"Transmissão Óptica Analógica Multicanal em Redes Red es HFC" Introdução Nas rede híbridas fibra-coaxial (HFC), muito úteis na distribuição de serviços multimídia em banda larga, a caracterização dos limites de transmissão da rede óptica são fundamentais, pois a rede óptica é a espinha dorsal dessas redes, que podem suportar elevado tráfego, sobre extensão territorial ampla. No presente trabalho investigamos os limites da transmissão de sinais analógicos banda larga sobre enlaces de fibras ópticas, no contexto de uma rede HFC multiserviço [1]. Para isso foi montado um protótipo experimental de rede, a nível de laboratório no CPqd, mapeando exatamente um braço de rede real. O enlace óptico utilizado constituiu-se de equipamento de última geração [1], em conjunto com equipamentos e componentes estado-da-arte disponíveis no CPqd. Investigamos parâmetros ópticos relevantes na transmissão analógica banda larga (redes CATV), conforme anteriormente detalhado [2]. Constatou-se, conforme previsto [2], que o sistema apresenta-se como uma solução robusta, potencialmente capaz de atender a todos os requisitos de transporte e distribuição de sinais analógicos multicanal, em banda larga. São detalhados a seguir, os experimentos, equipamentos, medidas e resultados obtidos, bem como análise e avaliação do impacto dos vários parâmetros na transmissão e recepção óptica analógica multicanal, perfazendo até 82 canais AM-VSB, em enlaces de vários quilômetros de extensão.
nlace Óptico para Transmissão Analógica Banda-Larga
E
Na Fig.2.1 temos um esquema da montagem experimental, que denominamos Braço Óptico 1. Diferentes fontes de portadoras RF (moduladores), na grade NTSC, canais espaçados de 6 MHz, incluindo até 82 portadoras RF, são combinadas e inseridas no transmissor trans missor óptico TxO. Este multiplexa e transmite todos os canais através de fibra óptica monomodo, passando por um divisor de feixe (splitter) e por uma extensão de fibras, cabos ópticos, emendas e conectores até chegar ao receptor RxO. Este demultiplexa e entrega as portadoras, moduladas ou não, à rede coaxial. Nossa investigação termina nesse ponto.
Transmissor Óptico Sistemas ópticos analógicos de alta capacidade, utilizam como transmissor laser monomodo linear tipo DFB (Distributed Feedback), com estreita largura espectral, aqui operando em 1310 nm, que é o zero de dispersão de fibras convencionais.
Fig.1 ± Montagem Experimental do Protótipo Rede Óptica HFC ± Braço Óptico 1 downstream. O laser é sempre operado acima da corrente limiar, onde funciona como um oscilador linear. Entretanto, os sistemas analógicos de alta capacidade são muito sensíveis a não-linearidades, que geram por sua vez produtos de distorsão não-linear. Assim, é incluido no transmissor um circuito pré-distoçor, que minimiza dinamicamente essas não- linearidades. O índice de modulação por canal deve ser pequeno, pois quando há muitos canais, o efeito combinado pode levar a excursão total de modulação muito próximo ao limiar do laser; senão o laser "apaga" (efeito de clipping ), ), e a transmissão é interrompida. No TxO utilizado (SciAtl mod. 6973-XL), estes cuidados estão implementados, e para garantir desempenho, só se pode ajustar a potencia óptica de 6 a 8 dBm, em passos de 0,5 dBm, e índice de modulação de 4 a 6%. Ademais, um isolador óptico no laser DFB garante que a luz eventualmente retro-
espalhada ao longo da linha óptica não afete o desempenho do laser, ao menos dentro dos limites estudados. O índice de modulação do laser é dado pela razão entre a potencia óptica modulada e a potencia DC emitida pelo laser, m=P m /P o. . Quando N canais estão presentes, cada qual com índice mi , resulta uma modulação RMS total [3], s rms = (N/2)1/2. mi Para N=80 e mi=4% , temos srms = 0,25 , e a probabilidade de que os canais com fases aleatórias se alinhem, dando m>1, será <3,6x10 -5 [3]. Em nenhum dos nossos experimentos, em dezenas de medidas realizadas, foi observado o efeito de clipping . A largura de linha espectral emitida influi de modo significativo nas características de atenuação e dispersão na transmissão por fibra óptica, e também no efeito de chirping do laser [2]. A largura de linha do laser DFB utilizado, foi medida por auto-correlação, sem modulação, obtendo-se d l | 3dB = 1,7 MHz . A medida óptica direta resulta no limite do instrumento, d l | 3dB @ 17 GHz, que tem resolução espectral máx.= 0,1nm @ 17 GHz, em 1310 nm, e que muito acima da largura intrínseca medida por auto-correlação. Observa-se que a medida óptica é a mesma com o laser modulado e sem modulação, o que significa que o chirping do laser modulado é bem menor que a resolução da medida direta.
CNR em Enlaces de Fibra Óptica "Carrier to Noise Ratio" (CNR), é a razão entre a potência do sinal e a potência do ruído na saída do receptor. Para se garantir bom CNR, dentro de padrões pré-estabelecidos, não basta maximizar a potencia óptica do sinal; a dificuldade é garantir baixo nível de ruído na transmissão e recepção. É importante salientar que os ruídos do laser, do fotodetetor, e do receptor são adicionados na recepção, e transferidos ao Analisador de Espectro (Fig.1), onde se realiza a medição do CNR. No presente caso, a potencia do transmissor chega a +8dBm, e não se observa ruído do laser. As fontes de rúido observadas, isolando seletivamente, foram amplificador do receptor óptico (ruído intrínseco ao sistema), e o ruído térmico do equipamento de medida (ruído extrínseco). Outro ruído extrínseco detectado, foi devido a linha de alimentação, a princípio dificil de ser isolado, mas resolvido implementando-se fonte f iltrada e estabilizada. Quando os ruídos estão controlados e baixos, os resultados são excelentes. Os resultados das medidas de CNR estão na Tabela 2.1, em conjunto com os resultados de CSO e CTB. Pode ser apreciado na forma de gráfico, Fig.3.
(a)
(b)
Fig. 2 ± Largura de linha do laser do TxO: a) medida auto-correlação; b) medida óptica direta. Receptor Óptico Para atender às necessidades de linearidade dos enlaces de faixa larga, o receptor inclui além do fotodetetor PIN, um amplificador híbrido de baixa distorção. Receptores de faixa larga são projetados para operar em uma faixa relativamente estreita de potência óptica recebida; fora da qual, o receptor pode degradar a linearidade do enlace. Portanto, é fundamental verificar e manter os níveis máximo e mínimo de potencia óptica efetivamente aceitáveis na recepção. O receptor SciAtl. 6920 Low Gain, permite de +3dBm a ±3dBm. Entretanto, visando conhecer a real faixa dinamica, investigamos o comportamento do sistema desde +3dBm até ±6dBm. As medidas foram realizadas no Braço Óptico 1, com carga plena de canais (82 canais), mantendo-se o transmissor fixo e atenuando-se o sinal na linha óptica com atenuador de alta precisão, inserido no lugar do carretel de fibra. A Fig.3, abaixo ilustra os resultados de faixa dinâmica, incluindo o comportamento da distorsão de 2 ª ordem (CSO). Observa-se que o desempenho é ótimo na faixa de potencia óptica de +2dBm a ±1dBm, chegando ao RxO. Fora dessa faixa, o CNR degrada nitidamente abaixo de ±3 dBm, eo CSO degrada acima de +2dBm, ambos comprometendo a qualidade do sinal.
Fig.3 ± Medidas de faixa dinamica de operação do Enlace Óptico.
Tabela 2.1 ± Medidas no Braço Óptico 1, com fibra boa (Carr.TG01) Canal
Mhz
CNR
CSO
CTB
Obs.
04
67,25
55
68
69
Ruido "plano"
10
193,25
55
67
68
""
38
307,25
53
66
65
""
60
433,25
53
65
65
""
77
541,25
52
65
65
""
CNR, CSO e CTB medidas em dBc.
CSO e CTB A distorção nos sistemas de vídeo multicanal, ocorre internamente ao sinal ótico, e é devida a um grande número de batimentos de pequenas distorções, que se adicionam e recaem em frequencias RF dentro da banda de operação. Mecanismos de distorções de segunda ordem compostas (CSO), resultam em distorções de inter-modulação em frequencias, que são a soma ou a diferença entre duas portadoras RF. Na grade de sinais NTSC utilizada, as frequencias das portadoras estão espaçadas de 6 MHz, e os batimentos aditivos (f1+f2) recaem em 1,25 MHz (acima/abaixo de uma portadora); e batimentos subtrativos (f1-f2) recaem em 0,75 MHz. O maior número de batimentos subtrativos ocorre nos canais baixos e o maior número de batimentos aditivos ocorrem nos canais de frequencias altas. O efeito combinado é que CSO tende a ser máximo no meio da banda. Em geral, não há uma relação de fase fixa entre as portadoras, e a potência de distorção composta CSO é a soma das potências de cada um dos batimentos de distorção. A dependência com número N de canais carregados, é da forma CSO ~ N 2.m2 , sendo m o índice de modulação [3]. Uma vez que o CSO não recai sobre a portadora de RF, mede-se o nível de CSO com a portadora ligada, mas sem modulação. A modulação mascara completamente o CSO e o CNR, impedindo que a qualidade da transmissão seja avaliada. Mecanismos de distorções de terceira ordem (Composite Triple Beat CTB), resultam em batimentos de distorção que estão em frequencias que são as somas ou diferenças entre três portadoras. Estes batimentos são da forma (f1 f2 f3), e recaem exatamente sobre as frequencias das portadoras de RF. Uma vez mais, a potência composta de distorção é a soma das potências de cada batimento CTB. A dependencia com número N de canais carregados, é da forma CTB ~ N 3.m4 . Uma vez que o CTB recai exatamente sobre as portadoras RF, é necessário sempre desligar a portadora em questão para poder medir o CTB no canal correspondente. As medidas realizadas comprovam que para que o sistema apresente desempenho padrão e elevada qualidade de sinal, devemos ter CNR>50dBc, e CSO/CTB>-60dBc. A Tabela 2.1, e a Fig.3, mostram esses resultados. Veremos adiante que fibras de qualidade duvidosa ou ruim, comprometem essas especificações. Se CNR<48dBc, e CSO/CTB>-55dBc, a qualidade da transmissão torna-se sofrível, que significa inaceitável. Estendeu-se o limite de alcance do sistema até 10 km de fibra no enlace, e todas as características foram medidas, ficando dentro do padrão.
Dispersão do Modo de Polarização (PMD) A dispersão dos modos de polarização tem sido muito estudada em sistemas ópticos digitais de alta capacidade e longas distancias [6,7]. Nos sistemas ópticos analógicos banda-larga, este efeito pode surgir em distancias curtas de poucos quilômetros, devido aos estritos requisitos de linearidade. A PMD ocorre pelo atraso nas componentes ortogonais de polarização da luz que se propaga no modo fundamental da fibra, devido a tensões mecânicas intrínsecas no interior da fibra, e extrínsecas, como vibrações mecânicas, e variações de temperatura [4,5,6]. Além do atraso linear de propagação, a PMD pode afetar CSO/CTB , tanto pelo atraso, como pela perda PDL, quando houver no enlace componentes ópticos sensíveis a polarização, como splitters. O atraso de propagação Dt devido a PMD, na aproximação de fibras com fator de PMD moderado, como nas fibras monomodo convencionais, é dado por onde b (ps/km 1/2 ) é o fator de atraso , e L é o comprimento da fibra.
Para determinar a influencia da PMD na qualidade da transmissão, introduzimos fibras com valores de PMD muito elevados (Tabela 3.1). Tais fibras são atualmente rarasm mas são úteis no estudo dos limites de desempenho do sistema. As medidas da influencia da PMD, foram realizadas, inserindo-se as fibras de PMD conhecida ± Tabela 3.1 - na posição do carretel de fibra (Fig.2.1). Esse procedimento permite que os resultados possam ser diretamente comparados entre todas as fibras.
Tabela 3.1 ± Fibras monomodo com elevada PMD utilizadas. Fibra
L (km)
PMDT 1310 1550
(ps)
Carr 03
1,9
28,5
26,5
20,7
19,2
Carr.04
3,6
2,7
2,5
1,42
1,32
Carr. 05
3,6
10,8
7,7
5,70
4,06
b (ps/km1/2)
Tabela 3.2 ± Fibras monomodo padrão utilizadas, com baixa PMD. Fibra
L (km)
PMDT 1310 1550
(ps)
Carr TG01
2,6
0,13
0,19
0,08
0,12
Carr. Longa
10,0
0,17
0,22
0,05
0,07
b (ps/km1/2)
Fibras monomodo de boa qualidade apresentam fator de PMD típico b < 0,5 ps/km 1/2 (Tabela 3.1 e 3.2); nesse caso observa-se que a PMD não é problema nas redes metropolitamas multiserviço. Mas, como a PMD das fibras monomodo nem sempre foi bem controlada, fibras instaladas podem apresentar problemas de distorção devido a PMD, de modo que é um parametro importante de ser caracterizado em bancada e em campo.
Ruído Interferométrico e Perda de Retorno (Optical Return Loss ORL) Múltiplas reflexões que ocorrem ao longo do caminho óptico, por imperfeições da fibra, por interfaces em emendas e conexões, ou mesmo pelo espalhamento Rayleigh intrínseco do material, misturam-se ao sinal original e causam excesso de ruído. A potência total de ruído, depende das parcelas de ruído co-propagante que se juntam ao sinal, e chegam ao detetor. No presente trabalho foi tomado cuidado para que as parcelas devido a conexões e emendas, fossem minimizadas para bom desempenho do enlace, com seleção e escolha criteriosa de conectores (perda conexão < 0,3dB), e emendas de alta qualidade (perda emenda < 0,1dB). A
parcela de ruído residual Rayleigh, que embora intrínseca e inevitável, é pequena, fica minimizada pela seleção de fibras monomodo com baixa atenuação. Ruído interferométrico será analisado em trabalho posterior.
Reflexões Discretas A principal fonte de reflexões ópticas discretas são as conexões. Na prática, observa-se que conectores do tipo PC podem ser utilizados em enlaces ópticos de redes HFC sem problemas, com ORL = -35 dB, obedecendo entretanto a um número limite de conexões, de acordo com a capacidade do sistema. Quer dizer, para uma carga de canais reduzida , a tolerancia é maior.
Conclusões Foram investigados os principais fatores e parâmetros que afetam e influem no desempenho de um enlace óptico de transmissão analógica banda-larga, no âmbito de uma rede HFC. Para isso foi montado um protótipo experimental de rede óptica HFC, a partir de equipamentos e componentes do estado-da-arte. Realizou-se uma detalhada avaliação dos equipamentos e componentes do enlace, a fim de se caracterizar as condições do sistema. Parâmetros do transmissor (TxO), parâmetros do receptor (RxO), ruídos dos moduladores e amplificadores de RF, ruídos de equipamentos, reflexões na linha óptica, perdas em emendas e conexões, são alguns desses. Na sequencia, implementou-se o carregamento de 82 canais RF, com e sem modulação, e foi observado comportamento dinâmico do sistema e limites de operação. Introduzimos intencionalmente fibras com elevada dispersão de polarização, e grandes quantidades de interfaces de conexão. Observou-se a partir das medidas e analise dos resultados, que para que o sistema apresente bom desempenho e elevada qualidade de sinal, devemos ter CNR>50dBc, e CSO/CTB>-60dBc. Se CNR<48dBc, e CSO/CTB>-55dBc, a qualidade da transmissão torna-se sofrível, que significa inaceitável. Os resultados demonstram ser necessário o conhecimento destes parâmetros para o projeto otimizado de redes ópticas HFC, posto que dadas as condições a serem atendidas, pode-se obter assim os melhores resultados, e consequente economia e otimização da quantidade de equipamentos e componentes necessários à viabilização da rede.
Referências e Bibliografia: [1] Projeto RTM, Telegoiás, 1997 ( q.v. in Workshop Tecnológico de Redes de Acesso, CPqd, 1997); e Contrato CPqd/Telegoiás ± DSC/156/97 (1997). [2] F.R.Barbosa, F.Borin, RT-1/Telego-ver., STCO/CPQD, Mar. 98 [3] Jiaxi Kan, "Broadband Fiber Optic Video Transmission", Harmonic Lightwaves, 1997 [4] Ortel Corp., "Guide to Broadband Fiber Optic Systems", 1995
[5] C.D.Poole, T.E.Darcie, J. Lightw.Tech. 11 (11), p.1749 (1993) [6] J.P.vd.Weid, et al., "Dispersão de Polarização em Fibras öpticas", RT-Cetuc/paIOEle02/96 , PUC-RJ (1996). [7] C.D.Poole, et al., "Fading in Lightwave Systems due to Polarization Mode Dispersion", IEEE Photon.Tech.Lett.3 (1), 68 (1991). [8] P.M.Gabla, et al., "35 AM-VSB TV Channels Distribution with High Signal Quality using Er-doped Fiber Amplifier", IEEE Photon.Tech.Lett.3 (1), 56 (1991); [9] E.E.Bergmann, C.Y.Kuo, S.I.Huang, "Dispersion-Induced Composite Second Oreder Distortion at 1,5um", IEEE Photon.Tech.Lett.3 (1), 59 (1991); [10] IEEE J.Lightw.Tech., "Special Issue on Broad-band Lightwave Video Transmission" , January 1993.
