TCC - Transmissão de RF sobre fibra óptica

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Instituto Nacional de Telecomunicaes

CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

TRANSMISSO DE RADIOFREQUNCIA SOBRE FIBRA PTICA

Breno Cosme Teixeira Carlos Henrique Brando Ribeiro do Valle Madjer Patrick Silveira Athayde Samuel Arantes da Silveira

Junho de 2011

TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO DO INATEL

Breno Cosme Teixeira Carlos Henrique Brando Ribeiro do Valle Madjer Patrick Silveira Athayde Samuel Arantes da Silveira

Trabalho de concluso de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicaes, como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Engenheiro Eletricista.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Jos Antnio Justino Ribeiro

Santa Rita do Sapuca 2011

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Athayde, Madjer Patrick Silveira A865t Transmisso de Radiofreqncia Sobre Fibra ptica / Breno Cosme Teixeira, Carlos Henrique Brando Ribeiro do Valle, Madjer Patrick Silveira Athayde, Samuel Arantes Da Silveira. Santa Rita do Sapuca, 2011. 50 p. Orientador: Prof. Dr. Jos Antonio Justino Ribeiro Trabalho de Concluso de Curso Engenharia Eltrica Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL. Inclui bibliografia e anexo. 1. Radiofreqncia 2. Fibra ptica 3. Modulao 4. Multiplexao I. Ribeiro, Jos Antonio Justino II. Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL. III. Ttulo. CDU 621.31

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FOLHA DE APROVAO

Trabalho de Concluso de Curso apresentado e aprovado em 18 / 06 / 2011 pela comisso julgadora:

Prof. Dr. Jos Antnio Justino Ribeiro / Inatel Orientador e Presidente da Comisso Julgadora

Prof. Msc. Antnio Alves Ferreira Junior / Inatel Membro da Comisso Julgadora

Prof. Thassa Dela Libera Miranda / Inatel Membro da Comisso Julgadora

__________________________________________ Coordenador do Curso de Engenharia Eltrica

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Dedicamos

a

Deus

e

aos

nossos

familiares que com apoio incondicional, deram-nos foras para prosseguir at o final de mais uma jornada.

v

AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente a Deus, por sua infinita misericrdia, proteo, sade e fora proporcionada durante esta importante jornada. Ao professor Jos Antnio Justino Ribeiro, por sua orientao e apoio no desenvolvimento deste trabalho As nossas famlias, amigos e namoradas pela compreenso e apoio, no apenas ao longo deste trabalho, mas tambm durante todo o curso de graduao.

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Bem-aventurado o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire conhecimento; Porque melhor a sua mercadoria do que artigos de prata, e maior o seu lucro que o ouro mais fino. Mais preciosa do que os rubis, e tudo o que mais possas desejar no se pode comparar a ela. Bblia Sagrada - PV 3:13-15.

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RESUMO Neste trabalho ser abordado o processo de transmisso de radiofrequncia por fibras pticas. Sero apresentados os processos de modulao e multiplexao do feixe ptico, a fibra ptica como meio de transmisso, os componentes mais importantes utilizados, suas principais aplicaes, vantagens e desvantagens na utilizao desta tecnologia. A transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica consiste em um sinal na faixa de radiofrequncia que modular um diodo laser, gerando um feixe ptico a ser distribudo atravs da fibra at a deteco do sinal por um fotodetector no receptor. O fotodetector fornecer em sua sada um sinal eltrico que devidamente processado ser o sinal de radiofrequncia recuperado. Palavras-chaves: Radiofrequncia; fibra ptica; modulao; multiplexao.

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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.

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NDICE LISTA DE FIGURAS..................................................................................................... 12 LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................ 13 LISTA DE SMBOLOS.................................................................................................. 16 CAPTULO 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 APRESENTAO.......................................................................... 17

INTRODUO............................................................................................. 17 OBJETIVO.................................................................................................... 17 MOTIVAO.............................................................................................. 17 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO.................................................. 18 SISTEMA DE TRANSMISSO.....................................................19

CAPTULO 2. 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.4.3 2.3.5 2.3.6 2.4 2.4.1 2.4.2

INTRODUO............................................................................................. 19 COMPONENTES......................................................................................... 19 TCNICAS DE MULTIPLEXAO...........................................................20 MULTIPLEXAO POR DIVISO DO TEMPO (TDM)......................... 20 MULTIPLEXAO POR DIVISO DE COMPRIMENTO DE ONDA (WDM)......................................................................................................... 21 MULTIPLEXAGEM DE SUBPORTADORA (SCM)................................. 21 DESCRIO DO SISTEMA SCM/WDM................................................... 23 TRANSMISSOR........................................................................................... 24 MEIO DE TRANSMISSO......................................................................... 25 RECEPO................................................................................................. 26 VANTAGENS.............................................................................................. 26 DESVANTAGENS....................................................................................... 27 GERAO DO SINAL DE RADIOFREQUNCIA EM FIBRA..............27 MODULAO POR INTENSIDADE (IM)................................................ 27 MODULADOR MACH-ZEHNDER............................................................ 29

x

2.4.2.1 2.4.2.2

FUNCIONAMENTO.................................................................................... 29 MODULADOR SIMTRICO DE MACH-ZEHNDER................................29 MEIOS DE TRANSMISSO......................................................... 31

CAPTULO 3. 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.2.1 3.6.2.2 3.6.2.3 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.8

INTRODUO............................................................................................ 31 LIMITAES DOS MEIOS DE TRANSMISSO ELTRICOS............... 31 MEIOS DE TRANSMISSO PTICOS...................................................... 31 FUNCIONAMENTO DA FIBRA................................................................. 32 RADIOFREQUNCIA POR FIBRA PTICA............................................ 33 VANTAGENS.............................................................................................. 34 BAIXAS PERDAS POR ATENUAO......................................................34 ELEVADA LARGURA DE BANDA........................................................... 35 IMUNIDADE S INTERFERNCIAS ELETROMAGNTICAS............. 35 ESTAES BASE SIMPLIFICADA........................................................... 35 BAIXO CONSUMO DE POTNCIA........................................................... 36 LIMITAES............................................................................................... 36 FAIXA DINMICA (DR)............................................................................ 36 DISPERSES ............................................................................................... 36 DISPERSO MODAL................................................................................. 37 DISPERSO MATERIAL............................................................................ 37 DISPERSO DE GUIA DE ONDA............................................................. 37 APLICAES.............................................................................................. 37 REDES DE COMUNICAES SEM FIO INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF.............................................................................................................. 38 REDES UMTS INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF................................ 39 REDES HBRIDAS DE CABO COAXIAL E FIBRA PTICA.................. 40 COMPONENTES......................................................................................... 42

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3.8.1 3.8.1.1 3.8.1.2

MULTIPLEXADOR PTICO...................................................................... 42 PROCESSO DE EXTRAO...................................................................... 42 PROCESSO DE INJEO........................................................................... 42 SISTEMA DE RECEPO........................................................... 43

CAPTULO 4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3

INTRODUO............................................................................................. 43 COMPONENTES......................................................................................... 43 FOTODIODOS............................................................................................. 43 FOTOTRANSISTOR.................................................................................... 43 FOTODIODOS APD (AVALANCHE PHOTODIODE).............................. 44 FOTODIODOS PIN (PIN PHOTODIODE).................................................. 44 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO APD EM RELAO AO PIN.. 45 TCNICAS DE DEMODULAO............................................................. 45 COMENTRIOS E CONCLUSO.............................................. 47

CAPTULO 5. 5.1 5.2

CONCLUSO.............................................................................................. 47 ESTUDOS PROPOSTOS............................................................................. 47

REFERNCIAS............................................................................................................... 48

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1. ESPECTRO DE UMA LUZ EMITIDA POR UM DIODO LASER DO TIPO MONOMODO. ......................................................................................................................................... 20 FIGURA 2.2. ESQUEMA BSICO DO PROCESSO DE MULTIPLEXAO POR DIVISO DO TEMPO. ......................................................................................................................................... 21 FIGURA 2.3. ESQUEMA BSICO DO PROCESSO DE MULTIPLEXAO EM COMPRIMENTO DE ONDA EM COMUNICAES PTICAS. ................................................................................. 21 FIGURA 2.4. TCNICA SCM ............................................................................................. 22 FIGURA 2.5. TCNICA SCM/WDM .................................................................................. 23 FIGURA 2.6. SISTEMA DE MULTIPLEXAO DE SUBPORTADORA - SCM .......................... 24 FIGURA 2.7. MODULAO POR INTENSIDADE MODULAO DIRETA ............................ 28 FIGURA 2.8. MODULAO POR INTENSIDADE MODULAO EXTERNA ......................... 28 FIGURA 2.9. MODULAO POR INTENSIDADE MODULAO HETERDINA .................... 28 FIGURA 2.10. ESQUEMA DO MODULADOR DE MACH-ZEHNDER ........................................ 29 FIGURA 2.11. ESQUEMA DO MODULADOR SIMTRICO DE MACH-ZEHNDER ...................... 30 FIGURA 3.1. COMPOSIO DE UM CABO DE FIBRA PTICA ................................................ 32 FIGURA 3.2. PROPAGAO DOS FEIXES PTICOS NA FIBRA .............................................. 32 FIGURA 3.3. CRESCIMENTO GLOBAL DO NMERO DE ASSINANTES FIXOS E MVEIS .......... 33 FIGURA 3.4. ATENUAES EM 1310NME 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 PTICAS ................................................................................................................ 40 FIGURA 3.7. TOPOLOGIA DE REDES HIBRIDA COM APLICAO EM CATV ....................... 41 FIGURA 4.1. PARTES DE UM FOTODETECTOR PIN ............................................................. 45 FIGURA 4.2. ESQUEMA DE DEMODULAO ...................................................................... 46

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LISTA DE ABREVIATURAS AM APD ASK BB BPSK BS CATV Amplitude Modulation Modulao por Amplitude. Avalanche Photodiode Fotodiodo Avalanche. Amplitude-Shift Keying Modulao por Chaveamento de Amplitude. Banda Base. Binary Phase Shift Keying Modulao por Chaveamento de Fase Binria. Base Station Estao Base. Cable Television Televiso a Cabo ou Comminity Antenna Television Antena de Televiso Comunitria. CS CW DC DR FDM FI FM FPB FSK FSO GSM Central Station Estao Central. Continuous Wave Onda Contnua. Direct Current Corrente Contnua. Dynamic Range Faixa Dinmica. Frequency Division Multiplexer Multiplexao por Diviso da Frequncia. Frequncia Intermediria. Frequency Modulation Modulao por Frequncia. Filtro Passa-Baixa. Frequency-Shift Keying Modulao por Chaveamento de Frequncia. Free Space Optic tica no Espao Livre. Global System for Mobile Communications Sistema Global de Comunicao

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Mvel. HDTV HFC IEC IM MDL MZ MZM OADM ODSB OIL OSSB OSSB-SC High Definition Television Televiso de Alta Definio. Hybrid Fiber-Coaxial Cable Hibrido Fibra-Cabo Coaxial. Interferncia Entre Canais. Intensity Modulation Modulao por Intensidade. Travamento de Duplo Modo. Mach-Zehnder. Mach-Zehnder Modulator Modulador Mach-Zehnder. Optical Add-Drop Multiplexer Multiplexador ptico de Injeo e Extrao. Optical Double Side Band Modulao ptica com Dupla Faixa Lateral. Optical Injection Locking Bloqueio por Injeo ptica. Optical Single Side Band Modulao ptica com Faixa Lateral Simples. Optical Single Side Band Suppressed Carrier Modulao ptica com Faixa Lateral Simples e Portadora Suprimida. PCN PFM PPD QAM Personal Communications Networks Rede de Comunicao Pessoal. Pulse Frequency Modulation Modulao por Frequncia de Pulso. PIN Photodiode Fotodiodo PIN. Quadrature-Amplitude Quadratura. QPSK Quadrature-Phase Shift Keying Modulao por Chaveamento em Quadratura de Fase. RF Radiofrequency Radiofrequncia. Modulation Modulao por Amplitude em

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RHD RoF SCM SFDR TDM UE UMTS -

Remote Heterodyne Detection Deteco Remota Heterdina. Radio over Fiber Radiofrequncia sobre Fibra ptica. Subcarrier Multiplexing Multipexao de Subportadora. Spurious-Free Dynamic Range Faixa Dinmica Livre de Esprios. Time Division Multiplexer Multiplexao por Diviso do Tempo. User Equipment Equipamento do Usurio. Universal Mobile Telecommunications System Sistema Universal Mvel de Telecomunicaes.

WCDMA -

Wide-Band Code-Division Multiple Access Acesso Mltiplo de Diviso de Cdigo Banda Larga.

WDM -

Wavelength

Division

Multiplexer

Multiplexao

por

Diviso

do

Comprimento de Onda. WLAN Wireless Local Area Network Rede Local Sem Fio.

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LISTA DE SMBOLOS

cf(t) Fc Fn fsn GaAs InP LiNbO3 n N1 N2 P pn Pout RFin RFout Wd Wi

Comprimento de onda. ngulo Crtico. Sinal de entrada. Frequncia central ptica. Frequncia do oscilador eltrico. Frequncia de subportadora. Arsenieto de Glio. Composto de ndio e fsforo. Niobato de Ltio. Cristal do tipo N. ndice de refrao do ncleo da fibra. ndice de refrao da casca da fibra. Cristal do tipo P. Juno das estruturas do tipo p e n. Potncia de sada. Sinal de radiofreqncia de entrada. Sinal de radiofreqncia de sada. Largura da regio de depleo. Largura da regio intrnseca do fotodiodo.

CAPTULO 1. APRESENTAO1.1 INTRODUO

Sero apresentados os princpios de transmisso de radiofrequncia por fibras pticas (RoF) e suas principais aplicaes, destacando as vantagens e desvantagens, os componentes existentes, caractersticas, multiplexaes e modulaes utilizadas. A transmisso de radiofrequncia por meio de fibra ptica consiste na transmisso do sinal com a informao em faixa de radiofrequncia que modular uma fonte ptica na transmisso. Na recepo utiliza um fotodetector que receber o feixe ptico modulado e fornecer em sua sada um sinal eltrico para ser devidamente processado. Nem sempre possvel proporcionar enlaces de visada direta, pois as limitaes fsicas impedem comunicaes com determinadas regies. Utilizamos esta tecnologia para contornar parte destas limitaes. 1.2 OBJETIVO

Este trabalho tem por objetivo apresentar a transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica. Emprega feixes pticos modulados por um sinal de RF e transmitidos atravs da fibra ptica. Sero destacadas as principais vantagens, limitaes, componentes, tcnicas de multiplexao e modulao desta tecnologia. Dentre as suas vantagens, as de maior destaque so a elevada taxa de transmisso e a reduo do consumo de potncia em relao a outras tecnologias utilizadas. Dependendo do enlace, a transmisso RoF surge como uma excelente proposta para sistemas de comunicaes de alta capacidade. 1.3 MOTIVAO

A transmisso de radiofrequncia por fibras pticas tem vasta aplicao em diversas reas. Devido ao crescimento dos meios de transmisses e demanda por sistemas de comunicaes com maiores taxas de modulao, h um incentivo crescente pela utilizao desta tecnologia. Seu custo pode ser bem reduzido, conforme a distncia de cobertura e de sua taxa de utilizao. Uma importante utilizao deste sistema na interligao da estao central (CS) s vrias estaes bases (BSs). Este tipo de implementao resulta em uma CS mais complexa e em uma BS mais simples, levando a uma melhor relao custo-eficincia. Esta ligao feita 17

entre a CS e as BSs por meio de fibra ptica est relacionada com as baixas perdas da fibra, sua imunidade a rudos eletromagnticos e sua elevada capacidade de transmisso, entre outras vantagens. O RoF vem sendo uma alternativa promissora para a implementao das redes de comunicao sem fio faixa larga em ambientes fechados, como forma de reduzir os custos de infra-estrutura, atravs da gerao e transmisso de portadoras de microondas com elevados valores de frequncia e baixa potncia de transmisso, capazes de suprir a alta demanda de trfego utilizando como meio de transmisso o meio ptico. 1.4 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

No Captulo 2 ser apresentado o sistema de transmisso, seus componentes, tcnicas de multiplexao, modulao e a gerao do sinal de radiofrequncia sobre fibra. O Captulo 3 aborda a fibra como meio de transmisso, assim como suas caractersticas, funcionamento e limitaes. No Captulo 4 trata-se o sistema de recepo, fazendo uma anlise do processo de recuperao do sinal, bem como seus componentes e as tcnicas para recuperao das informaes. No Captulo 5 sero apresentados comentrios, concluses e propostas de estudos futuros.

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CAPTULO 2. SISTEMA DE TRANSMISSO2.1 INTRODUO

Todo sistema de comunicao pode ser subdividido em trs partes: sistema de transmisso, o meio de propagao e o sistema de recepo. Neste captulo aborda-se o sistema de transmisso, responsvel por prover o envio da informao. Cada sistema de transmisso processa a informao de acordo com as caractersticas do meio que ir transport-la. Na tecnologia de radiofrequncia em fibra, utilizam-se vrios tipos de modulao e multiplexao, discutidos neste captulo. 2.2 COMPONENTES

Um sistema de comunicaes pticas necessita de uma fonte de luz que garanta o nvel de potncia necessrio e a capacidade de modulao com elevadas taxas de transmisso. A fonte ptica mais conveniente, em particular para enlaces de maiores distncias e que exijam taxas de modulao mais elevadas o diodo laser. Com tcnicas de modulao externa, so possveis transmisses com taxas de at algumas dezenas de gigahertz ou de gigabits por segundo. Modulaes diretas sobre o diodo envolvem, tipicamente, valores at alguns gigabits por segundo. [1] Para se ter possibilidades de elevadas taxas de transmisso, os diodos lasers de tipo monomodo so os que apresentam maiores vantagens. Pela necessidade de enlaces de grandes distncias, esses diodos so tambm mais adequados por apresentarem nveis de potncia maiores do que outras fontes disponveis, como os diodos emissores de luz. Tipicamente, um diodo laser moderno pode fornecer potncias entre 1mW e 10mW, contra valores na ordem de microwatts de outros modelos de fontes pticas. Por estas caractersticas, os sistemas envolvendo a tecnologia RoF empregam, predominantemente, o diodo laser monomodo como fonte de luz. [1] So necessrios, alguns cuidados para esta fonte, em vista das rpidas variaes de suas caractersticas em funo da temperatura. Isto exige a utilizao de dispositivos de estabilizao de temperatura. Em suas aplicaes, so associados a circuitos capazes de compensar as eventuais variaes que surgirem no nvel de potncia de sada e em suas conseqncias sobre a modulao. 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 operaes com comprimentos de onda de 1300nm ou 1500nm, para minimizar a perda de potncia no diodo. [1]

Pout Pmx

0,5Pmx

Figura 2.1. Espectro de uma luz emitida por um diodo laser do tipo monomodo.

2.3

TCNICAS DE MULTIPLEXAO

Nos meios de transmisses, h caractersticas que limitam a taxa de transmisso. Para aumentar esta taxa usa-se compartilhar o mesmo meio para transmisso de dois ou mais canais pticos. No sistema RoF utilizam-se tcnicas de multiplexao para aumentar a sua capacidade de transmisso. Em geral, so utilizados dois diferentes tipos de multiplexao: a multiplexao por diviso do tempo no domnio eltrico e a multiplexao por diviso de comprimento de onda no domnio ptico. 2.3.1 MULTIPLEXAO POR DIVISO DO TEMPO (TDM)

Nesta tcnica, cada um dos canais de informao composto por um intervalo de tempo, como na Figura 2.2. Para que seja feita a associao das vrias informaes, utiliza-se uma memria de separao (buffer) para cada canal. Na maioria dos projetos, pode-se utilizar um repetidor a uma distncia de aproximadamente 30 ou 40km. As desvantagens apresentadas no sistema TDM o processamento do sinal original com uma certa quantidade de bits de informao, atraso devido a espera da sequncia de transmisso de cada n do sistema e a limitao na taxa de transmisso. [2]

20

Figura 2.2. Esquema bsico do processo de multiplexao por diviso do tempo.

2.3.2

MULTIPLEXAO POR DIVISO DE COMPRIMENTO DE ONDA (WDM)

Uma tcnica aplicada s transmisses pticas a multiplexagem de vrios feixes ou canais pticos no mesmo meio de transmisso. Por processos adequados, so introduzidos diversos comprimentos de onda na mesma fibra, conforme ilustra a Figura 2.3. Com este procedimento, o sistema ficar habilitado a transmitir grande quantidade de sinais, com uma taxa de transmisso muito elevada. Em cada terminal transmissor so gerados diversos comprimentos de onda introduzidos no combinador ou multiplexador ptico e acoplados fibra. Esses sinais sero retirados na extremidade oposta onde se tem um divisor ou demultiplexador ptico. Em cada sada, utiliza-se um filtro onde passa somente o comprimento de onda desejado, com a supresso dos demais. O processo por WDM muito usado em sistemas de telefonia, CATV (de, Community Antenna Television ou Cable Television), telecomunicaes intercontinentais, etc. [2]

Figura 2.3. Esquema bsico do processo de multiplexao em comprimento de onda em comunicaes pticas.

2.3.3

MULTIPLEXAGEM DE SUBPORTADORA (SCM)

A multiplexao utilizada em um sistema de transmisso de radiofrequncia com mltiplos canais em um meio fsico ou no espao livre. Com a tcnica de multiplexao em

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subportadoras, freqentemente identificada pela sigla SCM, efetuam-se as modulaes (analgicas ou digitais) em subportadoras com objetivo de compartilhar o enlace com o envio de vrias portadoras no domnio eltrico em um nico meio ptico. Para que isso seja possvel, o processo de multiplexao de subportadoras realizado a partir da combinao de duas etapas de modulao operando em diferentes domnios. O primeiro instante do processo realizado no domnio eltrico, onde se tm diferentes sinais de RF modulados utilizando formatos de modulao de acordo com o sinal aplicado na entrada do sistema. Na segunda etapa, o sinal obtido passa por um processo de modulao no domnio ptico, que consiste em alterar o nvel do sinal ptico, de acordo com as caractersticas da portadora RF modulada. Para isto, emprega-se um modulador ptico externo que recebe o feixe de luz vindo de um diodo laser e o processa com o sinal de RF. Aps este estgio, o feixe ptico da sada do modulador acoplado a uma fibra ptica. Est a essncia da tecnologia de transmisso de radiofrequncia em fibras pticas. [3]-[4] A tcnica SCM torna-se eficaz ao ser combinada com a tcnica de multiplexao por comprimento de onda (WDM) tradicionalmente aplicada em sistemas pticos. Essa combinao, conhecida como SCM/WDM permite que o sistema tenha vrias portadoras pticas moduladas em uma mesma fibra ptica. A Figura 2.4 ilustra o espectro do sistema SCM tpico, sem a combinao entre SCM e WDM, onde pode ser observado diversas subportadoras moduladas eletricamente (fc fsn) e (fc + fsn), sendo fc a frequncia central ptica e fsn a n-sima frequncia de subportadora em apenas uma frequncia (fc). Na Figura 2.5 com a tcnica SCM/WDM, se observa uma melhor utilizao do meio ptico, onde varias subportadoras eltricas so moduladas em diversos comprimentos de onda, ocorrendo um aumento significativo na eficincia espectral do sistema. [4]

Figura 2.4. Tcnica SCM.

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Figura 2.5. Tcnica SCM/WDM.

Em sistema SCM analgico, as subportadoras so moduladas separadamente usando um formato analgico. Em seguida, aps moduladas, so entregues a um multiplexador de microondas que, combinar todas essas subportadoras. O sinal resultante dessa combinao ser utilizado para modular um feixe ptico. Sinais analgicos so mais susceptveis a rudo, logo para que o sinal no sofra degradao durante a transmisso, a tcnica SCM requer um alto nvel de relao sinal rudo na recepo ao utilizar esse tipo de formato de modulao. [3]-[4] Por outro lado em um sistema SCM digital, as subportadoras so moduladas utilizando formatos de modulaes digitais em banda passante, como ASK (de Amplitude-Shift Keying), FSK (de Frequency-Shift Keying), QPSK (de Quadrature-Phase Shift Keying), BPSK (de Binary Phase Shift Keying) e QAM (de Quadrature-Amplitude Modulation). Aps a modulao eltrica, todo o processo aplicado ao sistema SCM digital de forma semelhante ao analgico. Uma vantagem de um sistema SCM digital com relao ao SCM analgico seria o fato de que o sistema de multiplexao de subportadoras de sinais digitais possurem maior eficincia espectral e serem capazes de utilizar de deteco coerente. [4]-[5] 2.3.4 DESCRIO DO SISTEMA SCM/WDM

A Figura 2.6 ilustra um sistema SCM, constitudo por trs blocos distintos. O primeiro bloco o transmissor, o segundo envolve o meio de transmisso e, por fim, o bloco de recepo. Cada bloco composto por sub blocos que sero abordados a seguir.

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Figura 2.6. Sistema de Multiplexao de Subportadora SCM.

2.3.4.1 TRANSMISSOR O bloco transmissor formado pelo sistema de processamento do sinal de entrada f(t) (analgico ou digital), pelo filtro passa-baixas (FPB), pelos moduladores no domnio eltrico, multiplexadores, modulador ptico externo e filtro rejeita-faixa. [4], [6] No instante inicial do processo de multiplexao de subportadoras, aplicado na entrada do sistema um sinal de RF f(t). Os filtros passa-baixas so utilizados para atuarem sobre o sinal f(t) atenuando componentes de alta frequncia, diminuindo a banda ocupada pelo sinal. Conseqentemente, minimiza o efeito de interferncia entre canais (IEC). Tal efeito causado pela proximidade entre os canais, uma vez que esses sinais, aps o processo de 24

modulao e multiplexao no domnio eltrico, passam a ocupar uma banda de aproximadamente o dobro de sua taxa de transmisso. O processo de modulao eltrica realizado de forma a ser atendido o critrio de Nyquist, onde o sinal f(t) de entrada ser amostrado com frequncias com no mnimo o dobro da frequncia de transmisso. Para um sinal de entrada digital utilizam-se modulaes como, QPSK, ASK, BPSK entre outras. Embora de menos importncia atualmente, seria possvel modular uma subportadora eltrica com um sinal analgico empregando tcnicas baseadas em modulao em frequncia (FM) ou modulao em amplitude (AM). Nesta etapa do sistema, o multiplexador combinar as subportadoras j moduladas eletricamente em um nico fluxo de dados com uma taxa de transferncia mais elevada. Conforme j discutido os moduladores externos realizam a modulao de sinais pticos a ele acoplados, utilizando a configurao do interfermetro de Mach-Zhender. O Filtro de rejeio baseado no interfermetro de Fabry-Perot capaz de atenuar estreitas faixas de frequncia. Sua aplicao suprimir a portadora ptica, 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 modulao em faixa lateral dupla no domnio ptico (ODSB). Uma vez que se utiliza modulao direta polarizando corretamente um fotoemissor, tem-se na sada do transmissor um sinal modulado (ODSB). Nesta situao, tem-se uma portadora ptica centrada em fc e bandas de frequncia lateral superior e inferior (fc fsn) e (fc + fsn). Para melhor eficincia espectral na utilizao da tcnica SCM, a modulao OSSB tem sido um mtodo simples e eficiente, onde uma portadora ptica centrada em fc possui somente uma banda lateral (fc + fsn). A funo do filtro rejeita faixa gerar um sinal OSSB-SC anulando a portadora do sinal ODSB. 2.3.4.2 MEIO DE TRANSMISSO A tecnologia RoF utiliza como o meio de transmisso a fibra ptica para transportar a portadora ptica modulada. Sabe-se que, uma caracterstica importante da fibra ptica no ser susceptvel a interferncia eletromagntica, pois no permite a transmisso de sinais eltricos.

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2.3.4.3 RECEPO O sistema de recepo da tecnologia de radiofrequncia sobre fibra ptica constitudo de deteco ptica, filtro passa altas, demultiplexador eltrico, demodulador eltrico e etapa associada ao sinal de sada f(t). [4] O processo de deteco ptica realizado atravs de um fotodetector que detecta a potncia ptica e converte as variaes desta potncia em variaes de corrente eltrica. O filtro passa-altas permite a passagem de altas frequncias e reduz as frequncias abaixo da frequncia da portadora ptica. O bloco de seleo de portadoras composto por um demultiplexador eltrico em conjunto com um filtro passa-faixas. Sua funo resume-se em selecionar os canais a serem entregues ao demodulador. O demodulador eltrico reverte o processo de modulao. O processo de demultiplexagem SCM pode ser do tipo coerente em que a portadora de recepo dever estar em perfeito sincronismo de fase com a portadora de transmisso, ou nocoerente, onde no necessrio o sincronismo entre as portadoras para a deteco do sinal. Por fim, tem-se a entrega na sada do sistema o sinal f(t). 2.3.5 VANTAGENS

A capacidade em lidar com a transferncia de diferentes sinais, multiplexados no domnio eltrico em um nico meio ptico faz com que a tcnica de multiplexao de subportadoras torne uma excelente opo quando se tratar da tecnologia RoF. Outras vantagens alcanadas coma utilizao da SCM so: [2], [5], [7]. Capacidade de combinao ao sistema de ptica no espao livre FSO (Free Space Optic) e sistema ptico WDM; Para uma nica portadora ptica, a largura de banda do sinal eltrico pode ultrapassar 10 GHz; Implementaes menos complexas, conseqentemente uma reduo nos custos; Utilizao de dispositivos de RF por serem mais maduros que os dispositivos pticos.

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Devido utilizao de dispositivos de radiofrequncia a implantao da tcnica SCM torna-se simples e de baixo custo em aplicaes onde se deseja fornecer servios de dados, voz, CATV, HDTV ou qualquer combinao destes. [8] 2.3.6 DESVANTAGENS

Em um sistema de transmisso de sinais analgicos, a tcnica SCM requer um alto ndice de relao sinal/rudo (C/N) na recepo devido a no linearidade desses sinais. Podese utilizar como exemplo a transmisso de um sinal de vdeo, onde o ndice de relao sinal/rudo na recepo dever ser maior que 55dB. [9] 2.4 GERAO DO SINAL DE RADIOFREQUNCIA EM FIBRA

Para se transmitir dados previamente codificados em determinado meio, a informao levada por uma portadora envolvendo diferentes processos de modulao. possvel alterar sua amplitude, a frequncia, sua fase ou uma combinao destes procedimentos. Por simplicidade e custo, na transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica, optou-se pela modulao analgica, em lugar da difundida modulao digital. Na modulao analgica temse possvel quatro variaes. A IM (de Intensity Modulation), PFM (de Pulse Frequency Modulation), PFM associada tcnica FDM (de Frequency Division Multiplexing) ou ento a PFM associada tcnica FDM e WDM. No caso da radiofrequncia sobre fibra ptica utilizamos da Modulao por Intensidade devido a sua simplicidade. [10] 2.4.1 MODULAO POR INTENSIDADE (IM)

O processo de modulao por intensidade, onde feita analogicamente, ou seja, no h sinal discreto como utilizado na transmisso binria. Isso torna a aplicao mais barata devido o uso de dispositivos relativamente simples. Existem trs tipos de modulao por intensidade: a modulao direta por intensidade, a modulao externa e a heterdina remota. Como mostrado na Figura 2.7, na modulao direta o prprio sinal de RF na entrada do circuito (RFin) modula o feixe de luz com intensidade proporcional a do sinal de entrada.

27

Figura 2.7. Modulao por Intensidade Modulao Direta.

A modulao externa utiliza fonte de luz com comprimento de onda fixo como portadora e o sinal de RF introduzido modular esta portadora conforme apresentado na Figura 2.8. [11]

Figura 2.8. Modulao por Intensidade Modulao Externa.

Na Figura 2.9 apresentado o processo de modulao heterdina (RHD, Remote Heterodyne Detection) externa. Aplicam-se dois feixes distintos de luz externos como portadoras que so combinados para se obter o comprimento de onda desejado. [11]

Figura 2.9. Modulao por Intensidade Modulao Heterdina.

28

2.4.2

MODULADOR MACH-ZEHNDER

Para transmisso de altas taxas de dados (10GBit/s ou superiores) a modulao direta torna-se difcil. Por este motivo, so usadas modulaes externas, que permitem aumentar consideravelmente a taxa de transmisso. O modulador de Mach-Zehnder, mostrado na Figura 2.10, baseia-se no efeito eletroptico. Pode ser constitudo 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 tenso, o sinal ptico em um caminho modulado em fase conforme o comprimento do percurso ptico. Combinando os dois caminhos com diferentes mudanas de fase, a modulao em fase convertida em modulao em intensidade. Se as fases dos dois caminhos forem iguais, mas diferente em valores, no haver gorjeio na sada do modulador, isto significa que a sada somente modulada por intensidade. 2.4.2.2 MODULADOR SIMTRICO DE MACH-ZEHNDER Moduladores Mach-Zehnder podem ser simtrico, implementado com mais um eletrodo como mostrado na Figura 2.11. Em uma das suas entradas de dados insere-se a informao e em outra se insere a mesma informao, porm defasada de 90 graus, gerando na sada um sinal ptico modulado por intensidade. Se o campo eltrico em ambos os caminhos do MZ idntico o gorjeio no ocorrer. Se mudarmos as amplitudes dos sinais o gorjeio pode ser ajustado.

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Figura 2.11. Esquema do modulador simtrico 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 benefcio de um modulador simtrico comparado a um modulador MZ comum, a baixa tenso de polarizao necessria em cada ramo. A desvantagem a necessidade de dois amplificadores cuidadosamente combinados. [12]

30

CAPTULO 3. MEIOS DE TRANSMISSO3.1 INTRODUO

O objetivo principal deste captulo mostrar as grandes vantagens que a fibra ptica proporciona para os sistemas de transmisso. Alm de oferecer alto desempenho para os diversos sistemas e grande largura de faixa, possui grande importncia para sistemas RoF. 3.2 LIMITAES DOS MEIOS DE TRANSMISSO ELTRICOS

Deve-se conhecer esse meio para analisar as condies em que um determinado projeto ir reagir a este tipo de aplicao. Primeiramente observa-se como a largura de faixa e o rudo esto ligados a este tipo de meio. A largura de faixa determina a velocidade de transmisso do meio, ou seja, quanto maior a largura de faixa, maior ser a velocidade de transmisso ou vice-versa. Deve-se ter cuidado com a largura de faixa relativa, pois ela tambm uma banda absoluta que por sua vez divida pela frequncia central. Uma modulao de um sinal em banda larga atravs de uma portadora de alta frequncia diminui a largura de faixa relativa, minimizando o projeto do equipamento. Em outras palavras, uma largura de faixa relativa definindo as especificaes de um equipamento, a largura de faixa absoluta elevar quase no significante, aumentando a frequncia da portadora. Outro problema que no se pode evitar o rudo do sistema. Um parmetro bastante importante em sistemas de telecomunicaes a relao Sinal/Rudo. Para aplicaes de longas distncias ou de potncias baixas, o sinal captado pelo receptor pode ser muito pequeno, ou em outros casos, menores do que o rudo propriamente dito. Em um sistema de telecomunicaes deve-se ficar atento com seu dimensionamento, pois fatores como velocidade, potncia de transmisso, largura de faixa, relao sinal-rudo, pode ser um grande problema para diversas aplicaes. 3.3 MEIOS DE TRANSMISSO PTICOS

Neste meio utiliza-se a fibra ptica como um dos principais materiais. A fibra formada por um ncleo de vidro e uma casca de material dieltrico sendo bastante utilizada nas reas de telecomunicaes.

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3.3.1 FUNCIONAMENTO DA FIBRA O funcionamento das fibras pticas baseia-se no fenmeno fsico da reflexo da luz. Na extremidade da fibra inserido um feixe de luz que a percorre por sucessivas reflexes at o destino final. Como mostrado na Figura 3.1, as fibras pticas so compostas do ncleo, regio cilndrica central por onde a luz passa, pela casca, que envolve o ncleo e por um revestimento primrio, que tem a funo de proteger a fibra.

Figura 3.1. Composio de um cabo de fibra ptica.

O ncleo e a casca so de vidro, porm com ndices de refrao diferentes. O ndice de refrao do ncleo (N1) maior do que o ndice de refrao da casca (N2), para garantir possibilidades de reflexo total na interface das duas regies. De acordo com as leis da reflexo e da refrao, para que se tenha a reflexo total, a luz deve sair de um meio mais refringente para um meio menos refringente e o ngulo de incidncia entre o ncleo e a casca deve ser igual ou maior do que o ngulo crtico, que dado por sen c = N2 / N1, onde c o ngulo crtico. A Figura 3.2, ilustra os feixes pticos propagados na fibra. [1]

Figura 3.2. Propagao dos feixes pticos na Fibra.

32

3.4

RADIOFREQUNCIA POR FIBRA PTICA

Como mostrado na Figura 3.3, a crescente utilizao dos meios sem fio e a crescente demanda por uma comunicao global atravs dos diversos meios como a internet, ficou mais difcil a utilizao de tcnicas antigas de comunicao para transmisso de dados. Nos dias de hoje a utilizao de um meio fsico que faa a distribuio de forma mais barata, melhorando as taxas de transmisso e atingindo locais onde enlaces de RF no so possveis fazer a comunicao at ento. A partir da nasceu o termo RoF. [11]

Figura 3.3. Crescimento global do nmero de assinantes fixos e mveis.

Diferentemente das redes pticas convencionais, em que se transmite sinal digital, em radiofrequncia sobre fibra ptica, emprega-se um sistema em que um sinal de radiofrequncia devidamente modulado altera de forma adequada um feixe de infravermelho a ser transmitido atravs de uma fibra ptica. Usualmente a transmisso feita entre uma estao de controle (CS, de Control Station) e uma estao base (BS, de Base Station). [11] O sinal analgico que transmitido sobre a fibra ptica pode ser um sinal RF, sinal na frequncia intermediaria (FI) ou banda base (BB). Para transmisses de FI e BB, necessita-se de um hardware de upconverter, pois a banda de RF exigida no BS. No transmissor ptico, o sinal de RF/FI/BB pode ser utilizado com modulao diretamente ou externamente portadora ptica do feixe de luz, onde o sinal de sada deve ser idntico ao sinal de 33

entrada. No entanto, h algumas limitaes devido a no-linearidade e os limites da resposta em frequncia do laser e da modulao do dispositivo. [11] 3.5 VANTAGENS

Devido estrutura simples, o custo de implantao do sistema de infra-estrutura podem ser drasticamente reduzidos em comparao com outras alternativas. Alm da vantagem do baixo custo potencial, a tecnologia RoF tem mais benefcios para transferir o sinal de RF, permitindo maior flexibilidade a rede e resposta rpida s variaes de trfico, pois temse uma arquitetura de rede centralizada. Em resumo, algumas das suas caractersticas que trazem vantagem so: 3.5.1 BAIXAS PERDAS POR ATENUAO

Para a transmisso de sinais, a fibra ptica apresenta uma menor perda de potncia de transmisso do que alguns sistemas que utilizam a transmisso pelo espao livre, cabo coaxial e guias de ondas. A transmisso de sinais pelo espao livre um sistema que apresenta um custo elevado e alguns problemas, devido limitao do espectro, interferncias de outros sistemas e fatores climticos. A perda em um cabo coaxial diretamente ligado a frequncia de operao, um sistema operando em 5GHz pode vir a apresentar perdas acima de 100dB/Km. Portanto, para transmisses com uma frequncia elevada necessrio o uso de amplificadores/regeneradores. A curva caracterstica da atenuao numa fibra apresentada na Figura 3.4. A atenuao dependente do comprimento de onda, que apresenta menor atenuao em torno dos comprimentos de onda de 1310nm e 1550nm, que nas modernas fibras pticas podem obter atenuaes prximas de 0,3dB/Km. Essas perdas so muito inferiores do que as obtidas nos sistemas que utilizam o cabo coaxial e a transmisso em espao livre. Isto permite uma maior distncia de transmisso e uma menor potncia emitida, com isso uma menor quantidade de repetidores para o enlace. [1], [10]

34

Figura 3.4. Atenuaes em 1310nm e 1550nm.

3.5.2

ELEVADA LARGURA DE BANDA

A elevada largura de banda proporcionada devido alta frequncia com que as portadoras so utilizadas. Com isto obtm-se uma alta velocidade de transmisso com uma taxa elevada, gerando um aumento na quantidade de informao a ser transmitida comparada a outros tipos de transmisso. Com a tcnica de multiplexao em comprimento de onda (WDM) a capacidade do sistema pode ser aumentada. Algumas limitaes como a disperso, podem ser minimizadas com o uso de fibras de baixa disperso ou disperso negativa. Com esta importante vantagem da fibra ptica a tecnologia de radiofrequncia por fibras pticas pode ser empregada no sistema de banda larga. [10] 3.5.3 IMUNIDADE S INTERFERNCIAS ELETROMAGNTICAS

Como o meio de transmisso a fibra ptica, que um isolante, no existe a interferncia de sinais eletromagnticos, gerando assim uma melhor qualidade do sinal independente do quo o ambiente esteja com rudos eletromagnticos e tambm uma melhor segurana do sistema. [10] 3.5.4 ESTAES BASE SIMPLIFICADA

Devido ao fato da maioria dos equipamentos complexos (equipamentos necessrios na gerao da portadora, modulao 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 POTNCIA

Para a transmisso de sinais entre a BS e a CS em sistemas que utilizam a transmisso pelo espao livre ou o uso de cabo coaxial, tem-se um alto consumo de potncia, seja devido s perdas por atenuao, interferncias ou pela necessidade de se ter na BS um consumo maior potncia. Como os equipamentos de modulao, multiplexagem e gerao esto na CS, a BS por sua vez fica mais simples e com um menor processamento, com isso o consumo de potncia reduzido. Podem-se tambm utilizar o modelo de pequenas clulas para cobertura de uma determinada rea com este tipo de BS, fazendo com que as antenas necessitem de uma menor potncia. [10] 3.6 LIMITAES

As principais limitaes deste sistema esto nas limitaes de desempenho apresentadas pelos componentes, como distoro, disperso e o efeito das no-linearidades que afetam diretamente a faixa dinmica. Estas limitaes diminuem o desempenho do sistema, exigindo em alguns casos uma maior potncia de transmisso. [10] Sero apresentados ao longo deste item algumas das principais limitaes deste sistema. 3.6.1 FAIXA DINMICA (DR)

a relao entre o menor e o maior valor possvel de uma varivel. Um dos fatores que limitam a DR a no-linearidade encontrada nos dispositivos pticos, que a responsvel pela maior limitao de um sistema RoF. As diversas no-linearidades presente no sistema limitam a potncia ptica que ser entregue numa ligao RoF. Devido a esta limitao necessrio maiores potncias de transmisso, como em enlaces de grandes distncias sem amplificadores intermedirios. Para contorn-las so utilizadas tcnicas que controlam o ganho para que o sinal recebido fique dentro da DR. [10] 3.6.2 DISPERSES

A disperso causada pela diferena de velocidade dos diversos modos de propagao, com isso as informaes transmitidas chegam ao receptor com diferentes intervalos de tempo, tendo como conseqncia um alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento

36

determina a largura de banda do meio, e conseqentemente a capacidade de transmisso. [1], [10] 3.6.2.1 DISPERSO MODAL Este tipo de disperso basicamente provocado pelos diferentes percursos que pode ter no ncleo da fibra. Os diferentes percursos so provocados pelas variaes do dimetro do ncleo, o comprimento de onda e o valor da abertura numrica. [1], [10] 3.6.2.2 DISPERSO MATERIAL Como o ndice de refrao depende do comprimento de onda, e a fonte de luz no perfeita, ento para cada comprimento de onda existe um ndice de refrao. Portanto, cada comprimento de onda viajar com uma velocidade, causando diferenas entre os tempos de propagao. [1], [10] 3.6.2.3 DISPERSO DE GUIA DE ONDA Seu efeito mais visvel nas fibras monomodo, devido ao pequeno dimetro do ncleo. Este tipo de disperso ocorre devido s variaes nas dimenses do ncleo e do comprimento de onda transmitido. [1], [10] 3.7 APLICAES

Aplicaes onde a necessidade de altas taxas de transferncia de dados como em redes de acesso de banda larga sem fio, redes de telefonia mvel e o fornecimento de cobertura sem fio em localidade onde a condio da rea torna impossveis as instalaes de centrais ou estaes rdio bases, fazem com que a tecnologia RoF seja colocada em foco. Aplicaes que requer elevada SFDR (de Spurious-Free Dynamic Range), que se resume na relao entre a potncia do sinal de entrada e a amplitude do harmnico mais proeminente, fazem com que a utilizao da tecnologia RoF seja inadequada, devido limitao da faixa dinmica. Um exemplo que torna essa ineficincia verdadeira seria o sistema de telefonia mvel 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 decrscimo de aproximadamente 25%, chegando a 50dB viabilizando a aplicao da tecnologia RoF em redes de telefonia mvel de segunda gerao. Para aplicao em 37

ambientes internos o RoF trabalha como um sistema de distribuio de antenas. Ao contrrio 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 prpria potncia de transmisso, para que haja um sincronismo do nvel da potncia do sinal, entre os UE (de, User Equipment) e as BS. A rede UMTS no requer de elevados ndices de SFDR, logo sistemas de distribuio RoF podero ser usados tanto em ambientes fechados quanto em ambientes abertos nas redes de telefonia mvel de 3 gerao. [10] Sistemas wireless, onde requer transferncia de dados ao longo de grandes distncias, com a aplicao da tcnica de RoF se torna possvel o acesso banda larga com um baixo custo e alta eficincia. 3.7.1 REDES DE COMUNICAES SEM FIO INTEGRADAS EM SISTEMAS ROF

Com a evoluo das redes de comunicao wireless, devido ao aumento do nmero de acessos a banda larga atravs de dispositivos portteis, principalmente em ambientes fechados, bem como prdios, shoppings, estdios, aeroportos, entre outros, tornou-se necessrio a utilizao de portadoras de microondas com nvel de potncia mais alto, oferecendo maior capacidade de transmisso. A fim de suprir a demanda de trfego, visto que em uma redes wireless banda larga atual, oferece em uma nica portadora uma taxa de transmisso de 65Mb/s a 600Mb/s sendo necessrio um valor de frequncia mais elevada, na banda de 5GHz (IEEE 802.11n). Isso resulta em um acrscimo nos custos da infra-estrutura, devido ao maior nmero de equipamentos de microondas necessrios para cobrir uma determinada rea. Com a aplicao da tecnologia RoF nas redes wireless possvel obter o acesso banda larga com um baixo custo de infra estrutura e alta eficincia. A Figura 3.5 ilustra a distribuio das tecnologias wireless relacionando a taxa de dados de acordo com suas aplicaes, onde pode notar que uma rede WLAN (rede local sem fio, de wireless local area network) possui taxas de transmisso 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 mvel de terceira gerao, denominada UMTS, possibilitou taxas de transferncia de dados de no mnimo 144Kb/s para ambientes externos com alta mobilidade e 2Mb/s em ambientes externos com baixo ndice de mobilidade. Uma rede GSM oferece taxas de aproximadamente 10Kb/s. Diante essa evoluo das redes celulares em termos de taxa de transferncia, resultou-se nas redes PCN (de, Personal Communications Networks), possibilitando ao usurio uma ampla opo de servios atravs do sistema de telefonia mvel. Para que as redes PCN fossem capazes de oferecer tais servios com elevadas taxas, foi necessrio a implementao de equipamentos pticos com alto grau de confiabilidade e capacidade de trfego de dados com altas taxas de transferncia. [13] No entanto, a tecnologia RoF possibilitou a integrao das redes celulares utilizando equipamentos pticos, garantindo a conexo entre a estao central (controle e inteligncia da rede) e estao rdio base. Possibilitou uma transferncia de dados com largura de faixa suficiente para atender trfegos de dados com altas taxas de transmisso atravs de um meio de transmisso ptico garantindo a alta confiabilidade e imunidade a interferncias eletromagnticas. [13]

39

1

1,2

1

2

2

Figura 3.6. Diagrama de blocos de um sistema microcelular interligado por fibras pticas.

Conforme a Figura 3.6, no sentido de subida (estao rdio base para estao central) diferentes sinais so captados pela estao receptora e entregues ao filtro passa faixas, que selecionar a faixa de frequncia desejada. Em seguida esses sinais so amplificados e inseridos no processo de multiplexao SCM, que em conjunto com o processo de multiplexao por comprimento de onda (WDM) so transportados at a estao central por um feixe ptico (1) atravs de um nico meio fsico. J no sentido contrrio onde o sinal enviado da estao central at a estao rdio base utilizado um segundo comprimento de onda (2), mas que devido utilizao do processo de multiplexao por comprimento de onda o meio de transmisso compartilhado, ou seja, utilizada uma nica fibra ptica para realizar a transmisso, tanto no sentido de subida quanto no sentido de descida do sinal. [13] 3.7.3 REDES HBRIDAS DE CABO COAXIAL E FIBRA PTICA

Devido grande capacidade de transmisso, baixas atenuaes, imunidade a interferncias eletromagnticas entre outras caractersticas, a fibra ptica tornou se um grande atrativo aos sistemas de CATV, superando de forma eficaz e econmica os cabos coaxiais. O sistema de TV a cabo padro utiliza cabos coaxiais em toda extenso da rede e devido a elevados ndices de rudo e distores que esses cabos so submetidos. Os sinais sofriam atenuaes ao longo do enlace, sendo necessrio o uso de amplificadores ou repetidores para regenerar e amplificar o sinal. O nmero desses dispositivos na rede de CATV, entre central de TV a cabo (Headend) at o usurio final era de aproximadamente 35. Os sinais de vdeo no sistema padro de CATV eram transmitidos de forma unidirecional, ou seja, da estao receptora do satlite (eventualmente identificada pela designao em ingls de Headend) para o usurio. [14]

40

Com o advento da tecnologia de transmisso de radiofrequncia em fibras pticas, desenvolveram-se as redes hbridas constitudas por combinaes de fibras pticas e cabos coaxiais (HFC, Hybrid Fiber-Coaxial Cable), onde tm sido aplicadas em diferentes sistemas de comunicaes, como por exemplo, redes de TV a cabo. Na topologia da rede HFC o meio de transmisso do centro de distribuio de TV at os pontos de converso de mdia, denominados ns pticos (Transceiver) feito por fibra ptica. Por outro lado, a conexo entre o transceiver e a conexo final com usurio feita atravs de cabo coaxial, conforme ilustrado na Figura 3.7. [14]

Figura 3.7. Topologia de Redes Hbrida com aplicao em CATV.

Na arquitetura de rede padro de TV a cabo os sinais de RF so captados pela estao transmissora e entregues a central de TV a cabo, onde realizado todo o processo de modulao do sinal e a distribuio atravs de cabos coaxiais. J nas redes hbridas o processo de modulao e distribuio dos sinais, agora utilizando tecnologia RoF, realizado pela Central de distribuio e transmitidos pelos ns pticos atravs de fibra ptica. Esse n converte o sinal ptico para sinal de eltrico (RF) e transmite atravs de cabos coaxiais at o usurio. [14] As redes HFC tm como vantagens em relao s redes padres de CATV a substituio em menor escala (aproximadamente ) de amplificadores eltricos por amplificadores pticos, pelo fato da fibra ser mais imune a rudos e atenuaes. Possibilitou um aumento na capacidade de transmisso do sistema com um menor nvel de potncia de transmisso, melhor qualidade do sinal, reduo nos custos de manuteno (devido menor utilizao de

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amplificadores) e permitiu a comunicao bidirecional (fluxo de dados da central de distribuio ao usurio e do usurio at a central de distribuio). [14] 3.8 3.8.1 COMPONENTES MULTIPLEXADOR PTICO

um elemento que est situado na rede de fibra ptica. A funo principal do OADM (multiplexador ptico de injeo e extrao, de Optical Add-Drop Multiplexer) multiplexar diversos streams de diferentes velocidades em um nico stream ptico da rede, alm de proporcionar funes de extrao e injeo. [15]-[16] 3.8.1.1 PROCESSO DE EXTRAO Para que consiga extrair comprimentos de ondas de um WDM, deve-se realizar a demultiplexao do sinal WDM, ou seja, o primeiro passo desta tcnica separar o comprimento de onda de 1310nm dos outros (extrao do sistema assimtrico com o sistema simtrico de multiplexao). A seguir, extrair os quatro comprimentos de onda de derivao 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 INJEO O funcionamento do processo de injeo ocorre de forma contraria ao da extrao, pois o OADM neste caso simtrico se comparado extrao (demultiplexador) e a injeo (multiplexador). [15]-[16]

42

CAPTULO 4. SISTEMA DE RECEPO4.1 INTRODUO

Aps a gerao do sinal e a transmisso do mesmo pela fibra ptica, este sinal entregue a um receptor que ir trat-lo, fazendo a demodulao e a demultiplexao, recuperando o sinal com a informao inicial. Este captulo abordar o sistema de recepo, bem como os componentes mais utilizados, as tcnicas de demodulao e demultiplexao. 4.2 4.2.1 COMPONENTES FOTODIODOS

O fotodiodo constitudo de um diodo de juno, para que assim seja possvel a utilizao da luz como fator principal no controle da corrente eltrica. Sua juno do tipo pn semicondutor e sua regio de operao restringida pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se apresentar uma sensibilidade luz. [1], [17] Este dispositivo existente na sada de uma linha de transmisso ptica, que possui um elemento receptor para interpretar a informao de um determinado sinal. O elemento receptor conhecido como fotodetector. O fotodetector tem a finalidade de detectar a potncia ptica, para converter as variaes desta potncia em variaes de corrente eltrica. Em casos em que o sinal ptico de baixa intensidade e distorcido, 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 emisso. Tambm necessrio que a largura de banda seja grande, para resistir ao dbito de informao, introduzir o mnimo de rudo no sinal, permitir que as variaes de temperatura sejam insensveis e que as dimenses fsicas do canal de transmisso sejam compatveis. Existem vrios tipos de fotodetectores, dos quais podemos citar os fototransistores, os fotodiodos APD e PIN. [1], [17] 4.2.2 FOTOTRANSISTOR

Ele permite detectar certa incidncia de luz e proporciona um ganho atravs de um nico componente. O fototransistor uma unio de dois diodos de juno que agrupado ao 43

efeito transistor, faz com que se transforme em um efeito fotoeltrico. apresentado com dois terminais, sendo eles o coletor e o emissor e a base serve para que seja feita a polarizao ou controle eltrico. [1], [17] 4.2.3 FOTODIODOS APD (AVALANCHE PHOTODIODE)

Apresentam uma regio de campo eltrico alto, que acelera os fotoportadores at uma determinada velocidade compatvel para que seja possvel produzir novos portadores com as colises com os tomos com esta velocidade. Devido a ionizao, as partculas criadas so aceleradas pelo campo eltrico, dando continuidade ao processo de avalanche. Os fotodiodos APD amplificam na parte interna a corrente fotodetectada primria. [1], [17] 4.2.4 FOTODIODOS PIN (PIN PHOTODIODE)

Possui uma estrutura de uma juno pn, com regio suavemente dopada de largura Wi (regio de intrnseca) entre as regies p e n, e apresentam nveis de dopagem altos. Sua regio de depleo de largura Wd, possui regio intrnseca com as regies p e n. Em casos em que o fton incidente permite energia maior ou idntica ao intervalo energtico no meio das bandas (band gap) do dispositivo semicondutor, o fton alimenta uma energia e excita um eltron da banda de valncia, para que assim a banda de conduo seja deslocada. Neste procedimento gera pares livres de eltrons, ou seja, lacunas conhecidas por fotoportadores. A Figura 4.1 ilustra o fotodetector PIN. [1], [17] Com uma intensidade alta de campo eltrico na regio de depleo, possvel perceber que os portadores iro se separar, para que os terminais da juno 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 comunicao mais lentos trabalha-se com comprimentos de ondas na faixa de 0,8 a 1,6 micro metros. Estes comprimentos de onda esto na regio espectral onde os fotodetectores de silcio apresentam timo desempenho. Nas linhas de transmisso por fibras pticas usual utilizar comprimentos de onda superiores, sendo necessrio o uso de fotodiodos que usam compostos com elementos do grupo trs e quatro. [1], [17]

44

Figura 4.1. Partes de um fotodetector PIN.

4.2.5

VANTAGENS E DESVANTAGENS DO APD EM RELAO AO PIN

Pode-se citar como uma vantagem o ganho existente na converso ptico-eltrica. E como desvantagens: [1], [17] O rudo quntico pode apresentar a limitao em seu desempenho, no PIN desconsiderado, pois o rudo apenas do circuito; mais caro e mais complexo; Alta sensibilidade, como o ganho a uma determinada temperatura; As tenses de polarizao necessitam ser superiores para garantir a multiplicao em avalanche. 4.3 TCNICAS DE DEMODULAO

Conforme apresentado no item 2.4.1, a modulao comumente utilizada na transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica, devido a sua simplicidade e custo, a modulao por intensidade, feita analogicamente. Foram abordados os trs tipos de modulao por intensidade: a modulao direta por intensidade, a modulao externa e a heterdina remota. Nas demodulaes diretas e externas, aps a transmisso pela fibra, o sinal detectado pelo fotodiodo, gerando uma corrente que ser o sinal de RF utilizado na modulao. Este sinal passar por algumas amplificaes para que se obtenha o nvel de tenso desejado. [10]

45

Na demodulao heterdina, a deteco das duas portadoras combinadas pode ser feita atravs do fotodiodo, ou ento cada portadora pode ser detectada por fotodiodos diferentes. Atravs da corrente gerada pelo fotodiodo recuperado o sinal de RF utilizado na modulao. Na demodulao heterdina que utilizado um nico fotodiodo, a gerao da corrente obtida atravs dos harmnicos, soma e diferena, das frequncias das duas portadoras. [10] A Figura 4.2 ilustra o esquema de demodulao, onde o sinal recuperado pelo fotodetector, este sinal passar pelo filtro passa-altas para que seja eliminado a parte DC (de direct current) do sinal, o filtro passa-faixa far a seleo da subportadora desejada, o demodulador far a demodulao do sinal eltrico, o filtro passa-baixas selecionar o batimento inferior do sinal, que ser o sinal inicial inserido na entrada do sistema.

Figura 4.2. Esquema de demodulao.

46

CAPTULO 5.5.1 CONCLUSO

COMENTRIOS E CONCLUSO

Tradicionalmente, os sinais de RF so distribudos por sistemas que utilizam a transmisso por espao livre ou cabos coaxiais. Ao longo deste trabalho foi apresentada a tecnologia de transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica, seu processo de transmisso, a fibra ptica como meio de transmisso e por fim o sistema de recepo. Esta tecnologia consiste na modulao de um feixe ptico por um sinal de RF que ser multiplexado e inserido no meio de transmisso. Este sinal ser detectado pelo fotodetector e passar pelo processo de demultiplexao e demodulao, recuperando-se o sinal de RF. Com a utilizao deste sistema possvel fazer a interligao da CS s diversas BSs, com um melhor custobenefcio, dependendo da utilizao aplicada. 5.2 ESTUDOS PROPOSTOS

Sugestes para futuros estudos do sistema de transmisso de radiofrequncia sobre fibra ptica: Tcnicas de gerao e transporte de sinais de RF, como por exemplo, a tcnica de converso FM- IM, travamento de fase ptica, bloqueio por injeo ptica- OIL, travamento de fase com injeo ptica, duplo modo (travamento de duplo modo MDL); Aplicao da tecnologia de rdio sobre fibra em rede IEEE 802.15.4; Modulao ptica com Dupla Faixa Lateral (ODSB, Optical Double Side Band); Modulao ptica com Faixa Lateral Simples e Portadora Suprimida (OSSB-SC, Optical Single Side Band Suppressed Carrier).

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