O'tgan oy telekommunikatsiya uskunalari ishlab chiqaruvchisi biz bilan bog'lanib, asabiylashdi. Ularning yangi o'rnatilgan L{1}}tarmoqli RF optik tolali tizimda tartibsiz ishlash-chastotalar bo'ylab keskin o'zgarib turishini ko'rsatib, butun o'rnatishni ishonchsiz qildi. Ularning sozlamalarini o'rganib chiqqanimizdan so'ng, biz aybdorni topdik: dizayn bosqichida hech kim kutmagan 2,4 dB tekislik muammosi.
Ko'pgina tizim integratorlari hali ham optik tolali aloqalar orqali RFning muhim jihatini e'tibordan chetda qoldiradilar: signallar optik uzatish zanjiri bo'ylab harakatlanayotganda to'planadigan muqarrar daromad o'zgarishlari. Hamma asosiy eʼtiborni tola uzunligi va optik quvvat byudjetiga qaratgan boʻlsa-da, lazerlar, fotodetektorlar va tolaning chastotaga-bogʻliq ishlashi tizim ish faoliyatini susaytiradi.
Nima uchun optik aloqalar doimiy daromad bilan kurashmoqda
O'zgaruvchanlikning uchta manbai
Telekommunikatsiya sanoati yaxshi sabablarga ko'ra RF signallarini tarqatish uchun tolali optikani qabul qildi. Optik tolali yo'qotish har bir kilometrga atigi 0,3{2}}0,5 dB yo'qotadi, bu mis kabellar tajribasining bir qismidir. Ammo optik chastotali uzatish bir nechta konvertatsiya bosqichlarini o'z ichiga oladi va ularning har biri turli chastotalarga boshqacha javob beradi.
Sayohat RF signali lazer diyotining chiqishini modulyatsiya qilganda boshlanadi. To'g'ridan-to'g'ri modulyatsiyalangan lazerlar "bo'shashtiruvchi tebranish"-tabiiy rezonansni namoyon qiladi, bunda ma'lum chastotalar boshqalarga qaraganda ko'proq kuchayadi. Odatdagi 1310 nm DFB lazerlaridagi o'lchovlarimiz atigi 1 gigagertsli tarmoqli kengligi bo'ylab 3-4 dB javob o'zgarishlarini aniqlaydi. 1 gigagerts atrofidagi pastroq chastotalar, hatto kirish quvvati doimiy bo'lib qolsa ham, 2 gigagertsli signallarga qaraganda 1,5 dB kuchliroq bo'lishi mumkin.
Elyafning o'zi xromatik dispersiya orqali murakkablikni oshiradi. Shisha tolali{1}}modullangan signal intensivligidan o'tganda, turli optik chastota komponentlari biroz boshqacha tezlikda tarqaladi. Bir necha kilometrdan so'ng, bu komponentlar bir-birini kuchaytiradigan yoki bekor qiladigan faza munosabatlari bilan keladi. Biz 3,5 ps/(nm·km) xromatik dispersiyaga ega 10 km standart SMF{7}}28 tolasini sinovdan o'tkazdik, bu o'lchanadigan chastotali quvvat o'zgarishlarini yaratadi - ba'zi chastotalarda cho'qqilar, boshqalarida esa cho'qqilar.
Qabul qilish oxirida PIN-fotodiodlar ulanish sig'imi va tashuvchining o'tish vaqti bo'yicha tarmoqli kengligi cheklovlarini namoyish etadi. Hatto o'nlab gigagerts o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lgan zamonaviy qurilmalar ham yuqori chastotalarda pasayib ketadigan javobni ko'rsatadi. Transimpedans kuchaytirgichi qo'shimcha filtrlash effektlarini qo'shadi.
Ushbu effektlarni-lazer tartibsizliklari, tolalar dispersiyasi va detektor javobi- bilan birga kaskad qiling va biz ko‘rib chiqqan L-to‘liq diapazonli tizim 1-2 gigagertsli chastotada 2,4 dB daromad o‘zgarishini ko‘rsatdi. Bu ma'lum chastotalarni spetsifikatsiya chegaralaridan tashqariga chiqarish uchun etarli.
An'anaviy tuzatish va uning muammolari
Muhandislar noto'g'ri javobni qoplash uchun-chastotaga bog'liq zaiflashuvni joriy qiluvchi passiv ekvalayzerlardan-foydalanadi. Optik havola juda ko'p daromadga ega bo'lsa, ko'proq zaiflashuvni kiriting; qayerda cho'ksa, zaiflashuvni kamaytiring.
An'anaviy dizaynlarda RLC tarmoqlari-rezistorlar, induktorlar va kondensatorlardan foydalaniladi, bu esa ma'lum chastotali javob shakllarini yaratadi. Ammo kondansatörler, ayniqsa gigagerts chastotalari uchun mos bo'lganlar, elektron plataning ko'chmas mulkini egallaydi. Mijozning optik transmitter moduliga tenglashtirishni integratsiya qilishga uringanimizda, dastlabki RLC dizayni 15 mm × 8 mm PCB maydoni-bo‘sh joyning deyarli chorak qismini talab qildi. Komponentlarni joylashtirish uch o'lchovli boshqotirmaga aylandi, bunda kondansatörler optik ulanish optikasi va lazer drayveri sxemalari bilan bo'sh joy uchun raqobatlashdi.
Xarajat ham muhim. Rezistorlar va induktorlar hajmi bir necha tiyinga tushsa-da, yuqori{1}}chastotali kondansatkichlarning har biri bir necha dollar turadi. Minglab tizimlar uchun bu xarajatlar yig'iladi.
Bizning jamoamiz tushunchasi: samaradorlikni yo'qotmasdan soddalashtirish
Shaklni tan olish
L-diapazonli tizimlarning bir nechta optik bog‘lanish chastotasi javob egri chizig‘ini tahlil qilgandan so‘ng, bizning muhandislik guruhimiz izchil naqshni payqashdi: muammoli o‘sish o‘zgarishlari deyarli har doim past chastotalarni va yuqori chastotalarga nisbatan ortiqcha o‘sishni ko‘rsatdi. Bu lazer modulyatsiyasi samaradorligi, tolaning tarqalishi va fotodetektorning javob qaytarilishi-ning umumiy fizikasini aks ettiradi.
Bu asosiy savolga sabab bo'ldi: agar biz oddiy sxema topologiyalaridan foydalangan holda ushbu xarakterli nishabga qaratilgan ekvalayzerlarni ishlab chiqsak nima bo'ladi?
Tabiiy RL xulq-atvoridan foydalanish
Standart RL sxemalari-faqat rezistorlar va induktorlar, hech qanday kondansatör-tabiiy yuqori{2}}o‘tish filtrini ko‘rsatmaydi. Chastota ortishi bilan induktiv reaktivlik mutanosib ravishda oshadi (XL=2pfL). Oʻtkazish funksiyasi tabiiy ravishda yuqori chastotalarda kamroq pasayishni taʼminlaydi va quyi chastotalarda koʻproq-aynan teskari optik aloqalarni taʼminlaydi.
Biz ushbu xatti-harakatlardan foydalangan holda ikki bosqichli RL arxitekturasini ishlab chiqdik. Har bir bosqich ketma-ket rezistordan iborat bo'lib, undan keyin erga o'tkazgich induktori kiradi. Birinchi bosqich optik bog'lanishning umumiy pastga egilishiga qaratilgan qo'pol tenglashtirishni ta'minlaydi. Ikkinchi bosqichda muayyan qoidabuzarliklar uchun-sozlash qo'shiladi.
L-bandli ilovalar uchun komponent qiymatlari rezistorlar uchun 22{6}}33 ohm va indüktanslar uchun 3-5 nanoenriya atrofida oʻrnatildi. Ular standart 0402 yoki 0603 sirt o'rnatish komponentlari yordamida osongina amalga oshiriladi. To'liq ikki bosqichli ekvalayzer taxminan 6 mm × 4 mm taxta maydoniga mos keladi - ekvivalent RLC dizaynlaridan 60% kichikroq.
Keysight ADS-dan foydalangan holda elektron simulyatsiyalar har bir bosqich taxminan 0,9 dB tenglashtirish diapazoniga hissa qo'shishini bashorat qildi, bu taxminan 1,8 dB umumiy tuzatishni birlashtiradi. Qo'shish yo'qotilishi o'rtacha diapazon bo'ylab o'rtacha 2,5 dB bo'lib qoldi-qabul qilinadigan savdo-.
Strategik joylashtirish: Nima uchun ikkala tomon ham muhim
Keng tarqalgan xatolardan biri tenglashtirishni bitta nuqta tuzatish sifatida ko'rib chiqishdir. Bizning tajribamiz shuni ko'rsatadiki, ikki tomonlama{2}}olish yaxshi natijalar beradi.
Transmitter kirishidagi oldingi kompensatsiya-optik konvertatsiya qilishdan oldingi lazerga xos muammolarni hal qiladi. Lazerni modulyatsiya qilishdan oldin elektr chastotasi signalini tenglashtirish orqali biz lazerning tekis bo'lmagan modulyatsiya samaradorligiga qarshi turamiz.
Qabul qiluvchining chiqishidagi post-kompensatsiya tolaning tarqalishi va fotodeteksiyaning kombinatsiyalangan effektlarini hal qiladi. Optik signal elektr shakliga qaytgandan so'ng, qabul qiluvchi ekvalayzer dispersiyadan kelib chiqqan-variatsiyalar va fotodetektor javobidagi nosimmetrikliklar uchun tuzatadi.
Ikkilik{0}}kaskad strategiyasi kompensatsiya ish yukini taqsimlaydi. Barcha o'zgarishlarni tuzatish uchun bitta ekvalayzerni majburlash o'rniga, har biri taxminan yarmini boshqaradi. L-diapazonli optik tizimimiz uchun transmitter{4}}yondagi ekvalayzer daromad o‘zgarishini 2,4 dB dan taxminan 1,5 dB gacha pasaytirdi. Qabul qiluvchining yon tomonidagi ekvalayzer{8}}qo‘shilishi umumiy o‘zgarishlarni 0,8 dB ga tushirdi, bu spetsifikatsiya doirasida qulay.
Ushbu taqsimlangan yondashuv dizayn moslashuvchanligini ham taklif qiladi. Turli xil optik transmitter modullari turli xil modulyatsiya javob xususiyatlarini namoyish etadi. Faqat transmitterning{2}}yonidagi ekvalayzerni sozlash orqali biz butun tizimni qayta loyihalashtirmasdan oʻzgarishlarga moslashamiz.
Haqiqiy-Jahon sinovi natijalari
Sinov konfiguratsiyasi va asosiy
Laboratoriya tekshiruvida 2,5 gigagertsli modulyatsiya o‘tkazish qobiliyatiga ega bo‘lgan, -standart 1310 nm DFB lazeri bo‘lgan, 10 kilometr uzunlikdagi Corning SMF-28 ta{8}}bir rejimli tolaga ulangan tijorat optik qabul qiluvchi modullari ishlatilgan. Qabul qilgich odatdagi PIN-fotodiodni (0,8 A/Vt sezgirligi), undan keyin transimpedans kuchaytirgichi va RF post{11}}kuchaytiruvchisini o'z ichiga olgan. Biz 800 MGts dan 2,2 GGts gacha S-parametrlarini o'lchaydigan Agilent E8361A vektor tarmoq analizatori yordamida to'liq optik aloqani tavsifladik.
Dastlabki bazaviy oʻlchovlar L-diapazon boʻylab 2,4 dB choʻqqi{1}}to-choʻqqi oʻzgarishini tasdiqladi. Javob 1,0-1,2 gigagerts atrofida nisbatan yuqori daromadni ko‘rsatdi, tolalar dispersiyasidan kelib chiqadigan tebranish to‘lqini bilan asta-sekin 2,0 gigagertsgacha pasaydi. Maxsus o'lchovlar: 1,0 gigagertsli chastotada -12,3 dB konversiya kuchayishi, 2,0 gigagertsli chastotada -14,7 dB, dispersiyadan kelib chiqadigan to'lqinlanish ±0,3 dB o'zgarishlarni qo'shib.
Tenglashtirilgan samaradorlik
Biz Rogers RO4003C laminatida standart PCB jarayonlaridan foydalangan holda, 50 ohm impedansga ega mikrotasma uzatish liniyalari bilan -bosqichli ikkita sxema ishlab chiqdik. Har bir ekvalayzer taxminan 6 mm × 4 mm ni egalladi.
Transmitter{0}}yonidagi ekvalayzer daromad oʻzgarishini 2,4 dB dan 1,5 dB ga tushirdi-va 0,9 dB yaxshilandi. Qabul qiluvchining yon tomonidagi ekvalayzer-qo‘shilishi umumiy yaxshilanishni 1,6 dB ga yetkazdi. Yakuniy tenglashtirilgan tizim 1,0 dB tekislik spetsifikatsiyasi doirasida 1-2 gigagertsli chastotada 0,8 dB cho‘qqi{10}}cho‘qqigacha-o‘zgarishni ko‘rsatdi. Maxsus o'lchovlar: 1,0 gigagertsli chastotada -13,9 dB konversiyaning kuchayishi va 2,0 gigagertsli chastotada -13,5 dB, dispersiya to'lqini ± 0,2 dB gacha kamayadi.
1,6 dB o'lchangan yaxshilanish bizning 1,778 dB-bizning 10% xatolik haqidagi simulyatsiya bashoratimizga to'g'ri keldi. Bu dizayn metodologiyasini tasdiqlaydi.
Ikkala ekvalayzerdan qo'shish yo'qolishi o'rtacha 2,5 dB ni tashkil etdi. Qaytish yo'qotilishi butun diapazon bo'ylab -12 dB dan oshdi, bu esa impedansning mukammal mos kelishini tasdiqlaydi. -20 darajadan +70 darajagacha bo'lgan atrof-muhit sinovi 0,3 dB dan kam tekislik o'zgarishini aniqladi, bu passiv dizaynlar haroratga sezgir faol komponentlarsiz barqaror ishlashni ta'minlaydi.
Amaliy amalga oshirish masalalari
Ishlab chiqarish haqiqatlari
PCB tartibi juda muhim bo'ldi. Gigagerts chastotalarida hatto millimetr{1}}oʻlchov uzunligi ham ishlashga taʼsir qiladi. Biz Rogers RO4003C substrat parametrlari (qalinligi 0,508 mm) asosida iz kengliklarini hisoblab, 50 ohm mikrotasmali geometriyani qat'iy saqladik.
Er tekisligining uzluksizligi alohida e'tiborga loyiqdir. Shunt induktorlari erga ulanadi va bu yer yo'lidagi har qanday indüktans mo'ljallangan induktor qiymatiga qo'shiladi. Past empedansli tuproqli ulanishlarni ta'minlash uchun-odatda dumaloq tarzda joylashtirilgan 4-6 kanaldan-bir nechta tikuv yordamida foydalandik.
Biz dastlab 0402 o'lchamli komponentlarni (1,0 mm × 0,5 mm) ko'rsatdik, ammo montaj guruhi yuqoriroq joylashtirish nuqsonlari haqida xabar berdi. 0603 komponentlariga (1,6 mm × 0,8 mm) o'tish elektr samaradorligining ahamiyatsiz ta'siri bilan ishlab chiqarish rentabelligini oshirdi.
Ishlab chiqarishning o'zgaruvchanligini boshqarish
Ishlab chiqarishda lazer modullari qurilmadan{0}}qurilmaga{1}}o‘zgarishini ko‘rsatadi. Bizning yechimimiz odatda kerak bo'lganidan bir oz ko'proq tuzatish diapazoniga ega ekvalayzerni loyihalashni o'z ichiga oladi-odatda atigi 1,8 dB talab qilinganda 2,0 dB quvvatga mo'ljallangan. Bu komponent tolerantliklari va qurilma o'zgarishlariga mos keladigan chegarani ta'minlaydi. 50 ta lazer modullari bo'yicha sinov bir xil ekvalayzer dizayni barcha tizimlarni 1,0 dB tekislik spetsifikatsiyasida saqlaganligini ko'rsatdi.
Haqiqiy joylashtirishdan nimani o'rgandik
Laboratoriya tekshiruvidan tashqari, dala qurilmalari amaliy tushunchalarni ham ochib berdi. O'n sakkiz oy davomida biz uchta mijoz o'rnatish bo'ylab taxminan 200 ta optik qabul qiluvchi modul uchun RL tenglashtirish sxemalarini yetkazib berdik.
Katta sport stadioniga xizmat ko'rsatadigan taqsimlangan antenna tizimi 400 metrdan qariyb 3 kilometrgacha bo'lgan tolali uzatmalarga ega edi. Dastlab, turli xil uzunlikdagi tolalar turli xil dispersiya effektlarini yaratib, antenna sektorlarida nomuvofiq ishlashga olib keldi. Standartlashtirilgan chastotali javobni ekvalayzerlarni qo'shish, tarmoqni rejalashtirish guruhiga barcha sektorlarga teng munosabatda bo'lish imkonini beradi. Kutilmagan afzallik: yaxshilangan tekislik, har bir kanalga asoslangan{7}}dasturiy ta'minot{6}} quvvat sozlamalarini bekor qilish orqali ishga tushirish vaqtini taxminan 30% ga qisqartirdi.
15 kilometr uzoqlikdagi radar qurilmasi harorat bilan bog'liq qiyinchiliklarni keltirib chiqardi. Atrof-muhit sharoitlari qishki haroratning -30 darajadan yozgi issiqligining +50 darajagacha o‘zgarib turardi. Qish mavsumida dala o'lchovlari lazer to'lqin uzunligi haroratining siljishi (Tselsiy bo'yicha 0,08 nm) tolalar dispersiyasi bilan o'zaro ta'sir qilishda kichik chastotali javob o'zgarishlarini yuzaga keltirdi. Hisob-kitoblar 1,9 dB yetarli bo‘lganida, biz{8}}2,2 dB quvvatni ta’minlovchi tenglashtirish diapazonini loyihalash orqali buni hal qildik.
Ishlab chiqarish miqyosi bizga komponentlarga bardoshlik to'g'risida o'rgatdi. 100+ ta birlik ishlab chiqarish tavsiya etilgan prototiplarga qaraganda kengroq samaradorlikni aniqladi. Biz komponentlar spetsifikatsiyalarini ±2% induktorlar va ±0,5% rezistorlar bilan kuchaytirdik, xarajatlarni 15% ga oshirdik, ammo ekvalayzerlarning 95% maqsadli javobdan ±0,15 dB ga tushishini ta'minladik, aksincha bo'shashtirilgan bardoshlik bilan ± 0,35 dB.
Iqtisodiyotning ishlashi
Ikki bosqichli RL ekvalayzerining to'g'ridan-to'g'ri komponent narxi 1000+. miqdorida bir birlik uchun taxminan 0,85-1,20 dollarni tashkil qiladi, bu rezistorlar uchun $0,30, induktorlar uchun $0,65 va PCB maydonini taqsimlash uchun $0,15-0,25 gacha bo'ladi.
Buni kondansatkichlarni talab qiladigan ekvivalent RLC konstruksiyalari bilan solishtiring: umumiy xarajatlar RF darajasidagi kondansatkichlar (har biri $0,80-1,50) tufayli 2,50$-3,50$ gacha ko'tariladi. 1,50-2,00 dollarlik farq minglab birliklarga ko'payadi. Har yili 5000 ta optik qabul qiluvchilarni quradigan tizim integratori uchun kondansatörlarni yo'q qilish to'g'ridan-to'g'ri moddiy xarajatlarda 7500-10 000 dollarni tejaydi.
Kichikroq maydon (RLC ekvivalentlari uchun taxminan 24 mm² va 40 mm²) har bir panel uchun taxminan 5{3}}7% ko'proq sxema-bir birlik plata narxini bir xil foizga samarali kamaytiradi. Kondensatorni joylashtirish operatsiyalarini bartaraf etishdan yig'ish xarajatlari taxminan 8% ga kamayadi.
Ba'zi mijozlar dastlab 2,5 dB kiritish yo'qotilishini qo'shishga qarshi turishadi. Biroq, takomillashtirilgan tekislik tizimlarga barcha chastotalarda minimal signal kuchini saqlab, pastroq o'rtacha quvvat darajasida ishlashga imkon beradi. Bitta mijoz RF kuchaytirgich chiqishini 25 dBm dan 23 dBm gacha kamaytirdi va shu bilan birga yaxshi umumiy ishlashga erishdi. 2 dB quvvatning pasayishi kuchaytirgich samaradorligi, issiqlik ishlab chiqarish va quvvat iste'moli nuqtai nazaridan 2,5 dB kiritish yo'qotilishini qoplaydi. O'n sakkiz oylik joylashtirish ma'lumotlariga ko'ra, daladagi nosozliklar darajasi taxminan 30% ga kamaydi.
Tizim dizaynerlari uchun asosiy tavsiyalar
Optik havolalar tekis chastotali javob beradi deb o'ylamang. Elektro{1}}optik va opto{2}}elektr konvertatsiya bosqichlari chastota selektivligini, odatda, oddiy tarmoqli kengligida bir necha desibeldan oshib ketadi. Dizaynni tekshirish paytida har doim to'liq havola javobini o'lchang.
Dizayn siklining boshida tenglashtirishni oʻylab koʻring, uni tarmoqli{0}}yordam sifatida koʻrib chiqing. Bir necha kvadrat millimetr taxta maydoni va oddiy bog'lanish byudjetini boshidan tenglashtirish uchun ajratish, keyinchalik qayta loyihalashdan ancha kam xarajat qiladi.
Oddiy sxemalar ko'pincha ishlab chiqarish muhitida g'alaba qozonadi. RL topologiyasining kondensatorlarni yo'q qilish narxini, hajmini va ishlab chiqarish murakkabligini pasaytiradi. Komponentlarning kamroq turlari inventarizatsiyani boshqarishning soddaligini, yig'ishni osonlashtiradi va sifat bilan bog'liq muammolarni kamaytiradi.
Uzatuvchi va qabul qiluvchidagi taqsimlangan kompensatsiya-ekvalayzerlari-odatda bitta nuqtali tuzatishdan ustun turadi. Ikki ekvalayzerning qo'shimcha murakkabligi yaxshi umumiy ishlash va katta dizayn moslashuvchanligi orqali dividendlar to'laydi.
Tenglashtiruvchi dizaynlarda chetni qoldiring. Komponentlarning tolerantliklari, harorat oʻzgarishi va qurilmaning{1}}qurilmaga{2}}tafovutlari nominal qiymatlar atrofida haqiqiy -umumdorlikning tarqalishini bildiradi. Hisob-kitoblar 1,8 dB ni taklif qilganda 2,0 dB tuzatish uchun loyihalash nafas olish xonasini maydon muammolarini oldini oladi.
Tavsiya etilgan maqolalar
Optik tolali ulanish bo'yicha to'liq qo'llanma
Kam{0}}xarajatli real vaqt-tolali optik perimetri bosqinlarni aniqlash tizimi
Optik tolali tamponlama quvurlaridagi ortiqcha uzunlikning keng qamrovli tahlili