Technologie Radio sur Fibre pour les applications sans fil

Technologie Radio sur Fibre pour les applications sans fil

La croissance accélérée de la demande de services sans fil à haut débit par les utilisateurs et la limitation de la bande centimétrique en termes de bande passante et de bandes nonlicenciées, a conduit naturellement au passage à la bande millimétrique centrée autour de 60 GHz, offrant une très large bande passante à très haut débit. En outre, la miniaturisation des antennes aux fréquences millimétriques ouvre la porte aux développements des circuits permettant l’intégration des antennes dans les récepteurs radio. Cependant, la couverture radio pour de telles fréquences est très limitée d’où le besoin d’intégrer des liaisons optiques analogiques permettant d’étendre le réseau sans fil avec fiabilité et efficacité.

Principe de la modulation multi-porteuse

Avec l’augmentation des débits, les formats de modulation classiques (NRZ, RZ, SC, …) ont atteint leurs limites. Par conséquent, il a été nécessaire de trouver un format de modulation complexe pour communiquer efficacement à haut débit. Afin d’être robuste aux multiples trajets des liaisons sans fil causés par les réflexions des ondes sur les murs et objets, des solutions basées sur le multiplexage par répartition orthogonale de fréquence telle que l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et le FBMC (Filter Bank MultiCarrier) sont proposées. L’OFDM est largement utilisé dans les systèmes de communication à ultra large bande (ULB) sans fil parce qu’il présente une solution efficace contre les interférences intersymboles (ISI, Inter Symbols Interference) causée par un canal dispersif. Dans la plupart des implémentations OFDM, tout ISI résiduel est éliminé en utilisant une forme d’intervalle de garde appelé un préfixe cyclique. Un second avantage majeur de l’OFDM est le transfert de la complexité des émetteurs et des récepteurs de l’analogique vers le domaine numérique. Il est à noter que la technique OFDM a également été mise en œuvre dans le domaine de l’optique en utilisant des fréquences optiques et le traitement optique [7]. En OFDM, les données numériques sont transmises à un taux élevé en les répartissant sur un grand nombre de sous-porteuses, chacune d’entre elles étant modulée à des débits faibles. L’OFDM est un cas particulier de la FDM (Frequency Division Multiplexing) où l’espacement spectral entre sous-porteuses adjacentes est minimisé. Les fréquences des sous-porteuses sont choisies de telle sorte que les signaux sont mathématiquement orthogonaux sur une période de symbole OFDM. Ainsi, même si les sous-porteuses se recouvrent dans le domaine fréquentiel, ils peuvent toujours être séparés à la réception.

Principe de la technologie Radio sur Fibre 

Pour étendre la couverture géographique des signaux radio fréquences et afin de répondre à l’augmentation en permanence de la demande de fort débit et de bande passante élevée, la solution proposée a été de réaliser des systèmes hybrides combinant les technologies de fibres optiques et radio communément « système radio sur fibre » (RoF) [2], [12]. Par définition, la RoF est consacrée à la transmission optique de signaux analogiques micro-ondes. Par conséquent, la liaison RoF exploite l’efficacité des fibres optiques pour la distribution des signaux radio vers plusieurs points d’accès sans fil qui offrent l’avantage de la mobilité. En effet, au lieu de distribuer des signaux numériques tels que l’Ethernet (IEEE 802.11ad) ou HDMI (WirelessHD) pour communiquer entre chaque point d’accès, ce qui nécessite des processus de traitement du signal tel que des conversions de signaux analogique/numérique et numérique/analogique, les systèmes RoF distribuent les signaux radio dans leur format analogique initial. Les signaux radio sont transposés sur une porteuse optique par modulation de l’intensité ou phase de la lumière d’une source laser sans changer le format de modulation. Ceci est possible par l’utilisation de fibres optiques en silice qui offrent une large bande passante et une faible atténuation.

La transmission sur fibre consiste, dans notre cas, à transposer le signal radio à une fréquence intermédiaire (IF) avant la transmission optique. Ainsi, les exigences sur les composants optoélectroniques en termes de largeurs de bande passante sont réduites et la transposition en fréquence vers la fréquence RF est effectuée, avec un oscillateur local, à l’étage de réception électronique.

Avantages des systèmes RoF

La solution RoF représente une technique hybride, car elle peut reposer sur la communication par voies optique et sans fil. L’avantage d’un système RoF est sa capacité à regrouper les hautes performances de ces deux domaines de communication [13]. On peut citer :
– Faible atténuation de la fibre optique : 0.2-0.3 dB/km pour les longueurs d’ondes télécom dans le cas de la fibre en silice ce qui permettant ainsi d’améliorer la zone de couverture de transmission sans fil.
– Le poids des fibres est considérablement inférieur à celui des câbles coaxiaux classiques.
– Bande passante très élevée de la fibre optique et la possibilité d’atteindre des débits de transmission supérieurs au Gbit/s.
– La liaison RoF est transparente vis-à-vis des protocoles de transmission, ce qui permet d’envisager la transmission des signaux RF configurés selon les standards dédiés à la bande millimétrique à 60 GHz avec des formats de modulation complexes.
– Des systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output) efficaces peuvent être réalisés à l’aide d’un réseau RoF [14].
– Immunité aux interférences électromagnétiques.
– Efficacité d’énergie : le réseau RoF permet le déploiement de cellules radio plus petites fournissant des liens sans fil en liaison directe (LOS, Line Of Sight) plus performants diminuant le niveau de puissance de transmission nécessaire dans la station de base. A ceci s’ajoute, la faible consommation d’énergie des transducteurs E/O et O/E.
– Faible coût d’installation : l’utilisation des systèmes RoF a l’avantage de centraliser les différentes fonctions de traitement du signal dans la station centrale (CS, Central Station) ce qui simplifie la structure des stations de bases (BS, Base Station), et donc le coût du système.

Limitations des systèmes RoF

En dépit des nombreux avantages que présentent les systèmes RoF, ceux-ci font face à certaines limitations. Ces limitations sont liées à la nature analogique du signal micro-onde transmis par la liaison RoF. Ainsi, le rapport signal à bruit (SNR, Signal to Noise Ratio) peut être limité entrainant une dynamique de la liaison plus faible. Ceci peut être relié :
– au bruit additif de la liaison RoF qui affecte le SNR pour de faibles puissances d’entrée RF du système RoF, c’est principalement le bruit d’intensité relatif du laser qui a le plus d’impact sur la qualité de transmission. Le bruit de grenaille de la photodiode peut également être dominant sous certaines conditions de polarisation et certains niveaux de puissances optiques émises.
– à la non-linéarité due aux différents composants de la liaison RoF pour les fortes puissances d’entrée RF, notamment, la non-linéarité provenant du transducteur E/O. Ces non-linéarités provoquent des distorsions du signal transmis et limitent ainsi la dynamique de la liaison.
– à l’impact de la dispersion chromatique de la fibre optique qui représente un coefficient de distorsion limitant le produit distance-bande passante qui varie avec la fréquence de modulation du signal RF et la longueur de la fibre. Il s’ajoute à ceci la dispersion modale dans les systèmes RoF basés sur des fibres optiques multimodes (MMF, Multi-Mode Fiber).

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Technologie Radio sur Fibre pour les applications sans fil
1.1. Principe de la modulation multi-porteuse
1.2. Normes de signaux ultra large bande
1.2.1. Bande centimétrique 3.1 – 10.6 GHz
1.2.2. Bande millimétrique 57 – 66 GHz
1.3. Principe de la technologie Radio sur Fibre
1.3.1. Avantages des systèmes RoF
1.3.2. Limitations des systèmes RoF
1.3.3. Applications des systèmes RoF
1.3.4. Modulation d’intensité optique-détection directe IM-DD
1.3.5. Génération photonique des signaux millimétriques
1.4. Modélisation par circuit équivalent
1.5. Diode laser
1.5.1. Caractéristique des diodes lasers
1.5.2. Circuit électrique équivalent
1.6. Modulateur Mach-Zehnder (MZM)
1.6.1. Principe de fonctionnement
1.6.2. Modèle électrique
1.7. Modulateur à électro absorption (MEA)
1.7.1. Principe de fonctionnement
1.7.2. Modèle électrique
1.8. Fibre optique
1.8.1. Caractéristiques de la fibre
1.8.2. Modèle électrique
1.9. Photodiode
1.9.1. Principe de fonctionnement
1.9.2. Modèle électrique
1.10. Conclusion
Chapitre 2 Caractérisation analogique des composants optoélectroniques et analyse dynamique de la liaison RoF
2.1. Caractéristiques des composants optoélectroniques modélisés pour les liaisons RoF
2.1.1. Diode laser DFB
2.1.2. Modulateur externe à électro-absorption
2.1.3. Modulateur Mach-Zehnder
2.1.4. Fibre optique
2.1.5. Photodiode
2.1.6. Module TOSA-ROSA
2.2. Etude en régime petit signal de la liaison RoF
2.2.1. Description des circuits équivalents
2.2.2. Gain des liaisons RoF
2.2.3. Puissance de bruit de la liaison RoF
2.2.3.2. Bruit du laser
2.2.4. Facteur de bruit
2.3. Etude de la liaison RoF en régime grand signal
2.3.1. Point de compression de gain à 1 dB
2.3.2. Point d’interception d’ordre 3 et SFDR (Spurious-Free Dynamic Range)
2.3.3. Discussion du SFDR en fonction du gain
2.4. Comparaison entre l’approche de simulation électrique sur ADS avec la simulation basée sur des logiciels commerciaux
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Transmission de signaux complexes sur les liaisons RoF
3.1. Critères de performance
3.2. Etude en bande centimétrique
3.2.1. Liaison Back-to-Back pour un fonctionnement optimal
3.2.2. Liaison back-to-back et l’effet de la puissance du signal OFDM
3.2.3. Banc de mesure et configuration de simulation
3.2.4. Mesures et simulations de la qualité de la liaison RoF en modulation directe
3.2.5. Mesures et simulations de l’EVM de la liaison RoF avec l’EML
3.2.6. Résumé des analyses entre les deux configurations RoF
3.3. Etude en bande millimétrique
3.3.1. Implémentation de la liaison directe et caractérisation du signal OFDM
3.3.2. Liaison RoF à modulation externe avec EML
3.3.3. Liaison RoF à modulation externe avec MZM
3.3.4. Liaison RoF à modulation directe (TOSA – ROSA)
3.3.5. Liaison RoF à modulation directe (TOSA – PD New Focus)
3.4. Intégration de la liaison sans fil à 60 GHz
3.5. Conclusion
Conclusion

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