FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Ultra-Wide-Band sobre fibra ótica

Nuno Franclim Sousa

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Henrique Manuel de Castro Faria Salgado (Professor)

Co-orientador: Luís Manuel de Sousa Pessoa (Doutor)

Julho de 2012

c© Nuno Franclim Sousa, 2012

Resumo

Os trabalhos realizados e descritos neste documento têm como objetivo a realização de umaTese de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenhariada Universidade do Porto no ano letivo de 2011/2012. O tema dos trabalhos é a transmissão desinais Ultra-Wide-Band prontos a serem radiados pela antena (portanto sinais de rádio-frequência)através de um link de fibra ótica, permitindo desta forma cobrir um grande espaço com uma tecno-logia que oferece nas suas especificações um alcance muito limitado (UWB tem alcance de umadezena de metros). A análise da qualidade de sinal recebido é feita com recurso ao Error VectorMagnitude (EVM) calculado na receção, este indicador dá-nos o erro que os vetores recebidos têmem relação ao vetor (ou ponto da constelação) ideal.

Com esta junção obtém-se uma simplicidade na arquitetura da rede, podendo ter-se uma es-tação central a produzir os sinais UWB e estes a serem espalhados por uma grande área, estandoas antenas emissoras separadas fisicamente. Estas antenas são constituídas essencialmente por umrecetor ótico seguido de um ou mais amplificadores elétricos (amplificadores RF) que alimentamdiretamente a antena com o sinal tal como é transportado pela fibra.

Para analisar esta possibilidade de aplicação é estudado nesta tese o comportamento de umlaser VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) quando submetido a um sinal na banda 2(3.960 GHz) do espetro UWB. A escolha deste tipo de laser é feita não pelo seu comportamentomas pelo facto de ser o laser mais barato que atualmente se pode adquirir no mercado, com dife-renças de preços muito significativas para os laser longitudinais.

Durante o documento encontra-se uma introdução aos sistemas rádio sobre fibra, uma des-crição da implementação do sistema para simulação, os métodos utilizados e as simulações erespetivos resultados. Por forma a tentar comprovar os resultados obtidos na diversas simulaçõesfoi ainda realizado um pequeno conjunto de testes experimentais, pouco aprofundados devido àescassez de equipamentos que consigam analisar este tipo de sinais.

Não estando nos objetivos do trabalho proposto, será interessante num trabalho futuro a intro-dução de todos os constituintes do link de transmissão tais como a bi-direcionalidade, a fibra ótica,o link wireless e as antenas.

No fundo com este trabalho tentam-se responder a algumas questões relativas à transmissãode sinais UWB sobre fibra tais como:

• Provar que os laser VCSEL são capazes de transmitir sinais UWB (na 2a banda a 3.960GHz);

• Caracterizar o comportamento do VCSEL para várias potências do sinal UWB e para váriascorrentes de polarização através da analise ao EVM do sinal recebido;

• Encontrar o melhor ponto de polarização para o laser onde se obtenha a melhor performance.

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Abstract

The work carried out and described in this document are intended to hold a Master’s Thesisin Electrical and Computer Engineering at the Faculty of Engineering of Porto University in aca-demic year 2011/2012. The theme of the works is the signal transmission Ultra-Wide-Band readyto be radiated by the antenna (radio frequency signals) through a fiber optic link, thus enabling itto cover a large space with a technology that delivers on its specifications rather limited (UWBhas a range of ten meters). The analysis of the quality of the received signal is done using theError Vector Magnitude (EVM) calculated at the reception, this indicator gives us the error thatthe vectors have received in relation to vector (or point of the constellation) ideal.

With this combination is obtained in a simple network architecture, which may have been acentral station to produce UWB signals and these to be spread over a large area, the antennasbeing physically separate stations. These antennas are constituted essentially by an optical recetorfollowed by one or more electric amplifiers (RF amplifiers) which directly feed the antenna withthe signal as it is transported by the fiber.

To examine this possibility of application is studied in this thesis the behavior of a VCSELlaser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) when subjected to a signal on the second band(3960 GHz) of UWB spectrum. The choice of this type of laser is made not by their behavior butbecause it is cheaper than the laser current can be bought in the market, with very significant pricedifferences for the longitudinal laser.

During the document is an introduction to radio over fiber systems, a description of the im-plementation of the system for simulation, the methods used and the respective results and simu-lations. In order to try to prove the results obtained in several simulations were also carried out asmall set of experimental tests, little depth due to shortage of equipment that are able to analyzethese signals.

Not being in the objectives of the proposed work will be interesting in future work the in-troduction of all constituents of the transmission link such as bi-directionality, the fiber optics,wireless link and the antenna.

This paper attempts to answer some questions regarding the UWB over fiber such as:

• Prove that the VCSEL laser is capable of transmitting UWB signals (in the 2nd band at 3960GHz);

• To characterize the behavior of various powers of the UWB signal and for various biascurrents through the EVM received signal;

• Find the best bias point of the laser to obtain the best results.

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iv

Agradecimentos

Um muito obrigado ao Professor Henrique Salgado, meu orientador, foi durante todo o tempouma preciosa ajuda, mostrando-se sempre disponível para esclarecer todas as dúvidas.

Também ao co-orientador, Luís Pessoa, que me forneceu suporte constante durante o tempo pas-sado no laboratório do INESC-Porto.

A todos os investigadores do laboratório de ótico-eletrónica que sem eles não tinha sido possí-vel realizar todos os trabalhos propostos.

Por fim aos meus pais e à minha noiva que estiveram sempre presentes com todo o tipo de apoio,não só durante a realização desta tese de mestrado mas também durante todo o meu percursoacadémico.

Nuno Franclim Sousa

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vi

Conteúdo

1 Introdução 11.1 Motivação e Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Estrutura da Tese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Rádio sobre Fibra 52.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Tecnologia Rádio sobre Fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Simulação 113.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 Métodos utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4.1 Implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4.2 Dificuldades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.6 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Resultados experimentais 334.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2 Método e equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4 Sumário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5 Conclusão 375.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Referências 39

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viii CONTEÚDO

Lista de Figuras

1.1 Densidades espetrais de potência do sinal UWB à saída do emissor, depois docircuito de parasíticos do laser e à saída do fotodíodo . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Comparação entre esquema de instalação de redes RoF e RF convencionais . . . 3

2.1 Esquema de um sistema rádio sobre fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Esquema de uma instalação FTTH com rádio sobre fibra . . . . . . . . . . . . . 72.3 Diagrama da distribuição das bandas pelos grupos [1] . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Constelações recebida (a), ideal (b) e normalizada (c) para um sinal 16-QAM [2] 9

3.1 Diagrama de bandas de energia no semicondutor . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Comparação da estrutura dos VCSEL com os Fabry-Perot [3] . . . . . . . . . . . 133.3 Característica do laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4 Resposta em frequência do VCSEL HFE-4192-582 . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5 Esquema da implementação do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.6 Diagrama de blocos do esquema de simulação em ADS . . . . . . . . . . . . . . 173.7 Diagrama de blocos do esquema de simulação em Matlab . . . . . . . . . . . . . 183.8 Diagrama de blocos do esquema de medição do EVM do sinal em ADS . . . . . 183.9 Emissor UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.10 Densidade espetral de potência do sinal UWB à saída do emissor (RBW = 1MHz) 193.11 Circuito de polarização e parasíticos do VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.12 Gravação dos dados em ficheiro no ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.13 Bloco DEE do Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.14 Resposta em magnitude do filtro aplicado a saída do fotodíodo . . . . . . . . . . 233.15 Resposta em magnitude do filtro aplicado ao sinal em banda base . . . . . . . . . 233.16 Esquema do recetor do sinal UWB e análise do EVM . . . . . . . . . . . . . . . 243.17 Característica da resposta do laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.18 Resposta normalizada do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de 8.8

mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.19 Densidade de potência do sinal UWB à saído do emissor, depois dos parasíticos e

depois das equações de taxa do VCSEL, com -14.07 dBm de potência de sinal e8.8 mA de corrente de polarização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.20 Densidade de potência do sinal à saída do fotodíodo para potências de entrada de-44.07 dBm e 11.93 dBm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.21 Comparação do ruído de RIN para correntes de 3 mA e 5 mA . . . . . . . . . . . 283.22 Comparação do EVM para polarizações de 3 mA e 5 mA . . . . . . . . . . . . . 293.23 EVM para todas as combinações de correntes de polarização e índices de modulação 30

4.1 Esquema do teste experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Resultados de EVM nos testes experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

ix

x LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

2.1 Parâmetros PSDU dependendo da taxa de transferência [1] . . . . . . . . . . . . 82.2 Parâmetros temporais do UWB [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Parâmetros do VCSEL HFE-4192-582 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

xi

xii LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Símbolos

a Ganho diferencialAWGN Additive white Gaussian noiseβ Fator de emissão espontâneac Velocidade da luz no vazioDEE Differential equation editorDEEC Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de ComputadoresDSP Digital Signal ProcessingEIRP Equivalent Isotropically Radiated Powerε Fator de compressão de ganhoη i Rendimento de injeção de portadoresEVM Error Vector Magnitude or Relative Constellation ErrorFCC Federal Communications CommissionFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Portog0 Declive do ganho materialΓ Fator de confinamento óticoI Corrente de injeção de portadoresIbias Corrente contínua de alimentação do LaserLED Light emitting diodeMB-OFDM Multiband Orthogonal frequency-division multiplexingN Densidade de eletrões na banda de conduçãoN0 Densidade de eletrões na banda de condução com corrente IbiasN0m Densidade de eletrões para o dispositivo ser transparente (ganho compensa as

perdas)P Densidade de fotões na cavidadePLCP Physical Layer Convergence ProtocolPout Potência ótica emitidaP0 Densidade de fotões na cavidade com corrente Ibiasq Carga do eletrãoRF Rádio-FrequênciaRIN Ruído de Intensidade do LaserRoF Radio over Fiberτp Tempo de vida dos fotõesτs Tempo de vida dos eletrõesTFC Time frequency codeUWB Ultra-Wide-BandV Volume da região ativav Frequência de onda (fotão)VCSEL Vertical-cavity surface-emitting laservg Velocidade de grupo

xiii

Capítulo 1

Introdução

1.1 Motivação e Objetivos

Os trabalhos realizados e descritos neste documento têm como objetivo a realização de uma

Tese de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia

de Universidade do Porto no ano letivo de 2011/2012. O tema da tese é o estudo de transmissão

de sinais Ultra-Wide-Band (UWB), isto é sinais de Rádio-Frequência (RF) sobre Fibra Ótica.

O trabalho proposto incide sobre o estudo e simulação do comportamento de um laser Vertical-

Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) quando estimulado com sinais de rádio-frequência, mais

especificamente sinais Ultra-Wide-Band. O VCSEL é um díodo emissor de luz laser, bastante

utilizado nas comunicações óticas uma vez que tem um custo de produção muito inferior aos

outros laser de emissão longitudinal, e uma eficiência e potências de emissão muito superiores aos

LED’s. Também foi proposto um pequeno teste experimental, condicionado pela disponibilidade

de equipamento no laboratório onde decorreram os trabalhos (Laboratório de ótica do INESC-

Porto).

Com o crescimento das redes wireless com cada vez maiores taxas de transferência de dados a

que se assiste atualmente, aparece a necessidade de migrar para outras tecnologias com melhores

características que as utilizadas hoje em dia, mas uma das limitações é a utilização eficiente do

espetro de frequências. Umas das tecnologias mais promissoras que permite grandes taxas de

transferência, baixo consumo de potência e uma elevada largura de banda é o Ultra-Wide-Band

(UWB) [4].

A principal área de aplicação destas tecnologias é em redes pessoais (Personal Area Networks),

no entanto, alguns investigadores têm também proposto o seu uso na rede de acesso [5].

Esta tecnologia possui várias vantagens em relação a outras de banda estreita, como utiliza

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) possui robustez contra interferências de

multi-percurso, maior capacidade e maior desempenho. O standard proporciona ainda baixo custo,

baixo consumo de potência, pouca complexidade, alta segurança e grande taxa de transferência de

dados para aplicações de curto alcance.

1

2 Introdução

As frequências de operações utilizadas no UWB vão desde 3.1 a 10.6 GHz que permitem taxas

de transferência até 1024 Mbps, com potências de emissão baixas e um EIRP máximo de -41.3

dBm/MHz (FCC part 15.517), que lhe confere baixa interferência com outros sinais que utilizem

as mesmas frequências [6].

Como o alcance destas redes é muito limitado (cerca de 10 metros) e em alguns cenários de

aplicação isso poderá implicar um grande número de estações emissoras ou pontos de acesso,

a tecnologia de rádio-fibra vem permitir aumentar o alcance das redes UWB. Efetivamente, o

transporte de sinais RF sobre os tradicionais cabos coaxiais é limitado pela elevada atenuação,

por exemplo um cabo da DataLink - DLC 213 - Premium - 5 GHz tem uma atenuação de 375

dB/Km [7]. Em comparação na fibra ótica obtém-se atenuações normalmente na ordem dos 0.2 -

0.5 dB/Km, o que é incomparavelmente inferior [8].

Ao utilizar fibra para transportar os sinais RF prontos a serem radiados pelas antenas, a única

desvantagem desta configuração é a necessidade das antenas emissoras terem incorporado um

recetor ótico e um ou mais amplificadores elétricos, e com isso a necessidade de possuírem ali-

mentação elétrica separada, o que em muitos casos de aplicação não será realmente um problema.

Esta necessidade deve-se à pequena potência transportada pela fibra que é transformada do do-

mínio ótico para elétrico pelo fotodíodo, necessitando este também de alimentação elétrica, tal

como os amplificadores. Este dispositivo transforma então o sinal ótico em corrente elétrica mas

de baixa potência, o que implica a utilização de um amplificador.

Figura 1.1: Densidades espetrais de potência do sinal UWB à saída do emissor, depois do circuitode parasíticos do laser e à saída do fotodíodo

O sinal recebido pela antena para radiação tem uma potência inferior ao máximo de emissão

1.1 Motivação e Objetivos 3

para sinais UWB (EIRP máximo de -41.3 dBm/MHz), e por essa razão é necessário amplificar o

sinal antes de ser aplicado à antena.

Como exemplo apresenta-se na figura 1.1 a densidade espetral do sinal antes e depois do link

ótico, com o VCSEL alimentado por uma corrente de polarização de 8.8 mA, onde se verifica que

a perda de potência é de aproximadamente 25 dB para estes parâmetros. Para fazer a amplificação

do sinal de novo para a potência inicial seria então necessário um amplificador de 25 dB, o que

pode ser difícil de conseguir com um só amplificador, pelo que pode ser necessário a introdução de

mais amplificadores ou em alternativa amplificadores com mais do que um andar de amplificação.

Como se pode ver na figura 1.2, a arquitetura de rede ficará assim com uma estação central que

pode criar vários sinais UWB de rádio frequência que serão diretamente aplicados às antenas (com

exceção da necessidade de amplificação do sinal), e a ligação entre as antenas e a estação central

a ser suportada por fibra ótica. Desta forma, as estações remotas são muito simples e baratas,

permitindo cobrir uma área bastante superior.

(a) Rede UWB convencional (b) Rede UWB sobre fibra ótica

Figura 1.2: Comparação entre esquema de instalação de redes RoF e RF convencionais

Com esta nova possibilidade de uso da fibra ótica surge a necessidade de se fazerem estudos

sobre o comportamento dos vários intervenientes óticos presentes na configuração, e é com esse

objetivo que se desenvolve esta tese de mestrado que tenta responder a algumas destas questões

sendo um contributo para o desenvolvimento desta tecnologia.

Sendo o baixo custo uma das características do UWB, não faria sentido a utilização de dis-

positivos dispendiosos na parte ótica. Essa é a razão para a escolha do VCSEL como fonte ótica

utilizado nas simulações. Este laser tem um custo de produção muito inferior aos restantes laser

longitudinais, uma vez que é produzido e testado em grandes quantidades por ter emissão vertical

pode ser produzido em wafers com as tecnologias de sobreposição de camadas. Na maioria dos

casos de utilização do UWB sobre fibra, a fibra ótica terá um comprimento relativamente pequeno

4 Introdução

e por essa razão não terá uma interferência significativa na transmissão dos sinais pelo que será

tomada como ideal no decorrer deste trabalho.

As 3 questões fundamentais a que este documento se propõe a responder são:

• Provar que os laser VCSEL são capazes de transmitir sinais UWB (na 2a banda a 3.960

GHz);

• Caracterizar o comportamento do VCSEL para várias potências do sinal UWB e para várias

correntes de polarização através da análise da qualidade do sinal recebido;

• Encontrar o melhor ponto de polarização do laser para o qual se obtêm os melhores resulta-

dos.

1.2 Estrutura da Tese

Este documento está dividido em 5 capítulos. Depois da introdução no capítulo 1 temos uma

pequena explicação dos sistemas rádio sobre fibra em jeito de introdução ao tema principal. Ainda

no segundo capítulo descreve-se com algum detalhe a tecnologia UWB completando o estado de

arte.

Mais à frente no capítulo 3 descreve-se todo o trabalho de simulação efetuado. No início do

capítulo existe uma introdução ao VCSEL, uma vez que é sobre este dispositivo que o trabalho

é desenvolvido, no seguimento descreve-se todo o trabalho de simulação, desde os métodos e

software utilizado até aos resultados finais bem como as conclusões daí resultantes.

No capítulo 4 é relatado o pequeno trabalho experimental realizado e comparação de resultados

com as simulações.

Por último (como não poderia deixar de ser) são apresentadas as conclusões gerais de todo o

trabalho desenvolvido e algumas indicações sobre trabalho que não foi abordado nesta tese mas

que será pertinente de desenvolver mais tarde.

1.3 Contribuições

Este trabalho contribui para a evolução dos sistemas RoF, fornecendo uma base de simulação

através de dois softwares muito poderosos e bem conhecidos na área da eletrónica e telecomunica-

ções como são o ADS (Advanced Design System 2009) e o Matlab. Se por um lado o ADS permite

criar todo o tipo de sistemas de emissão com muitas livrarias de componentes e de tecnologias

disponíveis, no Matlab pode-se realizar cálculos muito complexos, como é o caso do sistema de

equações diferencias que modelam o comportamento do laser ou um filtro.

Como resultado deste trabalho foi submetido um artigo à conferência DCIS 2012 em parceria

com R. S. Maciel, H. M. Salgado, J.M.B. Oliveira e J. A. M. da Silva. Este paper descreve o com-

portamento de um amplificador RF para UWB com a fonte de alimentação do VCSEL incorporada

no mesmo chip, tendo sido efetuadas simulações com um setup muito similar ao utilizado neste

trabalho, incluindo o VCSEL para frequências entre 3.168 e 3.696 GHz [9].

Capítulo 2

Rádio sobre Fibra

Neste capítulo descreve-se um pouco a tecnologia Rádio sobre Fibra em geral e em particular

UWB sobre fibra. Também é apresentado o estado de arte destas tecnologias.

2.1 Introdução

Tal como já foi referido na secção de motivação, a necessidade de comunicações com altos

débitos já é uma realidade nos dias de hoje, o próximo passo será certamente tornar as comunica-

ções sem fios adaptadas a essa velocidade e disponibilidade. Um dos problemas que se faz sentir

atualmente é o sobrecarregamento do espetro de frequências disponível, assim surgem tecnologias

como o UWB com baixa interferência sobre as outras comunicações wireless e com muito pouco

alcance, que em muitos casos pode ser um problema, mas neste caso é um beneficio, uma vez que

reduz ainda mais a interferência.

Devido a esta característica e como dito anteriormente surge a necessidade de colocação de

muitas antenas emissoras, e muitas vezes em locais sem condições propícias para instalação de

estações emissoras muito complexas. Com o rádio-sobre-fibra temos então a possibilidade de co-

locar a estação emissora num bom local, podendo mesmo ter várias interfaces para várias antenas,

sendo o sinal UWB (RF pronto a ser radiado pela antena) criado nesse local e transportado por

fibra ótica para as antenas que podem estar colocadas a muitos metros, ou até quilómetros, de dis-

tância. Nas antenas não há qualquer processamento de sinal pelo que podem ser simples, baratas

e robustas.

2.2 Tecnologia Rádio sobre Fibra

A denominação RoF significa o transporte de sinais de rádio através de fibra ótica, sem ne-

nhuma modulação adicional do feixe de luz, de forma a que a recuperação do sinal possa ser feita

com recurso a um simples fotodíodo seguido de amplificação elétrica. Como já foi descrito na

secção de motivação, um dos grandes problemas do transporte de sinais RF por cabos é os grandes

valores de atenuação que os sinais sofrem ao viajarem por exemplo num cabo coaxial.

5

6 Rádio sobre Fibra

Assim surge o RoF que permite o transporte de sinais RF por distâncias muito superiores ás

conseguidas em cabos de cobre, com a única desvantagem a cair sobre a necessidade de instalação

de amplificadores RF antes das antenas, por isso existe a necessidade de ter uma infra-estrutura de

alimentação elétrica na receção, como foi comprovado na secção 1.1 e pela figura 1.1. Esta não

será uma desvantagem significativa quando se implementa estes sistemas em ambiente doméstico,

mas pode ser problemático em ambiente empresarial.

Um sistema RoF completo engloba todo o hardware necessário para introdução do sinal RF na

fibra e posterior recuperação do mesmo sinal no local de receção, como ilustrado na parte tracejada

da figura 2.1.

Figura 2.1: Esquema de um sistema rádio sobre fibra

A transmissão de sinais de alta frequência através de fibra ótica já é utilizada em sistemas em

comercialização como é o caso das FTTH que oferecem conteúdos multimédia e canais de tele-

visão que chegam a casa do cliente já em formato RF tal como seriam enviados pela transmissão

de TV analógica terrestre. Este é um caso claro de RoF e permite uma grande simplicidade na

estação recetora (ONT) sem qualquer tipo de processamento de sinal e sem interferência com os

outros serviços suportados pela mesma fibra.

É espectável que esta tecnologia seja bastante utilizada num futuro próximo com a migração

de muitos sistemas de comunicação para fibra, havendo já estudos para a possível implementação

de redes particulares (residenciais e empresariais) para fibra, seja esta de vidro ou plástico. Com

estas infra-estruturas será possível oferecer muitos novos serviços, incluindo mesmo a utilização

de UWB para serviços de multimédia sem fios e sem necessidade de equipamentos dispendiosos

nas instalações do cliente final com um esquema de implementação do tipo da figura 2.2.

2.3 UWB 7

Figura 2.2: Esquema de uma instalação FTTH com rádio sobre fibra

2.3 UWB

Ultra-Wide-Band (UWB), esta tecnologia tem como caracteristicas principais as grandes taxas

de transferência de dados (até 1024 Mbps), baixo consumo de potência, robustez contra interfe-

rência de multi-percurso, baixo custo, baixa complexidade e ainda elevada segurança.

O alcance das ligações wireless desta tecnologia é pequeno, sendo isto nalguns casos uma

vantagem, como por exemplo servindo de meio de transmissão (sobre fibra) de conteúdos multi-

média em aeronaves e até para localização de objetos em ambiente fechado. O standard inclui a

possibilidade de medição de distâncias na transmissão que podem ir até uma resolução de 7 cm

quando o clock do relógio for de 4 224 MHz sendo o mínimo de resolução de 60 cm, é ainda

possível a medição da velocidade relativa entre duas estações que comuniquem entre si, na prática

esta característica não se utiliza (pelo menos por agora) mas está contemplado no standard [1].

As frequências utilizadas pelo UWB vão desde 3.1 GHz até 10.6 GHz, estas são divididas em

14 bandas, tal como descrito no standard, com 528 Mhz de largura de banda. As 14 bandas são

agrupadas em 6 grupos como mostra a figura 2.3, também podem ser calculadas as frequências

centrais através da fórmula 2.1 [1].

f c(nb) = 2904+528∗nb (MHz) nb = 1,2,3, ...,14 (2.1)

O esquema de transmissão especificado é o MultiBand Orthogonal Frequency Division Modu-

lation (MB-OFDM). São usados um total de 122 subportadoras por cada banda, 100 de informa-

ção, 10 de guarda e 12 piloto que auxiliam a deteção coerente. Para melhorar a performance da

rede são usadas ainda espalhamento nos tempos, espalhamento nas frequências e Forward Error

Correction (FEC) [1]. Como dito anteriormente a densidade de potência de emissão wireless para

as frequências do UWB está limitada pelo FCC part 15.517 a um EIRP de -41.3 dBm/MHz.

8 Rádio sobre Fibra

Figura 2.3: Diagrama da distribuição das bandas pelos grupos [1]

Para cada um dos 6 grupos existem 10 TFC (Time Frequency codes), excepto o grupo 5 que só

tem 3 TFC porque so engloba 2 bandas. A informação do TFC utilizado na transmissão é enviada

no preâmbulo da frame e diz-nos qual o conjunto de frequências utilizadas e a sua sequência. Nas

simulações realizadas neste trabalho utiliza-se o TFC6 da banda 1, isto diz-nos que a frequência

utilizada é sempre a banda 2, se por exemplo se utiliza-se o TFC1 a sequência de bandas seria

1,2,3,1,2,3, o recetor tem um tempo máximo de 9.47 ns entre a receção do ultimo símbolo valido

até estar pronto a receber um novo símbolo numa frequência diferente [1].

Nas tabelas 2.1 e 2.2 são apresentados os parâmetros de PSDU (PLCP Service Data Unit)

dependendo da taxa de transmissão utilizada e os parâmetros temporais do sinal UWB conforme

o standard [6].

Datarate

(Mbps)Modulação Coding

Rate FDS TDSBits codificados /

6 símbolosOFDM

Bits informação/ 6 símbolos

OFDM53.3 QPSK 1/3 Sim Sim 300 100

80 QPSK 1/2 Sim Sim 300 150

106.7 QPSK 1/3 Não Sim 600 200

160 QPSK 1/2 Não Sim 300 300

200 QPSK 5/8 Não Sim 600 375

320 DCM 1/2 Não Não 1200 600

400 DCM 5/8 Não Não 1200 750

480 DCM 3/4 Não Não 1200 900

640 MDCM 1/2 Não Não 2400 1200

800 MDCM 5/8 Não Não 2400 1500

960 MDCM 3/4 Não Não 2400 1800

1024 MDCM 4/5 Não Não 2400 1920

Tabela 2.1: Parâmetros PSDU dependendo da taxa de transferência [1]

Para se obter um valor para a qualidade de sinal recebido utiliza-se o Error Vector Magnitude

(EVM) também chamado Receive Constellation Error (RCE). O EVM é uma figura de mérito que

2.3 UWB 9

caracteriza a qualidade de sinais com modulação digital. Este compara a amplitude complexa do

símbolo recebido com a amplitude do símbolo ideal. Existem outras figuras de mérito para siste-

mas de comunicações digitais, tal como o bit error rate que nos dá a percentagem de bits errados

na receção, mas com o EVM temos acesso a informação suplementar como os erros de amplitude

e fase do sinal, o que permite mais facilmente identificar o problema físico que interferem no sis-

tema. As constelações são diagramas que permitem a visualização de sinais desmodulados. Esta

representação mostra os símbolos com fase e quadratura específicos, cada símbolo representa um

ou mais bits dependendo da modulação utilizada. A figura 2.4 mostra uma constelação para uma

modulação 16-QAM [2].

Figura 2.4: Constelações recebida (a), ideal (b) e normalizada (c) para um sinal 16-QAM [2]

Para o cálculo do EVM é calculada ainda a constelação ideal para a modulação utilizada,

e normalizadas as duas constelações. Isto permite calcular o vetor de erro entre o ponto ideal

da constelação e o ponto medido, sendo este o EVM e podendo ser calculado pela expressão

matemática 2.2. Esta expressão dá-nos o valor RMS (root-mean-square) calculado com um grande

número de símbolos recebidos [2].

EV MRMS =

(1N ∑

Nr=1 |Sideal,r−Smedido,r|2

1N ∑

Nr=1 |Sideal,r|2

)1/2

(2.2)

onde Smedido,r é o símbolo normalizado numero r, Sideal,r é o ponto da constelação norma-

lizada para o símbolo número r, e N é o numero de símbolos da constelação, que normalmente é

substituído pelo número de símbolos medidos.

10 Rádio sobre Fibra

Segundo [10] o EVM é inversamente proporcional ao SNR, calculado pela expressão 2.3.

EV M ≈(

1SNR

)1/2

(2.3)

Parêmetro Descrição Valor

fs Frequência de Amostragem 528 MHz

NFFT Número de subportadoras (Tamanho da FFT) 128

ND Número de subportadoras de dados 100

NP Número de subportadoras piloto 12

NG Número de subportadoras de guarda 10

NT Número Total de subportadoras 122

D f Espaçamento entre subportadoras 4.125 MHz (= fs/NFFT )

TFFT Período do FFT e do IFFT 242.42 ns (∆−1f )

NZPS Número de amostras no sufixo zero-padded 37

TZPS Duração do sufixo zero-padded 70.08 ns (= NZPS/ fs)

TSY M Intervalo entre símbolos 312.5 ns (= TFFT +TZPS)

FSY M Taxa de símbolos 3.2 MHz (= T−1SY M)

NSY M Número total de amostras por símbolo 165 (= NFFT +NZPS)

Tabela 2.2: Parâmetros temporais do UWB [1]

2.4 Sumário

Em resumo as tecnologias rádio sobre fibra já são utilizadas em muitas aplicações hoje em

dia, mas com a crescente migração das redes tradicionais de cobre para a fibra abrem-se novas

possibilidade do seu uso, como o UWB sobre fibra que tem as vantagens de grande largura de

banda e pouca interferência sobre os outros sinais wireless existentes.

Acredito que este seja a evolução natural para muitas das comunicações existentes nos mais

diversos ambientes empresariais e residenciais [5].

Capítulo 3

Simulação

3.1 Introdução

Nos dias que correm todos os sistemas ao serem projetados passam por diversas simulações

que ajudam em muito a posterior implementação e diminuem bastante o tempo de conceção, em

grande parte devido à capacidade que dispomos atualmente em termos de software informático,

poder de processamento do hardware e até facilidades de interface entre simulações e teste físicos.

Neste capítulo descreve-se todos os passos e técnicas utilizadas para a execução das simulações

que caracterizam o sistema UWB sobre fibra ótica.

O componente analisado neste trabalho é o laser VCSEL, sendo este um elemento limitador

do desempenho do link ótico. De seguida temos uma introdução a este dispositivo.

Os softwares utilizado nas simulações é outro ponto fundamental, e temos uma sucinta descri-

ção destes na secção seguinte.

Em seguida podem ser vistos os métodos utilizados nas simulações bem como os pormenores

da implementação. Também são descritas algumas das dificuldades mais importantes na simulação

deste tipo de sistemas.

Por último apresentam-se os resultados obtidos nas várias simulações, seguido da discussão

de resultados e conclusões do capítulo.

3.2 VCSEL

A siglas VCSEL correspondem a Vertical-cavity surface-emitting laser, isto é um díodo emis-

sor de luz, mais especificamente um emissor de luz laser, que normalmente nas aplicações de

comunicações têm comprimentos de onda de emissão que caem fora do espetro da luz visível.

Os LED´s são semicondutores com uma junção P-N que ao serem polarizados emitem luz,

esta emissão é conseguida pela recombinação de eletrões e lacunas na região ativa, podendo estas

recombinações ser radiativas (luz) ou não radiativas (calor). As recombinações fazem os eletrões

transitar da banda de condução para a banda de valência. Ao transitar para uma banda com menor

11

12 Simulação

energia libertam essa diferença (por vezes sobre a forma de luz), onde a frequência (ou compri-

mento de onda) de emissão pode ser calculado através das equação 3.1.

A principal diferença entre um díodo LED e um laser prende-se no facto do primeiro emitir

luz devido a transições espontâneas de eletrões entre as bandas de energia e no segundo existe

uma emissão estimulada que fornece ganho e ao mesmo tempo sintoniza o comprimento de onda

emitido.

Figura 3.1: Diagrama de bandas de energia no semicondutor

E = Ec−Ev = h∗ v (3.1)

onde E é a energia do fotão emitido, Ec é a energia da banda de condução, Ev é a energia da

banda de valência, h corresponde à constante de Planck e v é a frequência do fotão em Hz, que se

relaciona com o o comprimento de onda pela equação 3.2.

λ =cv

(3.2)

onde λ é o comprimento de onda em metros, c é a velocidade da lez em metros/segundo e v é

a frequência da onda em Hz.

Assim o controlo da frequência (ou comprimento de onda) de emissão é obtido pela alteração

do material constituinte do semicondutor, que por sua vez possui uma banda proibida específica,

com consequentes diferentes comprimentos de onda emitidos. Como as recombinações nos LED’s

não são controladas, o espetro de frequências de emissão é largo quando comparado com o lasers,

devido à existência de várias bandas de energia contiguas ás banda de valência e condução. Isto

provoca a emissão de fotões com comprimentos de onda ligeiramente diferentes. A eficiência

também não será tão boa como nos lasers por causa das emissões não-radiativas e da emissão em

direções arbitrárias.

3.2 VCSEL 13

Por sua vez os lasers usam uma cavidade onde através reflexões nos extremos da cavidade do

laser (mais de 99% de refletividade no caso do VCSEL) conseguem ter sempre grandes quantidade

de fotões a atravessar a região ativa dando origem a realimentação ótica. Este fotões interagem

com os eletrões na banda de condução, fazendo com que estes transitem para a banda de valência

e emitam um fotão exatamente com as mesmas características do anterior (comprimento de onda,

direção e fase) e isso fornece o ganho ao laser. Os VCSEL são de emissão vertical e possuem

uma cavidade muito mais pequena que os lasers de cavidade longitudinal (≈ 1µm contra os ≈300µm dos laser Fabry-Perot) , por isso a refletividade tem de ser muito maior, na ordem dos 99%

conseguidos por uma estrutura de vários materiais sobrepostos com índices de refracção diferentes

[3]. Na figura 3.2 pode-se ver os esquemas de ambos os tipos de laser aqui falados.

(a) Estrutura de um VCSEL (b) Estrutura de um Fabry-Perot (longitu-dinal)

Figura 3.2: Comparação da estrutura dos VCSEL com os Fabry-Perot [3]

Uma das vantagens dos VCSEL em relação aos laser longitudinais é a utilização de menos

energia no seu funcionamento, mas a principalmente vantagem que os coloca como primeira es-

colha é o seu custo de produção muitíssimo inferior aos outros lasers.

O VCSEL utilizado nos testes experimentais e nas simulações foi o HFE-4192-582 da Finisar

com comprimento de onda de emissão de 850 nm. Os parâmetros deste laser estão expressos na

tabela 3.1.

O comportamento intrínseco e dinâmico do VCSEL é descrito por um sistema de 2 equa-

ções diferenciais, estas equações obtém-se a densidade de portadores e a densidade de fotões na

cavidade, pelas equações 3.3 e 3.4 respetivamente, este último permite calcular a potência ótica

emitida pelo laser através da fórmula 3.5.

dNdt

= η i∗ Iq∗V

−g0∗ (N−N0m)∗ (1− ε ∗P)∗P− Nτs

(3.3)

14 Simulação

Parâmetro Valor Unidade Parâmetro Valor Unidade

V 2.4∗10−18 m3 Rs 39.61 Ω

g0 4.2∗10−12 m3s−1 Cs 0.7 pF

ε 2.0∗10−23 m3 Cp1 1.3 pF

N0m 1.9∗1024 m−3 Lp1 5.0 nH

β 1.7∗10−4 - Rp1 0.2 Ω

Γ 4.5∗10−2 - Cp2 0.6 pF

τp 1.8 ps Lp2 1.6 nH

τs 2.6 ns Rp2 4.5 Ω

Tabela 3.1: Parâmetros do VCSEL HFE-4192-582

dPdt

= Γ∗g0 ∗ (N−N0m)∗ (1− ε ∗P)∗P− 1τp∗P+β ∗Γ∗ N

τs(3.4)

onde N é a densidade de portadores de carga, η i é o rendimento de injeção de portadores, I

é a corrente de injeção de portadores, q é a carga do eletrão, V é o volume da região ativa, g0 é

declive do ganho material, N0m é a densidade de portadores que permite ao dispositivo igualar o

ganho e as perdas (ficando "‘transparente"’), ε é o fator de compressão de ganho, P é a densidade

de fotões na cavidade, τs é o tempo de vida dos portadores, τ p é o tempo de vida dos fotões, Γ é

o fator de confinamento ótico e β é o fator de emissão espontânea.

Pout =P∗ηd ∗h∗ v2∗Γ∗ τp ∗ηi

(3.5)

onde Pout é a potência ótica emitida, em watt, ηd é a differential quantum efficiency com um

valor comum de 0.3, h é a constante de Planck = 6.626068∗10−34J.s e v é a frequência dos fotões

= 3.4286∗1014Hz.

Um dos parâmetros relevantes do laser é a corrente de limiar (threshold− Ith), este valor diz-

nos a corrente a partir da qual ocorre emissão estimulada (laser), deixando de se comportar como

um díodo LED e começando a ter um elevado ganho e uma rápida resposta a variações no sinal de

entrada. O ponto de funcionamento do laser deve ser tal que o permita operar sempre acima deste

limiar. Para encontrar este valor calcula-se a densidade de portadores de limiar (threshold−Nth),

isto é N tal que o ganho seja igual as perdas

Nth = N0m +1

(Γ∗g0 ∗ τp)(3.6)

A corrente de limiar pode então ser calculada como

Ith =q∗V ∗Nth

(ηi ∗ τs)(3.7)

3.2 VCSEL 15

No caso do laser utilizado estes valores são de Nth = 4.839447∗1024 e Ith = 8.945532∗10−4

A.

O índice de modulação tem muita relevância quando se fala de modulações, e pode ser cal-

culado pela equação 3.8. Considerando que o sinal é uma sinusoide, este indicador é igual a um,

quando a amplitude da sinusóide é igual à diferença entre o valor DC e a corrente de limiar, estando

a sinusóide centrada no valor DC igual a Ibias, tal como é ilustrado na figura 3.3.

m =A

Ibias− Ith(3.8)

Onde m é o índice de modulação, A é a amplitude do sinal e Ibias é a corrente continua de polari-

zação do laser.

Como o sinal UWB é um sinal de amplitude aleatória não é correto a utilização integral desta

definição, definindo-se então a amplitude do sinal (A) como sendo três vezes o desvio padrão, em

vez do valor máximo.

Figura 3.3: Característica do laser

Todo o encapsulamento do laser e o próprio semicondutor criam um circuito de parasíticos,

o qual é necessário considerar nas simulações. Esse circuito pode ser visto na figura 3.11, e os

valores dos seus componentes estão atrás na tabela 3.1.

A resposta em frequência do laser é outra importante característica. A deste laser em particular

possui um overshoot na frequência do sinal UWB analisado, e por isso altera o comportamento

deste. São apresentadas 3 respostas para três correntes de polarização diferentes 3, 5 e 8.8 mA, cal-

culadas através da linearização das equações de taxa, sendo estes resultados validos para pequenos

sinais. Na figura 3.4 pode-se observar a resposta descrita.

16 Simulação

Figura 3.4: Resposta em frequência do VCSEL HFE-4192-582

3.3 Software

Para a simulação do sistema RoF utilizou-se 2 software independentes, o Matlab 7.11.0 e o

Advanced Design System 2009 (ADS).

Inicialmente estava previsto a implementação de todo o sistema em ADS, uma vez que este

software já tem incluído nas suas livrarias vários componentes para sinais UWB tais como emisso-

res, recetores e medidores de EVM. Durante a construção do sistema para simulação apareceram

vários problemas na implementação das equações diferenciais que modelam o comportamento

ótico do VCSEL, pelo que se optou por utilizar o Matlab para esse efeito, permitindo desta forma

uma grande flexibilidade para fazer outros cálculos e otimizações através do Matlab.

O software ADS fornece duas possibilidades de simulação, analog/RF e DSP, a primeira possi-

bilita a simulação de circuitos analógicos ou de radiofrequência com análises DC, AC, parâmetros

S, transitórios, etc. já a segunda é onde se encontram as simulações em Data Flow de sistemas

de comunicações com mais de 500 blocos disponíveis. Estes podem ser interligados através de

co-simulação com os circuitos analog/RF e desta forma otimizar os circuitos RF, com a certeza

que estes estão a ser submetidos aos sinais de comunicação que obedecem aos standards.

O Matlab sendo um dos softwares mais utilizados nas áreas encapsulamento e não só, já é bem

conhecido o seu poder de computação matemática elevadíssimo. A implementação do emissor e

recetor de UWB poderia ter sido também implementados em Matlab, mas devido à complexidade

dessa implementação, e para garantir que o sinal produzido seguia todas as especificações do

standard seria necessário a ocupação de muito tempo de trabalho, e não é esse o objetivo da tese,

pelo que se optou por continuar a utilizar o ADS para criação e análise do sinal UWB.

3.4 Métodos utilizado 17

3.4 Métodos utilizado

Figura 3.5: Esquema da implementação do sistema

O diagrama geral da simulação é apresentado na figura 3.5.

A simulação do sistema inicia-se no ADS com a criação do sinal UWB em ambiente de simu-

lação DSP. O sinal UWB é do tipo MB-OFDM com frequency hopping, embora o TFC utilizado

(TFC6) repita sempre a frequência central número 2 centrada em 3.96 GHz. O sinal produzido

por este bloco é do tipo timed, isto é um barramento de dados utilizado pelo ADS que transporta

5 tipos de dados, estes são a fase e quadratura do sinal, uma flag que indica se o sinal está em

banda base ou RF (o ADS define como banda base o sinal centrado na frequência da portadora,

ao contrario do que se admite neste documento) , a frequência central que pode ser utilizada para

converter ou desmodular o sinal e por fim o tempo presente a que se refere a amostra.

Figura 3.6: Diagrama de blocos do esquema de simulação em ADS

Em seguida com recurso à co-simulação implementou-se o circuito de parasíticos do laser,

acompanhado do circuito de polarização tal como se pode ver mais a frente na figura 3.11. Como

o comportamento da parte intrínseca do laser é implementada no Matlab é necessário que os dados

sejam transferidos entre os programas. Para esse efeito utiliza-se o bloco TimedDataWrite, este

cria um ficheiro .tim com um vetor de tempos e outro com o valor da tensão do sinal que nos dá

informação da corrente que atravessa o laser.

A figura 3.7 mostra o diagrama de blocos da simulação em Matlab.

Os dados depois de carregados para o Matlab são aplicados às equações diferenciais do VC-

SEL que nos dão a densidade de fotões na cavidade, sendo possível então o calculo da potência

ótica emitida e a corrente gerada pelo fotodíodo. De seguida é adicionado ruído AWGN equi-

valente ao ruído de RIN. O fotodíodo é considerado ideal, pelo que é implementado como uma

simples conversão entra potência ótica e corrente eletrica com uma responsividade de 1 A/W. A

este sinal é aplicado um filtro para retirar os espúrios resultantes das não linearidades do laser que

18 Simulação

Figura 3.7: Diagrama de blocos do esquema de simulação em Matlab

caem fora da banda do sinal. A passagem do sinal de novo para o ADS não pode ser feita através

de um ficheiro .tim com um sinal de tensão. Este tem de ser desmodulado para fase e quadratura.

Por este razão teve de ser implementado mais um filtro para aproveitar a parte de banda base, que

pode então ser lida pelo ADS.

Para obter uma medição da qualidade do sinal faz-se a receção e análise do mesmo no ADS

com um medidor de EVM com o bloco UWB_MBOFDM_EVM. Esta é a técnica utilizada para

analisar a qualidade de sinais OFDM tal como descrito no final na secção 2.3. A figura 3.8 mostra

o simples diagrama para a medição do EVM quando o sinal volta ao ADS.

Figura 3.8: Diagrama de blocos do esquema de medição do EVM do sinal em ADS

3.4.1 Implementação

Os três passos fundamentais da simulação são a criação do sinal UWB conforme o standard,

seguido da passagem deste pelo laser e a deteção e análise para obter um valor de qualidade do

mesmo na receção. Por forma a simplificar a leitura do documento divide-se estes passos nas

subsecções seguintes (criação do sinal, laser e filtros, análise do sinal).

3.4.1.1 Criação do sinal

A criação do sinal UWB é realizada com recurso ao bloco UWB_Source_FH_RF presente na

simulação DSP do ADS. A simulação de data flow foi realizada durante um período de 55 µs

com o máximo de oversample possível Ratio32, dando origem a um sinal com passo de tempo

de 5.91856∗10−11s, frequência de amostragem de 16.896 GHz e 929281 amostras. Desta forma

temos um sinal sobreamostrado para obter o máximo de realismo possível nas simulações.

3.4 Métodos utilizado 19

Figura 3.9: Emissor UWB

Na figura 3.9 pode-se ver o emissor UWB utilizado e as respetivas configurações. Este foi

definido para gerar um sinal UWB-frequency hopping, com taxa de transmissão de dados de 200

Mbps, a operar no grupo 1 e TFC6, isto é, a banda utilizada é sempre a 2 do espetro UWB já

apresentado na figura 2.3.

O sinal à saída do emissor tem um espetro com largura de banda de 528 MHz tal como se pode

ver na figura 3.10 com uma potência de emissão total de -14.07 dBm correspondentes ao máximo

de -41.3 dBm/MHz na densidade espetral de potência e largura de banda de 528 MHz.

−41.3dBm/MHz+10∗ log10(528) =−14.07dBm (3.9)

Figura 3.10: Densidade espetral de potência do sinal UWB à saída do emissor (RBW = 1MHz)

20 Simulação

Este sinal é aplicado ao circuito de polarização e ao laser representado pelo seu circuito elétrico

equivalente (parasíticos) ainda no ADS mas em ambiente de simulação analógica/RF. O circuito

é apresentado na figura 3.11, onde na parte verde temos o circuito de polarização que neste caso

está calculado para uma fonte de 5V e aplicação de 1 mA ao laser, o cálculo da resistência em

série com a fonte é feito na equação 3.10. O condensador C2 e a bobine L2 utilizam-se para isolar

o sinal da polarização, tal como acontece no trabalho experimental através do bias-T.

R f onte =5− Ibias ∗Req

Ibias; Req = Rs +Rp1 +Rp2 (3.10)

Na parte vermelha da figura 3.11 está o circuito equivalente de parasíticos do VCSEL na sua

forma mais completa para obter os resultados mais aproximados da realidade. Antes de adotar a

forma completa fez-se a simulação com a forma simplificada mas os resultados foram bastante

diferentes, pelo que se adotou esta forma mais precisa. Os valores utilizados nos componentes

parasíticos foram extraídos experimentalmente pelo método de subtração de frequências [11] e

estão descritos na tabela 3.1.

Figura 3.11: Circuito de polarização e parasíticos do VCSEL

Por último na parte amarela está a resistência série do semicondutor. Ao retirar informação

da tensão aos seus terminais consegue-se, com uma simples divisão pelos valor de Rs, obter a

corrente que atravessa o laser a cada momento, sendo essa a informação necessária ao calculo das

equações diferenciais.

A interface deste circuito com a simulação DSP do ADS é feita através do bloco EnvOutSe-

lector definido para não filtrar o sinal e deixar passar todas as frequências, o que aumenta o tempo

de simulação mas sem isso não era possível obter, simultaneamente, a corrente de polarização e o

sinal UWB. Existem dois tipos de interface para a co-simulação entre DSP e RF, utilizou-se a que

não carrega o circuito RF com nenhuma carga, uma vez que se pretende obter o valor de tensão na

resistência série do semicondutor.

Para fazer a interface com o Matlab utilizou-se a gravação dos dados num ficheiro através do

bloco TimedDataWrite configurado para salvar ficheiros com extensão .tim. Nesta configuração

são criados ficheiros com 2 colunas de dados, a primeira contem informação do tempo presente

de cada amostra (com o espaçamento de 5.91856∗10−11s ) e a segunda coluna contem o valor da

3.4 Métodos utilizado 21

Figura 3.12: Gravação dos dados em ficheiro no ADS

tensão aos terminais da resistência série do díodo. Os blocos descritos anteriormente podem ser

vistos na figura 3.12.

3.4.1.2 Laser e Filtros

O ficheiro gravado anteriormente no ADS é então carregado no Matlab e é feito o calculo da

corrente que atravessa o díodo com uma simples divisão da tensão pelo valor de Rs.

Esse sinal, já em corrente, é aplicado ao sistema de equações diferenciais. Para melhorar a

resposta do laser é calculado o valor inicial da densidade de portadores e fotões na cavidade para

o ponto de funcionamento pretendido, que é ditado pela corrente de polarização. O calculo é

efetuado no Simulink através de uma curta simulação com um sinal DC de valor igual à corrente

de polarização (Ibias), esperando o tempo suficiente para todos os efeitos transitórios cessarem.

Assim o laser parte já do ponto de funcionamento quando o sinal é aplicado, eliminando a subida

de valores iniciais desde zero até ao valor no ponto de funcionamento (que se situa na ordem dos

1024), seguido de oscilações devidas à diferença entre o tempo de vida dos fotões e dos portadores

de carga.

A implementação do sistema de equações diferenciais é feito no Simulink com recurso ao

bloco DEE, tal como se pode ver na figura 3.13.

O passo de tempo do Simulink teve de ser reduzido em 10 vezes do valor inicial, caso contrário

os integradores do DEE tinham pontos indefinidos. Para reduzir o Time Step é necessário fazer

um Resample do sinal antes de passar ao Simulink, este é feito através da função resample. Para

correntes inferiores a zero o díodo laser não conduz, efeito que não está descrito nas equações de

taxa do laser. Para simular este efeito o sinal é truncado para valores negativos de corrente.

Depois de calcular as equações diferenciais descritas em 3.3 e 3.4 é necessário encontrar a

potência ótica emitida pelo laser, como não se consideram os efeitos da fibra neste trabalho, o fo-

todíodo recebe a mesma potência ótica emitida pelo laser. Também se admite que a responsividade

do fotodíodo é igual a 1 A/W, podendo-se então calcular a corrente gerada através da equação 3.5.

22 Simulação

Figura 3.13: Bloco DEE do Simulink

Considerou-se que o ruído introduzido pelo VCSEL pode ser aproximado como sendo só o

ruído de intensidade do laser (RIN), e este aproximado por ruído AWGN com corrente média

quadrática calculada pela expressão 3.11 [8] [12].

< I2RIN >= 10

RIN10 ∗R2∗< P0 >

2 ∗B (3.11)

onde < I2RIN > é a corrente média quadrática do ruído, RIN é a potência espetral do ruído em

dB/MHz, R é a responsividade do fotodíodo em A/W que se considera ser igual a 1 A/W, P0 é a

potência continua do sinal ótico em Watt e B é a largura de banda do ruído em Hz (assume-se igual

a metade da frequência de amostragem, ou seja, toda a banda do sinal).

Considerou-se o parâmetro RIN constante para todas as correntes de polarização, o que faz

com que o ruído só varie com a potência média do sinal ótico, que por sua fez é proporcional à

corrente de polarização.

Adicionou-se então ao sinal de saída do fotodíodo a raíz quadrada do < I2RIN > multiplicada

por um vetor de números aleatórios (entre 0 e 1), obtendo assim ruído AWGN com a potência

pretendida. Em seguida é feita uma filtragem do sinal para retirar alguns espúrios criados pelo

laser que caem fora da banda do sinal original. Essa filtragem é feita com recurso a um filtro

passa-banda equiripple de ordem 10 com banda passante entre 3.5 e 4.5 GHz e frequências de

corte de 1 e 7.9 GHz, cuja resposta em magnitude do filtro é apresentada na figura 3.14.

3.4 Métodos utilizado 23

Figura 3.14: Resposta em magnitude do filtro aplicado a saída do fotodíodo

Figura 3.15: Resposta em magnitude do filtro aplicado ao sinal em banda base

Com isto temos o sinal pronto a ser analisado no medidor de EVM do ADS, mas para realizar a

passagem de informação de novo para este software é necessário obter o sinal em banda base (fase

e quadratura), para isso é então multiplicado o sinal pelo cos(2∗π ∗ fc ∗ t) e sin(2∗π ∗ fc ∗ t) para

se obter o sinal em fase e quadratura respetivamente. Porque esta multiplicação cria um sinal à

frequência zero e outro ao dobro da frequência da portadora ( fc), é necessário uma nova filtragem,

esta realizada também com um filtro equiripple de ordem 10 mas neste caso passa-baixo com

frequência de corte de 3 GHz. A resposta em magnitude do filtro é apresentada na figura 3.15.

Por último procede-se à gravação dos dados para 2 ficheiros com a fase e quadratura do sinal

que serão depois lidos pelo ADS para a análise final do EVM.

24 Simulação

3.4.1.3 Análise do sinal

Os 2 ficheiros gravados pelo Matlab são então lidos pelo ADS através do bloco ReadFile.

O modelo de análise utilizado pode ser visto na figura 3.16. Para obter o sinal em modo Ti-

med necessário ao recetor é ainda necessário utilizar os blocos RectToCx e CxToTimed tal como

se mostra no esquema. Por fim para obter uma análise qualitativa do sinal utiliza-se o bloco

_UWB_MBOFDM_EVM, este faz a receção do sinal UWB e analisa-o, fornecendo como saída o

valor do EVM e outros dados, entre eles a constelação.

Figura 3.16: Esquema do recetor do sinal UWB e análise do EVM

Na secção 3.5 temos a análise dos resultados obtidos nas diversas simulações efetuadas.

3.4.2 Dificuldades

A primeira dificuldade encontrada com a configuração pensada inicialmente foi a implemen-

tação das equações diferenciais no ADS através do verilog-A, a documentação fornecida pelo

software sobre esse assunto é escassa e pouco precisa e também a facilidade de controlar as va-

riáveis de simulação nesse software são poucas, optou-se por utilizar o Matlab para implementar

essas equações, os filtros e outros cálculos necessários.

A dificuldade seguinte é a alta frequência do sinal, que obriga a uma amostragem muito ele-

vada. O emissor utilizado tem várias opções de oversampling, mas para uma simulação mais

realista na resposta do laser como temos um sinal em tensão ao longo do tempo, é necessário

um sinal UWB o mais perfeito possível para que os resultados sejam realista. Assim a esco-

lha no emissor foi a taxa máxima de oversampling correspondente à opção Ratio32 que nos dá

uma frequência de amostragem de 16.896 GHz, bem acima do dobro da frequência da portadora

3.5 Resultados 25

(2 ∗ 3.960GHz = 7.920GHz). Esta sobreamostragem é boa para os resultados mas dá origem fi-

cheiros grandes e necessita de grande poder de computação com simulações bastante demoradas,

mesmo para um tempo de simulação bastante pequeno (55µs).

Outro problema que surgiu foi a integração numérica das equações de taxa, de que resultou

uma necessidade de aumentar a amostragem do sinal para 160 GHz. Esta necessidade surgiu

dos consecutivos erros gerados pelos integradores do DEE com sinais indefinidos na sua entrada.

Ainda referente ao simulink surgiu um pequeno warning devido ao sinal vindo do ADS não ter

um passo de tempo constante, mas com diferenças na quarta ou quinta casa decimal pelo que não

interferiu no resultado final, mas que necessitou de alguma atenção.

Na passagem do sinal de saída do laser para o ADS encontramos outra dificuldade na leitura

dos dados, uma vez que esta não pode ser feita com recurso a um ficheiro que contenha sim-

plesmente os dados do sinal em tensão e os tempos. É necessário o sinal em fase e quadratura

para que o software o leia apropriadamente e o analise. Assim foi preciso fazer uma espécie de

desmodulação, tal como foi explicada na subsecção 3.4.1.2.

3.5 Resultados

Efetuaram-se simulações para valores de potência do emissor entre -44.07 dBm e 11.93 dBm

com incrementos de 2 dB e correntes de polarização do VCSEL entre 2 mA e 8.8 mA com in-

crementos de 1 mA, exceto 8 mA que passa para 8.8 mA sendo este o máximo aconselhado para

o VCSEL utilizado. Com estas simulações pretende-se obter o comportamento do sistema para

vários valores de potência de entrada, simulando assim as diversas situações em que este pode ser

utilizado. Foram também realizadas simulações com e sem ruído de RIN no laser para análise do

efeito do ruído no desempenho do sistema.

Comecemos por analisar a característica corrente/potência ótica das equações de taxa do laser

na figura 3.17. Pode-se ver claramente o ponto de limiar da corrente (em torno de 0.89 mA,

tal como calculado atrás na equação 3.7. Desta característica também se pode retirar o valor do

declive do ganho que é de 0.2123 W/A.

Em seguida analisemos a resposta do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de

8.8 mA mostrado na figura 3.18, por forma a podermos avaliar a resposta do laser. Para melhor

compreensão normalizaram-se os dois gráficos (densidade de portadores e de fotões) para um valor

final igual a 1.

Vê-se aqui claramente as oscilações em torno do valor final, característica do comportamento

oscilatório de um sistema de segunda ordem. Este comportamento é explicado pela diferença nos

tempos de vida dos fotões e de portadores, sendo este último de uma ordem de magnitude superior.

Como se pode observar quando N chega ao valor de limiar, os fotões crescem rapidamente até um

valor muito superior ao valor final (4.5 vezes), quando os portadores começam a ser consumidos

mais rapidamente do que conseguem crescer e por consequência os fotões começam a reduzir

também, segue-se uma recuperação dos portadores e novo aumento de fotões repetindo-se o ciclo

mais algumas vezes dependendo dos parâmetros do laser em questão.

26 Simulação

Figura 3.17: Característica da resposta do laser

Figura 3.18: Resposta normalizada do VCSEL a um degrau de corrente com amplitude de 8.8 mA

3.5 Resultados 27

Figura 3.19: Densidade de potência do sinal UWB à saído do emissor, depois dos parasíticose depois das equações de taxa do VCSEL, com -14.07 dBm de potência de sinal e 8.8 mA decorrente de polarização

Despois de ver-mos o comportamento das equações de taxa do VCSEL quando na entrada

temos um degrau passemos a analisar o seu comportamento quando submetido a um sinal UWB

com uma corrente de polarização de 8.8 mA e uma potência de sinal de -14.07 dBm no emissor,

através da figura 3.19.

Neste gráfico temos a sobreposição das densidades de potência do sinal antes do laser (em

azul), isto é à saída do emissor, com o sinal antes das equações de taxa e depois do circuito de

parasíticos (em vermelho) e finalmente à saído do fotodíodo (a verde). Consegue-se medir que

para esta polarização o laser tem uma atenuação de 13 dB no circuito de parasíticos e de 12 dB

nas equações de taxa e fotodíodo, perfazendo um total de 25 dB em todo o sistema RoF. Também

é possível observar os espúrios resultantes das não linearidades do laser a caírem ao dobro da

frequência da portadora, para esta potência de sinal e corrente de polarização obtém-se um índice

de modulação de 14% admitindo o método de calculo anteriormente descrito pela equação 3.8.

Continuemos com uma análise à distorção devido às não linearidades do laser com a figura

3.20, onde podemos ver a sobreposição das densidades de potência depois do fotodíodo para as

potências de emissão do sinal UWB máxima e mínima, isto é -44.07 dBm e 11.93 dBm, para uma

corrente de polarização de 8.8 mA

Podemos ver os espúrios resultantes das não linearidades do laser no gráfico azul, com uma

potência de entrada muito elevada que corresponde a um índice de modulação de 350%. Quando o

sinal de entrada tem uma potência baixa, como no gráfico vermelho, não existem espúrios porque

o índice de modulação é de 0.6%, mas como a corrente de polarização é de 8.8 mA o ruído é

28 Simulação

Figura 3.20: Densidade de potência do sinal à saída do fotodíodo para potências de entrada de-44.07 dBm e 11.93 dBm

Figura 3.21: Comparação do ruído de RIN para correntes de 3 mA e 5 mA

bastante elevado quase absorvendo o sinal como se vê no gráfico.

O RIN do laser limita o envio de sinais pelo link ótico a baixa potência, como se pode ver

3.5 Resultados 29

na figura 3.21 onde temos a comparação entre a densidade de potência à saída do fotodíodo para

correntes de polarização de 3 mA e 5 mA, com um sinal de entrada com potência de -34.07 dBm.

Quanto maior a corrente maior o ruído de RIN, como descrito pela equação 3.11.

Aqui se pode ver que o ruído é maior quanto maior a potência média do sinal ótico, proporcio-

nal à corrente de polarização. Por este motivo o valor de EVM para sinais de baixa potência piora

com o aumento da corrente de polarização.

Na densidade espectral do sinal para uma polarização de 3 mA vemos que na banda do sinal

se obtém um ganho relativamente ao sinal a 5 mA, isto deve-se à resposta do laser que pode ser

vista na figura 3.4.

A análise do espetro do sinal dá-nos uma imagem clara do nível de ruído e distorção não-linear

imposta pela resposta do laser, mas não nos diz qual o efeito real dessas interferências no resultado

final. Para sabermos a qualidade do sinal recebido passa-se agora à análise do EVM.

Como continuação da análise anterior, na figura 3.22 pode-se ver os EVM dos mesmos sinais

da figura 3.21.

Figura 3.22: Comparação do EVM para polarizações de 3 mA e 5 mA

Verifica-se que para baixas potência do sinal o ruído é dominante, como seria de esperar. Para

níveis de sinal crescentes o EVM melhora (SNR aumenta) até que se atinge um mínimo. A par-

tir deste ponto a distorção de intermodulação do laser e o efeito de clipping passam a limitar o

desempenho do sistema. Comparando as duas polarizações vemos que para o mesmo índice de

modulação obtém-se melhores resultados de EVM a baixa potência com um valor de polarização

mais pequeno porque neste caso o ruído de RIM é dominante. Para potências de sinal maiores

30 Simulação

Figura 3.23: EVM para todas as combinações de correntes de polarização e índices de modulação

obtém-se melhor EVM para a polarização mais elevada porque neste caso a distorção de intermo-

dulação é que domina. Também se pode observar que o valor de EVM se mantem para índices de

modulação maiores que 100%.

Passamos agora a analisar o EVM para as várias potências de emissão do sinal UWB e para as

várias correntes de polarização. Com esta análise pretende-se dar resposta a algumas das questões

principais deste trabalho que são “É viável a utilização de links óticos para o transporte de sinais

RF (UWB)?” e “Qual a o ponto de funcionamento ideal para este laser nestas circunstâncias?”.

Na figura 3.23 compara-se o EVM para todas as combinações possíveis de corrente de alimen-

tação e respetivos índices de modulação

Este é o resultado final de todas as simulações efetuadas durante o trabalho. Responde as 2

questões principais, confirmando a boa possibilidade de transporte de sinais UWB sobre fibra, e

dando um ponto de partida para a escolha de uma polarização adequada às necessidades de cada

instalação em particular.

Ao analisar este gráfico pode-se concluir que o melhor ponto de funcionamento do laser é para

um índice de modulação entre 20 e 30 %.

Quando o índice de modulação é pequeno, o ruído de RIN é dominante e os valores de EVM

para as diversas correntes de polarização diferem pouco, uma vez que o SNR nestes casos não

diferem muito. Depois de atingir o mínimo (-35 dB no melhor caso) assiste-se a um novo aumento

do EVM, neste caso devido às não linearidades do laser, que diferem dependentemente da corrente

de polarização utilizada, tendo os valores em torno de 3 mA resultados bastante piores que os

restantes pontos de funcionamento analisados.

3.6 Sumário 31

Pode ainda inferir-se que para um dado ponto de operação do laser existe um valor de potência

de sinal ideal de modo a atingir a máximo SNR. Isso implica na prática a necessidade de controlo

de ganho para manter o sinal à entrada do laser no nível desejado.

3.6 Sumário

Neste capitulo foi descrita a parte fundamental do trabalho, desde a descrição dos métodos

de simulação e implementação do sistema, algumas dificuldades que podem surgir na simulação

deste tipo de sinais e com estes componentes até à análise de resultados. Conclui-se com este

capítulo que é viável a transmissão de sinais de Ultra-Wide-Band através de links de fibra ótica

sem uma interferência significativa, desde que a potência do sinal seja controlado, coisa que se

consegue facilmente na ligação da estação central com a antena, uma vez que esta tem de ter

forçosamente um amplificador, embora para um funcionamento adequado haja a necessidade de

controlo de ganho.

Quando a informação viajar em sentido contrario é necessário e aconselhado o uso de um pré-

amplificador na antena antes de modular o laser, e se a potência espectável ainda for baixa demais

através da figura 3.23 pode-se escolher uma corrente de modulação de 3 mA por exemplo que

obtém bons valores de EVM mesmo para potências baixas. Tentou-se de seguida a execução de

um pequeno trabalho experimental para comprovar os resultados de simulação.

32 Simulação

Capítulo 4

Resultados experimentais

Nas secções seguintes descreve-se o trabalho realizado experimentalmente. Pela escassez de

equipamentos capazes de analisar este tipo de sinais os testes experimentais não foram muito

longos nem muito pormenorizados.

4.1 Introdução

O setup utilizado nos testes experimentais foi muito similar ao utilizado nas simulações, isto

é, um emissor standard UWB com controlo de potência de emissão seguido do link ótico e para

analisar os dados um osciloscópio digital da Agilant com os algoritmos de análise do sinal muito

parecidos com o software ADS. O esquema do setup é mostrado na figura 4.1.

Os testes foram realizados com várias potências de emissão e várias correntes de polarização

do VCSEL, tal como nas simulações. Sendo que neste caso as potências de emissão estão entre o

máximo permitido pelo standard e até menos 15 dB desse valor.

4.2 Método e equipamentos

O sinal UWB foi criado através de um emissor que segue o standard da Wimedia com as

mesmas configurações da simulação (TFC 6, 200 Mbps, etc). Este equipamento permite o controlo

da potência de emissão através do software fornecido pelo fabricante, sendo através deste que são

alterados todos os parâmetros do emissor. O sinal de saída (RF) é aplicado ao laser através de um

bias-T que permite juntar o sinal de alta frequência e a corrente de polarização.

A polarização do VCSEL é realizada com recurso a uma fonte de corrente de alta qualidade

(Lightwave LDC-3714B) aplicada através de um bias-T (Picosecond Pulse Labs, Model 5550B).

A fonte fornece uma corrente constante controlada computacionalmente, enquanto o bias-T isola a

entrada DC do sinal de alta frequência com perdas de inserção inferiores a 1.5 dB para frequências

até a 10 GHz.

33

34 Resultados experimentais

O sinal UWB e a corrente de polarização, juntos no biasT, são aplicados diretamente ao VC-

SEL sendo a modulação realizada com recurso à resistência série do semicondutor que transforma

a tensão do sinal em corrente, tal como se pode ver na figura 4.1.

Figura 4.1: Esquema do teste experimental

Como descrito ne secção VCSEL 3.2 o dispositivo utilizado é um HFE-4192-582 da Finisar.

A sua saída ótica é acoplada a uma fibra multimodo com aproximadamente 100 metros de com-

primento, terminando num fotodíodo PIN que já inclui no seu encapsulamento um amplificador

elétrico. Este amplificador foi um dos limitadores de performance do sistema devido ao seu baixo

valor de potência de saturação (cerca de −35dBVpk).

A saída do amplificador é ligada através de um cabo coaxial ao osciloscópio digital da Agilent,

sendo este o responsável por processar o sinal e calcular o valor de EVM do sinal recebido.

4.3 Resultados

Os resultados obtidos experimentalmente não são muito precisos devido principalmente ao

amplificador elétrico que amplifica o sinal do fotodíodo, com um erro significativo nos resultados.

Os testes experimentais não foram mais aprofundados ou melhorados devido ao pouco tempo

disponível do equipamento de análise da Agilent. Com isto em mente apresentam-se então os

resultados obtidos.

Foram realizadas medições para potências entre o máximo do standard de EVM e até menos

15 dB desse valor com decrementos de 1 dB, as correntes de polarização testadas foram 6 mA, 4.5

mA e 3 mA.

Na figura 4.2 pode ser visto o gráfico dos EVM obtidos para cada corrente de polarização.

Embora os resultados não sejam perfeitos nota-se a mesma tendência das simulações, com

um mínimo do EVM seguido de novo aumento. Nota-se aqui uma diferença relativamente às

simulações no EVM para correntes de polarização mais baixas, sendo que para 3 mA e índices de

modulação menores obtiveram-se melhor resultados que nas correntes mais altas. Esta diferença

4.4 Sumário 35

Figura 4.2: Resultados de EVM nos testes experimentais

pode dever-se à variação do parâmetro RIN, não incluído nas simulações, ou ao ganho na banda

do sinal para 3 mA ser irregular.

Quando se aumenta a potência do sinal assiste-se ao aumento do EVM devido ás não lineari-

dades do laser, sendo que na simulação também está incluído o efeito da saturação do amplificador

do fotodíodo.

Como nos testes experimentais existem sempre variáveis mais difíceis de controlar do que

em simulação, os resultados apresentam algumas diferenças em relação às simulações, mas com

alguns ajustes e inclusão de outras fontes de ruído na simulação poder-se-ia aproximar mais dos

resultados reais, ficando estes para trabalho futuro.

4.4 Sumário

Mesmo com tempo muito limitado foi possível obter resultados experimentalmente que de

algum modo comprovam os resultados obtidos em simulação, com um funcionamento aceitável

do laser para sinais UWB. Estes resultados permitem a escolha de um ponto de funcionamento

adequado às necessidades de cada aplicação, fornecendo um bom ponto de partida para futuro

desenvolvimento de sistemas Rádio sobre Fibra.

36 Resultados experimentais

Capítulo 5

Conclusão

Neste último capítulo encontra-se as apreciações finais sobre o trabalho realizado bem como

algumas tarefas que não foram possíveis de realizar durante o tempo disponível e que seriam

deveras interessantes e enriquecedoras se forem feitas mais tarde, ficando assim como trabalhos

futuros.

5.1 Conclusões

Durante os trabalhos realizados no âmbito desta tese de mestrado foi possível verificar que a

transmissão de sinais RF (UWB) através de fibra ótica é completamente viável e produz resultados

muito satisfatórios, embora se tenha notado algumas dificuldades para suportar simulações com

frequências de amostragem muito elevadas que produzem muitas amostras. O núcleo do trabalho

foi o estudo do comportamento do VCSEL, notando-se que este comporta-se satisfatoriamente

para as frequências estudadas em torno dos 4 GHz, não sendo de esperar que continue a funcionar

igualmente para frequências mais altas devido à sua resposta em frequência.

Um dos principais objetivos do trabalho, que foi a criação de uma ferramenta de simulação

para sistemas UWB sobre fibra ótica também foi conseguida, podendo-se seguir com a inclusão

de mais componentes até se chegar a simulação do sistema completo, com a possibilidade de

adicionar o link wireless através do software ADS.

Por forma a caracterizar a resposta do laser para sinais UWB foram realizadas simulações

para vários valores de corrente de polarização (entre 2 mA e 8.8 mA), para simular alguns dos

ambientes em que o laser poderá operar realizaram-se simulações com diversas potências de sinal

de entrada (entre -44.07 dBm e 11.93 dBm). Ficou assim caracterizado o comportamento do laser

para as várias polarizações possíveis. Não se pode dizer que seja melhor um ou outro ponto de

polarização porque isso depende da potência de sinal que se utiliza para modular o laser, mas

notou-se que para 3 mA existe mais atenuação e distorção do sinal devido as não linearidades.

Claro que estes dados são validos para este laser com a utilização da frequência 2 da banda de

UWB (TFC6), mas com as ferramentas produzidas neste trabalho com muita facilidade se realizam

novas simulações com outros lasers, bastando para isso alterar os parâmetros do mesmo.

37

38 Conclusão

Infelizmente por falta de disponibilidade de equipamentos não houve possibilidade de confir-

mação dos dados de simulação através de testes experimentais, sendo que os únicos testes reali-

zados foram feitos no início do desenvolvimento do trabalho sem possibilidade de repetição com

os parâmetros simulados em seguida. Assim sendo não se pode dizer que houve confirmação por

medição real. Todos estes detalhes ficam para Trabalho Futuro.

5.2 Trabalho Futuro

Para concluir a simulação do setup para o qual este trabalho foi pensado falta a inclusão do link

wireless, a fibra ótica e os conectores e cabos que nesta simulação não foi tido em conta. Depois

de todos os componentes estarem incluídos na simulação, o passo seguinte seria a implementação

da comunicação bidirecional e também neste campo há muito para estudar na parte ótica do link

uma vez que esta poderá ser suportada noutro comprimento de onda, noutra fibra ou simplesmente

noutra frequência.

Também seria de grande interesse estudar as outras frequências utilizadas em UWB (até 10

GHz), nesse caso com outros laser uma vez que o VCSEL utilizado não suporta sinais de tão

elevada frequência.

Durante a realização deste trabalho houve alguma interação com outro trabalho que insidia

sobre a construção de um amplificador elétrico para amplificar sinais UWB. Estes dois trabalhos

podem ser juntos numa só simulação para se obter melhor rendimento do sistema, ficando este

mais completo ainda e mais próximo da realidade e de uma possível implementação experimental.

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