Instituto Nacional de Telecomunicações
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
TRANSMISSÃO DE RADIOFREQUÊNCIA SOBRE FIBRA ÓPTICA
Breno Cosme Teixeira Carlos Henrique Brandão Ribeiro do Valle Madjer Patrick Silveira Athayde Samuel Arantes da Silveira
Junho de 2011
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO INATEL
Breno Cosme Teixeira Carlos Henrique Brandão Ribeiro do Valle Madjer Patrick Silveira Athayde Samuel Arantes da Silveira
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: Prof. Dr. José Antônio Justino Ribeiro
Santa Rita do Sapucaí 2011
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO INATEL
Breno Cosme Teixeira Carlos Henrique Brandão Ribeiro do Valle Madjer Patrick Silveira Athayde Samuel Arantes da Silveira
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: Prof. Dr. José Antônio Justino Ribeiro
Santa Rita do Sapucaí 2011
ii
A865t
Athayde, Madjer Patrick Silveira
Transmissão de Radiofreqüência Sobre Fibra Óptica / Breno Cosme Teixeira, Carlos Henrique Brandão Ribeiro do Valle, Madjer Patrick Silveira Athayde, Samuel Arantes Da Silveira. – Santa Rita do Sapucaí, 2011. 50 p. Orientador: Prof. Dr. José Antonio Justino Ribeiro Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Elétrica – Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL. Inclui bibliografia e anexo. 1. Radiofreqüência 2. Fibra Óptica 3. Modulação 4. Multiplexação I. Ribeiro, José Antonio Justino II. Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL. III. Título. CDU 621.31
iii
FOLHA DE APROVAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado e aprovado em 18 / 06 / 2011 pela comissão julgadora:
Prof. Dr. José Antônio Justino Ribeiro / Inatel – Orientador e Presidente da Comissão Julgadora
Prof. Msc. Antônio Alves Ferreira Junior / Inatel – Membro da Comissão Julgadora
Prof.ª Thaíssa Dela Libera Miranda / Inatel – Membro da Comissão Julgadora
__________________________________________ Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica
iv
Dedicamos a Deus e aos nossos familiares que com apoio incondicional, deram-nos forças para prosseguir até o final de mais uma jornada.
v
AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente a Deus, por sua infinita misericórdia, proteção, saúde e força proporcionada durante esta importante jornada. Ao professor José Antônio Justino Ribeiro, por sua orientação e apoio no desenvolvimento deste trabalho As nossas famílias, amigos e namoradas pela compreensão e apoio, não apenas ao longo deste trabalho, mas também durante todo o curso de graduação.
vi
“Bem-aventurado o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire conhecimento; Porque é melhor a sua mercadoria do que artigos de prata, e maior o seu lucro que o ouro mais fino. Mais preciosa é do que os rubis, e tudo o que mais possas desejar não se pode comparar a ela.” Bíblia Sagrada - PV 3:13-15.
vii
RESUMO Neste trabalho será abordado o processo de transmissão de radiofrequência por fibras ópticas. Serão apresentados os processos de modulação e multiplexação do feixe óptico, a fibra óptica como meio de transmissão, os componentes mais importantes utilizados, suas principais aplicações, vantagens e desvantagens na utilização desta tecnologia. A transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica consiste em um sinal na faixa de radiofrequência que modulará um diodo laser, gerando um feixe óptico a ser distribuído através da fibra até a detecção do sinal por um fotodetector no receptor. O fotodetector fornecerá em sua saída um sinal elétrico que devidamente processado será o sinal de radiofrequência recuperado.
Palavras-chaves:
Radiofrequência;
fibra
óptica;
modulação;
multiplexação.
viii
ABSTRACT This work will discuss the process of radiofrequency transmission by optical fiber. Will present the processes of modulation and multiplexing of the optical beam, the optical fiber as transmission medium, the most important used components, their main applications, advantages and disadvantages using this technology. The radiofrequency transmission over fiber optical consists of a signal in the range of radiofrequency that modulate a laser diode, generating an optical beam to be distributed through the fiber until the detection signal by a photodetector in the receiver. The photodetector provides at its output an electrical signal which will be duly processed the recovered radiofrequency signal.
Keywords: Radiofrequency; optical fiber; modulation; multiplexing.
ix
ÍNDICE LISTA DE FIGURAS..................................................................................................... 12 LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................ 13 LISTA DE SÍMBOLOS.................................................................................................. 16 CAPÍTULO 1.
APRESENTAÇÃO.......................................................................... 17
1.1
INTRODUÇÃO............................................................................................. 17
1.2
OBJETIVO.................................................................................................... 17
1.3
MOTIVAÇÃO.............................................................................................. 17
1.4
DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO.................................................. 18
CAPÍTULO 2.
SISTEMA DE TRANSMISSÃO.....................................................19
2.1
INTRODUÇÃO............................................................................................. 19
2.2
COMPONENTES......................................................................................... 19
2.3
TÉCNICAS DE MULTIPLEXAÇÃO...........................................................20
2.3.1
MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DO TEMPO (TDM)......................... 20
2.3.2
MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA (WDM)......................................................................................................... 21
2.3.3
MULTIPLEXAGEM DE SUBPORTADORA (SCM)................................. 21
2.3.4
DESCRIÇÃO DO SISTEMA SCM/WDM................................................... 23
2.3.4.1
TRANSMISSOR........................................................................................... 24
2.3.4.2
MEIO DE TRANSMISSÃO......................................................................... 25
2.3.4.3
RECEPÇÃO................................................................................................. 26
2.3.5
VANTAGENS.............................................................................................. 26
2.3.6
DESVANTAGENS....................................................................................... 27
2.4
GERAÇÃO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA EM FIBRA..............27
2.4.1
MODULAÇÃO POR INTENSIDADE (IM)................................................ 27
2.4.2
MODULADOR MACH-ZEHNDER............................................................ 29
x
2.4.2.1
FUNCIONAMENTO.................................................................................... 29
2.4.2.2
MODULADOR SIMÉTRICO DE MACH-ZEHNDER................................29
CAPÍTULO 3.
MEIOS DE TRANSMISSÃO......................................................... 31
3.1
INTRODUÇÃO............................................................................................ 31
3.2
LIMITAÇÕES DOS MEIOS DE TRANSMISSÃO ELÉTRICOS............... 31
3.3
MEIOS DE TRANSMISSÃO ÓPTICOS...................................................... 31
3.3.1
FUNCIONAMENTO DA FIBRA................................................................. 32
3.4
RADIOFREQUÊNCIA POR FIBRA ÓPTICA............................................ 33
3.5
VANTAGENS.............................................................................................. 34
3.5.1
BAIXAS PERDAS POR ATENUAÇÃO......................................................34
3.5.2
ELEVADA LARGURA DE BANDA........................................................... 35
3.5.3
IMUNIDADE ÀS INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS............. 35
3.5.4
ESTAÇÕES BASE SIMPLIFICADA........................................................... 35
3.5.5
BAIXO CONSUMO DE POTÊNCIA........................................................... 36
3.6
LIMITAÇÕES............................................................................................... 36
3.6.1
FAIXA DINÂMICA (DR)............................................................................ 36
3.6.2
DISPERSÕES ............................................................................................... 36
3.6.2.1
DISPERSÃO MODAL................................................................................. 37
3.6.2.2
DISPERSÃO MATERIAL............................................................................ 37
3.6.2.3
DISPERSÃO DE GUIA DE ONDA............................................................. 37
3.7
APLICAÇÕES.............................................................................................. 37
3.7.1
REDES DE COMUNICAÇÕES SEM FIO INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF.............................................................................................................. 38
3.7.2
REDES UMTS INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF................................ 39
3.7.3
REDES HÍBRIDAS DE CABO COAXIAL E FIBRA ÓPTICA.................. 40
3.8
COMPONENTES......................................................................................... 42
xi
3.8.1
MULTIPLEXADOR ÓPTICO...................................................................... 42
3.8.1.1
PROCESSO DE EXTRAÇÃO...................................................................... 42
3.8.1.2
PROCESSO DE INJEÇÃO........................................................................... 42
CAPÍTULO 4.
SISTEMA DE RECEPÇÃO........................................................... 43
4.1
INTRODUÇÃO............................................................................................. 43
4.2
COMPONENTES......................................................................................... 43
4.2.1
FOTODIODOS............................................................................................. 43
4.2.2
FOTOTRANSISTOR.................................................................................... 43
4.2.3
FOTODIODOS APD (AVALANCHE PHOTODIODE)..............................44
4.2.4
FOTODIODOS PIN (PIN PHOTODIODE)..................................................44
4.2.5
VANTAGENS E DESVANTAGENS DO APD EM RELAÇÃO AO PIN.. 45
4.3
TÉCNICAS DE DEMODULAÇÃO............................................................. 45
CAPÍTULO 5.
COMENTÁRIOS E CONCLUSÃO.............................................. 47
5.1
CONCLUSÃO.............................................................................................. 47
5.2
ESTUDOS PROPOSTOS............................................................................. 47
REFERÊNCIAS............................................................................................................... 48
xii
LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1. ESPECTRO DE UMA LUZ EMITIDA POR UM DIODO LASER DO TIPO MONOMODO . ......................................................................................................................................... 20 FIGURA 2.2. ESQUEMA BÁSICO DO PROCESSO DE MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DO TEMPO . ......................................................................................................................................... 21 FIGURA 2.3. ESQUEMA BÁSICO DO PROCESSO DE MULTIPLEXAÇÃO EM COMPRIMENTO DE ONDA EM COMUNICAÇÕES ÓPTICAS . ................................................................................. 21 FIGURA 2.4. TÉCNICA SCM ............................................................................................. 22 FIGURA 2.5. TÉCNICA SCM/WDM .................................................................................. 23 FIGURA 2.6. SISTEMA DE MULTIPLEXAÇÃO DE SUBPORTADORA - SCM .......................... 24 FIGURA 2.7. MODULAÇÃO POR INTENSIDADE – MODULAÇÃO DIRETA ............................ 28 FIGURA 2.8. MODULAÇÃO POR INTENSIDADE – MODULAÇÃO EXTERNA ......................... 28 FIGURA 2.9. MODULAÇÃO POR INTENSIDADE – MODULAÇÃO HETERÓDINA ....................28 FIGURA 2.10. ESQUEMA DO MODULADOR DE MACH-ZEHNDER ........................................ 29 FIGURA 2.11. ESQUEMA DO MODULADOR SIMÉTRICO DE MACH-ZEHNDER ......................30 FIGURA 3.1. COMPOSIÇÃO DE UM CABO DE FIBRA ÓPTICA ................................................ 32 FIGURA 3.2. PROPAGAÇÃO DOS FEIXES ÓPTICOS NA FIBRA .............................................. 32 FIGURA 3.3. CRESCIMENTO GLOBAL DO NÚMERO DE ASSINANTES FIXOS E MÓVEIS .......... 33 FIGURA 3.4. ATENUAÇÕES EM 1310NM E 1550NM .......................................................... 35 FIGURA 3.5. TECNOLOGIAS WIRELESS E SUAS RESPECTIVAS TAXAS ................................. 39 FIGURA 3.6. DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA MICROCELULAR INTERLIGADO POR FIBRAS ÓPTICAS ................................................................................................................ 40 FIGURA 3.7. TOPOLOGIA DE REDES HIBRIDA COM APLICAÇÃO EM CATV ....................... 41 FIGURA 4.1. PARTES DE UM FOTODETECTOR PIN .............................................................45 FIGURA 4.2. ESQUEMA DE DEMODULAÇÃO ...................................................................... 46
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS AM -
Amplitude Modulation – Modulação por Amplitude.
APD -
Avalanche Photodiode
ASK -
Amplitude-Shift Keying – Modulação por Chaveamento de Amplitude.
BB -
Banda Base.
BPSK -
Binary Phase Shift Keying
BS -
Base Station
CATV -
Cable Television
– Fotodiodo Avalanche.
– Modulação por Chaveamento de Fase Binária.
– Estação Base. – Televisão a Cabo ou
Comminity Antenna Television
– Antena de Televisão Comunitária.
CS -
Central Station
– Estação Central.
CW -
Continuous Wave
DC -
Direct Current – Corrente Contínua.
DR -
Dynamic Range
FDM -
Frequency Division Multiplexer – Multiplexação por Divisão da
FI -
Frequência Intermediária.
FM -
Frequency Modulation
FPB -
Filtro Passa-Baixa.
FSK -
Frequency-Shift Keying – Modulação por
FSO -
Free Space Optic – Ótica no Espaço Livre.
GSM -
Global System for Mobile Communications
– Onda Contínua.
– Faixa Dinâmica. Frequência.
– Modulação por Frequência.
Chaveamento de Frequência.
– Sistema Global de Comunicação
xiv
Móvel. HDTV -
High Definition Television – Televisão de Alta Definição.
HFC -
Hybrid Fiber-Coaxial Cable – Hibrido Fibra-Cabo Coaxial.
IEC -
Interferência Entre Canais.
IM -
Intensity Modulation – Modulação por
MDL -
Travamento de Duplo Modo.
MZ -
Mach-Zehnder .
MZM -
Mach-Zehnder Modulator – Modulador Mach-Zehnder.
OADM -
Optical Add-Drop Multiplexer – Multiplexador Óptico de Injeção e Extração.
ODSB -
Optical Double Side Band – Modulação Óptica com Dupla
OIL -
Optical Injection Locking
OSSB -
Optical Single Side Band – Modulação Óptica com Faixa Lateral Simples.
OSSB-SC -
Optical Single Side Band Suppressed Carrier –
Intensidade.
Faixa Lateral.
– Bloqueio por Injeção Óptica.
Modulação Óptica com Faixa
Lateral Simples e Portadora Suprimida. PCN -
Personal Communications Networks
PFM -
Pulse Frequency Modulation
PPD -
PIN Photodiode –
QAM -
Quadrature-Amplitude
– Rede de Comunicação Pessoal.
– Modulação por Frequência de Pulso.
Fotodiodo PIN. Modulation
– Modulação por Amplitude em
Quadratura. QPSK -
Quadrature-Phase Shift Keying
– Modulação por Chaveamento em Quadratura
de Fase. RF -
Radiofrequency – Radiofrequência.
xv
RHD -
Remote Heterodyne Detection –
Detecção Remota Heteródina.
RoF -
Radio over Fiber – Radiofrequência sobre Fibra
SCM -
Subcarrier Multiplexing
SFDR -
Spurious-Free Dynamic Range
TDM -
Time Division Multiplexer – Multiplexação por Divisão do Tempo.
UE -
User Equipment –
UMTS -
Universal Mobile Telecommunications System
Óptica.
– Multipexação de Subportadora. – Faixa Dinâmica Livre de Espúrios.
Equipamento do Usuário. – Sistema Universal Móvel de
Telecomunicações. WCDMA -
Wide-Band Code-Division Multiple Access
– Acesso Múltiplo de Divisão de
Código Banda Larga. WDM -
Wavelength
Division
Multiplexer
– Multiplexação por Divisão do
Comprimento de Onda. WLAN -
Wireless Local Area Network – Rede Local Sem Fio.
xvi
LISTA DE SÍMBOLOS λ
Comprimento de onda.
θ c
Ângulo Crítico.
f(t)
Sinal de entrada.
F c
Frequência central óptica.
F n
Frequência do oscilador elétrico.
f sn
Frequência de subportadora.
GaAs
Arsenieto de Gálio.
InP
Composto de índio e fósforo.
LiNbO3
Niobato de Lítio.
n
Cristal do tipo N.
N 1
Índice de refração do núcleo da fibra.
N 2
Índice de refração da casca da fibra.
P
Cristal do tipo P.
pn
Junção das estruturas do tipo p e n.
Pout
Potência de saída.
RF in
Sinal de radiofreqüência de entrada.
RF out
Sinal de radiofreqüência de saída.
W d
Largura da região de depleção.
W i
Largura da região intrínseca do fotodiodo.
CAPÍTULO 1. APRESENTAÇÃO 1.1
INTRODUÇÃO
Serão apresentados os princípios de transmissão de radiofrequência por fibras ópticas (RoF) e suas principais aplicações, destacando as vantagens e desvantagens, os componentes existentes, características, multiplexações e modulações utilizadas. A transmissão de radiofrequência por meio de fibra óptica consiste na transmissão do sinal com a informação em faixa de radiofrequência que modulará uma fonte óptica na transmissão. Na recepção utiliza um fotodetector que receberá o feixe óptico modulado e fornecerá em sua saída um sinal elétrico para ser devidamente processado. Nem sempre é possível proporcionar enlaces de visada direta, pois as limitações físicas impedem comunicações com determinadas regiões. Utilizamos esta tecnologia para contornar parte destas limitações. 1.2
OBJETIVO
Este trabalho tem por objetivo apresentar a transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica. Emprega feixes ópticos modulados por um sinal de RF e transmitidos através da fibra óptica. Serão destacadas as principais vantagens, limitações, componentes, técnicas de multiplexação e modulação desta tecnologia. Dentre as suas vantagens, as de maior destaque são a elevada taxa de transmissão e a redução do consumo de potência em relação a outras tecnologias utilizadas. Dependendo do enlace, a transmissão RoF surge como uma excelente proposta para sistemas de comunicações de alta capacidade. 1.3
MOTIVAÇÃO
A transmissão de radiofrequência por fibras ópticas tem vasta aplicação em diversas áreas. Devido ao crescimento dos meios de transmissões e à demanda por sistemas de comunicações com maiores taxas de modulação, há um incentivo crescente pela utilização desta tecnologia. Seu custo pode ser bem reduzido, conforme a distância de cobertura e de sua taxa de utilização. Uma importante utilização deste sistema é na interligação da estação central (CS) às várias estações bases (BSs). Este tipo de implementação resulta em uma CS mais complexa e em uma BS mais simples, levando a uma melhor relação custo-eficiência. Esta ligação feita 17
entre a CS e as BSs por meio de fibra óptica está relacionada com as baixas perdas da fibra, sua imunidade a ruídos eletromagnéticos e sua elevada capacidade de transmissão, entre outras vantagens. O RoF vem sendo uma alternativa promissora para a implementação das redes de comunicação sem fio faixa larga em ambientes fechados, como forma de reduzir os custos de infra-estrutura, através da geração e transmissão de portadoras de microondas com elevados valores de frequência e baixa potência de transmissão, capazes de suprir a alta demanda de tráfego utilizando como meio de transmissão o meio óptico. 1.4
DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
No Capítulo 2 será apresentado o sistema de transmissão, seus componentes, técnicas de multiplexação, modulação e a geração do sinal de radiofrequência sobre fibra. O Capítulo 3 aborda a fibra como meio de transmissão, assim como suas características, funcionamento e limitações. No Capítulo 4 trata-se o sistema de recepção, fazendo uma análise do processo de recuperação do sinal, bem como seus componentes e as técnicas para recuperação das informações. No Capítulo 5 serão apresentados comentários, conclusões e propostas de estudos futuros.
18
CAPÍTULO 2. SISTEMA DE TRANSMISSÃO 2.1
INTRODUÇÃO
Todo sistema de comunicação pode ser subdividido em três partes: sistema de transmissão, o meio de propagação e o sistema de recepção. Neste capítulo aborda-se o sistema de transmissão, responsável por prover o envio da informação. Cada sistema de transmissão processa a informação de acordo com as características do meio que irá transportá-la. Na tecnologia de radiofrequência em fibra, utilizam-se vários tipos de modulação e multiplexação, discutidos neste capítulo. 2.2
COMPONENTES
Um sistema de comunicações ópticas necessita de uma fonte de luz que garanta o nível de potência necessário e a capacidade de modulação com elevadas taxas de transmissão. A fonte óptica mais conveniente, em particular para enlaces de maiores distâncias e que exijam taxas de modulação mais elevadas é o diodo laser. Com técnicas de modulação externa, são possíveis transmissões com taxas de até algumas dezenas de gigahertz ou de gigabits por segundo. Modulações diretas sobre o diodo envolvem, tipicamente, valores até alguns gigabits por segundo. [1] Para se ter possibilidades de elevadas taxas de transmissão, os diodos lasers de tipo monomodo são os que apresentam maiores vantagens. Pela necessidade de enlaces de grandes distâncias, esses diodos são também mais adequados por apresentarem níveis de potência maiores do que outras fontes disponíveis, como os diodos emissores de luz. Tipicamente, um diodo laser moderno pode fornecer potências entre 1mW e 10mW, contra valores na ordem de microwatts de outros modelos de fontes ópticas. Por estas características, os sistemas envolvendo a tecnologia RoF empregam, predominantemente, o diodo laser monomodo como fonte de luz. [1] São necessários, alguns cuidados para esta fonte, em vista das rápidas variações de suas características em função da temperatura. Isto exige a utilização de dispositivos de estabilização de temperatura. Em suas aplicações, são associados a circuitos capazes de compensar as eventuais variações que surgirem no nível de potência de saída e em suas conseqüências sobre a modulação. A Figura 2.1 ilustra o espectro de uma luz emitida por um 19
diodo laser do tipo monomodo, cuja largura de linha deve apresentar valores na faixa de 0,1nm a 0,5nm para operações com comprimentos de onda de 1300nm ou 1500nm, para minimizar a perda de potência no diodo. [1] Pout Pmáx 0,5Pmáx
Figura 2.1. Espectro de uma luz emitida por um diodo laser do tipo monomodo.
2.3
TÉCNICAS DE MULTIPLEXAÇÃO
Nos meios de transmissões, há características que limitam a taxa de transmissão. Para aumentar esta taxa usa-se compartilhar o mesmo meio para transmissão de dois ou mais canais ópticos. No sistema RoF utilizam-se técnicas de multiplexação para aumentar a sua capacidade de transmissão. Em geral, são utilizados dois diferentes tipos de multiplexação: a multiplexação por divisão do tempo no domínio elétrico e a multiplexação por divisão de comprimento de onda no domínio óptico. 2.3.1
MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DO TEMPO (TDM)
Nesta técnica, cada um dos canais de informação é composto por um intervalo de tempo, como na Figura 2.2. Para que seja feita a associação das várias informações, utiliza-se uma memória de separação ( buffer ) para cada canal. Na maioria dos projetos, pode-se utilizar um repetidor a uma distância de aproximadamente 30 ou 40km. As desvantagens apresentadas no sistema TDM é o processamento do sinal original com uma certa quantidade de bits de informação, atraso devido a espera da sequência de transmissão de cada nó do sistema e a limitação na taxa de transmissão. [2]
20
Figura 2.2. Esquema básico do processo de multiplexação por divisão do tempo.
2.3.2
MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA (WDM)
Uma técnica aplicada às transmissões ópticas é a multiplexagem de vários feixes ou canais ópticos no mesmo meio de transmissão. Por processos adequados, são introduzidos diversos comprimentos de onda na mesma fibra, conforme ilustra a Figura 2.3. Com este procedimento, o sistema ficará habilitado a transmitir grande quantidade de sinais, com uma taxa de transmissão muito elevada. Em cada terminal transmissor são gerados diversos comprimentos de onda introduzidos no combinador ou multiplexador óptico e acoplados à fibra. Esses sinais serão retirados na extremidade oposta onde se tem um divisor ou demultiplexador óptico. Em cada saída, utiliza-se um filtro onde passa somente o comprimento de onda desejado, com a supressão dos demais. O processo por WDM é muito usado em sistemas de telefonia, CATV (de, Community Antenna Television ou Cable Television ),
telecomunicações intercontinentais, etc. [2]
Figura 2.3. Esquema básico do processo de multiplexação em comprimento de onda em comunicações ópticas.
2.3.3
MULTIPLEXAGEM DE SUBPORTADORA (SCM)
A multiplexação é utilizada em um sistema de transmissão de radiofrequência com múltiplos canais em um meio físico ou no espaço livre. Com a técnica de multiplexação em 21
subportadoras, freqüentemente identificada pela sigla SCM, efetuam-se as modulações (analógicas ou digitais) em subportadoras com objetivo de compartilhar o enlace com o envio de várias portadoras no domínio elétrico em um único meio óptico. Para que isso seja possível, o processo de multiplexação de subportadoras é realizado a partir da combinação de duas etapas de modulação operando em diferentes domínios. O primeiro instante do processo é realizado no domínio elétrico, onde se têm diferentes sinais de RF modulados utilizando formatos de modulação de acordo com o sinal aplicado na entrada do sistema. Na segunda etapa, o sinal obtido passa por um processo de modulação no domínio óptico, que consiste em alterar o nível do sinal óptico, de acordo com as características da portadora RF modulada. Para isto, emprega-se um modulador óptico externo que recebe o feixe de luz vindo de um diodo laser e o processa com o sinal de RF. Após este estágio, o feixe óptico da saída do modulador é acoplado a uma fibra óptica. Está é a essência da tecnologia de transmissão de radiofrequência em fibras ópticas. [3]-[4] A técnica SCM torna-se eficaz ao ser combinada com a técnica de multiplexação por comprimento de onda (WDM) tradicionalmente aplicada em sistemas ópticos. Essa combinação, conhecida como SCM/WDM permite que o sistema tenha várias portadoras ópticas moduladas em uma mesma fibra óptica. A Figura 2.4 ilustra o espectro do sistema SCM típico, sem a combinação entre SCM e WDM, onde pode ser observado diversas subportadoras moduladas eletricamente ( f c – f sn) e ( f c + f sn), sendo f c a frequência central óptica e f sn a n-ésima frequência de subportadora em apenas uma frequência ( f c). Na Figura 2.5 com a técnica SCM/WDM, se observa uma melhor utilização do meio óptico, onde varias subportadoras elétricas são moduladas em diversos comprimentos de onda, ocorrendo um aumento significativo na eficiência espectral do sistema. [4]
Figura 2.4. Técnica SCM.
22
Figura 2.5. Técnica SCM/WDM.
Em sistema SCM analógico, as subportadoras são moduladas separadamente usando um formato analógico. Em seguida, após moduladas, são entregues a um multiplexador de microondas que, combinará todas essas subportadoras. O sinal resultante dessa combinação será utilizado para modular um feixe óptico. Sinais analógicos são mais susceptíveis a ruído, logo para que o sinal não sofra degradação durante a transmissão, a técnica SCM requer um alto nível de relação sinal ruído na recepção ao utilizar esse tipo de formato de modulação. [3]-[4] Por outro lado em um sistema SCM digital, as subportadoras são moduladas utilizando formatos de modulações digitais em banda passante, como ASK (de Amplitude-Shift Keyin g), FSK (de Frequency-Shift Keying ), QPSK (de Quadrature-Phase Shift Keying ), BPSK (de Binary Phase Shift Keying)
e QAM (de Quadrature-Amplitude Modulation ). Após a
modulação elétrica, todo o processo aplicado ao sistema SCM digital é de forma semelhante ao analógico. Uma vantagem de um sistema SCM digital com relação ao SCM analógico seria o fato de que o sistema de multiplexação de subportadoras de sinais digitais possuírem maior eficiência espectral e serem capazes de utilizar de detecção coerente . [4]-[5] 2.3.4
DESCRIÇÃO DO SISTEMA SCM/WDM
A Figura 2.6 ilustra um sistema SCM, constituído por três blocos distintos. O primeiro bloco é o transmissor, o segundo envolve o meio de transmissão e, por fim, o bloco de recepção. Cada bloco é composto por sub blocos que serão abordados a seguir.
23
Figura 2.6. Sistema de Multiplexação de Subportadora – SCM.
2.3.4.1 TRANSMISSOR O bloco transmissor é formado pelo sistema de processamento do sinal de entrada f(t) (analógico ou digital), pelo filtro passa-baixas (FPB), pelos moduladores no domínio elétrico, multiplexadores, modulador óptico externo e filtro rejeita-faixa. [4], [6] No instante inicial do processo de multiplexação de subportadoras, é aplicado na entrada do sistema um sinal de RF f(t). Os filtros passa-baixas são utilizados para atuarem sobre o sinal f(t) atenuando componentes de alta frequência, diminuindo a banda ocupada pelo sinal. Conseqüentemente, minimiza o efeito de interferência entre canais (IEC). Tal efeito é causado pela proximidade entre os canais, uma vez que esses sinais, após o processo de 24
modulação e multiplexação no domínio elétrico, passam a ocupar uma banda de aproximadamente o dobro de sua taxa de transmissão. O processo de modulação elétrica é realizado de forma a ser atendido o critério de Nyquist, onde o sinal f(t) de entrada será amostrado com frequências com no mínimo o dobro da frequência de transmissão. Para um sinal de entrada digital utilizam-se modulações como, QPSK, ASK, BPSK entre outras. Embora de menos importância atualmente, seria possível modular uma subportadora elétrica com um sinal analógico empregando técnicas baseadas em modulação em frequência (FM) ou modulação em amplitude (AM). Nesta etapa do sistema, o multiplexador combinará as subportadoras já moduladas eletricamente em um único fluxo de dados com uma taxa de transferência mais elevada. Conforme já discutido os moduladores externos realizam a modulação de sinais ópticos a ele acoplados, utilizando a configuração do interferômetro de Mach-Zhender. O Filtro de rejeição
é baseado no interferômetro de Fabry-Perot capaz de atenuar estreitas faixas de
frequência. Sua aplicação é suprimir a portadora óptica, transformando o sinal OSSB em um sinal OSSB-SC (de Optical Single Side Band Suppressed Carrier ). Em outras palavras, ele remove uma das bandas laterais que constituem a modulação em faixa lateral dupla no domínio óptico (ODSB). Uma vez que se utiliza modulação direta polarizando corretamente um fotoemissor, tem-se na saída do transmissor um sinal modulado (ODSB). Nesta situação, tem-se uma portadora óptica centrada em f c e bandas de frequência lateral superior e inferior ( f c – f sn) e ( f c + f sn). Para melhor eficiência espectral na utilização da técnica SCM, a modulação OSSB tem sido um método simples e eficiente, onde uma portadora óptica centrada em f c possui somente uma banda lateral ( f c + f sn). A função do filtro rejeita faixa é gerar um sinal OSSB-SC anulando a portadora do sinal ODSB. 2.3.4.2 MEIO DE TRANSMISSÃO A tecnologia RoF utiliza como o meio de transmissão a fibra óptica para transportar a portadora óptica modulada. Sabe-se que, uma característica importante da fibra óptica é não ser susceptível a interferência eletromagnética, pois não permite a transmissão de sinais elétricos.
25
2.3.4.3 RECEPÇÃO O sistema de recepção da tecnologia de radiofrequência sobre fibra óptica é constituído de detecção óptica, filtro passa altas, demultiplexador elétrico, demodulador elétrico e etapa associada ao sinal de saída f(t). [4] O processo de detecção óptica é realizado através de um fotodetector que detecta a potência óptica e converte as variações desta potência em variações de corrente elétrica. O filtro passa-altas permite a passagem de altas frequências e reduz as frequências abaixo da frequência da portadora óptica. O bloco de seleção de portadoras é composto por um demultiplexador elétrico em conjunto com um filtro passa-faixas. Sua função resume-se em selecionar os canais a serem entregues ao demodulador. O demodulador elétrico reverte o processo de modulação. O processo de demultiplexagem SCM pode ser do tipo coerente em que a portadora de recepção deverá estar em perfeito sincronismo de fase com a portadora de transmissão, ou nãocoerente, onde não é necessário o sincronismo entre as portadoras para a detecção do sinal. Por fim, tem-se a entrega na saída do sistema o sinal f(t). 2.3.5
VANTAGENS
A capacidade em lidar com a transferência de diferentes sinais, multiplexados no domínio elétrico em um único meio óptico faz com que a técnica de multiplexação de subportadoras torne uma excelente opção quando se tratar da tecnologia RoF. Outras vantagens alcançadas coma utilização da SCM são: [2], [5], [7]. •
Capacidade de combinação ao sistema de óptica no espaço livre – FSO ( Free Space
Optic) e sistema óptico WDM; •
Para uma única portadora óptica, a largura de banda do sinal elétrico pode ultrapassar
10 GHz; •
Implementações menos complexas, conseqüentemente uma redução nos custos;
•
Utilização de dispositivos de RF por serem mais maduros que os dispositivos ópticos.
26
Devido à utilização de dispositivos de radiofrequência a implantação da técnica SCM torna-se simples e de baixo custo em aplicações onde se deseja fornecer serviços de dados, voz, CATV, HDTV ou qualquer combinação destes. [8] 2.3.6
DESVANTAGENS
Em um sistema de transmissão de sinais analógicos, a técnica SCM requer um alto índice de relação sinal/ruído (C/N) na recepção devido a não linearidade desses sinais. Podese utilizar como exemplo a transmissão de um sinal de vídeo, onde o índice de relação sinal/ruído na recepção deverá ser maior que 55dB. [9] 2.4
GERAÇÃO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA EM FIBRA
Para se transmitir dados previamente codificados em determinado meio, a informação é levada por uma portadora envolvendo diferentes processos de modulação. É possível alterar sua amplitude, a frequência, sua fase ou uma combinação destes procedimentos. Por simplicidade e custo, na transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica, optou-se pela modulação analógica, em lugar da difundida modulação digital. Na modulação analógica temse possível quatro variações. A IM (de Intensity Modulation), PFM (de Pulse Frequency Modulation ), PFM associada à técnica FDM (de Frequency Division Multiplexing ) ou então
a
PFM associada à técnica FDM e WDM. No caso da radiofrequência sobre fibra óptica utilizamos da Modulação por Intensidade devido a sua simplicidade. [10] 2.4.1
MODULAÇÃO POR INTENSIDADE (IM)
O processo de modulação por intensidade, onde é feita analogicamente, ou seja, não há sinal discreto como utilizado na transmissão binária. Isso torna a aplicação mais barata devido o uso de dispositivos relativamente simples. Existem três tipos de modulação por intensidade: a modulação direta por intensidade, a modulação externa e a heteródina remota. Como mostrado na Figura 2.7, na modulação direta o próprio sinal de RF na entrada do circuito ( RF in) modula o feixe de luz com intensidade proporcional a do sinal de entrada.
27
Figura 2.7. Modulação por Intensidade – Modulação Direta.
A modulação externa utiliza fonte de luz com comprimento de onda fixo como portadora e o sinal de RF introduzido modulará esta portadora conforme apresentado na Figura 2.8. [11]
Figura 2.8. Modulação por Intensidade – Modulação Externa.
Na Figura 2.9 é apresentado o processo de modulação heteródina (RHD, Remote Heterodyne Detection)
externa. Aplicam-se dois feixes distintos de luz externos como
portadoras que são combinados para se obter o comprimento de onda desejado. [11]
Figura 2.9. Modulação por Intensidade – Modulação Heteródina.
28
2.4.2
MODULADOR MACH-ZEHNDER
Para transmissão de altas taxas de dados (10GBit/s ou superiores) a modulação direta torna-se difícil. Por este motivo, são usadas modulações externas, que permitem aumentar consideravelmente a taxa de transmissão. O modulador de Mach-Zehnder, mostrado na Figura 2.10, baseia-se no efeito eletroóptico. Pode ser constituído de materiais como o LiNbO3 ou semicondutores como o GaAs e InP. [12]
Figura 2.10. Esquema do modulador de Mach-Zehnder.
2.4.2.1 FUNCIONAMENTO Ao se aplicar uma tensão, o sinal óptico em um caminho é modulado em fase conforme o comprimento do percurso óptico. Combinando os dois caminhos com diferentes mudanças de fase, a modulação em fase é convertida em modulação em intensidade. Se as fases dos dois caminhos forem iguais, mas diferente em valores, não haverá gorjeio na saída do modulador, isto significa que a saída é somente modulada por intensidade. 2.4.2.2 MODULADOR SIMÉTRICO DE MACH-ZEHNDER Moduladores Mach-Zehnder podem ser simétrico, implementado com mais um eletrodo como mostrado na Figura 2.11. Em uma das suas entradas de dados insere-se a informação e em outra se insere a mesma informação, porém defasada de 90 graus, gerando na saída um sinal óptico modulado por intensidade. Se o campo elétrico em ambos os caminhos do MZ é idêntico o gorjeio não ocorrerá. Se mudarmos as amplitudes dos sinais o gorjeio pode ser ajustado.
29
Figura 2.11. Esquema do modulador simétrico de Mach-Zehnder.
Para obter um sinal livre de gorjeio as duas entradas de dados como mostrado na Figura 2.11, devem ser cuidadosamente casadas em fase. O benefício de um modulador simétrico comparado a um modulador MZ comum, é a baixa tensão de polarização necessária em cada ramo. A desvantagem é a necessidade de dois amplificadores cuidadosamente combinados. [12]
30
CAPÍTULO 3. MEIOS DE TRANSMISSÃO 3.1
INTRODUÇÃO
O objetivo principal deste capítulo é mostrar as grandes vantagens que a fibra óptica proporciona para os sistemas de transmissão. Além de oferecer alto desempenho para os diversos sistemas e grande largura de faixa, possui grande importância para sistemas RoF. 3.2
LIMITAÇÕES DOS MEIOS DE TRANSMISSÃO ELÉTRICOS
Deve-se conhecer esse meio para analisar as condições em que um determinado projeto irá reagir a este tipo de aplicação. Primeiramente observa-se como a largura de faixa e o ruído estão ligados a este tipo de meio. A largura de faixa determina a velocidade de transmissão do meio, ou seja, quanto maior a largura de faixa, maior será a velocidade de transmissão ou vice-versa. Deve-se ter cuidado com a largura de faixa relativa, pois ela é também uma banda absoluta que por sua vez é divida pela frequência central. Uma modulação de um sinal em banda larga através de uma portadora de alta frequência diminui a largura de faixa relativa, minimizando o projeto do equipamento. Em outras palavras, uma largura de faixa relativa definindo as especificações de um equipamento, a largura de faixa absoluta elevará quase não significante, aumentando a frequência da portadora. Outro problema que não se pode evitar é o ruído do sistema. Um parâmetro bastante importante em sistemas de telecomunicações é a relação Sinal/Ruído. Para aplicações de longas distâncias ou de potências baixas, o sinal captado pelo receptor pode ser muito pequeno, ou em outros casos, menores do que o ruído propriamente dito. Em um sistema de telecomunicações deve-se ficar atento com seu dimensionamento, pois fatores como velocidade, potência de transmissão, largura de faixa, relação sinal-ruído, pode ser um grande problema para diversas aplicações. 3.3
MEIOS DE TRANSMISSÃO ÓPTICOS
Neste meio utiliza-se a fibra óptica como um dos principais materiais. A fibra é formada por um núcleo de vidro e uma casca de material dielétrico sendo bastante utilizada nas áreas de telecomunicações.
31
3.3.1 FUNCIONAMENTO DA FIBRA O funcionamento das fibras ópticas baseia-se no fenômeno físico da reflexão da luz. Na extremidade da fibra é inserido um feixe de luz que a percorre por sucessivas reflexões até o destino final. Como mostrado na Figura 3.1, as fibras ópticas são compostas do núcleo, região cilíndrica central por onde a luz passa, pela casca, que envolve o núcleo e por um revestimento primário, que tem a função de proteger a fibra.
Figura 3.1. Composição de um cabo de fibra óptica.
O núcleo e a casca são de vidro, porém com índices de refração diferentes. O índice de refração do núcleo ( N 1) é maior do que o índice de refração da casca ( N 2), para garantir possibilidades de reflexão total na interface das duas regiões. De acordo com as leis da reflexão e da refração, para que se tenha a reflexão total, a luz deve sair de um meio mais refringente para um meio menos refringente e o ângulo de incidência entre o núcleo e a casca deve ser igual ou maior do que o ângulo crítico, que é dado por sen θ c = N2 / N1, onde θ c é o ângulo crítico. A Figura 3.2, ilustra os feixes ópticos propagados na fibra. [1]
Figura 3.2. Propagação dos feixes ópticos na Fibra.
32
3.4
RADIOFREQUÊNCIA POR FIBRA ÓPTICA
Como mostrado na Figura 3.3, a crescente utilização dos meios sem fio e a crescente demanda por uma comunicação global através dos diversos meios como a internet, ficou mais difícil a utilização de técnicas antigas de comunicação para transmissão de dados. Nos dias de hoje a utilização de um meio físico que faça a distribuição de forma mais barata, melhorando as taxas de transmissão e atingindo locais onde enlaces de RF não são possíveis fazer a comunicação até então. A partir daí nasceu o termo RoF. [11]
Figura 3.3. Crescimento global do número de assinantes fixos e móveis.
Diferentemente das redes ópticas convencionais, em que se transmite sinal digital, em radiofrequência sobre fibra óptica, emprega-se um sistema em que um sinal de radiofrequência devidamente modulado altera de forma adequada um feixe de infravermelho a ser transmitido através de uma fibra óptica. Usualmente a transmissão é feita entre uma estação de controle (CS, de Control Station) e uma estação base (BS, de Base Station). [11] O sinal analógico que é transmitido sobre a fibra óptica pode ser um sinal RF, sinal na frequência intermediaria (FI) ou banda base (BB). Para transmissões de FI e BB, necessita-se de um hardware de upconverter , pois a banda de RF é exigida no BS. No transmissor óptico, o sinal de RF/FI/BB pode ser utilizado com modulação diretamente ou externamente à portadora óptica do feixe de luz, onde o sinal de saída deve ser idêntico ao sinal de 33
entrada. No entanto, há algumas limitações devido a não-linearidade e os limites da resposta em frequência do laser e da modulação do dispositivo. [11] 3.5
VANTAGENS
Devido à estrutura simples, o custo de implantação do sistema de infra-estrutura podem ser drasticamente reduzidos em comparação com outras alternativas. Além da vantagem do baixo custo potencial, a tecnologia RoF tem mais benefícios para transferir o sinal de RF, permitindo maior flexibilidade a rede e resposta rápida às variações de tráfico, pois temse uma arquitetura de rede centralizada. Em resumo, algumas das suas características que trazem vantagem são: 3.5.1
BAIXAS PERDAS POR ATENUAÇÃO
Para a transmissão de sinais, a fibra óptica apresenta uma menor perda de potência de transmissão do que alguns sistemas que utilizam a transmissão pelo espaço livre, cabo coaxial e guias de ondas. A transmissão de sinais pelo espaço livre é um sistema que apresenta um custo elevado e alguns problemas, devido à limitação do espectro, interferências de outros sistemas e fatores climáticos. A perda em um cabo coaxial é diretamente ligado a frequência de operação, um sistema operando em 5GHz pode vir a apresentar perdas acima de 100dB/Km. Portanto, para transmissões com uma frequência elevada é necessário o uso de amplificadores/regeneradores. A curva característica da atenuação numa fibra é apresentada na Figura 3.4. A atenuação é dependente do comprimento de onda, que apresenta menor atenuação em torno dos comprimentos de onda de 1310nm e 1550nm, que nas modernas fibras ópticas podem obter atenuações próximas de 0,3dB/Km. Essas perdas são muito inferiores do que as obtidas nos sistemas que utilizam o cabo coaxial e a transmissão em espaço livre. Isto permite uma maior distância de transmissão e uma menor potência emitida, com isso uma menor quantidade de repetidores para o enlace. [1], [10]
34
Figura 3.4. Atenuações em 1310nm e 1550nm.
3.5.2
ELEVADA LARGURA DE BANDA
A elevada largura de banda é proporcionada devido à alta frequência com que as portadoras são utilizadas. Com isto obtém-se uma alta velocidade de transmissão com uma taxa elevada, gerando um aumento na quantidade de informação a ser transmitida comparada a outros tipos de transmissão. Com a técnica de multiplexação em comprimento de onda (WDM) a capacidade do sistema pode ser aumentada. Algumas limitações como a dispersão, podem ser minimizadas com o uso de fibras de baixa dispersão ou dispersão negativa. Com esta importante vantagem da fibra óptica a tecnologia de radiofrequência por fibras ópticas pode ser empregada no sistema de banda larga. [10] 3.5.3
IMUNIDADE ÀS INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS
Como o meio de transmissão é a fibra óptica, que é um isolante, não existe a interferência de sinais eletromagnéticos, gerando assim uma melhor qualidade do sinal independente do quão o ambiente esteja com ruídos eletromagnéticos e também uma melhor segurança do sistema. [10] 3.5.4
ESTAÇÕES BASE SIMPLIFICADA
Devido ao fato da maioria dos equipamentos complexos (equipamentos necessários na geração da portadora, modulação e multiplexagem), se localizam na CS, a BS por sua vez fica com pouco processamento de sinal, tornando-se simplificada. [10]
35
3.5.5
BAIXO CONSUMO DE POTÊNCIA
Para a transmissão de sinais entre a BS e a CS em sistemas que utilizam a transmissão pelo espaço livre ou o uso de cabo coaxial, tem-se um alto consumo de potência, seja devido às perdas por atenuação, interferências ou pela necessidade de se ter na BS um consumo maior potência. Como os equipamentos de modulação, multiplexagem e geração estão na CS, a BS por sua vez fica mais simples e com um menor processamento, com isso o consumo de potência é reduzido. Podem-se também utilizar o modelo de pequenas células para cobertura de uma determinada área com este tipo de BS, fazendo com que as antenas necessitem de uma menor potência. [10] 3.6
LIMITAÇÕES
As principais limitações deste sistema estão nas limitações de desempenho apresentadas pelos componentes, como distorção, dispersão e o efeito das não-linearidades que afetam diretamente a faixa dinâmica. Estas limitações diminuem o desempenho do sistema, exigindo em alguns casos uma maior potência de transmissão. [10] Serão apresentados ao longo deste item algumas das principais limitações deste sistema. 3.6.1
FAIXA DINÂMICA (DR)
É a relação entre o menor e o maior valor possível de uma variável. Um dos fatores que limitam a DR é a não-linearidade encontrada nos dispositivos ópticos, que é a responsável pela maior limitação de um sistema RoF. As diversas não-linearidades presente no sistema limitam a potência óptica que será entregue numa ligação RoF. Devido a esta limitação é necessário maiores potências de transmissão, como em enlaces de grandes distâncias sem amplificadores intermediários. Para contorná-las são utilizadas técnicas que controlam o ganho para que o sinal recebido fique dentro da DR. [10] 3.6.2
DISPERSÕES
A dispersão é causada pela diferença de velocidade dos diversos modos de propagação, com isso as informações transmitidas chegam ao receptor com diferentes intervalos de tempo, tendo como conseqüência um alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento 36
determina a largura de banda do meio, e conseqüentemente a capacidade de transmissão. [1], [10] 3.6.2.1 DISPERSÃO MODAL Este tipo de dispersão é basicamente provocado pelos diferentes percursos que pode ter no núcleo da fibra. Os diferentes percursos são provocados pelas variações do diâmetro do núcleo, o comprimento de onda e o valor da abertura numérica. [1], [10] 3.6.2.2 DISPERSÃO MATERIAL Como o índice de refração depende do comprimento de onda, e a fonte de luz não é perfeita, então para cada comprimento de onda existe um índice de refração. Portanto, cada comprimento de onda viajará com uma velocidade, causando diferenças entre os tempos de propagação. [1], [10] 3.6.2.3 DISPERSÃO DE GUIA DE ONDA Seu efeito é mais visível nas fibras monomodo, devido ao pequeno diâmetro do núcleo. Este tipo de dispersão ocorre devido às variações nas dimensões do núcleo e do comprimento de onda transmitido. [1], [10] 3.7
APLICAÇÕES
Aplicações onde a necessidade de altas taxas de transferência de dados como em redes de acesso de banda larga sem fio, redes de telefonia móvel e o fornecimento de cobertura sem fio em localidade onde a condição da área torna impossíveis as instalações de centrais ou estações rádio bases, fazem com que a tecnologia RoF seja colocada em foco. Aplicações que requer elevada SFDR (de Spurious-Free Dynamic Range ), que se resume na relação entre a potência do sinal de entrada e a amplitude do harmônico mais proeminente, fazem com que a utilização da tecnologia RoF seja inadequada, devido à limitação da faixa dinâmica. Um exemplo que torna essa ineficiência verdadeira seria o sistema de telefonia móvel GSM (de Global System for Mobile Communications ) que requer SFDR acima de 70dB em sua parte externa da rede. Em contra partida, em redes internas temse um decréscimo de aproximadamente 25%, chegando a 50dB viabilizando a aplicação da tecnologia RoF em redes de telefonia móvel de segunda geração. Para aplicação em 37
ambientes internos o RoF trabalha como um sistema de distribuição de antenas. Ao contrário de uma rede GSM, a rede UMTS (de, Universal Mobile Telecommunications System ), que utiliza tecnologia WCDMA (de, Wide-Band Code-Division Multiple Access ), possui a particularidade de controlar sua própria potência de transmissão, para que haja um sincronismo do nível da potência do sinal, entre os UE (de, User Equipment ) e as BS. A rede UMTS não requer de elevados índices de SFDR, logo sistemas de distribuição RoF poderão ser usados tanto em ambientes fechados quanto em ambientes abertos nas redes de telefonia móvel de 3ª geração. [10] Sistemas wireless , onde requer transferência de dados ao longo de grandes distâncias, com a aplicação da técnica de RoF se torna possível o acesso à banda larga com um baixo custo e alta eficiência. 3.7.1
REDES DE COMUNICAÇÕES SEM FIO INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF
Com a evolução das redes de comunicação wireless , devido ao aumento do número de acessos a banda larga através de dispositivos portáteis, principalmente em ambientes fechados, bem como prédios, shoppings, estádios, aeroportos, entre outros, tornou-se necessário a utilização de portadoras de microondas com nível de potência mais alto, oferecendo maior capacidade de transmissão. A fim de suprir a demanda de tráfego, visto que em uma redes wireless banda larga atual, oferece em uma única portadora uma taxa de transmissão de 65Mb/s a 600Mb/s sendo necessário um valor de frequência mais elevada, na banda de 5GHz (IEEE 802.11n). Isso resulta em um acréscimo nos custos da infra-estrutura, devido ao maior número de equipamentos de microondas necessários para cobrir uma determinada área. Com a aplicação da tecnologia RoF nas redes wireless é possível obter o acesso à banda larga com um baixo custo de infra estrutura e alta eficiência. A Figura 3.5 ilustra a distribuição das tecnologias wireless relacionando a taxa de dados de acordo com suas aplicações, onde pode notar que uma rede WLAN (rede local sem fio, de wireless local area network )
possui taxas de transmissão de dados compreendidas entre 65Mb/s a 600Mb/s.
[9]-[10]
38
Figura 3.5. Tecnologias wireless e suas respectivas taxas. [9]
3.7.2
REDES UMTS INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF
As redes de telefonia móvel de terceira geração, denominada UMTS, possibilitou taxas de transferência de dados de no mínimo 144Kb/s para ambientes externos com alta mobilidade e 2Mb/s em ambientes externos com baixo índice de mobilidade. Uma rede GSM oferece taxas de aproximadamente 10Kb/s. Diante essa evolução das redes celulares em termos de taxa de transferência, resultou-se nas redes PCN (de, Personal Communications Networks),
possibilitando ao usuário uma ampla opção de serviços através do sistema de
telefonia móvel. Para que as redes PCN fossem capazes de oferecer tais serviços com elevadas taxas, foi necessário a implementação de equipamentos ópticos com alto grau de confiabilidade e capacidade de tráfego de dados com altas taxas de transferência. [13] No entanto, a tecnologia RoF possibilitou a integração das redes celulares utilizando equipamentos ópticos, garantindo a conexão entre a estação central (controle e inteligência da rede) e estação rádio base. Possibilitou uma transferência de dados com largura de faixa suficiente para atender tráfegos de dados com altas taxas de transmissão através de um meio de transmissão óptico garantindo a alta confiabilidade e imunidade a interferências eletromagnéticas. [13]
39
λ 1
λ 1 λ 1,λ 2
λ 2
λ 2
Figura 3.6. Diagrama de blocos de um sistema microcelular interligado por fibras ópticas.
Conforme a Figura 3.6, no sentido de subida (estação rádio base para estação central) diferentes sinais são captados pela estação receptora e entregues ao filtro passa faixas, que selecionará a faixa de frequência desejada. Em seguida esses sinais são amplificados e inseridos no processo de multiplexação SCM, que em conjunto com o processo de multiplexação por comprimento de onda (WDM) são transportados até a estação central por um feixe óptico ( λ 1) através de um único meio físico. Já no sentido contrário onde o sinal é enviado da estação central até a estação rádio base é utilizado um segundo comprimento de onda (λ 2), mas que devido à utilização do processo de multiplexação por comprimento de onda o meio de transmissão é compartilhado, ou seja, é utilizada uma única fibra óptica para realizar a transmissão, tanto no sentido de subida quanto no sentido de descida do sinal. [13] 3.7.3
REDES HÍBRIDAS DE CABO COAXIAL E FIBRA ÓPTICA
Devido à grande capacidade de transmissão, baixas atenuações, imunidade a interferências eletromagnéticas entre outras características, a fibra óptica tornou se um grande atrativo aos sistemas de CATV, superando de forma eficaz e econômica os cabos coaxiais. O sistema de TV a cabo padrão utiliza cabos coaxiais em toda extensão da rede e devido a elevados índices de ruído e distorções que esses cabos são submetidos. Os sinais sofriam atenuações ao longo do enlace, sendo necessário o uso de amplificadores ou repetidores para regenerar e amplificar o sinal. O número desses dispositivos na rede de CATV, entre central de TV a cabo ( Headend ) até o usuário final era de aproximadamente 35. Os sinais de vídeo no sistema padrão de CATV eram transmitidos de forma unidirecional, ou seja, da estação receptora do satélite (eventualmente identificada pela designação em inglês de Headend ) para o usuário. [14] 40
Com o advento da tecnologia de transmissão de radiofrequência em fibras ópticas, desenvolveram-se as redes híbridas constituídas por combinações de fibras ópticas e cabos coaxiais (HFC, Hybrid Fiber-Coaxial Cable), onde têm sido aplicadas em diferentes sistemas de comunicações, como por exemplo, redes de TV a cabo. Na topologia da rede HFC o meio de transmissão do centro de distribuição de TV até os pontos de conversão de mídia, denominados nós ópticos ( Transceiver ) é feito por fibra óptica. Por outro lado, a conexão entre o transceiver e a conexão final com usuário é feita através de cabo coaxial, conforme ilustrado na Figura 3.7. [14]
Figura 3.7. Topologia de Redes Híbrida com aplicação em CATV.
Na arquitetura de rede padrão de TV a cabo os sinais de RF são captados pela estação transmissora e entregues a central de TV a cabo, onde é realizado todo o processo de modulação do sinal e a distribuição através de cabos coaxiais. Já nas redes híbridas o processo de modulação e distribuição dos sinais, agora utilizando tecnologia RoF, é realizado pela “Central de distribuição” e transmitidos pelos nós ópticos através de fibra óptica. Esse nó converte o sinal óptico para sinal de elétrico (RF) e transmite através de cabos coaxiais até o usuário. [14] As redes HFC têm como vantagens em relação às redes padrões de CATV a substituição em menor escala (aproximadamente ¼) de amplificadores elétricos por amplificadores ópticos, pelo fato da fibra ser mais imune a ruídos e atenuações. Possibilitou um aumento na capacidade de transmissão do sistema com um menor nível de potência de transmissão, melhor qualidade do sinal, redução nos custos de manutenção (devido à menor utilização de
41
amplificadores) e permitiu a comunicação bidirecional (fluxo de dados da central de distribuição ao usuário e do usuário até a central de distribuição). [14] 3.8
COMPONENTES
3.8.1
MULTIPLEXADOR ÓPTICO
É um elemento que está situado na rede de fibra óptica. A função principal do OADM (multiplexador óptico de injeção e extração, de O ptical Add-Drop Multiplexer ) é multiplexar diversos streams de diferentes velocidades em um único stream óptico da rede, além de proporcionar funções de extração e injeção. [15]-[16] 3.8.1.1 PROCESSO DE EXTRAÇÃO Para que consiga extrair comprimentos de ondas de um WDM, deve-se realizar a demultiplexação do sinal WDM, ou seja, o primeiro passo desta técnica é separar o comprimento de onda de 1310nm dos outros (extração do sistema assimétrico com o sistema simétrico de multiplexação). A seguir, extrair os quatro comprimentos de onda de derivação dos outros quatro de fim a fim, comprimentos superiores e inferiores respectivamente. Em seguida extrair os comprimentos na faixa de 1590nm e 1610nm dos comprimentos entre as faixas de 1550nm e 1570nm, por fim extrair o comprimento de onda de 1610nm com o comprimento de 1590nm. [15]-[16] 3.8.1.2 PROCESSO DE INJEÇÃO O funcionamento do processo de injeção ocorre de forma contraria ao da extração, pois o OADM neste caso é simétrico se comparado à extração (demultiplexador) e a injeção (multiplexador). [15]-[16]
42
CAPÍTULO 4. SISTEMA DE RECEPÇÃO 4.1
INTRODUÇÃO
Após a geração do sinal e a transmissão do mesmo pela fibra óptica, este sinal é entregue a um receptor que irá tratá-lo, fazendo a demodulação e a demultiplexação, recuperando o sinal com a informação inicial. Este capítulo abordará o sistema de recepção, bem como os componentes mais utilizados, as técnicas de demodulação e demultiplexação. 4.2
COMPONENTES
4.2.1
FOTODIODOS
O fotodiodo é constituído de um diodo de junção, para que assim seja possível a utilização da luz como fator principal no controle da corrente elétrica. Sua junção é do tipo pn semicondutor e sua região de operação é restringida pela região de polarização reversa e caracteriza-se apresentar uma sensibilidade à luz. [1], [17] Este dispositivo é existente na saída de uma linha de transmissão óptica, que possui um elemento receptor para interpretar a informação de um determinado sinal. O elemento receptor é conhecido como fotodetector. O fotodetector tem a finalidade de detectar a potência óptica, para converter as variações desta potência em variações de corrente elétrica. Em casos em que o sinal óptico é de baixa intensidade e distorcido, é preciso que o fotodetector apresente um bom desempenho, ou seja, devem-se ter altas velocidades de resposta e possuir sensibilidade no comprimento de onda de emissão. Também é necessário que a largura de banda seja grande, para resistir ao débito de informação, introduzir o mínimo de ruído no sinal, permitir que as variações de temperatura sejam insensíveis e que as dimensões físicas do canal de transmissão sejam compatíveis. Existem vários tipos de fotodetectores, dos quais podemos citar os fototransistores, os fotodiodos APD e PIN. [1], [17] 4.2.2
FOTOTRANSISTOR
Ele permite detectar certa incidência de luz e proporciona um ganho através de um único componente. O fototransistor é uma união de dois diodos de junção que agrupado ao 43
efeito transistor, faz com que se transforme em um efeito fotoelétrico. É apresentado com dois terminais, sendo eles o coletor e o emissor e a base serve para que seja feita a polarização ou controle elétrico. [1], [17] 4.2.3
FOTODIODOS APD (AVALANCHE PHOTODIODE)
Apresentam uma região de campo elétrico alto, que acelera os fotoportadores até uma determinada velocidade compatível para que seja possível produzir novos portadores com as colisões com os átomos com esta velocidade. Devido a ionização, as partículas criadas são aceleradas pelo campo elétrico, dando continuidade ao processo de avalanche. Os fotodiodos APD amplificam na parte interna a corrente fotodetectada primária. [1], [17] 4.2.4
FOTODIODOS PIN (PIN PHOTODIODE)
Possui uma estrutura de uma junção pn, com região suavemente dopada de largura Wi (região de intrínseca) entre as regiões p e n, e apresentam níveis de dopagem altos. Sua região de depleção de largura Wd , possui região intrínseca com as regiões p e n. Em casos em que o fóton incidente permite energia maior ou idêntica ao intervalo energético no meio das bandas (“band gap”) do dispositivo semicondutor, o fóton alimenta uma energia e excita um elétron da banda de valência, para que assim a banda de condução seja deslocada. Neste procedimento gera pares livres de elétrons, ou seja, lacunas conhecidas por fotoportadores. A Figura 4.1 ilustra o fotodetector PIN. [1], [17] Com uma intensidade alta de campo elétrico na região de depleção, é possível perceber que os portadores irão se separar, para que os terminais da junção inversamente polarizada recolham estes portadores. O movimento de cargas faz aparecer no circuito exterior um fluxo de corrente, mais conhecida como corrente fotodetectada. [1], [17] Em sistemas de comunicação mais lentos trabalha-se com comprimentos de ondas na faixa de 0,8 a 1,6 micro metros. Estes comprimentos de onda estão na região espectral onde os fotodetectores de silício apresentam ótimo desempenho. Nas linhas de transmissão por fibras ópticas é usual utilizar comprimentos de onda superiores, sendo necessário o uso de fotodiodos que usam compostos com elementos do grupo três e quatro. [1], [17]
44
Figura 4.1. Partes de um fotodetector PIN.
4.2.5
VANTAGENS E DESVANTAGENS DO APD EM RELAÇÃO AO PIN
Pode-se citar como uma vantagem o ganho existente na conversão óptico-elétrica. E como desvantagens: [1], [17] •
O ruído quântico pode apresentar a limitação em seu desempenho, no PIN é
desconsiderado, pois o ruído é apenas do circuito; •
É mais caro e mais complexo;
•
Alta sensibilidade, como o ganho a uma determinada temperatura;
•
As tensões de polarização necessitam ser superiores para garantir a multiplicação em
avalanche. 4.3
TÉCNICAS DE DEMODULAÇÃO
Conforme apresentado no item 2.4.1, a modulação comumente utilizada na transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica, devido a sua simplicidade e custo, é a modulação por intensidade, feita analogicamente. Foram abordados os três tipos de modulação por intensidade: a modulação direta por intensidade, a modulação externa e a heteródina remota. Nas demodulações diretas e externas, após a transmissão pela fibra, o sinal é detectado pelo fotodiodo, gerando uma corrente que será o sinal de RF utilizado na modulação. Este sinal passará por algumas amplificações para que se obtenha o nível de tensão desejado. [10] 45
Na demodulação heteródina, a detecção das duas portadoras combinadas pode ser feita através do fotodiodo, ou então cada portadora pode ser detectada por fotodiodos diferentes. Através da corrente gerada pelo fotodiodo é recuperado o sinal de RF utilizado na modulação. Na demodulação heteródina que é utilizado um único fotodiodo, a geração da corrente é obtida através dos harmônicos, soma e diferença, das frequências das duas portadoras. [10] A Figura 4.2 ilustra o esquema de demodulação, onde o sinal é recuperado pelo fotodetector, este sinal passará pelo filtro passa-altas para que seja eliminado a parte DC (de direct current )
do sinal, o filtro passa-faixa fará a seleção da subportadora desejada, o
demodulador fará a demodulação do sinal elétrico, o filtro passa-baixas selecionará o batimento inferior do sinal, que será o sinal inicial inserido na entrada do sistema.
Figura 4.2. Esquema de demodulação.
46
CAPÍTULO 5. 5.1
COMENTÁRIOS E CONCLUSÃO
CONCLUSÃO
Tradicionalmente, os sinais de RF são distribuídos por sistemas que utilizam a transmissão por espaço livre ou cabos coaxiais. Ao longo deste trabalho foi apresentada a tecnologia de transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica, seu processo de transmissão, a fibra óptica como meio de transmissão e por fim o sistema de recepção. Esta tecnologia consiste na modulação de um feixe óptico por um sinal de RF que será multiplexado e inserido no meio de transmissão. Este sinal será detectado pelo fotodetector e passará pelo processo de demultiplexação e demodulação, recuperando-se o sinal de RF. Com a utilização deste sistema é possível fazer a interligação da CS às diversas BSs, com um melhor custobenefício, dependendo da utilização aplicada. 5.2
ESTUDOS PROPOSTOS
Sugestões para futuros estudos do sistema de transmissão de radiofrequência sobre fibra óptica: •
Técnicas de geração e transporte de sinais de RF, como por exemplo, a técnica de
conversão FM- IM, travamento de fase óptica, bloqueio por injeção óptica- OIL, travamento de fase com injeção óptica, duplo modo (travamento de duplo modo – MDL); •
Aplicação da tecnologia de rádio sobre fibra em rede IEEE 802.15.4;
•
Modulação Óptica com Dupla Faixa Lateral (ODSB, Optical Double Side Band );
•
Modulação Óptica com Faixa Lateral Simples e Portadora Suprimida (OSSB-SC,
Optical Single Side Band Suppressed Carrier ).
47
REFERÊNCIAS [1] RIBEIRO, J. A. J. Comunicações ópticas . São Paulo: Érica, 2003. [2] MARTIGNONI M. A. Sistemas de Modulação e Multiplexação . Apostila Cabling I. Disponível em: < http://www.impacta.com.br/> Acesso em: 14 abr. 2011 – 10:30. [3] ARSAT B. M. Simulation and performance analysis of the sub carrier multiplexed radio over fiber system . 2007. 123 f. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia Elétrica, University Technology Malaysia, 2001. [4] TOGNERI A. P. Analise de sistemas de multiplexação por subportadoras – SCM . Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica/Automação) Programa em Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo, 2005. [5] COELHO N. V. D. Estudo sobre a viabilidade de utilização de sistema de multiplexação por subportadoras . 2007. 108 f. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Instituto Militar de Engenharia, 2007. [6] SILVEIRA C. R. Estudos de formatos especiais de modulação digital para comunicações ópticas . Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2009. [7] HUI R; ZHU B; HUANG R; ALLEN C. T; DEMAREST K. R; RICHARDS D. Subcarrier Multiplexing for High-Speed optical Transmision. Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 20, n. 3, p. 11, 2002. [8] XIAO S; WEINER A. M. Four use 3 GHz – Spaced subcarrier multiplexing (SCM) Using Optical Direct – Detection via Hyperfine WDM . IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, n. 10, p. 3, 2005. [9] NG’OMA A. Radio over fiber Technology for Broadband Wireless Communication System. 2005. 171 f. Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade de Tecnologia Eindhoven, 2005. [10] SILVA J. Desenvolvimento de um sistema para distribuição de sinais de rádio sobre fibra óptica . 2010. 41 f. Tese (Mestrado Em Engenharia Eletrônica e da Computação) – Faculdade de Engenharia Elétrica, Faculdade do Porto, 2010. [11] KIM H. B. Radio over fiber based network architecture. 2005. 166 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia Elétrica e da Computação de Berlim, 2005. [12] SHF – Communication Technologies AG . Modulation Schemes Tutorial. N. 5, p. 5. Berlim. [13] SOUZA L. V; COSTA J. C. W. A. Analise de sistemas de microcelulares integrados por fibras ópticas . Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 2, n. 4, p. 24, 2001. 48
