GENERATION ET TRANSMISSION D`UN SIGNAL RADIO OFDM

GENERATION ET TRANSMISSION D'UN SIGNAL RADIO OFDM 60GHZ
BASEES SUR UN LASER A MODE VERROUILLE A 55 GHZ
Mathieu Huchard (1), Benoit Charbonnier (1), Philippe Chanclou (1), Frederic Van Dijk (2),
François Lelarge (2), Guang-Hua Duan (2), Carmen Gonzalez (2), Monique Thual (3)
1
France Telecom R&D, 2 Av. Pierre Marzin, 22307 Lannion, France.
Alcatel Thales III-V Lab, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
3
CCLO, FOTON, UMR CNRS 6082 ENSSAT, BP 80518, 22305 Lannion, France.
2
[email protected]
RESUME
Une architecture photonique permettant de réaliser la transposition à 60GHz et le
transport sur fibre optique d'un signal radio OFDM WPAN est présentée. Le système
utilise un laser à mode verrouillé à 55GHz pour générer la porteuse radio. Une
transmission à 3.03 Gbps, conforme au pré-standard IEEE 802.15.3c, est démontrée
expérimentalement avec un EVM de 18,5 % correspondant à un TER < 10-6.
MOTS-CLEFS : Radio sur fibre ; Laser à mode verrouillé ; OFDM ; IEEE 802.15.3c.
1. INTRODUCTION
La saturation du spectre des fréquences sous les 10 GHz, alors que la demande pour des
communications sans-fil plus rapides est de plus en plus forte, attire de plus en plus l'attention sur la
bande 57-64GHz pour assurer des transmissions radio multi gigabits. Deux applications pourraient
bénéficier de l'utilisation de cette bande de fréquence millimétrique: les réseaux personnels sans-fil
(Wireless Personal Area Network ou WPAN) [1] et l'accès fixe sans fil (Fix Wireless Access ou
FWA) [2] permettant de relier l'habitation du client au réseau de l'opérateur sur les cent derniers
mètres. Du fait d'une propagation radio à 60GHz qui s'effectue principalement en visée directe, ces
applications impliquent de placer l'antenne déportée, réalisant la connexion avec le réseau, aussi
proche que possible de l'utilisateur. Dans le cas d'un réseau WPAN domestique, le signal doit être
distribué à des antennes situées dans chaque pièce de la maison [3]. Deux fonctions clés restent à
investiguer pour ces applications : la transposition du signal radio à 60GHz, qui reste
imparfaitement résolu par les technologies CMOS, notamment la conception des mélangeurs et des
oscillateurs [4] ainsi que le transport du signal entre le lieu de génération et les antennes déportées
qui peuvent se situer à plusieurs centaines de mètres. Différentes techniques photoniques, basées sur
l'utilisation d'un laser pour la génération du signal millimétrique [5] [6], s'avèrent très prometteuses
pour résoudre conjointement ces aspects à moindre coût.
Dans ce papier, nous mettons en œuvre un prototype de laser à boîtes quantiques à mode verrouillé
à 55GHz (Quantum-Dashed Mode-Locked Laser ou MLL) pour transposer d'un signal radio dans la
bande millimétrique et nous démontrons expérimentalement la transmission de bout en bout d'un
signal OFDM (Orthogonal Frequency Division Muliplexing) conforme à la norme WPAN IEEE
802.15.3c [7] en cours de définition. Ce type de laser offre la possibilité de générer une porteuse
millimétrique directement dans le domaine optique, à 1.57µm, avec un bruit de phase réduit [8].
Ceci comprend la génération du signal radio, la transposition millimétrique, la conversion
optoélectronique, puis la transposition à la fréquence intermédiaire (FI) et la démodulation. La
qualité de la transmission est évaluée en termes de rapport signal sur bruit (SNR) et d'erreur sur
l'amplitude du vecteur de modulation (Error Vector Magnitude ou EVM).
2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Le schéma du dispositif est présenté à la figure 1. Un signal de test OFDM conforme
802.15.3c [7] est créé sous MATLAB®. La FFT s'effectue sur des blocs de 512 points, 336 sont des
sous-porteuses de données modulées en QPSK. L'échantillonnage en bande de base est à 2,59 GS/s
soit un débit brut est de 3,03 Gbit/s pour une bande passante de 1,87 GHz (à l'exclusion des sousporteuses de garde). Le signal est issu d'un générateur de signaux arbitraires 10 GS/s (AWG), est
transposé dans la bande 4.6-6.8 GHz (voir fig.1 bloc (a)) puis délivré par un amplificateur de
puissance (PA) à +15 dBm.
P
(a)
4 GHz
~
-20 dBm
BPF
+15dBm
~
~
~
AWG
(b)
0
PA
(d)
4.0 4.6 6.8
f (GHz)
Back-2-back
4 GHz
BPF
~
~
~
~
~
~
(c)
-40dBm
~
RT
Scope
Prf
+8dBm
55 GHz
MLL
PC
-7dBm
MZM
PD LNA
~
~
~
BPF
Var
Attn
P
EVM
SNR
~
55 GHz
0
-26 dBm
55 59.6 61.8
f (GHz)
P
df=55GHz / dȜ=0.45nm
+8dBm
0
1560 1580
Ȝ (nm)
FIG. 1 : Schéma du dispositif expérimental. (a) Génération du signal OFDM et transposition en FI (b)
Transposition photonique à 60 GHz basé sur un laser MLL à 55GHz. (c) Transposition du millimétrique vers
la FI (d) Transposition en FI et démodulation OFDM.
Le bloc (b) réalise la transposition photonique. Le MLL opère en régime libre, sans
asservissement sur un oscillateur externe, et produit un signal optique pulsé à 55 GHz de puissance
moyenne +8 dBm. Il est modulé, via un Mach-Zehnder (MZM) biaisé en quadrature, par le signal FI
issu du bloc (a). Le signal optique modulé est alors connecté à une photodiode 70 GHz (PD) qui agit
comme filtre passe-bas et produit un signal RF correspondant à l'ordre fondamental du battement
des modes optiques portants la modulation RF. Le résultat est donc la transposition du signal FI
dans la bande millimétrique 59.6-61.8 GHz qui est la somme de la fréquence des impulsions du
MLL et de la FI. La puissance RF obtenue en sortie de la PD est d'environ -40 dBm. Un
amplificateur faible bruit (LNA) permet d'augmenter la puissance à -20 dBm. Le bloc (c) réalise la
transposition de la bande 60 GHz vers la FI. Enfin, le bloc (d) représente le récepteur, le signal FI
est transposé à 1.6 GHz puis échantillonné par un oscilloscope temps réel 20 GS/s. Selon sa
capacité en mémoire et le temps de post-traitement, chaque acquisition est limitée à 20 symboles
OFDM. Pour chacune, SNR et EVM sont mesurés. Le résultat d'EVM obtenu pour chaque
acquisition est moyenné sur l'ensemble des sous-porteuses de données et des symboles OFDM.
3. RESULTATS
La figure 2 présente le spectre RF ainsi que la constellation démodulée obtenue en fin de
transmission du signal. La puissance moyenne du signal et du bruit sont indiquées respectivement
par des lignes horizontales rouges et bleues. La transposition photonique donne un rapport signal /
bruit de 24,5 dB. La bande OFDM présente une ondulation d'environ 5 dB attribuée à la présence
de réflexions dues à des défauts d'adaptation d'impédance entre les composants RF. Cette
ondulation de la bande OFDM est compensée en post-traitement par une égalisation. La
transposition photonique donne un EVM de 18,5% pour 24 dB de SNR. Il est démontré [9] qu'un
EVM inférieur à 23,4% permet d'obtenir un taux d'erreur binaire (TER) inférieur à 10-6. Ceci valide
l'architecture proposée pour une transmission OFDM jusqu'à 3,03 Gbit/s avec un TER de 10-6. La
comparaison avec la mesure en back-to-back montre que pour un SNR comparable, un EVM de
9.56% est obtenu. La dégradation de l'EVM dans le cas de la conversion photonique est attribuée à
la présence de bruit de phase en RF du bruit de phase de la porteuse générée par le laser et peut-être
également aux phénomènes de dispersions d’autant plus forts que le spectre optique généré est large
(> 12 nm). Toutefois, ces résultats expérimentaux devraient se comparer favorablement aux
résultats qui auraient été obtenus par une transposition utilisant des VCO de type CMOS dont le
bruit de phase est l'ordre de -80 à -90 dBc/Hz.
-30
-40
-40
Power in 1 MHz RBW, dBm
Power in 1 MHz RBW, dBm
(a)
-30
-50
-60
-70
-80
-90
0.5
1
1.5
2
Frequency, GHz
2.5
3
(c)
Signal
Zeros
Pilots
1
-70
-80
-90
0.5
0
1
1.5
2
Frequency, GHz
2.5
3
0
-0.5
-1
-1
-1
-0.5
0
Channel I
Signal
Zeros
Pilots
0.5
-0.5
-1.5
-1.5
0.5
1
Channel Q
Channel Q
-60
1.5
1.5
(b)
-50
0.5
1
1.5
(d)
-1.5
-1.5
-1
-0.5
0
Channel I
0.5
1
1.5
FIG. 2 : Spectre RF (a) et constellation démodulée (b) obtenu par la transposition photonique basée sur le
MLL. Spectre RF (c) et constellation démodulée (d) dans le cas du back-to-back de référence à la fréquence
intermédiaire (connexion directe entre les blocs (a) et (d) de la fig.1).
CONCLUSION
Une transmission OFDM à 3.03 GBps avec un EVM de 18,5% a été démontrée avec succès.
La transposition en fréquence millimétrique est réalisée par une architecture photonique basée sur
un laser à boîtes quantiques à mode verrouillé à 55GHz opérant sans verrouillage sur un oscillateur
externe. La performance est limitée par la pureté spectrale de la porteuse millimétrique générée par
le laser MLL, prototype que nous espérons parvenir à améliorer à court terme.
REMERCIEMENTS
Ce travail a été soutenu par la Commission européenne et réalisé dans le cadre du projet
intégré européen IST FP6 IPHOBAC.
RÉFÉRENCES
[1]
“Ieee 802.15 wpan millimeter wave alternative phy task group 3c (tg3c),”
http://www.ieee802.org/15/pub/TG3c.html.
[2]
“Ieee 802.16-2004 ieee standard for local and metropolitan area networks part 16: Air interface for
fixed broadband wireless access systems,” IEEE, Tech. Rep., 2004.
[3]
B. Charbonnier, H. L. Bras, P. Urvoas, Q. N'Guyen, M. Huchard, and A. Pizzinat, “Upcoming
perspectives and future challenges for rof,” 2007.
[4]
C. Doan, S. Emami, D. Sobel, A. Niknejad, and R. Brodersen, “Design considerations for 60 ghz
cmos radios,” Communications Magazine, IEEE, vol. 42, no. 12, pp. 132–140, Dec. 2004.
[5]
C. von Helmolt, U. Kruger, K. Kruger, and G. Grosskopf, “A mobile broad-band communication
system based on mode-locked lasers,” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 45,
no. 8, pp. 1424–1430, 1997, 3.
[6]
A. Stohr and D. Jäger, “Photonic millimeter-wave and terahertz source technologies (invited paper),”
in Microwave Photonics, 2006. MWP '06. International Topical Meeting on, D. Jdger, Ed., 2006, pp. 1–4.
[7]
“Proposal 07/934r1 (2007), ieee 802.15 wpan tg3c,” http://www.ieee802.org/15/pub/TG3c.html.
[8]
F. van Dijk, A. Enard, X. Buet, F. Lelarge, and G.-H. Duan, “Quantum dash mode-locked laser for
millimeter-wave coupled opto-electronic oscillator,” in Microwave Photonics, 2007 IEEE International
Topical Meeting on, 2007, pp. 66–69.
[9]
V. Urick, J. Qiu, and F. Bucholtz, “Wide-band qam-over-fiber using phase modulation and
interferometric demodulation,” Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 16, no. 10, pp. 2374–2376, 2004.