Monografia___RoF_UFF (2)

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
UFF
MESTRADO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAC¸O˜ES
MARCIO ALEXANDRE DIAS GARRIDO
RoF (Radio Over Fiber) NO PROCESSAMENTO FOTOˆNICO
DE MICROONDAS
NITERO´I
2018-2
Marcio AleXandre Dias Garrido
RoF - (Radio OVER FIBER) NO
PROCESSAMENTO FOTOˆNICO DE
MICROONDAS
Monografia Apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal
Fluminense - UFF, como requisito parcial para a obtenc¸a˜o da aprovac¸a˜o da disciplina–
Processamento Fotoˆnico de Micro-ondas
Professor: Ricardo Marques Ribeiro, DSc.
Dezembro de 2018
DEPARTAMENTO ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Monografia de conclusa˜o da mate´ria Processamento Fotoˆnico de Micro-ondas -
RoF - (Radio OVER FIBER) NO PROCESSAMENTO FOTOˆNICO DE
MICROONDAS de autoria de Marcio AleXandre Dias Garrido
Prof. Dr. Ricardo Marques Ribeiro, DSc.
Nitero´i, 13 de Dezembro de 2018
PPGEET, Universidade Federal Fluminense
156 - Bloco E - Sala 502-B - Sa˜o Domingos - Nitero´i - RJ - CEP: 24210-240 Tel.: (21) 2629-5519 / 5501
RESUMO
Esta monografia tem como objetivo estudar a tecnologia de ra´dio sobre fibra (Radio
over Fiber (RoF ) e seu comportamento dentro da mate´ria Processamento fotoˆnico de
microondas - PFM, observando seus impactos no ganho de RF, banda, figura de ru´ıdo
e distorc¸o˜es. O RoF tem sido considerada uma poss´ıvel soluc¸a˜o para a distribuic¸a˜o de
sinais de alta capacidade e alta frequeˆncia, uma vez que por ela, e´ poss´ıvel transportar
grandes volumes de dados. O processamento fotoˆnico de microondas, estuda a interac¸a˜o
de ondas de luz e microondas consolidando o que de melhor pode ser absorvido por
ambas a´reas. De forma geral, o PFM, busca ferramentas e te´cnicas para gerar/receber,
processar , distribuir e analisar os sinais de microondas. No ambiente o´tico, devido a suas
propriedades e caracter´ısticas de transmissa˜o em baix´ıssimas perdas, cresce a cada dia a
busca por novas pesquisas, te´cnicas e diferentes aplicac¸o˜es, como redes de acesso a banda
larga, comunicac¸o˜es via sate´lite etc. Em alguns regimes de aplicac¸o˜es, a largura de banda
e velocidade sa˜o fatores decisivos, assim como geralmente a compactac¸a˜o dos componentes
e imunidade a interfereˆncia eletromagne´tica. Dentro do PFM, a aplicac¸a˜o de RoF tem
sido um dos principais to´picos de pesquisa. De forma sucinta, uma conexa˜o deste tipo
consiste em um laser que pode ser modulado direta ou externamente ( convertendo sinais
ele´tricos em o´pticos) onde um ou va´rios sinais analo´gicos sa˜o modulados nas mais variadas
frequeˆncias de microondas e convertidos para o meio o´ptico (E/O), e via uma conexa˜o
em fibra o´ptica, um modulo detector (photodotector) faz o processo inverso (O/E) e
demodula esta informac¸a˜o. Contudo, dentro deste processamento de sinais, ainda existem
va´rios aspectos e desafios a serem analisados. O conteu´do desta monografia e´ conhecer
os dispositivos e os intervenientes que ocorrem dentro desta estrutura como as distorc¸o˜es,
ru´ıdos, ganhos e bandas que o proposto sistema pode atuar.
Palavras-chave: <RoF>, <Fibras>, <Modulador>,<Receptor>.
Conteu´do
1 Introduc¸a˜o - RoF 7
2 Arquiteturas e aplicac¸o˜es 10
3 Transmissores 13
4 Te´cnicas de Modulac¸ao 14
4.1 Modulac¸a˜o Direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Modulac¸a˜o Externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5 Fibras 23
6 Receptores 24
7 Ganho no Sistema ROF 26
7.1 Frequeˆncia de operac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.2 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.3 Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
8 Ru´ıdo e Distorc¸a˜o 30
8.1 Ru´ıdo te´rmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.2 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.3 RIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.4 Faixa dinaˆmica de operac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
9 Cases / Aplicac¸o˜es 34
9.1 WIFI-RoF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
9.2 Arquitetura WIFI-RoF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
10 Conclusa˜o 36
REFEREˆNCIAS 37
6
1 Introduc¸a˜o - RoF
E´ fato que nos u´ltimos anos, se na˜o, de´cadas, as comunicac¸o˜es o´pticas teˆm crescido
de forma significativa, alavancando cada vez mais o crescimento das telecomunicac¸o˜es e
da internet. Imposs´ıvel na˜o mencionar um grande divisor de a´guas que tivemos nesta
evoluc¸a˜o, que foi foi a` invenc¸a˜o do laser em 1960 [2], seguido pela da fibra o´tica com baixa
atenuac¸a˜o em 1970.
De forma simplo´ria, o dispositivo ou sistema que fac¸a algum tipo de “processamento
fotonico de microondas”, e a transmissa˜o entre dois pontos quaisquer de um sinal optico
modulado pela sub-portadora na banda ele´trica. Andando a passos largos, a eletroˆnica e
a internet processam muitos mais dados, e por consequeˆncia, se faz necessa´rio muito mais
velocidade e banda larga para tanta informac¸a˜o a ser difundida. O desenvolvimento de
sistemas de transmissa˜o de RF sobre fibras opticas (RoF – Radio over Fiber), na˜o fogem
muito da premissa de que e´ levar uma informac¸a˜o de um ponto ao outro. Para tanto,
temos basicamente 3 componentes:
• Transmissor
• Meio de transmissa˜o
• Receptor
No caso do RoF, podemos estar empregando transmissores com diodos laser operando
tanto em modulac¸a˜o direta como externa, fibras o´pticas e receptores com fotod´ıodos.
Este conjugado ja´ e´ uma realidade desde a de´cada de 80. Este tipo de aplicac¸a˜o possui
uma se´rie de vantagens sobre os outros modelos de enlace.
Vantagens
A te´cnica de RoF e´ caracterizada por ter como principais vantagens a possibilidade
de operac¸a˜o centralizada de forma simples e o baixo consumo de poteˆncia.
A baixa atenuac¸a˜o da fibra permite a transmissa˜o de sinais RF a longas distaˆncias
reduzindo a necessidade do uso de repetidores. Existem treˆs situac¸o˜es de comprimento
de onda para a transmissa˜o em fibra o´tica que apresentam baixa atenuac¸a˜o:
λ = 850nm. (1)
λ = 1310nm. (2)
λ = 1550nm. (3)
7
Figura 1: Perdas x Comprimento nos 3 lambdas representados
As fibras geralmente apresentam atenuac¸a˜o entre os 0,2 dB/km (1550 nm) e 0,5
dB/km (1310 nm). Analogamente com os cabos coaxiais, estas perdas sa˜o muito me-
nores, principalmente a altas frequeˆncias, visto que sabemos que as perdas aumentam
com a frequeˆncia. Desta maneira, ao usar sinais o´ticos e´ poss´ıvel transmitir os sinais em
distaˆncias muito superiores e ainda com o benef´ıcio de usar menor poteˆncia na transmissa˜o
[3].
Seguranc¸a
Um ponto interessante a ser observado e´ que os dados(informac¸o˜es) sa˜o transmi-
tidos em forma de luz na fibra o´tica.Neste contexto e poss´ıvel observar a imunidade a
interfereˆncia de radiofrequeˆncia assim como a impossibilidade de escutas, o que permite
obter comunicac¸o˜es seguras e com maior privacidade [3].
”Nem tudo e´ perfeito”
Elencadas foram as vantagens nos para´grafos anteriores, por outro lado, apesar
disso, existem algumas limitac¸o˜es na implementac¸a˜o destes sistemas. O envio de sinais
analo´gicos sofre de distorc¸a˜o devido a` na˜o-linearidade dos componentes o´ticos/micro-
ondas, ale´m disso, ele demanda uma largura de banda dispon´ıvel maior que a frequeˆncia
da portadora RF. Ale´m disso, a gama dinaˆmica de um link o´tico analo´gico decresce
linearmente com a distaˆncia da transmissa˜o, devido a` atenuac¸a˜o da fibra o´tica [4].Os
sistemas RoF sa˜o fundamentalmente sistemas analo´gicos,onde o ru´ıdo e a distorc¸a˜o sa˜o
caracter´ısticas que afetam a comunicac¸a˜o. Existem va´rias fontes de ru´ıdo em sistemas
8
de comunicac¸a˜o analo´gicos, a exemplo temos : O ru´ıdo de intensidade do laser (RIN ),
o ru´ıdo quaˆntico do fotod´ıodo e o ru´ıdo te´rmico do amplificador ( quando aplica´vel ).
Em sistemas RoF que usam fibra mult´ımodo, distaˆncia de transmissa˜o e a largura de
banda da fibra, sa˜o limitadas pela dispersa˜o modal, ja´ na fibra monomodo, a distaˆncia de
transmissa˜o e´ limitada pela dispersa˜o croma´tica [3].
Se analisarmos friamente, as principais dificuldades ou desencorajadores neste tipo
sa˜o :
• Alto custo e complexidade para implantar e ampliar redes o´pticas.
• Dificuldade de se fazer emendas e conectores.
• Fragilidade
• Custo pode ser elevado quando comparado a outros meios de transmissa˜o.
• O fato de sua condutividade ele´trica ser nula, impede o uso da fibra para transmissa˜o
de energia para repetidores e amplificadores ao longo do enlace.
RoF na aplicac¸a˜o da telefonia
A tecnologia 4G utiliza portadoras em altas frequeˆncias para realizar a transmissa˜o
em banda larga, o que reduz a a´rea de cobertura quando comparado com as redes atuais
de telefonia celular. Desta maneira, a forma de contornar este problema se recorre a
instalac¸a˜o de diversas estac¸o˜es ra´dio base (ERBs) para cobrir-se a` mesma regia˜o. Ime-
diatamente temos dois impactos: O comercial ja´ que tal ac¸a˜o eleva o custo operacional
e a interfereˆncia eletromagne´tica entre as estac¸o˜es. Uma prova´vel e eficiente alternativa
para estes problemas e´ o uso da tecnologia de RoF [5], que como ja´ mencionado acima,
realiza a convergeˆncia entre as redes o´pticas e sem-fio. Sistemas RoF compo˜em uma das
vertentes da a´rea de MicroWave Photonics (MWP) [5], que e´ a mate´ria aplicada base
para esta monografia.
Figura 2: Conceito do sistema RoF
9
2 Arquiteturas e aplicac¸o˜es
De forma visual, podemos descrever a arquitetura em 3 partes.
Figura 3: 1-Conversor E/O;2 Link em fibra; 3 Conversor O/E
O primeiro dispositivo - Modulador O/E, recebe o sinal de RF e faz uma conversa˜o
de meio ele´trico para o´ptico, e na sequencia modula em uma portadora. Uma fibra o´tica
acopla a sa´ıda do dispositivo de modulac¸a˜o a` entrada do dispositivo de foto detecc¸a˜o, que
recupera o sinal ele´trico demodulando O/E.
Conceitualmente, o sinal de RF pode ser transmitido atrave´s de uma ligac¸a˜o
o´ptica usando qualquer um dos paraˆmetros da portadora o´ptica que sejam ana´logos aos
paraˆmetros comumente usados com uma portadora de RF: isto e´, a amplitude da porta-
dora o´ptica Eo frequeˆncia ν ou fase θ . Podemos especificar, assumindo que uma onda,
no domı´nio o´ptico propagando-se no espac¸o livre na direc¸a˜o Z[6] :
E(z, t) = E
o
exp[2Jpi
zv
c
(−vt+ θ)]. (4)
Existem condic¸o˜es no domı´nio o´ptico que duplicam muitas das func¸o˜es no domı´nio de RF
(Mixagem de frequeˆncias, amplificadores o´ticos etc), o que de fato na˜o deixa de ser uma
excec¸a˜o nota´vel,quando comparamos as limitac¸o˜es em relac¸a˜o ao domı´nio ele´trico.
Praticamente, todos os receptores de RF atuais sa˜o receptores coerentes nos quais
a amplitude ou a frequ¨eˆncia - ou em alguns casos a fase - da portadora de entrada e´
detectada. Isto esta´ em contraste com os primo´rdios da ra´dio quando a detecc¸a˜o direta
era a norma - ou seja, a detecc¸a˜o da presenc¸a ou auseˆncia da portadora de RF sem ter
em conta a sua frequeˆncia precisa e certamente sem qualquer informac¸a˜o de fase [6]
10
Enlaces IM/DD
Existem duas formas de se fazer a modulac¸a˜o por intensidade o´ptica [6]”
Figura 4: Diagrama de enlaces IM /DD .(a) Modulac¸a˜o direta e (c) Modulac¸a˜o
Externa. Esquema (b) Espectro dos sinais
Como o enlace e´ feito pela fibra o´ptica, transmissor e receptor ficam isolados ele-
tricamente. E´ fato que a fibra de s´ılica conduzindo uma portadora em 1550nm, apresenta
uma baixa atenuac¸a˜o, mas devemos levar em considerac¸a˜o outras perdas ( O/E, E/O
entre outros acoplamentos)[6].
Os pilares para esta arquitetura sa˜o :
• Ganho de RF;
• Banda;
• Ru´ıdo;
• Distorc¸a˜o;
11
Neste caso, o enlace analo´gico, conforme Figura 2, podemos hierarquizar por or-
dem de impacto nos pilares da arquitetura:
Item 1 - Transmissor/Conversor - Impacto de primeira ordem;
Item 3 - Receptor/Conversor - Impacto de segunda ordem;
Item 2 - Link/Fibra - A distancia impacta no ganho de RF,afetando assim o ru´ıdo;
Categorizando as Aplicac¸o˜es
1 – Enlaces o´pticos de transmissao: Sistemas de Transmissa˜o remota, sistemas de
celulares, radares em modo transmissa˜o
2 - Enlaces o´pticos de distribuic¸a˜o: TV a cabo,
3 – Enlaces o´pticos de recepc¸a˜o: Sistemas Celulares, Radar em modo receptor;
Notoriamente que atualmente, os operadores de rede esta˜o buscando a simpli-
ficac¸a˜o de suas operac¸o˜es junto com arquiteturas unificadas e centralizadas para que
sejam flex´ıveis para serem desenvolvidas em diversos n´ıveis da rede [1]. Neste contexto,
a tecnologia de ra´dio sobre fibra (RoF), e´ uma soluc¸a˜o de grande eficieˆncia para fornecer
acesso de ra´dio de banda larga. RoF e´ indicada especialmente para suportar comunicac¸o˜es
de alta velocidade. A tecnologia de RoF e´ basicamente analo´gica. Pore´m, existem outras
tecnologias que digitalizam o sinal analo´gico para ser transmitido em forma de bits pelo
canal o´ptico e melhoram o desempenho em comparac¸a˜o ao caso analo´gico.
12
3 Transmissores
O transmissor o´ptico basicamente tem a func¸a˜o de converter sinais ele´tricos em
sinais o´pticos, ou seja, o sinal de RF para o domı´nio o´ptico por meio da conversa˜o eletro-
o´ptica (E/O). Os sistemas RoF, em grande maioria utilizam lasers semicondutores que
operam na regia˜o de 1300 e 1500 nm, devido a`s vantagens de baixa dispersa˜o e atenuac¸a˜o
(quando ha´ transmissa˜o por fibra nestas regio˜es) conforme podemos observar na Figura
1. Ale´m disso, algumas aplicac¸o˜es na janela de 850 nm tambe´m sa˜o poss´ıveis, pore´m a
alta atenuac¸a˜o (cerca de 3 dB/km) limita sua aplicac¸a˜o para a distribuic¸a˜o de sinais em
ambientes indoor por meio de lasers de baixo custo [7]
Os transmissores de uso comercial,em sua grande maioria, usam a te´cnica de mo-
dulac¸a˜o direta no processo de conversa˜o. Isso se da ao fato de sua eficieˆncia, simplicidade
e logico, baixo custo [7]. Outro ponto observado e´ que os lasers sa˜o as principais fonte de
luz em sistemas RoF. Isso se da ao fato deles serem ”devices”de pequeno porte, possuem
estreita largura de linha, trabalharem em temperatura ambiente, n´ıveis ideais de poteˆncia
o´ptica e linearidade e disponibilidade nas treˆs principais janelas transmissa˜o (800, 1300 e
1500 nm). Temos transmissores que trabalham em forma de modulac¸a˜o direta e externa.
Entre as famı´lias de LD (laser Diode) em modulac¸a˜o o´ptica direta temos a seguinte es-
trutura :
LD =

Fabry-Perot,
DFB,
VCSEL,
(5)
Na modalidade de modulac¸a˜o o´ptica externa, outra estrutura e´ apresentada :
Modulador o´ptico externo =

Modulador eletro-o´ptico, MZM ,
Modulador acoplador direcional DCM ,
Modulador eletro absortivo EAM ,
(6)
Dentre as estruturas acima mencionadas, a com realimentac¸a˜o distribu´ıda (DFB) e´
a mais utilizada, uma vez que ela apresenta o´tima combinac¸a˜o das caracter´ısticas descritas
anteriormente [7]. Pore´m, lasers DFB, devido a suas caracter´ısticas construtivas, sa˜o mais
caros[8].
13
4 Te´cnicas de Modulac¸ao
4.1 Modulac¸a˜o Direta
O sinal ele´trico (voltagem ou corrente) de entrada modula diretamente a inten-
sidade o´ptica de sa´ıda de um LED ou LD.Na modulac¸a˜o direta, com o sinal de RF
diretamente aplicado a` corrente de alimentac¸a˜o do laser,e´ poss´ıvel modular a intensidade
a poteˆncia o´ptica de sa´ıda [6]. Esta simplicidade traz uma vantagem te´cnica incr´ıvel.
Comercialmente falando e´ muito vantajoso. Contudo, sistemas que operem com esta ca-
racter´ıstica, sa˜o limitados pela banda de modulac¸a˜o do LD [6] e o efeito de alargamento
espectral ou chirp [9]
Figura 5: Modulac¸a˜o Direta
Quando usamos LD, a modulac¸a˜o direta produz uma modulac¸a˜o de fase indesejada.
Neste caso o nome deste efeito e´ Chirp. Este tipo de situac¸a˜o ocorre devido a` variac¸a˜o
no fluxo de ele´trons, o que altera o ı´ndice de refrac¸a˜o do material, produzindo diferentes
componentes no domı´nio o´ptico e alargando o espectro.O Chirp junto com a dispersa˜o
croma´tica da fibra reduz a capacidade do sistema de comunicac¸a˜o [9].
Laser de diodo de Fabry-Perot
Figura 6: Esquema de um laser semicondutor do tipo Fabry-Perot em emissa˜o
pela lateral.
14
Dentre os tipos de LD podemos ter variantes de encapsulamento :
Encapsulamentos =

TO-x, Os mais gene´ricos,
Pigtail ou patchcord De fa´cil acoplamento,
ButterFly Possui terminais de controles etc,
(7)
Premissas para se obter a emissa˜o Laser
Possuir habilidade de emitir radiac¸a˜o estimulada. Para baixas correntes, o LD
emite inicialmente fo´tons espontaˆneos. Com o aumento de IL cresce a emissa˜o de fo´tons
estimulados e quando estes superam os fo´tons absorvidos, o diodo laser entra em regime
laser! Inversa˜o de populac¸a˜o com o aumento de IL.
Alimentac¸a˜o ele´trica: Se faz necessa´rio uma Corrente ele´trica direta injetada na
junc¸a˜o PN. O diodo Laser em ultima ana´lise e um diodo emissor de luz estimulada.
A cavidade deve ser ressonante em torno do comprimento de onda central da
radiac¸a˜o estimulada. Esta emissa˜o deve ocorrer dentro de uma cavidade o´ptica capaz de
ressonar no comprimento de onda central λC emitido. Band-ap(Eg) do semicondutor da
camada ativa do LD - λ central emitido.A cavidade mais comum e´ a Fabry-Perot onde
o modulo longitudinal devera´ obedecer a restric¸a˜o (condic¸a˜o de contorno) considerando
esta, vazia!
λ0
2
= l (8)
λ0= Comprimento de onda central no va´cuo ou para m=1.
l=Comprimento f´ısico da cavidade Fabry-Perot.
O nu´mero inteiro que designa a ordem do modo longitudinal oscilante na cavidade
e´ atribu´ıdo pela varia´vel m, tendo esta, as seguintes condic¸o˜es:
m= 1 Modo longitudinal fundamental
m= 2, 3,... Modos longitudinais de ordem superior
15
Os modelos longitudinais de ordem qualquer devera˜o obedecer a seguinte restric¸a˜o
considerando uma cavidade de Fabry-Perot vazia:
m
λm0
2
= l −→ 2l = mλm0 (9)
λm0
2l
m
−→ dλm0 = − 2l
m2
dm −→ ∆λm0 ≈ − 2l
m2
∆ m (10)
Sabendo que 2l = mλm0, podemos observar que m se varia a medida que λm0
pode ser variado de forma a manter o produto mλm0 = 2l fixo uma vez que inicialmente o
comprimento f´ısico da cavidade na˜o se altera. Desta maneira, o sinal negativo e´ irrelevante
ser mantido, ja´ que o objetivo e´ poder calcular o espac¸amento em comprimento de onda.
∆λm0 ≈ 2l
m2
∆m −→ ∆λm0 ≈ 2l
m2
(11)
Ma´s se 2l = mλm0 −→ m 2l
λm0
(12)
Substituindo m na expressao deλm0.
∆λm0 ≈ 2l
( 2l
λm0
)2
−→ ∆λm0 ≈ 2lλ
2
m0
(2l)2
−→ ∆λm0 ≈ λ
2
m0
2l
(13)
Outro cena´rio que e´ poss´ıvel e´ quando a cavidade Fabry Perot e´ preenchida por
algum material semicondutor.
Figura 7: Esquema de oscilacao-amplificacao de um laser semicondutor na
cavidade (interferometro) de Fabry-Perot.
n= I´ndice de refrac¸a˜o do material que preenche a cavidade do diodo laser
λ= Comprimento de onda central dentro da cavidade
16
Por analogia:
λm0 = nλm ou λm =
λm0
n
(14)
Quando falamos de λm0 estamos falando sempre ao que e´ emitido fora da cavi-
dade(ar ou va´cuo). E quando falamos ∆λm ≈ λ2m2l estamos falando da cavidade preen-
chida.
Ao combinarmos as duas u´ltimas equac¸o˜es:
∆λm0
n
≈ λ
2
m0
2n2l
−→ ∆λm0 ≈ λ
2
m0
2nl
(15)
Figura 8: Espectro optico padra˜o de sa´ıda de um laser semicondutor na con-
figurac¸a˜o de Fabry-Perot.
Ganho de modulac¸a˜o no Diodo Laser
O Ganho de modulac¸a˜o e´ totalmente dependente da combinac¸a˜o de correntes
ele´tricas participantes no circuito do modulador.
Corrente ele´trica: iL = IL + il.
iL =Corrente ele´trica total
IL = Corrente DC -bias
il =Corrente de modulac¸a˜o - RF
Analogicamente:
Poteˆncia o´ptica gerada: pL,o = PL, O + pl,o.
pL,o =Poteˆncia o´ptica total
PL, O = Poteˆncia O´ptica na˜o modulada
pl,o =Poteˆncia O´ptica Modulada
17
Podemos observar no gra´fico abaixo, que ha´ uma ”janela”de corrente que a poteˆncia
na˜o se altera. Quando chegamos no ponto IT ,ou seja, corrente de threshold, nossa poteˆncia
o´ptica comec¸a a ter ganho e quando chegamos ao ponto mais linear da curva, encontramos
o ponto ideal de trabalho. Este valor e´ considerado a corrente de bias
Figura 9: Curva PxI de um Laser.
Outros paraˆmetros importantes em transmissores RoF com modulac¸a˜o direta sa˜o:
eficieˆncia de conversa˜o, banda de modulac¸a˜o do laser, janela o´ptica de transmissa˜o e RIN
[6]. Na figura 9 podemos ver a variac¸a˜o da banda de modulac¸a˜o do laser conforme a
corrente de alimentac¸a˜o, mostrando que quanto maior a corrente de alimentac¸a˜o maior
e´ a banda de modulac¸a˜o. Entretanto, esta relac¸a˜o implica em duas penalidades: maior
consumo de energia e reduc¸a˜o da vida u´til do laser [6].
Figura 10: Banda x Corrente Bias x Frequeˆncia.
A faixa de frequeˆncia sobre a qual um link de fibra o´tica e´ transmitida e´ limitada
pela largura de banda do transmissor, do receptor e pela dispersa˜o da fibra o´ptica. O
limite da largura de banda de um link geralmente e´ definido como a frequeˆncia em que a
18
resposta de modulac¸a˜o de microondas cai em 3 dB. Ao interligar o laser em um transmissor
completo com outros componentes como amplificadores ou casamento de impedaˆncia,
tambe´m podemos limitar esta transmissa˜o.
A eficieˆncia de conversa˜o do laser determina a capacidade do diodo em converter
ele´trons em fo´tons.Este paraˆmetro e´ chamado de ”slope efficiency”e e´ dado em W/A.
Considerando que iL = IL seja o ponto de operac¸a˜o de um diodo laser:
sl = (iL = IL) ≡ dpl
dil
(16)
pl =Componente de potencia o´ptica modulada em RF
il =Componente de corrente ele´trica modulada em RF
Quando temos a definic¸a˜o sl = e´ poss´ıvel evidenciar sua dependeˆncia com alguns
paraˆmetros
sl = (iL = IL) ≡ ηlhc
qλ0
(17)
ηl =Raza˜o do nu´mero de fo´tons emitidos pelos injetados
h = Constante de Planckh = 6, 63.10−34J.s
c = Velocidade de um de um sinal eletromagne´tico no va´cuoc = 3.108m/s
q = Carga eletroˆnicaq = 1, 6.1019C
λ0 = Comprimento de onda no va´cuo
DFB = Distributed FeedBack Laser
Os lasers DFB constituem atualmente a versa˜o mais popular de lasers na comu-
nicac¸a˜o o´ptica. Um Laser do tipo DFB conte´m de forma distribu´ıda uma grade difrativa
ao longo da guia que seleciona (filtra por reflexa˜o) um u´nico modo longitudinal para
oscilar, dentro da banda de amplificac¸a˜o deste.
VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser
19
Por u´ltimo, temos os lasers em que a emissa˜o de luz se da´ na mesma direc¸a˜o que a
de injec¸a˜o de portadores, ou seja, com um eixo o´ptico perpendicular a` zona ativa, e que
sa˜o designados por lasers de emissa˜o em superf´ıcie de cavidades verticais, VCSEL.
Lasers DFB esta˜o comercialmente dispon´ıveis com eficieˆncias que variam entre 0,1
a 0,32 W/A [10]. Os VCSELs entregam alta eficieˆncia de conversa˜o devido a` reduc¸a˜o
da regia˜o ativa, o que permite a criac¸a˜o de diodos com baixa corrente de alimentac¸a˜o
[11]. Tipicamente, VCSELs apresentam corrente entre 2-5 mA. enquanto em DFBs esta
grandeza e´ entre 40-60 mA [12]. Contudoisso, VCSELs apresentam baixa poteˆncia o´ptica
de emissa˜o, chegando a n´ıveis 1 mW em 1550 nm [6]. Portanto, os principais fatores que
devem ser considerados no desenvolvimento de um transmissor RoF com modulac¸a˜o direta
sa˜o: eficieˆncia de conversa˜o, corrente de alimentac¸a˜o,RIN, banda de modulac¸a˜o e largura
de linha [10].
4.2 Modulac¸a˜o Externa
Na modulac¸a˜o externa, o laser e´ operado em onda cont´ınua (CW - Continuous
Wave), e a sa´ıda e´ modulada por meio de um gerador de sinal de RF externo em func¸a˜o
do sinal ele´trico aplicado. Neste caso, a modulac¸a˜o externa e´ o me´todo muitas vezes
preferido em sistemas onde e´ demandado alta velocidade, para altas frequeˆncias e maiores
distaˆncias, devido a`s suas carater´ısticas vantajosas em comparac¸a˜o a` modulac¸a˜o direta
como a reduc¸a˜o do chirp.
Figura 11: Diagrama de modulac¸a˜o externa.
Diferente da modulac¸a˜o direta, a eficieˆncia de conversa˜o deste dispositivo depende
do n´ıvel de poteˆncia o´ptica do laser semicondutor [6]. Outro ponto a ser observado, e
que, se a fonte o´tica trabalha no regime CW, a banda de modulac¸a˜o do diodo laser,
um importante paraˆmetro em transmissores o´pticos com modulac¸a˜o direta, passa a ser
indiferente, agora tendo como foco a poteˆncia o´ptica e o RIN como os principais fatores
a serem observados.
20
Modulador o´ptico externo =

Modulador eletro-o´ptico, MZM,
Modulador acoplador direcional DCM,
Modulador eletro-absortivo EAM,
(18)
Modulador eletro-o´ptico de Mach-Zehnder - MZM
Moduladores Mach-Zehnder (MZM) sa˜o feitos com LiNbO3 - niobato de l´ıtio [6],
material inorgaˆnico, o qual apresenta o´tima combinac¸a˜o entre perda de inserc¸a˜o, sensibili-
dade eletro-o´ptica, poteˆncia de saturac¸a˜o e linearidade [6]. O princ´ıpio de funcionamento
deste dispositivo baseia-se na aplicac¸a˜o de um campo ele´trico, que por sua vez altera o
ı´ndice de refrac¸a˜o do niobato de l´ıtio. Logo na entrada do modulador, o sinal da fonte
o´ptica CW e´ dividido de maneira uniforme por meio de um guia de onda composta por
dois “brac¸os” que esta˜o paralelamente fabricados na estrutura do MZM. O eletrodo que
fica pro´ximo a um dos guias, gera um campo ele´trico que altera o ı´ndice de refrac¸a˜o do
material, alterando a velocidade de propagac¸a˜o no guia e induzindo a mudanc¸a de fase
do sinal o´ptico em relac¸a˜o ao outro[6].
Figura 12: Diagrama de modulac¸a˜o externa.
L = Comprimento f´ısico do brac¸o do MZM
n = I´ndice de refrac¸a˜o de um brac¸o do MZM
nL = Comprimento ou caminho o´ptico do brac¸o do MZM
Para a condic¸a˜o tensa˜o aplicada no MZM seja de = 0V, o sinal o´ptico obtido
na sa´ıda do modulador na˜o apresenta padra˜o de interfereˆncia construtiva e destrutiva,
pois na˜o existe diferenc¸a de fase. Contudo, ao se chegar a um determinado valor de
21
tensa˜o aplicado em um dos “brac¸os”, a fase e´ automaticamente alterada, criando uma
interfereˆncia construtiva e destrutiva na sa´ıda do modulador e a variac¸a˜o de intensidade
da portadora o´ptica. A voltagem necessa´ria para criar uma diferenc¸a de fase de 1800 ou
pi radianos e´ chamada de Vpi, sendo este um dos paraˆmetros mais importantes no MZM
[6].Outro paraˆmetro que tambe´m deve ser levado em conta e´ o TF F que e´ a eficieˆncia de
acoplamento o´ptico entre as guias de onda e a fibra o´ptica.
Sendo: 0 ≥ TF F ≤ 1 Temos se seguinte fo´rmula de ca´lculo de eficieˆncia do MZM :
PM ,O =
TF FPI
2
[
1 + cos
(piVM
Vpi
)]
(19)
Levando em considerac¸a˜o o modulador trabalhara´ na quadratura e que teremos um
casamento de impedaˆncia puramente resistivo, aplicando a lei das malhas e comparando
a definic¸a˜o de eficieˆncia de modulac¸a˜o direta, chegamos ao seguinte fo´rmula final:
Smz
(
VM =
Vpi
2
)
=
TF FPIpiRs
2Vpi
(20)
22
5 Fibras
A fibra o´ptica e´ responsa´vel pela ligac¸a˜o do transmissor com o receptor o´ptico.
De forma simplo´ria, podemos dizer que existem treˆs tipos de fibra o´ptica que podem ser
aplicadas em sistemas RoF : Monomodo - SMF (Single Mode Fiber,multimodo - MMF
(Multi Mode Fiber), e polime´rica POF (Plastic Optical Fiber). Em suma, as alternaˆncias
entre elas sa˜o as variac¸o˜es do tamanho do nu´cleo, sendo que este pode ser de 9µm (SMF ),
50 µm ou 62,5 µm (MMF ) e 500 µm (POF ).
Figura 13: Fibras o´pticas.
Fibras monomodo sa˜o utilizadas em sistemas de longa distaˆncia, pois apresentam
baixa atenuac¸a˜o e dispersa˜o croma´tica [13]. Quando temos aplicac¸o˜es de curtas distaˆncias,
e´ geralmente utilizado como soluc¸a˜o a fibra multimodo. Nesta linha de racioc´ınio, existe
um grande interesse na reutilizac¸a˜o dessas infra-estruturas juntamente com a tecnologia
RoF para distribuir sinais Wi-Fi e de telefonia mo´vel. O grande problema neste caso,
e´ justamente o alcance neste formato uma vez que a a propagac¸a˜o de mu´ltiplos modos
o´pticos, e´ que produz o efeito de descorrelac¸a˜o de fase no processo foto detecc¸a˜o.
Ja´ as fibras polime´ricas (fibras pla´sticas) sa˜o recentes em sistemas RoF [14]. A
vantagem deste tipo de fibra e´ que ela e´ feita de acr´ılico, pla´stico termo sens´ıvel que apre-
senta baixa temperatura de fusa˜o, o que torna o processo de fabricac¸a˜o fa´cil e permite a
criac¸a˜o de fibras recicla´veis. Outra vantagem e´ que o nu´cleo desta fibra e´ muito superior
ao das fibras monomodo e multimodo, aproximadamente 500 m, facilitando o acopla-
mento o´ptico. A maioria dos estudos visa aplicar esta fibra na distribuic¸a˜o de sistemas
RoF em ambientes indoor. Em grande analise,a fibra o´ptica e´ um componente chave na
distribuic¸a˜o de sinais em sistemas RoF, permitindo a criac¸a˜o de redes eficientes e com
menor consumo de energia e mais seguranc¸a.
23
6 Receptores
O receptor o´ptico faz exatamente o oposto do transmissor, ou seja, realiza a con-
versa˜o opto - ele´trica (O/E), recuperando o sinal de RF por meio de um fotodetector.
Geralmente a maioria dos receptores RoF aplica um fotodiodo PIN - Positive intrinsic
Negative.
Figura 14: Dopagem PIN.
O fotodiodo PIN trabalha sob alto n´ıvel de injec¸a˜o, ou seja, a regia˜o intr´ınsica e
preenchida com carga levando a mesma da regia˜o P ate´ N.
fotodiodo PIN apresentam excelente responsividade entre os comprimentos de onda
de 1300 e 1500 nm [6]. As principais varia´veis que devem ser observadas sa˜o a responsi-
vidade, corrente de saturac¸a˜o e banda de operac¸a˜o [6].
Os fotodiodo PIN usados em sistemas RoF com modulac¸a˜o direta apresentam
responsividade de 0,85 e 0,9 A/W em 1310 e 1550 nm. Da mesma maneira, suportam
poteˆncias o´pticas entre 0 e 10 dBm e operam na faixa de 10 MHz a 12 GHz.
rd(λ)= Responsividade de um foto-diodo.
rd =
iD
po,d
(21)
iD= Fotocorrente gerada pelo foto diodo quando uma poteˆncia o´ptica pO,D e´ apli-
cada em seu chip
Figura 15: Curva de Corrente x Poteˆncia em um fotodiodo
24
Os fotodiodos quando trabalham dentro da faixa de corrente de saturac¸a˜o apresen-
tam oscilac¸o˜es na corrente de sa´ıda, o que naturalmente pode criar distorc¸o˜es no sinal de
RF e degradar o desempenho do sistema[6].
A conversa˜o O/E depende apenas fracamente da voltagem de bias um foto-diodo
como uma fonte de corrente ideal. Na pra´tica, a responsividade muda muito pouco.
rd(λ) =
iD
po,d
−→ iD = rd.pO,D (22)
O na˜o uso de um circuito de casamento de impedaˆncias, significa que o circuito
na˜o introduz dependeˆncia adicional em frequeˆncia Ω, ou seja, toda a dependeˆncia na
frequeˆncia do circuito receptor o´ptico sera´ devida somente ao foto-diodo.
o casamento e´ feito para ter a ma´xima transfereˆncia de poteˆncia no enlace. Depen-
dendo de qual casamento va´ ser feito e a da frequeˆncia de operac¸a˜o, elementos reativos
podem fluir uma dependeˆncia em frequeˆncia.pload/p
2
O,D = Eficieˆncia incremental de detecc¸a˜o com foto-diodo.
Entrada: pO,D = Poteˆncia o´ptica de entrada, saindo da fibra o´ptica.
Sa´ıda: pload = Poteˆncia ele´trica de sa´ıda, entregue a` carga.
Resumo das eficieˆncias mais usuais de um enlace analo´gico completo:
LD =
p2l ,o
ps,a
=
s2l
RL +RMATCH
(23)
MZM =
p2m,o
ps,a
=
s2mz
Rs
onde smz
(
VM =
V pi
2
)
=
TF FPIpiRs
2Vpi
(24)
PD =
pload
p2O,D
= r2DRLOAD (25)
25
7 Ganho no Sistema ROF
Nos sistemas RoF, alguns paraˆmetros de desempenho devem ser verificados na
escolha para o transmissor e receptor o´ptico de acordo com a frequeˆncia do sinal de RF e
sistema de comunicac¸a˜o sem-fio. Aqui, abordaremos as principais me´tricas de desempenho
em sistemas RoF, apresentando a contribuic¸a˜o de cada componente no transmissor e
receptor o´ptico. os pilares de desempenho principais sa˜o: frequeˆncia de operac¸a˜o, ganho
de RF, figura de ru´ıdo, ru´ıdo equivalente de entrada (Equivalent Input Noise – EIN ) e
faixa dinaˆmica de operac¸a˜o livre de espu´rios (Spurious-Free Dynamic Range - SFDR) [6].
7.1 Frequeˆncia de operac¸a˜o
A frequeˆncia da portadora de RF em sistemas RoF esta atrelada ao alcance ma´ximo
de transmissa˜o do enlace o´ptico. Cada componente do espectro o´ptico viaja pela fibra em
uma fase e velocidade diferente.
A portadora de RF e´ modulada em uma fonte o´ptica, e na sequeˆncia, bandas
laterais sa˜o criadas, as quais esta˜o localizadas nas frequeˆncias de fopt±fRF , onde fopt e´ a
frequeˆncia da portadora o´ptica e fRF e´ a frequeˆncia da portadora de RF.O que acontece
neste caso e´ que estas bandas laterais sofrem o efeito de dispersa˜o croma´tica, criando
padro˜es de interfereˆncia destrutivas e construtivas na fotocorrente.[15]
7.2 Ganho
O ganho de RF e´ informado pela maioria dos fabricantes e e´ outro fator muito
importante nos sistemas RoF. Os enlaces sem amplificac¸a˜o, o ganho de RF acaba sendo
negativo, ou seja, existe perda de potencia logo apo´s a transmissa˜o. Este valor e´ dado
em dB. Contudo, a grande maioria dos dispositivos usam amplificadores de RF para
minimizar ou suprir as perdas provenientes do processo conversivo E/O e O/E, fazendo
com que este paraˆmetro/dado seja positivo. Entre as va´rias definic¸o˜es de ganho (linear)
existente na literatura, a mais u´til para enlaces o´pticos analo´gicos e´ dado pela diferenc¸a
de poteˆncia ele´trica entregue a carga pela poteˆncia ele´trica que a fonte de RF entrega ao
transmissor o´ptico.
gt =
pload
ps,a
(26)
26
Ale´m disso, no transmissor RoF, a impedaˆncia do laser semicondutor precisa
ser casada com a impedaˆncia de entrada da porta de RF para evitar perdas por re-
flexo˜es.Geralmente, um circuito resistivo pode ser colocado em se´rie ao diodo laser, o qual
apresenta baixa impedaˆncia (cerca de 5Ω), elevando este valor para igual ao da entrada
do sistema (50Ω).
Figura 16: Casamento de impedaˆncia Resistivo - Modulac¸a˜o Direta
Da´ mesma maneira que casamos no envio do sinal, o devemos fazer no receptor, no
caso, com o fotodiodo. Uma particularidade deste circuito e´ que neste caso o casamento
e feito com o resistor em paralelo.
Figura 17: Casamento de impedaˆncia Resistivo no Detetor - Modulac¸a˜o Direta
27
Como temos que calcular ganho(dB) do enlace, temos que levar em conta os pontos
a seguir :
Gt(dB) = 10log
(pload
ps,a
)
(27)
Desta forma o ganho linear do enlace se da por :
gt =
(p2m,o
ps,a
)
T 2MD
(pload
p2o,d
)
(28)
TMD = Representa todas as perdas de acoplamento no modulador e no foto-
detector e a atenuac¸a˜o imposta pela fibra o´ptica.
pod = TMDpm,o
pod =Potencia o´ptica modulada que atinge o fotodiodo
pod = Potencia o´ptica modulada que e´ gerada no modulador
p2m,o ∝ ps,a =Modulador O´ptico
pload ∝ p2o,d = Fotodetector
O ganho em dB e´ obtido por :
Gt9(dB) = 10log(gt) (29)
O tipo de casamento resistivo degrada significativamente o sinal de RF e e´ sens´ıvel
ao ru´ıdo te´rmico [6], assim como as distorc¸o˜es sa˜o causadas por na˜o linearidades nas
funco˜es de transfereˆncia dos dispositivos o´pticos eletroˆnicos.
7.3 Banda
Para avaliar a largura de banda dispon´ıvel de um enlace optico, antes do projeto
das redes de casamento de impedaˆncias, devemos usar a “teoria”do orc¸amento de banda”
ou rise-time budgeting.
τr = Tempo-de-subida ou rise-time caracter´ıstico de um componente ou sistema
linear.
Pode ser mostrado que o tempo-de-subida τSY S de um sistema (no caso um enlace
o´ptico analo´gico) pode ser calculado como mostrado abaixo atrave´s da “filtragem da
filtragem....”
28
τ 2SY S =
N∑
i
τ 2i (30)
τSY S = Tempo de subida ou rise-time do enlace o´ptico analo´gico
τi =Tempo-de-subida ou rise-time do componente “i” do enlace.
A largura de banda analo´gica do enlace BSY S e´ inversamente proporcional ao seu
tempo de subida τSY S.
BSY S ∝ 1
τSY S
(31)
No caso mais simples, temos 3 componentes em um enlace o´ptico analo´gico: mo-
dulador (M), fibra o´ptica (F) e foto-detector (D), desta forma:
τ 2SY S =
N∑
i
τ 2i ⇒ τ 2SY S = τ 2M + τ 2F + τ 2D (32)
1
b2SY S
=
N∑
i
1
B2i
⇒ 1
b2SY S
=
1
B2M
+
1
B2F
+
1
BD
(33)
Outro ponto que importante a saber e´ que O rise-time τf e´ dado pelo alargamento
temporal ∆τSM causado pela dispersa˜o croma´tica na fibra SM (Single Mode) que pode
ser calculado por:
τf = ∆τSM (34)
∆τSM = DL∆λ (35)
D = Paraˆmetro de dispersa˜o croma´tica da fibra o´tica
 L = Comprimento da fibra o´tica.
∆λ = Largura espectral ou largura de linha da fonte o´tica.
29
8 Ru´ıdo e Distorc¸a˜o
Em sistemas de comunicac¸a˜o, os componentes utilizados nos mo´dulos de trans-
missa˜o e recepc¸a˜o na˜o sa˜o perfeitos, ou seja, a poteˆncia de RF sofre atenuac¸a˜o, convertendo
o sinal em fontes de ru´ıdo indesejadas [6]. Sistemas RoF sem amplificac¸a˜o apresentam
fundamentalmente treˆs fontes de ru´ıdo: ru´ıdo te´rmico,ru´ıdo shot do fotodetector e ru´ıdo
de intensidade relativa do laser [6].
8.1 Ru´ıdo te´rmico
O ru´ıdo te´rmico e´ a ultima fonte de degradac¸a˜o em sistemas RoF, sendo ela comum
a todo sistema de comunicac¸a˜o. O ru´ıdo te´rmico e´ produzido pela variac¸a˜o no fluxo
de ele´trons no material condutor - movimento Browniano -principalmente em circuitos
resistivos, incluindo os amplificadores. Esta fonte de ru´ıdo depende da temperatura de
operac¸a˜o do sistema, segundo a derivac¸a˜oo feita por Nyquist a corrente ruidosa gerada na
sa´ıda do receptor e´ dada por :
〈v2t (t)〉 = 4kBTR∆f (36)
kB = 1, 38.10
−23J/K constante de Boltzmann
T =Temperatura absoluta (K) do componente em tela
R =Resisteˆncia ele´trica Ω do componente
∆f =Largura de banda de frequeˆncias de medic¸a˜o vt(t)
8.2 Shot Noise
O ru´ıdo shot do fotodetector e´ a segunda maior fonte de ru´ıdo em sistemas RoF,
sendo este oriundo da aleatoriedade do processo de fotodetecc¸a˜o [6]. A luz e´ composta
por pacotes discretos de energia, os quais sa˜o chamados de fo´tons. A variac¸a˜o no tempo
de chegada de cada fo´ton gera uma corrente ruidosa na sa´ıda do fotodiodo PIN, sendo
este chamado de ru´ıdo shot do fotodetector.Schottky mostrou que: uma vez que uma
corrente ele´trica me´dia < ID >, onde < ID > e´ um sinal de corrente determin´ıstico, e´
estabelecida num circuito, enta˜o este sinal de corrente vira´ acompanhado da superposic¸a˜o
com uma componente ruidosa de corrente ele´trica.
iD(t) = Corrente ele´trica total(sinal+ru´ıdo)
isn(t) = Componente de corrente ruidosa -shot noise.
sn = Shot-Noise.
30
iD(t) = isn(t) + sn Shot-Noise.
Schottky tambe´m calculou a me´dia-quadra´tica 〈i2sn(t)〉 do ru´ıdo bal´ıstico sn de
corrente como sendo proporcional a:
〈i2sn(t)〉 ∝D (t)〉 (37)
〈i2sn(t)〉=
| q |
τ
〈iD(t)〉 (38)
τ = Intervalo de tempo da me´dia-quadra´tica da componente ruidosa da corrente.
| q |= 1, 6.1019 Mo´dulo da carga ele´trica elementar
8.3 RIN
Em lasers semicondutores, a poteˆncia o´ptica de sa´ıda na˜o e´ constante. Esta va-
riac¸a˜o de poteˆncia e´ chamada de ru´ıdo de intensidade relativa do laser (RIN ), a qual
e´ medida em dB/Hz ou mW/Hz. O RIN e´ oriundo das interac¸o˜es entre o processo de
emissa˜o estimulada e emissa˜o espontaˆnea na regia˜o ativa do laser, pois a emissa˜o de fo´tons
depende da recombinac¸a˜o aleato´ria de pares de ele´tron-lacuna [6].
RIN(dB/Hz) = 10log
[ 2
∆f
〈i2RIN(t)〉
〈iD〉2
]
(39)
8.4 Faixa dinaˆmica de operac¸a˜o
Os dispositivos de modulac¸a˜o/foto-detecc¸a˜o concentram em si a gerac¸a˜o das na˜o-
linearidades. Observa-se que em geral, predominam as distorc¸o˜es provocadas pelo modu-
lador o´ptico quando comparadas com as provocadas pelo foto- detector. A faixa dinaˆmica
de operac¸a˜o livre de espu´rios (Spurious-Free Dynamic Range – SFDR) e´ um paraˆmetro em
sistemas RoF responsa´vel por determinar a linearidade do sistema. Com este dado con-
seguimos indicar a diferenc¸a de poteˆncia entre o sinal de RF transmitido e as harmoˆnicas
e produtos de intermodulac¸a˜o. Nas aplicac¸o˜es analo´gicas, como a transmissa˜o de sub-
portadoras em aplicac¸o˜es de CATV, a SFDR quantifica nu´mero ma´ximo de canais de
RF que podem ser transmitidos em cada portadora o´ptica [6,10].A operac¸a˜o na faixa na˜o
linear gera produtos de intermodulac¸a˜o e harmoˆnicas na sa´ıda do sistema RoF, o qual e´
intensificado conforme a poteˆncia do sinal de RF aumenta na entrada. Desta forma, com
determinado valor de poteˆncia as componentes de intermodulac¸a˜o e harmoˆnicas cresc¸am
rapidamente, ultrapassando o ru´ıdo de fundo do sistema e transformando-se nas principais
fontes de degradac¸a˜o [6,10],
31
Figura 18: Baixa Poteˆncia de RF
Aplicando-se um pouco mais de poteˆncia, temos uma mudanc¸a significativa no
segundo e terceiro harmoˆnico.
Figura 19: Alta Potencia de RF
Ponto de Interceptac¸a˜o.
A te´cnica com duas portadoras mede a intermodulac¸a˜o de terceira ordem (3rd
order InterModulation - IMD3 ), a qual e´ um importante paraˆmetro em sistemas de co-
municac¸a˜o, pois trata-se de uma componente de RF dif´ıcil de ser filtrada, uma vez que
esta´ muito pro´xima a frequeˆncia fundamental. Neste me´todo, duas portadoras de RF,
32
e , com frequeˆncias pro´ximas sa˜o inseridas na entrada do sistema RoF atrave´s de um
acoplador de RF.O ca´lculo da IMF por meio da IP3 e´ dado por[6]:
IMF3(∆f) =
2
3
[IP3(sa´ıda)−Nout]− 2
3
[10log(∆f)](40)
Posteriormente, duas retas sa˜o usadas para extrapolar os valores medidos, criando
um ponto de interceptac¸a˜o, o qual e´ chamado de 3rd Order Intercept Point (IP3), dado
em dBm. O IP3 apresenta geralmente um valor de poteˆncia de RF muito acima do que
o sistema RoF e´ capaz de operar e quanto maior o seu valor mais linear e´ o sistema.
Figura 20: Intermodulac¸a˜o de 3aordem
33
9 Cases / Aplicac¸o˜es
Aplicac¸o˜es de implementac¸a˜o de sistemas RoF.
Apo´s explorarmos toda estrutura fundamental para a disciplina Processamento
fotoˆnico de microondas, aqui apresentaremos uma das aplicac¸o˜es comumente usadas com
aux´ılio desta arquitetura. Com o crescimento das redes Wi-Fi na criac¸a˜o de hotspots
para os pro´ximos anos, e´ poss´ıvel identificar que como a tecnologia RoF pode contribuir
positivamente na criac¸a˜o e otimizac¸a˜o destas redes.
9.1 WIFI-RoF
Nos u´ltimos anos, as redes Wi-Fi cresceram significativamente, tornando-se a prin-
cipal tecnologia de conexa˜o com a internet em va´rios dispositivos, tais como: notebooks,
TVBox, celulares, videogames, media centers e televisores. A frequeˆncia de operac¸a˜o nes-
sas redes e´ de 2,4 GHz, para o padra˜o IEEE 802.11g/n e de 5,8 GHz para o IEEE 802.11a,
entregando taxas de transmissa˜o de ate´ 300 Mbps [16]. A utilizac¸a˜o destas frequeˆncias,
as quais na˜o sa˜o licenciadas, permitiu a popularizac¸a˜o da tecnologia Wi-Fi, principal-
mente em ambientes dome´sticos e empresariais atrave´s de roteadores sem-fio. Ao redor
do mundo, va´rias redes Wi-Fi esta˜o sendo instaladas em locais pu´blicos, como prac¸as,
pontos tur´ısticos, aeroportos e shoppings, criando os chamados hotspots.
9.2 Arquitetura WIFI-RoF
A arquitetura Wi-Fi-RoF permite a distribuic¸a˜o de sinais Wi-Fi por meio de en-
laces de fibra o´ptica, criando uma rede centralizada com mu´ltiplas antenas remotas [16],
a qual pode ser aplicada em ambientes indoor e outdoor.Hoje cresce muito este tipo de
aplicac¸a˜o, entretanto, a instalac¸a˜o destes va´rios roteadores esta´ contribuindo para o au-
mento de interfereˆncias na faixa de 2,4 GHz, o que reduz o raio de cobertura e a taxa de
transmissa˜o efetiva das redes Wi-Fi. Desta forma, uma poss´ıvel e eficiente soluc¸a˜o e´ utili-
zar a tecnologia RoF para realizar a distribuic¸a˜o de celulas Wi-Fi em pre´dios comerciais
e resideˆncias [16].
Neste exemplo, va´rias antenas sa˜o distribu´ıdas remotamente em cada andar,e neles
sa˜o instalados enlaces de fibra o´ptica do tipo multimodo ou monomodo.Suas principais
vantagens sa˜o o compartilhamento de infraestrutura, aumento do raio de cobertura e
reduc¸a˜o das interfereˆncias entre os canais. Ale´m disso, esta arquitetura apresenta fa´cil
atualizac¸a˜o, pois a tecnologia Wi-Fi pode ser substitu´ıda na EC - Estac¸a˜o de Central por
outros padro˜es de comunicac¸a˜o sem-fio sem necessitar trocar todas as antenas remotas e
cabeamento. Apesar destas vantagens, sistemas Wi-Fi-RoF com padra˜o 802.11g sa˜o atu-
almente limitados a 4 km de distaˆncia da EC devido ao atraso de propagac¸a˜o adicionado
34
Figura 21: Redes Wireless Indoor
pela fibra o´ptica [17]. Isto ocorre porque a programac¸a˜o da MAC no padra˜o Wi-Fi apre-
senta um tempo ma´ximo de espera de 20 s para estabelecer um canal de comunicac¸a˜o. Ou
seja, o sistema envia um pacote, chamado ACKNOWLEDGE, responsa´vel por solicitar
um canal de transmissa˜o e ativar um contador. Caso o pacote de confirmac¸a˜o, chamado
ACKout na˜o seja recebido no per´ıodo de 20 s, a conexa˜o na˜o e´ estabelecida [17]. Portanto,
uma vez que a fibra monomodo insere um atraso t´ıpico de 5 s/km, a distaˆncia ma´xima
para o padra˜o IEEE 802.11g em sistemas RoF e´ de 4 km.
35
10 Conclusa˜o
Nesta monografia, abordamos os principais pilares (ganho, banda, ru´ıdo e dis-
torc¸a˜o) sobre a disciplina Processamento Fotoˆnico de Micro-ondas com eˆnfase em RoF.
As aplicac¸o˜es RoF sa˜o amplamente exploradas, mas aqui, fiz um breve relato so-
bre a modalidade sendo utilizada em conjunto com antenas remotas posicionadas nos
pavimentos tendo o sinal Wi-Fi distribu´ıdo atrave´s da rede RoF.
Foram abordadas as diferentes te´cnicas/dispositivos de modulac¸a˜o que podemos
utilizar para levar o sinal de RF de um ponto ao outro.
Foi tambe´m demonstrado as variantes de fibra o´ptica bem como seus pro´s e contra
tanto no aˆmbito te´cnico quanto comercial.
No tocante a recepc¸a˜o do sinal, abordei os tipos de sensores e sua dopagem bem
como os tipos de ru´ıdos que sa˜o gerados na conversa˜o O/E , assim como as frequeˆncias
geradas a partir da RF fundamental e seus produtos de intermodulac¸a˜o.
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