光纖通信在航電系統(tǒng)上的應(yīng)用*

施天宇，鄭秀宏

（深圳技術(shù)大學(xué)中德智能制造學(xué)院，廣東深圳 518118）

0 引言

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的重要組成部分，其核心組成部分為航電總線，負(fù)責(zé)各航電設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息傳輸[1]，現(xiàn)在的航空電子系統(tǒng)已從簡單的集中控制發(fā)展到復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，形成了以ARINC429、MIL-STD-1553為代表的電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)總線更加規(guī)范化。但是隨著軍用數(shù)據(jù)鏈的不斷完善和作戰(zhàn)指揮網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，系統(tǒng)間和單元間的信息交流越來越頻繁，導(dǎo)致總線網(wǎng)絡(luò)對帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)間通信要求，急需要一種更高速率和更有效的總線傳輸模式。近年來，光纖（FC）通信已廣泛應(yīng)用到民用領(lǐng)域，其所占市場份額也逐日增加，同時由于其容量大、衰減小、體積少、質(zhì)量輕和抗電磁干擾強等優(yōu)點，在軍事上應(yīng)用越來越多[2-3]。目前國內(nèi)對于光纖通信技術(shù)在機載航電設(shè)備上應(yīng)用的有關(guān)文獻(xiàn)相對比較零碎，且基于理論分析較多，更多集中在整機的總線系統(tǒng)的分析，缺少針對單個航電設(shè)備中光纖通信設(shè)計的研究，也較少分析設(shè)計中出現(xiàn)的問題及解決方案。本研究主要針對基于S6連接器作為對外航插的航電設(shè)備，其在實現(xiàn)光纖總線通信應(yīng)用設(shè)計中實際遇到的部分設(shè)計難點，并提出相對應(yīng)的解決方案，希望能給相關(guān)航電設(shè)備的設(shè)計者提供一種設(shè)計思路及參考，幫助解決光纖通信在航電系統(tǒng)設(shè)計中的問題，推進光纖通信在機載總線中的應(yīng)用。

1 光纖通信設(shè)計技術(shù)難點

1.1 光模塊的選型

自從1966年高琨[4]提出光纖作為傳輸介質(zhì)，光電技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，光源的種類就有很多種，其中尤以LED光和激光源最為盛行。單模、多模技術(shù)日新月異，如何選取滿足要求的光模塊，而且還需要滿足各項環(huán)境要求，充滿了挑戰(zhàn)。

1.2 光模塊的硬件設(shè)計

1.2.1 PCIe設(shè)計

光纖屬于高速信號，必須依靠高速串行總線進行數(shù)據(jù)通信，傳統(tǒng)的PCI總線已經(jīng)不適合，需采用PCIe設(shè)計，但設(shè)計時有以下難點。

（1）隨著PCIe總線速度的上升，則對硬件的設(shè)計要求越來越高，AC濾波電容的選擇，直接影響單位時間數(shù)據(jù)幀的長度。

（2）PCIe總線速度上升，則對其時鐘的精度要求越來越嚴(yán)苛，如何確保周期抖動、相位抖動、頻率精度和穩(wěn)定度都在一個合理的范圍，是設(shè)計中的一大難點。

（3）串行數(shù)據(jù)RX和TX一般都是采用差分傳輸，可以降低共模噪聲，但如何合理的對數(shù)據(jù)總線進行去加重和預(yù)加重，保證交流RMS和共模DC的在合理范圍，優(yōu)化差分回波損耗都需要值得深思。

1.2.2 光模塊的原理及PCB設(shè)計

因光模塊運行的速度至少需要上吉（G）的速度，且光模塊用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的器件，其PCB布局、走線不僅僅需要滿足電氣性能[5]，還應(yīng)該考慮光的特性，這也是設(shè)計的一大難點。

1.3 光纖電纜的安裝設(shè)計

航電系統(tǒng)都有對外的連接器，本文研究的對外連接器采用S6矩形連接器，所有的信號都要與其互聯(lián)，但光信號必須依靠光纖電纜進行傳輸，如何確保光纖的彎曲率半徑，需要進行認(rèn)真研究。

2 解決方案

光模塊技術(shù)雖然屬于新技術(shù)，但經(jīng)過技術(shù)分析，確定了設(shè)計思路，明白設(shè)計難點，最終通過以下技術(shù)方式完成突破。

2.1 光模塊選型

因光纖子卡的協(xié)議通常采用FPGA自定義Aurora協(xié)議，對于光模塊采用的傳輸介質(zhì)并沒要求，即選擇多模和單模無要求（因光模塊無論是單模還是多模，最終的電信號都是采用高速接口，即CML電平）。在這樣背景下，通過研究2種通信媒介，關(guān)注物理結(jié)構(gòu)的區(qū)別，光纖介質(zhì)的差異，成本的不同，再通過了解實際光纖信號需要傳輸?shù)拈L度，最后可以確定通信的媒介。在研究中選擇850 nm波長、傳輸距離小于或等于300 m的多模光纖。通過學(xué)習(xí)，了解LED光源與激光光源的差異，雖然LED光源在成本上具備一定的優(yōu)勢，但為了產(chǎn)品具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，最后確定使用激光光源；實際使用中光纖子卡的單端口通信速率為2 GB/s，為了提高額度，光模塊需要具備一定的裕量，另外根據(jù)研究要求需滿足2路光纖總線接口，最終確定選擇傳輸速率為3.125 GB/s的四路并行收發(fā)一體的光模塊，即中航158廠的4EOLTR-85-512523M-0.035 m，如圖1所示。

圖1 光模塊

2.2 光模塊的硬件設(shè)計

2.2.1 PCIe設(shè)計

（1）高速串行總線協(xié)議規(guī)范一般都會推薦AC濾波電容，一般都為10～100 nF，如何選擇有效的電容值，必須結(jié)合數(shù)據(jù)包進行前期預(yù)判，從而提高設(shè)計精度，推進研發(fā)進度。依據(jù)經(jīng)驗公式：

式中：C為交流耦合電容值；RNUM為最大容許的連0或連1的比特位數(shù)；R為負(fù)載的阻抗，一般取50Ω；T為數(shù)據(jù)速率，設(shè)計中按照2 GB/s，即T=0.5 ns。

經(jīng)了解，比特位最大的長度為100，因此可以算出Cmin=7.8 nF，依據(jù)電容E-24標(biāo)準(zhǔn)系列，可將AC濾波電容確定在10 nF；

（2）周期抖動、相位抖動都與時鐘密切相關(guān)。高精度的時鐘選型和高速PCB設(shè)計相輔相許。時鐘的周期抖動需要控制在100 ps以內(nèi)，相位抖動最大則為上下偏差50 ps，實際設(shè)計中所用的CPU芯片有支持單端時鐘源輸入，但肯定對噪聲很敏感，不適合。所以應(yīng)選擇穩(wěn)定的差分時鐘源，采用LVDS交流耦合方式，布局時緊靠負(fù)載端，嚴(yán)格控制線徑阻抗為100R，P/N端誤差控制在5 mil。一般都知，PCB的表層信號傳輸快于內(nèi)層，其中表層傳輸?shù)臅r間延遲為140～180 ps，而內(nèi)層走線則需要180 ps，但考慮到表層的阻抗不便控制，布局的時候緊靠負(fù)載端，依據(jù)信號仿真，最后確定為內(nèi)層走線。

（3）預(yù)加重和去加重技術(shù)主要應(yīng)用在高速串行接口，預(yù)加重和去加重技術(shù)都是為了解決傳輸信號中高頻信號的衰減。因為在高速信號傳輸中，高頻的分量衰減要比低頻分量衰減大很大，傳輸線路表現(xiàn)的是一個低通濾波器，所以必須采用預(yù)加重技術(shù)，在傳輸線的始端增強信號的高頻成分，即增加信號上升沿和下降沿處的幅度，維持其它地方幅度不便；去加重則是保持高頻信號上升沿和下降沿技術(shù)，其他地方減弱。依據(jù)信號仿真結(jié)果，考慮系統(tǒng)功耗，最終采用去加重技術(shù)，按照PCIe高速走線信號規(guī)則，長度符合圖2所示，完成PCIe從原理到PCB設(shè)計的全過程，并為后續(xù)XFS-6A系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。

圖2 PCIe長度規(guī)范

2.2.2 光模塊的原理及PCB設(shè)計

光模塊的硬件原理設(shè)計中光纖電信號與FPGA的高速接口互通，根據(jù)實際情況選擇單路或多路并行收發(fā)[6]。利用光模塊的自帶的自檢電壓告警信號（FC_ALERT）來監(jiān)測光模塊是否正常工作，并通過FC_SD1和FC_SD2 2個信號對光纖電纜接收的光信號的有無進行監(jiān)測，當(dāng)接收端光功率高于閾值，輸出高電平，反之輸出低電平，發(fā)出光電告警信號。工作電源采用LDO設(shè)計，將數(shù)字電壓5 V轉(zhuǎn)成光模塊專用的3.3 V（3.3 V_FC），減少紋波，便于光模塊穩(wěn)定工作[7]。圖3所示為光模塊的原理。

因系統(tǒng)的特殊性，光模塊不能直接與外部互聯(lián)，必須選擇良好的光纖跳線進行轉(zhuǎn)接。光模塊與光纖子卡采用的是高速串行總線，設(shè)計中必須按照高速原則進行走線設(shè)計，設(shè)計中采用3 W原則，控制差分對等長誤差為10 mil（實際PCB設(shè)計誤差控制在3 mil內(nèi)），差分對內(nèi)的P/N誤差為5 mil（實際PCB設(shè)計誤差控制在2 mil內(nèi)），參考層為完整的GND平面[8]。圖4所示為PCB的實際設(shè)計圖，表1所示為實際PCB設(shè)計時FC差分對長度。

圖3 光模塊的原理設(shè)計

圖4 光模塊PCB設(shè)計

表1 FC差分對實際PCB設(shè)計長度

2.3 光纖電纜的安裝設(shè)計

從圖1可知，必須進行相關(guān)線纜轉(zhuǎn)接，結(jié)構(gòu)固定方能實現(xiàn)系統(tǒng)的組裝。加上為保證光模塊工作可靠性[9]，光纖最小彎曲半徑要求為20～25倍光纖直徑，如此方能使光的耗散率、色散位移、衰減系數(shù)等指標(biāo)達(dá)到最小。設(shè)計中采用多種數(shù)模工具建模分析，最終采用圖5所示的光纖線纜，光纖電纜直徑為0.9 mm，光纖線纜一端為4個A8T光插頭，可以直接插入S6矩形連接器；另一端為MT插針，與光模塊的MT插針一端對接。如圖6所示，將裝有導(dǎo)銷的MT插針（光纖電纜一端）與沒有安裝導(dǎo)銷的MT插針（光模塊一端）對接。如圖7所示，通過MT夾將對接好的2個MT插針固定，并在PCB板上開對稱的圓孔，用捆線將MT夾固定在PCB上，兩孔間距為10 mm。圖8所示為光纖電纜在結(jié)構(gòu)組裝時示意圖，為滿足光纖最小彎曲半徑要求為20～25倍光纖直徑，即最小彎曲半徑為18 mm，則在產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需注意將2塊PCB板卡間距必須控制在36 mm以上，實際設(shè)計兼顧考慮減小設(shè)備長度與降低重量問題，取間距40 mm，2塊PCB板卡用矩形框架件固定，其間用捆線（圖7），將光纖電纜固定在矩形框架件側(cè)面，形成光纖電纜弧度，滿足光纖最小彎曲半徑要求，實現(xiàn)光模塊的組裝工作。

圖5 光纖線纜

圖6 MT夾對接方式

3 結(jié)束語

圖7 MT夾使用及固定方式

圖8 光纖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組裝

光纖通信是一種具有高實時性、高可靠性、高帶寬的開放式網(wǎng)絡(luò)，在帶寬、數(shù)據(jù)延遲、傳輸距離、可靠性、錯誤檢測、優(yōu)先級等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。本文在以S6矩形連接器作為對外連接器的研究前提下，通過分析，指出實際設(shè)計中出現(xiàn)的技術(shù)難點，對光模塊選型、硬件設(shè)計和光纖電纜的安裝進行研究設(shè)計，并在最終實際產(chǎn)品的驗證下，實現(xiàn)了光纖通信在航電設(shè)備上的應(yīng)用，證明了本文提出的解決方案的可行性。并通過光纖總線的運用，減輕機載產(chǎn)品質(zhì)量，增強的抗電磁干擾能力，帶寬高可以提高飛機內(nèi)部數(shù)據(jù)信息傳輸速率，提高產(chǎn)品的競爭性。