Viime kuussa televiestintälaitteiden valmistaja otti meihin yhteyttä turhauttavan ongelman vuoksi. Heidän äskettäin käyttöön otettu kuituoptisen L-kaistaisen RF-järjestelmän signaalin voimakkuus vaihteli hurjasti taajuuksien välillä, mikä teki koko asennuksesta epäluotettavan. Tutkittuamme niiden asetuksia, löysimme syyllisen: 2,4 dB:n vahvistuksen tasaisuusongelman, jota kukaan ei ollut odottanut suunnitteluvaiheessa.
Monet järjestelmäintegraattorit jättävät edelleen huomiotta RF:n kriittisen näkökohdan kuituoptisten linkkien kautta: väistämättömät vahvistuksen vaihtelut, jotka kerääntyvät signaalien kulkiessa optisen siirtoketjun läpi. Vaikka kaikki keskittyvät kuidun pituuteen ja optiseen tehobudjettiin, laserien, valoilmaisimien ja itse kuidun taajuudesta riippuvainen toiminta heikentää hiljaa järjestelmän suorituskykyä.
Miksi optiset linkit kamppailevat jatkuvan voiton kanssa
Kolme vaihtelun lähdettä
Televiestintäteollisuus on hyväksynyt kuituoptiikan RF-signaalin jakelussa hyvästä syystä. Optinen kuitu aiheuttaa vain 0,3-0,5 dB häviötä kilometriä kohden, mikä on murto-osa kuparikaapeleiden kokemasta. Mutta optinen RF-lähetys sisältää useita muunnosvaiheita, ja jokainen reagoi eri tavalla eri taajuuksiin.
Matka alkaa, kun RF-signaali moduloi laserdiodin lähtöä. Suoraan moduloidut laserit osoittavat "relaksaatiovärähtelyä"-luonnollisen resonanssin, jossa tietyt taajuudet vahvistuvat enemmän kuin toiset. Mittauksemme tyypillisillä 1310 nm DFB-lasereilla paljastavat 3–4 dB:n vastevaihtelut vain 1 GHz:n kaistanleveydellä. Alemmat taajuudet, noin 1 GHz, voivat olla 1,5 dB vahvempia kuin 2 GHz:n signaalit, vaikka syöttöteho pysyisi vakiona.
Kuitu itsessään lisää monimutkaisuutta kromaattisen dispersion ansiosta. Kun intensiteetti{1}}moduloitu signaali kulkee lasikuidun läpi, eri optiset taajuuskomponentit etenevät hieman eri nopeuksilla. Useiden kilometrien jälkeen nämä komponentit saapuvat vaihesuhteilla, jotka joko vahvistavat tai kumoavat toisiaan. Testasimme 10 kilometriä standardia SMF-28-kuitua, jonka kromaattinen dispersio oli 3,5 ps/(nm·km), mikä luo mitattavia RF-tehon vaihteluita - lovia joillain taajuuksilla, huippuja toisilla.
Vastaanottopäässä PIN-valodiodeissa on kaistanleveyden rajoituksia liitoksen kapasitanssin ja kantoaallon siirtoajan vuoksi. Jopa nykyaikaiset laitteet, jotka saavuttavat kymmeniä gigahertsejä kaistanleveyden, osoittavat vastetta, joka heikkenee korkeammilla taajuuksilla. Transimpedanssivahvistin lisää suodatustehosteita.
Kaskadi nämä vaikutukset yhteen-laserin epäsäännöllisyydet, kuitudispersio ja ilmaisimen vaste-ja koko L--kaistajärjestelmä, jota tutkimme, osoitti 2,4 dB:n vahvistuksen vaihtelua 1–2 GHz:llä. Se riittää työntämään tietyt taajuudet määrittelyrajojen ulkopuolelle.
Perinteinen korjaus ja sen ongelmat
Suunnittelijat käyttävät passiivisia taajuuskorjainten-piirejä, jotka ottavat käyttöön taajuudesta-riippuvaisen vaimennuksen epäsäännöllisen vasteen kompensoimiseksi. Jos optisella linkillä on liikaa vahvistusta, lisää vaimennusta; missä se painuu, vähennä vaimennusta.
Perinteisissä malleissa käytetään RLC-verkkoja-vastuksia, induktoreja ja kondensaattoreita, jotka on järjestetty luomaan tiettyjä taajuusvasteen muotoja. Mutta kondensaattorit, erityisesti ne, jotka sopivat gigahertsitaajuuksille, vievät merkittävän piirilevykiinteistön. Kun yritimme integroida taajuuskorjauksen asiakkaan optiseen lähetinmoduuliin, alkuperäinen RLC-suunnittelu vaati 15 mm × 8 mm piirilevyaluetta-lähes neljänneksen käytettävissä olevasta tilasta. Komponenttien sijoittelusta tuli kolmiulotteinen pulma, jossa kondensaattorit kilpailevat tilasta optisen kytkentäoptiikan ja laserohjainpiirien kanssa.
Myös kustannuksilla on väliä. Vaikka vastukset ja induktorit maksavat penniä volyymiltaan,{1}}korkeataajuiset kondensaattorit, joiden toleranssit ovat tiukat, käyttävät useita dollareita kukin. Tuhansien käyttöön ottamien järjestelmien osalta nämä kustannukset kertyvät.
Tiimimme näkemys: Yksinkertaistaminen suorituskyvystä tinkimättä
Kuvion tunnistaminen
Analysoituaan useita optisen linkin taajuusvastekäyriä L--kaistajärjestelmistä, suunnittelutiimimme havaitsi johdonmukaisen kuvion: ongelmalliset vahvistusvaihtelut osoittivat lähes aina matalampia taajuuksia ja ylimääräistä vahvistusta korkeampiin taajuuksiin verrattuna. Tämä kuvastaa lasermodulaation tehokkuuden, kuitudispersion ja valoilmaisimen vasteen palautumisen yhdistettyä fysiikkaa.
Tämä johti avainkysymykseen: entä jos suunnittelisimme taajuuskorjaimet, jotka kohdistuvat nimenomaan tähän ominaiseen jyrkkyyteen käyttämällä yksinkertaisempia piiritopologioita?
Luonnollisen RL-käyttäytymisen hyödyntäminen
Tavallisissa RL-piireissä-vain vastukset ja induktorit, ei kondensaattoreita-sisältää luonnollista ylipäästösuodatusta-. Taajuuden kasvaessa induktiivinen reaktanssi kasvaa suhteessa (XL=2πfL). Siirtotoiminto tarjoaa luonnollisesti vähemmän vaimennusta korkeammilla taajuuksilla ja enemmän matalammilla taajuuksilla-täsmälleen päinvastoin kuin tyypilliset optiset linkit tarvitsevat.
Kehitimme kaksi{0}}vaiheisen RL-arkkitehtuurin, joka hyödyntää tätä toimintaa. Jokainen vaihe koostuu sarjavastuksesta, jota seuraa shunttikela maahan. Ensimmäinen vaihe tarjoaa karkean taajuuskorjauksen, joka käsittelee yleistä alaspäin kallistusta optisessa linkissä. Toinen vaihe lisää hienosäätöä tiettyjen epäsäännöllisyyksien varalta.
L-kaistasovelluksissa komponenttiarvot asettuivat noin 22-33 ohmiin vastuksille ja 3-5 nanohenriin induktanssille. Nämä on helppo toteuttaa käyttämällä tavallisia 0402 tai 0603 pinta-asennuskomponentteja. Täydellinen kaksivaiheinen taajuuskorjain mahtuu noin 6 mm × 4 mm:n levytilaan - 60 % pienempi kuin vastaavat RLC-mallit.
Keysight ADS:ää käyttävillä piirisimulaatioilla ennustettiin, että jokainen vaihe tuottaisi noin 0,9 dB:n taajuuskorjauksen, mikä yhdistää lähes 1,8 dB:n kokonaiskorjauksen. Lisäyshäviö pysyi vaatimattomana, noin 2,5 dB:ssä keskimäärin koko kaistalla-hyväksyttävä{5}}vaihto.
Strateginen sijoitus: miksi molemmilla päillä on merkitystä
Yksi yleinen virhe on käsitellä taajuuskorjausta yhden{0}}pisteen korjauksena. Kokemuksemme mukaan kaksoispää-toteutus tuottaa parempia tuloksia.
Ennakkokompensointi lähettimen sisääntulossa korjaa laser-erityiset ongelmat ennen optista muuntamista. Tasaamalla sähköisen RF-signaalin ennen kuin se moduloi laseria, vastustamme laserin ei--tasaisen modulaation tehokkuutta.
Vastaanottimen ulostulon jälki Kun optinen signaali on muutettu takaisin sähköiseen muotoon, vastaanottimen taajuuskorjain korjaa sekä dispersion -indusoitujen vaihteluiden että valotunnistimen vasteen epäsäännöllisyydet.
Dual{0}}end cascade -strategia jakaa korvaustyökuorman. Sen sijaan, että pakottaisit yhden taajuuskorjaimen korjaamaan kaikki muunnelmat, jokainen käsittelee suunnilleen puolet. L-kaistan optisessa järjestelmässämme lähettimen-puolen taajuuskorjain pienensi vahvistuksen vaihtelua 2,4 dB:stä noin 1,5 dB:iin. Vastaanottimen-puolen taajuuskorjaimen lisääminen laski kokonaisvaihtelun 0,8 dB:iin, mukavasti määritysten puitteissa.
Tämä hajautettu lähestymistapa tarjoaa myös suunnittelun joustavuutta. Erilaisilla optisilla lähetinmoduuleilla on erilaiset modulaatiovasteominaisuudet. Säätämällä vain lähettimen-puolen taajuuskorjainta mukaudumme muunnelmiin suunnittelematta koko järjestelmää uudelleen.
Todelliset-testaustulokset
Testikokoonpano ja perustila
Laboratoriotarkistuksessa käytettiin kaupallisia optisia lähetin-vastaanotinmoduuleja-tavallista 1310 nm:n DFB-laseria, joka on mitoitettu 2,5 GHz:n modulaatiokaistanleveydelle, yhdistettynä 10 kilometriin Corning SMF-28-yksi--muotokuituun. Vastaanottimessa oli tyypillinen PIN-valodiodi (0,8 A/W vaste), jota seurasi transimpedanssivahvistin ja RF-{11}}jälkivahvistus. Kuvasimme koko optisen linkin käyttämällä Agilent E8361A -vektoriverkkoanalysaattoria, joka mittasi S-parametrit 800 MHz:stä 2,2 GHz:iin.
Alkuperäiset mittaukset vahvistivat 2,4 dB:n huippu---vahvistusvaihtelun L--kaistalla. Vaste osoitti suhteellisesti suurempaa vahvistusta noin 1,0-1,2 GHz, laskeen vähitellen kohti 2,0 GHz:n värähtelyä kuitudispersiosta. Erityiset mittaukset: -12,3 dB:n muunnosvahvistus 1,0 GHz:llä vs. -14,7 dB 2,0 GHz:llä, ja dispersion aiheuttama aaltoilu lisää ±0,3 dB vaihtelua.
Tasainen suorituskyky
Valmistimme kaksi{0}}vaihepiirit Rogers RO4003C -laminaattiin käyttämällä tavallisia piirilevyprosesseja, joissa mikroliuskasiirtolinjat säilyttävät 50 ohmin impedanssin. Kukin taajuuskorjain vei noin 6 mm × 4 mm.
Lähettimen-puolen taajuuskorjain vähensi vahvistuksen vaihtelua 2,4 dB:stä 1,5 dB:iin-, mikä on 0,9 dB:n parannus. Vastaanottimen{6}}puolen taajuuskorjaimen lisääminen toi kokonaisparannuksen 1,6 dB:iin. Lopullinen tasausjärjestelmä osoitti 0,8 dB:n huipusta-huippuun{11}}vaihtelua 1-2 GHz:n taajuudella 1,0 dB:n tasaisuusmäärittelyn sisällä. Erityismittaukset: -13,9 dB muunnosvahvistus 1,0 GHz:llä ja -13,5 dB 2,0 GHz:llä, dispersion aaltoilu pienennettynä ±0,2 dB:iin.
Mitattu 1,6 dB:n parannus vastasi tarkasti simulaatiossamme olevaa ennustettamme 1,778 dB-vain 10 %:n virhe. Tämä vahvistaa suunnittelumenetelmän.
Molempien taajuuskorjainten kytkentähäviö oli keskimäärin noin 2,5 dB. Paluuhäviö ylitti -12 dB koko kaistalla, mikä vahvistaa erinomaisen impedanssisovituksen. Ympäristötestaus -20 asteesta +70 asteeseen paljasti alle 0,3 dB:n tasaisuuden vaihtelun, mikä osoittaa, että passiiviset mallit säilyttävät vakaan suorituskyvyn ilman lämpötilaherkkiä aktiivisia komponentteja.
Käytännön toteutusnäkökohdat
Tuotantotodellisuudet
PCB-asettelu osoittautui kriittiseksi. Gigahertsin taajuuksilla jopa millimetrin{1}}jäljen pituudet vaikuttavat suorituskykyyn. Ylläpitimme tiukkaa 50 ohmin mikroliuskageometriaa koko ajan laskemalla jälkileveydet Rogers RO4003C -substraattiparametrien (0,508 mm paksuus) perusteella.
Maatason jatkuvuus ansaitsee erityistä huomiota. Shunttiinduktorit kytkeytyvät maahan, ja mikä tahansa induktanssi kyseisellä maaradalla lisää aiottua kelan arvoa. Käytimme useita ompeleita-yleensä 4-6 pyöreästi järjestettyä läpivientiä- tarjotakseen matalaimpedanssiset maadoitusliitännät.
Alun perin määritimme 0402-kokoisia komponentteja (1,0 mm × 0,5 mm), mutta kokoonpanotiimi ilmoitti suuremmista sijoitusvirheistä. Vaihtaminen 0603-komponentteihin (1,6 mm × 0,8 mm) paransi tuotantosatoa, mutta sähköinen suorituskyky oli mitätön.
Tuotannon vaihtelun käsittely
Tuotannossa lasermoduulit näyttävät vaihtelua laitteista{0}}laitteisiin-. Ratkaisumme sisälsi taajuuskorjaimen suunnittelun, jonka korjausalue on hieman tavallista suurempi-kohdistamalla 2,0 dB:n kapasiteettiin, kun tavallisesti tarvitaan vain 1,8 dB. Tämä tarjoaa marginaalin komponenttien toleranssien ja laitevaihteluiden huomioon ottamiseksi. Testaus 50 lasermoduulilla osoitti, että sama taajuuskorjainrakenne piti kaikki järjestelmät 1,0 dB:n tasaisuusspesifikaatiossa.
Mitä opimme todellisista käyttöönotoista
Laboratoriovalidoinnin lisäksi kenttäasennukset paljastivat käytännön oivalluksia. Yli 18 kuukauden aikana olemme toimittaneet RL-tasauspiirejä noin 200 optiselle lähetin-vastaanotinmoduulille kolmeen asiakasasennukseen.
Hajautetun antennijärjestelmän, joka palvelee suurta urheilustadionia, kuitumatkat olivat 400 metristä lähes 3 kilometriin. Aluksi vaihtelevat kuidun pituudet loivat erilaisia dispersiovaikutuksia, mikä aiheutti epäjohdonmukaista suorituskykyä antennisektorien välillä. Taajuuskorjainten lisääminen standardoitui taajuusvasteeseen, jolloin verkon suunnitteluryhmä voi käsitellä kaikkia sektoreita samalla tavalla. Odottamaton etu: parannettu tasaisuus lyhensi käyttöönottoaikaa noin 30 % poistamalla ohjelmisto-per-kanavakohtaiset tehosäädöt.
15 kilometrin päässä sijaitseva tutka-asennus aiheutti lämpötilahaasteita. Ympäristöolosuhteet vaihtelivat -30 asteen talvilämpötiloista +50 asteen kesälämpötiloihin. Talvella tehdyt kenttämittaukset paljastivat laseraallonpituuden lämpötilapoikkeaman (0,08 nm per celsiusaste) vuorovaikutuksessa kuitudispersion kanssa luoden pieniä taajuusvasteen muutoksia. Ratkaisimme tämän yli-suunnittelemalla taajuuskorjausalueen, joka tarjoaa 2,2 dB:n kapasiteetin, kun laskelmien mukaan 1,9 dB riittäisi.
Valmistusvaaka opetti meille komponenttien toleranssipinot. 100+ yksikön tuottaminen paljasti laajemman suorituskyvyn vaihtelun kuin prototyypit ehdottivat. Tiukensimme komponenttimäärityksiä ±2 % induktoriin ja ±0,5 % vastuksiin, mikä nosti kustannuksia 15 %, mutta varmistimme, että 95 % taajuuskorjaimista putosivat ±0,15 dB:n sisällä tavoitevasteesta verrattuna ±0,35 dB:iin löysemmillä toleransseilla.
Taloustieteen toimiminen
Kaksi{0}}vaiheisen RL-taajuuskorjaimen suorat komponenttikustannukset ovat noin 0,85–1,20 dollaria yksikköä kohden 1000+.. Tämä laskee 0,30 dollariin vastukset, 0,65 dollaria induktorit ja 0,15–0,25 dollaria piirilevyalueen jakamiseen.
Vertaa tätä vastaaviin RLC-malleihin, jotka vaativat kondensaattoreita: kokonaiskustannukset nousevat 2,50-3,50 dollariin RF-luokan kondensaattoreiden (0,80–1,50 dollaria kukin) vuoksi. 1,50–2,00 dollarin hintaero moninkertaistuu tuhansissa yksiköissä. Kun järjestelmäintegraattori rakentaa 5 000 optista lähetin-vastaanotinta vuodessa, kondensaattorien poistaminen säästää 7 500–10 000 dollaria suorissa materiaalikustannuksissa.
Pienempi jalanjälki (noin 24 mm² vs. 40 mm² RLC-vastaavilla) tarkoittaa noin 5-7 % enemmän piirejä paneelia kohden-, mikä vähentää tehokkaasti yksikkökohtaisia korttikustannuksia saman prosentin verran. Asennuskustannukset pienenevät noin 8 %, kun kondensaattorien sijoittelutoimintoja ei poisteta.
Jotkut asiakkaat vastustavat aluksi 2,5 dB:n lisäyshäviön lisäämistä. Parannettu tasaisuus mahdollistaa kuitenkin järjestelmien toiminnan alhaisemmilla keskimääräisillä tehotasoilla säilyttäen samalla signaalin vähimmäisvoimakkuuden kaikilla taajuuksilla. Yksi asiakas pienensi RF-vahvistimen ulostuloa 25 dBm:stä 23 dBm:iin ja paransi yleistä suorituskykyä. 2 dB:n tehonvähennys ylitti 2,5 dB:n lisäyshäviön vahvistimen hyötysuhteen, lämmöntuotannon ja virrankulutuksen osalta. Kenttävikojen määrä laski arviolta 30 % 18 kuukauden käyttöönottotietojen perusteella.
Tärkeimmät takeawayt järjestelmäsuunnittelijoille
Älä oleta, että optiset linkit tarjoavat tasaisen taajuusvasteen. Elektro-optinen ja opto-sähköinen muunnosvaihe tuo taajuusselektiivisyyttä, joka usein ylittää useita desibelejä vaatimattomilla kaistanleveyksillä. Mittaa aina täydellinen linkkivaste suunnittelun validoinnin aikana.
Harkitse tasoitusta suunnittelusyklin varhaisessa vaiheessa sen sijaan, että käsittelet sitä nauha{0}}avustajana. Muutaman neliömillimetrin levytilan ja vaatimattoman linkkibudjetin jakaminen tasaamiseen alusta alkaen maksaa paljon vähemmän kuin jälkisuunnittelu.
Yksinkertaisemmat piirit menestyvät usein tuotantoympäristöissä. RL-topologian kondensaattorien eliminointi vähentää kustannuksia, kokoa ja valmistuksen monimutkaisuutta. Vähemmän komponenttityyppejä tarkoittaa yksinkertaisempaa varastonhallintaa, helpompaa kokoonpanoa ja vähemmän mahdollisia laatuongelmia.
Hajautetut kompensointi-korjaimet sekä lähettimessä että vastaanottimessa-suorittavat yleensä yhden-pisteen korjauksen. Kahden taajuuskorjaimen lisätty monimutkaisuus tuo tulosta paremman yleisen suorituskyvyn ja suuremman suunnittelun joustavuuden ansiosta.
Jätä marginaali tasoitusmalleissa. Komponenttien toleranssit, lämpötilavaihtelut ja laite---erot tarkoittavat todellista-suorituskykyä nimellisarvojen ympärillä. Suunnittelu 2,0 dB:n korjaukselle, kun laskelmien mukaan 1,8 dB antaa hengityksen tilaa estää kenttäongelmat.
Suositellut artikkelit
Täydellinen opas kuituoptiseen liittämiseen
Edullinen-reaaliaikainen-kuituoptinen tunkeutumisen tunnistusjärjestelmä
Kattava analyysi kuituoptisten puskurointiputkien liiallisesta pituudesta