Etude et modélisation d un système de transmission radio-sur-fibre

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1 Pour l obtention du diplôme d ingénieur d Etat en télécommunications Etude et modélisation d un système de transmission radio-sur-fibre Membres du jury : Présenté par : Mohamed Amine ELAJI Mr Hamza DAHMOUNI (président) Mr Bruno FRACASSO (TELECOM BRETAGNE) Mr Daniel BOURREAU (TELECOM BRETAGNE) Mme Fatima RIOUCH (INPT) Mr François LE PENNEC (TELECOM BRETAGNE) Mr Frédéric LUCARZ (TELECOM BRETAGNE) Mr Mohamed MAAROUF (INPT)

2 2 Remerciements Dédicaces A mon cher père et ma chère mère, Mes précieuses sœurs set mon formidable frère, Mes amis I. II. Remerciements et tous ceux qui me sont chers,

3 3 Remerciements Remerciements Je tiens à exprimer ma reconnaissance et gratitude à M. Frédéric LUCARZ, ingénieur de recherche au sein du département optique pour son encadrement et suivi permanent, ses conseils et recommandations qui nous ont été d une grande utilité. Je tiens aussi à remercier infiniment MMs. Bruno FRACASSO et Daniel BOURREAU et François LE PENNEC enseignant-chercheurs à Télécom Bretagne qui m ont toujours soutenu et fourni l aide nécessaire afin de pouvoir réaliser nos objectifs dans les meilleures conditions. Je souhaite par ailleurs souligner la contribution importante de toute l équipe des départements optique et micro-onde, son expertise a toujours été d un précieux recours. Je remercie aussi mes encadrants internes: M. Hamza DAHMOUNI, Mme Fatima RIOUCH et M. Mohamed MAAROUF pour leurs conseils et leurs disponibilités. Je tiens à remercier également ma famille et mes amis qui m ont soutenu et toute personne qui m a aidé de près ou de loin à concrétiser ce travail dont nous sommes vraiment fiers. Merci

4 4 Résumé Résumé Le projet «Capil» lancé par TELECOM BRETAGNE a pour objectif de mettre en place une plateforme permettant la maîtrise de l ingénierie et le déploiement des systèmes Radiosur Fibre de bout en bout. C est dans ce cadre que s inscrit mon projet de Fin d étude, effectué au sein du département OPTIQUE, et dont l objectif est de donner une base pour les prochaines études qui seront effectuées en vue de modéliser les futurs réseaux d accès sans fil. Ce document fera le point sur les principes de la technologie Radio-sur-Fibre et les différentes techniques utilisées dans la modélisation, et mettra en lumière les étapes qui régissent sa mise en œuvre.

5 5 Sommaire Sommaire Résumé... 4 Sommaire... 5 Liste des figures... 7 Liste des tableaux... 9 Introduction I. Présentation et Définitions Contexte Les technologies Radio-sur-Fibre Définition Avantages de la technologie RoF Limitation des systèmes RoF Applications de la Technologie Radio-sur-Fibre Systèmes de transport des signaux RF, IF, bande de base Les techniques de génération des signaux RF sur la fibre optique : Les techniques de multiplexage dans les systèmes RoF II. Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre Lien de transmission optique Analyse du bruit dans un lien RoF Caractérisation dynamique d un système de transmission RoF III. Simulation des systèmes radio-sur-fibre Introduction Introduction sur VPItransmissionMaker TM Analyse et test des composants optiques Introduction sur Advanced Design System Analyse et test des composants sous ADS Modèle de cosimulation pour un système Wi-Fi sur fibre Expériences et simulations IV. Perspectives de la technologie... 62

6 6 Sommaire 1. Radio-sur-Fibre pour les mobiles de 4 ème génération Radio-sur-fibre pour les futurs réseaux domestiques Conclusion ANNEXES définition du OSNR, BER et Q Démonstration de la formule iip3: Formules de FRIIS ADS Ptolemy Projet OPTIBUS Génération du signal Wifi sous ADS Paramétrage de la cosimulation Bibliographies... 69

7 7 Liste des figures Liste des figures FIGURE 1 : AUGMENTATION DU NOMBRE D UTILISATEURS DE TELEPHONE MOBILE DANS LE MONDE [1] FIGURE 2 : MODELE D UN SYSTEME ROF SIMPLIFIE [2] FIGURE 3 : SYSTEME DE COMMUNICATION ROUTIER BASE SUR LA TECHNOLOGIE ROF [5] FIGURE 4 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL RF [2] FIGURE 5 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL IF [2] FIGURE 6 : LES TECHNIQUES DE MODULATIONS DIRECTE(A) ET EXTERNE(B) DU SIGNAL OPTIQUE [3] FIGURE 7:MULTIPLEXAGE DE DEUX CANAUX SUR UNE SEULE PORTEUSE OPTIQUE [3] FIGURE 8:MODELE D UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQUE [6] FIGURE 9 : MODELE D UN LIEN DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE [8] FIGURE 10 : SOURCES DE BRUIT DANS UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQUE [8] FIGURE 11 : SYSTEME DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE[11] FIGURE 12 :LIAISON OPTIQUE[11] FIGURE 13 :POST-AMPLIFICATION FIGURE 14 : LIEN DE PRE-AMPLIFICATION[11] FIGURE 15 : MODELE D UN LIEN ROF [11] FIGURE 16 : SIMULATION D UN SYSTEME ROF SOUS VPI [15] FIGURE 17 : TEST DU COMPORTEMENT DU LASER FIGURE 18 : PUISSANCE DU BRUIT DU LASER FIGURE 19 : : BRUIT DU GRENAILLE D UNE PHOTODIODE FIGURE 20 : BRUIT THERMIQUE DU LASER FIGURE 21: TEST DU LIEN AVEC FIBRE MONOMODE FIGURE 22 : COMPARAISON ENTRE FIBRE MONOMODE ET FIBRE MULTIMODALE FIGURE 23 : MODULATION EXTERNE ET MODULATION DIRECTE DU SIGNAL (EXTERNE EN HAUT) FIGURE 24 :CALCUL DU BRUIT DU SYSTEME FIGURE 25 :SCHEMA POUR CALCULER LE BRUIT DU SYSTEME FIGURE 26 : CALCUL DU GAIN DU SYSTEME FIGURE 27 :CALCUL DE L INTERMODULATION DU SYSTEME FIGURE 28 :DISTORSION DU SIGNAL DE SORTIE FIGURE 29 :COSIMULATION ENTRE LES DIFFERENTS BIBLIOTHEQUE SOUS ADS FIGURE 30 : TEST DU BRUIT THERMIQUE FIGURE 31 : CALCUL DU SNR, NF ET IIP FIGURE 32 : SPECTRE DU SIGNAL DU SORTIE (VOUT) FIGURE 33 :MISE EN CASCADE DE DEUX AMPLIFICATEURS FIGURE 34 :TEST D UN FILTRE PASSE BANDE FIGURE 35 :MISE EN CASCADE DES COMPOSANTS FIGURE 36 :LIAISON DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE FIGURE 37 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS VPI FIGURE 38 :SIGNAL WIFI SOUS VPI FIGURE 39 : MODELISATION DU LIEN OPTIQUE DE LA LIAISON RADIO SUR FIBRE FIGURE 40 :SIGNAL AU NIVEAU DU RECEPTEUR DU SYSTEME WIFI SUR FIBRE FIGURE 41 :SCHEMA DE CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LA LIAISON WIFI SUR FIBRE FIGURE 42 :CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LIAISON WIFI SUR FIBRE FIGURE 43 : COSIMULATION ENTRE VPI ET ADS POUR LA SIMULATION DU LIEN WIFI SUR FIBRE FIGURE 44 :GENERATION DU SIGNAL WI-FI SOUS ADS FIGURE 45 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS ADS FIGURE 46 :GENERATION DU SIGNAL WIFI PAR ADS ET MODELISATION DU LIEN... 60

8 8 Liste des figures FIGURE 47 :SIGNAL AU NIVEAU DE RECEPTEUR DU LIEN WIFI SUR FIBRE FIGURE 48 :LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES SUPPORTEES PAR ROF[21] FIGURE 49 : RESEAU DOMESTIQUE POUR UN TRES GRAND DEBIT[22]... 63

9 9 Liste des tableaux Liste des tableaux TABLEAU 1 :COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DES LIENS AVEC ET SANS FIBRE (BLANC,BLEU) TABLEAU 2 : COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DU SIGNAL AVEC LA FIBRE MONOMODE ET MULTIMODALE(BLANC,BLEU) TABLEAU 3 :COMPARAISON ENTRE LA MODULATION EXTERNE(BLEU) ET DIRECTE(BLANC) TABLEAU 4 :RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT EN ENTREE ET EN SORTIE DU FILTRE TABLEAU 5 :SPECIFICATIONS DE LA LIAISON OPTIBUS TABLEAU 6 :DYNAMIQUE DU LIEN WIFI SUR FIBRE... 61

10 10 Introduction Introduction Compte tenu des évolutions rapides des services de télécommunications accessibles aux usagers, notamment les services multimédias enrichis comme l'internet à très haut débit, l IPTV, la visiophonie, la TV Haute définition, les futurs réseaux d accès et réseaux domestiques devront bientôt être capables de transporter des flux de données pouvant atteindre le gigabit par seconde. Cette demande en très hauts débits va largement au-delà des possibilités offertes par les solutions actuelles à base de câble coaxial (ADSL, VDSL, etc). Par ailleurs, les réseaux d accès et réseaux domestiques devront répondre à des exigences d'usage telles que la mobilité, c est-à-dire la possibilité de se connecter au réseau à partir d un terminal mobile, sans avoir recours à un câble, ce qui assure une flexibilité et une facilité d'utilisation. L utilisation de porteuses radiofréquences dans le domaine millimétrique ( GHz) permettront dans l'avenir de transporter des flux de données suffisamment rapides (>1Gb/s). Mais la limite principale des ondes millimétriques est une portée utile relativement courte par rapport aux micro-ondes. Par conséquent, l utilisation des ondes millimétriques nécessite de déployer un plus grand nombre de points d'accès radio pour assurer la couverture à très haut débit d une même surface de référence que dans le cas des micro-ondes. Le réseau radio devient donc un réseau multi-cellulaires (pico-cellulaire ou femto-cellulaire). Afin de gérer les différentes cellules d un réseau multi-cellulaires à très haut débit, une solution prometteuse consiste à utiliser une infrastructure optique pour relier les différents points d'accès radio. Cette solution se base sur des technologies hybrides dites «radio-surfibre» qui utilisent de manière avantageuse un support de transmission optique capable de distribuer des signaux radio-fréquence à des débits au-delà de 1 Gbit/s par utilisateur tout en satisfaisant le besoin de mobilité. C est dans ce contexte que s inscrit le projet Capil porté par les départements optique et micro-ondes de TELECOM Bretagne et qui vise à développer une plateforme intégrée permettant de maîtriser l ingénierie et le déploiement de tels systèmes de bout en bout. Mon stage de fin d étude s est effectué au sein du département optique de TELECOM BRETAGNE et concerne plus particulièrement l étude et la modélisation des systèmes Radiosur-Fibre dans le cadre du projet Capil. Une première partie de l'étude a pour objectif d étudier les systèmes Radio-sur-Fibre.Une deuxième partie concerne la modélisation d un tel système en utilisant les logiciels de simulation VPITransmissionMarker TM et ADS (Advanced Design System) et vise plus spécifiquement la cosimulation avec ces deux logiciels afin de faire une modélisation la plus réaliste possible des système hybrides. Dans ce rapport de stage, on fera tout d abord une introduction sur la technologie Radiosur-Fibre et ses applications. On abordera ensuite l'étude théorique de la liaison radio-surfibre et enfin on présentera les travaux de simulation, objet principal de ce stage.

11 11 Présentation et Définitions I. Présentation et Définitions 1. Contexte Le développement des communications sans fil a connu un essor sans précédent au cours de la dernière décennie. En 1991, moins de 1% de la population mondiale avait accès à un téléphone mobile. A la fin de 2001, environ un sixième de la population mondiale possédait un téléphone portable [1]. Au cours de cette période ( ), la proportion de pays du monde bénéficiant d un réseau de téléphonie mobile a augmenté de 3% à plus de 90%. En fait, le nombre d'abonnés mobiles a dépassé le nombre de lignes fixes d'abonnés en 2002, comme le montre la figure 1. Il est prévu que cette croissance continue d augmenter, de manière à atteindra en 2010 plus de 1700 millions d'abonnés mobiles dans le monde entier [1]. FIGURE 1 : AUGMENTATION DU NOMBRE D UTILISATEURS DE TELEPHONE MOBILE DANS LE MONDE [1] Depuis leur avènement il y a environ 10 ans (1997), les réseaux locaux sans fil (WLAN) ont également connu une croissance phénoménale. En particulier, le développement des points d accès dits «hot spots» dans les lieux publics comme les terminaux d'aéroport a été massif et rapide. Les réseaux locaux sans fil ont maintenant fait leurs chemins vers les foyers. En conséquence, le nombre d'abonnés à Internet sans fil est prévu de doubler très rapidement par rapport au nombre des utilisateurs filaires de l'internet, comme le montre la figure 1. La croissance rapide des communications sans fil est principalement attribuée à leur facilité d installation par rapport à des réseaux fixes [1]. Toutefois, l'avancement technologique et la concurrence entre les opérateurs de téléphonie mobile ont également contribué à cette croissance. Jusqu'à présent, il y a eu trois standards de téléphonie mobile, lancés successivement environ tous les dix ans. La première génération (1G) des systèmes mobiles est de type analogique et a pris place sur le marché dans les années Dans les années 1990, la

12 12 Présentation et Définitions deuxième génération (2G) des systèmes mobiles numériques tels que le Global System for Mobile communications (GSM) est venue sur la scène. La norme GSM a été très réussie en fournissant non seulement une couverture nationale, mais aussi internationale. Les deux systèmes 1G et 2G ont été conçus essentiellement pour fournir des applications vocales. Toutefois, le GSM offre des services de communication de données aux utilisateurs même si les débits sont limités à quelques dizaines de kbps. Le standard WLAN - IEEE , aussi appelé Wi-Fi, a été recommandé en 1997 offrant un débit maximum de 2 Mbps. Depuis, la norme a évolué dans les bandes ISM 2,4 GHz et 5 GHz sans licence à plusieurs reprises pour répondre aux besoins des utilisateurs. Toutefois, les réseaux locaux sans fil n offrent pas de mobilité comme les systèmes cellulaires (problèmes de hand-over). En général, les faibles fréquences offrent une bande passante et un débit limités (théorème de Nyquist 1929). Par conséquent, une partie des systèmes sans fil à bande étroite (2G, par exemple) offrent des capacités limitées parce qu ils fonctionnent à basses fréquences. Par exemple, le GSM fonctionne à des fréquences autour de 900 ou 1800 MHz avec l attribution d un spectre en fréquences de 200 khz. L'UMTS fonctionne à des fréquences autour de 2 GHz et dispose de 4 MHz de bande passante allouée. Toutefois, il y a une forte concurrence pour l attribution de bandes de fréquences entre les nombreux systèmes de communication sans fil utilisant des fréquences en dessous de 6 GHz. Il s'agit notamment de la radiodiffusion FM ( MHz), la télévision ( MHz ) et les systèmes des services de communication pour les aéroports, la police, les utilisateurs de radio amateur, les réseaux locaux sans fil et beaucoup d'autres. En plus, l'efficacité des dispositifs actifs RF (transistors) est plus élevée à basses fréquences qu à hautes fréquences. En outre, les signaux RF basses fréquences permettent une portée plus grande. Les grandes cellules permettent une grande mobilité mais conduisent à des puissances d émission élevée et une mauvaise efficacité du spectre, car le spectre est partagé par tous les utilisateurs au sein de la cellule. Par conséquent, un moyen naturel pour augmenter la capacité des systèmes de communication sans fil est de déployer des petites cellules (micro-et pico-cellules). Cela est généralement difficile à réaliser à basse fréquence, mais avec la réduction de la puissance rayonnée par l'antenne, la taille des cellules peut être quelque peu réduite. Les pico-cellules sont aussi plus faciles à former à l'intérieur des bâtiments, où les pertes induites par des murs limitent la taille des cellules. Une autre façon d'accroître la capacité des systèmes de communication sans fil est d augmenter la fréquence porteuse, afin d'éviter l'encombrement de la bande de fréquences ISM. Ainsi, les cellules de plus petites tailles permettent d'améliorer l'efficacité spectrale par le biais de l'augmentation du facteur de réutilisation des fréquences. Mais, en même temps, la taille réduite des cellules nécessite un grand nombre de points d accès (ou stations de bases : BSs) pour parvenir à la couverture RF requise par le système de communication considéré. A moins que le coût de chaque BS et du réseau d'alimentation soit très faible, les coûts d'installation et de maintenance de l ensemble des systèmes seraient trop élevés. C'est là où la technologie Radio-sur-Fibre («Radio-over-Fibre» : RoF) entre en jeu. Elle permet une simplification des BSs et une centralisation des fonctions complexes et coûteuses au niveau des unités centrales (headend) ou CS («Control Station»), ces fonctions pouvant ainsi être partagées par un ensemble de BSs [2].

13 13 Présentation et Définitions 2. Les technologies Radio-sur-Fibre 2.1 Définition Le terme «Radio-sur-Fibre» (RoF) fait référence à des techniques de génération et/ou de transmission de signaux radiofréquences (RF) par voie optique. La technique de transmission RoF est basée principalement sur la modulation d une porteuse optique par au moins un signal RF portant lui-même des données à transmettre. Ainsi, les technologies Radio-sur-Fibre s appuient sur des technologies de transmission par fibre optique pour distribuer des signaux RF entre une station centrale (CS ou headend) et des modules d antennes distribués (Remote Antenna Units : RAUs ou Base Stations : BSs). Dans les systèmes de communication à bande étroite et les réseaux locaux sans fil, les fonctions de traitement de signaux RF, telles que la modulation et le multiplexage, sont exécutées au niveau du BS et immédiatement intégrées dans le module d antenne. La technologie RoF rend possible la centralisation des fonctions de traitement du signal RF dans un emplacement partagé en utilisant la fibre optique afin de distribuer les signaux RF comme le montre la figure 2. Ainsi, les BSs sont considérablement simplifiées comme elles ne doivent effectuer que la conversion optoélectronique et les fonctions d'amplification. La centralisation des fonctions de traitement du signal RF permet le partage d'équipement, l allocation dynamique des ressources et la simplification du système d'exploitation et de maintenance [2]. FIGURE 2 : MODELE D UN SYSTEME ROF SIMPLIFIE [2]. 2.2 Avantages de la technologie RoF La technologie RoF présente les avantages suivants : - faible atténuation : La distribution des signaux radio-fréquence sous forme électrique, en espace libre ou par le biais de lignes de transport est coûteuse et peut être fortement limitée en termes de portée. En effet, les pertes de propagation en espace libre sont d autant plus importantes que la fréquence de la porteuse radio est élevée (les pertes sont inversement proportionnelles à la longueur d onde). Dans les lignes de transmission, l impédance augmente avec la fréquence impliquant des pertes d autant plus importantes que

14 14 Présentation et Définitions la fréquence est élevée. Par conséquent, la distribution des signaux radio à haute fréquence sous forme électrique sur des longues distances nécessite des équipements de régénération coûteux. Une solution à ce problème consiste à distribuer optiquement les signaux en bande de base ou à des fréquences intermédiaires (FI) du CS vers la BS. Au niveau de la station de base, les signaux sont convertis à une fréquence haute (RF) avant d être amplifiés puis rayonnés. Ainsi, des oscillateurs locaux de hautes performances seraient requis pour la mise en œuvre de la conversion de fréquence au niveau de chaque station de base. Toutefois, étant donné que la fibre optique offre une très faible perte, la technologie RoF peut être utilisée pour obtenir à la fois une distribution de signaux sur de longues distances. [4]. - Large bande passante : Les fibres optiques offrent énormément de bande passante. Il existe trois principales fenêtres de transmission qui offrent peu d'atténuation, à savoir 850 nm, 1310 nm et 1550 nm. Pour une seule fibre optique monomode, la largeur de bande combinée de ces trois fenêtres excède 50 THz. Toutefois, les systèmes commerciaux actuels utilisent seulement une fraction de cette capacité (1,6 THz). Mais les développements sont toujours en cours afin d'exploiter davantage la capacité de la fibre optique en termes de bande passante. L'énorme bande passante offerte par les fibres optiques a d'autres avantages en dehors de la grande capacité de transmission des signaux micro-ondes. La grande bande passante permet une haute vitesse de traitement du signal ce qui est plus difficile, voire impossible, de faire en électronique. Certaines fonctions nécessaires au traitement des signaux RF telles que le filtrage, le mélange pour la conversion de fréquence peuvent être mises en œuvre dans le domaine optique. L'utilisation de l'énorme bande passante offerte par les fibres optiques est gravement entravée par la limitation de la largeur de bande des systèmes électroniques, qui sont les principales sources et récepteurs de transmission de données. Ce problème est appelé le " goulet d'étranglement Électronique " [2]. - Immunité aux interférences des ondes RF : L immunité aux interférences électromagnétiques est un avantage qu offrent les fibres optiques, en particulier vis-à-vis des micro-ondes. Il en est ainsi parce que les signaux sont transmis sous forme lumineuse à travers la fibre optique. En raison de cette immunité, les fibres sont préférables aux câbles électriques, même pour de courtes connexions [2]. - Facilité d'installation et d'entretien : Selon la technologie RoF, les dispositifs complexes et coûteux sont maintenus au niveau du SC permettant de simplifier au maximum l architecture des BS. Dans les cas les plus simples, la BS comprend juste un photo-détecteur, un amplificateur RF et une antenne. Les équipements de modulation et de commutation sont conservés au niveau du SC de manière à être avantageusement partagés par plusieurs BS. Ce dispositif conduit à des plus petits et plus légers BS, réduisant effectivement le coût d'installation et d'entretien du système [1]. -Réduction de la consommation d énergie : La réduction de la consommation d'énergie est une conséquence de la simplification des BS avec des équipements réduits rendue possible par la centralisation des fonctions complexes. La réduction de la consommation d'énergie au niveau des BS est particulièrement

15 15 Présentation et Définitions avantageuse dans la mesure où celles-ci doivent être parfois placées dans des endroits reculés et ne peuvent pas alimentées par le réseau électrique (recours à l utilisation de sources d énergies renouvelable telles que les cellules photovoltaïques) [2]. - multi-opérateurs et multiservices : La technologie RoF offre une souplesse opérationnelle. En fonction de la technique de génération des signaux RF, la distribution des signaux peut être faite d une manière transparente en allouant par exemple des longueurs d ondes à chaque technologie ou à chaque opérateur. Ainsi, le système RoF peut être partagé entre plusieurs opérateurs pour distribuer une pluralité de services. Cette utilisation «multi-opérateurs» et «multiservices» permettant à chaque opérateur de disposer d un nombre de longueurs d ondes, entraîne d'énormes économies. - Allocation Dynamiques des Ressources : Puisque la commutation, modulation et autres fonctions sont effectuées au niveau du CS, il est possible d'allouer dynamiquement les ressources aux différentes stations de base. Par exemple, dans un système RoF de distribution de trafic GSM, une capacité accrue peut être ponctuellement attribuée à une zone (par exemple, centre commercial) pendant les heures de pointe, puis réaffectée à d'autres zones (par exemple à des zones peuplées dans la soirée). Cet objectif peut être atteint par une allocation de longueurs d'onde optiques par multiplexage en longueurs d ondes (WDM). L'allocation dynamique des ressources est utilisée pour éviter l'attribution d une capacité permanente, qui serait un gaspillage de ressources (longueurs d ondes). 2.3 Limitation des systèmes RoF Etant donné que le système RoF utilise une modulation analogique, il est fondamentalement considéré comme un système de transmission analogique. Par conséquent, les imperfections du système telles que le bruit et les distorsions dues à des non-linéarités propres à la transmission analogique doivent être considérées pour le système RoF. Ces handicaps ont tendance à limiter le facteur de bruit (NF) et la marge dynamique (DR) des liens RoF. La marge dynamique (DR) est un paramètre très important pour les systèmes de communication mobile (cellulaire) tels que le GSM, car il permet de caractériser en même temps le bruit et l intermodulation du système. Ainsi, la puissance RF reçue par un terminal mobile qui est proche de la BS peut être beaucoup plus élevée que la puissance RF reçue par un utilisateur mobile qui est à plusieurs kilomètres du BS. Les sources de bruit considérées dans les liens optiques en mode analogique sont le bruit relatif d intensité (RIN) du laser, le bruit de grenaille de la photodiode, le bruit thermique de l'amplificateur et la dispersion de la fibre. La dispersion chromatique limite la longueur des liens à base de fibre monomode (SMF), tandis que pour une fibre Multimode (MMF), la principale limitation est due à la dispersion multi-modes. Ces limitations vont être traitées en détail dans le chapitre II.

16 16 Présentation et Définitions 2.4 Applications de la Technologie Radio-sur-Fibre Les applications de la technologie RoF sont multiples et comprennent notamment les communications par satellite, communications radio-mobiles, les Services Vidéo par distribution multipoint (MVDS), mobile haut débit, les communications routières, et les réseaux locaux sans fil reliés aux réseaux optiques. Les principaux domaines d'application sont brièvement discutés ci-dessous : - Réseaux cellulaires : Les réseaux mobiles représentent un domaine d'application important de la technologie RoF. Le nombre toujours croissant d'abonnés mobiles et l'augmentation de la demande des services à large bande passante ont maintenu une pression soutenue sur les réseaux mobiles pour offrir une plus grande capacité. Par conséquent, le trafic mobile (GSM ou UMTS) peut être efficacement acheminé entre la station de contrôle et la station de base en exploitant les avantages de la fibre optique. - Communications par satellite : Les communications par satellite constituent une première application de la technologie RoF pour le déport d antennes sur des sites adaptés. Dans ce cas, des liens optiques de courte distance (inférieure à 1 km) fonctionnant à des fréquences comprises entre 1 GHz et 15 GHz sont utilisés. Ainsi, les équipements à haute fréquence peuvent être centralisés. Une seconde application dans le domaine satellitaire concerne la commande à distance des stations terrestres dont les antennes doivent être en dehors d une zone de contrôle. Grâce à la technologie RoF, les antennes peuvent être situées à plusieurs kilomètres de distance par rapport à la zone de contrôle, dans le but par exemple d'améliorer la visibilité du satellite ou réduire des interférences avec d'autres systèmes terrestres. Les équipements de commutation peuvent également être placés de façon appropriée pour des raisons concernant le coût des locaux, sans avoir besoin d'être à proximité de la station des antennes. - Système de distribution vidéo : L'un des principaux domaines d'application prometteurs de la technologie RoF concerne les systèmes de distribution vidéo, tels que les Services de distribution vidéo multipoint (MVDS). MVDS est un système cellulaire de transmission terrestre pour la vidéo (TV). Il a été initialement conçu pour faire uniquement de la diffusion sur un lien descendant, mais récemment, un canal de retour (lien montant) a été intégré afin de rendre le service interactif. MVDS peut être utilisé pour servir des zones de la taille d'une petite ville. Les fréquences attribuées à ce service appartiennent à une bande spectrale centrée autour de 40 GHz. A ces fréquences, la taille maximale des cellules est d'environ 5 km. Pour étendre la couverture, des stations relais sont nécessaires, d où le recours à la technologie RoF. - Services mobiles à haut débit : Le service mobile large bande (MBS) est destiné à étendre les services fixes à large bande (B-ISDN) aux utilisateurs de téléphones portables de toutes sortes. De futurs services seront développés sur le B-ISDN et les réseaux mobiles doivent également supporter ces services sur le système MBS. Ainsi, un très haut débit de l'ordre de 155 Mbps par utilisateur doit être fourni. Par conséquent, des bandes de fréquences autour de 60 GHz ont été allouées. Une bande de GHz est attribuée pour la liaison descendante tandis qu une autre bande de GHz est allouée pour la transmission en

17 17 Présentation et Définitions liaison montante. Les cellules ont un diamètre de plusieurs centaines de mètres (microcellules). Par conséquent, une haute densité de cellules est nécessaire pour atteindre la couverture souhaitée. Les microcellules peuvent être connectées à la station B-ISDN fixe par fibre optique. L utilisation de la technologie RoF pour générer les ondes millimétriques permettrait de simplifier l architecture des stations de base et donc de réduire leurs coûts (de fabrication et de maintenance), rendant ainsi le déploiement des réseaux MBS économiquement viable. - Réseaux locaux sans fil : Comme les terminaux mobiles (ordinateurs, téléphones, assistants personnels numériques) deviennent de plus en plus répandus, la demande en haut débit mobile pour l'accès aux réseaux locaux sera également à la hausse. Cela entraînera une fois de plus l utilisation de fréquences porteuses élevées dans le but de répondre à la demande de capacité. Par exemple, les réseaux locaux sans fil fonctionnent actuellement dans la bande ISM de 2,4 GHz permettant d'offrir un débit maximal de 11 Mbps (IEEE b). Les prochaines générations des réseaux locaux sans fil sont prêtes à offrir jusqu'à 54 Mbps, et exigent des fréquences porteuses plus élevées dans la bande des 5 GHz (IEEE g). Mais des fréquences porteuses supérieures conduisent à des micro-cellules ou pico-cellules, et à toutes les difficultés associées à la couverture (interférences). Un moyen pour un bon rapport coût-efficacité est de contourner ce problème et de déployer la technologie RoF. - Communication routière : C est un autre domaine d'application potentiel de la technologie RoF. Les fréquences entre GHz et GHz ont été déjà allouées pour ce service en Europe (donner un exemple de standard utilisant ces fréquences pour ce type d application). Un objectif est de fournir en continu une couverture des communications mobiles sur les principaux axes routiers. En vue de répondre aux besoins de couverture du réseau routier, il est nécessaire de déployer un grand nombre de stations de base. Celles-ci peuvent être réalisées de manière simple et avec un coût faible par le biais de la technologie RoF, ce qui rend le système efficace et gérable [3]. FIGURE 3 : SYSTEME DE COMMUNICATION ROUTIER BASE SUR LA TECHNOLOGIE ROF [5]

18 18 Présentation et Définitions 3. Systèmes de transport des signaux RF, IF, bande de base Les systèmes radio-sur-fibre sont généralement classés selon trois principaux types d architecture de transport: Radio Fréquence (RF), fréquence intermédiaire (IF) et bande de base. Le choix de l'architecture détermine le matériel nécessaire au niveau de la BS et sa complexité. Un système duplex complet peut utiliser des architectures de transport différentes sur la liaison montante et sur la liaison descendante. 3.1 Transport de fréquence RF sur fibre Principe : L architecture RF-sur-fibre permet de transporter via un lien optique les signaux RF directement à la fréquence à laquelle ils sont destinés à être rayonnés en espace libre comme illustré sur la figure 4. Avantages : Cette approche présente l'avantage que les signaux ne subissent aucune transposition de fréquence au niveau des stations de bases qui bénéficient d une architecture simple nécessitant uniquement des conversions électro-optique et opto-électrique, amplification RF, et émission/réception RF. En outre, un contrôle centralisé de traitement des signaux permet de faciliter l'évolutivité du système. Inconvénients : Toutefois, la transmission directe des signaux RF s avère d autant plus difficile que la fréquence RF est élevée en raison des effets néfastes de la dispersion chromatique. Par ailleurs, dans le domaine millimétrique ( GHz), les prix des composants optoélectroniques demeurent élevés. Des photodiodes à large bande passante avec un bon rendement de conversion sont nécessaires tant au niveau du CS que de chaque BS. La modulation externe est effectuée à l'aide des modulateurs ultra-rapides permettant d atteindre des vitesses de modulation élevées (> 40 GHz) comme le modulateur Mach- Zehnder (MZM) ou le modulateur à électro-absorption (EAM). FIGURE 4 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL RF [2].

19 19 Présentation et Définitions 3.2 Transport de fréquence IF-sur-fibre Principe : L architecture IF-sur-Fibre permet le transport des signaux RF en réduisant fortement l effet de la dispersion chromatique des fibres par le fait de transmettre des signaux radio sur fibre par le biais des fréquences intermédiaires (IF) avec une transposition de fréquence effectuée à la BS comme le montre la Figure 5. Avantages : L utilisation d une fréquence de modulation intermédiaire dans le cas du transport IF-sur-Fibre permet avantageusement de réduire de manière significative les effets de la dispersion chromatique en comparaison avec le cas du transport RF-sur-fibre. Un autre avantage de ce système est d offrir une efficacité en terme de coût, puisqu il permet d intégrer des composants électroniques à bas coût largement disponibles sur le marché. Inconvénients : Toutefois, cette architecture reste compliquée par rapport à l architecture RF-sur-Fibre, dans la mesure où des oscillateurs locaux et des mélangeurs sont nécessaires au niveau de chaque BS pour effectuer les transpositions de fréquence, ces oscillateurs pouvant être partagés entre les liens montant et descendant. FIGURE 5 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL IF [2]. 3.3 Transport du signal en bande de base Dans cette architecture, un signal en bande de base est généré et transmis à travers la fibre optique depuis la station de contrôle jusqu aux stations de base. Sur le lien descendant, le signal en bande de base détecté au niveau de la station de base est transposé sur une porteuse RF (i.e. onde millimétrique) avant qu il soit rayonné par l antenne. Réciproquement sur le lien montant, le signal RF reçu par l antenne doit être converti en bande de base avant d être acheminé vers la station centrale.

20 20 Présentation et Définitions L avantage de cette technique est qu elle permet de réduire considérablement les effets de la dispersion du fait d une transmission en bande de base, mais elle exige des équipements électro-optiques à haute fréquence coûteux (mélangeurs). 4. Les techniques de génération des signaux RF sur la fibre optique : 4.1 Modulation d intensité avec une détection directe (IM-DD) NB : Dans le cadre de cette étude, nous nous intéresserons uniquement à la méthode IM- DD et non pas aux systèmes cohérents qui nécessitent de fournir au photodétecteur un signal d oscillateur local optique pour assurer la récupération du signal RF analogique modulé (moyennant un traitement post-détection). La méthode la plus simple pour la distribution de signaux radiofréquences dite IM-DD (Intensity Modulation Direct Detection) consiste à moduler directement l'intensité d une porteuse optique par le signal radiofréquence lui-même et puis utiliser la détection directe par la photodiode pour récupérer le signal radiofréquence. Il existe deux façons de faire la modulation de la porteuse optique. Une première solution dite «modulation directe» est de laisser le signal radiofréquence directement moduler la porteuse optique d une source de lumière (i.e. laser), comme illustré à la figure 6.a ci-dessous. Une deuxième solution dite «modulation externe» consiste à utiliser un modulateur externe (e.g. Mach-Zehnder (MZM)) pour moduler la porteuse optique issue d une source lumineuse comme illustré à la figure 6 b) ci-dessous. Dans les deux cas, le signal modulant l intensité de la porteuse optique est le signal radiofréquence destiné à être distribué. FIGURE 6 : LES TECHNIQUES DE MODULATIONS DIRECTE(A) ET EXTERNE(B) DU SIGNAL OPTIQUE [3] Le signal RF doit être correctement pré-modulé avec des données avant d être transmis optiquement. Le photo-courant obtenu par détection directe par une photodiode subit une amplification de transimpédance pour produire une tension qui est à son tour utilisée pour exciter l'antenne. Ainsi, si le signal RF utilisé au niveau de l'émetteur est lui-même modulé par les données numériques à transmettre, le signal RF détecté au niveau du récepteur porte

21 21 Présentation et Définitions les mêmes données. Le format de la modulation sera préservé. La plupart des systèmes RoF, y compris ceux utilisant IM-DD, utilisent les fibres monomodes (SMF) pour la distribution. Toutefois, l'utilisation de la technique IM-DD pour le transport de signaux RF sur fibre multi-modes a également été démontrée pour les signaux WLAN en dessous de 6 GHz. [3] Premièrement, l'avantage de cette méthode est sa simplicité de mise en œuvre. Deuxièmement, si une fibre à faible dispersion est utilisée avec un modulateur externe, le système devient linéaire. En conséquence, la liaison optique agit seulement comme un amplificateur ou un atténuateur et elle est donc transparente au format de modulation du signal RF. Un tel système nécessite peu de mises à jour (ajout d un autre format de modulation, codage ) chaque fois qu il y aura des changements dans le format de modulation du signal RF. En outre, contrairement à la modulation directe du laser, les modulateurs externes tels que les modulateurs de Mach Zehnder (MZM) peuvent moduler des ondes millimétriques de près de 100 GHz, même si cela a un coût énorme en ce qui concerne l efficacité et les exigences de linéarisation [3]. Un inconvénient de la méthode IM-DD est qu'elle est difficile à utiliser pour les ondes millimétriques à haute fréquence. Il en est ainsi parce que, pour générer des signaux avec une fréquence plus élevée, le signal modulé doit avoir la même fréquence que celle du signal généré. Par une modulation directe de laser, ça sera difficile en raison de la largeur de bande limitée et les non-linéarités introduites par le laser, ce qui conduit à des termes de produits d'intermodulation provoquant des distorsions. 4.2 Génération du signal RF par détection hétérodyne Pour générer un signal RF, la plupart des techniques reposent sur le principe de cohérence de mélange dans la photodiode. Ces techniques sont généralement désignées par le terme «Détection Hétérodyne (RHD)». Le principe du mélange peut être illustré comme suit. Deux signaux optiques de fréquences angulaires ω1 et ω2 peuvent être représentés par leurs champs électriques respectifs sous la forme suivante : E1 E01cos( t) ( 4-1) E2 = E02 cos( ω t) ( 4-2) = ω1 2 Le photo-courant résultant est proportionnel au carré de la somme des champs électriques. 2 Ainsi, le photo-courant normalisé, sera: ipd ( E1+ E2) ( 4-3) i p d On trouve : ipd E 01E 02 cos(( ω1 ω 2) t) + E01E 02 cos(( ω1+ ω 2) t) + autrestermes ( 4-4) Le terme d intérêt est : E01E02 cos(( ω1 ω 2) t) ( 4-5) ce qui montre que par le contrôle de la différence de la fréquence entre les deux champs électriques, on peut générer la fréquence souhaitée. La seule limite de la fréquence du signal qui peut être généré reste la bande passante de la photodiode. Étant donné que la fréquence d'émission laser est très sensible aux variations de température, il est nécessaire d utiliser des techniques (qui sont citées ci-dessous) pour

22 22 Présentation et Définitions maintenir la différence de fréquence entre les deux lasers, telles que: Optical Frequency-Locked Loop (OFLL) : boucle à verrouillage de fréquence optique Optical Phase-Locked Loop (OPLL) : boucle à verrouillage de phase optique Optical Injection Locking (OIL) : verrouillage par injection optique Injection Optical Phase-Locked Loop (OIPLL) : boucle à verrouillage de phase optique par injection. stage. Ces techniques ne seront pas traitées en détails car elles n entrent pas dans l intérêt du Il existe plusieurs façons de générer les deux porteuses optiques. Une approche consiste à utiliser un modulateur de phase optique pour générer plusieurs bandes latérales à partir d une onde lumineuse issue d une même source laser, puis sélectionner les composantes spectrales nécessaires. Une autre approche est d'utiliser deux sources laser. Les deux diodes laser sont utilisées pour émettre de la lumière à des fréquences dont l écart fréquentiel correspond à la fréquence à générer. Les techniques mentionnées ci-dessus sont utilisées pour maintenir l écart fréquentiel fixe entre les deux porteuses optiques. L utilisation de l hétérodynage optique permet la génération de très hautes fréquences. En outre, cette technique conduit à un bon rapport de puissance détecté et de rapport signal sur bruit (CNR) étant donné que les deux champs optiques contribuent à la puissance RF générée. La détection hétérodyne a un avantage par rapport à la dispersion chromatique. Si une seule des deux porteuses optiques est modulée par les données, la sensibilité du système à la dispersion chromatique peut être réduite considérablement. Réduire les effets de la dispersion chromatique est très important afin de diminuer le bruit de phase pour les formats de modulation tels que xqam, où la dispersion entraîne une grande perte de puissance. Parmi les autres avantages de la RHD on peut citer le traitement photonique du signal radio tels que le contrôle de phase, le filtrage et la conversion de fréquence. L'inconvénient majeur de la RHD est la forte influence du bruit de phase du laser et l influence de la variation de fréquence sur la stabilité de signal RF généré, et puisque les lasers à semi-conducteurs ont de grandes largeurs spectrales, des mesures supplémentaires doivent être prises pour réduire la raie de la génération de signaux RF. Ces mesures conduisent souvent à des systèmes plus complexes. 5. Les techniques de multiplexage dans les systèmes RoF 5.1 Le multiplexage de sous-porteuses Le multiplexage de sous-porteuses (SCM) est une technique simple et rentable pour l'exploitation de la bande passante des fibres optiques dans les systèmes de communication optiques analogiques en général et dans les systèmes RoF en particulier. Dans SCM, chaque

23 23 Présentation et Définitions signal RF (ou sous-porteuse) est utilisé pour moduler une même porteuse optique de fréquence f0. Il en résulte un spectre optique composé du signal d origine à la fréquence f0 et de deux bandes situées à f 0 + fsc et à f 0 fsc, avec fsc est la fréquence de la sousporteuse. Si la sous-porteuse (fsc1) est modulée avec des données (canal 1), alors les bandes latérales centrées autour de f 0 fsc 1 peuvent être produites comme illustré sur la figure 7 ci-dessous. FIGURE 7:MULTIPLEXAGE DE DEUX CANAUX SUR UNE SEULE PORTEUSE OPTIQUE [3] Pour multiplexer plusieurs canaux sur une seule porteuse optique, de multiples sous porteuses sont d'abord combinées, puis utilisées pour moduler la porteuse optique comme le montre la figure 7 ci-dessus. Au niveau du récepteur, les sous-porteuses sont récupérées par une détection directe et ensuite rayonnées. Différents schémas de modulation peuvent être utilisés sur des sous-porteuses différentes. Une sous-porteuse peut transporter des données numériques, alors qu une autre peut être modulée avec des données analogiques telles que la vidéo ou le trafic téléphonique. De cette façon, la technique SCM supporte divers types de multiplexage de données à large bande. La modulation de la porteuse optique peut être faite soit par une modulation directe du laser, ou en utilisant des modulateurs externes tels que le MZM comme décrit précédemment. Un des principaux avantages de la technique SCM est qu'elle supporte tout type de données. Chaque sous-porteuse peut transporter un signal ayant un format de modulation différent. Par conséquent, cette technique peut être utilisée pour une large gamme d'applications telles que les réseaux câblés et les réseaux locaux sans fil. C'est une conséquence du fait que la technique de modulation utilisée et les formats de modulation des données transportées sur chaque sous-porteuse sont indépendants des sous-porteuses utilisées. Par ailleurs, dans le cas où les sous-porteuses sont à faibles fréquences, les composants optoélectroniques nécessaires à la réalisation des systèmes à base de SCM sont largement disponibles. L'inconvénient de cette technique est le fait d'être une technique de communication analogique et de ce fait, elle est plus sensible aux effets du bruit et des distorsions dues aux non-linéarités. Cela place la linéarité dans les exigences strictes sur la performance des

24 24 Présentation et Définitions composants en particulier pour les applications vidéo pouvant nécessiter des valeurs de rapport signal sur bruit élevé (CNR> 55 db). Le RIN du laser est la principale source de bruit et devrait être maintenu aussi bas que possible. 5.2 Multiplexage en longueurs d ondes L'utilisation du multiplexage en longueurs d ondes (WDM) pour la distribution des signaux RF a pris de l'importance récemment. La technologie WDM permet une exploitation efficace de la bande passante des fibres. Toutefois, la transmission de signaux RF sur fibre est considérée comme inefficace en termes d'utilisation spectrale. Les porteuses modulées avec les ondes millimétriques sont ajoutées et extraites en utilisant des OADM (Add-Drop Multiplexer) qui sont généralement placés au niveau de la station de base. Dans la suite, on va se placer dans un cas un peu spécifique, avec une étude d une architecture RF sur fibre, mais avant d aborder cette partie, il sera utile d élaborer un bilan de liaison détaillé pour identifier les différentes sources de dégradations..

25 II. Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre L objet de ce chapitre est de présenter une étude détaillée d une liaison radio-sur fibre afin de comprendre les différentes sources de dégradations qui peuvent être rencontrées. Pour cela, on va : traiter et présenter de manière générale un lien optique en précisant les différents paramètres à prendre en compte pour concevoir une liaison radio-sur-fibre. traiter la liaison d un point de vue électrique en considérant le lien optique comme un simple facteur d atténuation. traiter un système radio-sur-fibre complet simplifié en se basant sur la formule de FRIIS. 1. Lien de transmission optique La liaison optique comprend une fibre optique, un émetteur (source laser), un récepteur (photo-détecteur) et éventuellement un ou plusieurs amplificateurs comme illustré schématiquement sur la figure 8 ci-dessous. Chacun de ces composants sera traité dans ce paragraphe (le récepteur et l émetteur seront traités plus en détail dans le paragraphe 2. FIGURE 8:MODELE D UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQUE [6] 1.1 Fibre optique La fibre optique est un milieu diélectrique utilisé pour le transport d informations d'un point à un autre sous forme de lumière. Pour être plus précis, la fibre optique est essentiellement constituée de verre mince qui agit comme un guide d'ondes. Un guide d'ondes est un dispositif permettant la propagation des ondes électromagnétiques, comme la lumière. La fibre optique présente deux régions spectrales à faible atténuation. Dans une première région centrée à environ 1300 nm la fibre présente une atténuation inférieure à 0,5 db/km. La bande passante totale de cette région est d environ 25 THz. Une deuxième région centrée à 1550 nm est une région avec une atténuation faible de 0,2 db/ km. Ensemble, ces deux régions fournissent une borne supérieure théorique de 50 THz de bande passante. En utilisant ces grandes zones de faible atténuation pour la transmission de

26 26 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre données, la perte de signal pour une ou plusieurs longueurs d'onde peut être très faible, réduisant ainsi le nombre d'amplificateurs. Outre son énorme bande passante et faible atténuation, la fibre offre aussi un faible taux d'erreur. Les systèmes de communication à base de fibre optique fonctionnent habituellement à des taux d erreur binaire (BER) inférieurs à [6] i. Fibre multimodale et fibre monomode En optique, un mode correspond à une possibilité pour la quelle l onde peut se propager à l intérieur de la fibre. Il peut également être considéré comme une onde qui se propage dans le plan transversal de la fibre. Plus formellement, un mode correspond à une solution des équations de Maxwell. Si plus d'un mode se propage dans la fibre, la fibre est appelée fibre multimodale. En général, un plus grand diamètre de fibre ou une haute fréquence de fonctionnement permet de laisser propager un plus grand nombre de modes. Un avantage de la fibre multimodale est que son diamètre est relativement important, de sorte que l'injection de la lumière dans la fibre avec une faible perte de couplage peut être réalisée à l'aide de sources à grande surface de lumière telles que les diodes électroluminescentes (LED). Un inconvénient de ce type de fibre est le phénomène de dispersion intermodale, car chaque mode se propage à une vitesse différente en raison de différents angles d'incidence sur le cœur. La dispersion intermodale augmente avec la distance de propagation, ce qui limite le débit du signal transmis. Ainsi, dans les réseaux RoF, les fibres multimodales ne sont pas utilisées autant que les fibres monomodes. La fibre monomode permet de faire propager un seul mode, en général, elle a un diamètre de cœur de l'ordre de 10µm, tandis que la fibre multimodale a généralement un diamètre de cœur compris entre 50µm et 100µm. La fibre monomode élimine la dispersion intermodale et peut donc permettre la transmission sur des distances beaucoup plus longues. Cependant, elle introduit le problème de la concentration de puissance dans un cœur très petit [6]. ii. Atténuation due à la fibre L'atténuation du signal optique au cours de sa propagation à travers la fibre conduit à une réduction de la puissance du signal optique. Ainsi, pour déterminer la distance maximale sur laquelle peut se propager le signal, il faut tenir compte de cette atténuation. Soit P (L) la puissance optique d un signal lumineux se propageant sur une distance L(km) de l'émetteur le long d une fibre optique présentant une atténuation A (en db/km). La puissance optique à la distance L est déterminée selon la formule suivante : l'émetteur. P L AL/10 ( ) = 10 P(0) ( 1-1) où P (0) est la puissance optique à la sortie de iii. Dispersion dans la fibre

27 27 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre De manière générale, la dispersion se traduit par un élargissement de la durée d'une impulsion lors de son passage à travers la fibre. Comme l impulsion s'élargit, elle peut s élargir suffisamment pour interférer avec les impulsions voisines, ce qui conduit à des interférences inter-symboles. Comme indiqué précédemment, la dispersion intermodale est une première forme de dispersion qui peut avoir lieu lorsque plusieurs modes se propagent à différentes vitesses le long de la fibre. Une deuxième forme de dispersion est la dispersion chromatique. Elle est due au fait que l indice de réfraction varie en fonction de la longueur d'onde. Ainsi, si le signal transmis est constitué de plusieurs longueurs d'ondes, certaines d entre elles vont se propager plus rapidement que les autres. Étant donné qu'aucun laser ne peut créer un signal composé d'une seule longueur d'onde précise, la dispersion chromatique se produit dans la plupart des systèmes. Une troisième forme de dispersion est la dispersion du guide d ondes. Cette dispersion est due au fait que la propagation de différentes longueurs d ondes dépend des caractéristiques du guide d'ondes [6]. iv. Les effets non linéaires dans la fibre Les effets non linéaires peuvent avoir des impacts significatifs sur la performance des systèmes optiques WDM. Les effets non linéaires dans la fibre peuvent conduire à l'atténuation, la distorsion, et des interférences inter-canaux. Dans un système WDM, ces effets induisent des contraintes sur l'espacement entre deux longueurs d'onde, limitent la puissance maximale sur toute la chaîne et limitent également le débit maximum, à savoir que les principaux effets non-linéaires dans la fibre sont : XPM, SPM et FWM [6]. 1.2 La modulation optique Pour transmettre des données dans une fibre optique, les informations doivent moduler le signal laser. Les techniques de modulation analogique comprennent la modulation d'amplitude (AM), la modulation de fréquence (FM), et la modulation de phase (PM). Les techniques numériques comprennent les modulations ASK, FSK, et PSK. De toutes ces techniques, la modulation ASK est actuellement la meilleure méthode de modulation numérique en raison de sa simplicité. En ASK binaire, aussi connu sous le nom de On-Off Keying (OOK), le signal passe entre deux niveaux de puissance. Un niveau de basse puissance représente un bit «0», tandis qu un niveau de haute puissance représente un bit «1». Dans les systèmes employant OOK, la modulation du signal peut être réalisée d une manière simple, cependant, cela peut conduire à des «chirps» ou des variations en amplitude et en fréquence du signal laser. Une approche privilégiée pour le très haut débit (10 Gb/s) est de disposer d'un modulateur qui module la lumière provenant du laser. À cette fin,

28 28 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre l'interféromètre de Mach-Zehnder ou le modulateur à électro-absorption sont largement utilisés [6]. Comme indiqué précédemment, on distingue deux types de modulation : Une modulation directe qui ne nécessite aucun composant supplémentaire mais qui présente beaucoup de distorsions dans le système (conversion électro-optique), ce qui limite la fréquence de modulation du système à quelques GHz. Une modulation externe, qui peut être soit de type électro-optique soit à électroabsorption et qui présente peu de distorsions, ainsi,on peut atteindre facilement des fréquences de modulation de l ordre de 40 GHz. 1.3 Amplificateur optique Même si un signal optique peut se propager sur une longue distance avant de devoir être amplifié, les réseaux étendus et les réseaux locaux peuvent bénéficier de l amplification optique. Toutefois, l amplification optique n est pas préconisée dans le cadre des réseaux d accès de type PON : Passive Optical Networks. Les amplificateurs optiques utilisent le principe de l'émission stimulée, comme l'approche utilisée dans un laser. Parmi les amplificateurs optiques, on distingue les amplificateurs à base de semi-conducteurs et les amplificateurs à base des fibres dopées. Les amplificateurs à base de fibres dopées comportent des tronçons de fibre dopée à un élément qui peut amplifier la lumière. Le plus souvent, l élément dopant est l erbium présentant des longueurs d'onde d émission comprises entre 1525 nm et 1560 nm. À une extrémité de la fibre, un laser de pompage émet un signal fort à une longueur d'onde inférieure (appelée longueur d'onde de pompage). Ce signal excite les atomes des éléments dopants (ions erbium Er 3+ ) vers un niveau d'énergie plus élevé. Cela permet au signal de données de stimuler les atomes et de libérer les photons excités. La plupart des amplificateurs dopés à l erbium (EDFA) sont pompés par des lasers dont la longueur d'onde est de 980 nm ou 1480 nm. Une limitation de ce type d amplificateurs optiques est l'inégalité de gain spectral, donc même si l amplificateur optique fournit un gain sur toute la gamme des longueurs d'onde du signal d entrée, celui-ci ne sera pas nécessairement amplifié sur toutes les longueurs d'onde de la même manière, ajoutant à ceci que l amplificateur amplifie également le bruit, ce qui limite le nombre d amplificateurs sur le lien(pour limiter la quantité du bruit introduite). La principale source de bruit dans les EDFA est l amplification spontanée amplifiée (ASE), qui a presque le même spectre que le spectre de gain de l'amplificateur. Le facteur de bruit dans un EDFA idéal est de 3 db, alors que dans la pratique, on peut avoir des amplificateurs avec un facteur de bruit entre 6 db et 8 db [4]. 1.4 Emetteurs optiques L'objectif du lien analogique est de fournir un signal de sortie RF similaire au signal d entrée. Typiquement, les fibres, les amplificateurs optiques, les photo-détecteurs et les

29 29 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre amplificateurs de puissance RF ont une très bonne performance en termes de linéarité. C est généralement l émetteur optique qui limite la performance du lien. Pour un laser à semiconducteur, la distorsion est originaire des caractéristiques physiques non-linéaires du laser, la distorsion de l émetteur est un facteur limitant pour les systèmes multi-canal et conduit à une réduction de la dynamique du système. On va traiter en détails ci-dessous les principales sources de dégradation dans un système de transmission radio sur fibre. 2. Analyse du bruit dans un lien RoF Dans ce paragraphe, on va traiter notre lien d un point de vue électrique. On va calculer dans un premier temps le gain du système, puis on va passer à l analyse du bruit. Considérons le modèle suivant : FIGURE 9 : MODELE D UN LIEN DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE [8] i. Calcul du gain du système Les pertes électriques L du système, sont définies comme suit : Pa L = ( 2-1), où Pa désigne la puissance disponible au niveau du générateur, et Pout la Pout puissance de sortie de l amplificateur. R L 2 2 Pa. Ra. rl e Donc L = ( 2-2), avec Pa = ( 2-3) R + R R 4R L et Ra correspondent aux résistance de l étage d adaptation d impédance (matching-block) Pa est la puissance maximale obtenue en prenant R= =valeur réelle h. f Popt = L. i ( 2-4) où h est la constante de Planck, f est la fréquence de la porteuse e η optique, e est la charge de l'électron, et ηl est l'efficacité quantique de la diode laser. R L

30 30 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre La puissance reçue par la photodiode s écrit : l atténuation du lien optique. ( 2-5), où Lr est e Le courant détecté au niveau du photodiode s écrit : k =ηq. M.. Popt, rec ( 2-6) avec η q h. f le rendement quantique, M le facteur de multiplication du courant et Popt,rec la puissance reçue par la photodiode. La puissance électrique en sortie de la photodiode s écrit : 2 1 GD Pout = k.. GD 2 (1 + ) GA. gd GA 2-7) avec g résistance de la photodiode, G et G les résistances du matching-block D 2 2 k. n Pout = G ( G + G )² GD n² = gd A D A ( 2-8), avec n le ratio de la transformation du matching block tel que 2 Finalement, les pertes du lien peuvent s écrire sous la forme : L = b.lr (2.11) avec : R. GA RL GD rl gd b= (1 + )²(1 + )². ( 2-9) [8]. 4( M. ηl. ηq)² R G R G D A L D Popt Popt, rec = Lr Cette formule sera largement simplifiée comme on va le voir dans le paragraphe suivant. A ii. calcul du facteur du bruit du lien : Un système de transmission optique admet trois sources majeures de bruit : le bruit thermique, le bruit de grenaille et le RIN [7]. FIGURE 10 : SOURCES DE BRUIT DANS UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQUE [8] Bruit thermique : Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, ou bruit Johnson ou encore bruit de Johnson-Nyquist est le bruit généré par l'agitation thermique des porteurs de charges, c'est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Ce phénomène

31 31 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre existe indépendamment de toute tension appliquée. Le bruit thermique aux bornes d'une résistance est exprimé par la relation de Nyquist : v ² = 4 k. T. R. f ( 2-10) où v est la variance de la tension aux bornes de la résistance, k est la constante de b Boltzmann, qui vaut kb = 1, J.K -1, R est la résistance exprimée en Ohms, et est la bande passante considérée exprimée en Hz, T est la température du circuit en degrés Kelvin. Cette formule permet de prévoir le bruit minimum présent sur un système électronique, et donc sa limite de détection. Le même phénomène de bruit thermique est observé aux bornes d'une capacité [9]. Pour notre système, le courant modélisant le bruit thermique s écrit sous la forme : k où est la constante de Boltzmann, B est la bande passante du d ² = 4. kbt0. B. GD ( 2-11) kb récepteur. b B B f Le RIN du laser : L'origine physique du RIN est l'émission spontanée s'ajoutant aléatoirement en phase avec l'émission stimulée. Les fluctuations résultantes de la puissance émise limitent la dynamique de la transmission de signaux analogiques et sont habituellement caractérisées après photodétection par le RIN : où I est le courant continu détecté, RIN = i d, moyen i d, moyen 2 ( 2-12) est le courant moyen dans le photo-détecteur et q = 1, C est la charge électronique. Le RIN se mesure en principe en seconde (1/Hz) mais est en fait souvent donné en db/hz, la bande passante de la mesure étant supposée de 1 Hz. De façon générale, il décroît quand la puissance en sortie du laser augmente et dépend de la fréquence avec un maximum à la fréquence de résonance. Sa valeur peut atteindre s soit un RIN = 160 db/hz. Le bruit du laser (RIN) a un effet plus grand que le bruit introduit par le TIA. Le RIN est le bruit prépondérant dans la liaison.un faible RIN est nécessaire pour une haute performance de la modulation analogique. Une diminution du RIN permet d augmenter la dynamique du système [7],[14]. Pour notre système, le courant modélisant le bruit de l intensité du laser. M. η L. ηq GD s écrit : ki ² = ( I0 Ith )². RIN ( ωc )( )². B. L g où I th désigne le courant seuil d entrée du laser et r ² B. q. I I ² D ω c la fréquence de la porteuse. Bruit de grenaille : Ce type de bruit apparaît dans les dispositifs à semi-conducteurs pour lesquels le courant électrique résulte du transport individuel des porteurs de charges (électrons et trous)

32 32 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre sous l action d un champ électrique. La densité de courant s exprime par j = N.e.v, où N représente le nombre de porteurs impliqués dans le transport, e la charge de l électron, et v la vitesse des porteurs. Le bruit de grenaille résulte de la fluctuation du nombre de porteurs N. C est une fluctuation de type poissonienne. Contrairement au bruit thermique, le bruit de grenaille est directement lié au courant électrique auquel il se superpose. Une analogie avec un circuit électrique du type intégrateur permet de calculer la variance de ce courant. Soit I = n.e/τ, le nombre de charge intégrées pendant la durée τ. Le courant I 2 ainsi défini est un processus aléatoire, de valeur moyenne <I> = <n> e/τ, et de variance : σ = I - I e n = en considérant que n suit une loi de Poisson. La bande passante d un 2 τ intégrateur de durée τ s écrit B = 1/(2τ). Le bruit de grenaille s exprime par la variance du courant électrique et vaut donc : 2eIB [10],[12]. Pour notre système, le bruit thermique s écrit sous la forme :. M ². η. η k e B I I F I L Q D s ² = 2.. [( 0 th ). M.( + d ). Lr g D ( 2-13) A savoir qu il y a d autres bruits dans notre système : 2 4. k. B. T0. B. M. ηl. ηq RL GD le bruit généré par le générateur : k ( )². ( 2-14) g = ( R + R ) L r g G L r L D le bruit de l amplificateur de sortie : K ² = 2.( F 1). k. T. B. R ( 2-15) avec a a0 B 0 A0 v ( 2-16) ( est le facteur de bruit minimum en sortie du système) a = 2.( Fa 0 1). kb. T0. B. RA0 F a 0 Après avoir calculé les sources de bruit des équations (II.11)-(II.14) on peut calculer le facteur du bruit du système qui s écrit : ( S / N) in F = ( S / N ) = out T T 0 où (S /N) in désigne le rapport signal sur bruit en entrée du système et (S /N) out désigne le rapport signal sur bruit en sortie du système. En général, il est raisonnable de supposer l'indépendance statistique des sources de bruit. Ainsi, la puissance de bruit en sortie du système peut être écrite sous la forme suivante : Nout = k N 1 ². GD (1 + )². G G A A ( 2-17) avec k ² = k ² + k ² + k ² + k ² + k ² + G ² v ² ( 2-18) N g s i d a D a Remarque : Les formules traitées dans ce paragraphe reste plutôt théoriques. En pratique, ces formules peuvent être simplifiées comme on va le montrer au paragraphe suivant. 3. Caractérisation dynamique d un système de transmission RoF

33 33 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre FIGURE 11 : SYSTEME DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE[11] Dans ce paragraphe, on va travailler avec un modèle simplifié d un lien de transmission RoF comme le montre la figure 11. Mais avant de commencer cette partie, il sera utile de donner quelques définitions : -Intermodulation : L'intermodulation sert à désigner, en électronique analogique, un défaut de certains amplificateurs qui peut être particulièrement gênant pour les amplificateurs haute fréquences.elle est causée notamment par la désadaptation d'impédance entre la source RF et le laser. C'est aussi la cause de la non linéarité du système. La distorsion du signal, exprimée par le produit d'intermodulation, dégrade donc la dynamique. Pour mesurer le produit d'intermodulation d'ordre 3, on choisit généralement d'injecter dans le système deux fréquences f1 et f2 telles que f1 = f2+ 1 MHz On retrouve alors dans le spectre les fréquences f1, f2, 2 f1 f2, 2 f2 f1. Cet ordre d'intermodulation est important car il apparaît dans la bande passante du système. -SFDR : Le SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) d'un système est l'écart entre le plus petit signal qui peut être détecté dans un système (c'est-à-dire, un signal juste au-dessus du niveau de bruit du système), et le plus grand signal qui peut être introduit dans un système sans créer de détectable distorsion dans la bande passante d analyse. Le niveau de bruit de la sortie du système (OSNL) exprimé en dbm / Hz est une mesure de la puissance de bruit en sortie en l absence de signal d'entrée dans une bande de fréquence de 1 Hz. Le niveau de bruit en entrée du Système (ISNL) est égal au niveau de bruit en sortie du système (OSLN), moins le gain du système. Le NF du système est égal au ISNL moins le Bruit de fond (BNL), avec: NF = ISNL - BNL lorsque BNL est une constante égale à: - 174dBm/Hz à 25 C. Définir le point d'interception du troisième ordre (IP3) est une façon de caractériser les distorsions des systèmes. L'entrée IP3 (IIP3) est la puissance d'entrée au point d'interception. La sortie IP3 (OIP3) est la puissance de sortie au point d'interception. L IIP3 est égal à l OIP3, diminué du gain du système (l IIP3 est déterminé graphiquement).

34 34 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre Une fois que l IP3 est connu, le SFDR est calculé à l'aide de l équation suivante: ( ( ) ) SFDR = 2 / 3 IIP3 BNL 10Log BW NF 3-1) Avec: IIP3 = Input Third Order Intercept = Output IP3 - Gain BNL = Niveau de Bruit de Fond à l entrée = -174dBm/Hz BW = Bande passante du système (Hz) NF = facteur de bruit du système (db) -MDFS(The Maximum Distortion Free Signal) = BNL + NF + SFDR [13] Remarque : Le MDFS est le niveau de puissance du signal maximum qui peut être introduit dans le système sans générer de distorsions d ordre 3. Etant donné que le système peut être caractérisé par les trois paramètres : gain, IIP3 et facteur de bruit, il suffit de calculer ces paramètres pour chaque segment puis rassembler l ensemble de ces paramètres en utilisant la formule de FRIIS, comme indiqué ci-après. Dans les paragraphes suivants on va calculer le gain, le facteur de bruit et l OIP3 de chacun des segments. 3.1 Segment optique Rload g =.( sl. nl ftf 0η f drd. GTIA )² R laser ( 3-2) n fl 1 id ². rin + 2. q. id ). R = g k. T. g l 0 l load ( 3-3) FIGURE 12 :LIAISON OPTIQUE[11] oip oip g 3, l = 3, laser. l ( 3-4) où est l efficacité de conversion du laser, le couplage laser fibre, t atténuation de sl ηl f f 0 α L = η f d la fibre telle que 1 0 (α pertes linéique de la fibre) typiquement inférieure à 1, t f est le couplage fibre détecteur, est l efficacité de conversion du photo-détecteur. r d

35 35 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre 3.2 Segment de Post-amplification g g t g 1 p o s t = L N A. 3. P A (3.4) nf post 3 = nf LNA + + LNA t 1 nf PA 1 g g. t 1 LNA 3 (3.5) 1 1 oip3, post = ( + ) oip. t. g oip 1 3, LNA 3 PA 3, PA 1 (3.6) FIGURE 13 :POST-AMPLIFICATION Avec t les pertes de circuits entre le LNA et le PA, g le gain du LNA. 3 LNA 3.3 Segment de Pré-amplification g = t. g. t p r e L N A 2 (3.7) nf pre nf 1 t 1 = t + + LNA t1 g LNA. t1 (3.8) oip oip t 3, pre =. 3, LNA 2 1 (3.9) FIGURE 14 : LIEN DE PRE-AMPLIFICATION[11] où t et t désignent les pertes de circuits respectivement avant et après le LNA, est le 1 2 g LNA gain du LNA. 3.4 Liaison radio-sur-fibre Après avoir caractérisé chaque segment séparément, on utilise la formule de FRIIS pour calculer les caractéristiques globales du système : g = g. g. g r o f p r e l p o s t (3.10) nf rof oip nf 1 1 l nf post = nf pre + + (3.11) g g. g 3, rof pre prea l = ( + + ) oip. g. g oip. g oip 3, pre l post 3, l post 3, post 1 FIGURE 15 : MODELE D UN LIEN ROF [11] ( 3-12)

36 36 Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre 2 SFDR =.( log( oip3, rof 10 log( g rof ) 10.log( nf rof )) 3 2 db. Hz 3 ( 3-13) Ainsi, l utilisation de la formule de FRIIS a permis de caractériser d une manière simple et complète le système en le divisant en différents segments et en calculant pour chacun d eux le gain, le facteur de bruit et l OIP3.

37 III. Simulation des systèmes radiosur-fibre 1. Introduction En raison des besoins croissants en mobilité, en connectivité et en bande passante, l utilisation des technologies radio-sur-fibre qui est en croissance continue présente un intérêt grandissant au niveau des réseaux d accès, notamment pour étendre la couverture des réseaux sans fils dans les lieux publics. Cette croissance nous impose le développement d un système de modélisation qui permet la simulation d une chaîne de transmission hybride de bout en bout. Après une analyse de liens, nous traiterons dans ce chapitre la modélisation d un système de transmission radio-sur-fibre en commençant tout d abord par faire un ensemble de tests mettant en évidence un ensemble de phénomènes physiques (bruit thermique, intermodulation ) à prendre en considération dans les modèles de simulation avant de traiter des exemples de cosimulation. 1.1 Simulation des systèmes RoF De manière générale, la simulation permet de créer un laboratoire virtuel, ce qui donne la possibilité de faire des tests à faible coût avec un gain de temps énorme par rapport à la réalisation de tests en laboratoire. Parmi les outils les plus utilisés pour simuler le comportement et les performances des systèmes RoF figurent le logiciel VPITransmissionMaker TM de VPI pour la simulation de systèmes de transmission optique et ADS (Advanced Design Systems) d Agilent pour la simulation de systèmes électroniques et RF. Ces deux logiciels ont été retenus dans le cadre du présent stage et seront donc décrits de manière plus détaillée aux paragraphes 2 et 3 suivants. Jusqu à présent, ces logiciels ont été essentiellement utilisés de manière indépendante pour simuler des systèmes RoF selon les deux types de simulation suivants. simulation d un système RoF complet sous VPI comme illustré à titre d exemple sur la figure 16 ci-dessous.

38 38 Simulation des systèmes radio-sur-fibre FIGURE 16 : SIMULATION D UN SYSTEME ROF SOUS VPI [15] * Limitations : Bien qu une modélisation du système sous VPI puisse être réalisée indépendamment d autres logiciels, plusieurs réalisations se sont appuyées sur ADS pour la génération des signaux d entrée qui ont été importés sous VPI [17]. L appel à d autres logiciels est principalement motivé par le fait que les modèles développés uniquement sous VPI restent imparfaits en raison d un nombre limité de composants électroniques et de l absence de modèles pour le lien radio. simulation d un système RoF complet sous ADS, en remplaçant le lien optique par un atténuateur et en faisant une modélisation électronique complète du laser et du photodétecteur [18]. *Limitations : Toutefois, ce modèle est valide pour des liens optiques à petites distances. A grande distance, il faut tenir compte des imperfections induites par la fibre comme les non linéarités ou la dispersion, chose qui ne peuvent être faites sous ADS. 1.2 cosimulation des systèmes RoF Au vu des limitations présentées ci-dessus, il est nécessaire de faire coopérer plusieurs logiciels de simulation pour développer des modèles complets et fiables permettant une simulation de bout en bout de systèmes RoF. Plusieurs travaux et publications ont été réalisés dans ce sens. A titre d exemples, on cite :

39 39 Simulation des systèmes radio-sur-fibre Cosimulation entre VPI et MATLAB Le logiciel de modélisation MATLAB fournissant un environnement de développement basé sur le calcul interactif a été utilisé pour combler le manque de VPI concernant la modulation/démodulation des signaux et pour développer des modèles d antennes et de propagation des ondes radiofréquences en espace libre [19]. Toutefois, ce type de cosimulation reste compliqué, dans la mesure où le passage à une phase de programmation sous MATLAB s avère indispensable pour une modélisation réelle des liens radio. Ainsi, pour permettre une modélisation simple du système radio-sur-fibre, il a été convenu dans le cadre du stage de travailler avec VPI et ADS, pour mettre à profit deux logiciels dans les domaines optique et hyperfréquence. 1.3 Cosimulation entre VPI et ADS : La performance des composants électroniques d'un système de communication optique peut avoir un impact significatif sur les performances du système dans son ensemble. Dans la plupart des systèmes de simulation optique, les composants électriques (codeurs, récepteurs, modules de récupération d'horloge et de données) sont considérés comme des modèles représentant le comportement de l'électronique comme des fonctions dépendants de du bruit, non-linéarité, gain et de la fréquence. Une meilleure compréhension des interactions entre les parties électroniques et photoniques d'un lien ne peut être obtenue que si un large éventail de modèles de circuits électroniques peut être intégré directement dans les systèmes de simulation. Agilent ADS permet de faire la conception des circuits électroniques à haute fréquence ce qui est parfait pour la modélisation des circuits dans les systèmes de communication optique à haute fréquence. Ainsi, et pour permettre d offrir la possibilité d une simulation hybride électronique-optique, Agilent et VPIphotonics ont coopéré pour fournir une interface de simulation qui exécute le simulateur ADS directement de VPITransmissionMarker TM ou VPIcomponentMaker TM (l opération réciproque ne peut pas être faite, mais par contre, on peut échanger librement les fichiers entre les deux logiciels). Ainsi, on peut faire la conception d'un circuit électronique qui peut être ensuite implanté dans un schéma de VPItransmissionMarker TM. Lorsque la simulation de systèmes WDM est exécutée sous VPI, ADS prend les entrées de VPI puis calcule les formes d'ondes produites par le circuit électronique et les transmet à VPItransmissionMaker TM. On rappelle que le principal objectif de ce stage est de fournir un modèle de simulation complet de la couche physique d une chaîne de transmission radio-sur-fibre en utilisant les logiciels ADS («Advanced Design System») d Agilent et VPIphotonics TM afin de modéliser la couche physique de liens radiofréquences et de liens optiques respectivement. Ayant fixé cet objectif, la partie «simulation» va être faite en deux sous-parties : Sous-partie de test : destinée à tester le comportement des différents composants à simuler. Cette sous-partie comprend une introduction aux logiciels VPI et ADS puis

40 40 Simulation des systèmes radio-sur-fibre un ensemble de tests réalisés sur les deux logiciels. Sous-partie de cosimulation: destinée à traiter un lien hybride complet en faisant une cosimulation entre les deux logiciels VPI et ADS. Cette sous-partie comprend des simulations qui vont être faites dans un premier temps en partant de VPI puis dans un deuxième temps d ADS. Afin de vérifier la validité du modèle ainsi obtenu, les valeurs théoriques trouvées dans le projet OPTIBUS seront comparées aux résultats obtenus dans le tableau numéro 5 ( page 54). 2. Introduction sur VPItransmissionMaker TM VPItransmissionMaker Optical Systems est un logiciel permettant de faciliter la conception de nouveaux systèmes photoniques, y compris les systèmes de transmission optique à courte distance, réseau d'accès, réseaux métropolitains et longue distance tout en permettant la mise à niveau technologique des composants à développer pour les équipementiers. La combinaison d'une interface graphique et d une simulation basées sur de robustes représentations avec signal optique flexible permet une modélisation efficace de tout système de transmission, y compris les liaisons bidirectionnelles, en anneau et réseaux maillés. Applications : Conception de systèmes de grande capacité, y compris les nouveaux systèmes WDM, avec amplification Raman et systèmes hybrides et traitement du signal optique. Analyse de la performance, des fonctions de lien et des règles de l'ingénierie de conception. Évaluation de la diaphonie et de la dynamique dans les réseaux DWDM. Évaluation des avantages des formats de modulation comme Duobinary, CSRZ, mqam, PSBT, (CSRZ-) DPSK, (RZ-) DQPSK. Quantification de la dégradation d un signal dans une fibre optique induite par des effets prédéfinis tels que CD, Kerr, PMD, réflexions. Évaluation de nouveaux formats, tels que l'agrégation optique CDMA et SCM-OFDM. Identification des paramètres de conception, y compris le chirp du laser, RIN, amplificateur de gain, les pertes, et le filtrage. Ainsi, VPItransmissionMaker permet d accélérer la conception de nouveaux systèmes photoniques, y compris des liens de transmission et tout type de réseau optique, et permet d'améliorer les stratégies à développer pour les installations existantes [1].

41 41 Simulation des systèmes radio-sur-fibre 3. Analyse et test des composants optiques Dans cette partie, on va faire des tests de simulation des composants optiques à utiliser en faisant les mesures nécessaires qui permettent de décrire les différents phénomènes physiques et sources de bruit dans le système. 3.1 MESURE DU RIN DU LASER : Le bruit RIN du laser a un effet non négligeable sur le lien RoF, et il est considéré comme la principale source de bruit dans la liaison (voir définition page 33). Ainsi, une mesure du RIN de laser s avère essentielle en vue de caractériser la liaison. Dans la figure 18, on prend un laser de RIN -130 db/hz, et on va montrer comment retrouver cette valeur à l aide de VPI. FIGURE 17 : TEST DU COMPORTEMENT DU LASER FIGURE 18 : PUISSANCE DU BRUIT DU LASER Le laser génère une puissance de sortie de 10 mw, avec un RIN de -130dB/Hz. Comme la photodiode PIN a une efficacité de 1.0 (A/W), la puissance reçue est convertie en un photocourant de 10 ma. Dans cet exemple, on ne considère aucune atténuation due à la propagation, ni de pertes d insertion. La puissance reçue estimée (mesurée à travers une résistance de 1 Ohm) est donc -10dBm (puissance du signal) + (puissance de bruit). Dans le cas d une diode PIN parfaite, (sans contribution de bruit, bruit=0), le wattmètre affiche - 40dBW. Le RFSA est configuré pour avoir une bande de résolution de 1 GHz. La puissance de bruit dans cette bande passante est de -50dBm. Ainsi, le bruit en 1Hz est =- 140dBm et le RIN est (-10) =- 130dB/Hz. Remarque: - Le facteur de bruit NF est défini (comme dans tous les systèmes électroniques) par le

42 42 Simulation des systèmes radio-sur-fibre rapport signal à bruit (signal-to-noise ratio : SNR) à l'entrée du système divisé par le SNR mesuré en sortie d une photodiode idéale [1]. SNR NF = SNR in out ( 3-1) - Le SNR est mesuré dans le domaine électrique et se réfère à un photo- détecteur idéal qui convertit chaque photon entrant en un seul électron [1]. 3.2 Mesure des caractéristiques de photodiode i. Bruit du grenaille Le bruit de grenaille résulte de la fluctuation du nombre de porteurs au niveau d une photodiode (voir définition page 35). Comme pour le RIN, on va caractériser le bruit de grenaille à l aide de VPI. Méthode de calcul : On change le bruit de grenaille «shotnoise» en mode «on», et le RIN du laser en mode «off» ainsi que tout autre sorte de bruit. On fait les mesures. On trouve que la densité spectrale du bruit est de : = -175dBm/Hz. Pour trouver cette valeur en A/ Hz, il suffit de diviser par R. FIGURE 19 : : BRUIT DU GRENAILLE D UNE PHOTODIODE ii. Bruit thermique : Le bruit thermique résulte de l'agitation thermique des porteurs de charges (voir définition page 33). On va montrer ci-dessous comment mesurer à l aide de VPI le bruit thermique de la source laser. On fait les mêmes changements qu auparavant (on fixe «thermal noise»= A/ Hz), on trouve : -110dBm/Hz. FIGURE 20 : BRUIT THERMIQUE DU LASER

43 43 Simulation des systèmes radio-sur-fibre 3.3 Choix de la fibre optique Modèle des fibres sous VPI Il existe toute une gamme de modèles de fibres pour couvrir une large variété de phénomènes. Le modèle de base est le «FiberNLS», il permet de simuler les effets non linéaires (SPM, FWM, XPM) et l effet Raman dans les systèmes WDM. Le modèle FiberNLS peut également présenter les interactions Raman entre les Signaux Paramétrés. Pour la modélisation des systèmes où la dispersion des modes de polarisation (PMD) est un problème, le modèle «FiberNLS_PMD» permet de faire propager les échantillons suivant deux polarisations. Il comprend également la dispersion de polarisation sur la longueur de la fibre et la biréfringence. Ainsi, tous les ordres de dispersion des modes de polarisation (PMD) sont simulés. Contrairement à d'autres fibres, les caractéristiques du modèle «FiberNLS_PMD» changent d une itération à l autre pour représenter la dispersion de polarisation tout au long de la fibre (zone de stress). Le modèle le plus avancé est le «Fibre Universel». Cela a été développé pour une transmission large bande, en tenant compte des flux de signal bidirectionnels, les effets Raman et Brillouin stimulée et spontanée, non-linéarité et la dispersion. En mode vectoriel, il comprend les PMD et la polarisation de la dépendance à l'égard des effets non-linéaires. Pour notre cas, on a choisi le modèle de la fibre universelle car on va prendre en compte les effets non linéaires dans la fibre vu la petite longueur de fibre à utiliser (quelques centaines de mètres). i. Test de la fibre monomode Afin de tester l effet de la fibre optique, on va comparer deux liaisons : l une avec une fibre monomode et l autre sans fibre.

44 44 Simulation des systèmes radio-sur-fibre Figure 21: test du lien avec fibre monomode En testant une fibre monomode d une longueur de 5 km, on obtient les résultats suivants : TABLEAU 1 : COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DES LIENS AVEC ET SANS FIBRE (BLANC,BLEU) On constate que la petite longueur de fibre n a presque aucun effet sur le BER du système. ii. Test de la fibre multimodale Comme a été fait pour le test de la fibre monomode, on va tester ci-dessous (figure 22) une liaison avec une fibre monomode et une autre liaison avec une fibre multimodale. FIGURE 22 : COMPARAISON ENTRE FIBRE MONOMODE ET FIBRE MULTIMODALE On obtient les résultats suivants:

45 45 Simulation des systèmes radio-sur-fibre TABLEAU 2 : COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DU SIGNAL AVEC LA FIBRE MONOMODE ET MULTIMODALE (BLANC, BLEU) D après le tableau 2 ci-dessus, la fibre multimodale introduit une grande dégradation se traduisant au niveau du BER même pour des petites distances (5 km). 3.4 Choix du type de modulation du laser Afin de pouvoir comparer la modulation directe à la modulation externe, on insère sur un même lien optique les deux types de modulation pour pouvoir les comparer en termes de BER, Q et Q-efficace. FIGURE 23 : MODULATION EXTERNE ET MODULATION DIRECTE DU SIGNAL (EXTERNE EN HAUT) On obtient les valeurs suivantes : TABLEAU 3 : COMPARAISON ENTRE LA MODULATION EXTERNE (BLEU) ET DIRECTE (BLANC). Ces résultats montrent qu il est préférable d utiliser une modulation externe. Mais vu qu on est dans le cadre de validation du modèle de simulation avec les valeurs trouvées dans le cadre du projet OPTIBUS, on va utiliser dans un premier temps une modulation directe.

46 46 Simulation des systèmes radio-sur-fibre 3.5 FACTEUR DE BRUIT DU SYSTEME Pour calculer le facteur de bruit du système, on ajoute un bruit blanc à l aide d un multiplexeur, puis on calcule le bruit dans une bande choisie au préalable, comme indiqué sur la figure 24: FIGURE 25 :SCHEMA POUR CALCULER LE BRUIT DU SYSTEME. FIGURE 24 :CALCUL DU BRUIT DU SYSTEME En utilisant un filtre d une bande passante de 500 MHz, la densité du bruit est de = dBm/Hz. Calculons NF : On a : S i n = d B m N i n = d B m = d B m S o u t = 2 3 d B m N o u t = = d B m =>NF=28,55dB. 3.6 GAIN DU SYSTEME Dans ce paragraphe, on va calculer le gain du système. Pour cela, on module notre signal (à puissance définie) et on utilise un analyseur, comme indiqué sur la figure ci-dessous : On constate que le gain du système est de -11 db, ce qui correspond bien au résultat établi par un calcul théorique (on calcule le FIGURE 26 : CALCUL DU GAIN DU SYSTEME.

47 47 Simulation des systèmes radio-sur-fibre P gain du système en calculant Pout et Pin et en établissant le rapport out ) P 3.7 INTERMODULATION in Ce paragraphe concerne l intermodulation : une caractéristique qui limite les portées des systèmes. On constate clairement (figure 28), les harmoniques du signal optique, qui sont dues à la non linéarité de la conversion électro-optique FIGURE 27 :DISTORSION DU SIGNAL DE SORTIE FIGURE 28 :CALCUL DE L INTERMODULATION DU SYSTEME 4. Introduction sur Advanced Design System Advanced Design System, développé par Agilent EEsof EDA, est un logiciel de conception et de modélisation de systèmes électroniques pour les micro-ondes et les radiofréquences. Les applications visées sont vastes et comprennent le domaine de la téléphonie mobile, les réseaux sans fil, les systèmes de communications radar et satellite. Le logiciel offre des possibilités de conception et de simulation pour les domaines des radiofréquences et des microondes et se divise en 2 modules : «Analog RF Designer» et «Digital Signal Processing Designer» qui peuvent interagir. Advanced Design System est aussi le leader dans la conception de haute fréquence. Il supporte les systèmes RF et les ingénieurs l utilisent pour développer tous les types de modèles, du plus simple au plus complexe. Avec un ensemble de technologies de simulation, ADS permet de caractériser

48 48 Simulation des systèmes radio-sur-fibre complètement les systèmes RF et d'optimiser leur conception. Dans sa forme, ADS a des fonctionnalités qui sont similaires à celle d'autres programmes comme PSPICE, et comme beaucoup de programmes commerciaux, le logiciel est fourni avec un grand nombre de bibliothèques prédéfinies, et depuis que ADS est plus concentré sur la conception des circuits RF et micro-ondes, la majorité des composantes dans les bibliothèques sont de type RF ou micro-ondes. ADS peut effectuer différents types/modes de simulations. Les modes de simulation plus complexes sont également disponibles dans d'autres logiciels de conception comme Microwave Office. Les modes de simulation que nous sommes susceptibles d'utiliser dans un projet sont donnés ci-dessous : DC Analysis: La première étape de tout circuit de simulation est la détermination du point de polarisation. Cette simulation prend en compte les comportements nonlinéaires des transistors et d'autres éléments de circuit. AC Analysis : Cette analyse effectue essentiellement une analyse du circuit en petit signal. L analyse DC est effectuée pour déterminer le point de repos. A ce point des transistors et d'autres éléments non-linéaires de circuit sont linéarisés. S-Parameter Analysis: Il s'agit essentiellement de l équivalent micro-ondes de l analyse AC et les mêmes commentaires s'appliquent. Cette analyse sera fréquemment utilisée dans le projet et la conception de circuits micro-ondes. Transient Analysis: l'analyse AC et S linearisent les paramètres du circuit et opèrent dans le domaine des fréquences. Le mode «Transient analysis» prédit la performance du circuit dans le domaine temporel. Il comprend donc toutes les propriétés nonlinéaires des composants. Harmonic Balance (HB): Lors de la conception d'un circuit avec des éléments non linéaires, habituellement, nous nous sommes seulement intéressés à l'interaction d'un couple de fréquences. Cette analyse prend en compte les éléments non linéaires du circuit et limite l'analyse à plusieurs fréquences. Ceci est généralement plus rapide que de faire une analyse transitoire, puis d'extraire les informations temporelle du signal par transformée de Fourier. C'est idéal pour obtenir une estimation de la IMD3 produits par la simulation de deux tons de mesure. Envelope Circuit Simulator (CE): La simulation d enveloppe simule des amplificateurs, des mélangeurs, oscillateurs à haute fréquence et des sous-systèmes qui comportent une analyse transitoire ou modulées par des signaux RF. Les applications typiques pour la simulation de circuits Enveloppe comprennent: Extraction de données dans le domaine temporel Sélection de l harmonique spectrale désirée Amplitude et phase en fonction du temps EVM, BER Extraction de données dans le domaine fréquentiel par application de la FFT

49 49 Simulation des systèmes radio-sur-fibre Data Flow : ce mode de simulation permet de contrôler le flux d un mélange de signaux numériques et temporels pour tous types de simulations sous ADS. Ce mode simulation a plusieurs utilisations qui seront décrites en détail dans la prochaine partie. Pour la simulation d analyse numérique du signal (DATA FLOW qui est la seule disponible sous VPI), ADS Ptolemy est utilisé. Seules les simulations Enveloppes ou analyse transitoire peuvent être instanciées comme un sous-réseau et inclus dans un schéma comme le montre la figure ci-dessous : FIGURE 29 :COSIMULATION ENTRE LES DIFFERENTS BIBLIOTHEQUE SOUS ADS. On notera que VPI utilise le même principe qu ADS Ptolemy (voir annexe). Afin de pouvoir intégrer les composants électroniques sous VPI, on sera donc amené à utiliser la simulation enveloppe. 5. Analyse et test des composants sous ADS Les principaux composants constitutifs de notre système seront testés sous ADS en vérifiant la validité de la formule de FRIIS pour le calcul du gain, NF et IIP3 comme dans le paragraphe précédent. 5.1 Test du bruit thermique Cette simulation nous montre le calcul de la puissance de bruit de la source. La puissance de bruit disponible en Watts par Hz est calculée par k B *T, où T est la température en degrés Kelvin et k B désigne la constante de Boltzmann. Pour une simulation de température de 25 C, la puissance de bruit disponible est 10*log(k B *( ))+30=-173,8 dbm/hz. FIGURE 30 : TEST DU BRUIT THERMIQUE.

50 50 Simulation des systèmes radio-sur-fibre La valeur théorique calculée est 10*log(boltzmann*( ))+30= dBm/Hz. On trouve une puissance de bruit égale à -173,7 dbm/hz. 5.2 Calcul du SNR,NF et IIP3 des composants Dans cette partie, on caractérisera l amplificateur en terme de SNR, NF et IIP3 Pour cela on va faire le test avec deux signaux de puissance -300 et -100 dbm. FIGURE 31 : CALCUL DU SNR, NF ET IIP3 Pour calculer le bruit, on le calcule pour le premier signal à Pin=-300dBm, on trouve : Noisepower=-86,75dBm On calcule la puissance du signal en utilisant la valeur -100dBm, on trouve : Noisepower=-80dBm. On calcule SNRin, on trouve 16.9 db et on trouve 6.95dB pour SNRout. La différence SNRin-SNRout correspond à 10dB, ce qui est déjà prévu par le calcul théorique. Ci-dessous, on représente le résultat de la simulation de la puissance de sortie : db(fs(vif[1],"kaiser") freq, KHz FIGURE 32 : SPECTRE DU SIGNAL DU SORTIE (VOUT)

51 51 Simulation des systèmes radio-sur-fibre Pour mesurer l IIP3, on calcule dans un premier temps la puissance fondamentale avec des coefficients de mixage {1,0}(1er coefficient correspond à la fréquence fondamentale et le 2 ème correspond à la 3 ème harmonique), puis on refait le calcul avec un mixage {2,-1} pour calculer IMD3. IIP3 se calcule soit graphiquement soit à l aide de la formule : IIP3=1.5*P1-0.5*P3, avec P1 la puissance du signal à la fréquence fondamentale et P3 la puissance du IMD3 (voir démonstration en annexe). On fait le calcul, on trouve 1.5* dbm, cette valeur coïncide avec la valeur réglée. Mesure N 2 : On va faire les mêmes tests qu avant mais avec deux amplificateurs en cascade afin de tester la loi de FRIIS (voir annexe). FIGURE 33 :MISE EN CASCADE DE DEUX AMPLIFICATEURS. On trouve :Pin= dBm et Pout= dBm, ce qui correspond à un gain de 40dB. Calcul de NF : D après les résultats de simulation ci-dessous, on trouve que NF=10.02 db. Par un calcul théorique, on trouve F1-2=10.02, d où on peut dire que la relation est vérifiée (on peut aller jusqu à l ordre N par récurrence) Calcul de l IIP3 : On fait la même procédure qu avant et on trouve TOIoutput=39.6 db alors que théoriquement TOIoutput=39.9 db,donc on peut dire que la formule est valable. Mesure N 3 : i) Test des caractéristiques du filtre :

52 52 Simulation des systèmes radio-sur-fibre S / N in S / Nout db db TABLEAU 4 :RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT EN ENTREE ET EN SORTIE DU FILTRE FIGURE 34 :TEST D UN FILTRE PASSE BANDE Pour le gain, on trouve une perte de 4dB,ce qui correspond aux pertes d insertion. ii). Mise en cascade des composants FIGURE 35 :MISE EN CASCADE DES COMPOSANTS On trouve un TOI de 35 db, ce qui reste conforme aux valeurs théoriques obtenues par la formule de FRIIS et suite à ces tests, on a pu valider les différentes caractéristiques physiques des composants électroniques et optiques qui entrent dans le cadre de notre projet. en Dans toute la suite du travail, on va utiliser les spécifications du projet OPTIBUS présenté annexe.

53 6. Modèle de cosimulation pour un système Wi-Fi sur fibre Spécifications de la liaison Wi-Fi i. Dégradation du signal Wi-Fi Dans le projet OPTIBUS, une norme radio a été utilisée dans un système radio-sur-fibre. L'application choisie était le Wi-Fi dans les deux bandes de fréquence (2,4 GHz et 5 GHz). La faisabilité du Wi-Fi (IEEE a et b/g)-sur-fibre a été démontrée sur quelques centaines de mètres de fibre optique, grâce à des investigations sur la linéarité et la dynamique du système. Pour montrer la faisabilité du système, on mesure l'evm (Error Vector Magnitude en db ou plus fréquemment en %). Ce paramètre qualifie la dégradation du signal radio après son passage dans la liaison analogique. La norme du Wi-Fi (IEEE ) définit un EVM maximal de 5.6 % pour le a et de 3.5 % pour les b et g. En respectant l'evm requis par les normes, il a été montré la faisabilité d'une liaison Wifi -sur-fibre jusqu'à 1 km, et jusqu'à 1,5 km pour les Wi-Fi b/g à 2,4 GHz. ii. Gestion de la puissance en Wi-Fi La norme prévoit le calcul ou l'étude du SNR en réception permettant l'adaptation du débit émis afin de répondre au problème de la dégradation du signal étudié au paragraphe précédent. Ceci est donné par la formule de Shannon sur l'efficacité spectrale E en bit/s/hz : E = log2(1 +SNR). Le SNR est croissant lorsque la puissance reçue croît. Il existe 256 niveaux maximum de puissance en réception pour 8 niveaux maximum de puissance d'émission entre 1 et 100 mw. En émission, la norme définit la sélection dynamique de canal et la gestion de puissance d'émission. Les paramètres de l'émission sont la puissance d'émission PTX et le débit D. La puissance émise n'est pas liée au débit. Si la communication n'est pas établie, le système réémet avec un débit inférieur. Il effectue cette opération jusqu'à ce que la communication entre deux stations soit fonctionnelle et que le débit utilisé soit dans la gamme permise. Il existe un registre de douze bits de sélection de débit parmi : 54, 48, 36, 24, 18, 12, 9, 6 pour les Wi-Fi a et g et 11, 5,5, 2, 1 Mb/s pour le Wi-Fi b. Huit niveaux de puissance d'émission sont prévus pour les Wi-Fi a et g ; 4 seulement pour le Wi-Fi b. La norme définit : PTX, min = 1mW et PTX, max = 100 mw. iii. Spécifications de la liaison OPTIBUS La modélisation de la liaison optique, l'étude préliminaire d'une liaison Wi-Fi et la caractérisation d'une liaison optique ont donc permis d'élaborer les spécifications d'une liaison Wi-Fi-sur-fibre dont les résultats de calculs sont répertoriés dans le tableau ci-dessous.

54 54 Simulation des systèmes radio-sur-fibre Paramètres Symbole PRE-AMPLIFICATION Gain db G preamplification Facteur du bruit dbm NF preamplification Intermodulation dbm OIP3 preamplification LIAISON OPTIQUE sans fibre Gain db Facteur du bruit NFl dbm Intermodulation OIP3l dbm POST-AMPLIFIACTION Gain db Facteur du bruit dbm Intermodulation dbm LIASON WIFI SUR FIBRE Gain db Facteur du bruit NFrof dbm Intermodulation OIP3rof dbm Dynamique G l G postamplification NF postamplification OIP3 postamplification G rof SFDR db. 2 Hz 3 TABLEAU 5 :SPECIFICATIONS DE LA LIAISON OPTIBUS

55 55 Simulation des systèmes radio-sur-fibre 7. Expériences et simulations Dans cette partie, on va essayer de valider les résultats théoriques et expérimentaux obtenus dans le cadre du projet OPTIBUS. La liaison à modéliser est la suivante : FIGURE 36 :LIAISON DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE Cette modélisation va être faite selon les deux approches suivantes: -la première approche (1ère solution) s appuie sur l utilisation d ADS comme un système intermédiaire : VPI ADS VPI -la deuxième approche (2 ème solution) s appuie sur l utilisation d ADS dans n importe quelle partie dans le système, spécialement au début pour combler le manque de VPI concernant la génération des signaux électriques. On va tester dans un premier temps la première solution, puis on va tester la deuxième solution en montrant leurs avantages et inconvénients respectifs. 7.1 Première solution Cette solution consiste à générer le signal électrique sous VPI puis faire la transmission radio sous ADS et ensuite revenir sur VPI pour faire les tests.

56 56 Simulation des systèmes radio-sur-fibre On notera que VPI peut générer plusieurs formats de signaux électriques tels que UMTS, WIMAX et WI-FI. i. Test du signal électrique généré : A l aide de VPI, on va générer un signal Wi-Fi de fréquence centrale égale à 5 GHz. FIGURE 37 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS VPI FIGURE 38 :SIGNAL WIFI SOUS VPI On a une puissance de 0 dbm avec une résolution de 16.6 MHz (bande du signal Wi-Fi). ii. Test de la liaison optique Etant donné que le modèle de fibre utilisé sous VPI n admet qu une seule polarisation, on choisit de remplacer la fibre optique par un atténuateur de 1 db, valeur équivalente aux pertes introduites par les connecteurs.on suppose que la longueur de la fibre ne va pas dépassera pas 1 km, rendant ainsi négligeables les pertes de propagation et la dispersion.

57 57 Simulation des systèmes radio-sur-fibre FIGURE 39 : MODELISATION DU LIEN OPTIQUE DE LA LIAISON RADIO SUR FIBRE FIGURE 40 :SIGNAL AU NIVEAU DU RECEPTEUR DU SYSTEME WIFI SUR FIBRE On remarque la génération des harmoniques pour les fréquences multiples de 5 GHz, qui sont dues à la non linéarité de la conversion électro-optique. iii. Caractérisation de la liaison optique :NF, SFDR, OIP3 On va essayer dans cette partie de caractériser la dynamique de la liaison optique. Remarques : - le calcul de l OIP3 sera réalisé à l aide de la formule analytique (voir annexe) qui sera mise en œuvre en s appuyant sur les différentes fonctions offertes par VPI (fork, gain ).

58 58 Simulation des systèmes radio-sur-fibre - les caractéristiques des composants sont conformes aux spécifications du projet OPTIBUS. FIGURE 41 :SCHEMA DE CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LA LIAISON WIFI SUR FIBRE FIGURE 42 :CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LIAISON WIFI SUR FIBRE Les résultats de simulation sont en harmonie avec les mesures obtenues dans le cadre du projet OPTIBUS à l exception de l OIP3, problème qu on va essayer de régler lors de la deuxième solution. Dans la suite, on va ajouter un lien radio à l aide d une cosimulation avec le logiciel ADS. iv. Intégration d un lien radio dans la liaison Dans cette partie, on ajoute un lien radio dans la liaison, et on se limite dans un premier temps, à un seul trajet. On notera que le logiciel ADS permet de caractériser le plus réellement possible un lien radio : multi-trajets, interférences inter-symboles.

59 59 Simulation des systèmes radio-sur-fibre FIGURE 43 : COSIMULATION ENTRE VPI ET ADS POUR LA SIMULATION DU LIEN WIFI SUR FIBRE 7.2 Deuxième solution Comme indiqué auparavant, ADS contient des composants électroniques de très haute performance. En comparant les modèles offerts par VPI et ADS, on trouve que les modèles d ADS sont plus détaillés, ainsi ils permettent une modélisation plus réaliste. Afin de rendre le modèle de notre signal plus réel on va essayer de générer le signal électrique sous ADS, qui sera ensuite incorporé dans le logiciel VPI via un fichier de données correspondant. i. Génération du signal Wi-Fi sous ADS Le signal WIFI est généré à l aide de la bibliothèque WLAN sous ADS comme illustré sur les figures 44 et 45 ci-dessous