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5ème Séminaire National sur le Laser et ses Applications – UKM Ouargla – 16 et 17 Décembre 2009

pC12 CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DES PERFORMANCES

D’UNE LIAISON WIFI SUR FIBRE MULTIMODE

Hichem CHETTAT1, Lotfy Mokhtar SIMOHAMED1, Anne-Laure BILLABERT2, Ali YALAOUI2 et Catherine ALGANI2

1 LSEO-EMP : B.P. 17-C, Bordj-El-Bahri, 16111 Alger 2 ESYCOM-CNAM : 292, rue Saint Martin, Case 454 – 75141 Paris Cedex 3

E-mail : [email protected]

RÉSUMÉ : Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale rendant compte de la mise en œuvre d’une ligne de transmission WiFi sur fibre optique multimode. Le but de cette expérience est d’évaluer les performances de la liaison numérique en analysant l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM). Une caractérisation initiale de la source (VCSEL), en fonction de la variation de la polarisation et de l’influence des non-linéarités, a été nécessaire au bon fonctionnement de la liaison. Les résultats obtenus ont montré les limites en performances du lien radio sur fibre, en terme de dégradations de l’EVM, selon différents types de modulations OFDM de la norme 802.11g et de plusieurs modulations optiques.

MOTS-CLÉS : radio sur fibre, VCSEL, fibre multimode, WiFi 802.11g, non-linéarités, EVM

1. Introduction Les systèmes hybrides Fibres optiques/Réseaux sans fils présentent une association de propriétés très intéressantes, à savoir : une large bande passante, une mobilité qui est de plus en plus exigée par les abonnés ainsi qu’une grande flexibilité vis-à-vis des standards sans fil [1]. Une des applications, dans ce secteur, concerne les réseaux locaux WiFi [2], où une transmission analogique radio sur fibre (RoF-Radio over Fiber) permet de distribuer le signal RF depuis le site d’un routeur sans fil vers plusieurs antennes distribuées, afin d’obtenir une zone de couverture plus large et de diminuer la puissance du rayonnement conformément aux contraintes imposées dans la norme WiFi sur la puissance RF émise en espace libre [3]. Des études récentes ont montré que les sources VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) combinées avec la fibre optique multimode peuvent présenter un bon compromis coût-performances, pour la mise en œuvre de liaisons RF et microonde-photoniques [4]. Dans le but d’évaluer expérimentalement les performances de ce type de liaisons, nous proposons dans ce travail, la mise en œuvre d’un banc de mesures de leurs performances. Dans la première partie de cet article, une description de l’architecture WiFi sur fibre implémentée est présentée. Ensuite, les résultats des caractérisations statique et dynamique ainsi que le comportement non linéaire de la liaison hybride sont analysés. Enfin dans la dernière partie, les résultats des mesures des performances en EVM (Error Vector Magnitude) pour plusieurs configurations de la modulation directe du VCSEL sont présentés et comparés.

2. Dispositif expérimental La figure 1 présente l’architecture implémentée de la chaine WiFi sur fibre. La manipulation comprend : un routeur WiFi 802.11b/g, deux fibres optiques de type multimode, deux circulateurs microondes aux extrémités afin de séparer les voies montante et descendante ainsi que deux terminaux mobiles équipés de cartes réseaux sans fil.

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CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DES PERFORMANCES D’UNE LIAISON WIFI SUR FIBRE MULTIMODE CHETTAT H. et al – Poster C12

Dans ce système, la fibre optique est vue comme un prolongement du canal radio. Le routeur sans-fil et les terminaux mobiles communiquent entre eux à travers deux liaisons optiques parallèles : le lien descendant transporte le signal RF du routeur WiFi vers l’antenne et le lien montant transporte le signal RF reçu par l’antenne vers le port RF du routeur WiFi.

Figure 1 : Architecture WiFi sur fibre multimode

3. Caractérisations de la liaison optique 3.1. Caractérisations statiques (VCSEL et Photodiode) Les courbes de la figure 2 présentent la puissance optique de sortie du laser (en mW) et le courant photodétecté (en mA) en fonction du courant de polarisation Ipol à l’entrée (en mA). Elles montrent les caractéristiques statiques du VCSEL et le gain statique de la liaison optique. On peut aussi déduire la caractéristique courant détecté/puissance optique incidente de la photodiode sans procéder à une opération supplémentaire de caractérisation.

Figure 2 : Courbe L-I du VCSEL et gain en courant statique de la liaison RoF

On remarque que même au milieu de la caractéristique, qui est supposée linéaire, il y a des non-linéarités qui vont distordre le signal microonde lors de la modulation directe du laser. Au-delà de 8.5 mA, un phénomène de compression du gain commence à apparaître. Ce phénomène résulte de l’échauffement local de la jonction constituant la diode en polarisation à des courants continus élevés pour un VCSEL [5]. La courbe du gain statique de la liaison optique présente la même forme que celle du VCSEL, avec un niveau plus faible en sortie, causé par l’atténuation de la fibre et par la responsivité de la photodiode qui est inférieure à 1mA/mW. À partir de la caractéristique statique du VCSEL (figure 2), on peut déduire la responsivité du laser (figure 3). Nous avons utilisé pour éliminer le bruit numérique, une dérivée lissée, à partir d’un polynôme d’ordre 9, ajustée à la caractéristique L-I mesurée du laser. Sur la figure 3 est présentée l’évolution de la responsivité du VCSEL en fonction du courant de polarisation. La valeur maximale de la responsivité est égale à 0.136 mW/mA pour un courant

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de 5.6 mA. Au-delà de ce courant de polarisation, on remarque une diminution constante de la responsivité qui s’annule puis devient négative à la limite de la saturation du VCSEL, située autour de 14.7 mA.

Figure 3 : Courbe de responsivité du VCSEL

3-2. Caractérisation dynamique Afin d’extraire les caractéristiques dynamiques de la chaine de transmission optique, un banc de mesure a été monté (figure 4). Ce banc est composé d’un VCSEL polarisé par un té de polarisation, d’un câble de fibre optique multimode, d’une photodiode PIN et d’un analyseur vectoriel de réseaux VNA Agilent 8722 ES. Ce dernier a été calibré dans la gamme de fréquences la plus large possible, c’est-à-dire 30 kHz à 6 GHz, avec 200 points de mesures et une puissance RF injectée de -36 dBm.

Figure 4 : Dispositif de caractérisation dynamique de la liaison optique

La figure 5 permet d’observer l’évolution du coefficient de réflexion S11 en entrée du VCSEL et le coefficient de transmission S21 du lien optique. On s’aperçoit que l’adaptation se dégrade lorsque la fréquence augmente. Pour une fréquence de modulation supérieure à 2GHz, l’amplitude du paramètre S11 est supérieure à -8dB. La désadaptation des lignes d’accès empêche alors une mesure précise. De plus, la connexion boîtier/ligne d’accès peut être mise en cause. Le tracé de la caractéristique dynamique permet de repérer la valeur de la fréquence de relaxation du laser, égale à 4 GHz pour un courant de polarisation (Ipol) de 8 mA. À la fréquence de 300 MHz, le gain RF total de la liaison est de -4 dB. L’atténuation du signal est plus importante en hautes fréquences à cause des limites en bande passante du VCSEL et de la fibre multimode.

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Figure 5 : Caractéristiques de transfert (S21) et de réflexion (S11) pour Pe=-36dBm et Ipol=8mA En maintenant le courant de polarisation au-dessus du courant de seuil du laser, une modulation directe en intensité peut être effectuée jusqu’à quelques gigahertz. Au-delà de cette fréquence, un pic de résonance dont la fréquence dépend du point de polarisation (figure 6) est observé. On vérifie que la fréquence de relaxation augmente quand le courant de polarisation croît.

Figure 6 : Gain microonde du lien optique pour les différents courants de polarisation du

VCSEL (Pe=-36 dBm) Les effets des non-linéarités sur le gain de la liaison sont montrés dans la figure 7. En augmentant à chaque fois la puissance injectée via le premier port de l’analyseur VNA, nous remarquons que le gain microonde-photonique du lien optique se dégrade. Le gain du lien est de plus en plus dégradé dans la zone non linéaire.

Figure 7 : Gain RoF pour les différentes puissances RF à l'entrée du VCSEL (Ipol=8ma)

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À partir des différentes mesures effectuées en transmission, nous avons tracé sur la figure 8 les fréquences de coupure à -3dB du VCSEL pour différents courants de polarisation. Nous remarquons que la bande passante croît tant que l’on est dans la zone linéaire du VCSEL, puis se stabilise autour de 4 GHz avant de décroitre dans la zone non linéaire.

Figure 8 : Bande passante de la liaison en fonction du courant de polarisation

3. 3. Caractérisation des non linéarités La mesure de la réponse non linéaire du VCSEL est effectuée en envoyant à l’entrée RF du circuit de polarisation du VCSEL deux sinusoïdes de fréquences f1 = 2412 MHz et f2 = 2437 MHz respectivement. Ces fréquences correspondent à 2 fréquences centrales de canaux adjacents 802.11g. La mesure consiste à relever, grâce à un analyseur de spectre, la puissance du signal RF photodétectée aux fréquences fondamentales f1, f2 ainsi que les puissances des produits d’intermodulations d’ordre 3 (fréquences 2 f1 − f2 = 2387 MHz et 2 f2 − f1 = 2462 MHz) et d’ordres supérieurs m+n (fréquences m*f1 – n*f2 et m*f2 – n*f1). Il est à noter que les deux produits d’intermodulations d’ordre 3 se retrouvent dans la bande de fréquences allouée aux réseaux locaux sans-fils. Une première étape a consisté à étalonner les réponses des 2 générateurs RF, en prenant en compte les pertes d’insertion du combineur RF des deux sinusoïdes et du té de polarisation. Une deuxième étape a consisté à vérifier qu’aucun produit d’intermodulation parasite n’est généré par le dispositif de mesure.

Figure 9 : Caractérisation non linéaire du VCSEL et extraction des points

de compression à 1dB et d’interception d’ordre 3

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On remarque, sur la figure 9, que le point d’interception d’ordre 3 (IP3) est de 5 dBm et le point de compression à 1dB (Pc1dB) en entrée du lien est de -18dBm. Ces paramètres sont déterminants pour l’évaluation des limites en performances de la chaine de transmission radio sur fibre. Les résultats indiquent un gain de liaison plus important dans la zone linéaire, mais aussi un comportement fortement non linéaire au-delà de Pc1dB. 4. Mesure des performances Après les étapes de caractérisations des composants, nous sommes passés à l’étape d'assemblage de la chaine de transmission WiFi sur fibre. Cette étape va nous permettre de mesurer les performances de la chaine de transmission représentée dans la figure 1. La communication est effectuée entre deux PC mobiles à travers un routeur sans fil qui est relié par fibres optiques à son antenne. Afin de mesurer les performances en EVM [6] du lien radio sur fibre, nous avons utilisé l'oscilloscope numérique infinium DSO8100 [7] pour numériser les signaux WiFi à 2.4 GHz en sortie du routeur (figure 10-a) et du lien optique (figure 10-b) et mesurer leurs EVMs respectifs par le logiciel d'analyse vectorielle VSA [8] intégré à l'oscilloscope.

(a) (b)

Figure 10 : Signaux WiFi d’entrée/sortie analysés par l’analyseur vectoriel VSA89600 d’Agilent (EVMe=-30 dB, EVMs=-8 dB)

Pour quantifier la dégradation des performances en EVM due aux non-linéarités dans la liaison, on a fait varier la puissance RF injectée en entrée et le point de polarisation du VCSEL (courant Ipol) pour les différents formats de modulation OFDM utilisés dans la norme 802.11g. Dans chaque cas, on a mesuré l’EVM en sortie de la liaison RoF. Les limites en EVM spécifiées par la norme WiFi en mode OFDM sont définies dans le tableau 1[3].

Tableau 1 : Valeurs maximales d’EVM autorisées et formats de modulation utilisés dans la norme IEEE802.11g

Débit (Mbps) 6 24 36 48 54 Format de Modulation BPSK QAM-16 QAM-16 QAM-64 QAM-64

Limite Maximale d’EVM (dB) -5 -16 -19 -22 -25 À partir des résultats de mesures présentés sur la figure 11, on constate que lorsqu’on augmente la puissance RF d’entrée (Pe) pour les mêmes courants de polarisation du VCSEL, l’EVM est de plus en plus grand, ce qui traduit la dégradation des performances de la liaison.

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(a) (b) (c)

Figure 11 : Résultats des mesures des performances en EVM pour différents formats de modulation numériques avec (a) Pe=-36 dB, (b) Pe=-11dBm et (c) Ipol=8mA, Pe variable.

Dans la zone non linéaire lorsque la puissance du signal RF modulant est au-delà du point de compression à 1 dB (Pc1dB=-18 dBm), le changement du point de polarisation n’a aucun effet sur les performances en EVM. Pour les faibles débits de transmission, et dans la zone linéaire, l’EVM traduit de meilleures performances par rapport aux débits supérieurs. Par contre, dans la zone non linéaire (Pe> Pc1dB), les performances en EVM sont légèrement dégradées par rapport aux débits plus élevés. L’influence de la puissance RF injectée est peu significative pour les performances en EVM dans la zone linéaire de la caractéristique statique (L-I) du VCSEL. 5. Conclusion Des caractérisations statiques et dynamiques d’une liaison WiFi sur fibre ainsi que l’étude de son comportement non linéaire ont été effectuées. Plusieurs schémas de modulations OFDM ont été utilisés afin d’étudier le comportement des diodes lasers VCSEL et identifier leurs limitations dans les applications de type radio sur fibre. Les résultats obtenus nous ont permis de confirmer l’effet néfaste des non-linéarités sur la qualité des signaux numériques de sortie. Celles-ci détériorent considérablement l’EVM pour des puissances d’entrée au-delà de -18 dBm. Les mesures effectuées ont démontré aussi que les performances requises en termes d’EVM ne dépendent pas uniquement des non-linéarités du laser et du courant de polarisation du VCSEL mais aussi du schéma de modulation utilisé. Ainsi, un ajustement correct de ces paramètres est crucial pour la faisabilité d’une liaison hybride fiable.

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Références [1] H. Al-Raweshidy, S. Komaki, "Radio over Fiber Technologies for Mobile Communication Networks", Artech House Universal Personal Communications Series, 2002/03. [2] A. Das, A. Nkansah, N. J. Gomes, I. J. Garcia, and J. C. Batchelor, “Design of low-cost multimode fiber-fed indoor wireless network,”IEEE Transactions On Microwave theory and Techniques, vol. 54, no. 8, pp. 3426-3432, August 2006. [3] IEEE P802.11G-2003, "Part II: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band", April 2003. [4] Christina Carlsson, Anders Larsson, and Arne Alping, "RF Transmission Over Multimode Fibers Using VCSELs–Comparing Standard and High-Bandwidth Multimode Fibers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 22, no. 7, JULY 2004. [5] Joachim Piprek, "Optoelectronic Devices: Advanced Simulation and Analysis", Springer Library, December2003. [6] Agilent Technologies Product Note: "Using Error Vector Magnitude Measurements to Analyze and Troubleshoot Vector-Modulated Signals", Literature number PN 89400-14. [7] Agilent Technologies Application Note: "Agilent Technologies Oscilloscope Fundamentals", Literature number 5989-8064EN. [8] Agilent Technologies Technical Overview: "89600 VSA Software Technical Overview", Literature number 5989-1679EN.

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