Fenomeni di intermodulazione in sistemi Radio over Fiber

Introduzione 7
ottici che servono per implementare tale sistema. Particolare attenzione e` rivolta allo studio
del diodo laser modulato direttamente, infatti nel capitolo successivo si discutono i risultati
numerici trovati da uno studio del chirp di frequenza del laser. Nei capitoli quattro e cinque
si mostrano tutti i risultati calcolati tramite il modello teorico, il quale e` stato realizzato
con due programmi di modellizzazione, che rappresentano due modi diversi di procedere
partendo dalle stesse ipotesi iniziali. Nel capitolo sei, viene proposto un modello di simu-
lazione allo scopo di valutare le prestazioni del link ottico. Si confrontano poi i risultati
ottenuti con quelli calcolati precedentemente per via teorica.
Capitolo 1
Sistemi multicanali nelle Radio
over Fiber
In questo capitolo viene presentata una panoramica generale sui sistemi di trasmissione a
fibra ottica con multiplazione di sottoportante, per poi discutere piu` in dettaglio una loro
un’applicazione: le Radio over Fiber. Si inizia con una visione globale della tecnologia Radio
over Fiber, per poi specificare i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnica di trasmissione.
1.1 Sistemi Subcarrier Multiplexing
Anche se la capacita` dei sistemi di comunicazioni ottici in linea di principio puo` superare 10
Tb/s, in pratica il bit rate e` spesso limitato a 10 Gb/s o meno, a causa della dispersione della
fibra, delle limitazioni in velocita` dei componenti elettronici e degli effetti non-lineari [2]. Per
sfruttare la capacita` di trasmissione offerta dalla fibra ottica, un semplice modo e` utilizzare
sistemi con canali multipli: multiplazione a divisione di tempo (time-division multiplexing:
TDM) e multiplazione a divisione di frequenza (frequency-division multiplexing: FDM). Le
tecniche TDM e FDM possono essere utilizzate nel dominio elettrico. Per fare un’esplicita
distinzione, e` pratica comune far riferimento alle due tecniche nel dominio ottico come
OTDM (optical time-division multiplexing) e WDM (wavelength-division multiplexing).
Si parla di Multiplazione di Sottoportante (Subcarrier Multiplexing: SCM ) quando la
FDM elettrica, e` implementata nel dominio di micro-onde, per cui la multiplazione e` otte-
nuta usando sottoportanti RF, piuttosto che portanti ottiche. I canali sono creati dai diversi
segnali modulanti RF, i quali sono combinati per formare un segnale elettrico composito.
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Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 9
Quest’ultimo viene poi utilizzato per modulare direttamente l’intensita` di un laser semicon-
duttore, andandosi a sommare alla corrente di bias. La figura 1.1 illustra un diagramma a
blocchi del sistema SCM. La potenza trasmessa Pt puo` essere scritta come
Pt = Pb

1 +
N∑
j=1
mjaj cos(2pifjt+ φj)

 (1.1)
dove Pb e` la potenza d’uscita al livello del bias e mj, aj , fj, φj sono rispettivamente l’indice
di modulazione, l’ampiezza, la frequenza, la fase associata con la j -esima sottoportante. La
potenza al ricevitore avrebbe la forma dell’equazione (1.1), se il canale di comunicazione
fosse perfettamente lineare. Il segnale ricevuto, in pratica, e` distorto a causa delle non linea-
rita` della sorgente e della dispersione della fibra. Tale distorsione e` nota come distorsione
d’intermodulazione (intermodulation distortion: IMD). Si generano quindi nuove frequenze,
note come prodotti d’intermodulazione (intermodulation products: IMP), della forma f i±fj
e fi±fj±fk, alcune delle quali sono comprese nella banda di trasmissione e di conseguenza
distorgono il segnale analogico.
Se il segnale viene trasmesso in fibra ottica, i principali vantaggi offerti dalla tecnica
SCM sono: il semplice approccio per sfruttare la banda offerta dalla fibra nei sistemi di
comunicazione e la flessibilta`. Infatti, e` possibile utilizzare la modulazione analogica o di-
gitale, oppure una combinazione delle due e trasmettere segnali vocali, dati, video per un
Figura 1.1: Sistema multicanale SCM. Il segnale composito elettrico in uscita dal
combinatore, viene utilizzato per modulare la portante ottica.
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 10
alto numero di utilizzatori. Un esempio e` rappresentato in figura 1.2, in cui una sottopor-
tante trasporta dati in formato digitale, mentre l’altra puo` essere modulata con un segnale
analogico, come ad esempio un segnale video o telefonico. Lo spettro trasmesso consiste
dell’originale portante f0, piu` dei toni laterali localizzati in f0 − fSC e f0 + fSC , dove fSC
e` la frequenza della sottoportante.
Figura 1.2: Esempio di come il sistema SCM supporta diversi generi di dati da trasmettere.
Tramite il sistema SCM, canali multipli possono essere distribuiti agli utilizzatori, co-
me nel caso dei servizi video offerti dalle reti CATV (Common-Antenna Television). Esse
distribuiscono canali televisivi utilizzando una tecnica analogica basata sulla modulazio-
ne d’ampiezza con bande laterali vestigiali (Amplitude Modulation with Vestigial Sideband :
AM - VSB). Poiche` il sistema SCM e` una comunicazione analogica, esso risulta piu` sensibile
agli effetti del rumore e della distorsione. Questo comporta stringenti richieste di linearita`
sulla sorgente ottica e sul canale di comunicazione. Infatti, il CNR (Carrier-to-Noise ratio)
richiesto, definito come il rapporto tra il valore quadratico medio della potenza della por-
tante ed il valore quadratico medio della potenza del rumore al ricevitore, e` molto elevato.
Nel caso del formato di modulazione AM - VSB, il CNR puo` essere superiore a 50 dB per
avere buone prestazioni.
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 11
1.2 Radio over Fiber
Il concetto di Radio over Fiber (RoF ) indica la capacita` di trasportare informazione diret-
tamente sulla fibra ottica, modulando la luce laser con segnali radio. I principali vantaggi
della trasmissione di segnali ad alta frequenza su fibre sono: la poca attenuazione, il basso
costo e l’enorme capacita` d’informazione, anche quando viene utilizzata solo una parte della
banda ottica. Utilizzando la tecnologia RoF, la capacita` delle reti ottiche puo` essere com-
binata con la flessibilita` e la mobilita` delle reti wireless senza significativi aumenti di costi.
La fibra a singolo modo e` preferita per applicazioni RF, specialmente per lunghe tratte,
perche` in essa le perdite sono minori rispetto alla fibra multimodo.
Nella maggior parte dei casi, per sfruttare la semplicita` e il basso costo del sistema, il
laser e` direttamente modulato in intensita` dal segnale RF ed in ricezione un fotodiodo rico-
struisce direttamente il segnale modulante (Intensity Modulation Direct Detection: IMDD)
(figura 1.3) [3].
Figura 1.3: Sistema RoF con laser modulato direttamente.
Lo svantaggio principale di questo metodo e` costituito dal fatto che sistemi di questo
tipo presentano chirp di frequenza, a causa della modulazione diretta del laser. Tuttavia,
modulatori esterni come il Mach-Zehnder possono praticamente eliminare questo problema,
pero` richiedono alte tensioni di comando e quindi costosi amplificatori. Nella ricerca di solu-
zioni piu` economiche, un ruolo fondamentale e` rivestito dai sistemi basati sulla modulazione
d’intensita`. Negli attuali link analogici con fibre ottiche, l’intervallo dinamico dipende dal
rumore e dalle non linearita` del laser. I laser Fabry-Perot , ottengono inferiori prestazioni
sul rumore rispetto alle piu` costose alternative (figura 1.4) come i laser a retroazione di-
stribuita (Distributed Feed-Back : DFB). Tipici trasmettitori ottici costano da 1500 a 3000
dollari, a seconda del loro intervallo dinamico. I componenti a basso costo sono caratte-
rizzati da maggiori non linearita` e quindi producono piu` distorsione d’intermodulazione. I
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 12
laser Fabry-Perot sono di solito abbastanza buoni per tratte a prestazioni medie, cioe` per
link brevi e con un basso numero di portanti. Per lunghi tratti di fibra, sono preferiti i laser
DFB per il loro basso rumore e per la buona linearita`.
Figura 1.4: Grafico che mostra l’evoluzione del prezzo dei laser negli anni.
La modulazione diretta dei laser a frequenze di gigahertz e` comunemente raggiunta nei
sistemi di comunicazione ottici; la dispersione cromatica pero` limita la velocita` di trasmis-
sione. Gli effetti della dispersione della velocita` di gruppo (Group Velocity Dispersion:
GVD) possono essere minimizzati utilizzando un laser a banda stretta e operando con lun-
ghezze d’onda per cui la dispersione e` prossima a zero (λNZ ≈ 1.31 µm). Tuttavia, non e`
sempre possibile lavorare con lunghezze d’onda λ uguali a λNZ , in quanto, i sistemi di terza
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 13
generazione operano vicino a 1.55 µm, dove l’attenuazione della fibra e` minima. Un valore
del β2, il coefficiente del GVD, relativamente alto in fibre a singolo modo (β2 ≈ −20ps2/km
a 1.55 µm), limita fortemente le prestazioni dei sistemi con un bit rate di 10 Gb/s o piu`.
1.2.1 Architettura cellulare
L’incremento dell’utilizzo delle reti cellulari, porta a ricercare nuove soluzioni per migliorare
la qualita` del servizio e sopportare piu` utenti. Nella moderna telefonia cellulare, le regioni
urbane e rurali, sono suddivise in celle, in cui sono presenti stazioni base che trasmettono su
piccole aree geografiche. Una cella rappresenta l’unita` geografica di base, la cui dimensione
varia a seconda del paesaggio. Ci sono tre tipi di reti cellulari: macro-celle, micro-celle,
pico-celle.
Una rete macro-cellulare e` impiegata utilizzando celle con un diametro di 16 a 48 Km.
Le reti radio micro-cellulari sono usate in zone ad alta densita` di traffico e possono avere
un raggio piccolo fino a 200 m. Infine, le pico-celle hanno raggi tra 10 e 200 m. Oggi, tali
sistemi radio sono utilizzati per comunicazioni wireless.
1.2.2 Sistemi RoF
Figura 1.5: Soluzione RoF per sistemi cellulari (downlink).
Il continuo aumento della diffusione dei sistemi di telefonia mobile, deve affrontare pro-
blemi riguardanti la distribuzione del segnale radio in quei luoghi dove, a causa di particolari
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 14
condizioni, la propagazione del campo elettromagnetico e` difficoltosa. Possibili esempi so-
no la realizzazione delle coperture nelle ferrovie, nelle gallerie autostradali, nell’interno di
grossi edifici, oppure in aree, geograficamente ristrette, in cui un grande numero di persone
e` concentrato, come ad esempio negli eventi sportivi, esibizioni o convegni [3].
Figura 1.6: Rete per sistemi RoF micro-cellulari (PSTN: Public Switched Telephone
Network; MSC : Mobile switching center).
La tecnologia Radio over Fiber e` in grado di risolvere questi problemi in modo soddi-
sfacente. I sistemi micro-cellulari, in cui i segnali radio sono trasmessi su un link a fibra
ottica tra le stazioni base (Base Station: BS ) e le stazioni base centrali di controllo (Central
Base Station: CBS ), hanno riscosso molta attenzione. Infatti, i sistemi RoF sfruttano la
bassa attenuazione e l’enorme banda della fibra ottica, in modo tale da riuscire a fronteg-
giare l’aumento della richiesta e presentano ottime caratteristiche in termini di basso costo
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 15
della stazione base. In un tale sistema, in ogni micro-cella e` presente un semplice ripetitore
optoelettronico, connesso alla stazione centrale da un link in fibra ottica (figure 1.5 e 1.6).
Figura 1.7: Progetto fondamentale di un downlink RoF. In giallo: elaborazione del segnale
RF. In turchese: elaborazione ottica nella CBS (LD: diodo laser). In rosso: BS (PD:
fotodiodo).
Nei sistemi Radio over Fiber, per diminuire il costo delle BS, la maggior parte dei
processi, come ad esempio la codifica, la multiplazione e la modulazione, viene fatta nelle
stazioni centrali piuttosto che nelle BS [5]. Il link radio in cui si propaga il segnale in
fibra ottica, da CBS a BS, viene detto downlink. Il percorso inverso e` chiamato uplink. Le
bande di trasmissione in uplink e downlink sono diverse, in tal modo non esiste interferenza
all’interno della stessa cella. Il progetto delle BS comprende principalmente un fotodiodo
(O/E) ed un amplificatore RF (PA) per il downlink, un amplificatore con basso rumore
(LNA) ed un laser (E/O) per il link inverso. Lo schema fondamentale nella sua versione
downlink RoF e` mostrato in figura 1.7, mentre lo schema completo downlink-uplink in figura
1.8.
Tali sistemi fanno uso di micro-celle o pico-celle allo scopo di avere a disposizione una
larga banda. Essi possono risolvere i problemi di limitazione della frequenza, grazie al
numero di stazioni base che puo` essere installato, il raggio di copertura dell’area puo` essere
ridotto, e le frequenze radio possono essere effettivamente riutilizzate in molte zone radio
[4]. Il piu` basso livello di potenza elimina il bisogno di amplificatori ad alta potenza,
correntemente impiegati nelle stazioni base. Inoltre, la copertura limitata, dovuta alla
bassa altezza dell’antenna, riduce l’interferenza causata dalle celle vicine.
Il sistema RoF puo` essere considerato una tecnologia pronta per fornire la base per
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 16
sistemi di comunicazioni mobili universali (Universal Mobile Telecommunication System:
UMTS). L’UMTS e` progettato per sopportare la trasmissione simultanea di servizi mulipli
e dati multimediali. Pero`, uno dei maggiori inconvenienti dei sistemi RoF, e` la non-linearita`
del diodo laser, il quale porta ad un aumento della distorsione d’intermodulazione.
Figura 1.8: Progetto fondamentale di un downlink-uplink RoF: CBS e una cella (BS e MS)
di una rete mobile via RoF. In porpora: la stazione mobile (mobile station: MS)).
1.2.3 Vantaggi delle Radio over Fiber
Vengono ora elencati, in modo riassuntivo, i benefici dovuti all’utilizzo delle Radio over
Fiber nelle reti di comunicazioni mobili [4]:
• Bassa potenza RF nelle unita` di antenne remote
• Sono minimizzati gli effetti dei percorsi multipli
• Ridotto impatto ambientale
• Migliore copertura
• Aumento dell’efficienza della comunicazione
• Configurazione dinamica e capacita` d’allocazione
• Alleviamento dei problemi di progetto della cella
• Maggiore affidabilita` e mantenimento dei costi piu` basso
Capitolo 1. Sistemi multicanali nelle Radio over Fiber 17
• Vengono sopportate future applicazioni a larga banda
• Alta qualita` del segnale
• Vengono sopportate trasmissione a macro-diversita`
• Bassa attenuazione della fibra
• Vengono ridotti i costi di progetto
• Servizi multipli su una singola fibra
• Non e` presente l’interferenza elettromagnetica.
L’utilizzo di basse potenze RF nelle unita` di antenne remote ha questi benefici:
• Bassa interferenza generata
• Efficienza spettrale aumentata
• Risulta piu` facile il progetto della rete di frequenze
• Aumenta il tempo di vita della batteria dei terminali mobili
• Modo per migliorare la salute umana.
Capitolo 2
Parametri e principali componenti
ottici
In questo capitolo vengono messi a fuoco i principali elementi relativi alle Radio over Fiber.
Si inizia spiegando in dettaglio i motivi legati all’uso dei laser a semiconduttore nei sistemi
di comunicazione ottici. Vengono inoltre discusse le caratteristiche operative tramite le
rate equations e le conseguenze in seguito alla modulazione diretta del laser. Poiche` la
modulazione diretta della corrente influisce sulla potenza ed anche sulla frequenza ottica,
si presenta uno studio teorico sulla risposta e sul chirp dei laser a semiconduttore. Infatti,
la modulazione diretta del laser fatta per ottenere un segnale modulato in intensita` ha
in realta` un effetto secondario non previsto, ovvero quello di generare una modulazione
indesiderata anche sulla fase, che comporta uno spostamento della frequenza di emissione
del laser variabile nel tempo.
Poiche`, il segnale si propaga in fibra, si accenna alle conseguenze dei fenomeni disper-
sivi. Infine, si presenta uno studio teorico generale riguardante la distorsione, focalizzando
l’attenzione in particolare sui prodotti d’intermodulazione del terzo ordine.
2.1 Laser a semiconduttore e struttura del laser a retroazione
distribuita
L’uscita del laser e` composta, sostanzialmente, da un fascio di onde elettromagnetiche con
proprieta` di monocromaticita`, direzionalita` ed intensita` elevata. Queste proprieta` si ot-
18
Capitolo 2. Parametri e principali componenti ottici 19
tengono dall’amplificazione di un’onda elettromagnetica secondo il principio dell’emissione
stimolata (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER).
I laser a semiconduttore, non solo sono capaci di emettere alte potenze (∼ 100 mW),
ma presentano anche altri vantaggi riguardanti la natura coerente della luce emessa. Un
allargamento angolare del raggio d’uscita relativamente stretto, permette accoppiamenti in
fibre a singolo-modo ad alta efficienza . Una larghezza spettrale relativamente stretta della
luce emessa, consente operazioni ad elevato bit-rate (∼ 10 Gb/s), dato che la dispersione
della fibra diventa meno critica per una tale sorgente. Inoltre, possono essere modulati
direttamente ad alte frequenze (fino a 25 GHz), grazie ad un breve tempo di ricombinazione
associato all’emissione stimolata [10].
Figura 2.1: Profili del guadagno e delle perdite di un laser a semiconduttore funzionante a
singolo modo longitudinale.
Per eliminare i fenomeni di dispersione temporale, nei laser a singolo modo vengono
inibiti i modi trasversali e tutti i modi longitudinali diversi da quello fondamentale. Que-
st’ultima condizione puo` essere raggiunta facendo in modo che le perdite di cavita` αcav
siano selettive al variare della frequenza (figura 2.1). Poiche` l’andamento di αcav presenta
un minimo spiccato in corrispondenza di una determinata frequenza, il modo longitudinale
che raggiunge per primo la soglia, diventa il modo dominante. La potenza trasportata dai
modi vicini e` di solito una piccola frazione della potenza totale emessa. Le prestazioni di
un laser a singolo modo sono spesso caratterizzate dal rapporto di soppressione dei modi
Capitolo 2. Parametri e principali componenti ottici 20
(MSR), definito come
MSR = Pmm
Psm
. (2.1)
dove Pmm e` la potenza del modo principale e Psm e` la potenza del modo laterale piu`
dominante. I laser DFB possono mantenere la condizione di singolo modo longitudinale con
un MSR piu` grande di 30-35 dB sotto modulazione diretta in un intervallo di GHz. Questa
proprieta` rende i DFB, componenti ideali per sistemi di comunicazione ad alto bit-rate.
Figura 2.2: Struttura del laser DFB.
La retroazione in un laser DFB non e` localizzata alle facce, ma e` distribuita lungo la
cavita` (figura 2.2). Questa e` raggiunta attraverso un reticolo interno, che introduce una
perturbazione periodica dell’indice di rifrazione. La selettivita` del modo del meccanismo
DFB, risulta dalla condizione di Bragg; l’accoppiamento avviene solo per lunghezze d’onda
λB che soddisfano la condizione di sincronismo:
Λ = m( λB
2neff
) (2.2)
dove Λ e` il periodo del reticolo, neff e` l’indice efficace del modo e l’intero m rappresenta
l’ordine della diffrazione di Bragg. Il grado di accoppiamento maggiore tra l’onda progressiva