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FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Ultra-Wide-Band sobre fibra ótica
Nuno Franclim Sousa
PARA APRECIAÇÃO POR JÚRI
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Orientador: Henrique Manuel de Castro Faria Salgado (Professor)
Co-orientador: Luís Manuel de Sousa Pessoa (Doutor)
26 de Junho de 2012
c© Nuno Franclim Sousa, 2012
Resumo
Os trabalhos realizados e descritos neste documento têm como objetivo a realização de umaTese de Metrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenhariada Universidade do Porto no ano letivo de 2011/2012. O tema dos trabalhos é a transmissão desinais Ultra-Wide-Band prontos a serem radiados pela antena (portanto sinais de rádio-frequência)através de um link de fibra ótica, permitindo desta forma cobrir um grande espaço com uma tecno-logia que oferece nas suas especificações um alcance muito limitado (UWB tem alcance de umadezena de metros). A análise da qualidade de sinal recebido é feita com recurso ao Error VectorMagnitude (EVM) calculado na receção, este indicador dá-nos o erro que os vetores recebidos têmem relação ao vetor (ou ponto da constelação) ideal.
Com esta junção obtém-se uma simplicidade na arquitetura da rede, podendo ter-se uma es-tação central a produzir os sinais UWB e estes a serem espalhados por uma grande área, estandoas antenas emissoras separadas fisicamente. Estas antenas são constituídas essencialmente por umrecetor ótico seguido de um ou mais amplificadores elétricos (amplificadores RF) que alimentamdiretamente a antena com o sinal tal como é transportado pela fibra.
Para estudar esta possibilidade de aplicação é estudado nesta tese o comportamento de um laserVCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) quando submetido a um sinal na banda 2 (3.960Ghz) do espetro UWB. A escolha deste tipo de laser é feita não pelo seu comportamento mas pelofacto de ser o laser mais barato que atualmente se pode adquirir no mercado, com diferenças depreços muito significativas para os laser longitudinais.
Durante o documento encontra-se uma introdução aos sistemas rádio sobre fibra, uma descri-ção da implementação do sistema para simulação e os métodos utilizados seguido da simulação eresultados. Por forma a tentar comprovar as simulações é ainda realizado um pequeno teste expe-rimental pouco desenvolvido devido à escassez de equipamentos que consigam analisar este tipode sinais.
Não estando nos objetivos do trabalho proposto, será interessante num trabalho futuro a intro-dução de todos os constituintes do link de transmissão, tais como bi-direcionalidade, fibra ótica,link wireless e antenas.
Este trabalho tenta responder a algumas questões relativas ao UWB sobre fibra tais como:
• Provar que os laser VCSEL são capazes de transmitir sinais UWB (na 2a banda a 3.960Ghz);
• Caracterizar o comportamento deste para várias potências do sinal UWB e para várias cor-rentes de polarização através do EVM do sinal recebido;
• Encontrar o melhor ponto de polarização do laser que obtenha os melhores resultados.
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Abstract
The work carried out and described in this document are intended to hold a Metrado Thesis inElectrical and Computer Engineering at the Faculty of Engineering of Porto University in acade-mic year 2011/2012. The theme of the works is the signal transmission Ultra-Wide-Band ready tobe radiated by the antenna (so-frequency radio signals) through a fiber optic link, thus enabling itto cover a large space with a technology that delivers on its specifications rather limited (UWB hasa range of ten meters). The analysis of the quality of the received signal is done using the ErrorVector Magnitude (EVM) calculated in reception, this indicator gives us the error that the vectorshave received in relation to vector (or point of the constellation) ideal.
With this combination is obtained in a simple network architecture, which may have beena central station to produce UWB signals and these to be spread over a large area, the antennasbeing physically separate stations. These antennas are constituted essentially by an optical receptorfollowed by one or more electric amplifiers (RF amplifiers) which directly feed the antenna withthe signal as it is transported by the fiber.
To study this possibility of application is studied in this thesis the behavior of a VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) when subjected to a second signal in the band (3960GHz) of UWB spectrum. The choice of this type of laser is made not by their behavior but be-cause it is cheaper than the laser current can be bought in the market, with very significant pricedifferences for the longitudinal laser.
During the document is an introduction to radio over fiber systems, a description of the imple-mentation of the system for simulation and the methods used and the simulation results followed.In order to try to prove the simulations is still a small experimental test performed poorly develo-ped due to lack of equipment they can analyze these signals.
Not being in the objectives of the proposed work will be interesting in future work the intro-duction of all constituents of the transmission link, such as bi-directionality, fiber optics, wirelessand satellite links.
This paper attempts to answer some questions regarding the UWB over fiber such as:
• Prove that the VCSEL laser is capable of transmitting UWB signals (in the 2nd band at 3960GHz);
• To characterize the behavior of various powers of the UWB signal and for various biascurrents through the EVM received signal;
• Find the best bias point of the laser to obtain the best results.
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Conteúdo
1 Introdução 11.1 Motivação e Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Estrutura da Tese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Rádio sobre Fibra 52.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Tecnologia Rádio sobre Fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Simulação 113.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.4 Métodos utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4.1 Implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4.2 Dificuldades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.6 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Resultados experimentais 294.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 Método e equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.4 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5 Conclusão 335.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Referências 35
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vi CONTEÚDO
Lista de Figuras
2.1 Diagrama da distribuição das bandas pelos grupos [1] . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1 Parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Esquema da implementação do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Diagrama de blocos do esquema de simulação em ADS . . . . . . . . . . . . . . 153.4 Diagrama de blocos do esquema de simulação em matlab . . . . . . . . . . . . . 163.5 Diagrama de blocos do esquema de medição do EVM do sinal em ADS . . . . . 163.6 Emissor UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.7 Denisdade espetral de potência do sinal UWB à saída do emissor (RBW = 1MHz) 183.8 Circuito de polarização e parasíticos do VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.9 Bloco DEE do Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.10 Resposta em magnitude do filtro aplicado a saída do fotodíodo . . . . . . . . . . 213.11 Resposta em magnitude do filtro aplicado ao sinal em banda base . . . . . . . . . 223.12 Esquema do recetor do sinal UWB e análise do EVM (RCE) . . . . . . . . . . . 233.13 Resposta normalizada do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de 8.8
mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.14 Espetro para potência do sinal de -44.07 dBm, Ibias = 8.8mA . . . . . . . . . . . 253.15 Espetro para potência do sinal de 11.93 dBm, Ibias = 8.8mA . . . . . . . . . . . . 263.16 Espetro do sinal depois do laser com potência de emissão de -44.07 dBm e corrente
de polarização de 3 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.17 Espetro à saída do laser para uma potência de -44.07 dBm com RIN . . . . . . . 273.18 Intreferência do RIN no EVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.19 EVM para todas as combinações de potências e correntes de polarização . . . . . 28
4.1 Resultados de EVM nos testes experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
vii
viii LISTA DE FIGURAS
Lista de Tabelas
2.1 Parâmetros PSDU dependendo da taxa de transferência [1] . . . . . . . . . . . . 82.2 Parâmetros temporais do UWB [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Parâmetros do VCSEL HFE-4192-582 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
ix
x LISTA DE TABELAS
Abreviaturas e Símbolos
a Ganho diferencialAPI Application Programming Interfaceβ Fator de emissão espontâneac Velocidade da luz no vazioDEE Differential equation editorDEEC Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadoresε Fator de compressão de ganhoη i Rendimento de injeção de portadoresEVM Error Vector Magnitude or Relative Constellation ErrorFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoΓ Fator de confinamento óticoI Corrente de injeção de portadoresIbias Corrente contínua de alimentação do LaserLED Light emitting diodeN Densidade de eletrões na banda de conduçãoN0 Densidade de eletrões na banda de condução com corrente IbiasN0m Densidade de eletrões para o dispositivo ser transparente (ganho compensa as
perdas)P Densidade de fotões na cavidadeP0 Densidade de fotões na cavidade com corrente Ibiasq Carga do eletrãoRIN Ruído de Intensidade do Laserτp Tempo de vida dos fotõesτs Tempo de vida dos eletrõesTFC Time frequency codeUWB Ultra-Wide-BandV Volume da região ativaVCSEL Vertical-cavity surface-emitting laservg Velocidade de grupo
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Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação e Objetivos
Os trabalhos realizados e descritos neste documento têm como objetivo a realização de uma
Tese de Mestrado em Engenhararia Electrotecnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia
de Universidade do Porto no ano letivo de 2011/2012. O tema da tese é o estudo de transmissão de
sinais UWB (sinais de Rádio-Frequência) sobre Fibra Ótica. O trabalho proposto incide sobre o
estudo e simulação do comportamento de um laser VCSEL quando estimulado com sinais RF, mais
especificamente sinais Ultra-Wide-Band. Também foi proposto um pequeno teste experimental,
condicionado pela disponibilidade de equipamento no laboratório onde decorreram os trabalhos
(Laboratório de ótica do INESC-Porto). O setup de simulação foi uma simples ligação ponto a
ponto com um emissor de UWB, um laser VCSEL e um recetor que analisa o EVM (RCE) do
sinal, sendo este o valor qualitativo do sinal recebido.
Com o crescimento das redes wireless com cada vez maiores taxas de transferência de dados a
que se assiste atualmente, aparece a necessidade de migrar para outras tecnologias com melhores
características que as utilizadas hoje em dia, mas uma das limitações é a utilização eficiente do
espetro de frequências. Umas das tecnologias mais promissoras que permite grandes taxas de
transferência, baixo consumo de potência e uma elevada largura de banda é o Ultra-Wide-Band
(UWB) [2].
A principal área de aplicação destas tecnologias é em redes pessoais Personal Area Networks),
no entanto, alguns investigadores têm também proposto o seu uso na rede de acesso [3].
Esta tecnologia possui várias vantagens em relação a outra de banda estreita, como utiliza
OFDM possui robustez contra interferências de multi-percurso, maior capacidade e maior desem-
penho. O standard proporciona ainda baixo custo, baixo consumo de potência, pouca complexi-
dade, alta segurança e grande taxa de transferência de dados para aplicações de curto alcance.
As frequências de operações utilizadas no UWB vão desde 3.1 a 10.6 GHz que permitem
taxas de transferência até 1024 Mbps, com potências de emissão baixas e um EIRP máximo de
-41.3 dBm/MHz, que lhe confere baixa interferência com outros sinais que utilizem as mesmas
frequências [4].
1
2 Introdução
Como o alcance destas redes é muito limitado (na ordem dos 10 metros) e em alguns cená-
rios de aplicação isso poderá implicar um grande número de estações emissoras, pontos de acesso
ou antenas, a tecnologia de rádio-fibra vem permitir aumentar o alcance das redes UWB. Efeti-
vamente, o transporte de sinais RF sobre os tradicionais cabos coaxiais é limitado pela elevada
atenuação, por exemplo um cabo da DataLink - DLC 213 - Premium - 5 GHz tem uma atenuação
de 375 dB/Km. Em comparação na fibra ótica obtém-se atenuações normais na ordem dos 0.2 -
0.5 dB/Km, que é incomparavelmente inferior.
Ao utilizar fibra para transportar os sinais RF prontos a serem radiados pelas antenas, a única
desvantagem desta configuração é a necessidade das antenas emissores terem incorporado um
recetor ótico e um ou mais amplificadores elétricos, e com isso a necessidade de possuírem ali-
mentação elétrica separada, o que em muitos casos de aplicação não será realmente um problema.
Esta necessidade deve-se a pequena potência transportada pela fibra que é transformada de ótica
para elétrica pelo fotodíodo e este necessita de alimentação também. Este dispositivo transforma
então o sinal ótico em corrente elétrica mas de muito baixa potência, o que implica a utilização
de um amplificador. O sinal para ser radiado pela antena tem de ter uma potência bem maior do
que a fornecida pelo primeiro amplificador, que para não introduzir muita distorção no sinal tem
de ter uma amplificação não muito elevada, por essa razão será necessáio a utilização de um novo
amplificador RF para fornecer a antena a potência necessária para a radiação de sinal (até ao EIRP
máximo de -41.3 dBm/MHz).
A arquitetura de rede ficará assim com uma estação central que pode criar vários sinais UWB
de rádio frequência que serão diretamente aplicados às antenas (com exceção da necessidade de
amplificação do sinal), e a ligação entre as antenas e a estação central a ser suportada por fibra
ótica. Desta forma, as estações remotas são muito simples e baratas, permitindo cobrir uma área
bastante superior.
Com esta nova possibilidade de uso da fibra ótica impõe-se estudos sobre o comportamento
dos vários intervenientes óticos presentes na configuração, e é com esse objetivo que se desenvolve
esta tese de mestrado que tenta responder a algumas destas questões sendo um contributo para o
desenvolvimento desta tecnologia.
Sendo o baixo custo uma das características do UWB, não faria sentido a utilização de dis-
positivos dispendiosos na parte ótica. Essa é a razão para a escolha do VCSEL para laser ótico
utilizado nas simulações. Este laser tem um custo de produção muito inferior aos restantes laser
longitudinais, uma vez que pode ser produzido e testado em grandes quantidades por ter emissão
vertical pode ser produzido em wafers com as tecnologias de sobreposição de camadas. Na mai-
oria dos casos de utilização a fibra ótica terá um comprimento relativamente pequeno e por essa
razão não terá uma interferência dominante na transmissão dos sinais pelo que será tomada como
ideal no decorrer deste trabalho.
As 3 questões fundamentais a que este documento se propõe a responder são:
• Provar que os laser VCSEL são capazes de transmitir sinais UWB (na 2a banda a 3.960
GHz);
1.2 Estrutura da Tese 3
• Caracterizar o comportamento deste para várias potências do sinal UWB e para várias cor-
rentes de polarização através do EVM do sinal recebido;
• Encontrar o melhor ponto de polarização do laser para o qual se obtem os melhores resulta-
dos.
1.2 Estrutura da Tese
Este documento está dividido em 5 capítulos. Depois da introdução no capítulo 1 temos uma
pequena explicação dos sistemas rádio sobre fibra em jeito de introdução ao tema principal. Ainda
no segundo capítulo descreve-se com algum detalhe a tecnologia UWB completando o estado de
arte.
Mais à frente no capítulo 3 descreve-se todo o trabalho de simulação efetuado. No início do
capítulo existe uma introdução ao VCSEL, uma vez que é sobre este dispositivo que o trabalho
é desenvolvido, no seguimento descreve-se todo o trabalho de simulação, desde os métodos e
software utilizado até aos resultados finais bem como as conclusões daí resultantes.
No capítulo 4 é relatado o pequeno trabalho experimental realizado e comparação de resulta-
dos com as simulações.
Por último como não poderia deixar de ser são apresentadas as conclusões gerais de todo o
trabalho desenvolvido e algumas indicações sobre trabalho que não foi abordado nesta tese mas
que será pertinente de desenvolver mais tarde.
1.3 Contribuições
Este trabalho contribui para a evolução dos sistemas RoF, fornecendo uma base de simulação
através de dois softwares muito poderosos e bem conhecidos na área da eletrónica e telecomunica-
ções como são o ADS (Advanced Design System 2009) e o Matlab. Se por um lado o ADS permite
criar todo o tipo de sistemas de emissão com muitas livrarias de componentes e de tecnologias
disponíveis, no Matlab pode-se realizar cálculos muito complexos, como é o caso do sistema de
equações diferencias que modelam o comportamento do laser ou um filtro.
Como resultado deste trabalho foi submetido um artigo à conferência DCIS 2012 em parceria
com R. S. Maciel, H. M. Salgado, J.M.B. Oliveira e J. A. M. da Silva. Este paper descreve o com-
portamento de um amplificador RF para UWB com a fonte de alimentação do VCSEL incorporada
no mesmo chip, tendo sido efetuadas simulações com um setup muito similar ao utilizado neste
trabalho, incluindo o VCSEL para frequências entre 3.168 e 3.696 GHz [5].
4 Introdução
Capítulo 2
Rádio sobre Fibra
Neste capítulo descreve-se um pouco a tecnologia Rádio sobre Fibra em geral e em particular
UWB sobre fibra. Também é apresentado o estado de arte destas tecnologias.
2.1 Introdução
Tal como já foi referido na secção de motivação, a necessidade de comunicações com altos
débitos já é uma realidade nos dias de hoje, o próximo passo será certamente tornar as comunica-
ções sem fios adaptadas a essa velocidade e disponibilidade. O maior problema atualmente nesse
campo é o sobrecarregamento do espetro de frequências disponível, assim surgem tecnologias
como o UWB com baixa interferência sobre as outras comunicações wireless e com muito pouco
alcance, que em muitos casos é um problema, mas neste caso é um beneficio, uma vez que reduz
ainda mais a interferência.
Devido a esta característica e como dito anteriormente surge a necessidade de colocação de
muitas antenas emissoras, e muitas vezes em locais sem condições propicias para instalação de
estações emissoras muito elaboradas. Com o rádio-sobre-fibra temos então a possibilidade de co-
locar a estação emissora num bom local, podendo mesmo ter várias interfaces para várias antenas,
sendo o sinal UWB (RF pronto a ser radiado pela antena) criado nesse local e transportado por
fibra ótica para as antenas que podem estar colocadas e muitos metros, ou até quilómetros, de dis-
tância. Nas antenas não há qualquer processamento de sinal pelo que podem ser simples, baratas
e robustas.
2.2 Tecnologia Rádio sobre Fibra
A denominação RoF significa o transporte de sinais de rádio através de fibra ótica, sem ne-
nhuma modulação adicional do feixe de luz, de forma a que a recuperação do sinal possa ser feita
com recurso a um simples fotodíodo e um amplificador elétrico. Como já foi descrito na secção de
motivação, um dos grandes problemas do transporte de sinais RF por cabos é os grandes valores
de atenuação que os sinais sofrem ao viajarem por exemplo num cabo coaxial.
5
6 Rádio sobre Fibra
Assim surge o RoF que permite o transporte de sinais RF por distâncias muito superiores ás
conseguidas em cabos de cobre, com a única desvantagem da potência que não é transportada pelo
cabo de fibra ótica tal como acontecia nos cabos coaxiais, pelo que tem de ser necessáriamente
aumentada na recepção através de amplificadores RF, por isso existe a necessidade de ter uma
infraestrutura de alimentação elétrica na receção. Esta não será uma desvantagem significativa
quando se implementa estes sistemas em ambiente domestico, mas pode ser problemático em
ambiente empresarial.
Um sistema RoF completo engloba todo o hardware necessário para introdução do sinal RF
na fibra e posterior recuperação do mesmo sinal no local de receção.
A transmissão de sinais de alta frequência através de fibra ótica já é utilizada em sistemas em
comercialização como é o caso das FTTH que oferecem conteúdos multimédia e canais de tele-
visão que chegam a casa do cliente já em formato RF tal como seriam enviados pela transmissão
de TV analógica terrestre. Este é um caso claro de RoF e permite uma grande simplicidade na
estação recetora (ONT) sem qualquer tipo de processamento de sinal e sem interferência com os
outros serviços suportados pela mesma fibra.
É espectável que esta tecnologia seja bastante utilizada num futuro próximo com a migração
de muitos sistemas de comunicação para fibra, havendo já estudos para a possível implementação
de redes particulares (residenciais e empresariais) para fibra, seja esta de vidro ou plástico. Com
estas infraestruturas será possível oferecer muitos novos serviços, incluindo mesmo a utilização
de UWB para serviços de multimédia sem fios e sem necessidade de equipamentos dispendiosos
nas instalações do cliente final.
2.3 UWB
UWB é a abreviatura de Ultra-Wide-Band, esta tecnologia tem como caracteristicas principais
as grandes taxas de transferência de dados (até 1024 Mbps), baixo consumo de potência, robustez
contra intreferência de multi-percurso, baixo custo, baixa complexidade e ainda elevada segurança.
O alcance das ligações wireless desta tecnologia é pequeno, sendo isto nalguns casos uma van-
tagem, como por exemlo servindo de meio de transmissão (sobre fibra) de conteúdos multimédia
em aeronaves e até para localização de objetos em ambiente fechado. O standard inclui a possibi-
lidade de medição de distâncias na transmissão que podem ir até uma resolução de 7 cm quando
o clock do relógio for de 4 224 Mhz sendo o mínimo de resolução de 60 cm, é ainda possível a
medição da velocidade relativa entre duas estações que comuniquem entre si [1], na prática esta
característica não se utiliza (pelo menos por agora) mas fica a ideia do poder desta tecnologia de
comunicação.
As frequências utilizadas pelo UWB vão desde 3.1 Ghz até 10.6 Ghz, estas são divididas em
14 bandas, tal como descrito no standard [1], com 528 Mhz de largura de banda. As 14 bandas são
agrupadas em 6 grupos como mostra a figura 2.1, também podem ser calculadas as frequências
centrais através da fórmula 3.1.
2.3 UWB 7
f c(nb) = 2904+528∗nb (MHz) nb = 1,2,3, ...,14 (2.1)
Figura 2.1: Diagrama da distribuição das bandas pelos grupos [1]
O esquema de transmissão especificado é o MultiBand Orthogonal Frequency Division Modu-
lation (MB-OFDM). São usados um total de 122 subportadoras por cada banda, 100 de informa-
ção, 10 de guarda e 12 piloto que auxiliam a deteção coerente. Para melhorar a performance da
rede são usadas ainda espalhamento nos tempos, espalhamento nas frequências e Forward Error
Correction (FEC). Como dito anteriormente estas ligações possuem um baixa potência de emissão,
estando também no standard especificada a densidade espetral de potência na emissão máximo de
-41.3 dBm/Mhz.
Para cada um dos 6 grupos existem 10 TFC (Time Frequency codes), excepto o grupo 5 que só
tem 3 TFC porque so engloba 2 bandas. A informação do TFC utilizado na transmissão é enviada
no preâmbolo da frame e diz-nos qual o conjunto de frequências utilizadas e a sua sequência. Nas
simulações realizadas neste trabalho utiliza-se o TFC6 da banda 1, isto diz-nos que a frequência
utilizada é sempre a banda 2, se por exemplo se utiliza-se o TFC1 a sequência de bandas seria
1,2,3,1,2,3, o recetor tem um tempo máximo de 9.47 ns entre a receção do ultimo símbolo valido
até estar pronto a receber um novo símbolo numa frequência diferente [1].
Nas tabelas 2.1 e 2.2 são apresentados os parâmetros de PSDU dependendo da taxa de trans-
missão utilizada e os parâmetros temporais do sinal UWB conforme o standard.
Para se obter um valor para a qualidade de sinal recebido utiliza-se o Error Vector Magnitude
(EVM) também chamado Receive Constellation Error (RCE). O EVM é uma figura de mérito que
caracteriza a qualidade de sinais com modulação digital. Este compara a voltagem complexa do
símbolo recebido com a voltagem do símbolo ideal. O analisador de sinal faz a desmodolação
do sinal tal como um recetor, e constrói a constelação do mesmo, que no caso simulado neste
documento é QPSK. Este valor é normalmente expresso em dB, quanto mais negativo melhor.
considerando-se para este tipo de sinais um valor máximo para uma receção aceitável de -10 dB,
acima disso considera-se que o sinal é de fraca qualidade. Segundo [6] o EVM é proporcional ao
SNR e pode ser calculado pela equação 2.2.
EV M =
(1
SNR
)1/2
(2.2)
8 Rádio sobre Fibra
Datarate(Mbps)
Modulação CodingRate
FDS TDS Bits codificados / 6símbolos OFDM
Bits de informação/ 6 símbolos OFDM
53.3 QPSK 1/3 Sim Sim 300 10080 QPSK 1/2 Sim Sim 300 150106.7 QPSK 1/3 Não Sim 600 200160 QPSK 1/2 Não Sim 300 300200 QPSK 5/8 Não Sim 600 375320 DCM 1/2 Não Não 1200 600400 DCM 5/8 Não Não 1200 750480 DCM 3/4 Não Não 1200 900640 MDCM 1/2 Não Não 2400 1200800 MDCM 1/2 Não Não 2400 1500960 MDCM 3/4 Não Não 2400 18001024 MDCM 4/5 Não Não 2400 1920
Tabela 2.1: Parâmetros PSDU dependendo da taxa de transferência [1]
2.4 Sumário
Em resumo as tecnologias rádio sobre fibra já são utilizadas em muitas aplicações hoje em
dia, mas com a crescente migração das redes tradicionais de cobre para a fibra abrem-se novas
possibilidade do seu uso, como o UWB sobre fibra que tem as vantagens de grande largura de
banda e pouca interferência sobre os outros sinais wireless existentes.
Acredito que este seja a evolução natural para muitas das comunicações existentes nos mais
diversos ambientes empresariais e residenciais.
2.4 Sumário 9
Parêmetro Descrição Valorfs Frequência de Amostragem 528 MHz
NFFT Número de subportadoras (Tamanho da FFT) 128ND Número de subportadoras de dados 100NP Número de subportadoras piloto 12NG Número de subportadoras de guarda 10NT Número Total de subportadoras 122D f Espaçamento entre subportadoras 4.125 MHz (= fs/NFFT )
TFFT Periodo do FFT e do IFFT 242.42 ns (∆−1f )
NZPS Número de amostras no sufixo zero-padded 37TZPS Duração do sufixo zero-padded 70.08 ns (= NZPS/ fs)
TSY M Intervalo entre símbolos 312.5 ns (= TFFT +TZPS)
FSY M Taxa de símbolos 3.2 MHz (= T−1SY M)
NSY M Número total de amostras por símbolo 165 (= NFFT +NZPS)
Tabela 2.2: Parâmetros temporais do UWB [1]
10 Rádio sobre Fibra
Capítulo 3
Simulação
3.1 Introdução
Nos dias que correm todos os sistemas ao serem projetados passam por diversas simulações
que ajudam em muito a posterior implementação e diminuem bastante o tempo de conceção, em
grande parte devido à capacidade que dispomos atualmente em termos de software informático,
poder de processamento do hardware e até facilidades de interface entre simulações e teste físicos.
Neste capítulo descreve-se todos os passos e técnicas utilizadas para a execução das simulações
que caracterizam o sistema UWB sobre fibra ótica.
O componentes analisado neste trabalho é o laser VCSEL, sendo este o principal elemento
limitador do desempenho do link ótico. Como tal analisa-se este dispositivo antes de passar às
simulações.
Os softwares utilizado nas simulações é outro ponto fundamental, e temos uma sucinta descri-
ção destes na secção seguinte.
Em seguida podem ser vistos os métodos utilizados nas simulações bem como os pormenores
da implementação. Também são descritas algumas das dificuldades mais importantes na simulação
deste tipo de sistemas.
Por último apresentam-se os resultados obtidos nas várias simulações, seguido da discussão
de resultados e conclusões do capítulo.
3.2 VCSEL
A siglas VCSEL correspondem a Vertical-cavity surface-emitting laser, isto é um díodo emis-
sor de luz, mais especificamente um emissor de luz laser, que normalmente têm comprimentos de
onda de emissão que caem fora da luz visível.
Os LED´s são semicondutores com uma junção P-N que ao serem polarizados emitem luz,
esta emissão é conseguida pela recombinação de eletrões e lacunas na região ativa. Estas re-
combinações podem ser radiativas (luz) ou não radiativas (calor). A frequência de emissão (ou
11
12 Simulação
comprimento de onda) é proporcional à diferença de energia entre a banda de valência e a banda
de condução, calculada através da formula 3.1.
A principal diferença entre um díodo LED e um laser prende-se no facto do primeiro emitir luz
devido a transições espontâneas de eletrões entre as bandas de energia e no segundo existe uma
emissão estimulada que funciona como um filtro na frequência de emissão e ao mesmo tempo
fornece ganho ao sistema de emissão,
E = Ec−Ev = h∗ v (3.1)
onde E é a energia do fotão emitido, Ec é a energia da banda de condução, Ev é a energia da
banda de valência, h corresponde à contante de Planck e v é a frequência do fotão.
Assim o controlo da frequência (ou comprimento de onda) de emissão é obtido pela alteração
do material constituinte do semicondutor, que por sua vez possui uma banda proibida especifica,
com consequentes diferentes comprimentos de onda emitidos. Como as recombinações não são
controladas, os LED´s têm um espetro de frequências de emissão largo quando comparado com o
lasers, devido à existência de várias bandas de energia contiguas ás banda de valência e condução.
Isto provoca a emissão de fotões com comprimentos de onda ligeiramente diferentes. A eficiência
também não será tão boa como nos lasers por causa das emissões não-radiativas e da emissão em
direções arbitrárias.
Por sua vez os lasers usam uma cavidade onde através reflexões nos extremos da cavidade do
laser (até 99% de refletividade no caso do VCSEL) conseguem ter sempre grandes quantidade de
fotões a atravessar a cavidade dando origem a realimentação ótica. Este fotões interagem com
os eletrões na banda de condução, fazendo com que estes transitem para a banda de valência e
emitam um fotão exatamente com as mesmas características do anterior (comprimento de onda,
direção e fase) e isso fornece ganho ao laser. Os VCSEL são de emissão vertical e possuem
uma cavidade muito mais pequena que os lasers de cavidade longitudinal, por isso a refletividade
tem de ser muito maior, na ordem dos 99% conseguidos por uma estrutura de vários materiais
sobrepostos com índices de refracção diferentes.. Uma das vantagens dos VCSEL em relação aos
laser longitudinais é a utilização de menos energia no seu funcionamento, mas a principalmente
vantagem que os coloca como primeira escolha é o seu custo de produção muitíssimo inferior aos
outros lasers.
O VCSEL utilizado nos testes experimentais e nas simulações foi o HFE-4192-582 da Finisar
com comprimento de onda de emissão de 850 nm. Os parâmetros deste laser estão expressos na
tabela 3.1.
O comportamento intrínseco e dinâmico do VCSEL é descrito por um sistema de 2 equações
diferenciais apresentadas de seguida. Destas equações obtém-se a densidade de portadores e a
densidade de fotões na cavidade, com as equações 3.2 e 3.3 respetivamente, este último permite
calcular a potência ótica emitida pelo laser através da fórmula 3.4.
dNdt
= η i∗ Iq∗V
−g0∗ (N −N0m)∗ (1− ε ∗P)∗P− Nτs
(3.2)
3.2 VCSEL 13
Parâmetro Valor Unidade Parâmetro Valor UnidadeV 2.4∗10−18 m3 Rs 39.61 Ω
g0 4.2∗10−12 m3s−1 Cs 0.7 pFε 2.0∗10−23 m3 Cp1 1.3 pF
N0m 1.9∗1024 m−3 Lp1 5.0 nHβ 1.7∗10−4 - Rp1 0.2 Ω
Γ 4.5∗10−2 - Cp2 0.6 pFτp 1.8 ps Lp2 1.6 nHτs 2.6 ns Rp2 4.5 Ω
Tabela 3.1: Parâmetros do VCSEL HFE-4192-582
dPdt
= Γ∗g0 ∗ (N −N0m)∗ (1− ε ∗P)∗P− 1τp
∗P+β ∗Γ∗ Nτs
(3.3)
Onde N é a densidade de portadores de carga, η i é o rendimento de injeção de portadores, I
é a corrente de injeção de portadores, q é a carga do eletrão, V é o volume da região ativa, g0 é
declive do ganho material, N0m é a densidade de portadores que permite ao dispositivo igualar o
ganho e as perdas (ficando transparente), ε é o fator de compressão de ganho, P é a densidade de
fotões na cavidade, τs é o tempo de vida dos portadores, τ p é o tempo de vida dos fotões, Γ é o
fator de confinamento ótico e β é o fator de emissão espontânea.
Pout =P∗ηd ∗h∗ f2∗Γ∗ τp ∗ηi
(3.4)
Onde ηd é a differential quantum efficiency com um valor comum de 0.3, h é a constante de
Planck = 6.626068∗10−34 e f é a frequência dos fotões = 3.4286∗1014.
Um dos parâmetros relevantes do laser é a corrente de limiar (threshold) Ith, este valor diz-nos
a corrente a partir da qual ocorre a emissão estimulada (laser), deixando de se comportar como
um díodo LED e começando a ter um elevado ganho e uma rápida resposta a variações no sinal de
entrada. O ponto de funcionamento do laser deve ser tal que o permita operar sempre acima deste
limiar. Para encontrar este valor calcula-se a densidade de portadores de carga de threshold−Nth,
isto é N tal que o ganho seja igual as perdas
Nth = N0m+1
(Γ∗g0∗ τp)(3.5)
A corrente de threshold pode então ser calculada como
Ith =q∗V ∗Nth
(ηi ∗ τs)(3.6)
No caso do laser utilizado estes valores são de Nth = 4.839447∗1024 e Ith = 8.945532∗10−4.
O índice de modulação tem muita relevância quando se fala de modulações, e pode ser cal-
culado pela equação 3.7. Considerando que o sinal é uma sinusoide, este indicador é igual a um
14 Simulação
quando a amplitude da sinusoide é igual à diferença entre o valor DC e a corrente de limiar, estando
a sinusoide centrada no valor DC igual a Ibias, tal como é ilustrado na figura 3.1.
m =A
Ibias − Ith(3.7)
Onde m é o índice de modulação, A amplitude do sinal e Ibias é a corrente continua de polarização
do laser.
Como o sinal UWB é um sinal aleatório não é correto a utilização integral desta definição,
definindo-se então a amplitude do sinal A como sendo três vezes o desvio padrão.
Figura 3.1: Parâmetrosdo laser
Todo o encapsolamento do laser cria um circuito de parasíticos, o qual é necessário considerar
que pode ser visto na figura 3.8.
3.3 Software
Para a simulação do sistema RoF utilizou-se 2 software independentes, Matlab 7.11.0 e Ad-
vanced Design System 2009 (ADS).
Inicialmente estava previsto a implementação de todo o sistema em ambiente ADS, uma vez
que este software já tem incluído nas suas livrarias vários componentes para sinais UWB tais
como emissores, recetores e medidores de EVM. Durante a construção do sistema para simulação
apareceram vários problemas na implementação das equações diferenciais que modelam o com-
portamento ótico do VCSEL, pelo que se optou por utilizar o Matlab para esse efeito, permitindo
desta forma uma grande flexibilidade para fazer outros cálculos e otimizações através do matlab.
3.4 Métodos utilizado 15
Quanto ao software ADS temos 2 possibilidades de simulação, analog/RF e DSP, a primeira
possibilita a simulação de circuitos analógicos ou de radiofrequência com análises DC, AC, pa-
râmetros S, transitórios, etc. já a segunda é onde se encontram as simulações em Data Flow de
sistemas de comunicações com mais de 500 blocos disponíveis. Estes podem ser interligados
através de co-simulação com os circuitos analog/RF e desta forma otimizar os circuitos RF, com
a certeza que estes estão a ser submetidos aos sinais de comunicação que obedecem a todos os
standards.
O Matlab sendo um dos softwares mais utilizados nas áreas cientificas e não só, já é bem
conhecido o seu poder de computação matemática elevadíssimo. A implementação do emissor
e recetor de UWB poderia ter sido também implementados em Matlab, mas devido à sua com-
plexidade e para garantir que o sinal produzido seguia todas as especificações do standard seria
necessário a ocupação de muito tempo de trabalho, e não é esse o objetivo da tese, pelo que se
optou por continuar a utilizar o ADS para criação e análise do sinal UWB.
3.4 Métodos utilizado
Figura 3.2: Esquema da implementação do sistema
A simulação do sistema inicia-se no ADS com a criação do sinal UWB em ambiente de simu-
lação DSP. O sinal UWB é do tipo MB-OFDM com frequency hopping, embora o TFC utilizado
(TFC6) repita sempre a frequência central número 2 centrada em 3.96 Ghz. O sinal produzido
por este bloco é do tipo timed, isto é um barramento de dados utilizado pelo ADS que transporta
5 tipos de dados, estes são a fase e quadratura do sinal, uma flag que indica se o sinal está em
banda base ou RF (o ADS define como banda base o sinal centrado na frequência da portadora,
ao contrario do que se admite neste documento) , a frequência central que pode ser utilizada para
converter ou desmodular o sinal e por fim o tempo presente a que se refere a amostra.
Figura 3.3: Diagrama de blocos do esquema de simulação em ADS
16 Simulação
Em seguida com recurso à co-simulação implementou-se o circuito de parasíticos do laser,
acompanhado do circuito de polarização tal como se pode ver na figura 3.3 Como o comporta-
mento da parte intrínseca do laser é implementada no matlab é necessário que os dados sejam
transferidos entre os programas. Para esse efeito utiliza-se o bloco TimedDataWrite, este cria um
ficheiro .tim com um vetor de tempos e outro com o valor da tensão do sinal que nos dá informação
da corrente que atravessa o laser.
A figura 3.4 mostra o diagrama de blocos da simulação em matlab.
Figura 3.4: Diagrama de blocos do esquema de simulação em matlab
Os dados depois de carregados para o matlab são aplicados às equações diferenciais do VCSEL
que nos dá a densidade de fotões na cavidade, proporcional à potência ótica emitida pelo mesmo. A
corrente gerada pelo fotodíodo. A este sinal é aplicado um filtro para retirar os espúrios resultantes
das linearidades do laser que caem fora da banda do sinal. Por último no matlab é adicionado ruído
AWGN equivalente ao ruído de RIN. A passagem do sinal de novo para o ADS não pode ser feita
através de um ficheiro .tim, com um sinal de tensão. Este tem de ser desmodulado para sinal em
fase e quadratura. Por este razão teve de ser implementado mais um filtro para aproveitar a parte
de banda base, que pode então ser lida pelo ADS.
Para obter uma medição da qualidade do sinal faz-se a receção e análise do mesmo no ADS
com um medidor de EVM com o bloco UWB_MBOFDM_EVM. Esta é a técnica utilizada para
analisar a qualidade de sinais OFDM tal como descrito no final na secção 2.3. A figura 3.5 mostra
o simples diagrama para a medição do EVM quando o sinal volta ao ADS.
Figura 3.5: Diagrama de blocos do esquema de medição do EVM do sinal em ADS
3.4.1 Implementação
Os três passos fundamentais da simulação são a criação do sinal UWB conforme o standard,
seguido da passagem deste pelo laser e a deteção e análise para obter um valor de qualidade do
3.4 Métodos utilizado 17
mesmo na receção. Por forma a simplificar a leitura do documento divide-se estes passos nas
subsecções seguintes.
3.4.1.1 Criação do sinal
A criação do sinal UWB é realizada com recurso ao bloco UWB_Source_FH_RF presente na
simulação DSP do ADS. A simulação de data flow foi realizada durante um período de 55 µs
com o máximo de oversample possível Ratio32, dando origem a um sinal com passo de tempo
de 5.91856 ∗ 10−11s, frequência de amostragem de 16.896 Ghz e 929281 amostras. Desta forma
temos um sinal sobreamostrado para obter o máximo de realismo possível nas simulações.
Figura 3.6: Emissor UWB
Na figura 3.6 pode-se ver o emissor UWB utilizado e as respetivas configurações. Este foi
definido para gerar um sinal UWB-frequency hopping, com taxa de transmissão de dados de 200
Mbps, a operar no grupo 1 e TFC6, isto é, a banda utilizada é sempre a 2 do espetro UWB já
apresentado na figura 2.1.
O sinal à saída do emissor tem um espetro com largura de banda de 528 MHz tal como se pode
ver na figura 3.7 com uma potência de emissão total de -14.07 dBm correspondentes ao máximo
de -41.3 dBm/MHz na densidade espetral de potência e largura de banda de 528 MHz.
−41.3dBm/MHz+10∗ log10(528) =−14.07dBm (3.8)
Este sinal é aplicado ao circuito de polarização e ao laser representado pelo seu circuito elétrico
equivalente (parasíticos), ainda no ADS mas em ambiente de simulação analógica/RF. O circuito
é apresentado na figura 3.8, onde na parte verde temos o circuito de polarização que neste caso
está calculado para uma fonte de 5V e aplicação de 1 mA ao laser, o cálculo da resistência em
série com a fonte é feito na equação 3.9. O condensador C2 e a bobine L2 utilizam-se para isolar
o sinal da polarização, tal como acontece no trabalho experimental através do bias-T.
18 Simulação
Figura 3.7: Denisdade espetral de potência do sinal UWB à saída do emissor (RBW = 1MHz)
R f onte = (5− Ibias∗Req)/Ibias ; Req = Rs+Rp1+Rp2 (3.9)
Na parte vermelha está o circuito equivalente de parasíticos do VCSEL na sua forma mais
completa para obter os resultados mais aproximados da realidade. Antes de adotar a forma com-
pleta fez-se a simulação com a forma simplificada mas os resultados foram bastante diferentes,
pelo que se adotou esta forma mais precisa. Os valores utilizados nos componentes parasíticos
foram retirados experimentalmente pelo método de subtração de frequências [7] e estão descritos
na tabela 3.1.
Por último na parte amarela está a resistência série do semicondutor. Ao retirar informação
da tensão aos seus terminais consegue-se, com uma simples divisão pelos valor de Rs, obter a
corrente que atravessa o laser a cada momento, sendo essa a informação necessária ao calculo das
equações diferenciais.
Figura 3.8: Circuito de polarização e parasíticos do VCSEL
A interface deste circuito com a simulação DSP do ADS é feita através do bloco EnvOutSe-
lector definido para não filtrar o sinal e deixar passar todas as frequências, o que aumenta o tempo
de simulação mas sem isso não era possível obter, simultaneamente, a corrente de polarização e
só passaria o sinal. Existem dois tipos de interface para a cosimulação entre DSP e RF, utilizou-se
3.4 Métodos utilizado 19
a que não carrega o circuito RF nenhuma carga, uma vez que se pretende obter o valor de tensão
na resistência série do semicondutor.
Para fazer a interface com o matlab utilizou-se a gravação dos dados num ficheiro através do
bloco TimedDataWrite configurado para salvar ficheiros com extensão .tim. Nesta configuração
são criados ficheiros com 2 colunas de dados, a primeira contem informação do tempo presente
de cada amostra (com o espaçamento de 5.91856∗10−11s ) e a segunda coluna contem o valor da
tensão aos terminais da resistência série do díodo.
3.4.1.2 Laser e Filtros
O ficheiro gravado anteriormente no ADS é então carregado no Matlab e é feito o calculo da
corrente que atravessa o díodo com uma simples divisão da tensão pelo valor de Rs.
Esse sinal, já em corrente, é aplicado ao sistema de equações diferenciais. Para melhorar a
resposta do laser é cálculado o valor inicial dos portadores e dos fotões na cavidade para o ponto
de funcionamento pretendido, que é ditado pela corrente de polarização. O calculo é efetuado no
simulink através de uma curta simulação com um sinal DC de valor igual à corrente de polarização
(Ibias), esperando o tempo suficiente para todos os efeitos transitórios cessarem. Assim o laser parte
já do ponto de funcionamento quando o sinal é aplicado, eliminando a subida de valores iniciais
desde zero até ao valor no ponto de funcionamento (que se situa na ordem dos 1024), seguido de
oscilações devidas à diferença entre o tempo de vida dos fotões e dos portadores de carga.
A implementação do sistema de equações diferenciais é feito no Simulink com recurso ao
bloco DEE, tal como se pode ver na figura 3.9.
O passo de tempo do Simulink teve de ser reduzido em 10 vezes do valor inicial, caso contrário
os integradores do DEE tinham pontos indefinidos. Para reduzir o Time Step é necessário fazer
um Resample do sinal antes de passar ao Simulink, este é feito através da função resample. PAra
correntes inferiores a zero o díodo laser não conduz, efeito que não está descrito nas equações de
taxa do laser. Para simular este efeito o sinal é truncado para valores negativos de corrente.
Depois de calcular as equações diferenciais descritas em 3.2 e 3.3 é necessário encontrar a
potência ótica emitida pelo laser, como não se consideram os efeitos da fibra neste trablho, o foto-
díodo recebe a mesma potência ótica emitida pelo laser. Também se admite que a responsividade
do fotodíodo é igual a 1 A/W, podendo-se então calcular a corrente gerada através da equação 3.4.
Considerou-se que o ruído introduzido pelo link ótico pode ser aproximado como sendo só
o ruído de intensidade do laser (RIN), e este aproximado por ruído AWGN com corrente média
quadrática calculada pela expressão 3.10 [8] [9].
< I2RIN >= 10
RIN10 ∗R2∗< P0 >
2 ∗B (3.10)
onde < I2RIN > é a corrente média quadrática do ruído, RIN é a potência espetral do ruído em
dB/MHz, R é a responsividade do fotodíodo em A/W que se considera ser igual a 1 A/W, P0 é a
potência continua do sinal ótico em Watt e B é a largura de banda do ruído em Hz (assume-se igual
a metade da frequência de amostragem, ou seja, toda a banda do sinal).
20 Simulação
Figura 3.9: Bloco DEE do Simulink
Adicionou-se então ao sinal de saída do DEE a raíz quadrada do < I2RIN > multiplicada por
um vetor de números aleatórios (entre 0 e 1), obtendo assim ruído AWGN com a potência preten-
dida. Em seguida é feita uma filtragem do sinal para retirar alguns espúrios criados pelo laser que
caem fora da banda do sinal original. Essa filtragem é feita com recurso a um filtro passa-banda
equiripple de ordem 10 com banda passante entre 3.5 e 4.5 GHz e frequências de corte de 1 e 7.9
GHz, cuja resposta em magnitude do filtro é apresentada na figura 3.10.
Com isto temos o sinal pronto a ser analisada no medidor de EVM do ADS, mas para realizar a
passagem de informação de novo para este software é necessário obter o sinal em banda base (fase
e quadratura), para isso é então multiplicado o sinal pelo cos(2∗π ∗ fc ∗ t) e sin(2∗π ∗ fc ∗ t) para
se obter o sinal em fase e quadratura respetivamente. Porque esta multiplicação cria um sinal à
frequência zero e outro ao dobro da frequência da portadora ( fc), é necessário uma nova filtragem,
esta realizada também com um filtro equiripple de ordem 10 mas neste caso passa-baixo com
frequência de corte de 3 GHz. A resposta em magnitude do filtro é apresentada na figura 3.11.
Por último procede-se à gravação dos dados para 2 ficheiros com a fase e quadratura do sinal
que serão depois lidos pelo ADS para a análise final do EVM.
3.4 Métodos utilizado 21
Figura 3.10: Resposta em magnitude do filtro aplicado a saída do fotodíodo
3.4.1.3 Análise do sinal
Os 2 ficheiros gravados pelo Matlab são então lidos pelo ADS através do bloco ReadFile.
O modelo de análise utilizado pode ser visto na figura 3.12. Para obter o sinal em modo Ti-
med necessário ao recetor é ainda necessário utilizar os blocos RectToCx e CxToTimed tal como
se mostra no esquema. Por fim para obter uma análise qualitativa do sinal utiliza-se o bloco
_UWB_MBOFDM_EVM, este faz a receção do sinal UWB e analisa-o, fornecendo como saída o
valor do EVM e outros dados, entre eles a constelação.
Na secção 3.5 temos a análise dos resultados obtidos nas diversas simulações efetuadas.
3.4.2 Dificuldades
A primeira dificuldade encontrada com a configuração pensada inicialmente foi a implemen-
tação das equações diferenciais no ADS através do verilog-A, a documentação fornecida pelo
software sobre esse assunto é pouca e pouco precisa e como a facilidade de controlar as variáveis
de simulação nesse software são poucas, optou-se por utilizar o matlab para implementar essas
equações, os filtros e outros cálculos necessários.
A dificuldade seguinte é a alta frequência do sinal, que obriga a uma amostragem muito ele-
vada. O emissor utilizado tem várias opções de oversampling, mas para uma simulação mais
realista na resposta do laser como temos um sinal em tensão ao longo do tempo, é necessário
um sinal UWB o mais perfeito possível para que os resultados sejam realista. Assim a esco-
lha no emissor foi a taxa máxima de oversampling correspondente a opção Ratio32 que os dá
uma frequência de amostragem de 16.896 GHz, bem acima do dobro da frequência da portadora
(2 ∗ 3.960GHz = 7.920Ghz). Esta sobreamostragem é boa para os resultados mas dá origem fi-
cheiros grandes e necessita de grande poder de computação com simulações bastante demoradas,
mesmo para um tempo de simulação bastante pequeno (55µs).
Outro problema que surgiu foi a integração numérica das equações de taxa, de que resultou
uma necessidade de aumentar a amostragem do sinal para 160 GHz. Esta necessidade surgiu dos
consecutivos erros gerados pelos integradores do dee com sinais indefinidos na sua entrada. Ainda
22 Simulação
Figura 3.11: Resposta em magnitude do filtro aplicado ao sinal em banda base
referente ao simulink surgiu um pequeno warning devido ao sinal vindo do ADS não ter um passo
de tempo constante, mas com diferenças na quarta ou quinta casa decimal pelo que não interferiu
no resultado final, mas que necessitou da devida atenção.
Na passagem do sinal de saída do laser para o ADS encontramos outra dificuldade na leitura
dos dados, uma vez que esta não pode ser feita com recurso a um ficheiro que contenha sim-
plesmente os dados do sinal em tensão e os tempos. É necessário o sinal em fase e quadratura
para que o software o leia apropriadamente e o analise. Assim foi preciso fazer uma espécie de
desmodulação, tal como foi explicada na subsecção 3.4.1.2.
3.5 Resultados
Efetuaram-se simulações para valores de potência do emissor entre -44.07 dBm e 11.93 dBm
com incrementos de 2 dB e correntes de polarização do VCSEL entre 1 mA e 8.8 mA com in-
crementos de 1 mA, exceto 8 mA que passa para 8.8 mA sendo este o máximo aconselhado para
o VCSEL utilizado. Com estas simulações pretende-se obter o comportamento do sistema para
vários valores de potência de entrada, simulando assim as diversas situações em que este pode ser
utilizado. Foram também realizadas simulações com e sem ruído de RIN no laser para análise do
efeito do ruído no desempenho do sistema.
Em todas as figuras apresentadas nesta secção admite-se a potência do emissor UWB nor-
malizada com o valor máximo permitido pelo standard, que para esta banda com TFC6 (uma só
frequência com largura de banda de 528 Mhz) é de -14.07 dBm.
Comecemos por analisar a resposta do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de
8.8 mA mostrado na figura 3.13, por forma a podermos avaliar a resposta do laser. Para melhor
compreensão normalizaram-se os dois gráficos (densidade de portadores e de fotões) para um valor
final igual a 1.
Vê-se aqui claramente as oscilações em torno do valor final, característica do comportamento
oscilatório de um sistema de segunda ordem.Este comportamento é explicado pela diferença nos
tempos de vida dos fotões e de portadores, sendo este último de uma ordem de magnitude superior.
3.5 Resultados 23
Figura 3.12: Esquema do recetor do sinal UWB e análise do EVM (RCE)
Como se pode observar quando N chega ao valor de limiar, os fotões crescem rapidamente até um
valor muito superior ao valor final (4.5 vezes), quando os portadores começam a ser consumidos
mais rapidamente do que conseguem crescer e por consequência os fotões começam a reduzir
também, segue-se uma recuperação dos portadores e novo aumento de fotões repetindo-se o ciclo
mais algumas vezes dependendo dos parâmetros do laser em questão.
Analisemos agora o comportamento do VCSEL quando submetido a um sinal UWB com uma
corrente de polarização de 8.8 mA, para isso compara-se o espetro do sinal à entrada do laser e à
saída do fotodíodo, para os extremos de potência analisados (-44.07 dBm e 11.93 dBm), através
das figuras 3.14 e 3.15.
Com esta potência baixa na entrada (menos 30 dB do valor máximo permitido) do VCSEL
obtemos um índice de modulação de 0.006, não sendo criada nenhuma dirtorção no sinal devido
às não linearidades do laser. Por outro lado neste caso o ruído é bastante elevado (devido a corrente
de polarização elevada) e o sinal à saída do laser esta exibe bastante ruído. Quando se aumenta
a potência para 11.93 dBm (mais 26 dB do valor máximo permitido) obtém-se um índice de
modulação de 3.5 e vemos claramente a distorção devido às não linearidades do laser a caírem ao
dobro da frequência central. Como a potência do sinal neste caso é bastante elevada o ruído não
se faz sentir pois situa-se em -200 dBm/MHz.
O RIN do laser limita o envio de sinais pelo link ótico a baixa potência, como se pode ver
na figura 3.16 onde temos a comparação entre o espetro à saída do laser para uma corrente de
polarização de 3 mA e uma potência do sinal UWB de -44.07 dBm.
Vê-se na figura 3.16b que mesmo com potência baixa do sinal já se observa o efeito da dis-
torção não-linear, quando se aplica ruído nota-se claramente este sobre toda a banda analisada,
24 Simulação
Figura 3.13: Resposta normalizada do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de 8.8 mA
mesmo que não pareça por estes gráficos muito significativo, quando se analisar o EVM do sinal
mais a frente nota-se claramente uma grande degradação do sinal recebido.
Já foi dito anteriormente que o RIN é proporcional à corrente de polarização. Para demonstrar
isso graficamente apresenta-se em seguida na figura 3.17 uma comparação entre os espetros à saída
do laser para a mesma potência de sinal UWB de -44.07 dBm mas com correntes de polarização
de 3 mA e 8.8 mA.
Quando a corrente é de 3 mA, mesmo com potência muito baixa, obtém-se um SNR de apro-
ximadamente 10 dB, já com 8.8 mA o sinal não se destaca do ruído, e isso reflete-se no EVM com
um valor de -1 dB (sendo o mínimo aceitável de -10 dB), enquanto que com 3 mA ainda se obtém
um EVM de -20.31 dB.
A análise do espetro do sinal dá-nos uma imagem clara do nível de ruído e distorção não-linear
imposta pela resposta do laser, mas não nos diz qual o efeito real dessas interferências no resultado
final. Para sabermos a qualidade do sinal recebido passa-se agora à análise dos EVM dos vários
sinais analisados.
Como continuação da análise anterior, na figura 3.18 pode-se ver os EVM do mesmo sinal
com correntes de 3 mA e 8.8 mA com e sem ruído.
Verifica-se que para baixas potência do sinal o ruído é dominante, como seria de esperar.
Para níveis de sinal crescentes o EVM melhora (SNR aumenta) até que se atinge um mínimo. A
partir deste ponto distorção de intermodulação do laser e efeito de clipping passam a limitar o
desempenho do sistema.
Outra particularidade destes resultados são a confirmação do que se encontra na literatura,
onde se indica que com o aumento do índice de modulação do sinal para alem de 1, mesmo com
3.6 Sumário 25
(a) Antes do VCSEL (b) Depois do VCSEL com RIN
Figura 3.14: Espetro para potência do sinal de -44.07 dBm, Ibias=8.8 mA
a existência de clipping, o EVM não se degrada significativamente, podendo até melhorar. Isto
confirma-se para todas as correntes de polarização como se pode ver nas figuras anteriores bem
como na figura 3.19.
Passamos agora a analisar o EVM para as várias potências de emissão do sinal UWB e para as
várias correntes de polarização. Com esta análise pretende-se dar resposta a algumas das questões
principais deste trabalho que são “É viável a utilização de links óticos para o transporte de sinais
RF (UWB)?” e “Qual a o ponto de funcionamento ideal para este laser nestas circunstâncias?”.
Na figura 3.19 compara-se o EVM para todas as combinações possíveis de corrente de alimen-
tação e potência do sinal UWB.
Este é o resultado final de todas as simulações efetuadas durante o trabalho. Responde as 2
questões principais, confirmando a boa possibilidade de transporte de sinais UWB sobre fibra, e
dando um ponto de partida para a escolha de uma polarização adequada. Podemos verificar que
para uma corrente de polarização de 3 mA se obtém resultados de EVM bastante piores que nos
restantes casos representados.
Ao analisar este gráfico pode-se concluir que entre 15 dB da potência máximo do sinal UWB
se obtém sempre bons resultados de EVM para correntes de alimentação maiores que 4 mA. Conti-
nuando a aumentar a corrente vemos que o laser se comporta bem para potências de sinal maiores,
mas o ruído passa a fazer-se notar nas potências menores. Conclui-se com este trabalho que existe
um ponto óptimo de funcionamento do díodo laser que não corresponde, como se verificou, ao
valor máximo da corrente permitida. Para valores baixos de sinal o ruído é dominante e para ele-
vados a distorção do laser passa a ser o factor limitativo. Pode ainda inferir-se que para um dado
ponto de operação do laser existe um valor de potência de sinal ideal de modo a atingir a máximo
SNR. Isso implica na prática a necessidade de controle de ganho para manter o sinal à entrada do
laser no nível desejado.
3.6 Sumário
Neste capitulo foi descrita a parte fundamental do trabalho, desde a descrição dos métodos
de simulação e implementação do sistema, algumas dificuldades que podem surgir na simulação
26 Simulação
(a) Antes do VCSEL (b) Depois do VCSEL com RIN
Figura 3.15: Espetro para potência do sinal de 11.93 dBm, Ibias=8.8 mA
deste tipo de sinais e com estes componentes até à análise de resultados. Conclui-se com este
capítulo que é viável a transmissão de sinais de Ultra-Wide-Band através de links de fibra ótica
sem uma interferência significativa, desde que a potência do sinal seja controlado, coisa que se
consegue facilmente na ligação da estação central com a antena, uma vez que esta tem de ter
forçosamente um amplificador, embora para um funcionamento adequado haja a necessidade de
controlo de ganho.
Quando a informação viajar em sentido contrario é necessário e aconselhado o uso de um pré-
amplificador na antena antes de modular o laser, e se a potência espectável ainda for baixa demais
através da figura 3.19 pode-se escolher uma corrente de modulação de 3 mA por exemplo que
obtém bons valores de EVM mesmo para potências baixas. Tentou-se de seguida a execução de
um pequeno trabalho experimental para comprovar os resultados de simulação.
3.6 Sumário 27
(a) Com RIN (b) Sem RIN
Figura 3.16: Espetro do sinal depois do laser com potência de emissão de -44.07 dBm e correntede polarização de 3 mA
(a) Ibias = 3 mA (b) Ibias = 8.8 mA
Figura 3.17: Espetro à saída do laser para uma potência de -44.07 dBm com RIN
(a) Ibias = 3 mA (b) Ibias = 8.8 mA
Figura 3.18: Intreferência do RIN no EVM
28 Simulação
Figura 3.19: EVM para todas as combinações de potências e correntes de polarização
Capítulo 4
Resultados experimentais
Nas secções seguintes descreve-se o trabalho realizado experimentalmente. Pela escassez de
equipamentos capazes de analisar este tipo de sinais os testes experimentais não foram muito
longos nem muito pormenorizados.
4.1 Introdução
O setup utilizado nos testes experimentais foi muito similar ao utilizado nas simulações, isto
é, um emissor standard UWB com controlo de potência de emissão seguido do link ótico e para
analisar os dados um osciloscópio digital da Agilant com os algoritmos de análise do sinal muito
parecidos com o software ADS.
Os testes foram realizados com várias potências de emissão e várias correntes de polarização
do VCSEL, tal como nas simulações. Sendo que neste caso as potências de emissão estão entre o
máximo permitido pelo standard e até menos 15 dB desse valor.
4.2 Método e equipamentos
O sinal é então criado através de um emissor UWB com as mesmas configurações da simulação
(TFC 2, 200 Mbps, etc), este equipamento possui controlo em potência através de um software
fornecido pelo fabricante. A saída de sinal é feita através de RF, este é aplicado ao laser através de
um bias-T.
A polarização do VCSEL é realizada com recurso a uma fonte de corrente de alta qualidade
(Lightwave LDC-3714B) aplicada através de um bias-T (Picosecond Pulse Labs, Model 5550B).
A fonte fornece uma corrente constante controlada computacionalmente, enquanto o bias-T isola a
entrada DC do sinal de alta frequência com perdas de inserção inferiores a 1.5 dB para frequências
inferiores a 10 Ghz.
O sinal UWB e a corrente de polarização são então juntos no biasT sendo a modulação reali-
zada com recurso a resistência série do VCSEL que transforma a tensão do sinal RF em corrente,
tal como simulado anteriormente.
29
30 Resultados experimentais
Tal como descrito ne secção VCSEL 3.2 o dispositivo utilizado é um HFE-4192-582 da Fi-
nisar. A sua saída ótica é então acoplada a uma fibra multimodo com alguns quilómetros de
comprimento, terminando num fotodíodo PIN seguido de um amplificador elétrico. Este amplifi-
cador foi um dos limitadores de performance do sistema devido ao seu baixo valor de saturação
(cerca de −35dBVpk).
A saída do amplificador é ligado através de um cabo de RF ao osciloscópio digital da Agilant,
sendo este o responsável por processar o sinal e nos dar o valor de EVM em dB.
4.3 Resultados
Os resultados obtidos experimentalmente não são muito precisos devido principalmente ao
amplificador elétrico que amplifica o sinal vindo do fotodíodo. Assim temos um erro muito grande
nos resultados. Os testes experimentais não foram mais aprofundados ou melhorados devido ao
pouco tempo disponível do equipamento de analise da Agilant. Com isto em mente apresentam-se
então os resultados obtidos.
Foram realizadas medições para potências entre o máximo do standard de EVM e até menos
15 dB desse valor com decrementos de 1 dB, as correntes de polarização testadas foram 8.8 mA,
6 mA, 4.5 mA e 3 mA.
Na figura 4.1 pode ser visto o gráfico dos EVM obtidos para cada corrente de polarização.
Figura 4.1: Resultados de EVM nos testes experimentais
Embora os resultados não sejam perfeitos nota-se a mesma tendência das simulações, com um
fosso a meio da potência analisada, bem como pior rendimento nas correntes de polarização mais
altas para mais potência, e melhor para potências baixas e polarizações baixas. Como tempo dis-
ponível para testes experimentais não foi muito não deu para comprovar qual a potência realmente
injetada no laser, pelo que não se pode comparar com os resultados de simulação. Mesmo com
todos os problemas os resultados experimentais aproximam-se bastante dos simulados, pelo que
se pode dizer que as simulações foram conformadas na prática.
4.4 Sumário 31
4.4 Sumário
Mesmo com tempo muito limitado foi possível obter resultados experimentalmente que com-
provam os resultados obtidos em simulação, com um bom funcionamento do laser para sinais
UWB.
32 Resultados experimentais
Capítulo 5
Conclusão
Neste último capítulo encontra-se as apreciações finais sobre o trabalho realizado bem como
algumas tarefas que não foram possíveis de realizar durante o tempo disponível e que seriam
deveras interessantes e enriquecedoras se forem feitas mais tarde, ficando assim como trabalhos
futuros.
5.1 Conclusões
Durante os trabalhos realizados no âmbito desta tese de mestrado foi possível verificar que a
transmissão de sinais RF (UWB) através de fibra ótica é completamente viável e produz resultados
muito satisfatorios, embora se tenha notado alguma dificuldades para suportar simulações com
frequências de amostragem muito elevadas que produzem muitas amostras. O núcleo de trabalho
foi o estudo do comportamente do VCSEL, notando-se que este comporta-se satisfatoriamente
para as frequências estudadas em torno dos 4 Ghz, não sendo de esperar que continue a funcionar
para frequências mais altas devido à sua resposta em frequência.
Um dos principais objetivos do trabalho, que foi a criação de uma ferramenta de simulação
para sistemas UWB sobre fibra ótica também foi conseguida, podendo-se seguir com a inclusão de
mais componentes até se chegar a simulação do sistema completo, com a possibilidade de inclusão
do link wireless através do software ADS.
Por forma a caracterizar a resposta do laser para sinais UWB foram realizadas simulações
para vários valores de corrente de polarização (entre 1 mA e 8.8 mA), para simular alguns dos
ambientes em que o laser poderá operar realizaram-se simulações com diversas potências de sinal
de entrada (entre -44.07 dBm e 11.93 dBm). Ficou assim caracterizado o comportamente do laser
para as várias polarizações possíveis. Não se pode dizer que seja melhor um ou outro ponto de
polarização porque isso depende da potência de sinal que se utiliza para modular o laser, mas
notou-se que para 3 mA existe mais atenuação e distorção do sinal devido as não linearidades.
Claro que estes dados são validos para este laser com a utilização da frequência 2 da banda de
UWB (TFC6), mas com as ferramentas produzidas neste trabalho com muita facilidade de realiza
novas simulações com outros lasers bastando para isso alterar os parâmetros do mesmo.
33
34 Conclusão
Infelizmente por falta de disponibilidade de equipamentos não houve possibilidade de confir-
mação dos dados de simulação através de testes experimentais, sendo que os únicos testes reali-
zados foram feitos no início do desenvolvimento do trabalho sem possibilidade de repetição com
os parâmetros simulados em seguida. Assim sendo não se pode dizer que houve confirmação por
medição real. Todos estes detalhes ficam para Trabalho Futuro.
5.2 Trabalho Futuro
Para concluir a simulação do setup para o qual este trabalho foi pensado falta a inclusão do link
wireless, a fibra ótica e os conectores e cabos que nesta simulação não foi tido em conta. Depois
de todos os componentes estarem incluídos na simulação, o passo seguinte seria a implementação
da comunicação bidirecional e também neste campo há muito para estudar na parte ótica do link
uma vez que esta poderá ser suportada noutro comprimento de onda, noutra fibra ou simplesmente
noutra frequência.
Também seria de grande interesse estudar as outras frequências utilizadas em UWB (até 10
Ghz), nesse caso com outros laser uma vez que o VCSEL utilizado não suporta sinais de tão
elevada frequência.
Durante a realização deste trabalho houve alguma interação com outro trabalho que insidia
sobre a construção de um amplificador elétrico para amplificar sinais UWB. Estes dois trabalhos
podem ser juntos numa só simulação para se obter melhor rendimento do sistema, ficando este
mais completo ainda e mais próximo da realidade e de uma possível implementação experimental.
Referências
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[5] H. M. Salgado J.M.B. Oliveira R. S. Maciel, N. Sousa e J. A. M. da Silva. Optical transmitterfor ultra-wide band signals in the 3.168-3.696 GHz frequency range. Conference on Designof Circuits and Integrated Systems (DCIS), 2012.
[6] R.A. Shafik, S. Rahman, e A.H.M.R. Islam. On the extended relationships among evm, berand snr as performance metrics. Em Electrical and Computer Engineering, 2006. ICECE’06.International Conference on, páginas 408–411. Ieee, 2006.
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[9] D. Coelho, JMB Oliveira, LM Pessoa, HM Salgado, e JCS Castro. Performance analysis ofwdm-pon architecture for uwb distribution in aircraft networks.
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