Phase-Hit Immunity MEthos for High Speed

7/27/2019 Phase-Hit Immunity MEthos for High Speed

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P h a s e - h i t I m m u n i t y M e t h o d s f o r H i g h S p e e d C o m m u n i c a t i o n S y s t e m sY o u m i n g Q i n , F r a n k M a t s u m o t o , D a v i d P h a m , a n d C h a c k o E a s a w

H a r r i s S t r a t e x N e t w o r k s I n c .1 2 0 R o s e O r c h a r d W a y , S a n J o s e , C a l i f o r n i a 9 5 1 3 4 , USA

E m a i l : oc o mA b s t r a c t P h a s e - h i t s c a n c a u s e b u r s t e r r o r a n d

s y n c h r o n i z a t i o n p r o b l e m s i n h ig h s p e ed c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s .The r o o t c a u s e o f p h a s e - h i t s r e s u l t s f r o m t h e m a t e r i a l ' s t h e r m a le x p a n s i o n m i s m a t c h . T h e C o e f f i c i e n t o f T h e r m a l E x p a n s i o n( C T E ) i s a n i m p o r t a n t m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c t o c o n s i d e r . Tor e d u c e t h e CT E e f f e c t , a n o v e n - c o n t r o l l e d s y n t h e s i z e r i sp r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . By a d d i n g a P r o po r t io n al l y C o nt r o l l e dH e a t e r o n t o t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e , t h e t e m p e r a t u r e v a ri at i on o ft h e s y n t h e s i z e r m o d u l e i s r e d u c e d b y w a r m i n g up t h e m o d u l eo n l y a t c o l d t e m p e r a t u r e s . S i n c e p h a s e - h i t s u s u a l l y h a p p e nd u r i n g t h e t e m p e r a t u r e t r a n s i t i o n f r o m room t o c o l d , t h i s m e t h o di s e s p e c i a l l y a t t r a c t i v e when t h e a v a i l a b l e DC power s u p p l y i sl i m i t e d . I t i s a l s o e m p h a s i z e d i n t h i s p a p e r t h a t a c l e a n PCBa s s e m b l y p r o c e s s , h i g h q u a l i t y c a p a c i t o r s a n d o t h e r t e c h n i q u e s ,s u c h a s a PCB c u t - o u t u n d e r t h e VCO, a r e a l s o e s s e n t i a l f o rp h a s e - h i t i m m u n i t y . T e s t r e s u l t s s h o w t h a t b y a p p l y i n g t h em e t h o d s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r , t h e p h a s e - h i t p r o b l e m c a n b ew e l l c o n t r o l l e d .I n d e x T e r m s P h a s e j i t t e r , p h a s e n o i s e , p h a s e l o c k e do s c i l l a t o r s , v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r , q u a d r at u r e a m p l i tu d em o d u l a t i o n , d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n .

I . I N T R O D U C T I O NH i g h s p e e d d i g i t a l w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n s y s t e m s , s u c h a sp o i n t - t o - p o i n t , p o i n t - t o - m u l t i p o i n t , a n d l o c a l m u l t i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e s , u s u a l l y e m p l o y s o p h i s t i c a t e d m o d u l a t i o ns c h e m e s f r o m QPSK ( Q u a d r a t u r e P h a s e S h i f t K e y i n g ) t o 1 2 8QAM ( Q u a d r a t u r e A m p l i t u d e M o d u l a t i o n ) t o i n c r e a s e t h e

s y s t e m s p e c t r a l e f f i c i e n c y , i . e . b i t / s / H z . T h e s e m o d u l a t i o n su t i l i z e a s t a b l e , l o w p h a s e n o i s e f r e q u e n c y s o u r c e t om a n i p u l a t e t h e d i g i t a l d a t a i n t h e m a n n e r o f p h a s e a n dm a g n i t u d e v a r i a t i o n s w i t h a s c h e d u l e d s e q u e n c e . I f t h e p h a s eo f t h e f r e q u e n c y s o u r c e i s d i s t u r b e d b y a n u n e x p e c t e d e v e n t ,w r o n g i n f o r m a t i o n c o u l d b e g e n e r a t e d a n d t h e c o m m u n i c a t i o nm e d i u m c o u l d b e i n t e r r u p t e d . I f t h e p h a s e o f t h e f r e q u e n c ys o u r c e c h a n g e s a b r u p t l y d u e t o e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s a n d i n t e r r u p t s t h e c o m m u n i c a t i o n , t h e n a p h a s e -h i t o c c u r s .A p h a s e - h i t u s u a l l y h a p p e n s d u r i n g t e m p e r a t u r e t r a n s i t i o n sd u e t o t h e c o m p o n e n t p h y s i c a l c h a n g e s o r m o v e m e n t s i n s i d et h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , i n m o s t c a s e s , i n s i d e t h e l o c a lo s c i l l a t o r ( L O ) m o d u l e . C o n t e m p o r a r y d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n

s y s t e m s u s u a l l y e m p l o y a p h a s e l o c k e d o s c i l l a t o r o r as y n t h e s i z e r . O n c e l o c k e d , t h e o u t p u t o f t h e o s c i l l a t o r p r o d u c e sa c o n t i n u o u s p h a s e s i n e w a v e w i t h t h e s a m e f r e q u e n c ys t a b i l i t y a s t h e r e f e r e n c e o s c i l l a t o r . T o m a i n t a i n t h e o s c i l l a t o ro u t p u t s i g n a l p h a s e c o n t i n u i t y a l l c o m p o n e n t s w i t h i n t h e

o s c i l l a t o r m u s t b e h a v e s t a b l y o v e r t h e t e mp er a tu r e r a n ge o f -3 3 C t o + 5 5 0 C , t h e s t a n d a r d i n d u s t r i a l t e m p e r a t u r e r a n g e f o ra n o u t d o o r u n i t ( O D U ) . Any p h y s i c a l m o v e m e n t o f ac o m p o n e n t i n s i d e t h e o s c i l l a t o r c o u l d b r e a k t h e p h a s ec o n t i n u i t y o f t h e s i g n a l a n d g e n e r a t e p h a s e - h i t s .

D e p e n d i n g o n t h e l e v e l o f t h e p h a s e i n t e r r u p t i o n s a n d t h el e v e l o f t h e m o d u l a t i o n , t h e p h a s e - h i t c o u l d g e n e r a t e d i f f e r e n tl e v e l s o f p r ob l e m s i n a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . A s i g n i f i c a n tp h a s e - h i t c o u l d c a u s e s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n l o s s e s , w h e r e a sa s m a l l p h a s e c h a n g e w o u l d g e n e r a t e o n l y b i t e r r o r s o r n oi m p a c t t o t h e s y s t e m a t a l l . L o w e r l e v e l m o d u l a t i o n s c a n , i ng e n e r a l , t o l e r a t e m o r e p h a s e d i s t u r b a n c e s . Q P S K , f o r e x a m p l e ,c a n t o l e r a t e 4 5 p h a s e d i s t u r b a n c e s , w h e r e a s a 1 2 8 QAMm o d u l a t e d s y s t e m c a n o n l y s t a n d f o r 5 . 1 p h a s e c h a n g e s . T h ep h a s e v a r i a t i o n t o l e r a n c e w i l l b e f u r t h e r r e d u c e d w h e n t h ep h a s e n o i s e o f t h e s y n t h e s i z e r i s c o n s i d e r e d .Many e f f o r t s h av e b e e n m a d e t o c o n t r o l p h a s e - h i t s [ 1 ] - [ 5 ] .I n v e n t i o n [ 3 ] u s e s r e c e i v e r e n d c o m p e n s a t i o n t o r e m o v ep h a s e - h i t s b e f o r e t h e d e c i s i o n c i r c u i t o f t h e d e m o d u l a t o r b yu s i n g a f e e d - f o r w a r d t e c h n i q u e . R e f e r e n c e [ 4 ] d e s c r i b e d am e t h o d o f i m p r o v i n g p h a s e n o i s e a n d r e m o v i n g p h a s e - h i t s i nt h e f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r b a s e d u p o n a t h i r d - o r d e r l o o pc i r c u i t . T h e t h i r d - o r d e r l o o p f o l l o w s f r e q u e n c y c h a n g e s b e t t e rt h a n t h e s e c o n d - o r d e r l o o p b u t o f t e n s u f f e r s c o n v e r g e n c ep r o b l e m . T h i s i n v e n t i o n t r i e s t o c i r c u m v e n t t h e p r o b l e m u s i n ga s a m p l i n g t y p e o f p h a s e d e t e c t o r a n d t h i r d - o r d e r l o o p f i l t e rw i th t w o i n t e g r a t o r s a n d a w i d e r l o o p g a i n . P a p e r [ 5 ] s h o w st h e d i e l e c t r i c r e s o n a t o r o s c i l l a t o r ( D R O ) c a n i m p r o v e p h a s e -h i t p e r f o r m a n c e , b u t t h e t u n i n g r a n g e o f t h e s y n t h e s i z e r i sr e l a t i v e l y n a r r o w .

I n t h i s p a p e r , we w i l l d i s c u s s , f r o m a p r a c t i c a l p o i n t o fv i e w , t h e r o o t c a u s e s o f p h a s e - h i t s a n d p r e s e n t s o m e o f t h em e t h o d s t o c o n t r o l p h a s e - h i t s .

I I . T HE ROOT CAUSE O F P H A S E - H I T SM o s t m a t e r i a l s , e x c e p t f o r w a t e r , e x p a n d w h e n t h e y a r eh e a t e d a n d s h r i n k w h e n t h e y a r e c h i l l e d . A t y p i c a l h i g h

p e r f o r m a n c e s y n t h e s i z e r m o d u l e may c o n s i s t o f a P C B , a n o f f -t h e - s h e l f VCO, m e t a l s h i e l d a n d a n u m b e r o f o t h e r e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s . T h e s e m a t e r i a l s u s u a l l y h a v e d i f f e r e n t c o e f f i c i e n to f t h e r m a l e x p a n s i o n , c r e a t i n g t h e r m a l e x p a n s i o n m i s m a t c h .T h e m i s m a t c h c a n b u i l d u p l a r g e m e c h a n i c a l s t r e s s e s . I f t h ee n e r g y i s r e l e a s e d s u d d e n l y , i t c a n r e s u l t i n a p h a s e - h i t o r a na b r u p t c h a n g e i n t h e p h a s e o f t h e s i g n a l .

1 - 4 2 4 4 - 0 6 8 8 - 9 / 0 7 / $ 2 0 . 0 0 C 2 0 0 7 IEEE 1 5 4 1


2/4

T h e r e a r e many p o s s i b l e w a y s t o c r e a t e p h a s e - h i t s i n as y n t h e s i z e r m od ul e . H e r e a r e a f e w t y p i c a l c a u s e s .A . VCO PCB a n d S y n t h e s i z e r PCB M i s m a t c hA h i g h p e r f o r m a n c e s y n t h e s i z e r u s u a l l y u s e s a p u r c h a s e dVCO, w h i c h h a s a s t a n d a r d s i z e o f 0 . 5 i n c h e s X 0 . 5 i n c h e s .

T h i s c o m p o n e n t h a s i t s own PCB a n d EMI s h i e l d . I f t h e PCBo f t h e V CO h a s d i f f e r e n t m a t e r i a l f r o m t h e s y n t h e s i z e r s ' , t h eCT E m i s m a t c h c a n d e f o r m t h e PCB a s i n d i c a t e d b y t h e d a s h e dl i n e i n t h e F i g . 1 , a n d t h e s t r e s s may b e a c c u m u l a t e d d u r i n gt e m p e r a t u r e c y c l i n g . O n c e t h e s t r e s s i s r e l e a s e d , t h e s u d d e nm e ch a ni c al c h an g e c a n c r e a t e a j u m p i n p h a s e a n d i n t e r r u p tt h e d a t a t r a n s m i s s i o n .

V C O ~ S h i e l dF CB ( ~ ~ ~ ~ ~ - - - C)

F i g . 1 . A V CO m o d u l e i s m o u n t e d o n a s y n t h e s i z e r P C B . T h ed a s h e d l i n e i n d i c a t e s t h e d i s t o r t i o n f r o m t h e CT E m i s m a t c h o f t h et w o p a r t s .B . PCB a n d S h i e l d CT E M i s m a t c h

H i g h p e r f o r m a n c e m i c r o w a v e s y n t h e s i z e r s u s u a l l y h a v e a na l u m i n u m s h i e l d t o p r e v e n t e l e c t r o m a g n e t i c w a v e r a d i a t i o n s .T h e s h i e l d i s m o u n t e d o n t h e PCB o r a n e n c l o s u r e s e c u r e dt i g h t l y w i t h s c r e w s a s s h o w n i n F i g . 1 . E n e r g y c o u l d b ea c c u m u l a t e d d u r i n g t e m p e r a t u r e c h a n g e s d u e t o CT Em i s m a t c h o f t h e a l u m i n u m s h i e l d a n d t h e PCB m a t e r i a l . O n c et h e s c r ew s c a n no t h o l d t h e e x p a n s i o n f o r c e s , t h e e n e r g y i s t h e nr e l e a s e d a b r u p t l y c r e a t i n g p h a s e - h i t s .C . C e r a m i c C a p a c i t o r sCT E m i s m a t c h e s c a n h a p p e n i n s i d e c e r a m i c c a p a c i t o r s . T o

r e d u c e t h e s i z e a n d t o i n c r e a s e t h e c a p a c i t a n c e , t h e s t a t e o f t h ea r t t e c h n o l o g y u s e s f i n e m u l t i - l a y e r d e s i g n s . T h e m e t a l a n dc e r a m i c m a t e r i a l s h a v e d i f f e r e n t e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t s a n dc a n c r e a t e i n t e r n a l s t r e s s i n t h e c o m p o n e n t . T h e CTEm i s m a t c h e s c a n d e v e l o p m i c r o - c r a c k s d u r i n g t e m p e r a t u r et r a n s i t i o n s a n d c h a n g e t h e c a p a c i t a n c e v a l u e a b r u p t l y . I f t h ec a p a c i t o r i s u s e d i n a V CO r e s o n a n t c i r c u i t o r i n a p h a s e l o c kl o o p c i r c u i t , t h e a b r u p t c h a n g e i n c a p a c i t a n c e w i l l r e s u l t i n as h i f t i n p h a s e , c a u s i n g p h a s e - h i t s .D . S o l d e r a n d F l u x R e s i d u a l s

T h e s o l d e r r e s i d u a l s l e f t o n t h e PCB a r e u s u a l l y i n t h e s h a p eo f s o l d e r b a l l s . T h e s e s m a l l s o l d e r b a l l s e x p a n d o r s h r i n kd u r i n g t e m p e r a t u r e c h a n g e s c a u s i n g p h a s e - h i t s .S o l d e r f l u x r e s i d u a l s a f t e r t h e r e f l o w a s s e m b l y p r o c e s s c a nc r e a t e p h a s e - h i t s t o o . M o s t s o l d e r f l u x e s a r e r o s i n b a s e d .D u r i n g t e m p e r a t u r e c h a n g e f r o m r o o m t o c o l d , t h e CT E

m i s m a t c h b e t w e e n t h e f l u x r e s i d u a l s a n d PCB m a k e s t h e f l u xc r a c k . T h e e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s o n t h e b o a r d t h e n t r a n s f e rt h e m e c h a n i c a l v i b r a t i o n s i n t o e l e c t r i c a l n o i s e c r e a t i n g p h a s e -h i t s .I I I . P H A S E - H I T S IMMUNITY ME T H ODS

P er o u r d i s c u s s i o n a b o v e , t h e p h a s e - h i t i m m u n i ty m e t h o d sa r e s u m m a r i z e d b e l o w :A . A C l e a n VCO a n d S y n t h e s i z e r A s s e m b l yA c l e a n V CO a n d s y n t h e s i z e r a s s e m b l y i s i m p o r t a n t t o

m i n i m i z e p h a s e - h i t s . T h e V CO v en d o r m u s t h a v e a w e l lc o n t r o l l e d V CO a s s e m b l y p r o c e s s t o e n s u r e a " c l e a n "c o m p o n e n t f o r t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e . A p o o r p r o c e s s w i l lr e s u l t i n e x c e s s f l u x a n d s o l d e r r e s i d u a l s o n t h e b o a r d . T h ef i n i s h e d s y n t h e s i z e r a s s e m b l y s h o u l d a l s o b e w e l l w a s h e d t or e m o v e a n y r e m a i n i n g f l u x a n d s o l d e r r e s i d u a l s .B . H i g h Q u a l i t y C a p a c i t o r s

F i l m t y p e c a p a c i t o r s s h o u l d b e u s e d f o r s y n t h e s i z e r l o o pf i l t e r a p p l i c a t i o n s w h e n p h a s e - h i t s a r e c o n s i d e r e d . T h e u n i q u ec o n s t r u c t i o n o f t h e f i l m t y p e c a p a c i t o r s a l l o w i t t o h a v e b e t t e rp h a s e - h i t p e r f o r m a n c e c o m p a r e d t o t h a t o f t h e m u l t i - l a y e rc e r a m i c c a p a c i t o r s . Y e t , a f i l m t y p e c a p a c i t o r u s u a l l y h a s al a r g e r s i z e a n d i s m o r e e x p e n s i v e t h a n a c e r a m i c c a p a c i t o r . I ti s a t r a d e - o f f b e t w e e n p r i c e , s i z e a n d p h a s e - h i t p e r f o r m a n c e .T a n t a l u m t y p e c a p a c i t o r s a r e a l s o a c c e p t a b l e i n m o s t c a s e s . I ti s a l s o i m p o r t a n t t o c a r e f u l l y e v a l u a t e p u r c h a s e d VCOs t og u i d e t h e V CO v e n d o r t o u s e h i g h q u a l i t y c a p a c i t o r s i n t h e i rd e s i g n s .C . PCB C u t - o u t

I f t h e CT E m i s m a t c h o f t h e V CO m o d u l e a n d s y n t h e s i z e rPCB i s a c o n c e r n , t h e n a c u t - o u t u n d e r t h e s y n t h e s i z e r PCBp o r t i o n o r a c a v i t y u n d e r n e a t h t h e VCO, a s s h o w n i n F i g . 2 ,c a n m i n i m i z e t h e m e c h a n i c a l s t r e s s d u r i n g t e m p e r a t u r ec h a n g e s .D . O v e n C o n t r o l l e d S y n t h e s i z e r

S i n c e t h e p h a s e - h i t s r e s u l t f r o m t h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e c h a n g e s , i t i s n a t u r a l t o c o n s i d e r a way t om i n i m i z e t h e t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n s o r t o m a i n t a i n t h es y n t h e s i z e r m o d u l e a t a c on st an t t e m p e r a t u r e . U n l i k e o v e nc o n t r o l l e d c r y s t a l o s c i l l a t o r s , a s y n t h e s i z e r m o d u l e u s u a l l y h a sa m u c h g r e a t e r s i z e a n d w e i g h t . I t may t a k e l o t s o f DC p o w e rt o h e a t u p t h e w h o l e m o d u l e t o a maximum t e m p e r a t u r e a n dm a i n t a i n t h e maximum t e m p e r a t u r e o v e r t h e w h o l et e m p e r a t u r e r a n g e a s a n o v e n c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r d o e s . S i n c et h e p h a s e - h i t s i n m o s t c a s e s h a p p e n d u r i n g t h e t e m p e r a t u r et r a n s i t i o n s f r o m room t o c o l d , t h e o v e n c o n t r o l l e d s y n t h e s i z e ru s e s a P r o p o r t i o n a l l y C o n t r o l l e d H e a t e r i n s i d e t h e s y n t h e s i z e rs h i e l d t o h e a t u p t h e w h o l e s y n t h e s i z e r m o d u l e o n l y a t c o l dt e m p e r a t u r e , a n d t u r n o f f t h e h e a t e r o n c e t h e t e m p e r a t u r e h i t s ap r e - s e l e c t e d l i m i t . F i g . 2 p r e s e n t s t h i s i d e a a n d F i g . 3 i s t h e

1 5 4 2


3/4

c i r c u i t . I n o u r a p p l i c a t i o n s , t h e DC i n p u t v o l t a g e may v a r yf r o m 26VDC t o 6OVDC a n d i n p u t DC p o w e r i s l i m i t e d t oa b o u t 6 W a t t s , m a x i m u m . T h e c i r c u i t i s r e q u i r e d t o d i s s i p a t et h e maximum DC p o w e r a n d u s e t h e DC p o w e r d i s s i p a t i o n t oh e a t u p t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e a s t h e t e m p e r a t u r e d r o p s t or o o m t e m p e r a t u r e a n d b e l o w a n d g r a d u a l l y r e d u c e s t h e DCp o w e r d i s s i p a t i o n a s t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s .

T h e c i r c u i t c o n s i s t s o f a V o l t a g e R e g u l a t o r , a C o n t r o lC i r c u i t , a P o s i s t o r ( p o s i t i v e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n tt h e r m i s t o r ) , a H e a t e r E l e m e n t , a n d A d j u s t e d E l e m e n t s 1 a n d 2 .T h e c i r c u i t i s p o w e r e d b y t h e DC i n p u t b a t t e r y v o l t a g e t h a tc o m e s f r o m a n i n d o o r I n t e l l i g e n t N o d e U n i t ( I N U ) i n a t y p i c a ls p l i t m o u n t c o n f i g u r a t i o n o f a n ODU. T h e o u t p u t v o l t a g e o ft h e v o l t a g e r e g u l a t o r i s s e t b y t h e r a t i o o f a d j u s t e d e l e m e n t 1a n d t h e s u m o f t h e p o s i s t o r a n d a d j u s t e d e l e m e n t 2 . T h ev o l t a g e r e g u l a t o r s e r v o s t h e o u t p u t t o m a i n t a i n t h e v o l t a g e a tt h e a d j u s t p i n . T h e c o n t r o l c i r c u i t a l t e r s t h e o u t p u t v o l t a g eo v e r t h e r a n g e o f t h e DC i n p u t v o l t a g e t o m a i n t a i n a c o n s t a n tp o w e r d i s s i p a t i o n . A t h e r m a l p a d i s a d d e d t o i s o l a t e t h e h e a t e rf r o m t h e V CO a n d s y n t h e s i z e r a s s e m b l y . W i t h t h i s i s o l a t i o n ,t h e h e a t e r i s i s o l a t e d f r o m t h e V CO a n d s y n t h e s i z e r b o a r d a n dt h u s h a s v i r t u a l l y n o e f f e c t s o n t h e V CO a n d s y n t h e s i z e rf u n c t i o n s .

F i g . 2 . T h e s y n t h e s i z e r m o d u l e w i t h h e a t e r b e i n g m o u n t e d o n t h es h i e l d a n d t h e PCB c u t - o u t u n d e r n e a t h V CO m o d u l e .

T h e t o t a l p o w e r d i s s i p a t i o n o f t h e p r o p o r t i o n a l l y c o n t r o l l e dh e a t e r i s t h e s u m o f t h e p o w e r d i s s i p a t i o n o f t h e v o l t a g er e g u l a t o r , P I , a n d t h e p o w e r d i s s i p a t i o n o f t h e H e a t e r e l e m e n t ,P 2 , i . e . P t o t a l = P + P 2 .6-

g 5 2i o s 4 -* n 3a ) 2 -0l 1 -- F u O

i i W i W i Wy y yy~~~N

- Vin = 26 V-^ V i n = 35V

) ( V i n = 45V- V i n = 60 V

- 4 0 - 2 5 - 1 0 5 2 0 3 5 5 0 6 5 8 0T e m p e r a t u r e ( O C )

F i g . 4 . T h e t o t a l p o w e r d i s s i p a t i o n o f P r o p o r t i o n a l l y C o n t r o l l e dH e a t e r v s . t e m p e r a t u r e a n d i n p u t DC v o l t a g e s .

B e t w e e n r o o m a n d c o l d t e m p e r a t u r e l e v e l s , t h e h e a t e r r a i s e st h e t e m p e r a t u r e o f t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e a b o v e 0 C a t a l lt i m e s , a s s h o w n i n F i g . 7 , t o p r e v e n t l o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s o n t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e w h e r e t h e p h a s e - h i t s a r em o s t l i k e l y t o o c c u r . When t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e i s a t h i g h e rt e m p e r a t u r e l e v e l s ( a b o v e + 2 5 C ) w h e r e t h e p h a s e - h i t s a r e n o ta s s e n s i t i v e , t h e h e a t e r c i r c u i t g r a d u a l l y b a c k s o f f a n d t h e nt u r n s o f f w h e n t h e t e m p e r a t u r e l e v e l s g e t t o + 6 5 C a n d h i g h e r .F i g . 4 s h o w s t h e t o t a l p o w e r d i s s i p a t i o n v e r s u s DC b a t t e r yi n p u t v o l t a g e s a n d t e m p e r a t u r e l e v e l s . T h e t o t a l p o w e rd i s s i p a t i o n i s r e l a t i v e l y c o n s t a n t w h e n t h e t e m p e r a t u r e i sb e l o w 3 5 C a n d i s a b o u t h a l f W a t t s w h e n t h e t e m p e r a t u r er e a c h e s 8 0 C . T h e maximum p o w e r d i s s i p a t i o n i s a b o u t 5W a t t s o v e r t h e i n p u t v o l t a g e a n d t e m p e r a t u r e r a n g e .

I V . P H A S E - H I T T E S T SETUP

DC -POSISTOR

ADJUSTEDELEMENT2I

F i g . 3 . T h e P r o p o r t i o n a l l y C o n t r o l l e d H e a t e r C i r c u i t .

T h e p h a s e - h i t t e s t s e t u p i s s h o w n i n F i g . 5 , w h e r e t h es t a n d a r d S t r a t e x N e t w o r k s p r o d u c t , a n E c l i p s e 3 0 0 H P C 1 5GHz l i n k w a s u s e d . An E c l i p s e l i n k c o n s i s t s o f t w o I N U s a n dt w o O D U s . T h e t w o ODUs a r e c o nn e ct e d w it h c o a x i a l c a b l e sw i t h a n a t t e n u a t o r t o a l l o w t h e r e c e i v e r t o h a v e a n o m i n a lr e c e i v i n g l e v e l o f a b o u t - 4 5 d B m . T h e l i n k w a s c o n f i g u r e dw i t h s o f t w a r e f o r 1 2 8 Q A M , 1 5 5 M b p s o p e r a t i o n .

D u r i n g t h e t e s t s , o n e ODU i s l o c a t e d i n s i d e t h e t e m p e r a t u r ec h a m b e r a n d a n o t h e r i s p l a c e d o u t s i d e . T w o t e m p e r a t u r es e n s o r s a r e u s e d t o m o n i t o r t h e ODU t e m p e r a t u r e a n d t h es y n t h e s i z e r t e m p e r a t u r e . T h e ODU t e m p e r a t u r e s e n s o r s i sl o c a t e d o n t h e I F ( I n t e r m e d i a t e F r e q u e n c y ) c a r d a n d t h e LOt e m p e r a t u r e s e n s o r w a s m o u n t e d o n t h e a l u m i n u m s h i e l d o ft h e s y n t h e s i z e r m o d u l e . T h e m o d u l e i s i n s i d e ODU a n di s o l a t e d f r o m t h e ODU e n c l o s u r e w i t h r u b b e r g r o m m e t s . T h es y n t h e s i z e r h a s a s i n g l e l o o p , t h i r d - o r d e r d e s i g n w i t h as t a n d a r d V CO m o d u l e a n d a 1 0 M H z t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e d c r y s t a l o s c i l l a t o r a s i t s r e f e r e n c e . T h e o u t p u t

1 5 4 3

r- I-

- i -

-4-

I-

- 1 -L

I I T I .


4/4

f r e q u e n c y o f t h e s y n t h e s i z e r i s a b o u t 4 GHz a n d a x 4m u l t i p l i e r i s u s e d f o r 1 5 GHz o p e r a t i o n . T h e p h a s e - h i tp e r f o r m a n c e w a s m o n i t o r e d w i th b o t h a B ER t e s t e r ( B E R T )a n d E c l i p s e i n t e r n a l s o f t w a r e , c a l l e d " P o r t a l " . T h e t e m p e r a t u r ed a t a a n d p h a s e - h i t e v e n t s w e r e t h e n l o g g e d i n t o d a t a b a s e . I f ap h a s e - h i t h a p p e n s , t h e d i s p l a y s o f t w a r e w i l l a d d a b l a c kt r i a n g l e o n t h e t e m p e r a t u r e p l o t a s s h o w n i n F i g . 6 .

s l i g h t l y . D u r i n g t h e t e m p e r a t u r e c y c l e , n o p h a s e - h i t e v e n t sw e r e r e c o r d e d .

1 0 0C - )0

Q )( Ua )0 LEa )

8 06 04 02 0

0- 2 0- 4 0 0

I -r - N

ODU T em p-LO T em p5 1 0 1 5

T i m e ( H r s )F i g . 7 . P h a s e - h i t t e s t r e s u l t s w i t h h e a t e r o n t h e s y n t h e s i z e r s h i e l d .No p h a s e - h i t s w e r e r e c o r d e d .

F i g . 5 . P h a s e - h i t t e s t s e t u p . T h e l i n k o p e r a t e s a t 128QAM,1 5 5 M b p s .

V . T E S T R E S U L T SF i g . 6 i s a t y p i c a l p h a s e - h i t p l o t w i t h a r e g u l a r s y n t h e s i z e r o rLO m o d u l e i n s i d e t h e ODU, i . e . n o h e a t e r w a s i n s t a l l e d ,d u r i n g t h e t e m p e r a t u r e t e s t c y c l e . When t h e t e m p e r a t u r e

c h a m b e r r u n s f r o m - 3 3 C t o + 5 5 C , t h e ODU t e m p e r a t u r ev a r i e s f r o m - 1 5 C t o + 7 2 C , a n d t h e LO m o d u l e t e m p e r a t u r es w i n g s f r o m - 2 9 C t o + 7 6 C . T h e p h a s e - h i t e v e n t s , i n d i c a t e db y w h i t e t r i a n g l e s o n t h e s o l i d l i n e , o c c u r f i v e t i m e s d u r i n g t h et e m p e r a t u r e c y c l e .

-00~

U )-

1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 -0-- 2 0 -

- 4 0 -0 5 1 0 1 5

T i m e ( H r s )F i g . 6 . P h a s e - h i t t e s t r e s u l t s w i t h o u t h e a t e r . T h e r e ar e f i v e p h a s e -h i t e v e n t s d u r i n g t h e t e m p e r a t u r e c y c l e .

F i g . 7 s h o w s t h e ODU t e m p e r a t u r e a n d t h e LO m o d u l et e m p e r a t u r e w i t h t he h ea te r i n s t a l l e d . W h e n t h e t e m p e r a t u r ec h a m b e r d r o p p e d t o - 3 3 C t h e LO m o d u l e t e m p e r a t u r e i sm a i n t a i n e d a t a b o u t + 2 0 C . A t h o t , t h e s y n t h e s i z e rt e m p e r a t u r e was i n c r e a s e d s l i g h t l y t o + 8 3 C d u e t o t h e f a c tt h a t t h e r e s i d u a l p o w e r o f t h e h e a t e r warms u p t h e LO m o d u l e

V I . CONCLUSIONA s u dd e n c h an g e i n t h e p h a s e o f t h e l o c a l o s c i l l a t o r o f t e nr e s u l t s i n p h a s e - h i t p r o b l e m s , i . e . b u r s t b i t e r r o r s o rs y n c h r o n i z a t i o n l o s s e s , i n a h i g h s p e e d d i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m . A t y p i c a l c a u s e o f p h a s e - h i t s i s t h e s u d d en m e c ha n i ca lr e l i e f o f s t r e s s o r s t r a i n a c c u m u l a t e d w i t h i n a s y n t h e s i z e r

m o d u l e d u r i n g e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n s , d u e t o t h ed i f f e r e n c e s o f t h e m a t e r i a l o f t h e C o e f f i c i e n t o f T h e r m a lE x p a n s i o n ( C T E ) . T o m i n i m i z e t h e CT E e f f e c t s , t h e f i n i s h e dPCB a s s e m b l y m u s t b e w e l l c l e a n e d a n d s h o u l d b e f r e e o f f l u xa n d s o l d e r r e s i d u a l s . F i l m t y p e c a p a c i t o r s a r e s u g g e s t e d f o r t h es y n t h e s i z e r l o o p f i l t e r s a n d s p e c i a l a t t e n t i o n s m u s t b e p a i d t ot h e c e r a m i c c a p a c i t o r s f o r t h e VCO. A P r o p o r t i o n a l l y C o n t r o lH ea te r c an b e a d d e d t o t h e s y n t h e s i z e r m o d u l e t o r e d u c e t h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n s . T h e PCB u n d e r t h eV CO m o d u l e c a n b e c u t - o u t t o f u r t h e r i m p r o v e p h a s e - h i tp e r f o r m a n c e s . T e s t r e s u l t s s h o w t h a t b y a p p l y i n g t h et e c h n i q u e s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r , p h a s e - h i t s c a n b e w e l ls u p p r e s s e d .

R E F E R E N C E S[ 1 ] D a v i d P h a m , F r a n k M a t s u m o t o , a n d Y o u m i n g Q i n , " S y s t e m a n dm e t h o d f o r c o m p e n s a t i o n o f p h a s e - h i t s " US P a t e n t P e n d i n g ,S t r a t e x N e t w o r k s , D e c e m b e r , 2 0 0 6 .[ 2 ] T e k t r o n i x , " C a p t u r i n g a n d m e a s u r i n g m i c r o p h o n i c s a n d p h a s e -h i t s w i t h t h e R T S A " A p p l i c a t i o n N o t e s , A p r i l 2 0 0 6 .[ 3 ] A t r u s h i Y o s h i d a , " A p p a r a t u s f o r c o m p e n s a t i n g f o r p h a s e h i t " ,US p a t e n t 4 8 6 0 3 1 9 , NEC C o r p o r a t i o n , J u l y , 1 9 8 6 .[ 4 ] J o h n s o n , K e n t K . "Low p h a s e n o i s e o s c i l l a t o r f r e q u e n c y c o n t r o l

a p p a r a t u s a n d m e t h o d " , US P a t e n t 5 4 1 4 7 4 1 , M a y , 1 9 9 5 .[ 5 ] W i l l i a m R e u t e r , " S o u r c e a n d s y n t h e s i z e r p h a s e n o i s er e q u i r e m e n t s f o r QAM r a d i o a p p l i c a t i o n s " , C T I I n c . , M i c r o w a v eP r o d u c t D i g e s t , J a n u a r y , 1 9 9 9 .

1 5 4 4

DUT e m p --LO T e m p___________

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