da cobertura em redes sem fio, a fonte de luz com potncia de 4

dBm at ento utilizada foi substituda por um laser de 10 dBm, com potncia


53/81

32

reconfigurvel. O dispositivo utilizado foi do fabricante Golight, identificado como

OS-WT-D-C-20-0-0-P-FC/APC. O comprimento de onda central foi alterado para

1.550 nm, sem surtir qualquer tipo de impacto nos resultados obtidos.A Figura 3.12 comprova o aumento na potncia do sinal de 5,2 GHz

proveniente da duplicao em frequncia, em funo do aumento da potncia do

laser. Trata-se de um comportamento linear, em que a maior potncia e SNR obtida,

garantindo harmnicos eltricos abaixo de -60 dBm (RFSSR 31 dB), foram de -30dBm e 40 dB, respectivamente. Tais valores foram alcanados com a seguinte

configurao: potncia do laser igual a 10 dBm; potncia do gerador de RF igual a 9

dBm. importante observar que fixando a em 10 dBm, a RFSSR se mantm

praticamente constante para os trs valores de considerados. Esta caractersticarevela o aumento na amplitude de componentes espectrais situados em 3fm e 4fm,

tornando-os relevantes j a partir de igual a 9 dBm. Tal situao descrita pelaFigura 3.13, que repete a anlise da em funo da para ,

porm com a potncia do laser fixada em 10 dBm.

Figura 3.12Potncia do sinal gerado em 5,2 GHz em funo da potncia do laser, considerando

a igual a 3, 6 e 9 dBm.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-70

-60

-50

-40

-30

-20

data3

= 3 dBm

= 6 dBm

= 9 dBm

[dBm]

[dBm]

RFSSR


54/81

33

Figura 3.13Potncia da portadora de 5,2 GHz e harmnicos, em funo da potncia de RF

incidente ao MZM. Resultado obtido considerando a igual a 10 dBm.Novamente, o aumento da potncia eltrica incidente ao MZM contribui para

o incremento da amplitude em 5,2 GHz, com a penalidade de tambm elevar as

potncias de componentes espectrais em 2,6, 7,8 e 10,4 GHz, reduzindo a RFSSR.

Com a = 10 dBm, o transmissor passa a prover uma relao de compromissotima entre , SNR e RFSSR para valores de entre 4 e 8 dBm, ondeobtm-se SNR de 30 a 40 dB e RFSSR superior a 30 dB. A operao no intervalo de

potncia especificado traz ainda como vantagem o fato de os harmnicos

indesejveis estarem abaixo ou prximos ao patamar do rudo e, portanto, no se faz

necessria a filtragem eltrica.

Estes novos resultados referentes duplicao em frequncia, obtidos com aelevao da potncia ptica do laser, representam a otimizao do transmissor

proposto. Afinal, verifica-se que alterar a potncia do laser de 4 para 10 dBm e

reduzir a de 12 para 8 dBm, permite alcanar uma portadora de RF em 2fmcompotncia de at -30 dBm. Simultaneamente, a SNR aumenta em mais de 10 dB e a

RFSSR passa de 18 para 32 dB.

0 2 4 6 8 10 12

-20

-30

-40

-50

-60

-70

2.6 GHz

5.2 GHz

7.8 GHz10.4 GHz

10,4 GHz

7,8 GHz

5,2 GHz

2,6 GHz


55/81

34

Captulo 4

4. Aplicaes do transmissor de RF

reconfigurvel

A aplicao mais intuitiva para o transmissor descrito relacionada

instrumentao. Sabe-se que o custo de equipamentos para testes e medies

aumenta proporcionalmente capacidade de operarem em altas frequncias do

espectro radioeltrico. Considerando a tecnologia fotnica apresentada, pode-se

estender em duas vezes a regio de operao de geradores de RF, por exemplo. No

entanto, o presente trabalho foca em aplicaes inovadoras, as quais sero

apresentadas a seguir.

4.1 Redes ptico-wireless reconfigurveis emfrequncia

O conceito de uma OWN, convergente e reconfigurvel em frequncia,

descrito pela Figura 4.1 e traz a vantagem de unir tecnologias pticas e micro-ondas

em uma nica arquitetura. Dentre os principais benefcios do uso de fotnica,destacam-se a baixa atenuao, a alta capacidade de transmisso, a reduo de

tamanho, consumo e peso, bem como a imunidade eletromagntica. Por outro lado,

as tecnologias sem fio permitem mobilidade e flexibilidade.

A arquitetura proposta traz a funcionalidade de reconfigurao das

frequncias de RF, usufruindo das vantagens oferecidas pelo transmissor

desenvolvido, baseado na OFM por meio da tcnica de modulao externa. Neste


56/81

35

sentido, torna-se possvel reconfigurar a frequncia da portadora eltrica em funo

da demanda por trfego ou aspectos de propagao no ambiente sem fio.

Figura 4.1OWN convergente e reconfigurvel em frequncia. Ilustra-se aplicaes para LTE e

Wi-Fi offloading [72].

Todo o processamento fotnico e funes de controle so concentradas na

central de operaes (CO Central Office), e o anel ptico central interconecta

estaes remotas (RUs Remote Units). Estas, podem ainda utilizar a tecnologia

RoF para transportar as portadoras de RF at unidades de antena, tambm remotas

(RAUs Remote Antenna Units). A prova de conceito foi direcionada aos padresLTE em 2,6 GHz e Wi-Fi em 5,2 GHz, j que operam em bandas diferentes do

espectro e, portanto, exigem tecnologias para reconfigurabilidade. Da mesma forma,

a arquitetura poderia se aplicar a outros sistemas sem fio, incluindo, por exemplo,

desde ondas milimtricas para picoclulas at o padro GSM (Global System for

Mobile) em 900 e 1.800 MHz.

Como demonstrado na seo anterior, o controle da tenso de polarizao do

MZM permite alcanar k= 1 ou k= 2. Considerando um sinal de 2,6 GHz entregue

2,6 GHz

2,6GHz

5,2 GHz5,2

GHz

2,6 GHz

5,2 GHz

CO

5,2

GHz

2,6GHz

RU

RU RU

Anel ptico central RU

ou

e


57/81

36

ao transmissor, tais fatores multiplicativos correspondem gerao de portadoras em

2,6 e 5,2 GHz, respectivamente, sendo a seleo da frequncia determinada pelo

ajuste na . Vale ressaltar que o transmissor tem capacidade de prover estasportadoras individualmente ou simultaneamente, tambm em funo da . Estasegunda opo torna-se interessante para o uso do Wi-Fi como tecnologia

complementar ao escoamento de dados das redes celulares [1]. A arquitetura

proposta foi validada em uma OWN, localizada dentro do Instituto Nacional de

Telecomunicaes, na cidade de Santa Rita do Sapuca - MG. A Figura 4.2 mostra

detalhes da implementao, incluindo fotografias da central de operaes e do

ambiente sem fio.

a)Central de operaes (Transmissor fotnico de RF).

b) Unidade de antena remota c)Recepo [73]

Figura 4.2Detalhes de implementao do transmissor fotnico para a arquitetura RoFreconfigurvel em frequncia.

Medidor de potncia ptica

MZM

Laser

Fonte de tensoGerador de RF

Distribuidor ptico

Antena banda larga

Fotodetector

Amplificador

de RF

Antena UWB Analisador deespectro


58/81

37

O transmissor, presente na CO, foi configurado em funo dos resultados

obtidos no Captulo 3, de modo a prover a melhor relao de compromisso entre

potncia e RFSSR. Isto significa que o laser utilizado entrega ao MZM uma potnciaptica de 10 dBm, monitorada pelo wattmetro ptico, e que o gerador de RF foi

ajustado para prover o sinal eltrico de referncia em 2,6 GHz, com potncia igual a

8 dBm. A fonte de tenso, responsvel pela , controlada entre 1,3 (k= 1) e 3,1V (k= 2), valores potenciais para a seleo da portadora desejada.

Foi utilizado um enlace ptico real de aproximadamente 1,5 km de extenso,

para transportar o campo ptico modulado at uma RAU. A Figura 4.3 traz a imagem

do campus do Inatel, obtida pelo Google EarthTM, onde a linha destacada identifica a

rede ptica utilizada. Para o enlace em questo, foi medida entre os distribuidores

pticos (ODFsOptical Distribution Frame) uma perda total de 3,8 dB, atribuda

propagao do campo na SMF e pincipalmente, s conectorizaes e conexes.

Figura 4.3Identificao da rede ptica utilizada, correspondente a 1,5 km de SMF dentro do

campus do Inatel. Imagem obtida pelo Google EartthTM

.

Na unidade remota de transmisso, dois cordes pticos em srie conectam a

sada do ODF ao PD do tipo PIN, que prov um sinal eltrico aps a fotodeteco.

Nesta etapa, as potncias alcanadas para as portadoras de 2,6 e 5,2 GHz foram de

-25 e -39,6 dBm, respectivamente. Com o objetivo de viabilizar um alcance razovel

Instituto Nacional de Telecomunicaes


59/81

38

no ambiente sem fio, fez-se ento o uso de amplificao de RF, de modo que as

respectivas potncias foram aumentadas para 16 e -4 dBm. Uma caracterstica tpica

dos amplificadores utilizados a reduo dos ganhos em funo do aumento dafrequncia de operao. Por este motivo, a portadora de 2,6 GHz foi contemplada

com um ganho superior.

Finalmente, o sinal de RF amplificado irradiado para o ptio da faculdade

por uma antena banda larga comercial, que opera de 700 MHz a 6 GHz com um

ganho tpico de 5 dBi. Obteve-se, portanto, uma potncia de transmisso (PTX)

equivalente a 21 dBm para a portadora de 2,6 GHz (condio de k= 1), e uma PTX

igual a 1 dBm para a portadora de 5,2 GHz ( condio de k= 2). Clarificando as

condies prticas de operao, a Tabela 4.1 rene as potncias medidas em pontos

estratgicos da arquitetura, bem como as perdas por propagao no espao livre

estimadas pela equao de Friis.

Para captar os sinais aps a propagao no ambiente sem fio, foi utilizada

uma antena impressa de banda ultralarga (UWB Ultra Wide Band) e tamanho

reduzido, desenvolvida pela equipe do laboratrio WOCA [73]. Trata-se de uma

antena de microlinha de fita, conforme mostra a Figura 4.4a, baseada no truncamento

do plano de terra e em uma estrutura diferenciada para o casamento de impedncia,

que favorece o aumento da banda em relao s antenas impressas convencionais. O

prottipo foi fabricado em um substrato de Teflon com permissividade relativa igual

a 2,2, e proporcionou ganhos de 2,8 dBi em 2,6 GHz e 5,4 dBi em 5,2 GHz. Sua

largura de banda medida, definida como a regio na qual o coeficiente de reflexo

(S11) menor ou igual a -10 dB, est apresentada na Figura 4.4b. Observa-se

operabilidade entre as frequncias de 2 e 16,3 GHz, correspondente uma banda de

156 % centrada em 9,15 GHz, sendo esta caracterstica muito atraente para sistemas

com reconfigurabilidade em frequncia.


60/81

39

Tabela 4.1Potncias obtidas em pontos estratgicos da arquitetura.

Medies Para k= 1 (2,6 GHz) Para k= 2 (5,2 GHz)

Potncia fotodetectada na sadado transmissor, considerando

apenas um cordo ptico-16,5 dBm -30,7 dBm

Potncia ptica na entrada doODF

3,8 dBm -3,4 dBm

Atenuao total do enlace ptico 3,8 dB 3,8 dB

Potncia ptica na sada do ODF 0 dBm -7,2 dBm

Potncia ptica na entrada do PD -0,4 dBm -7.6 dBm

Potncia eltrica na sada do PD -25 dBm -39,6 dBm

Ganho proveniente daamplificao eltrica

41 dB 35.6 dB

Potncia na entrada da antenatransmissora

16 dBm -4 dBm

Ganho tpico da antenatransmissora

5 dBi 5 dBi

Potncia irradiada 21 dBm 1 dBm

Perda no espao livre 61,57 dB 67,59 dB

Perda nos cabos e conectores deRF

2 dB 2 dB

Ganho na recepo 2,8 dBi 5,4 dBi

Potncia recebida -40,2 dBm -63,7 dBm


61/81

40

a)Prottipo construdo. b)Resposta em frequncia medida.

Figura 4.4Antena de banda ultralarga utilizada na recepo [73].

A Figura 4.5 apresenta o espectro eltrico obtido nas condies de k= 1 e k=

2 aps a propagao dos sinais pelo sistema RoF, utilizando tecnologia fotnica. A

medida foi realizada em uma linha de visada direta de 11 m a partir do primeiro

andar do prdio 2 do Inatel, at o ptio identificado pela Figura 4.2c. Ajustando a

para a condio de k= 1, obteve-se a portadora de 2,6 GHz com potncia de

recepo (PRX) igual a -40,2 dBm. Na sequncia, levando o MZM condio de

MITP, de modo que = , obteve-se a portadora de 5,2 GHz com potncia de-63,7 dBm. Tais valores dePRXso compatveis com os nveis de potncia esperados

para, por exemplo, a recepo em dispositivos mveis nas redes 3G, 4G, 5G e Wi-Fi.

Em ambos os casos nota-se a ausncia de distores e a pureza espectral, validando o

uso do transmissor desenvolvido para futuras redes convergentes.

Foi ainda investigada a aplicabilidade do transmissor multibanda para

sistemas adaptativos e cognitivos de RoF (ACRoFAdaptative and Cognitive Radio

over Fiber) [12]. Tais sistemas so baseados na integrao entre rdio cognitivo e

arquiteturas de RoF, e requerem a explorao dinmica de novos recursos espectrais

por meio no s da reconfigurao entre as bandas de operao, mas tambm pela

reconfigurao de canais dentro de uma mesma banda.

1 5 9 13 17-40

-30

-20

-10

0

Frequncia [GHz]

S11

[dB]


62/81

41

Figura 4.5Sinais de RF obtidos aps propagao pela OWN, convergente e reconfigurvel.

A Figura 4.6 exibe portadoras com frequncias distintas dentro da banda do

Wi-Fi, geradas individualmente em 5,1, 5,2, 5,3 e 5,4 GHz, na condio de k= 2.

Para obt-las, basta que a frequncia do gerador de RF seja ajustada entre 2,55 e 2,7

GHz, de acordo com o canal de operao almejado, podendo esta escolha ser

definida por aspectos de propagao e por sensoriamento espectral. Os sinais gerados

em funo da duplicao em frequncia apresentaram alta qualidade, com ausncia

de distores e baixo rudo de fase. H uma reduo na amplitude das portadoras medida que suas respectivas frequncias aumentam, correspondente a uma variao

total de 1,2 dB entre a portadora de 5,1 GHz e a portadora de 5,4 GHz. Esta

caracterstica atribui-se variao no desempenho oferecido pelos dispositivos

utilizados e s diferentes perdas no espao livre, ambas dependentes da frequncia de

operao e no trazem impactos destrutivos para o sistema.

Esta aplicao reafirma a reconfigurabilidade em frequncia do transmissor

desenvolvido. Afinal, o ajuste na frequncia do sinal de RF incidente ao MZM


63/81

42

capaz de alterar o canal da portadora de frequncia duplicada, deslocando-a no

espectro, dentro ou fora de uma mesma banda de operao.

Figura 4.6Reconfigurao em frequncia do sinal de micro-ondas gerado dentro da banda do

Wi-Fi de 5 GHz.

4.2

Transmissor de RF multibanda aplicado stecnologias UMTS, LTE e Wi-Fi

Esta aplicao contempla a introduo do transmissor de RF com banda

reconfigurvel em uma rede celular viva da operadora TIM, usando uma estao

rdio base (BTS Base Station) UMTS (Universal Mobile Telecommunications

System) caracterizada como femtoclula, conforme prope a Figura 4.7. O principal

objetivo usufruir da reconfigurabilidade oferecida pelo transmissor fotnico para

combinar, em uma nica arquitetura de rede, os padres UMTS em 2,1 GHz, LTE

em 2,6 GHz e Wi-Fi em 5,2 GHz.

Similarmente rede descrita no subitem anterior, o esquema proposto remete

a duplicao em frequncia baseada na tcnica de modulao externa. A principal

diferena o uso de duas componentes de RF com frequncias distintas, combinadas

para compor o sinal modulador. A primeira delas corresponde a uma portadora de 2,6GHz oriunda de um gerador de RF, e a segunda refere-se a um sinal de 2,1 GHz


64/81

43

proveniente da BTS, chamada Blue Zone Tim, que est conectada em uma rede

viva da operadora TIM. Suas respectivas amplitudes foram mantidas em 14 dBm, j

que para este experimento foi utilizado o laser de 4 dBm especificado no Apndice 2.

Figura 4.7Arquitetura proposta para combinar trs padres de RF em uma nica rede sem fio.VSG: Vector Signal Generator.

A rede sem fio baseada em tecnologia fotnica ir operar com os padres 3Ge 4G concomitantemente quando k= 1, j que nesta condio, ambos os sinai

dissertação - 2015 - ramon maia borges.pdf

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