小型化彈載高速信息傳輸技術(shù)研究淺談*

王臻,靳昊鑫,董淑英

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

彈上設(shè)備間的信息傳輸猶如人體的血管、神經(jīng)系統(tǒng)，在導(dǎo)彈系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。目前傳統(tǒng)的導(dǎo)彈普遍采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接的電纜網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備間的信號(hào)傳輸。這種信號(hào)傳輸模式都需要接插件和導(dǎo)線，其占用體積空間大，結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)復(fù)雜，造成導(dǎo)彈總裝過(guò)程繁瑣難于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的自動(dòng)化總裝，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠度。

近年來(lái)，隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)高度集成化、小型化發(fā)展的迫切需求，彈上信息高速傳輸系統(tǒng)小型化、集成化、芯片化也成為彈載信息傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要研究彈載高速信息傳輸技術(shù)中的應(yīng)用，探討技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，為后續(xù)的工程應(yīng)用提供一種設(shè)計(jì)思路。本文主要從無(wú)纜傳輸技術(shù)、高速信息傳輸背板技術(shù)、彈載光纖微傳輸系統(tǒng)、柔性電路板、等方面進(jìn)行技術(shù)研究。

1 彈上無(wú)纜傳輸技術(shù)的探索

無(wú)線通信技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的飛速發(fā)展，技術(shù)逐步成熟且在民用領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，如果這些技術(shù)應(yīng)用到彈上設(shè)備間的信息傳輸，會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的研制產(chǎn)生顛覆性的影響。

目前，實(shí)現(xiàn)無(wú)纜互連傳輸?shù)募夹g(shù)手段主要有無(wú)線光傳輸和微波無(wú)線傳輸2種技術(shù)方式。

基于超寬帶、MIMO多天線、高集成無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，可將傳統(tǒng)彈上線纜傳輸網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線信號(hào)傳輸方式替代，實(shí)現(xiàn)彈上有纜傳輸向無(wú)纜傳輸?shù)募夹g(shù)變革，最大限度地降低整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，從而最終從系統(tǒng)層面提高彈上通信系統(tǒng)的可靠性，提升武器的作戰(zhàn)性能[1-5]。

21世紀(jì)初，光通信快速發(fā)展，光互連方案逐漸成熟，光通信在十余年內(nèi)從M級(jí)網(wǎng)絡(luò)到100 G網(wǎng)絡(luò)快速演變。鑒于光互連在高數(shù)據(jù)帶寬、低損耗、抗電磁干擾、高保密性、輕量化等方面的卓越表現(xiàn)，新一代軍用電子系統(tǒng)開(kāi)始逐步引入光作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)。與電信號(hào)“銅”介質(zhì)傳輸相比，高寬帶的光互聯(lián)技術(shù)被認(rèn)為是滿足下一代甚至是多代系統(tǒng)需求的互聯(lián)技術(shù)。但是，光通信又存在一些缺點(diǎn)，如需要額外供電、光纖端面抗污染能力差，在惡劣環(huán)境條件下難以保證正常插拔使用。

1.1 微波無(wú)線傳輸方案

微波無(wú)線傳輸?shù)难芯糠桨甘牵和ㄟ^(guò)對(duì)彈上空間結(jié)構(gòu)的分析及彈上各發(fā)射系統(tǒng)的信號(hào)整合，采用合理的信號(hào)編碼,UWB,MIMO,OFDM,磁諧振耦合等技術(shù)，將信號(hào)以無(wú)線傳播的方式發(fā)射到導(dǎo)彈內(nèi)部各接收系統(tǒng)，并通過(guò)接收天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇接收，從而實(shí)現(xiàn)彈上收發(fā)系統(tǒng)間的高效率信號(hào)可靠互連與傳輸。

1.2 無(wú)線光傳輸方案

無(wú)線光通信,是光纖通信和無(wú)線通信相結(jié)合的產(chǎn)物。它是指以激光為載體,在真空或大氣中傳遞信息的一種通信技術(shù)。和其他無(wú)線通信相比，具有頻率寬、成本低、定向性好、保密性好、誤碼率低、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的光纖通訊，又可省去大量的光纖排布，特別適用于不適合使用光纖的領(lǐng)域[6-9]。例如星間通訊，由于傳輸距離非常遠(yuǎn)，需要一整套復(fù)雜的光傳輸系統(tǒng)，包括高功率激光發(fā)射器、高靈敏度激光接收器、光學(xué)透鏡組、動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)追蹤系統(tǒng)等。

對(duì)于彈上空間結(jié)構(gòu)的無(wú)線通信，要求自由空間光傳輸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低廉等特點(diǎn)。基于此，設(shè)計(jì)并制造了自由空間光傳輸系統(tǒng)，并成功實(shí)現(xiàn)了100 mm間距的10 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，其基本原理如圖1所示。

圖1 光無(wú)線傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.1 Optical wireless transmission system diagram

2 高速信息傳輸背板技術(shù)

基于背板集成技術(shù)是解決彈上設(shè)備間復(fù)雜電纜互連的有效解決途徑。隨著導(dǎo)彈研制過(guò)程的發(fā)展，型號(hào)研制面臨著高可靠、低成本、快速等新的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)導(dǎo)彈輕小型化設(shè)計(jì)的需要，要求將傳統(tǒng)的彈上硬件設(shè)備通過(guò)整合、資源共享實(shí)現(xiàn)一個(gè)硬件設(shè)備具備多個(gè)設(shè)備的電氣功能?；谠撛O(shè)計(jì)原則目前導(dǎo)彈采取的解決方案是：將傳統(tǒng)的具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的彈上各設(shè)備用電路板實(shí)現(xiàn)其原有功能，而各電路板之間的信息傳輸則是通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)的。

背板集成技術(shù)主要包括復(fù)雜信號(hào)綜合電路設(shè)計(jì)、三維微波集成電路設(shè)計(jì)和微波多層板設(shè)計(jì)制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可將高集成信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成多層印制板形式，以多層板內(nèi)的垂直互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜連接[10-12]。然而，對(duì)于彈上距離較遠(yuǎn)的通信系統(tǒng)間，難以采用背板集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的互連與傳輸。

2.1 彈載高速背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

可以采用基于VPX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高速背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法?；赩PX標(biāo)準(zhǔn)的高速背板可以分為3U和6U 2種規(guī)格。本文以采用3U規(guī)格為例，給出了彈載高速背板設(shè)計(jì)方案，即每個(gè)槽位為3U的尺寸。彈載高速背板結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 彈載高速背板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of missile-borne high-speed backplane structure

(1) 槽位布局及功能

彈載高速背板由電源輸入接口和10個(gè)模塊槽位組成，完成彈上信號(hào)的通訊與傳輸。

(2) 槽位識(shí)別設(shè)計(jì)

由于采用標(biāo)準(zhǔn)VPX連接器，結(jié)構(gòu)形式基本相同，故在設(shè)計(jì)高速背板時(shí)需要考慮槽位識(shí)別功能，本高速背板采用兩種方式：定位銷(xiāo)防插錯(cuò)設(shè)計(jì)和主控模塊槽位識(shí)別，用以消除模塊連接錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)可靠度。

VPX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5種定位銷(xiāo)的角度，分別是0°，45°，90°，270°和315°，背板設(shè)計(jì)時(shí)，將這5種角度進(jìn)行組合，確定每一個(gè)槽位獨(dú)特的定位銷(xiāo)方式，以此方式，模塊只能連接到自己的專(zhuān)屬槽位。

2.2 彈載高速背板信號(hào)設(shè)計(jì)

電氣信號(hào)是彈載高速背板設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，整個(gè)導(dǎo)彈的信號(hào)傳輸均由高速背板完成，信號(hào)包括電源信號(hào)、基本功能信號(hào)、高速串行總線信號(hào)、其他串行總線信號(hào)等。

(1) 電源信號(hào)

彈載高速背板在電源模塊輸入前端設(shè)置濾波、去噪電容，電容主要由10 μF鉭電容和0.1 μF瓷介電容組成，主要用于削弱電源噪聲。PCB布線時(shí)各電源網(wǎng)絡(luò)采用大面積敷銅的方式，電壓降低、紋波較小，故電路設(shè)計(jì)時(shí)只考慮濾除各模塊干擾信號(hào)對(duì)背板電源網(wǎng)絡(luò)的影響。在彈載高速背板設(shè)計(jì)中，采用1 μF和0.1 μF瓷片電容并在各槽位電源入口，PCB布局時(shí)電容就近放置。

電源信號(hào)的傳輸根據(jù)功率不同，采用不同的布局位置。大電流電源布置在表層，便于散熱。小電流電源由于電流較小，選擇布置在內(nèi)層。

(2) 基本功能信號(hào)

彈載高速背板中基本功能信號(hào)主要包括PMBus通訊總線信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等。

PMBus通信總線中SCL，SDA，SMBALERT通過(guò)10 kΩ電阻上拉至AUX_+3P3，拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。其中，在本文設(shè)計(jì)的高速背板中電源管控功能由PMBus總線實(shí)現(xiàn)，主控模塊作為主控制器，其他模塊作為從控制器。

圖3 PMBus通信總線拓?fù)潢P(guān)系Fig.3 Topological relations of PMBus communication bus

時(shí)鐘系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：一是主時(shí)鐘，另外一個(gè)是秒脈寬。通過(guò)高速背板時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)送到各個(gè)模塊，2種信號(hào)在高速背板中采用相同的布線原則。背板布線均遵循TIA/EIA-644 LVDS標(biāo)準(zhǔn)，線路差分阻抗100 Ω，掛載終端匹配電阻100 Ω，減少信號(hào)反射。拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘信號(hào)拓?fù)潢P(guān)系Fig.4 Topological relations of clock signal

(3) 高速串行總線信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的彈載高速背板符合VPX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用Gigabit Ethernet(GbE)和Serial RapidIO(SRIO)2種高速串行總線，用以實(shí)現(xiàn)彈上信息的高速傳輸。由于高速背板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型連接，故彈上各模塊設(shè)備需要通過(guò)交換模塊進(jìn)行信息交互。

(4) 其他類(lèi)型信號(hào)

為了滿足導(dǎo)彈測(cè)試、仿真等需求，彈載高速背板還設(shè)計(jì)了滿足特殊需求的一些專(zhuān)用信號(hào)。

2.3 彈載高速背板PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量，是信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力[13-14]。由于時(shí)鐘頻率的提高，信號(hào)的上升邊必然會(huì)減小，隨著信號(hào)上升沿的減小，信號(hào)完整性的問(wèn)題變的越來(lái)越嚴(yán)重、典型的邊沿和頻率的轉(zhuǎn)換公式為

(1)

式中:tr表示上升沿，單位為ns；f為時(shí)鐘頻率，單位為GHz。

根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，高速背板傳輸信號(hào)的頻率一般在GHz級(jí)別，上升邊沿為0.01 ns左右、因此信號(hào)屬于高速串行信號(hào)，必須采取一定信號(hào)完整性設(shè)計(jì)才保證設(shè)計(jì)的一次成功率。信號(hào)完整性設(shè)計(jì)主要包括疊層設(shè)置和系統(tǒng)布線。

(1) 疊層設(shè)置

在PCB走線中的磁力線是沿逆時(shí)針?lè)较虻模绻逊祷芈窂脚c對(duì)應(yīng)的源路徑平行并且與其靠近，在返回路徑中的磁力線(逆時(shí)針?lè)较虻膱?chǎng))，相對(duì)于源路徑中的磁力線(順時(shí)針?lè)较虻膱?chǎng))，將是相反的方向，這樣順時(shí)針場(chǎng)和逆時(shí)針場(chǎng)可以抵消。如果源和返回路徑之間的磁力線被消除或減小，那么除了在走線附近極小的面積上，輻射和RF電流就不存在。多層板可以實(shí)現(xiàn)磁通量最小化，這是采用多層板的原因之一。在層疊結(jié)構(gòu)中，信號(hào)層靠近參考層，信號(hào)返回路徑直接位于信號(hào)線的下方，回路面積最小，磁通量抵消最明顯。

為了實(shí)現(xiàn)磁通量最小化，必須實(shí)現(xiàn)PCB板上信號(hào)層和參考層交錯(cuò)排列，每個(gè)信號(hào)層都有相鄰的參考層。對(duì)于彈載高速背板，其最主要的串行高速通信線路采用差分走線的方式，其主要分為差分微帶線和差分帶狀線。

(2) 系統(tǒng)布線

對(duì)于彈載高速背板，疊層結(jié)構(gòu)和阻抗設(shè)置完成后就可以進(jìn)行布線。布線過(guò)程中，為了保證關(guān)鍵傳輸信號(hào)的時(shí)序和信號(hào)完整性，主要采取蛇形延遲線和控制串?dāng)_布線。

完成PCB布線后，選取一對(duì)彈載高速背板中最長(zhǎng)差分?jǐn)?shù)據(jù)線，考量其高速性能，可以有效地反映彈載高速背板高速信號(hào)的完整性。

3 彈載光纖微系統(tǒng)傳輸技術(shù)

傳統(tǒng)的金屬屏蔽電纜由于受目前電纜加工工藝所限，難于實(shí)現(xiàn)全傳輸路徑的連續(xù)屏蔽，彈上設(shè)備間各種強(qiáng)弱、高低頻信號(hào)在復(fù)雜的電纜網(wǎng)中傳輸，勢(shì)必受到外部復(fù)雜電磁環(huán)境及信號(hào)相互之間的影響。光纖傳輸系統(tǒng)將傳統(tǒng)數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、模擬量等電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光纖信號(hào)進(jìn)行傳輸，滿足大容量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，具有提升信息傳輸抗干擾能力和復(fù)雜空間環(huán)境適應(yīng)性、體積小、質(zhì)量小、傳輸信息容量大、安全性和保密性高等特點(diǎn)[15]。光纖傳輸系統(tǒng)主要由光端機(jī)模塊、光電連接器及光纜網(wǎng)等組成。

其主要技術(shù)方案為：①采用光纖傳輸方式搭建導(dǎo)彈信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，將常用的信息傳輸體制如：LVDS總線、485總線、低速?gòu)椀乜偩€、以太網(wǎng)、開(kāi)關(guān)量、模擬量等采用光纖進(jìn)行傳輸。②研發(fā)微小型集成光電轉(zhuǎn)換模塊，現(xiàn)有的光電轉(zhuǎn)換模塊體積質(zhì)量都比較大，不能滿足微傳輸?shù)囊?，因此需要進(jìn)行微小型集成光電轉(zhuǎn)換模塊研制，兼容高速光收發(fā)模塊和低速光收發(fā)模塊的功能，即采用一種模塊，既可以傳遞高速信號(hào)(LVDS，以太網(wǎng))，又可以傳遞低速信號(hào)(RS-422，RS- 485，低速差分信號(hào))，同時(shí)還可以將開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。光纖傳輸系統(tǒng)主要由光端機(jī)模塊、光電連接器及光纜網(wǎng)等組成。

4 彈上柔板(FPC)傳輸技術(shù)

柔板(FPC)的導(dǎo)體截面薄而扁平，介質(zhì)的輕薄和可彎曲性，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理。與剛性板比，空間可節(jié)省60%以上。與傳統(tǒng)的電纜導(dǎo)線相比，節(jié)約了電纜處理中必須的護(hù)套以及錦綸絲套等屏蔽處理，空間得到大幅降低。同時(shí)柔板可通過(guò)設(shè)計(jì)控制線寬、線距、線厚、介質(zhì)厚度、介質(zhì)介電常數(shù)等參數(shù)，達(dá)到控制電容、電感、特性阻抗、延遲和衰減等電氣特性，這些都是普通導(dǎo)線電纜難以做到的。因此柔板可以實(shí)現(xiàn)低頻、射頻、高速信號(hào)的傳輸。

在選用柔板傳輸技術(shù)時(shí)需要關(guān)注安裝固定措施。柔板示意圖如圖5所示。

圖5 彈上柔板示意圖Fig.5 Schematic diagram of FPC on missile

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)彈上設(shè)備之間的信息傳輸技術(shù)提出了更加苛刻的新要求，目前使用的電纜傳輸、數(shù)據(jù)總線均存在一定的局限性，迫切需要研究基于微系統(tǒng)技術(shù)的高可靠、高速率、小型化、強(qiáng)電磁兼容性的彈載高速信息傳輸技術(shù)。