MODULADOR FM PARA SISTEMAS DE CATV UTILIZANDO

Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 1, No. 2, April 1998.
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MODULADOR FM PARA SISTEMAS DE CATV UTILIZANDO MULTIPLEXAÇÃO
POR SUBPORTADORA (SCM)
José Carlos Sartori e Murilo A. Romero
Departamento de Engenharia Elétrica
Escola de Engenharia de São Carlos
Universidade de São Paulo
Avenida Dr. Carlos Botelho 1465 - São Carlos - SP - 13560
RESUMO
Neste trabalho investiga-se o desenvolvimento de um modulador para sistemas de TV
à cabo (CATV), empregando multiplexação por subportadora (SCM). Optou-se pela
utilização de modulação FM analógica, através do uso de um ressoador dielétrico acoplado à
um capacitor variável (“varactor”). Os resultados obtidos indicam que esta tecnologia pode
proporcionar uma solução inovadora, de baixo custo, para o projeto de sistemas ópticos
empregando SCM.
ABSTRACT
In this work the development of a modulator for CATV systems using subcarrier
multiplexing (SCM) is investigated. The technique selected was analog FM modulation,
accomplished by the use of a dielectric resonator coupled to a variable capacitor (varactor).
Preliminar results indicate that this technology can provide a cost-effective solution for the
design of optical systems employing SCM.
1. INTRODUÇÃO
Dada a alta frequência da portadora óptica, a largura de banda de um sistema de
comunicações ópticas poderia, em princípio, exceder 1 THz. Na prática, tais sistemas estão
restritos à taxas máximas em torno de 10 Gb/s devido à dispersão e, principalmente,
limitações de velocidade dos componentes optoeletrônicos (lasers, moduladores externos,
fotodetetores etc ...) utilizados na transmissão e recepção do sinal de informação.
A alternativa é o uso de múltiplos canais na mesma fibra, possibilitando uma melhor
utilização da enorme capacidade dos sistemas ópticos. Este trabalho é, portanto, a
continuação natural de publicação
anterior, a qual descreve o desenvolvimento e
implementação de um sistema para transmissão de sinais de áudio e vídeo (correspondendo a
um canal de TV) por fibra óptica, utilizando modulação analógica em FM, na frequência de 70
Mhz [1].
O objetivo final é expandir o sistema já desenvolvido, para a transmissão de múltiplos
canais, utilizando a técnica de multiplexação por sub-portadora (SCM) [2], ilustrada na
figura 1. Neste caso, as subportadoras de microondas (canal 1, canal 2, ..., canal N) são
moduladas analógica ou digitalmente. O sinal elétrico composto, obtido na saída do
combinador de microondas, é então usado para modular diretamente a portadora óptica
produzida pelo diodo laser.
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Canal 1
Canal 2
•
•
•
Receptor de
Diodo Laser
Fibra Óptica
Fotodetetor
Microondas
Canal N
Combinador de
Microondas
Fig. 1. Sistema de comunicações ópticas utilizando a técnica de multiplexação por
subportadora (SCM).
Consistente com a filosofia de baixos custos, optou-se pela manutenção da modulação
analógica em FM, com as subportadoras ocupando a faixa de 3,7 - 4,2 Ghz (iniciando em 3,72
Ghz e espaçadas de 40 Mhz entre si). A razão principal é a possibilidade de utilizar-se
receptores comerciais de microondas, disponíveis para sistemas domésticos de recepção de
sinais de satélite, o que reduz consideravelmente o custo total do sistema SCM. Por exemplo,
um LNB ("low-noise block”), composto por um amplificador com temperatura equivalente de
ruído de 25 K, um misturador e um oscilador local pode ser adquirido por menos que R$
100,00, mesma faixa de preço de um receptor de sinais de satélite, incluindo um seletor de 12
canais para a faixa 950-1450 Mhz. Adicionalmente, ampliação da capacidade do sistema para
60 canais pode ser atingida com relativa simplicidade [3].
A partir da discussão acima torna-se claro que as dificuldades de projeto concentramse no transmissor. Em particular, a aplicação em questão requer o desenvolvimento de
moduladores FM altamente estáveis, nos quais variações na frequência de oscilação ocorram
somente em resposta ao sinal de informação em banda básica, minimizando o ruído. Esta
estabilização em frequência involve geralmente a utilização de sofisticadas técnicas de
realimentação [4].
Este artigo aborda outra alternativa, de mais simples implementação. Utiliza-se um
oscilador estabilizado à ressoador dielétrico (RD), o qual é acoplado à um capacitor variável
(varactor), responsável por fornecer o desvio em frequência necessário para a modulação FM.
Na próxima seção, apresenta-se uma revisão das vantagens e problemas dos sistemas
utilizando SCM. Em seguida, discute-se a viabilidade teórica da configuração proposta acima,
empregando RDs. Finalmente, resultados experimentais são apresentados.
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2. SISTEMAS ÓPTICOS EMPREGANDO A TÉCNICA DE MULTIPLEXAÇÃO POR
SUB-PORTADORA - A RELAÇÃO PORTADORA-RUÍDO
A principal motivação para o desenvolvimento de tais sistemas consiste na
disponibilidade, a nível comercial, de lasers e fotodetetores apresentando largura de banda em
torno de 10 Ghz (banda K, na nomenclatura de engenharia de microondas). Existe, portanto,
largura de banda disponível para a transmissão de múltiplos canais, os quais podem ser
combinados e utilizados para modular conjuntamente uma única fonte óptica (Fig. 1). Além
disso, se mais de um comprimento de onda é utilizado (cada um deles transportando múltiplos
sub-canais), um sistema altamente flexível SCM/WDM (Wavelength Division Multiplexing) é
obtido.
Seja, então, Λ o número total de comprimentos de onda disponíveis enquanto o
número de sub-canais por comprimento de onda é dado por M. Resulta que o número total de
canais N = Λ M cada qual caracterizado por um comprimento de onda óptico λi e frequência
de microondas fi. Vale ressaltar que, nos casos em que o transmissor e/ou receptor são
sintonizáveis, assegura-se a possibilidade do estabelecimento de uma rede óptica com
capacidade de multi-acesso [5].
A principal desvantagem da técnica de SCM advém do fato que a faixa dinâmica dos
diodos lasers é finita. Decorre que a adição algébrica de M sinais de microondas em
frequências distintas impõe, a fim de que uma severa distorção por intermodulação seja
1
da potência de pico do laser.
evitada, que a potência de cada canal, seja menor do que
M
Respeitada esta condição, a potência óptica do sinal recebido é descrita por:
M


P(t) = Po1 + ∑ mi cos(ω i t + φ i )
 i =1

onde mi é o índice de modulação de cada subportadora.
Na literatura sobre CATV tornou-se comum utilizar-se a relação portadora-ruído
(CNR) em lugar da usual relação sinal-ruído (SNR). Para sistemas digitais empregando
modulação FSK, uma taxa de erro de bits (BER) de 10-9 traduz-se numa CNR de 15.6 dB.
Em sistemas analógicos a avaliação de qualidade é mais complexa, devido a subjetividade
envolvida na questão de qualidade. Todavia, padrões normalmente aceitos [6] para
modulação AM envolvem uma CNR de 56 dB. Sistemas FM, por sua vez, são mais robustos a
ruído. Para tais sistemas, uma CNR de 17 dB (SNR de 41 dB) é capaz de fornecer um sinal de
vídeo com “qualidade de estúdio”.
A proposta deste trabalho consiste então no desenvolvimento de um modulador FM
para distribuição de sinais analógicos de CATV. A principal objeção para utilização desta
técnica de modulação, qual seja, a maior largura de banda requerida, é cada vez menos
importante, devido ao advento de técnicas de par-trançado do tipo x-DSL, redes híbridas
fibra-coaxial (HFC), e principalmente, à disseminação de fibras ópticas em redes FTTC (“Fiber
to the Curb”) e FTTH (“Fiber-to-the-Home”) [7]. Finalmente, deve ser ressaltado que, embora
o chamado “digital-video” seja cada vez mais comum, técnicas analógicas certamente irão
coexistir por longo tempo. Além disso, a tecnologia de multiplexação por subportadora é
capaz de lidar tanto com sinais analógicos quanto digitais [3].
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3. DISCUSSÃO TEÓRICA
Na configuração proposta, o sinal de informação é superposto à tensão de polarização
de um varactor, alterando a capacitância deste. Essencialmente, deseja-se modificar a condição
de ressonância de um oscilador à ressoador dielétrico, de tal maneira que a sua frequência de
oscilação acompanhe o sinal de vídeo, produzindo uma portadora modulada em frequência.
Esta seção apresenta os principais fundamentos teóricos pertinentes à configuração de
interesse. A derivação completa pode ser encontrada em Castro [8].
Um ressoador dielétrico colocado junto a uma microlinha de transmissão conectada à
uma fonte de RF, acopla-se à linha por meio das suas linhas de campo magnético, num
fenômeno análogo ao efeito de indutância mútua existente em transformadores.
Fig. 2. (a) Ressoador dielétrico acoplado à duas linhas de transmissão de microfita (b)
Circuito equivalente (c) Circuito equivalente com gerador e carga transferidos para a malha
central (d) Configuração empregando o varactor como impedância de carga.
A figura 2a ilustra a configuração a ser discutida, onde o RD está acoplado a duas
linhas de impedâncias características Z01 e Z02, respectivamente. A linha de entrada é conectada
a um gerador de impedância Zge, enquanto a linha de saída é terminada com uma carga Zc. No
circuito equivalente da figura 2b o ressoador é representado por um circuito ressonante
paralelo e os mecanismos de acoplamento por transformadores ideais, possuindo n1 e n2
espiras, respectivamente. Os parâmetros β1 e β2 são os coeficientes de acoplamento das linhas
de entrada e de saída com o ressoador [8]. De acordo com a definição de Ginzton [9], estes
coeficientes são dados pela razão entre a resistência acoplada do sistema ressoador-linha de
transmissão e as resistências externas ao mesmo. Portanto, examinando-se o circuito da figura
2c, têm-se:
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β1 =
Rr
β2 =
2
n1 Z g
41
Rr
2
n2 Z c
É possível então obter a matriz de espalhamento do sistema, a qual, na condição de
ressonância, é dada por [8]:
[



S]=



β1 − β2 − 1
1 + β1 + β2
2 β1 β2
1 + β1 + β2
2 β1 β2 

1 + β1 + β2 

β2 − β1 − 1 

1 + β1 + β2 
Torna-se claro agora que a topologia da figura 2d é adequada para produzir
modulação FM de um oscilador à ressoador dielétrico. A utilização de um elemento de
reatância variável como impedância de carga permite a variação de β2 e, consequentemente,
S11. Portanto, a condição de ressonância e frequência de oscilação do sistema serão função do
sinal de informação aplicado à este elemento de reatância variável, em nosso caso, um
varactor.
4. REALIZAÇÃO EXPERIMENTAL
Na etapa seguinte, buscou-se verificar experimentalmente a variação de S11 postulada
acima e a viabilidade da obtenção do desvio de frequência necessário para modulação FM de
alta qualidade, da ordem de 7,8 Mhz para uma Relação Portadora-Ruído de aproximadamente
16 dB [4], conforme mencionado na seção 2. Foram realizados dois experimentos. No
primeiro utilizou-se uma montagem semelhante da figura 2d, empregando uma caixa de latão
duas linhas de microfita, com o ressoador dielétrico colocado entre elas. Como carga de saída
utilizou-se um circuito no qual um varactor era reversamente polarizado de 0 a 25 volts. O
conjunto foi caracterizado por um analisador de redes HP 8720C.
Os ressoadores foram fabricados pela Trans-Tech, possuindo frequência natural de
oscilação em 3,68Ghz. A montagem foi caracterizada por um analisador de redes HP 8720C e
os resultados estão sumarizados na tabela 1 . Este experimento verifica a variação de S11 e da
impedância de entrada do sistema como função da tensão aplicada. Vale ressaltar que trata-se
de um arranjo não otimizado, produzindo um desvio de apenas 4,4Mhz. Demonstra-se a
seguir que desvios de frequência significativamente maiores podem ser obtidos.
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Tabela 1. Valores de S11 (módulo e fase), impedância de entrada normalizada e
frequência de ressonância do conjunto ressoador dielétrico - linhas de transmissão como
função da tensão aplicada.
Tensão
(Volts)
0
5
10
15
20
25
0,16
0,16
0,18
0,19
0,19
0,18
∠-138,04°
∠-141,12°
∠-147,97°
∠162,82°
∠-177,87°
∠-166,67°
R + jX
0,77-j0,17
0,76-j0,16
0,73-j0,14
0,69-j0,08
0,68-j0,01
0,70-j0,06
Frequência
(GHz)
3,7188
3,7192
3,7200
3,7216
3,7232
3,7232
S11
Desvio de
Frequência (MHz)
Tensão (Volts)
Fig. 3. Variação da freqüência de oscilação do LNB em função da tensão aplicada sobre o
varactor.
No segundo experimento investigou-se a linearidade de um oscilador à RD, modulado por
sinal de áudio e vídeo. Neste experimento uma pequena placa contendo um varactor e uma
aleta met·lica foi adaptada ao oscilador local de um LNB. Posicionou-se a aleta bem próxima
e paralelamente ao RD, de tal forma a alterar a condição de oscilação do circuito quando um
sinal de video é aplicado ao varactor. A figura 3 mostra o o desvio de frequência obtido, em
função da tensão aplicada ao oscilador. Constata-se uma excelente linearidade até
aproximadamente 13 volts, tensão que fornece o desvio de 8Mhz desejado.
5. TOPOLOGIA DO OSCILADOR
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Demonstrada a viabilidade da modulação FM de osciladores à RD, com adequado
desvio de frequência e boa linearidade, a etapa final consistirá na construção do oscilador
propriamente dito. Essencialmente, a topologia selecionada utiliza um FET como elemento
ativo, sendo a ressonância controlada por um ressoador dielétrico colocado na porta. A
condição de oscilação é garantida por realimentação série na porta. Ressalte-se que, na
implementação do sistema SCM (Fig. 1), a sintonia das subportadoras de microondas será
obtida através de pistões móveis, que controlem o "gap” de ar acima do ressoador e, por
consequência, sua frequência de ressonância [10].
6. CONCLUSÕES
Foi investigado o desenvolvimento de um modulador FM, baseado em um oscilador à
RD acoplado à um varactor. Os resultados obtidos são encorajadores, demonstrando desvio de
frequência adequado para transmissão de sinais de vídeo de alta qualidade e excelente
linearidade. Espera-se que esta tecnologia proporcione uma solução inovadora, de baixo
custo, para o projeto de sistemas ópticos multiplexados por subportadora (SCM).
7. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao Prof. M.M. Mosso (CETUC/PUC-Rio) pela
cessão dos ressoadores utilizados nos experimentos e ao CNPq e CAPES, pelo suporte
financeiro à realização deste trabalho.
8. REFERÊNCIAS
[1] - Sérgio Cruzes e José Carlos Sartori, “Transmissão de Sinal de Vídeo por Fibra Óptica
Utilizando Modulação em Frequência”, Anais do VI Simpósio Brasileiro de Microondas e
Optoeletrônica, Belém, pp. 66-71, Julho 1994.
[2] - R. Olshansky, V.A. Lanzisera e P.M. Hill, "Subcarrier Multiplexed Lightwave Systems
for Broad-Band Distribution”, Journal of Lightwave Technology, pp. 1329-1342, 1989.
[3] - R. Olshansky e V. Lanzisera, "60 Channel FM Video Subcarrier Multiplexed
Communications Systems”, Electronic Letters, pp. 1196-1197, 1987.
[4] - S. Haykin, "Communication Systems” , John Wiley & Sons, segunda edição, 1983.
[5] - M.M. Choy, F.K. Tong e T. Odubanjo, “An FSK Subcarrier/Wavelength Network”,
Conference on Lasers and Electrooptics, CLEO’91.
[6] - W.I. Way, “Subcarrier Multiplexed Lightwave System Design Consideration for
Subscriber Loop Applications”, Journal of Lightwave Technology, pp. 1806-1818, 1989.
[7] - B.G. Lee, M. Kang e J. Lee, “Broadband Telecommunications Technology” , Artech
House, segunda edição, 1996.
Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 1, No. 2, May 1998.
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[8] - P.J. de Castro, “Ressoadores Dielétricos e sua Aplicação em Osciladores de
Microondas”, Tese de Doutorado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, 1989.
[9] - L.G. Ginzton, “Microwave Measurements”, MacGraw-Hill, New York, 1957.
[10] - P.A. Brandão, M.A. Romero, L.F.M. Conrado e A. Podcameni, "Filtro Passa-Faixa em
900 Mhz Usando Ressoadores Dielétricos", Anais do III Simpósio Brasileiro de Microondas,
Natal, pp. 323-327, Julho 1988.