Minulý mesiac nás kontaktoval výrobca telekomunikačných zariadení s frustrujúcim problémom. Ich novo nasadený L-pásmový RF cez optický systém vykazoval nepravidelný výkon-sila signálu sa na rôznych frekvenciách veľmi líšila, takže celá inštalácia bola nespoľahlivá. Po preskúmaní ich nastavenia sme objavili vinníka: problém s plochosťou zosilnenia 2,4 dB, ktorý nikto počas fázy návrhu nepredpokladal.
Mnoho systémových integrátorov stále prehliada kritický aspekt RF cez optické vlákna: nevyhnutné variácie zisku, ktoré sa hromadia pri prechode signálov cez optický prenosový reťazec. Zatiaľ čo sa každý zameriava na dĺžku vlákna a rozpočet na optický výkon, frekvenčné-správanie laserov, fotodetektorov a samotného vlákna ticho podkopáva výkon systému.
Prečo optické spoje zápasia s konzistentným ziskom
Tri zdroje variácií
Telekomunikačný priemysel prijal optické vlákna na distribúciu RF signálu z dobrého dôvodu. Optické vlákno predstavuje stratu iba 0,3{2}}0,5 dB na kilometer – zlomok toho, čo zažívajú medené káble. Optický RF prenos však zahŕňa viacero stupňov konverzie a každý z nich reaguje odlišne na rôzne frekvencie.
Cesta začína, keď RF signál moduluje výstup laserovej diódy. Priamo modulované lasery vykazujú „relaxačnú osciláciu“-prirodzenú rezonanciu, pri ktorej sú určité frekvencie zosilnené viac ako iné. Naše merania na typických 1310 nm DFB laseroch odhalili odchýlky odozvy 3-4 dB v šírke pásma len 1 GHz. Nižšie frekvencie okolo 1 GHz sa môžu objaviť o 1,5 dB silnejšie ako signály na 2 GHz, aj keď vstupný výkon zostáva konštantný.
Samotné vlákno dodáva zložitosť prostredníctvom chromatickej disperzie. Keď signál s modulovanou intenzitou- prechádza skleneným vláknom, rôzne zložky optickej frekvencie sa šíria mierne odlišnou rýchlosťou. Po niekoľkých kilometroch tieto komponenty prichádzajú s fázovými vzťahmi, ktoré sa navzájom posilňujú alebo rušia. Testovali sme 10 km štandardného vlákna SMF-28 s chromatickou disperziou 3,5 ps/(nm·km), ktoré vytvára merateľné kolísanie vysokofrekvenčného výkonu – zárezy na niektorých frekvenciách, vrcholy na iných.
Na prijímacom konci majú fotodiódy PIN obmedzenia šírky pásma z kapacity spoja a doby prenosu nosiča. Dokonca aj moderné zariadenia dosahujúce desiatky gigahertzov pásma vykazujú odozvu, ktorá klesá pri vyšších frekvenciách. Transimpedančný zosilňovač pridáva ďalšie filtračné efekty.
Kaskádujte tieto efekty spolu-nepravidelnosti lasera, rozptyl vlákien a odozvu detektora-a kompletný systém L-pásma, ktorý sme skúmali, ukázal odchýlku zisku 2,4 dB v rámci 1-2 GHz. To je dosť na to, aby sa určité frekvencie posunuli mimo hranice špecifikácie.
Tradičná oprava a jej problémy
Inžinieri používajú pasívne ekvalizéry-obvody, ktoré zavádzajú frekvenčne{1}}závislý útlm na kompenzáciu nepravidelnej odozvy. Ak má optický spoj príliš veľký zisk, vložte väčší útlm; tam, kde sa prepadá, znížte útlm.
Konvenčné konštrukcie používajú RLC siete-odpory, induktory a kondenzátory usporiadané tak, aby vytvárali špecifické tvary frekvenčnej odozvy. Kondenzátory, najmä tie, ktoré sú vhodné pre gigahertzové frekvencie, však zaberajú významné plochy dosiek plošných spojov. Keď sme sa pokúšali integrovať ekvalizáciu do modulu optického vysielača klienta, pôvodný návrh RLC vyžadoval 15 mm × 8 mm plochy PCB-takmer štvrtinu dostupného priestoru. Umiestnenie komponentov sa stalo trojrozmernou hádankou, pričom kondenzátory súperili o priestor s optickou väzobnou optikou a obvodmi laserového ovládača.
Rozhodujú aj náklady. Zatiaľ čo rezistory a induktory stoja v objeme centy, vysokofrekvenčné kondenzátory s úzkymi toleranciami stoja niekoľko dolárov. Pri systémoch nasadených tisíckami sa tieto náklady kumulujú.
Prehľad nášho tímu: Zjednodušenie bez obetovania výkonu
Rozpoznanie vzoru
Po analýze viacerých kriviek frekvenčnej odozvy optického spojenia zo systémov L-pásma si náš inžiniersky tím všimol konzistentný vzor: problematické variácie zosilnenia takmer vždy vykazovali nižšie frekvencie s nadmerným ziskom v porovnaní s vyššími frekvenciami. To odráža kombinovanú fyziku účinnosti laserovej modulácie, rozptylu vlákien a odozvy fotodetektora-.
To viedlo ku kľúčovej otázke: čo keby sme navrhli ekvalizéry špecificky zamerané na tento charakteristický sklon pomocou jednoduchších topológií obvodov?
Využívanie prirodzeného RL správania
Štandardné obvody RL-iba odpory a induktory, žiadne kondenzátory-vykazujú prirodzené vysoko{2}}priepustné filtrovanie. So zvyšujúcou sa frekvenciou úmerne rastie indukčná reaktancia (XL=2πfL). Prenosová funkcia prirodzene poskytuje menší útlm pri vyšších frekvenciách a väčší pri nižších frekvenciách-presne opak toho, čo typické optické spojenia potrebujú.
Vyvinuli sme dvojstupňovú{0}}architektúru RL využívajúcu toto správanie. Každý stupeň pozostáva zo sériového odporu, za ktorým nasleduje skratová tlmivka so zemou. Prvý stupeň poskytuje hrubé vyrovnanie, ktoré rieši všeobecný sklon nadol v zisku optického spojenia. Druhá fáza pridáva jemné-doladenie konkrétnych nezrovnalostí.
Pre aplikácie v L-pásme sa hodnoty komponentov ustálili okolo 22-33 ohmov pre odpory a 3-5 nanohenrie pre indukčnosti. Tieto sa jednoducho implementujú pomocou štandardných komponentov 0402 alebo 0603 na povrchovú montáž. Kompletný dvojstupňový ekvalizér sa zmestí do priestoru dosky s rozmermi približne 6 mm × 4 mm, čo je o 60 % menej ako ekvivalentné návrhy RLC.
Simulácie obvodov pomocou Keysight ADS predpovedali, že každý stupeň prispeje približne 0,9 dB ekvalizačným rozsahom, v kombinácii s celkovou korekciou takmer 1,8 dB. Strata vloženia zostala mierna, v priemere okolo 2,5 dB v celom pásme,-prijateľný kompromis-.
Strategické umiestnenie: Prečo záleží na oboch koncoch
Jednou z bežných chýb je, že vyrovnávanie sa považuje za opravu jedného-bodu. Naše skúsenosti naznačujú, že implementácia s dvojitým{2}}koncom prináša lepšie výsledky.
Pred-kompenzácia na vstupe vysielača rieši problémy špecifické pre laser{1} pred optickou konverziou. Vyrovnaním elektrického RF signálu predtým, ako moduluje laser, pôsobíme proti účinnosti laserovej ne-plochej modulácie.
Dodatočná-kompenzácia na výstupe prijímača rieši kombinované účinky šírenia vlákna a fotodetekcie. Potom, čo sa optický signál premení späť na elektrickú formu, ekvalizér prijímača koriguje odchýlky spôsobené rozptylom{2}} a nepravidelnosti odozvy fotodetektora.
Dvojitá-kaskádová stratégia rozdeľuje pracovné zaťaženie odmeňovania. Namiesto toho, aby jeden ekvalizér opravoval všetky variácie, každý zvládne zhruba polovicu. V prípade nášho optického systému v pásme L-zmenšil ekvalizér na strane vysielača-variáciu zisku z 2,4 dB na približne 1,5 dB. Pridaním bočného ekvalizéra-prijímača sa celková odchýlka znížila na 0,8 dB, pohodlne v rámci špecifikácie.
Tento distribuovaný prístup tiež ponúka flexibilitu dizajnu. Rôzne moduly optických vysielačov vykazujú rôzne charakteristiky odozvy modulácie. Nastavením iba ekvalizéra na-strane vysielača sa prispôsobíme variáciám bez toho, aby sme museli prerábať celý systém.
Skutočné{0}}výsledky svetového testovania
Testovacia konfigurácia a základná línia
Laboratórne overenie použilo komerčné optické moduly vysielača a prijímača-štandardný 1310 nm DFB laser s 2,5 GHz modulačnou šírkou pásma, pripojený k 10 km Corning SMF-28 single-vláknu s jedným režimom. Prijímač obsahoval typickú PIN fotodiódu (odozva 0,8 A/W), po ktorej nasledoval transimpedančný zosilňovač a RF postzosilnenie. Kompletné optické spojenie sme charakterizovali pomocou vektorového sieťového analyzátora Agilent E8361A, ktorý meral S-parametre od 800 MHz do 2,2 GHz.
Počiatočné základné merania potvrdili 2,4 dB vrcholové-k{2}}odchýlenie zosilnenia v rámci L-pásma. Odozva vykazovala relatívne vyšší zisk okolo 1,0-1,2 GHz, ktorý sa postupne znižoval smerom k 2,0 GHz s oscilačným zvlnením z rozptylu vlákien. Špecifické merania: -12,3 dB zosilnenie konverzie pri 1,0 GHz oproti -14,7 dB pri 2,0 GHz, s rozptylom vyvolaným zvlnením, ktoré pridáva odchýlku ±0,3 dB.
Vyrovnaný výkon
Dva{0}}stupňové obvody sme vyrobili na lamináte Rogers RO4003C pomocou štandardných procesov PCB, pričom mikropáskové prenosové vedenia si zachovávajú impedanciu 50 ohmov. Každý ekvalizér zaberal približne 6 mm × 4 mm.
Ekvalizér na strane vysielača -zmenšil odchýlky zosilnenia z 2,4 dB na 1,5 dB-, čo je zlepšenie o 0,9 dB. Pridaním bočného ekvalizéra-prijímača sa celkové zlepšenie zvýšilo na 1,6 dB. Finálny ekvalizovaný systém vykazoval 0,8 dB vrchol{10}}k{11}}odchýleniu od vrcholu 1-2 GHz – v rámci špecifikácie plochosti 1,0 dB. Konkrétne merania: -13,9 dB zosilnenie konverzie pri 1,0 GHz a -13,5 dB pri 2,0 GHz, s rozptylovým zvlnením zníženým na ±0,2 dB.
Namerané zlepšenie o 1,6 dB tesne zodpovedalo našej simulačnej predpovedi 1,778 dB-iba 10 % chyba. Toto potvrdzuje metodológiu návrhu.
Útlm z oboch ekvalizérov bol v priemere približne 2,5 dB. Spätná strata presiahla -12 dB v celom pásme, čo potvrdzuje vynikajúce impedančné prispôsobenie. Environmentálne testovanie v rozsahu -20 stupňov až +70 stupňov odhalilo odchýlku plochosti menej ako 0,3 dB, čo dokazuje, že pasívne konštrukcie si zachovávajú stabilný výkon bez aktívnych komponentov citlivých na teplotu.
Úvahy o praktickej implementácii
Výrobné reality
Rozloženie PCB sa ukázalo ako kritické. Pri gigahertzových frekvenciách ovplyvňuje výkon dokonca aj milimetrová-dĺžka stopy. V celom rozsahu sme zachovali prísnu 50-ohmovú geometriu mikropásikov, pričom sme vypočítali šírky stopy na základe parametrov substrátu Rogers RO4003C (hrúbka 0,508 mm).
Kontinuita pozemnej roviny si zaslúži osobitnú pozornosť. Bočné tlmivky sa pripájajú k zemi a akákoľvek indukčnosť v tejto uzemňovacej dráhe sa pridáva k zamýšľanej hodnote tlmivky. Použili sme viacnásobné zošívanie-zvyčajne 4-6 kruhovo usporiadaných prestupov-na zabezpečenie nízkoimpedančných uzemňovacích spojení.
Pôvodne sme špecifikovali komponenty s veľkosťou 0402 (1,0 mm × 0,5 mm), ale montážny tím hlásil vyššiu chybovosť umiestnenia. Prechod na komponenty 0603 (1,6 mm × 0,8 mm) zlepšil výrobný výnos so zanedbateľným vplyvom na elektrický výkon.
Manipulácia s výrobnou variabilitou
Vo výrobe laserové moduly zobrazujú variácie-k{1}}zariadeniu. Naše riešenie zahŕňalo návrh ekvalizéra s o niečo väčším rozsahom korekcie, než je zvyčajne potrebné,-s cieľom dosiahnuť 2,0 dB, keď sa zvyčajne vyžaduje iba 1,8 dB. To poskytuje rezervu na prispôsobenie tolerancií komponentov a variácií zariadenia. Testovanie na 50 laserových moduloch ukázalo, že rovnaký dizajn ekvalizéra zachováva všetky systémy v rámci špecifikácie plochosti 1,0 dB.
Čo sme sa naučili zo skutočného nasadenia
Okrem laboratórnej validácie odhalili inštalácie v teréne praktické poznatky. Počas osemnástich mesiacov sme dodali RL vyrovnávacie obvody pre približne 200 modulov optických transceiverov v troch zákazníckych inštaláciách.
Distribuovaný anténny systém obsluhujúci veľký športový štadión mal dĺžku vlákna od 400 metrov do takmer 3 kilometrov. Spočiatku rôzne dĺžky vlákien vytvorili rôzne disperzné efekty, čo spôsobilo nekonzistentný výkon v rámci anténnych sektorov. Pridanie ekvalizérov štandardizuje frekvenčnú odozvu, čo umožňuje tímu plánovania siete zaobchádzať so všetkými sektormi rovnako. Neočakávaná výhoda: vylepšená rovinnosť skrátila čas uvedenia do prevádzky približne o 30 % odstránením softvérových-nastavení výkonu na-kanál.
Radarová inštalácia vzdialená 15 kilometrov predstavovala teplotné problémy. Podmienky prostredia sa líšili od -30 stupňových zimných teplôt po +50 stupňov letných horúčav. Merania v teréne počas zimy odhalili posun teploty laserovej vlnovej dĺžky (0,08 nm na stupeň Celzia) v interakcii s disperziou vlákien, aby sa vytvorili malé zmeny frekvenčnej odozvy. Vyriešili sme to prehnaným{8}}navrhnutím rozsahu ekvalizácie poskytujúceho kapacitu 2,2 dB, keď výpočty navrhli, že by stačilo 1,9 dB.
Výrobná škála nás naučila tolerančné stohy komponentov. Výroba 100+ jednotiek odhalila širšiu variáciu výkonu, ako navrhovali prototypy. Sprísnili sme špecifikácie komponentov na ± 2 % tlmivky a ± 0,5 % odpory, čím sme zvýšili náklady o 15 %, ale zabezpečili sme, že 95 % ekvalizérov spadá do ±0,15 dB cieľovej odozvy oproti ±0,35 dB s voľnejšími toleranciami.
Aby ekonomika fungovala
Priame náklady na súčiastky pre dvojstupňový RL ekvalizér sú približne 0,85 – 1,20 USD na jednotku v množstve 1000+. To sa rozdelí na 0,30 USD za rezistory, 0,65 USD za induktory a 0,15 – 0,25 USD za pridelenie plochy PCB.
Porovnajte to s ekvivalentnými návrhmi RLC, ktoré vyžadujú kondenzátory: celkové náklady stúpnu na 2,50 USD-3,50 v dôsledku vysokofrekvenčných kondenzátorov (0,80 – 1,50 USD za každý). Rozdiel v nákladoch 1,50 – 2,00 USD sa znásobuje v tisíckach jednotiek. Pre systémového integrátora, ktorý vyrobí 5 000 optických transceiverov ročne, eliminácia kondenzátorov ušetrí 7 500 – 10 000 USD v priamych materiálových nákladoch.
Menšia pôdorysná plocha (približne 24 mm² oproti 40 mm² pre ekvivalenty RLC) znamená približne o 5-7 % viac obvodov na panel-, čím sa efektívne znižujú náklady na jednotku dosky o rovnaké percento. Náklady na montáž sa znížia približne o 8 % v dôsledku eliminácie operácií umiestňovania kondenzátorov.
Niektorí zákazníci sa spočiatku bránia pridania 2,5 dB vložnej straty. Zlepšená rovinnosť však umožňuje systémom pracovať pri nižších priemerných úrovniach výkonu pri zachovaní minimálnej sily signálu na všetkých frekvenciách. Jeden zákazník znížil výstup RF zosilňovača z 25 dBm na 23 dBm, pričom dosiahol lepší celkový výkon. Zníženie výkonu o 2 dB viac ako vyrovnalo stratu vloženia 2,5 dB z hľadiska účinnosti zosilňovača, generovania tepla a spotreby energie. Miera zlyhania v teréne klesla odhadom o 30 % na základe osemnástich mesiacov nasadenia.
Kľúčové poznatky pre systémových dizajnérov
Nepredpokladajte, že optické spojenia poskytujú plochú frekvenčnú odozvu. Elektro-optické a opto{2}}elektrické stupne konverzie zavádzajú frekvenčnú selektivitu často presahujúcu niekoľko decibelov v rámci skromných šírok pásma. Počas overovania návrhu vždy zmerajte úplnú odozvu odkazu.
Zvážte vyrovnanie už na začiatku cyklu návrhu, než aby ste to považovali za náplasť{0}}. Pridelenie niekoľkých štvorcových milimetrov priestoru na doske a skromný rozpočet na prepojenie na vyrovnanie od začiatku stojí oveľa menej ako neskoršie prepracovanie.
V produkčnom prostredí často víťazia jednoduchšie obvody. Eliminácia kondenzátorov v topológii RL znižuje náklady, veľkosť a zložitosť výroby. Menej typov komponentov znamená jednoduchšiu správu zásob, jednoduchšiu montáž a menej potenciálnych problémov s kvalitou.
Distribuované kompenzačné-ekvalizéry vo vysielači aj prijímači-vo všeobecnosti prekonávajú jednobodovú-korekciu. Pridaná zložitosť dvoch ekvalizérov sa vypláca lepším celkovým výkonom a väčšou flexibilitou dizajnu.
V návrhoch ekvalizácie ponechajte okraj. Tolerancie komponentov, kolísanie teploty a rozdiely medzi zariadeniami-k-zariadeniu znamenajú, že výkon v skutočnom svete-rozsahuje nominálne hodnoty. Návrh na korekciu 2,0 dB, keď výpočty naznačujú, že 1,8 dB poskytuje priestor na dýchanie, čím sa predchádza problémom v poli.
Odporúčané články
Kompletný sprievodca spájaním optických vlákien
Nízko{0}}nákladový systém detekcie narušenia perimetra v reálnom čase-v reálnom čase
Komplexná analýza nadmernej dĺžky vyrovnávacích trubíc z optických vlákien