機(jī)載綜合模塊化處理平臺光互聯(lián)方法研究

湛文韜， 楊 柳， 王小波

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究所，西安 710000)

0 引言

當(dāng)代飛機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計中，機(jī)載綜合模塊化處理平臺內(nèi)部及其與各設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)光纖化已經(jīng)成為一種趨勢。在機(jī)載環(huán)境下，光互聯(lián)技術(shù)必須要解決高密度互聯(lián)、高可靠性、抗惡劣環(huán)境以及易于維修替換等問題[1]。目前，機(jī)載綜合模塊化處理平臺主要有兩種實(shí)現(xiàn)形式，一是集中式機(jī)箱內(nèi)部配置ASAAC等標(biāo)準(zhǔn)的LRM模塊[2](以下簡稱集中式結(jié)構(gòu))，另一種是托架式安裝符合ARINC600標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的LRU單元[3](以下簡稱ARINC600結(jié)構(gòu))，針對這兩種形式的機(jī)載綜合模塊化處理平臺，實(shí)現(xiàn)滿足機(jī)載環(huán)境要求的光互聯(lián)方法就顯得非常重要。

1 機(jī)載光互聯(lián)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前在機(jī)載領(lǐng)域，光互聯(lián)通信主要有以下兩種方法。

1) 印制光-電路板(Optical-Electronic Circuit Board，EOCB)，簡單地說，就是光與電整合，以光來進(jìn)行信號傳輸，以電進(jìn)行高速運(yùn)算的新一代封裝基板。該方法在目前發(fā)展非常成熟的印制電路板內(nèi)加上一層導(dǎo)光層，使電路板的使用由現(xiàn)有的電連接技術(shù)延伸到光傳輸領(lǐng)域。印制光-電路板與標(biāo)準(zhǔn)的PCB技術(shù)和表面貼裝技術(shù)SMT兼容,能輕易實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的高密小型化，其結(jié)構(gòu)主要由PCB板(含常規(guī)電路)、光波導(dǎo)、光耦合元件和光模塊(或光器件) 組成,其中，光波導(dǎo)及光電板的加工、光耦合元件的加工和系統(tǒng)的組裝是目前業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn),也是技術(shù)難點(diǎn)所在。

2) 光纖電路技術(shù)。其特點(diǎn)是將光纖電路(帶狀光纖)布線后封裝到柔性板材中，實(shí)現(xiàn)母板上各模塊與母板之間的光纖互連，以達(dá)到對高密度光纖互連的管理，這是目前比較成熟的光互聯(lián)技術(shù)。這方面做的最好的是Amphenol公司[4]，其采用的光互聯(lián)方法如圖1所示，其模塊內(nèi)部輸出光信號，功能模塊和交換模塊之間通過MT接頭組成互聯(lián)關(guān)系，完成內(nèi)部各模塊的互聯(lián)通信。

圖1 Amphenol公司的機(jī)載光互聯(lián)方法Fig.1 Airborne optical interconnection method of Amphenol company

1.2 綜合分析

印制光-電路板從實(shí)現(xiàn)上來看，由于材料、成本和工藝等多方面原因，尚無大規(guī)模應(yīng)用的案例，發(fā)展還不成熟。從現(xiàn)有資料看，光纖電路技術(shù)的實(shí)現(xiàn)僅局限于機(jī)載平臺原型機(jī)內(nèi)部模塊之間的高密度互聯(lián)，平臺和外部設(shè)備之間的互聯(lián)方法及其抗惡劣環(huán)境實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有描述。本文主要基于光纖電路技術(shù)，分別針對兩種構(gòu)型的機(jī)載綜合模塊化處理平臺的光互聯(lián)方法進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)。

2 機(jī)載綜合模塊化處理平臺光互聯(lián)實(shí)現(xiàn)

2.1 集中式結(jié)構(gòu)的光互聯(lián)方法

集中式結(jié)構(gòu)的機(jī)載綜合模塊化處理平臺主要有如下特點(diǎn)：1) 平臺內(nèi)部各組成為標(biāo)準(zhǔn)LRM模塊，各LRM模塊為外場可更換單元；2) 各LRM模塊插入帶有母板的機(jī)箱，機(jī)箱整體安裝在飛機(jī)上；3) 組成整機(jī)的LRM模塊較多，LRM模塊本身是標(biāo)準(zhǔn)通用的產(chǎn)品，機(jī)箱內(nèi)部信號傳輸距離相對較長；4) 在機(jī)箱內(nèi)部完成LRM模塊和交換機(jī)之間的互聯(lián)，機(jī)箱內(nèi)部的精度控制比較精細(xì)；5) 對外的互聯(lián)一般采用滿足J599系列標(biāo)準(zhǔn)的圓形連接器，可以無需工具直接手動操作。

現(xiàn)有機(jī)載綜合模塊化處理平臺中應(yīng)用的光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕薪粨Q式和點(diǎn)對點(diǎn)兩種[5]，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在機(jī)載綜合模塊化處理平臺中對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換過程如圖2所示，其主要區(qū)別是點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)換過程，是交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子集。

圖2 交換式和點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換過程Fig.2 The process of optical-electric transformation for switching mode and end-to-end topology

集中式結(jié)構(gòu)的機(jī)載綜合模塊化處理平臺的光互聯(lián)方法具體實(shí)現(xiàn)如下。

1) 光電轉(zhuǎn)換完成光信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)化。

平臺內(nèi)部各數(shù)據(jù)信號處理節(jié)點(diǎn)的電信號數(shù)據(jù)需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換以光的形式在光纖中傳輸，接收端接到光信號后再通過光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)為電信號，平臺對模塊體積、重量及功耗要求較高，因此光電轉(zhuǎn)換也必須滿足小、低、輕的要求。光電轉(zhuǎn)換可以采用VCSEL激光器組成的小封裝光模塊來完成。其中，4收4發(fā)光模塊組成各LRM功能模塊節(jié)點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換單元，12路發(fā)送模塊和12路接收模塊組成交換機(jī)的光電轉(zhuǎn)換單元。采用光模塊實(shí)現(xiàn)的光電轉(zhuǎn)換單元集成度高、經(jīng)濟(jì)性及可靠性好，能滿足高密度及高可靠性要求。

2) 高密度MT接口實(shí)現(xiàn)輸入輸出[6]。

由于模塊的尺寸限制，LRM模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過光模塊轉(zhuǎn)換成光信號數(shù)據(jù)后，必須經(jīng)過高密度接口引出。綜合航電平臺引入尺寸1.25 mm的MT高密度光纖接口，單個接口上能集成12芯光纖通道，且性能已經(jīng)與單光纖連接器的性能不相上下?；贛T接口定義了光電混裝連接器，分別應(yīng)用于功能模塊和交換機(jī)模塊，具體如圖3所示。各功能模塊和交換機(jī)模塊通過該連接器的MT頭組成對外光纖通道。

圖3 高密度MT接口及基于MT接口的LRM連接器Fig.3 High-density MT interface and its LRM connector

3) 光背板組成內(nèi)部光纖網(wǎng)[7]。

光纖經(jīng)過MT高密度互聯(lián)接口引出后，需要根據(jù)平臺內(nèi)部互聯(lián)關(guān)系組成光纖網(wǎng)。光背板實(shí)際就是要將多組基于MT接頭的帶狀光纖組合在背板內(nèi)部進(jìn)行分解和組合，形成綜合航電平臺需要的光網(wǎng)絡(luò)，光背板內(nèi)外所有接口為MT接頭，和LRM模塊及交換機(jī)模塊的MT接頭配插。考慮到平臺抗惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，需要采用柔性物質(zhì)將光背板內(nèi)部已完成布線關(guān)系的光纖固定，再通過外殼進(jìn)行包裝，便于安裝和保護(hù)，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖4所示。

圖4 光背板結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖Fig.4 Architecture and implementation of optical backplane

4) MT轉(zhuǎn)ARINC801光纜組成對外光纖通道。

為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性和兼容性，光背板上所有對外端子均為MT接頭。平臺引入了滿足ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的圓形光纖連接器(其外形尺寸兼容J599系列標(biāo)準(zhǔn))[8]，安裝在航電平臺外部蓋板上。相比MT接口，ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的連接器和光纖接觸件終端都是通用組件，光性能和環(huán)境適應(yīng)性更好。MT轉(zhuǎn)ARINC801光纜一端是MT接口，另一端是ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的通用光接觸件，能直接安裝在ARINC801標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器上，組成統(tǒng)一的對外光通道。該MT轉(zhuǎn)ARINC801光纜可以與光背板上的MT接口配插，完成交換式拓?fù)涞膶ν夤馔ǖ溃部梢灾苯优c模塊MT接口配插，完成點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)涞膶ν夤馔ǖ?。這樣做的主要目的是便于拆卸和維修。

5) ARINC801標(biāo)準(zhǔn)光纜完成平臺與外部其他設(shè)備互聯(lián)。

平臺與外部設(shè)備光互聯(lián)通訊的起點(diǎn)是ARINC801光纖連接器，與平臺的ARINC801光纖連接器配插，另一端是與其他設(shè)備配合的接口(調(diào)試一般用LC接口，正式上機(jī)采用符合ARINC801的標(biāo)準(zhǔn)接口)。

總的來說，集中式綜合模塊化航電平臺通過光電轉(zhuǎn)換、MT接口、光背板、MT轉(zhuǎn)ARINC801光纜及ARINC801標(biāo)準(zhǔn)光纜建立與外部設(shè)備之間的光互聯(lián)通道，完成平臺內(nèi)部和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。其具體的實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 集中式機(jī)載綜合模塊化航電平臺光互聯(lián)方法Fig.5 Method of optical interconnection for centralized IMA platform

2.2 ARINC600結(jié)構(gòu)的光互聯(lián)方法

托架安裝的ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載綜合模塊化處理平臺主要有如下特點(diǎn)：1) 滿足ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)為一個外場可更換單元(LRU)；2) 各LRU安裝在托架上，托架安裝并固定到飛機(jī)上；3) ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)是機(jī)上可更換的單元，單個整機(jī)體積重量較?。?) ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)安裝到托架，精度的控制相比機(jī)箱困難；5) ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)主要通過托架上的矩形連接器與外部設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)通訊。

ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載核心處理平臺的光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和集中式比較類似，其光互聯(lián)方法具體實(shí)現(xiàn)如下。

1) 光電轉(zhuǎn)換完成光信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)化，光電轉(zhuǎn)換方式和集中式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式一致。

2) 交換功能的LRU單元采用高密度MPO接口實(shí)現(xiàn)輸入輸出。

ARINC600標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)樣式安裝在托架上，整體插拔頻繁，與托架之間的精度控制相對比較困難。另外，即便在集中式機(jī)箱中，MT接口的安裝也需要配合壓板進(jìn)行固定。對交換功能的LRU單元來說，由于內(nèi)部端口互聯(lián)較少，幾乎所有的交換機(jī)端口都要對外接出，對高密度接口的可靠性及維護(hù)性要求較高，因此選擇了MPO(multi-fiber push-on)接口[9]。MPO光纖接口是一種多芯多通道的可插拔連接器，具體如圖6所示。MPO接口內(nèi)部核心是MT接口，其在MT接口的基礎(chǔ)上增加了兩層外殼和適配器，實(shí)現(xiàn)高密度互聯(lián)的同時，可靠性更高。

圖6 MPO接口及典型連接器排列Fig.6 MPO interface and the typical connector layout

3) 功能LRU單元采用ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的光纖接觸件實(shí)現(xiàn)輸入輸出。

功能LRU單元對外接出端口數(shù)量較少，沒有高密度的要求，實(shí)現(xiàn)通用可靠即可。因此，功能LRU單元采用ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的光纖接觸件和矩形連接器配合，更加通用可靠。ARINC801標(biāo)準(zhǔn)的光纖接觸件類似電插針，可以與圓形、矩形連接器配合使用。

4) LRU直接的互聯(lián)。

各LRU直接的互聯(lián)根據(jù)接口的區(qū)別選擇不同類型的轉(zhuǎn)接光纖即可，如MPO轉(zhuǎn)LC接口、MPO轉(zhuǎn)ARINC801接觸件接口等。

ARINC600標(biāo)準(zhǔn)航電平臺光互聯(lián)具體實(shí)現(xiàn)見圖7。

圖7 ARINC600標(biāo)準(zhǔn)航電平臺光互聯(lián)實(shí)現(xiàn)方案Fig.7 Implementation of optical interconnection for ARINC600 avionic platform

3 光互聯(lián)方法驗證

光信號傳輸和電信號不一樣，電信號插合不到位可以直接通過通斷測試測量出來，而光信號無法進(jìn)行通斷測量。光信號傳輸接觸方式如圖8所示，理想傳輸配插的兩個接頭必須要接觸良好且精確對接，接觸端面必須潔凈，沒有灰塵或污染。有時候接觸不夠緊密或者稍有污染，使用過程雖正常，但在某些特殊情況下會偶發(fā)無法通訊現(xiàn)象，必須采用特定的光損測試儀才能發(fā)現(xiàn)，所以安裝后必須進(jìn)行每一通道的光損測試，一般光損值要求低于2 dB。

圖8 光信號傳輸接觸方式Fig.8 Connector touching mode in optical transmission

本文基于多臺集中式結(jié)構(gòu)的機(jī)載綜合模塊化處理平臺的96路光纖通道進(jìn)行光損測試，其結(jié)果平均值如圖9所示，豎軸各點(diǎn)表示光損值，橫軸是對應(yīng)的光纖通道號，結(jié)果表明，該光互聯(lián)方法的光損能滿足設(shè)計要求。

圖9 光互聯(lián)通道光損值Fig.9 Optical loss of each channel of optical interconnection

對應(yīng)用了該光互聯(lián)方法的機(jī)載綜合模塊化處理平臺進(jìn)行了環(huán)境試驗，試驗條件及結(jié)果如表1所示。實(shí)驗結(jié)果表明，該方法能滿足高可靠性及抗惡劣環(huán)境需求。

表1 光互聯(lián)環(huán)境試驗條件及結(jié)果Table 1 Environmental test condition and result for optical interconnection

4 光互聯(lián)方法改進(jìn)方向研究探討

4.1 減少平臺內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換

機(jī)載綜合模塊化處理平臺內(nèi),處理單元和交換單元上均采用光模塊實(shí)現(xiàn)重復(fù)的光電轉(zhuǎn)換，帶來成本、功耗等問題，因此，平臺也采取一些措施以減少光電轉(zhuǎn)換。

集中式結(jié)構(gòu)的機(jī)載綜合模塊化處理平臺目前實(shí)現(xiàn)了傳輸速率為1 Gibit/s時，平臺內(nèi)部模塊間通訊采用電傳輸，平臺與外部設(shè)備之間采用光傳輸?shù)姆绞剑@樣可以減少處理單元和部分交換通道的光電轉(zhuǎn)換，但是傳輸速率為2 Gibit/s的電信號傳輸還沒有實(shí)現(xiàn)和驗證，仿真結(jié)果顯示可能會存在信號完整性問題。

ARINC600標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際應(yīng)用中沒有獨(dú)立的交換LRU單元，一般都將交換LRU單元和一個處理單元結(jié)合在一起組成一個2MCU厚(57.2 mm)標(biāo)準(zhǔn)的處理交換單元。這樣做的主要原因是：1) 單獨(dú)一個交換單元，如果要用到48個端口，必須至少支持96路光纖通道(一收一發(fā))，需要8個MPO接口，在一個MCU厚(26 mm)的后矩形連接器上布局比較困難；2) 將交換機(jī)設(shè)計成2MCU厚的獨(dú)立單元在空間上有點(diǎn)浪費(fèi)，集成一路處理單元之后，由于內(nèi)部距離較短，可以完成一路交換機(jī)端口和處理單元之間的電互聯(lián)，處理單元和交換單元上各減少一次光電轉(zhuǎn)換。

具體如圖10所示，這種實(shí)現(xiàn)盡管減少了一路光電轉(zhuǎn)換，可以減少光電收發(fā)器的使用，但是會影響內(nèi)部SRU級產(chǎn)品的通用性和靈活性。

圖10 LRU內(nèi)部電互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)Fig.10 Electrical connection within LRU

4.2 全光交換

現(xiàn)有的機(jī)載光互聯(lián)方法都采用了交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)各部件或設(shè)備之間完成一次數(shù)據(jù)交換和處理至少要經(jīng)過4次光電轉(zhuǎn)換，多次轉(zhuǎn)換帶來了成本的消耗，所以機(jī)載綜合模塊化處理平臺也在探索全光交換的實(shí)現(xiàn)[10]。

全光交換意味著處理器也需要直接處理光信號，則必須將光電轉(zhuǎn)換器件和處理器芯片直接集成在一起，這樣處理器將不再有密布的引腳，只有電源引腳和光纖輸入/輸出接口，所有的數(shù)據(jù)交換都將通過光接口來完成。但是，這種技術(shù)的發(fā)展無法繞開印制光-電路板技術(shù)，因為處理器芯片集成了光接口后，印制板中必須集成光通訊層，用光波導(dǎo)取代傳統(tǒng)的PCB銅線。目前受制于生產(chǎn)關(guān)系、工藝及材料等因素，處理器直接處理光信號還需要較長的過程。所以，現(xiàn)有機(jī)載綜合模塊化處理平臺只能采用沒有光接口的商用處理器，處理器端的光電轉(zhuǎn)換也不可避免。因此，機(jī)載綜合模塊化處理平臺全光交換研究的主要目標(biāo)是避免交換過程的光電轉(zhuǎn)換，其主流技術(shù)是波分多路復(fù)用(WDM)光波交換，即在一個光纖中同時傳輸幾十路不同波長的光波信號，基于光波長路由實(shí)現(xiàn)高帶寬設(shè)備間的海量信息交換。目前這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在預(yù)研中開發(fā)了原型，但還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程化應(yīng)用。

4.3 10 Gibit/s以上速率的應(yīng)用

目前的光電轉(zhuǎn)換主要由光電收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在用的光電收發(fā)器是基于垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)實(shí)現(xiàn)的，光電轉(zhuǎn)換存在速率轉(zhuǎn)換瓶頸[11]。以前最早用的光電收發(fā)器只能支持2 Gibit/s速率，現(xiàn)在新出的樣品能夠支持10 Gibit/s速率；如果要支持更高的速率，封裝等就會出現(xiàn)較大的變化，在機(jī)載綜合模塊化處理平臺中應(yīng)用需要重新進(jìn)行工程化驗證。目前平臺中實(shí)現(xiàn)光纖通訊主要是支持2 Gibit/s速率，同時開展4 Gibit/s速率的探索，從現(xiàn)有的評估結(jié)果來看基本能滿足系統(tǒng)要求。未來是否需要繼續(xù)開展10 Gibit/s以上速率的研究，還需要與用戶結(jié)合發(fā)展趨勢及飛機(jī)需求進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)論

目前采用的光模塊、光背板，配合高密度MT/MPO接口及ARINC801系列標(biāo)準(zhǔn)組件的光互聯(lián)方法，已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)載綜合模塊化處理平臺，可以有效解決高可靠互聯(lián)和工程化應(yīng)用問題，目前也進(jìn)入了試飛鑒定階段，需要持續(xù)收集問題并積累經(jīng)驗。未來的機(jī)載綜合模塊化處理平臺應(yīng)用中，隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，減少光電轉(zhuǎn)換、速率提升等需求可能會更迫切，解決方案也會更加成熟，因此需要盡早開展相關(guān)的研究，隨時做好在新的型號中進(jìn)行應(yīng)用和驗證的準(zhǔn)備。