光纤通信在航电系统上的应用*

施天宇，郑秀宏

（深圳技术大学中德智能制造学院，广东深圳 518118）

0 引言

航空电子系统是现代飞机的重要组成部分，其核心组成部分为航电总线，负责各航电设备之间的数据信息传输[1]，现在的航空电子系统已从简单的集中控制发展到复杂的分布式系统，形成了以ARINC429、MIL-STD-1553为代表的电子系统联网接口标准，使数据总线更加规范化。但是随着军用数据链的不断完善和作战指挥网络的构建，系统间和单元间的信息交流越来越频繁，导致总线网络对带宽的要求越来越高，传统的数据总线已远远不能满足系统间通信要求，急需要一种更高速率和更有效的总线传输模式。近年来，光纤（FC）通信已广泛应用到民用领域，其所占市场份额也逐日增加，同时由于其容量大、衰减小、体积少、质量轻和抗电磁干扰强等优点，在军事上应用越来越多[2-3]。目前国内对于光纤通信技术在机载航电设备上应用的有关文献相对比较零碎，且基于理论分析较多，更多集中在整机的总线系统的分析，缺少针对单个航电设备中光纤通信设计的研究，也较少分析设计中出现的问题及解决方案。本研究主要针对基于S6连接器作为对外航插的航电设备，其在实现光纤总线通信应用设计中实际遇到的部分设计难点，并提出相对应的解决方案，希望能给相关航电设备的设计者提供一种设计思路及参考，帮助解决光纤通信在航电系统设计中的问题，推进光纤通信在机载总线中的应用。

1 光纤通信设计技术难点

1.1 光模块的选型

自从1966年高琨[4]提出光纤作为传输介质，光电技术已经发生了天翻地覆的变化，光源的种类就有很多种，其中尤以LED光和激光源最为盛行。单模、多模技术日新月异，如何选取满足要求的光模块，而且还需要满足各项环境要求，充满了挑战。

1.2 光模块的硬件设计

1.2.1 PCIe设计

光纤属于高速信号，必须依靠高速串行总线进行数据通信，传统的PCI总线已经不适合，需采用PCIe设计，但设计时有以下难点。

（1）随着PCIe总线速度的上升，则对硬件的设计要求越来越高，AC滤波电容的选择，直接影响单位时间数据帧的长度。

（2）PCIe总线速度上升，则对其时钟的精度要求越来越严苛，如何确保周期抖动、相位抖动、频率精度和稳定度都在一个合理的范围，是设计中的一大难点。

（3）串行数据RX和TX一般都是采用差分传输，可以降低共模噪声，但如何合理的对数据总线进行去加重和预加重，保证交流RMS和共模DC的在合理范围，优化差分回波损耗都需要值得深思。

1.2.2 光模块的原理及PCB设计

因光模块运行的速度至少需要上吉（G）的速度，且光模块用于实现光电转换的器件，其PCB布局、走线不仅仅需要满足电气性能[5]，还应该考虑光的特性，这也是设计的一大难点。

1.3 光纤电缆的安装设计

航电系统都有对外的连接器，本文研究的对外连接器采用S6矩形连接器，所有的信号都要与其互联，但光信号必须依靠光纤电缆进行传输，如何确保光纤的弯曲率半径，需要进行认真研究。

2 解决方案

光模块技术虽然属于新技术，但经过技术分析，确定了设计思路，明白设计难点，最终通过以下技术方式完成突破。

2.1 光模块选型

因光纤子卡的协议通常采用FPGA自定义Aurora协议，对于光模块采用的传输介质并没要求，即选择多模和单模无要求（因光模块无论是单模还是多模，最终的电信号都是采用高速接口，即CML电平）。在这样背景下，通过研究2种通信媒介，关注物理结构的区别，光纤介质的差异，成本的不同，再通过了解实际光纤信号需要传输的长度，最后可以确定通信的媒介。在研究中选择850 nm波长、传输距离小于或等于300 m的多模光纤。通过学习，了解LED光源与激光光源的差异，虽然LED光源在成本上具备一定的优势，但为了产品具有更高的稳定性和可靠性，最后确定使用激光光源；实际使用中光纤子卡的单端口通信速率为2 GB/s，为了提高额度，光模块需要具备一定的裕量，另外根据研究要求需满足2路光纤总线接口，最终确定选择传输速率为3.125 GB/s的四路并行收发一体的光模块，即中航158厂的4EOLTR-85-512523M-0.035 m，如图1所示。

图1 光模块

2.2 光模块的硬件设计

2.2.1 PCIe设计

（1）高速串行总线协议规范一般都会推荐AC滤波电容，一般都为10～100 nF，如何选择有效的电容值，必须结合数据包进行前期预判，从而提高设计精度，推进研发进度。依据经验公式：

式中：C为交流耦合电容值；RNUM为最大容许的连0或连1的比特位数；R为负载的阻抗，一般取50Ω；T为数据速率，设计中按照2 GB/s，即T=0.5 ns。

经了解，比特位最大的长度为100，因此可以算出Cmin=7.8 nF，依据电容E-24标准系列，可将AC滤波电容确定在10 nF；

（2）周期抖动、相位抖动都与时钟密切相关。高精度的时钟选型和高速PCB设计相辅相许。时钟的周期抖动需要控制在100 ps以内，相位抖动最大则为上下偏差50 ps，实际设计中所用的CPU芯片有支持单端时钟源输入，但肯定对噪声很敏感，不适合。所以应选择稳定的差分时钟源，采用LVDS交流耦合方式，布局时紧靠负载端，严格控制线径阻抗为100R，P/N端误差控制在5 mil。一般都知，PCB的表层信号传输快于内层，其中表层传输的时间延迟为140～180 ps，而内层走线则需要180 ps，但考虑到表层的阻抗不便控制，布局的时候紧靠负载端，依据信号仿真，最后确定为内层走线。

（3）预加重和去加重技术主要应用在高速串行接口，预加重和去加重技术都是为了解决传输信号中高频信号的衰减。因为在高速信号传输中，高频的分量衰减要比低频分量衰减大很大，传输线路表现的是一个低通滤波器，所以必须采用预加重技术，在传输线的始端增强信号的高频成分，即增加信号上升沿和下降沿处的幅度，维持其它地方幅度不便；去加重则是保持高频信号上升沿和下降沿技术，其他地方减弱。依据信号仿真结果，考虑系统功耗，最终采用去加重技术，按照PCIe高速走线信号规则，长度符合图2所示，完成PCIe从原理到PCB设计的全过程，并为后续XFS-6A系统打下良好基础。

图2 PCIe长度规范

2.2.2 光模块的原理及PCB设计

光模块的硬件原理设计中光纤电信号与FPGA的高速接口互通，根据实际情况选择单路或多路并行收发[6]。利用光模块的自带的自检电压告警信号（FC_ALERT）来监测光模块是否正常工作，并通过FC_SD1和FC_SD2 2个信号对光纤电缆接收的光信号的有无进行监测，当接收端光功率高于阈值，输出高电平，反之输出低电平，发出光电告警信号。工作电源采用LDO设计，将数字电压5 V转成光模块专用的3.3 V（3.3 V_FC），减少纹波，便于光模块稳定工作[7]。图3所示为光模块的原理。

因系统的特殊性，光模块不能直接与外部互联，必须选择良好的光纤跳线进行转接。光模块与光纤子卡采用的是高速串行总线，设计中必须按照高速原则进行走线设计，设计中采用3 W原则，控制差分对等长误差为10 mil（实际PCB设计误差控制在3 mil内），差分对内的P/N误差为5 mil（实际PCB设计误差控制在2 mil内），参考层为完整的GND平面[8]。图4所示为PCB的实际设计图，表1所示为实际PCB设计时FC差分对长度。

图3 光模块的原理设计

图4 光模块PCB设计

表1 FC差分对实际PCB设计长度

2.3 光纤电缆的安装设计

从图1可知，必须进行相关线缆转接，结构固定方能实现系统的组装。加上为保证光模块工作可靠性[9]，光纤最小弯曲半径要求为20～25倍光纤直径，如此方能使光的耗散率、色散位移、衰减系数等指标达到最小。设计中采用多种数模工具建模分析，最终采用图5所示的光纤线缆，光纤电缆直径为0.9 mm，光纤线缆一端为4个A8T光插头，可以直接插入S6矩形连接器；另一端为MT插针，与光模块的MT插针一端对接。如图6所示，将装有导销的MT插针（光纤电缆一端）与没有安装导销的MT插针（光模块一端）对接。如图7所示，通过MT夹将对接好的2个MT插针固定，并在PCB板上开对称的圆孔，用捆线将MT夹固定在PCB上，两孔间距为10 mm。图8所示为光纤电缆在结构组装时示意图，为满足光纤最小弯曲半径要求为20～25倍光纤直径，即最小弯曲半径为18 mm，则在产品整机结构设计时，需注意将2块PCB板卡间距必须控制在36 mm以上，实际设计兼顾考虑减小设备长度与降低重量问题，取间距40 mm，2块PCB板卡用矩形框架件固定，其间用捆线（图7），将光纤电缆固定在矩形框架件侧面，形成光纤电缆弧度，满足光纤最小弯曲半径要求，实现光模块的组装工作。

图5 光纤线缆

图6 MT夹对接方式

3 结束语

图7 MT夹使用及固定方式

图8 光纤系统的结构组装

光纤通信是一种具有高实时性、高可靠性、高带宽的开放式网络，在带宽、数据延迟、传输距离、可靠性、错误检测、优先级等方面具有得天独厚的优势。本文在以S6矩形连接器作为对外连接器的研究前提下，通过分析，指出实际设计中出现的技术难点，对光模块选型、硬件设计和光纤电缆的安装进行研究设计，并在最终实际产品的验证下，实现了光纤通信在航电设备上的应用，证明了本文提出的解决方案的可行性。并通过光纤总线的运用，减轻机载产品质量，增强的抗电磁干扰能力，带宽高可以提高飞机内部数据信息传输速率，提高产品的竞争性。