Modem utilizando laser sintonizável com modulador externo

Arquitetura

A Figura 102 mostra o diagrama de blocos da solução proposta em (JULIAO et al., 2015), onde é destacada a transmissão da ONU para a OLT. Os módulos de processamento dos pacotes (packet processing modules) são responsáveis pela função de demultiplexar/multiplexar os pacotes entre o enlace de dados e os vários Modens SCM. A solução SCM é uma excelente escolha em termos de custo, principalmente por ser simples de se implementar (BUSSET et al., 2013). Cada modem é implementado em uma placa da Xilinx modelo MWR1024RS IP core (XILINX, 2013) e é responsável pela modulação e pela demodulação do sinal em banda base. A conversão digital para cima (DUC, The Digital Up-Conversion) transforma o sinal que está em banda base para uma frequência intermediária (IF, Intermediate Frequency), enquanto a conversão digital para baixo (DDC, Digital Down-Conversion) realiza o processo inverso. Estes dois módulos juntos fazem com que o sistema tenha uma grande flexibilidade em termos de ajuste da modulação, largura de banda e frequências das sub-portadoras.

A interface entre os domínios digital e analógico é realizada por um Conversor de Digital para Analógico (Digital to Analog Converter -DAC) e um conversor de Analógico para Digital (Analog to Digital Converter - ADC). O sinal passa por um filtro passa-baixa que retira os sinais indesejáveis (acima de 1GHz) e um balun ativo fornece a tensão diferencial que o modulador Mach-Zehnder necessita. Como laser CW para utilizar junto com o modulador externo foi utilizado um laser do tipo ECL que gera um sinal com potência de até 13dBm e que cobre toda a banda C do espectro. A potência óptica de saída deste laser é ajustada de acordo

com a potência óptica desejada na recepção (receptor PIN). Nota-se que se trata de uma solução de alto custo, pois para se conseguir a ONU incolor é necessário um laser ajustável junto com modulação externa. Nos ensaios são utilizados dois enlaces de fibra SSMF (20km ou 30km). O Atenuador Óptico Variável (Variable Optical Attenuator - VOA) evita que o nível máximo de potência no conversor Óptico/Elétrico (O/E converter) seja ultrapassado. O sinal é amplificado e ajustado para um nível correto na entrada do ADC a fim de evitar as distorções causadas pelo amplificador elétrico e pelos dois atenuadores elétricos variáveis (variable electrical attenuators - VEA) que estão localizados na entrada e na saída do amplificador.

Figura 102: Diagrama de Blocos do Modem proposto em (JULIAO et al., 2015).

Implementação

Os componentes digitais, incluindo os modems, DUC e DDC, são implementados em uma FPGA (Field Programmable Gate Array). A configuração proposta do tipo SCM tem a capacidade de agregar diversas portadoras para os canais. O tipo e ordem de modulação pode variar desde QPSK até 1024QAM.

Para os ensaios, as frequências centrais dos canais foram ajustadas para 396 MHz, 508 MHz, 620 MHz e 732 MHz, respectivamente, e sem a adição da banda de guarda. O modem MWR1024RS utiliza uma pré-distorção adaptativa de forma a aumentar a linearidade do enlace de RoF, e assim reduziro as distorções do tipo AM-AM e AM-PM. A pré-distorção trabalha em um laço fechado com o estimador de distorção que fica no receptor remoto (demodulador), de modo similar ao realizado em (LASHKARIAN; DICK, November 2004). O demodulador retorna para o transmissor a estimação da distorção, assim é feita uma correção adaptativa automática (XILINX, 2013). Portanto, como são necessários muitos recursos de DSP para implementar o Modem, a FPGA escolhida foi a Virtex7 VC707 pois esta provê conectores do tipo FMC que permitem uma montagem rápida e fácil em uma bancada. O DAC escolhido foi o da Analog Devices, AD9739A, que provê 14-bit de resolução e 2.5 GSPS de taxa de amostragem, e é capaz de sintetizar sinais de banda larga desde DC até 3 GHz. O ADC escolhido é da Texas Instruments, ADC12D1600RF, com 12-bit de resolução e 3.2 GHz de taxa máxima de amostragem, suportando uma largura de banda na sua entrada de até 2.7 GHz.

Resultados Experimentais

A Figura 103 mostra o espectro medido na OLT para o melhor resultado encontrado (quatro canais e QAM1024). Pode-se observar que a amplitude de sinal em cada banda permanece constante devido a grande largura de banda do Mach-Zehnder, ADC, DAC e outros componentes empregados. Por esta razão todos os quatro canais apresentam um desempenho semelhante. Um outro detalhe a ser observado neste espectro é o aparecimento de um nível de potência próximo ao lado esquerdo do primeiro canal SCM, que é devido a portadora óptica. Este fato requer uma banda mínima entre o primeiro canal e a portadora óptica. Foi deixada uma banda de guarda inicial de 340MHz.

Um outro detalhe a ser notado é que mesmo após percorrer 20km do enlace de fibra óptica, os efeitos da dispersão cromática não são visíveis.

Figura 103: Espectro de quatro canais modulados em QAM1024, capturado pelo software de aplicação do ADC, TI Wavevision.

Para o mesmo ensaio da Figura 103, a Figura 104 mostra o diagrama de constelação do pior canal medido (732 MHz).

Os resultados das figuras 103 e 104 são obtidos para conseguir-se uma BER≤ 10−3 (neste limite da BER, com a ajuda do FEC na recepção ainda é possível recuperar todos os dados enviados) e a potência óptica recebida deve ser maior que −4 dBm. Supondo que este Modem seria utilizado em uma rede WDM-PON (≈ 10 dBm de perdas de inserção), e que as perdas no Mach-Zehnder e no controlador de polarização (PC) sejam ≈ 5 dBm, a potência de saída do laser sintonizável deve estar próxima dos +11 dBm. Como este laser precisa ter uma alta potência de saída, ser sintonizável e ser ligado a um modulador externo junto com um controlador de polarização, o alto custo destes dispositivos inviabiliza o projeto deste Modem.

Figura 104: Constelação recebida na OLT para modulação QAM1024, considerando 20Km de fibra SSMF.