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

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 :

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)

Présenté par :

Mohamed Amine ELAJI

2 Remerciements

Rapport de projet de fin d’étude 2008/2009

I. II. Remerciements

Dédicaces

A mon cher père et ma chère mère,

Mes précieuses sœurs set mon formidable frère,

Mes amis

et tous ceux qui me sont chers,

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 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 Radio-sur –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 Sommaire


Sommaire

Résumé ...................................................................................................................................... 4

Sommaire .................................................................................................................................. 5

Liste des figures ........................................................................................................................ 7

Liste des tableaux ..................................................................................................................... 9

Introduction ............................................................................................................................ 10

I. Présentation et Définitions ............................................................................................. 11

1. Contexte ................................................................................................................. 11

2. Les technologies Radio-sur-Fibre .......................................................................... 13

2.1 Définition ........................................................................................................... 13

2.2 Avantages de la technologie RoF ...................................................................... 13

2.3 Limitation des systèmes RoF ............................................................................. 15

2.4 Applications de la Technologie Radio-sur-Fibre ............................................... 16

3. Systèmes de transport des signaux RF, IF, bande de base ..................................... 18

4. Les techniques de génération des signaux RF sur la fibre optique : ..................... 20

5. Les techniques de multiplexage dans les systèmes RoF ........................................ 22

II. Analyse de la liaison Radio-sur- Fibre ..................................................................... 25

1. Lien de transmission optique ................................................................................. 25

2. Analyse du bruit dans un lien RoF ........................................................................ 29

3. Caractérisation dynamique d’un système de transmission RoF ............................ 32

III. Simulation des systèmes radio-sur-fibre ................................................................... 37

1. Introduction ............................................................................................................ 37

2. Introduction sur VPItransmissionMakerTM ............................................................ 40

3. Analyse et test des composants optiques ............................................................... 41

4. Introduction sur Advanced Design System ............................................................ 47

5. Analyse et test des composants sous ADS ............................................................. 49

6. Modèle de cosimulation pour un système Wi-Fi sur fibre ..................................... 53

7. Expériences et simulations ..................................................................................... 55

IV. Perspectives de la technologie .................................................................................... 62

6 Sommaire


1. Radio-sur-Fibre pour les mobiles de 4ème génération............................................. 62

2. Radio-sur-fibre pour les futurs réseaux domestiques ............................................. 63

Conclusion ............................................................................................................................... 64

ANNEXES ............................................................................................................................... 65

1. définition du OSNR, BER et Q .............................................................................. 65

2. Démonstration de la formule iip3: ......................................................................... 66

3. Formules de FRIIS ................................................................................................. 66

4. ADS Ptolemy ......................................................................................................... 67

5. Projet OPTIBUS .................................................................................................... 67

6. Génération du signal Wifi sous ADS ..................................................................... 67

7. Paramétrage de la cosimulation ............................................................................. 67

Bibliographies ......................................................................................................................... 69

7 Liste des figures


Liste des figures

FIGURE 1 : AUGMENTATION DU NOMBRE D ’UTILISATEURS DE TELEPHONE MOBILE DANS LE MONDE [1] ........ 11 FIGURE 2 : MODELE D ’UN SYSTEME ROF SIMPLIFIE [2]. .................................................................................... 13

FIGURE 3 : SYSTEME DE COMMUNICATION ROUTIER BASE SUR LA TECHN OLOGIE ROF [5] ............................. 17 FIGURE 4 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL RF [2]. ......................................................... 18 FIGURE 5 : SYSTEME ROF UTILISANT UN TRANSPORT DE SIGNAL IF [2]. .......................................................... 19 FIGURE 6 : LES TECHNIQUES DE MODULATIONS DIRECTE (A) ET EXTERNE(B) DU SIGNAL OPTIQUE [3] ............ 20 FIGURE 7:MULTIPLEXAGE DE DEUX CANAUX SUR UNE SEULE PORTEUSE O PTIQUE [3]..................................... 23

FIGURE 8:MODELE D ’UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQUE [6] .......................................................................... 25 FIGURE 9 : MODELE D’UN LIEN DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE [8] .......................................................... 29 FIGURE 10 : SOURCES DE BRUIT DANS UN LIEN DE TRANSMISSION OPTIQU E [8] .............................................. 30

FIGURE 11 : SYSTEME DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE[11] ........................................................................ 33 FIGURE 12 :LIAISON OPTIQUE [11] ....................................................................................................................... 34 FIGURE 13 :POST-AMPLIFICATION ...................................................................................................................... 35 FIGURE 14 : LIEN DE PRE-AMPLIFICATION [11] ................................................................................................... 35 FIGURE 15 : MODELE D’UN LIEN ROF [11] ......................................................................................................... 35 FIGURE 16 : SIMULATION D ’UN SYSTEME ROF SOUS VPI [15] ........................................................................... 38 FIGURE 17 : TEST DU COMPORTEMENT DU LASER .............................................................................................. 41

FIGURE 18 : PUISSANCE DU BRUIT DU LASER ....................................................................................................... 41 FIGURE 19 : : BRUIT DU GRENAILLE D ’UNE PHOTODIODE ................................................................................... 42

FIGURE 20 : BRUIT THERMIQUE DU LASER .......................................................................................................... 42 FIGURE 21: TEST DU LIEN AVEC FIBRE MONOMODE ........................................................................................... 44

FIGURE 22 : COMPARAISON ENTRE FIBRE MONOMODE ET FIBRE MULTIMODALE ............................................ 44

FIGURE 23 : MODULATION EXTERNE ET MODULATION DIRECTE DU SIGNAL (EXTERNE EN HAUT ) .................. 45 FIGURE 24 :CALCUL DU BRUIT DU SYSTEME ....................................................................................................... 46 FIGURE 25 :SCHEMA POUR CALCULER LE BRUIT DU SYSTEME. .......................................................... 46 FIGURE 26 : CALCUL DU GAIN DU SYSTEME . ....................................................................................................... 46 FIGURE 27 :CALCUL DE L ’ INTERMODULATION DU SYSTEME ............................................................................. 47 FIGURE 28 :DISTORSION DU SIGNAL DE SORTIE .................................................................................................. 47

FIGURE 29 :COSIMULATION ENTRE LES DIFFERENTS BIBLIOTHEQUE SOUS ADS. ............................................. 49

FIGURE 30 : TEST DU BRUIT THERMIQUE . ........................................................................................................... 49 FIGURE 31 : CALCUL DU SNR, NF ET IIP3 .......................................................................................................... 50 FIGURE 32 : SPECTRE DU SIGNAL DU SORTIE (VOUT) ......................................................................................... 50

FIGURE 33 :MISE EN CASCADE DE DEUX AMPLIFICATEURS . ............................................................................... 51

FIGURE 34 :TEST D’UN FILTRE PASSE BANDE ...................................................................................................... 52 FIGURE 35 :MISE EN CASCADE DES COMPOSANTS .............................................................................................. 52

FIGURE 36 :LIAISON DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE ................................................................................. 55

FIGURE 37 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS VPI ..................................................................................................... 56 FIGURE 38 :SIGNAL WIFI SOUS VPI ................................................................................................................... 56 FIGURE 39 : MODELISATION DU LIEN OPTIQUE DE LA LIAISON RADIO S UR FIBRE ............................................. 57

FIGURE 40 :SIGNAL AU NIVEAU DU RECEPTEUR DU SYSTEME WIFI SUR FIBRE ................................................. 57

FIGURE 41 :SCHEMA DE CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LA LIAISON WIFI SUR FIBRE ..................................... 58

FIGURE 42 :CALCUL DE LA DYNAMIQUE DE LIAISON WIFI SUR FIBRE .............................................................. 58 FIGURE 43 : COSIMULATION ENTRE VPI ET ADS POUR LA SIMULATION DU LIEN WIFI SUR FIBRE ................ 59 FIGURE 44 :GENERATION DU SIGNAL WI-FI SOUS ADS ...................................................................................... 60

FIGURE 45 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS ADS .................................................................................................... 60 FIGURE 46 :GENERATION DU SIGNAL WIFI PAR ADS ET MODELISATION DU LIEN ........................................... 60

8 Liste des figures


FIGURE 47 :SIGNAL AU NIVEAU DE RECEPTEUR DU LIEN WIFI SUR FIBRE ........................................................ 61 FIGURE 48 :LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES SUPPORTEES PAR ROF[21] ...................................................... 63 FIGURE 49 : RESEAU DOMESTIQUE POUR UN TRES GRAND DEBIT[22] ............................................................ 63

9 Liste des tableaux


Liste des tableaux

TABLEAU 1 :COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DES LIENS AVEC ET SANS FIBRE (BLANC ,BLEU) ............ 44 TABLEAU 2 : COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES DU SIGNAL AVEC LA FIBRE MONOMODE ET

MULTIMODALE (BLANC ,BLEU) .................................................................................................................... 45 TABLEAU 3 :COMPARAISON ENTRE LA MODULATION EXTERNE (BLEU) ET DIRECTE (BLANC ). .......................... 45 TABLEAU 4 :RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT EN ENTREE ET EN SORTIE DU FILTRE ............................................. 52

TABLEAU 5 :SPECIFICATIONS DE LA LIAISON OPTIBUS ................................................................................... 54

TABLEAU 6 :DYNAMIQUE DU LIEN WIFI SUR FIBRE ............................................................................................. 61

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 (30-300 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-sur-fibre » 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 Radio-sur-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 VPITransmissionMarkerTM 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 Radio-sur-Fibre et ses applications. On abordera ensuite l'étude théorique de la liaison radio-sur-fibre et enfin on présentera les travaux de simulation, objet principal de ce stage.

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 (1991-2001), 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 1980. Dans les années 1990, la



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 802.11, 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 (88-107 MHz), la télévision (400-800 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].



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



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



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.



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 62-63 GHz est attribuée pour la liaison descendante tandis qu’une autre bande de 65-66 GHz est allouée pour la transmission en



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 802.11b). 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 802.11g). 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 63-64 GHz et 76-77 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 TECHN OLOGIE ROF [5]



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 (30-300 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].



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.



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



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 :

( 4-1) ( 4-2)

Le photo-courant résultant est proportionnel au carré de la somme des champs électriques.

Ainsi, le photo-courant normalisé, sera: ( 4-3)

On trouve : ( 4-4)

Le terme d’intérêt est : ( 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

11 01cos( )E E tω= 22 02cos( )E E tω=

p di 2( 1 2)ipd E E+∼

01 02 cos(( 1 2) ) 01 02 cos(( 1 2) )ipd E E t E E t autrestermesω ω ω ω− + + +∼

01 02 cos(( 1 2) )E E tω ω−



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.

Ces techniques ne seront pas traitées en détails car elles n’entrent pas dans l’intérêt du

stage.

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



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 et à , avec fsc est la fréquence de la sous-

porteuse. Si la sous-porteuse (fSC1) est modulée avec des données (canal 1), alors les bandes latérales centrées autour de 1 peuvent être produites comme illustré sur la figure 7

ci-dessous.

FIGURE 7:M ULTIPLEXAGE DE DEUX CANAUX SUR UNE SEULE PORTEUSE O PTIQUE [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

0f fsc+ 0f fsc−

0f fsc−



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.

.

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 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 :

( 1-1) où P (0) est la puissance optique à la sortie de

l'émetteur.

iii. Dispersion dans la fibre

1110−

/10( ) 10 (0)ALP L P−=



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,



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 électro-

absorption 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 Er3+) 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



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 semi-conducteur, 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 : M ODELE 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 :

( 2-1), où Pa désigne la puissance disponible au niveau du générateur, et Pout la

puissance de sortie de l’amplificateur.

Donc ( 2-2), avec ( 2-3)

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

( 2-4) où h est la constante de Planck, f est la fréquence de la porteuse

optique, e est la charge de l'électron, et Lη est l'efficacité quantique de la diode laser.

PaL

Pout=

. .2 L

L

Pa Ra rL

R R R=

+

2

4

ePa

R=

LR

LR

..

h fPopt L i

eη=



La puissance reçue par la photodiode s’écrit :( 2-5)

, où Lr est

l’atténuation du lien optique.

Le courant détecté au niveau du photodiode s’écrit : ( 2-6) avec ηq

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 :

2-7)

avec résistance de la photodiode, et les résistances du matching-block

( 2-8), avec n le ratio de la transformation du matching block tel que

Finalement, les pertes du lien peuvent s’écrire sous la forme : 2.LrbL = (2.11) avec :

b= ( 2-9) [8].

Cette formule sera largement simplifiée comme on va le voir dans le paragraphe suivant.

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 OPTIQU E [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

,Popt

Popt recLr

=

. . . ,.

ek q M Popt rec

h fη=

2

2

1. .

.(1 )

D

D A D

A

GPout k

G G gG

=+

Dg DG AG

2 2.

( )² AA D

k nPout G

G G=

+

²GD

ngD

=

.(1 )²(1 )².

4( . . )²L D L D

A L D

R G r gR GA

M L q R G R Gη η+ +



existe indépendamment de toute tension appliquée. Le bruit thermique aux bornes d'une

résistance est exprimé par la relation de Nyquist : ( 2-10)

où est la variance de la tension aux bornes de la résistance, est la constante de

Boltzmann, qui vaut = 1,3806 × 10-23 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 :

( 2-11) où est la constante de Boltzmann, B est la bande passante du

récepteur.

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 :

( 2-12)

où I est le courant continu détecté, est le courant moyen dans le photo-détecteur et q

= 1, 6.10−19C 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 10−16 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

s’écrit :

où Ith désigne le courant seuil d’entrée du laser et 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)

² 4 . . .b Bv k T R f= ∆

bv Bk

Bk f∆

d 0k ² 4. . .B Dk T B G= Bk

,2

²

. .²

d moyeni

B q IRIN

I

−

=

,d moyeni

0

. . .² ( )². ( )( )². .L Q D

i th cr D

M Gk I I RIN B

L g

η ηω= −

cω



sous láction dún champ électrique. La densité de courant séxprime 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. Cést 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

ainsi défini est un processus aléatoire, de valeur moyenne <I> = <n> e/τ, et de variance : =

2I - 2

I = en considérant que n suit une loi de Poisson. La bande passante dún

intégrateur de durée τ s´écrit B = 1/(2τ).

Le bruit de grenaille séxprime par la variance du courant électrique et vaut donc : 2eIB [10],[12].

Pour notre système, le bruit thermique s’écrit sous la forme :

( 2-13)

A savoir qu’il y a d’autres bruits dans notre système :

le bruit généré par le générateur : ( 2-14)

le bruit de l’amplificateur de sortie : ( 2-15) avec

( 2-16) ( est le facteur de bruit minimum en sortie du système)

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 :

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 :

( 2-17) avec ( 2-18)

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

2σ2

2

e n

τ

0

. ². .² 2. . [( ). .( ).L Q D

s th M dr D

M Gk e B I I F I

L g

η η= − +

2 0. . .4. . . .

( )².( )

L Q L Dg

L r L D

Mk B T B R Gk

R R L r g

η η=

+

0 0 0² 2.( 1). . . .a a B AK F k T B R= −

0 0 02.( 1). . . .a a B Av F k T B R= − 0aF

0

( / )

( / )in

out T T

S NF

S N =

=

1².

(1 )².N

DA

A

Nout kG

GG

=+

² ² ² ² ² ² ² ²N g s i d a D ak k k k k k G v= + + + + +



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).

FIGURE 11 : SYSTEME DE TRANSMISSION RADIO SUR FIBRE [11]



Une fois que l’ IP3 est connu, le SFDR est calculé à l'aide de l’équation suivante:

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

( 3-2)

( 3-3)

( 3-4)

où est l’efficacité de conversion du laser, le couplage laser fibre, atténuation de

la fibre telle que (α pertes linéique de la fibre) typiquement inférieure à 1,

est le couplage fibre détecteur, est l’efficacité de conversion du photo-détecteur.

( )( )SFDR 2 / 3 IIP3 BNL 10Log BW NF = − − −

0.( . . )²loadl l f f f d d TIA

laser

Rg s n t r G

Rη− −=

0

². 2. . ).12

. .d load

fll l

i rin q id Rn

g k T g

+= + +

3, 3, .l laser loip oip g=

ls l fη − 0ft

1 00 10

L

ftα−

= f dη −

dr

FIGURE 12 :LIAISON OPTIQUE [11]



3.2 Segment de Post-amplification

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Avec les pertes de circuits entre le LNA et le PA, le gain du LNA.

3.3 Segment de Pré-amplification

(3.7)

(3.8)

(3.9)

où et désignent les pertes de circuits respectivement avant et après le LNA, est le

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 :

(3.10)

(3.11)

( 3-12)

13. .p o s t L N A P Ag g t g−=

31

3

1 1

.PA

post LNALNA LNA

t nfnf nf

g g t −

− −= + +

11

3, 3 3,

1 13, ( )

. .LNA PA PA

oip postoip t g oip

−−= +

3t LNAg

1 11 2. .p r e L N Ag t g t− −=

21 1 1

1 . 1

1 1LNApre

LNA

nf tnf t

t g t− −

− −= + +

13, 3, 2.pre LNAoip oip t −=

1t 2t LNAg

. .r o f p r e l p o s tg g g g=

11

.postl

rof prepre prea l

nfnfnf nf

g g g

−−= + +

13,

3, 3, 3,

1 1 1( )

. . .rofpre l post l post post

oipoip g g oip g oip

−= + +

FIGURE 13 :POST-AMPLIFICATION

FIGURE 14 : LIEN DE PRE-AMPLIFICATION [11]

FIGURE 15 : MODELE D’UN LIEN ROF [11]



( 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.

2

33,

.

2.(174 10 log( 10 log( ) 10.log( ))

3 rof rof rofdB Hz

SFDR oip g nf= + − −

III. Simulation des systèmes radio-sur-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 VPITransmissionMakerTM 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 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 photo-

détecteur [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 :



• 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 VPITransmissionMarkerTM ou VPIcomponentMakerTM (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 VPItransmissionMarkerTM.

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 VPItransmissionMakerTM.

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 VPIphotonicsTM 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



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].



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 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 photo-courant 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 -50-90 =- 140dBm et le RIN est -140 - (-10) =- 130dB/Hz .

Remarque:

- Le facteur de bruit NF est défini (comme dans tous les systèmes électroniques) par le

FIGURE 17 : TEST DU

COMPORTEMENT DU LASER



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].

( 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 :

-85-90= -175dBm/Hz.

Pour trouver cette valeur en A/√Hz, il suffit de diviser par R.

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 »=0.0000001 A/√Hz), on trouve : -110dBm/Hz.

in

out

SNRNF

SNR=

FIGURE 19 : : BRUIT DU GRENAILLE D ’UNE

PHOTODIODE

FIGURE 20 : BRUIT THERMIQUE DU LASER



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.



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:



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 : M ODULATION 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.



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:

En utilisant un filtre d’une bande passante de 500 MHz, la densité du bruit est de -48.5-86.98=-135.45dBm/Hz.

Calculons NF :

On a : =>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

1 9 . 4 5

1 3 0 8 3 . 3 4 6 . 7

2 3

1 3 5 8 3 . 3 5 1 . 7

S i n d B m

N i n d B m d B m

S o u t d B m

N o u t d B m

= − = − + = − = − = − + = −

FIGURE 25 :SCHEMA POUR CALCULER LE BRUIT

DU SYSTEME. FIGURE 24 :CALCUL DU BRUIT DU SYSTEME

FIGURE 26 : CALCUL DU GAIN DU SYSTEME .



gain du système en calculant Pout et Pin et en établissant le rapport )

3.7 INTERMODULATION

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

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

out

in

P

P

FIGURE 28 :CALCUL DE L ’ INTERMODULATION DU

SYSTEME FIGURE 27 :DISTORSION DU SIGNAL DE SORTIE



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 non-

linéaires 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 non-

linéaires 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



• 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 kB*T, où T est la température en degrés Kelvin et kB désigne la constante de Boltzmann. Pour une simulation de température de 25°C, la puissance de bruit disponible est 10*log(kB*(25+273.15))+30=-173,8 dBm/Hz.

FIGURE 30 : TEST DU BRUIT THERMIQUE .



La valeur théorique calculée est 10*log(boltzmann*(25+273.15))+30=- 173.855dBm/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 :

FIGURE 32 : SPECTRE DU SIGNAL DU SORTIE (VOUT)

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400-500 500

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

-120

0

freq, KHz

dB(fs(Vif[1],,,,,"Kaiser"))



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 2ème correspond à la 3ème 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*0.003+40≅40 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=-100.024dBm et Pout=-60.011dBm, 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 :



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.

Dans toute la suite du travail, on va utiliser les spécifications du projet OPTIBUS présenté en annexe.

18.61 dB 18.068 dB

TABLEAU 4 :RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT EN ENTREE

ET EN SORTIE DU FILTRE

/ inS N / outS N

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 802.11a 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 802.11) définit un EVM maximal de 5.6 % pour le 802.11a et de 3.5 % pour les 802.11 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 802.11 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.



Paramètres Symbole Unité @2.4GHz

@5Ghz

PRE-AMPLIFICATION

Gain dB 14.5 20.5

Facteur du bruit dBm 2.2 2.4

Intermodulation dBm 21.5 22.5

LIAISON OPTIQUE sans fibre

Gain dB 6.4 6.4

Facteur du bruit dBm 40 40

Intermodulation dBm 36 .7 36.8

POST-AMPLIFIACTION

Gain dB 14.5 20.5



LIASON WIFI SUR FIBRE

Gain dB 63.4 78.4



Dynamique SFDR dB.

78.4 74.4

TABLEAU 5 :SPECIFICATIONS DE LA LIAISON OPTIBUS

preamplificationG

preamplificationNF

3preamplificationOIP

lG

NFl

3OIP l

postamplificationG

postamplificationNF

3postamplificationOIP

rofG

NFrof

3OIP rof

2

3Hz

55


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

Cette modélisation va être faite selon les deux approches

-la première approche (1ère solution) s’appuie sur l’utilisation d’ADS comme un système intermédiaire :

VPI ADS

-la deuxième approche (2quelle 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 deuxièmsolution 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.

FIGURE 36 :LIAISON DE TRANSMISSI

Simulation des systèmes radio-sur


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 :

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

VPI ADS VPI

(2ème solution) s’appuie sur l’utilisation d’ADS dans n’importe 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 deuxièm

montrant leurs avantages et inconvénients respectifs.

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.

IAISON DE TRANSMISSI ON RADIO SUR FIBRE

sur-fibre

Dans cette partie, on va essayer de valider les résultats théoriques et expérimentaux obtenus

la première approche (1ère solution) s’appuie sur l’utilisation d’ADS comme un système

l’utilisation d’ADS dans n’importe partie dans le système, spécialement au début pour combler le manque de VPI

On va tester dans un premier temps la première solution, puis on va tester la deuxième

Cette solution consiste à générer le signal électrique sous VPI puis faire la transmission



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 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.

FIGURE 37 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS VPI



FIGURE 39 : MODELISATION DU LIEN OPTIQUE DE LA LIAISON RADIO S UR 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…).



- 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….



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



FIGURE 44 :GENERATION DU SIGNAL WI-FI SOUS ADS

FIGURE 45 :SIGNAL WIFI GENERE SOUS ADS

ii. Incorporation du fichier dans VPI

Comme décrit précédemment, on va commencer tout d’abord avec la validation d’une liaison optique, puis on a va essayer d’ajouter le lien radio.

FIGURE 46 :GENERATION DU SIGNAL WIFI PAR ADS ET MODELISATION DU LIEN

1 2 3 4 5 6 70 8

-1

0

1

-2

2

time, usec

real(M

odO

ut)



FIGURE 47 :SIGNAL AU NIVEAU DE RECEPTEUR DU LIEN WIFI SUR FIBRE

TABLEAU 6 :DYNAMIQUE DU LIEN WIFI SUR FIBRE

Comme on peut le constater, ces résultats diffèrent des résultats trouvés dans les expériences précédentes, ce qui est dû au changement de la puissance d’entrée.

Ce résultat reste à compléter au cours des prochaines simulations avec le lien radio sous ADS et à valider (vérifications et modifications des paramètres) dans les prochaines simulations.

62 Perspectives de la technologieradio-sur-fibre


IV. Perspectives de la technologie radio-sur-fibre

1. Radio-sur-Fibre pour les mobiles de 4ème génération

La prochaine génération de communications mobiles (4G) est toujours confrontée à un grand nombre de problèmes techniques. Pour répondre à une demande croissante en services à haut débit et en raison d’un fort encombrement du spectre électromagnétique, les fréquences utilisées par les futurs systèmes 4G devraient être supérieures à 3 GHz. L’utilisation de fréquences élevées conduit à de fortes pertes lors de la propagation des ondes radio en espace libre sur les liaisons montantes et descendantes. En particulier, une forte perte de propagation sur la liaison montante a pour conséquence une augmentation de la consommation d'électricité des terminaux mobiles, réduisant ainsi leur autonomie. Les opérateurs de réseaux mobiles pour la 4G auront d'énormes difficultés pour faire face à l'augmentation du trafic, de manière à garantir un débit élevé pour chaque utilisateur. Le débit de données de la prochaine génération des systèmes mobiles de communication devrait être supérieur à 100 Mbps. En vue pour répondre à cette exigence, la gestion des ressources des réseaux sans fil pour les futures communications mobiles devrait être plus souple. Une réduction de la taille des cellules de couverture et une centralisation des composants compliqués pourraient assouplir les problèmes. Un grand nombre d’unités d’accès devraient être installées sur des petites surfaces, et le réseau devrait être en mesure d'assurer une connexion homogène entre les différentes entités du réseau.

La technologie RoF est l'une des meilleures solutions pour la réduction de la taille des cellules de couverture afin d’envisager le déploiement de réseaux d’accès pico-cellulaires à grande échelle. Grâce à l’utilisation de la fibre optique à ultra-large bande passante, il est possible de transférer les fonctions de traitement du signal à une station de contrôle centralisée, dite station de contrôle. La centralisation des équipements coûteux et complexes au niveau de cette station de contrôle rendue possible par la technologie RoF devrait permettre une mise en œuvre compacte et économique des unités d'accès à distance.

Par conséquent, il convient de développer des technologies RoF offrant l’accès à une grande variété de systèmes sans fil, y compris 3G, WLAN, systèmes de diffusion multimédia numérique (DMB), et B3G (Beyond 3G system), comme le montre la figure 48 ci-dessous [21].

63 Perspectives de la technologieradio-sur-fibre


FIGURE 48 :LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES SUPPORTEES PAR ROF[21]

2. Radio-sur-fibre pour les futurs réseaux domestiques

La multiplication des appareils connectés et services (ordinateurs, Media Center, visiophonie, TVoIP, etc ...) conduit à une nouvelle architecture du réseau domestique et des technologies sans fil pour permettre d’offrir des débits supérieurs à 1 Gbit/s. Cette architecture de réseau domestique est fondée sur un réseau de distribution local câblé adapté à supporter des très hauts débits dans les différentes salles de la maison / immeuble. Une technologie radio prometteuse capable de fournir des débits au-delà du Gb/s utilise les fenêtres de fréquence à 60 GHz (e.g. normes IEEE 802.15.3c ou IEEE 802.11a/d) avec des portées qui ne dépassent pas 15 m. Le réseau devient alors un réseau multicellulaires où les questions de gestion des interférences seront similaires à celles rencontrées dans les réseaux mobiles à large couverture et les réseaux de radiocommunication. Dans ce contexte, une fois encore, l'utilisation de la technique RoF pour relier les différentes antennes du réseau d’accès permet de fournir un bon rapport coût-efficacité et permet un développement des technologies de communication pour le futur [21].

FIGURE 49 : RESEAU DOMESTIQUE POUR UN

TRES GRAND DEBIT [22]

64 Conclusionradio-sur-fibre


Conclusion

L'état de l'art sur la radio-sur-fibre (chapitre 1) montre qu’on assiste actuellement à un renouvellement de l’intérêt porté à ce domaine prometteur des télécommunications radio et optiques. Les recherches en cours portent sur les performances des composants, du système complet et sur de nouvelles applications (intégration de nouveaux réseaux radio). Le marché actuel ne propose pas de modèles de simulations hybrides de bout en bout.

Lors du projet, on a utilisé les logiciels ADS et VPI pour valider dans un premier temps les modèles électroniques et optiques des composants de base communément utilisés dans les systèmes radio-sur-fibre (chapitre 2). Dans un deuxième temps, les deux logiciels ont été utilisés en cosimulation (chapitre 3) pour modéliser une chaîne de transmission radio-sur-fibre existante. Les résultats de cosimulation obtenus ont été confrontés aux résultats obtenus dans le cadre du projet OPTIBUS.

Ce stage m’a donné l’occasion de découvrir les métiers de la recherche en télécommunications et plus particulièrement dans le domaine des systèmes de transmission Radio-sur-Fibre tout en me permettant d'élargir mes connaissances dans ce domaine. La réalisation de mon stage au sein d’une équipe de professeurs et ingénieurs chercheurs de Télécom Bretagne m’a permis d’enrichir mes qualités humaines, mes compétences relationnelles ainsi que ma vision du métier de recherche et développement tant d'un point de vue technique que relationnel.

65 ANNEXESradio-sur-fibre


ANNEXES

1. définition du OSNR, BER et Q

1.1 Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) :

L’OSNR est défini par la puissance moyenne du signal divisée par la puissance de bruit incidentes au niveau du photo-détecteur. La puissance prend en compte celle des deux polarisations, si celles-ci sont présentes. L’expression de l’OSNR peut s‘écrire comme suit:

où: représente la puissance moyenne du signal, , x est la puissance de bruit dans

la polarisation selon X et ,y est la puissance de bruit dans la polarisation selon Y. Cependant, le bruit atteindra la photodiode dans une seule polarisation. Ainsi, dans la plupart des cas, l’OSNR sera doublé [15].

ii) Estimation analytique du BER:

BER pour les systèmes sans amplifications optiques:

Le bruit thermique du récepteur est une cause de dégradation de la performance du système. Ainsi, le BER peut être estimé à partir de la connaissance de la puissance du signal reçu et de la densité spectrale du bruit thermique du récepteur.

BER pour les systèmes avec amplifications optiques avec domination du bruit ASE :

Le BER peut être estimé à partir du OSNR et du bruit représentant l'ASE, étant donné qu'il n'y a pas d'autres dégradations dans le système en dehors de l'ASE.

iii)Q et Q-efficace

Dans la littérature, Q et Q efficace (Qeff) sont souvent utilisés de façon interchangeable,(on confond toujours Q et Qeff) . Pour éviter toute confusion, nous avons suivi les définitions ci-dessous :

où µ1, µ0, σ1, σ0 sont des valeurs moyennes et écarts-types des 1 et 0 des signaux électriques, respectivement, mesurée juste avant la décision du circuit du récepteur.

Le facteur Qeff est un autre moyen d'exprimer leBER. Qeff est obtenu par la résolution numérique de l'équation suivante pour un seuil optimal:

yPnoisexPnoise

PsigOSNR

,, +=

Psig Pnoise

Pnoise

1 2

1 0Q

µ µσ σ

−=

+



BER=

Remarque: En général, Q et BER ne peuvent pas être liés à l'aide de la formule qui lie BER et Qeff, car Q et Qeff sont des paramètres différents de performance du système, sauf dans des cas particuliers[15].

2. Démonstration de la formule iip3:

Quand Ps augmente de 1dB, P3 augmente de 3 dB. On peut écrire :

On a :

Pour

=>

D’ou :

3.5.0.5.13 PPsIIP −=

3. Formules de FRIIS

Pour un système mis en cascade, on a[11][24] :

(1)

(2)

(3)

1( )

2 2

Q e ffe r fc×

3 3 .P P s k= +

I M D = P s - P 3

P s = I I P 3 = > P s = P 3

k = - 2 I I P 3

P 3 = 3 .P s -2 .IIP 3

1. 2. 3........Gn G G G Gn=2 1 1

1. 1 ....1 1. 2......

F FnF n F

G G G Gn

− −= + + +

1 1 1. 2 1. 2.......

3 31 32 3

G G G G G Gn

IIP IIP IIP IIP n= + + +



4. ADS Ptolemy

Agilent Ptolemy est une technologie de simulation intégrée dans Agilent Advanced Design System.

Il existe deux domaines dans la simulation Ptolemy. Ces deux domaines sont le Flux de données synchrone (SDF) et le Flux de données synchrone temporelle (TSDF)

Chaque simulateur ou "domaine" permet l’implémentation d’une méthode de calcul . Ptolemy assure que les flux de données uniques entre ces domaines permettent de produire un résultat valide de simulation.

Grace à l’utilisation d’Agilent Ptolemy, un ensemble de systèmes de communication peuvent être simulés, y compris les circuits analogiques et numériques.[20]

5. Projet OPTIBUS

OPTIBUS est un projet dans le domaine de la radio-sur-fibre qui consiste à réaliser un système d'antennes déportées par fibre optique pour des réseaux sans fil. En fin de projet (dans 2 ans presque), cette architecture devra être multi-réseaux (GSM, UMTS, DECT, Wi-Fi, UWB,...simultanément) et multi-utilisateurs. Ses applications sont nombreuses : réseaux d'entreprise ou dans des lieux très fréquentés (aéroports, ports, gares et trains, ...), réseaux dans des lieux inaccessibles pour les systèmes radio seuls (tunnels, milieux ruraux, ...)[7].

6. Génération du signal Wifi sous ADS

Pour générer les signaux radio sous ADS, on peut sélectionner un bloc « Common Components » qui contient plusieurs sous-bibliothèques qui permettent de générer différents types de signaux (CDMA, GSM, UWB, EDGE, HSDPA, LTE….)

Le signal généré peut être lu grâce à un bloc appartenant à la bibliothèque SINKs qui contient des composants tel que TimedSink permettant de représenter les données dans le domaine temporel.

Ces données peuvent être enregistrées sous format d’un fichier ASCII, qui peut être ensuite incorporé sur VPI (grâce aux options « import » et « export » qui sont présentées au menu des deux logiciels).

7. Paramétrage de la cosimulation

La cosimulation entre VPI et ADS est détaillée dans l’aide disponible sous VPI.

Il faut porter particulièrement attention aux points suivants :

• La valeur du paramètre TimeWindow d’ADS doit être supérieure à celle spécifiée



dans VPI.

• La cosimulation en mode DataFlow sous ADS est uniquement compatible avec les

modes de simulations enveloppe et transient.

• Si le mode de simulation enveloppe est choisi, il faut porter une attention particulière

aux paramètres « step » et « Transient Assisted Harmonic Balance » qu’il faut

désactiver (positionner le bouton en mode off).

69 Bibliographies


Bibliographies

[1] ITU, “World Telecommunication Development Report 2002: Reinventing Telecoms”, March, 2002, source: http://www.itu.int/itud/ict/publications

[2] “Radio-over-fibre technology for broadband wireless communication systems”, Thèse de Doctorat, Anthony Ng’oma, Technische Universiteit Eindhoven, 2005 http://alexandria.tue.nl/extra2/200512106.pdf

[3] A. Ng’oma (TU/e), Design of a Radio-over-Fibre System for Wireless LANs Deliverable D6.1 : www.brabantbreedband.nl/publications/BTS01063-BR@H-D61-PUB_design%20RoF%20system%20for%20WLANs.pdf

[4] “Feed-forward Linearisation of a Directly Modulated Semiconductor Laser and Broadband Millimetre-wave Wireless over Fibre Systems , Thèse de Doctorat, Tabassam Ismail, Department of Electronic and Electrical Engineering, University College London, September 2006

[5] « Eléments clé pour une convergence des technologies optique et radio-fréquence pour les réseaux fixes et mobiles », Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye et al., Institut Télécom, Mars 2009

[6] Radio over Fiber based Network Architecture, vorgelegt von Master of Science, Hong Bong Kim, Berlin 2005

http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2005/1134/pdf/kim_hongbong.pdf

[7] « Intégration de VCSELS dans une liaison optique pour système Radio- sur –Fibre large bande », Francis RICHARD, Rapport de stage, 2008

[8] “Loss and Noise Characteristics of Microwave Direct Modulated Optical Links”, I. FRIGYES, I. HABERMAJER, B.G. MOLNÁR and F. SOM , Budapest Technical University, Budapest, Goldmann Gy. Tér 3, 1111, Hungary

[9] http://fr.wikipedia.org/wiki/Bruit_thermique

[10] www.gchagnon.fr/cours/courlong/4_4_2_2.html

[11] “Study of system dynamic range for WLAN radio signal transmission over MMF and coax cable systems”, Andrey Kobyakov, Jacob George, Michael Sauer, Science and Technology Division, One Science Center Drive, Corning NY 14831

[12] http://en.wikipedia.org/wiki/shot_noise

[13] www.fiber-span.com

[14] www.rp-photonics.com/relative_intensity_noise.html

[15] documentation officielle VpiTransmissionMakerTM

[16] http://fr.wikipedia.org/wiki/Bruit_thermique

[17] « Architecture pour les systèmes de transmission ULB en bande millimétrique avec un lien optique », 16ème journées nationales Microondes, Mai 2009, Grenoble

70 BibliographiesGlossaire des termes et acronymes


[18] « Approche CAO de systèmes optiques-hyperfréquences incluant les performances en bruit », 16ème journées nationales Microondes, Mai 2009, Grenoble

[19] « Modélisation et caractérisation de système radio-sur-fibre à base de la technologie ultra large bande », Rapport de Mastère, QUOC THAI NGUYEN, 2008

[20] Documentation officielle d’ADS

[21] “Radio over Fibre for the Support of 4th Generation Mobile/Wireless Communications”, N.J. Gomes, S.Pato, P. Monteiro, A. Gameiro, European Workshop on Photonic Solutions for Wireless Access and in-house Network - Proceedings, 18-20 May 2009, Duisburg, Allemagne

[22] “Comparison of two types of 60 GHz photonic millimeter-wavegeneration and distribution of a 3 Gb/s OFDM signal”, F. Lecoche1, B. Charbonnier, E. Tanguy, Hongwu. Li, F. van Dijk, A. Enard, F. Blache, M. Goix, F. Mallecot, European Workshop on Photonic Solutions for Wireless Access and in-house Network - Proceedings, 18-20 May 2009, Duisburg, Allemagne

[23] http://rcaverly.ee.villanova.edu/crcd/Introduction/sysexample.pdf

III. Glossaire des termes et



acronymes

ASE Amplified Spontaneous Emission

BER Bit Error Rate

B-ISDN: Broadband Integrated Services Digital Network

BS Base Station

CD Chromatic Dispersion

CNR Carrier to Noise Ratio

CS Control Station

DWDM Dense Wave Division Multiplexing

DR Dynamic Range

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

EAM Erbium Absorption Modulator

EOM External Optical Modulator

EVM Error Vector Magnitude

IIP3 Input Intercept Point Third Order

ISM Industrial, Scientific and Medical

MBS Mobile Broadband Service

MVDS Multipoint Video Distributing System

MZM Mach Zehnder Modulator

NF Noise Figure

OADM Optical Add Drop Multiplexer

OIP3 Output Intercept Point Order 3

OSNL Output System Noise Level

OSNR Optical Signal to Noise Ratio

PMD Polarization Mode Dispersion

SCM Sub-Carrier Multiplexing

SMF Single Mode Fiber

SNR Signal to Noise Ratio

RFSA Radio Frequency Spectrum Analyzer

RHD Remote Heterodyning Detection

RIN Relative Intensity Noise

RoF Radio-over-Fiber

RAU Remote Antenna Unit

SFDR Spurious-Free Dynamic Range

WDM Wave Division Multiplexing



WLAN Wireless Local Area Network

Documents

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