«Υλοποίηση Ασύρματου Οπτικού δικτύου (Radio over Fiber RoF) για μετάδοση σημάτων Ultra Wide Band (UWB) σε RF συχνότητα 60 GHz»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ στην ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Τσαφαράκης Ορέστης ΑΕΜ 1156 «Υλοποίηση Ασύρματου Οπτικού δικτύου (Radio over Fiber RoF) για μετάδοση σημάτων Ultra Wide Band (UWB) σε RF συχνότητα 60 GHz» Επιβλέπων: Νίκος Πλέρος Λέκτορας Πτυχιακή Εργασία που υποβάλλεται στο πλαίσιο της μερικής εκπλήρωσης των απαιτήσεων για την απόκτηση Πτυχίου στο Τμήμα Πληροφορικής, Σχολή Θετικών Επιστημών ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ,

2 Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 2 Ευχαριστίες Εισαγωγή... 8 Ultra Wide Band ασύρματη μετάδοση... 8 Ασύρματα Οπτικά Δίκτυα Radio over Fiber (RoF)... 9 Ultra Wide Band Radio over Fiber τεχνολογία (UWBRoF) Στόχος της εργασίας Δομή της εργασίας Υλοποίηση Ultra Wide Band (UWB) ζεύξης σε Radio over Fiber (RoF) δίκτυο Εισαγωγή Περιγραφή των στοιχείων της διάταξης Pulse Position Modulator (PPM) Pseudo Random Binary Sequence Generator (PRBS) Pulse Gaussian Electrical NRZ Coder Multiple Output Connector (Fork_2) Inverting Electrical Amplifier with Unity Gain DC Source Add Electrical Signal Delay Samples Multiply Electrical Signals Output Continuous Wave Laser (Laser CW) Pulse Position Modulator (PPM) Modulator Mach Zehnder (Modulator MZ) Black Box Amplifier with Wavelength Dependent Gain Linear Polarizer Ideal Nonlinear Dispersive Fiber Attenuator Photodiode Filter Electrical

3 Electrical Amplifier BER Estimation Text Visualizer Time Domain Visualizer (Scope) Περιγραφή της λειτουργία της διάταξης Αποτελέσματα της προσομοίωσης Μελέτη του παλμού Μελέτη του Ρυθμού Εμφάνισης Λάθους Bit Error Ratio (BER) Προσομοίωση 60GHz Ultra Wide Band ζεύξης σε Radio over Fiber Δίκτυα Εισαγωγή Περιγραφή των νέων στοιχείων της διάταξης Sine Generator (Electrical) Optical Filter Περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης Αποτελέσματα της προσομοίωσης Μελέτη του παλμού Μελέτη του ρυθμού εμφάνισης λάθους Bit Error Rate (BER) Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

4 Περιεχόμενα εικόνων Εικόνα 1.1 Ταχύτητα και απόσταση μετάδοσης... 9 Εικόνα 1.2 Αρχιτεκτονική Radio over Fiber δικτύου Εικόνα 1.3 Χρήση Ultra Wide Band μετάδοσης σε Radio over Fiber δίκτυο σε εσωτερικούς χώρους Εικόνα 2.1 Η διάταξη που μελετήθηκε Εικόνα 2.2 Pulse Position Modulator Εικόνα 2.3 Εσωτερικό του Pulse Position Modulator Εικόνα 2.4 PRBS Εικόνα 2.5 Pulse Gaussian Εικόνα 2.6 NRZ Coder Εικόνα 2.7 Fork Εικόνα 2.8 Inverter Εικόνα 2.9 DC Source Εικόνα 2.10 Add Signal Εικόνα 2.11 Delay Samples Εικόνα 2.12 Multiply Εικόνα 2.13 Output Εικόνα 2.14 Laser CW Εικόνα 2.15 Pulse Position Modulator Εικόνα 2.16 Modulator Mach Zehnder Εικόνα 2.17 Black Box Εικόνα 2.18 Polarizer Εικόνα 2.19 Fiber Εικόνα 2.20 Attenuator Εικόνα 2.21 Photodiode Εικόνα 2.22 Filter Electrical Εικόνα 2.23 Amplifier Εικόνα 2.24 BER Estimation Εικόνα 2.25 Text Visualizer Εικόνα 2.26 Scope Εικόνα 2.27 Ground Εικόνα 2.28 Εσωτερικού του Pulse Position Modulator Εικόνα 2.29 Τετραγωνικοί παλμοί Εικόνα 2.30 Gaussian παλμοί Εικόνα 2.31 Gaussian παλμός Εικόνα 2.32 Pulse Position Modulation παλμοί Εικόνα 2.33 Optical Distribution Center Εικόνα 2.34 Παλμός μετά τη φωτοδίοδο Εικόνα 2.35 Monocycle Εικόνα 2.36 Radio Terminal Εικόνα 2.37 Τετραγωνικός παλμός

5 Εικόνα 2.38 Μετά τον πολλαπλασιασμό Εικόνα 2.39 Μετά το self homodyning Εικόνα 2.40 Monocycle πριν την εκπομπή στον αέρα Εικόνα 3.1 Η διάταξη που μελετήθηκε για μετάδοση σε συχνότητα 60GHz Εικόνα 3.2 Sine Generator Εικόνα 3.3 Optical Filter Εικόνα 3.4 Σήμα από το Sine Generator Εικόνα 3.5 Μετά την πρόσθεση Εικόνα 3.6 Πολλαπλασιασμός των σημάτων Εικόνα 3.7 Σήμα χωρίς την πρόσθεση με την τάση Εικόνα 3.8 Οπτικό φάσμα πριν το οπτικό φίλτρο Εικόνα 3.9 Οπτικό φάσμα μετά το οπτικό φίλτρο Εικόνα 3.10 Φάσμα μετά τη φωτοδίοδο Εικόνα 3.11 Φάσμα μετά τη φωτοδίοδο χωρίς το οπτικό φίλτρο Εικόνα 3.12 Παλμός μετά τον ενισχυτή

6 Περιεχόμενα Πινάκων Πίνακας 2.1 Μετρήσεις των παλμών σε διαφορετικά μήκη οπτικής ίνας Πίνακας 2.2 BER vs Received Optical Power Πίνακας 3.1 Μετρήσεις παλμών σε διαφορετικά μήκη οπτικής ίνας Πίνακας 3.2 BER vs Received Optical Power

7 Ευχαριστίες Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες και τη βαθιά μου εκτίμηση στον επιβλέποντα λέκτορα του τμήματος Νίκο Πλέρο, ο οποίος μου παρείχε τις πολύτιμες γνώσεις του πάνω στο αντικείμενο που πραγματεύεται η εργασία, για τις κατευθυντήριες γραμμές που ακολουθήθηκαν κατά την ολοκλήρωσή της και για το χρόνο που αφιέρωσε όποτε το είχα ανάγκη για να με συμβουλέψει. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον συνεργάτη του, Κωνσταντίνο Βυρσωκίνο για τη βοήθεια, τις γνώσεις και τις συμβουλές που μου παρείχε όσον αφορά το λογισμικό πακέτο VPI Transmission Maker το οποίο χρησιμοποίησα για την πραγματοποίηση τις εργασίας αλλά και για το χρόνο που αφιέρωσε. 7

8 1. Εισαγωγή Ultra Wide Band ασύρματη μετάδοση Η Ultra Wide Band τεχνολογία είναι ασύρματη τεχνολογία εκπομπής σημάτων. Το σήμα που εκπέμπεται δεν έχει την ισχύ του συγκεντρωμένη σε μία συχνότητα αλλά απλωμένη σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Στο παρελθόν η χρήση αυτής της τεχνολογίας ήταν επιτρεπτή μόνο για στρατιωτικούς σκοπούς. Όμως από τις 14 Φεβρουαρίου του 2002 η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών Federal Communications Commission (FCC) των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής απελευθέρωσε ένα τεράστιο εύρος ζώνης, 3,1 10,6 GHz. Αυτό το γεγονός έδωσε τεράστια ώθηση στην Ultra Wide Band τεχνολογία καθιστώντας δυνατή τη χρήση της και σε εμπορικές εφαρμογές. Ως επακόλουθο αυτή η πολιτική άρχισε να υποστηρίζεται και στην Ευρώπη και την Ασία, εκτοξεύοντας έτσι και το ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από αυτήν. Η Ultra Wide Band τεχνολογία προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα στη χρήση της. Έχει χαμηλή κατανάλωση ισχύς λόγω των πολύ μικρών παλμών, από 10 έως 100ps, και χαμηλή πολυπλοκότητα. Προσφέρει μεγάλο εύρος ζώνης (Bandwidth), από 0,5 μέχρι και 7,5 GHz, χρησιμοποιώντας μεγάλο κομμάτι του φάσματος και υψηλό ρυθμό δεδομένων. Ακόμα δεν παρουσιάζει προβλήματα παρεμβολής με άλλα μήκη κύματος ή άλλους ηλεκτρονικούς μηχανισμούς. Η χρήση της στις τηλεπικοινωνίες μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των ταχυτήτων της ασύρματης μετάδοσης λόγω της δυνατότητας εκπομπής μεγάλου αριθμού παλμών σε μικρό χρονικό διάστημα. Επίσης κατάλληλα UWB σήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου υπάρχει ανάγκη για υψηλή διεισδυτικότητα από εμπόδια. Η χρήση Ultra Wide Band έχει εφαρμογές κυρίως για δίκτυα εσωτερικών χώρων. Το σημαντικότερο πρόβλημα που εγείρεται με τη χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι η περιορισμένη εμβέλεια ασύρματης μετάδοσης που έχει, φτάνοντας μόνο μέχρι τα εννιά μέτρα. Ακόμα, μελέτες έδειξαν πως ο θόρυβος αυξάνεται με την αύξηση των πομπών μετάδοσης, προσθέτοντας ένα επιπλέον εμπόδιο. Ο πιο απλός τρόπος μετάδοσης τέτοιου σήματος είναι η εκπομπή εξαιρετικά σύντομων παλμών. Ο τρόπος με τον οποίο τα μεταδιδόμενα bit διαμορφώνουν αυτούς τους παλμούς ποικίλλει. Οι πρώτες UWB εφαρμογές χρησιμοποιούσαν σχεδόν αποκλειστικά την τεχνική Διαμόρφωσης Θέσης Παλμού (Pulse Position Modulation). Με αυτήν την τεχνική, το κάθε μεταδιδόμενο bit καθορίζει τη θέση του παλμού στο πεδίο του χρόνου. Αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και τεχνικές Διαμόρφωσης Πλάτους Παλμού (Pulse Amplitude Modulation PAM). Ωστόσο, ένα μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου PPM είναι οι μειωμένες απαιτήσεις της σε ισχύ, γιατί μεταδίδονται πολύ σύντομοι παλμοί ακολουθούμενοι από σχετικά μεγάλες περιόδους σιωπής. Η ιδιότητα αυτή, καθιστά τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ισχύος. 8

9 Ασύρματα Οπτικά Δίκτυα Radio over Fiber (RoF) Τα δίκτυα που χαρακτηρίζονται ως ασύρματα οπτικά Radio over Fiber (RoF), είναι αυτά όπου η παροχή και η λήψη δεδομένων, μέχρι και τις κεραίες εκπομπής γίνεται μέσω οπτικών ινών. Η επικοινωνία με το Σταθμό Λήψης του τελικού χρήστη γίνεται μέσω ασύρματης σύνδεσης. Η αρχιτεκτονική των Radio over Fiber (RoF) δικτύων απεικονίζεται στην Εικόνα 1.2. Ασύρματα σήματα μεταφέρονται σε οπτική μορφή (φως) μεταξύ του Κεντρικού Σταθμού (Optical Distribution Center ODC) και μίας ομάδας Σταθμών Εκπομπής (Remote Antenna Unit RAU) πριν τη εκπομπή τους στον αέρα. Κάθε Απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής (Remote Antenna Unit RAU) επικοινωνεί ασύρματα με ένα τουλάχιστο τελικό δέκτη (Radio Terminal RT), ο οποίος λαμβάνει και το εκπεμπόμενο σήμα. Τα Radio over Fiber (RoF) συστήματα έχουν χαμηλή εξασθένιση σήματος χάρη στην χρήση οπτικής ίνας. Είναι γνωστό πως τα σήματα που μεταδίδονται μέσω οπτικής έχουν λιγότερη εξασθένιση, ιδιαίτερα σε σύγκριση με την ασύρματη μετάδοση. Χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες το σήμα μεταφέρεται σε μεγαλύτερη εμβέλεια και με λιγότερη ανάγκη για ενισχυτές. Η απλή αρχιτεκτονική του συστήματος και η το χαμηλό κόστος αυτής και των μηχανημάτων που την απαρτίζουν είναι ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας. Τέλος η ικανότητα μεταφοράς μεγάλης ποσότητας πληροφοριών σε υψηλές ταχύτητες θα είναι σπουδαίος σύμμαχος των τηλεπικοινωνιών για τα χρόνια που ακολουθούν. Εικόνα 1.1 Ταχύτητα και απόσταση μετάδοσης 9

10 Εικόνα 1.2 Αρχιτεκτονική Radio over Fiber δικτύου Ultra Wide Band Radio over Fiber τεχνολογία (UWBRoF) Το κύριο μειονέκτημα που έχει η Ultra Wide Band τεχνολογία είναι η περιορισμένη εμβέλεια εκπομπής του σήματος, μέχρι και εννέα μέτρα. Αυτό το πρόβλημα θέλουμε να ξεπεράσουμε με το συνδυασμό της Ultra Wide Band (UWB) τεχνολογίας και των Radio over Fiber (RoF) συστημάτων. Ο συνδυασμός αυτός επιφέρει τα οφέλη της UWB τεχνολογίας σε μεγάλη γεωγραφική έκταση καθιστώντας δυνατή τη μετάδοση μεγάλου ρυθμού UWB δεδομένων για μεγάλες αποστάσεις, όπως 10 χιλιομέτρων. Το σήμα δημιουργείται στον Κεντρικό Σταθμό (ODC). Μέσω οπτικής ίνας μπορεί να μεταδοθεί στις Απομακρυσμένες Μονάδες Εκπομπής (RAUs) οι οποίες μπορούν να απέχουν χιλιόμετρα από τον Κεντρικό Σταθμό. Οι Μονάδες Εκπομπής θα μεταδώσουν στον αέρα το UWB σήμα το οποίο θα λάβουνε οι δέκτες (RT). Επιπλέον προσφέρει και αυτή χαμηλή κατανάλωση ισχύς γιατί χρησιμοποιεί εξοπλισμό που έχει χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Τα στοιχεία που χρησιμοποιεί για τη μετατροπή από το οπτικό στο UWB πεδίο έχουν χαμηλό κόστος χρήσης. Συνοψίζοντας η Ultra Wide Band Radio over Fiber τεχνολογία επιτυγχάνει μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων τα οποία όμως μπορούν να μεταφερθούν σε 10

11 δέκα χιλιόμετρα και όχι σε δέκα μέτρα, όπως ισχύει με την UWB τεχνολογία, έχοντας τις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις της. Αυτός είναι και ο λόγος του αυξημένου ενδιαφέροντας τα τελευταία χρόνια σε αυτό το συνδυασμό τεχνολογιών. Εικόνα 1.3 Χρήση Ultra Wide Band μετάδοσης σε Radio over Fiber δίκτυο σε εσωτερικούς χώρους Στόχος της εργασίας Σκοπός της εργασίας είναι η υλοποίηση ασύρματου οπτικού δικτύου (Radio over Fiber) για μετάδοση Ultra Wide Band σημάτων σε RF συχνότητα 60GHz. Επιλέξαμε την τεχνολογία Ultra Wide Band Radio over Fiber για τα οφέλη που προσφέρουν αυτές οι τεχνολογίες αλλά και ο συνδυασμός τους όπως παρουσιαστήκανε παραπάνω. Η επιλογή για μετάδοση των σημάτων σε RF συχνότητα 60 GHz έγινε επειδή οι συχνότητες σε αυτό το τμήμα του φάσματος είναι ελεύθερες. Δηλαδή δεν υπάρχουν εκπομπές άλλων σημάτων ώστε να παρουσιαστούν οποιαδήποτε προβλήματα παρεμβολής. Σε αντίθεση με τις χαμηλές συχνότητες όπου σε αυτές εκπέμπουν πάρα πολλά είδη σημάτων όπως τηλέφωνο, ραδιοκύματα, τηλεόραση, μικροκύματα, Radar, Bluetooth και άλλα πολλά. Ένας ακόμα λόγος που στόχος της εργασία είναι η υλοποίηση του δικτύου στα 60 GHz είναι το τεράστιο φάσμα το οποίο είναι διαθέσιμο. Για αυτούς τους λόγους έγινε η επιλογή της Ultra Wide Band Radio over Fiber τεχνολογίας σε RF συχνότητα 60GHz. Ακόμα στην παρούσα εργασία η κωδικοποίηση των δεδομένων γίνεται με Pulse Position Modulation η οποία προτιμάτε στην Ultra Wide Band τεχνολογία για το λόγο που εξηγήθηκε παραπάνω. Δομή της εργασίας Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασία ο αναγνώστης μπορεί να ενημερωθεί για την Ultra Wide Band τεχνολογία μετάδοσης ασύρματων σημάτων και για τα ασύρματα 11

12 οπτικά δίκτυα (Radio over Fiber RoF). Για τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν αυτές οι δύο τεχνολογίες. Να κατανοήσει τι οδηγεί στο συνδυασμό αυτών των τεχνολογιών και τι προσφέρει. Τέλος ποιος είναι ο στόχος της εργασία και της υλοποίησης του Ultra Wide Band Radio over Fiber δίκτυο σε RF συχνότητα 60GHz. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση μιας Radio over Fiber διάταξης που χρησιμοποιεί Ultra Wide Band τεχνικές ασύρματης μετάδοσης όπου τα δεδομένα έχουν υποστεί Pulse Position Modulation. Μελετήθηκαν οι επιπτώσεις που έχει στο σύστημα η χρήση οπτικής ίνας μήκους 0, 5, 10, 15, 20 και 25 χιλιομέτρων, ώστε να διαπιστωθεί η γεωγραφική εμβέλεια του συστήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της διάταξης η οποία εκπέμπει σε RF συχνότητα 60 GHz, αφού πρώτα έγιναν οι απαραίτητες τροποποιήσεις οι οποίες και παρουσιάζονται. Ομοίως με το προηγούμενο κεφάλαιο μελετούνται οι επιπτώσεις που έχει στο σύστημα η χρήση οπτικής ίνας μήκους 0, 5, 10, 15, 20 και 25 χιλιομέτρων, ώστε να διαπιστωθεί η γεωγραφική εμβέλεια του νέου συστήματος. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από αυτή τη μελέτη. 12

13 2. Υλοποίηση Ultra Wide Band (UWB) ζεύξης σε Radio over Fiber (RoF) δίκτυο Εισαγωγή Σκοπός του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση της προσομοίωσης της αρχικής διάταξης που πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού VPI Transmission Maker. Αρχικά θα μελετηθεί η διάταξη πριν τη μετάβασή της σε συχνότητα 60GHz. Σκοπός αυτής της διάταξης είναι η δημιουργία οπτικού σήματος με Pulse Position Modulation κωδικοποίηση στο Κέντρο Διανομής του Οπτικού σήματος Optical Distribution Center (ODC). Μέσο οπτικής ίνας το σήμα θα μεταφέρεται στις Απομακρυσμένες Μονάδες Εκπομπής Remote Antenna Units (RAUs). Από αυτές θα μετατρέπεται σε Ultra Wide Band και θα εκπέμπεται στον αέρα. Θα λαμβάνεται από τους Σταθμούς Λήψης Radio Terminal (RT) και θα υπόκειται την κατάλληλη επεξεργασία ώστε να αντλούν τα δεδομένα. Στην Εικόνα 2.1 παρουσιάζεται η εν λόγω διάταξη. Έχουν διαχωριστεί με ξεχωριστά χρώματα οι τρεις διαφορετικοί σταθμοί της διάταξης. Με κόκκινο περίγραμμα είναι περικυκλωμένο το Κέντρο Διανομής του Οπτικού Σήματος Optical Distribution Center (ODC), με πράσινο η Απομακρυσμήνη Μονάδα Εκπομπής του Σήματος Remote Antenna Unit (RAU) και τέλος με μπλε ο Σταθμός Λήψης του Σήματος Radio Terminal (RT). RT ODC RAU Εικόνα 2.1 Η διάταξη που μελετήθηκε Περιγραφή των στοιχείων της διάταξης Pulse Position Modulator (PPM) 13

14 Εικόνα 2.2 Pulse Position Modulator Το Pulse Position Modulator παράγει ηλεκτρικό σήμα με δεδομένα κωδικοποιημένα με Pulse Position κωδικοποίηση. Η λειτουργία του θα παρουσιαστεί διεξοδικότερα παρακάτω. Στην Εικόνα 2.3 παρουσιάζεται το εσωτερικό του στοιχείου. Εικόνα 2.3 Εσωτερικό του Pulse Position Modulator Παρουσιάζονται τα στοιχεία που απαρτίζουν το Pulse Position Modulator. Pseudo Random Binary Sequence Generator (PRBS) Εικόνα 2.4 PRBS Τo PRBS παράγει μία λογική ψευδοτυχαία ακολουθία δυαδικών δεδομένων Τα δεδομένα μπορούν να είναι μηδενικά και άσσοι, μόνο μηδενικά ή μόνο άσσοι. Η παράμετρος που καθορίζει την παραγόμενη ακολουθία είναι η PRBS_Type. 14

15 Pulse Gaussian Electrical Εικόνα 2.5 Pulse Gaussian Το Pulse Gaussian παράγει ένα ηλεκτρικό Gaussian ή super Gaussian παλμό. NRZ Coder Εικόνα 2.6 NRZ Coder Το NRZ παράγει ένα σήμα κωδικοποιημένο με Non Return to Zero (NRZ) κωδικοποίηση και δέχεται ως είσοδο μια ακολουθία bit η οποία παράγεται από μια PRBS. Multiple Output Connector (Fork_2) Εικόνα 2.7 Fork Το Fork δέχεται ως είσοδο ένα σήμα οποιουδήποτε τύπου και το βγάζει αυτούσιο στις δυο εξόδους του. Δηλαδή, δε διαχωρίζει το σήμα σε δύο συνιστώσες αλλά το αναπαράγει. Inverting Electrical Amplifier with Unity Gain 15

16 Εικόνα 2.8 Inverter Το Inverter αντιστρέφει την ακολουθία bit που δέχεται μετατρέποντας τους άσους σε μηδέν και το αντίστροφο. DC Source Εικόνα 2.9 DC Source Το DC Source παράγει έναν παλμό σταθερού πλάτους. Η τιμή του καθορίζεται από την παράμετρο Amplitude. Add Electrical Signal Εικόνα 2.10 Add Signal Το Add Signal προσθέτει δυο ηλεκτρικά σήματα. Delay Samples Εικόνα 2.11 Delay Samples Το Delay Samples επιβάλλει μια καθυστέρηση σε οπτικό ή ηλεκτρικό σήμα εισόδου. Η καθυστέρηση καθορίζεται από την παράμετρο Delay Time. 16

17 Multiply Electrical Signals Εικόνα 2.12 Multiply Το Multiply πολλαπλασιάζει δύο ηλεκτρικές κυματομορφές μεταξύ τους. Output Έξοδος μίας διάταξης. Εικόνα 2.13 Output Ακολουθεί επεξήγηση των στοιχείων του Optical Distribution Center. Continuous Wave Laser (Laser CW) Εικόνα 2.14 Laser CW Το Laser CW παράγει ένα σήμα σταθερής ισχύος στο χρόνο. Οι βασικές παράμετροι που καθορίζουν τη λειτουργία του είναι η συχνότητα εκπομπής (Emission Frequency) και η μέση ισχύς (Average Power). Pulse Position Modulator (PPM) 17

18 Εικόνα 2.15 Pulse Position Modulator Παράγει ηλεκτρικό σήμα με δεδομένα κωδικοποιημένα με Pulse Position κωδικοποίηση. Modulator Mach Zehnder (Modulator MZ) Εικόνα 2.16 Modulator Mach Zehnder Το Modulator MZ δέχεται ένα οπτικό σήμα από την πάνω είσοδο (πορτοκαλί) και ένα ηλεκτρικό παλμό από την κάτω είσοδο (μπλε). Η έξοδος του είναι ένας διαμορφωμένος οπτικός παλμός. Black Box Amplifier with Wavelength Dependent Gain Εικόνα 2.17 Black Box Το Black Box είναι ένας οπτικός ενισχυτής. Η βασική παράμετρος που καθορίζει τη λειτουργία του είναι το Locked Target όπου καθορίζει την ενίσχυση του σήματος που διέρχεται τον ενισχυτή. Linear Polarizer Ideal 18

19 Εικόνα 2.18 Polarizer Το Polarizer διαμορφώνει τη γραμμική πόλωση μέσω του Device Angle. Nonlinear Dispersive Fiber Εικόνα 2.19 Fiber Η οπτική ίνα μέσα στην οποία μεταφέρεται το σήμα. Το μήκος (lenght) της ίνας, η διασπορά (dispresion) και η εξασθένηση (attenuation) που προσθέτει στο σήμα και το αλλιώνει είναι οι παράμετροι με τις οποίες ασχολείται η παρούσα εργασία. Ακολουθεί η περιγραφή των στοιχείων που απαρτίζουν το Remote Antenna Unit. Attenuator Εικόνα 2.20 Attenuator Ο Attenuator εξασθενεί το σήμα. Η παράμετρος που ρυθμίζει την εξασθένηση είναι η Attenuation και μετριέται σε db. Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της προσπίπτουσας ισχύος στις μετρήσεις BER. Photodiode 19

20 Εικόνα 2.21 Photodiode Η φωτοδίοδος μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό. Filter Electrical Εικόνα 2.22 Filter Electrical Πρόκειται για ένα ηλεκτρικό φίλτρο συχνοτήτων. Ρυθμίζεται ο τρόπος λειτουργίας του, ζωνοπερατό (Band Pass Filter), βαθυπερατό (Low Pass Filter), υψηπερατό (High Pass Filter), αποκοπής ζώνης (Band stop Filter). Στο ζωνοπερατό φίλτρο (Band Pass Filter), ρυθμίζεται η κεντρική συχνότητα (Center Frequency) και το εύρος ζώνης (Bandwidth) ανάλογα με το ποιες συχνότητες είναι επιθυμητό να διαπερνούν το φίλτρο. Στο βαθυπερατό φίλτρο (Low Pass Filter) καθορίζεται το εύρος ζώνης (Bandwidth). Electrical Amplifier Εικόνα 2.23 Amplifier Ο ηλεκτρικός ενισχυτής ενισχύει το σήμα που δέχεται στην είσοδο, προσθέτοντας όμως στο σήμα λευκό θόρυβο. Η ενίσχυση καθορίζεται από την παράμετρο Gain και ο θόρυβος από την παράμετρο Current Noise Spectral. Ακολουθεί η περιγραφή των στοιχείων που απαρτίζουν το Radio Terminal. BER Estimation 20

21 Εικόνα 2.24 BER Estimation Το BER Estimation δέχεται ως είσοδο ένα ηλεκτρικό σήμα και υπολογίζει στην πρώτη έξοδο το ρυθμό εμφάνισης λάθους, στη δεύτερη το παράγοντα Q, στην τρίτη το κατώφλι που χρησιμοποιήθηκε για τους υπολογισμούς και στην τελευταία τον effective παράγοντα Q. Text Visualizer Εικόνα 2.25 Text Visualizer Το Text Visualizer χρησιμοποιείται στην προσομοίωση ώστε να καταγράφονται τα δεδομένα που είναι επιθυμητό να αντληθούν από την προσομοίωση. Time Domain Visualizer (Scope) Εικόνα 2.26 Scope Το Scope αναπαριστάνει ηλεκτρικές και οπτικές κυματομορφές σημάτων στο πεδίο του χρόνου. Μπορεί ακόμα να αναπαραστήσει τη στιγμιαία συχνότητα και φάση της οπτικής κυματομορφής, το διάγραμμα ματιού ηλεκτρικών και οπτικών κυματομορφών. Ground Εικόνα 2.27 Ground 21

22 Το Ground χρησιμοποιείται για να τερματίσει (γειώσει) τις ακάλυπτες θύρες εξόδου οποιουδήποτε στοιχείου. Περιγραφή της λειτουργία της διάταξης Το Pulse Position Modulation παράγει ηλεκτρικούς παλμούς στους οποίους υπάρχουν τα δεδομένα όπου είναι επιθυμητό να μεταδοθούν. Τα δεδομένα κωδικοποιούνται, όπως προσδίδει και η ονομασία, με βάση τη θέση του παλμού στο bit.αυτό επιτυγχάνεται με τον εξής τρόπο. Εικόνα 2.28 Εσωτερικού του Pulse Position Modulator Το κάτω PRBS παράγει τα δεδομένα μας, με Bit Rate 156,25 Mb/s, ενώ το πάνω το οποίο φέρει και την ένδειξη clock μεταδίδει μόνο άσσους λειτουργώντας σαν ρολόι, πάλι με Bit Rate Mb/s. Τα δεδομένα περνάνε από το NRZ μετατρέποντας τα σε τετραγωνικούς παλμούς (Εικόνα 2.29) σε αντίθεση με τους άσσους του ρολογιού που αποκτούν Gaussian μορφή (Εικόνα 2.30). Πιο συγκεκριμένα το Pulse Gaussian είναι ρυθμισμένο να δίνει παλμούς με φασματικό εύρος ημίσειας ισχύος Full Width Half Maximum (FWHM) 17 ps (Εικόνα 2.31). Έτσι υπάρχει στο κέντρο του κάθε bit ένας πολύ μικρός παλμός. 22

23 Εικόνα 2.29 Τετραγωνικοί παλμοί Εικόνα 2.30 Gaussian παλμοί Εικόνα 2.31 Gaussian παλμός Στη συνέχεια και οι δύο παλμοί περνάνε όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2.28 από δύο Fork_2 έχοντας έτσι τέσσερα σήματα, δύο από το κάθε είδος. Από τα δυο σήματα των δεδομένων το ένα περνάει από έναν αντιστροφέα έχοντας έτσι ένα σήμα με τα δεδομένα και ένα με αντίστροφα δεδομένα. Το αντίστροφο σήμα προστίθεται με μια τάση με Amplitude 1 Ampere.Στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται το κάθε σήμα με τα δεδομένα με τους Gaussian παλμούς του ρολογιού. Αποτέλεσμα οι τετραγωνικοί 23

24 παλμοί των δεδομένων να μετατρέπονται σε Gaussian παλμούς FWHM 17 ps οποίοι εμφανίζονται στο κέντρο κάθε bit. Στον ένα κλάδο οι παλμοί αντιπροσωπεύουν τους άσσους ενώ στον άλλο, που έχει περάσει από τον αντιστροφέα, τα μηδενικά. Τέλος ο κλάδος των μηδενικών περνάει από ένα Delay Sample με Delay Time 3,2*10 6 s που είναι η μισή περίοδο του bit. Στη συνέχεια αυτά τα σήματα προστίθενται μεταξύ τους δίνοντας το τελικό σήμα στο οποίο οι άσσοι εμφανίζονται στο κέντρο του bit ενώ τα μηδενικά μετά την καθυστέρηση της μισής περιόδου εμφανίζονται στο τέλος του bit(εικόνα 2.6) δίνοντας μας έτσι Pulse Position Modulation σήμα. Άλλος τρόπος ανάγνωσης των bits είναι ο εξής. Αν μεταξύ δύο παλμών μεσολαβή ένα bit, στην προκειμένη περίπτωση 6,4 ns, τότε δεν υπάρχει αλλαγή στα δεδομένα. Οι παλμοί είναι και οι δύο άσσοι ή και οι δύο μηδέν. Αν έχουν μισό bit διαφορά τότε ο πρώτος παλμός παριστάνει μηδέν ενώ ο δεύτερος άσσο. Τέλος, αν έχουν διαφορά 1,5 bit τότε ο πρώτος είναι άσσος και ο δεύτερος μηδέν. Εικόνα 2.32 Pulse Position Modulation παλμοί Έπειτα το σήμα εξέρχεται από το Pulse Position Modulator και οδηγείτε στο Mach Zehnder Modulator (Εικόνα 2.7). Στην άλλη είσοδο του Mach Zehnder Modulator εισέρχεται το σήμα που παράγει το LaserCW το οποίο έχει EmissionFrequency GHz και Average Power 1 m W. Στην έξοδο, δίνει οπτικό σήμα διαμορφωμένο με τα δεδομένα,έχοντας πλέον τα οφέλη όπου αυτό δίνει. Έπειτα το σήμα ενισχύεται μέσω του Black Box που είναι ρυθμισμένος να δίνει ενίσχυση 27 db. Εικόνα 2.33 Optical Distribution Center 24

25 Το οπτικό σήμα εξέρχεται από το Optical Distribution Center και μέσω της οπτικής ίνας μεταφέρεται στο Remote Antenna Unit. Σε αυτήν την παράγραφο για την περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης καθορίζεται το μήκος της ίνας ίσο με 0 μέτρα ώστε να παραχθούν τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα για την περιγραφή της λειτουργίας. Στην επόμενη παράγραφο εξετάζονται οι επιπτώσεις που έχει η οπτική ίνας στο σήμα. Στην απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής Remote Antenna Unit μετατρέπεται το σήμα από οπτικό (φως) σε ηλεκτρικό περνώντας από την φωτοδίοδο και στη συνέχεια οδηγείτε σε ένα ηλεκτρικό ζωνοπερατό (Band Pass) φίλτρο με Center Frequency 5,5 GHz και Bandwidth 6.75 GHz. Δηλαδή το φίλτρο αφήνει να το διαπεράσουν συχνότητες μεταξύ 2,125 GHz GHz. Αυτό γίνεται για να μετατραπεί το σήμα σε Ultra Wide Band. Αποτέλεσμα αυτό του φιλτραρίσματος είναι η αλλαγή του παλμού από Gaussian (Εικόνα 2.34) σε monocycle (Εικόνα 2.35). Έτσι από FWHM 17 ps παλμό, προκύπτει ένα monocycle με FWHM του πρώτου cycle 33 ps και μήκος ολόκληρου του monocycle περίπου 160 ps. Στην πρακτική εφαρμογή της διάταξης, και όχι όπως στην προκειμένη περίπτωση που πρόκειται για προσομοίωση, το σήμα εκπέμπεται στον αέρα. Αυτός είναι και ο λόγος που τοποθετείται εκεί ο ενισχυτής, ώστε να δυναμώσει το σήμα πριν από την εκπομπή, δίνοντας ενίσχυση 30 db. Όμως επειδή ο ενισχυτής προσθέτει θόρυβο ρυθμίστηκε η παράμετρο Current Noise Spectral ίση με 10e 12 A/Hz 1/2. Το σήμα εκπέμπεται στον αέρα και λαμβάνεται από το Radio Terminal (RT). Εικόνα 2.34 Παλμός μετά τη φωτοδίοδο 25

26 Εικόνα 2.35 Monocycle Εικόνα 2.36 Radio Terminal 26

27 Στο Radio Terminal (Εικόνα 2.36) το PPM σήμα μετατρέπεται σε On Off σήμα. Για να επιτευχθεί αυτό δημιουργείται ένας τετραγωνικός παλμός (Εικόνα 2.37) με Bit Rate 16 φορές μεγαλύτερο του αρχικού σήματος, με αναλογία του μήκους του παλμού προς τη διάρκεια του bit (Pulse Length Ratio) 0,125 και μήκος 50 ps. Τα δύο σήμα πολλαπλασιάζονται για να επιτευχθεί gating. Αποτέλεσμα (Εικόνα 2.38) είναι ένας παλμός με FWHM 31,9 ps. Στη συνέχεια γίνεται downconvertion στο σήμα με τον εαυτό του (self homodyning) και ο παλμός (Εικόνα 2.39) στενεύει έχοντας FWHM 24,4 ps θυμίζοντας ακόμα περισσότερο τον αρχικό παλμό. Να επισημανθεί πως και τώρα υφίσταται Pulse Position Modulation. Στη συνέχεια το σήμα διέρχεται από δύο βαθυπερατά φίλτρα (Low Pass Filters) με Bandwidth 500 MHz και 400MHz. Ο ενισχυτής που παρεμβάλλεται έχει κέρδος 10dB. Εικόνα 2.37 Τετραγωνικός παλμός 27

28 Εικόνα 2.38 Μετά τον πολλαπλασιασμό Εικόνα 2.39 Μετά το self homodyning 28

29 Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να επεξηγηθεί πως με τον όρο gating εννοείται η διαδικασία επιλογής συγκεκριμένων τμημάτων του κύματος ανάμεσα σε συγκεκριμένα διαστήματα. Η επιλογή αυτή γίνεται με τον καθορισμό ενός χρονικού παραθύρου μέσα από το οποίο επιτρέπεται η διέλευση του σήματος ενώ το μέρος εκτός παραθύρου κόβεται. Επίσης με τον όρο self homodyning εννοείται η κλασική ομόδυνη φώραση όπου σαν σήμα μίξης και μετατροπής του RF σήματος σε σήμα βασικής ζώνης χρησιμοποιείται ένα πιστό αντίγραφο του ίδιου του RF σήματος. Αποτελέσματα της προσομοίωσης Σε αυτή την παράγραφο εξετάζονται οι επιδράσεις της οπτικής ίνας στο σήμα. Καθορίζεται η εξασθένηση (Attenuation) του παλμού από την ίνα κατά 0, db/m. Ακόμα καθορίζεται η διασπορά (Dispersion) ίση με s/m 2. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας, μελετήθηκε η επίδρασή της στο σήμα. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της αν το Κέντρο Διανομής Οπτικού Σήματος και η Απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής απέχουν 0, 5, 10, 15, 20 και 25 Km. Μελέτη του παλμού Για αυτές τις αποστάσεις μελετήθηκε η επίδραση της εξασθένισης και της διασποράς στο παλμό. Ως σημείο μέτρησης καθορίστηκε το σημείο πριν την εκπομπή των σημάτων στον αέρα, δηλαδή αμέσως μετά το οπτικό ενισχυτή στο τέλος της Απομακρυσμένης Μονάδας Εκπομπής του σήματος. Στην Εικόνα 2.40 απεικονίζεται ένας παλμός για 0 Km ίνας. Καταγράφηκε το φασματικό εύρος ημίσειας ισχύος (Full Width Half Maximum FWHM) του πρώτου μέρους του cycle όπου απεικονίζεται με μπλε χρώμα στην Εικόνα2.14. Αυτό το κομμάτι του monocycle είναι που μετέπειτα στο δέκτη με την κατάλληλη επεξεργασία μετατρέπετε στον τελικό παλμό. Ακόμα καταγράφηκε το μήκος του monocycle όπου απεικονίζεται με πράσινο χρώμα και τέλος το εύρος ζώνης του σήματος. Όλες αυτές οι μετρήσεις είναι στον Πίνακα

30 FWΗM Μήκος Εικόνα 2.40 Monocycle πριν την εκπομπή στον αέρα Μήκος ίνας FWHM του πρώτου cycle Μήκος του cycle Εύρος Ζώνης Bandwidth 0 Km 33ps 164ps 6,3 GHz 5 Km 34,4ps 172ps 6 GHz 10 Km 38ps 199ps 5,3GHz 15 Km 42ps 215ps 4,4GHz 20 Km 46,4ps 223ps 3,75 GHz 25 Km 50,4ps 239ps 3,45GHz Πίνακας 2.1 Μετρήσεις των παλμών σε διαφορετικά μήκη οπτικής ίνας Μελέτη του Ρυθμού Εμφάνισης Λάθους Bit Error Ratio (BER) 30

31 Πίνακας 2.2 BER vs Received Optical Power Ένα άλλο χαρακτηριστικό που μελετήθηκε είναι ο ρυθμός εμφάνισης λάθους Bit Error Ratio (BER). Μελετήθηκε για τα ίδια μήκη ίνας με πριν, χρησιμοποιώντας το στοιχείο BER Estimation, όπου τον υπολόγιζε, το στοιχείο Text Visualizer το οποίο εμφάνιζε τα αποτελέσματα και το στοιχείο Attenuator με το οποίο ρυθμίστηκε η εξασθένιση του σήματος. Στον Πίνακα 2.2 απεικονίζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Παρατηρώντας τις γραμμές διαπιστώνεται ότι ο ρυθμός εμφανής λάθους αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η απόσταση διάδοσης του σήματος. Ακόμα παρατηρείται πως και η αύξηση κάθε φορά είναι μεγαλύτερη. Τοποθετήθηκαν γραμμές με διαφορετικά χρώματα για περισσότερη έμφαση στις διαφορές αυτές. Ακόμα και με μήκος ίνας 25 Km ο παλμός παραμένει αρκετά ανθεκτικός ώστε να μπορέσει να μεταδοθεί και να μας δώσει τα επιθυμητά αποτελέσματα. Να σημειωθεί πως με τη χρήση μιας DCF ίνας με το κατάλληλο μήκος, μετά την ήδη υπάρχουσα ίνα μπορεί να αυξηθεί το επιθυμητό μήκος και να εξαφανιστούν τις επιπτώσεις της εξασθένησης (Attenuation) και της διασποράς (Dispersion). 31

32 3. Προσομοίωση 60GHz Ultra Wide Band ζεύξης σε Radio over Fiber Δίκτυα. Εισαγωγή Σκοπός του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση της προσομοίωσης της διάταξης Ultra Wide Band δικτύου σε συχνότητα 60GHz. Βασικός πυλώνας της νέας διάταξης είναι η διάταξη που μελετήθηκε στο κεφάλαιο 2 με τις απαραίτητες τροποποιήσεις όπου χρειάστηκαν για την επίτευξη του στόχου. ODC RAU RT Εικόνα 3.1 Η διάταξη που μελετήθηκε για μετάδοση σε συχνότητα 60GHz Αρχικά θα μελετηθούν οι διαφορές ανάμεσα στα δύο συστήματα. Στη συνέχεια σχολιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και της μελέτης που διεξήχθη. Η νέα διάταξη φαίνεται στην Εικόνα 3.1. Θα χρειαστεί η περιγραφή της λειτουργίας μερικών νέων στοιχείων που συναντώνται σε αυτή την προσομοίωση. Το στοιχείο Pulse Position Modulation είναι παρόμοιο με αυτό της διάταξης που εξετάστηκε στο δεύτερο κεφάλαιο. Περιγραφή των νέων στοιχείων της διάταξης Sine Generator (Electrical) Εικόνα 3.2 Sine Generator 32

33 Το Sine Generator παράγει μία ημιτονοειδή κυματομορφή πάνω από σταθερή τάση. Από τις παραμέτρους ρυθμίζεται η συχνότητα (Frequency), η τάση (Bias) και το πλάτος (Amplitude). Optical Filter Εικόνα 3.3 Optical Filter Το Optical Filter είναι ένα οπτικό φίλτρο συχνοτήτων. Ρυθμίζεται ο τρόπος λειτουργίας του, ζωνοπερατό (Band Pass Filter) ή αποκοπής ζώνης (Band stop Filter). Ρυθμίζεται η κεντρική συχνότητα (Center Frequency) και το εύρος ζώνης (Bandwidth) ανάλογα με το ποιες συχνότητες είναι επιθυμητό να διαπερνούν το φίλτρο. Ακόμα καθορίζεται και η συνάρτηση μεταφοράς (Transfer Function) του φίλτρου (Butterworth, Bessel, Chebyshev I, Chebyshev II, Elliptic, Gaussian, Integrator, Trapezoid, Rectangular). Περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης Η κωδικοποίηση του σήματος με Pulse Position γίνεται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο που γινόταν στην προηγούμενη διάταξη στο Pulse Position Modulator. Πρώτη διαφορά που συναντάται είναι η χρήση του Sine Generator. Η σημαντική παράμετρος που καθορίζεται σε αυτό το στοιχείο είναι η συχνότητα (Frequency) η οποία ρυθμίζεται στα 60GHz ο οποίος είναι ο σκοπός της προσομοίωσης. Το σήμα που εξέρχεται από τον Sine Generator (Εικόνα 3.4), προστίθεται με μία τάση 0,45 Volt ώστε να μεταφέρεται στον θετικό άξονα, θυμίζοντας το Pulse Position σήμα (Εικόνα 3.5). 33

34 Εικόνα 3.4 Σήμα από το Sine Generator Εικόνα 3.5 Μετά την πρόσθεση Έπειτα το σήμα οδηγείται σε ένα Multiply όπου πολλαπλασιάζεται με το Pulse Position σήμα. Το αποτέλεσμα φαίνεται στην Εικόνα

35 Εικόνα 3.6 Πολλαπλασιασμός των σημάτων Εικόνα 3.7 Σήμα χωρίς την πρόσθεση με την τάση Αν δεν είχε προστεθεί το σήμα του Sine Generator με την τάση το αποτέλεσμα θα ήταν σήμα περισσότερο ημιτονοειδές που δε θα εξυπηρετούσε το σκοπό της εργασίας (Εικόνα 3.7). Συνεχίζοντας συναντάται άλλη μια διαφορά με την διάταξη του δεύτερου κεφαλαίου. Πριν εισέλθει το σήμα στην είσοδο του Mach Zehnder Modulator, διέρχεται από ένα ηλεκτρικό φίλτρο με Center Frequency 60GHz, Bandwidth 50 GHz και Transfer Function Trapezoid. Σκοπός της προσομοίωσης είναι η εκπομπή Ultra Wide Band σημάτων στα 60 GHz, γι αυτό το λόγο τοποθετήθηκε αυτό το φίλτρο. Ώστε να αποκοπούν οι συχνότητες που δεν χρειάζονται και να αποφευχθεί η άβολη περίπτωση, να γίνει το σήμα, σήμα βασικής ζώνης. 35

36 Ομοίως με την άλλη διάταξη το σήμα εισέρχεται στο Mach Zehnder Modulator και ακολουθεί την ίδια πορεία μέχρι και μετά τον Attenuator. Τα ενδιάμεσα στοιχεία φέρουν τις ίδιες παραμέτρους με αυτές που είχαν στο δεύτερο κεφάλαιο. Έπειτα από τον Attenuator εισέρχεται σε ένα οπτικό ζωνοπερατό φίλτρο (Band Pass Filter). Στην Εικόνα 3.8 απεικονίζεται το οπτικό φάσμα το σήματος πριν την εισαγωγή του στο φίλτρο. Διακρίνονται οι δύο λοβοί που σχηματίζονται. Φτάνοντας το σήμα στη φωτοδίοδο θα μετατραπεί σε ηλεκτρικό. Τα φωτόνια θα προσκρούσουν στην φωτοδίοδο και θα παράγουν ηλεκτρισμό. Αν το σήμα περιέχει και τους δύο λοβούς προσκρούοντας στη φωτοδίοδο, οι λοβοί θα προστεθούν και το σήμα θα έχει φάσμα στα 120 GHz (Εικόνα 3.8), γεγονός που δεν είναι επιθυμητό, δεδομένου ότι η εργασία έχει σκοπό να μελετήσει τη μετάδοση στα 60 GHz. Έτσι χρησιμοποιείται ένα οπτικό ζωνοπερατό φίλτρο (Band Pass Filter) με τα εξής χαρακτηριστικά: Center Frequency 193,135 THz, Bandwidth 70GHz και Transfer Function Trapezoid. Εν τέλει επιτυγχάνεται η καταπίεση του αρνητικού λοβού (Εικόνα 3.9) με αποτέλεσμα το σήμα να έχει το επιθυμητό φάσμα στην έξοδο της φωτοδιόδου. (Εικόνα 3.10). Εικόνα 3.8 Οπτικό φάσμα πριν το οπτικό φίλτρο 36

37 Εικόνα 3.9 Οπτικό φάσμα μετά το οπτικό φίλτρο Εικόνα 3.10 Φάσμα μετά τη φωτοδίοδο 37

38 Εικόνα 3.11 Φάσμα μετά τη φωτοδίοδο χωρίς το οπτικό φίλτρο Η προσομοίωση της διάταξης γίνεται στα 60GHz οπότε κρίνεται απαραίτητη και η προσαρμογή των παραμέτρων του ζωνοπερατού φίλτρου (Band Pass Filter) που έπονται της φωτοδιόδου. Πιο συγκεκριμένα η παράμετρος η οποία αλλάζει είναι η Κεντρική Συχνότητα (Center Frequency) η οποία ρυθμίζεται στα 60GHz, κρατώντας τις υπόλοιπες παραμέτρους ίδιες. Τέλος, όσον αφορά τη Απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής (Remote Antenna Unit), αυξάνεται η ενίσχυση του ενισχυτή στα 50 db ώστε να επιτευχθεί πιο δυνατό σήμα μιας και η εκπομπή γίνεται σε υψηλότερες συχνότητες. Για τον ίδιο λόγο αυξάνεται η ενίσχυση και του επόμενου ενισχυτή στα 50 dβ. Αυτές είναι η διαφορές στα στοιχεία και τη λειτουργία των δύο διατάξεων που εξετάστηκαν. Τα αποτελέσματα θα μελετηθούν στην επόμενη παράγραφο. Αποτελέσματα της προσομοίωσης Στην προηγούμενη παράγραφο παρουσιάστηκε η λειτουργία της διάταξης για μετάδοση σημάτων σε RF συχνότητα 60GHZ. Σε αυτήν θα εξεταστούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με διαφορετικά μήκη ίνας. Μελέτη του παλμού Όπως και στο προηγούμενο κεφάλαιο ο παλμός μελετήθηκε μετά την ενίσχυσή του και πριν την εκπομπή του στον αέρα. Η μετάδοση στα 60GHz όπως είναι λογικό άλλαξε τη μορφή του παλμού (Εικόνα 3.12). Τα χαρακτηριστικά του παλμού που μετρήθηκαν για τις αποστάσεις 0, 5, 10, 15, 20, και 25 χιλιόμετρά είναι το φασματικό εύρος ημίσειας ισχύος (Full Width Half Maximum FWHM) και το μήκος του. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων είναι καταχωρημένα στον πίνακα

39 Εικόνα 3.12 Παλμός μετά τον ενισχυτή Μήκος ίνας FWMH του παλμού Μήκος του παλμού Bandwidth 0 Km 109ps 195ps 6,28 GHz 5 Km 110ps 200ps 6,28 GHz 10 Km 115ps 215ps 6,27 GHz 15 Km 123ps 220ps 6,27 GHz 20 Km 127ps 235ps 6,27 GHz 25 Km 127ps 235ps 6,27 GHz Πίνακας 3.1 Μετρήσεις παλμών σε διαφορετικά μήκη οπτικής ίνας Μελέτη του ρυθμού εμφάνισης λάθους Bit Error Rate (BER) Όπως και στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήθηκε ο ρυθμούς εμφάνισης λάθους Bit Error Rate (BER). Στον Πίνακα 3.2 εμφανίζονται οι γραμμές για τις αποστάσεις των 0, 15 και 20 χιλιομέτρων. Είναι εμφανές πως το σήμα μπορεί να μεταδοθεί χωρίς η αλλοίωσή του να γίνεται αισθητή μέχρι και για 15 χιλιόμετρα οπτική ίνας. Όμως για μήκος ίνας 20 χιλιομέτρων ο ρυθμός μετάδοσης είναι απογοητευτικός. Η καμπύλη των 20 χιλιομέτρων παρουσιάζει error floor. Άρα σε αυτήν τη διάταξη η Απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής δεν μπορεί να απέχει από τον Κεντρικό Σταθμό Διανομής πάνω από 15 χιλιόμετρα. 39

40 Πίνακας 3.2 BER vs Received Optical Power 40

41 4. Συμπεράσματα Σε αυτήν την εργασία μελετήθηκε η Ultra Wide Band μετάδοση σε Radio over Fiber δίκτυα. Αναφέρθηκαν τα πλεονεκτήματα αυτών των τεχνολογιών αλλά και του συνδυασμού τους. Στη συνέχεια μελετήθηκε η δυνατότητα μετάδοσης του σήματος μέσω οπτικής ίνας σε απόσταση μέχρι και 25 χιλιομέτρων. Ακόμα μελετήθηκε η δυνατότητα μετάδοσης του σήματος σε RF συχνότητα 60 GHz και η μέγιστη απόσταση διάδοσής του. Οι μετρήσεις από τις προσομοιώσεις έδειξαν ότι είναι δυνατή η υλοποίηση ενός Radio over Fiber δικτύου που θα μεταδίδει Ultra Wide Band σήματα στο οποίο το Κέντρο Διανομής του Σήματος (Optical Distribution Center ODC) μπορεί να απέχει από την Απομακρυσμένη Μονάδα Εκπομπής του Σήματος (Remote Antenna Unit RAU) ακόμα και 25 χιλιόμετρα. Οι μετρήσεις από την προσομοίωση της υλοποίηση του Radio over Fiber δικτύου που εκπέμπει Ultra Wide Band σήματα σε RF συχνότητα 60 GHz έδειξαν πως, σε αντίθεση με πριν, η απόσταση του Κέντρου Διανομής του Οπτικού Σήματος (Optical Distribution Center ODC) και της Απομακρυσμένης Μονάδας Εκπομπής του Σήματος (Remote Antenna Unit RAU) μπορεί να είναι μέχρι και 15 χιλιόμετρα. Η τοποθέτηση οπτικής ίνας 20 χιλιομέτρων ανάμεσά τους αλλοιώνει το σήμα σε βαθμό που καθιστά την μετάδοση ανέφικτη. Είναι δυνατή η περαιτέρω μελέτη του συστήματος για την εισαγωγή οπτικής ίνας τύπου Dispersion Compensating Fiber (DCF) η οποία αναιρεί τις επιπτώσεις της διασποράς από την προηγούμενη ίνα. Αποτέλεσμα είναι η επιμήκυνση της απόστασης μεταξύ του Κέντρου Διανομής του Οπτικού Σήματος (Optical Distribution Center ODC) και της Απομακρυσμένης Μονάδας Εκπομπής του Σήματος (Remote Antenna Unit RAU) και η βελτίωση της ποιότητα του σήματος. 41

42 Βιβλιογραφία 1. Μαρία Η. Μάρκου, Σοφία Θ. Καϊμακάμη Προσομοίωση οπτικού συμβολομετρικού διακόπτη Mach Zehnder με ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές, Διπλωματική εργασία, Παντελής Νατσιάβας Διαχείριση 60 GHz ασύρματου WDM οπτικού δικτύου μέσω συστήματος πρακτόρων για υποστήριξη handover λειτουργίας αδιάλειπτης επικοινωνίας, Μεταπτυχιακή διατριβή, Δημήτριος Τζένος Μελέτη και υλοποίηση τεχνικής ισοστάθμισης για UWB σύστημα με διαμόρφωση PPM, Μεταπτυχιακή εργασία, Νίκος Πλέρος, Λέκτορας τμήματος Πληροφορικής του ΑΠΘ, Διαφάνειες στο μάθημα 7 ου εξαμήνου Οπτική Μεταγωγή, κατεύθυνσης Δίκτυα Επικοινωνίες Αρχιτεκτονική συστημάτων, A. Kaszubowska Anandarajah, P. Perry, L.P. Barry Hybrid Radio over Fiber System for Generation and Distribution of UWB Signals, A. Kaszubowska Anandarajah, L.P. Barry UWB systembased on Gain Switched Laser wideband 9. uroof.org/introduction.html 42