小型化弹载高速信息传输技术研究浅谈*

2019-07-16王臻靳昊鑫董淑英

现代防御技术 2019年3期

王臻,靳昊鑫,董淑英

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

弹上设备间的信息传输犹如人体的血管、神经系统，在导弹系统中起到至关重要的作用。目前传统的导弹普遍采用点对点直接连接的电缆网进行设备间的信号传输。这种信号传输模式都需要接插件和导线，其占用体积空间大，结构布局设计复杂，造成导弹总装过程繁琐难于实现导弹的自动化总装，同时也降低了系统的可靠度。

近年来，随着导弹系统高度集成化、小型化发展的迫切需求，弹上信息高速传输系统小型化、集成化、芯片化也成为弹载信息传输技术的发展趋势。本文主要研究弹载高速信息传输技术中的应用，探讨技术实现途径，为后续的工程应用提供一种设计思路。本文主要从无缆传输技术、高速信息传输背板技术、弹载光纤微传输系统、柔性电路板、等方面进行技术研究。

1 弹上无缆传输技术的探索

无线通信技术经过十几年的飞速发展，技术逐步成熟且在民用领域取得了长足的发展，如果这些技术应用到弹上设备间的信息传输，会对导弹的研制产生颠覆性的影响。

目前，实现无缆互连传输的技术手段主要有无线光传输和微波无线传输2种技术方式。

基于超宽带、MIMO多天线、高集成无线收发系统设计等先进技术，可将传统弹上线缆传输网络以无线信号传输方式替代，实现弹上有缆传输向无缆传输的技术变革，最大限度地降低整个系统的体积和重量，从而最终从系统层面提高弹上通信系统的可靠性，提升武器的作战性能[1-5]。

21世纪初，光通信快速发展，光互连方案逐渐成熟，光通信在十余年内从M级网络到100 G网络快速演变。鉴于光互连在高数据带宽、低损耗、抗电磁干扰、高保密性、轻量化等方面的卓越表现，新一代军用电子系统开始逐步引入光作为信息传输的介质。与电信号“铜”介质传输相比，高宽带的光互联技术被认为是满足下一代甚至是多代系统需求的互联技术。但是，光通信又存在一些缺点，如需要额外供电、光纤端面抗污染能力差，在恶劣环境条件下难以保证正常插拔使用。

1.1 微波无线传输方案

微波无线传输的研究方案是：通过对弹上空间结构的分析及弹上各发射系统的信号整合，采用合理的信号编码,UWB,MIMO,OFDM,磁谐振耦合等技术，将信号以无线传播的方式发射到导弹内部各接收系统，并通过接收天线对信号进行选择接收，从而实现弹上收发系统间的高效率信号可靠互连与传输。

1.2 无线光传输方案

无线光通信,是光纤通信和无线通信相结合的产物。它是指以激光为载体,在真空或大气中传递信息的一种通信技术。和其他无线通信相比，具有频率宽、成本低、定向性好、保密性好、误码率低、抗电磁干扰等优点。相比于传统的光纤通讯，又可省去大量的光纤排布，特别适用于不适合使用光纤的领域[6-9]。例如星间通讯，由于传输距离非常远，需要一整套复杂的光传输系统，包括高功率激光发射器、高灵敏度激光接收器、光学透镜组、动态瞄准追踪系统等。

对于弹上空间结构的无线通信，要求自由空间光传输具有结构简单、尺寸较小、稳定性好、可靠性高、成本低廉等特点。基于此，设计并制造了自由空间光传输系统，并成功实现了100 mm间距的10 Gbit/s的数据传输，其基本原理如图1所示。

图1 光无线传输系统示意图Fig.1 Optical wireless transmission system diagram

2 高速信息传输背板技术

基于背板集成技术是解决弹上设备间复杂电缆互连的有效解决途径。随着导弹研制过程的发展，型号研制面临着高可靠、低成本、快速等新的挑战。为了适应导弹轻小型化设计的需要，要求将传统的弹上硬件设备通过整合、资源共享实现一个硬件设备具备多个设备的电气功能。基于该设计原则目前导弹采取的解决方案是：将传统的具有独立结构的弹上各设备用电路板实现其原有功能，而各电路板之间的信息传输则是通过背板实现的。

背板集成技术主要包括复杂信号综合电路设计、三维微波集成电路设计和微波多层板设计制造技术等关键技术，可将高集成信号传输网络设计成多层印制板形式，以多层板内的垂直互连代替传统的电缆连接[10-12]。然而，对于弹上距离较远的通信系统间，难以采用背板集成技术实现信号的互连与传输。

2.1 弹载高速背板结构设计方法

可以采用基于VPX标准进行高速背板结构设计的方法。基于VPX标准的高速背板可以分为3U和6U 2种规格。本文以采用3U规格为例，给出了弹载高速背板设计方案，即每个槽位为3U的尺寸。弹载高速背板结构示意图如图2所示。

图2 弹载高速背板结构示意图Fig.2 Schematic diagram of missile-borne high-speed backplane structure

(1) 槽位布局及功能

弹载高速背板由电源输入接口和10个模块槽位组成，完成弹上信号的通讯与传输。

(2) 槽位识别设计

由于采用标准VPX连接器，结构形式基本相同，故在设计高速背板时需要考虑槽位识别功能，本高速背板采用两种方式：定位销防插错设计和主控模块槽位识别，用以消除模块连接错误的风险，提高系统可靠度。

VPX标准规定了5种定位销的角度，分别是0°，45°，90°，270°和315°，背板设计时，将这5种角度进行组合，确定每一个槽位独特的定位销方式，以此方式，模块只能连接到自己的专属槽位。

2.2 弹载高速背板信号设计

电气信号是弹载高速背板设计的重点，整个导弹的信号传输均由高速背板完成，信号包括电源信号、基本功能信号、高速串行总线信号、其他串行总线信号等。

(1) 电源信号

弹载高速背板在电源模块输入前端设置滤波、去噪电容，电容主要由10 μF钽电容和0.1 μF瓷介电容组成，主要用于削弱电源噪声。PCB布线时各电源网络采用大面积敷铜的方式，电压降低、纹波较小，故电路设计时只考虑滤除各模块干扰信号对背板电源网络的影响。在弹载高速背板设计中，采用1 μF和0.1 μF瓷片电容并在各槽位电源入口，PCB布局时电容就近放置。

电源信号的传输根据功率不同，采用不同的布局位置。大电流电源布置在表层，便于散热。小电流电源由于电流较小，选择布置在内层。

(2) 基本功能信号

弹载高速背板中基本功能信号主要包括PMBus通讯总线信号、时钟信号等。

PMBus通信总线中SCL，SDA，SMBALERT通过10 kΩ电阻上拉至AUX_+3P3，拓扑关系如图3所示。其中，在本文设计的高速背板中电源管控功能由PMBus总线实现，主控模块作为主控制器，其他模块作为从控制器。

图3 PMBus通信总线拓扑关系Fig.3 Topological relations of PMBus communication bus

时钟系统主要分为2个部分：一是主时钟，另外一个是秒脉宽。通过高速背板时钟网络送到各个模块，2种信号在高速背板中采用相同的布线原则。背板布线均遵循TIA/EIA-644 LVDS标准，线路差分阻抗100 Ω，挂载终端匹配电阻100 Ω，减少信号反射。拓扑关系如图4所示。

图4 时钟信号拓扑关系Fig.4 Topological relations of clock signal

(3) 高速串行总线信号

本文设计的弹载高速背板符合VPX标准规范，采用Gigabit Ethernet(GbE)和Serial RapidIO(SRIO)2种高速串行总线，用以实现弹上信息的高速传输。由于高速背板拓扑结构采用星型连接，故弹上各模块设备需要通过交换模块进行信息交互。

(4) 其他类型信号

为了满足导弹测试、仿真等需求，弹载高速背板还设计了满足特殊需求的一些专用信号。

2.3 弹载高速背板PCB信号完整性设计

信号完整性是指信号在信号线上的质量，是信号在电路中能以正确的时序和电压作出响应的能力[13-14]。由于时钟频率的提高，信号的上升边必然会减小，随着信号上升沿的减小，信号完整性的问题变的越来越严重、典型的边沿和频率的转换公式为

(1)

式中:tr表示上升沿，单位为ns；f为时钟频率，单位为GHz。

根据式(1)进行计算，高速背板传输信号的频率一般在GHz级别，上升边沿为0.01 ns左右、因此信号属于高速串行信号，必须采取一定信号完整性设计才保证设计的一次成功率。信号完整性设计主要包括叠层设置和系统布线。

(1) 叠层设置

在PCB走线中的磁力线是沿逆时针方向的，如果把返回路径与对应的源路径平行并且与其靠近，在返回路径中的磁力线(逆时针方向的场)，相对于源路径中的磁力线(顺时针方向的场)，将是相反的方向，这样顺时针场和逆时针场可以抵消。如果源和返回路径之间的磁力线被消除或减小，那么除了在走线附近极小的面积上，辐射和RF电流就不存在。多层板可以实现磁通量最小化，这是采用多层板的原因之一。在层叠结构中，信号层靠近参考层，信号返回路径直接位于信号线的下方，回路面积最小，磁通量抵消最明显。

为了实现磁通量最小化，必须实现PCB板上信号层和参考层交错排列，每个信号层都有相邻的参考层。对于弹载高速背板，其最主要的串行高速通信线路采用差分走线的方式，其主要分为差分微带线和差分带状线。

(2) 系统布线

对于弹载高速背板，叠层结构和阻抗设置完成后就可以进行布线。布线过程中，为了保证关键传输信号的时序和信号完整性，主要采取蛇形延迟线和控制串扰布线。

完成PCB布线后，选取一对弹载高速背板中最长差分数据线，考量其高速性能，可以有效地反映弹载高速背板高速信号的完整性。

3 弹载光纤微系统传输技术

传统的金属屏蔽电缆由于受目前电缆加工工艺所限，难于实现全传输路径的连续屏蔽，弹上设备间各种强弱、高低频信号在复杂的电缆网中传输，势必受到外部复杂电磁环境及信号相互之间的影响。光纤传输系统将传统数字量、开关量、模拟量等电信号转化成光纤信号进行传输，满足大容量数据高速传输的要求，具有提升信息传输抗干扰能力和复杂空间环境适应性、体积小、质量小、传输信息容量大、安全性和保密性高等特点[15]。光纤传输系统主要由光端机模块、光电连接器及光缆网等组成。

其主要技术方案为：①采用光纤传输方式搭建导弹信息传输网络，将常用的信息传输体制如：LVDS总线、485总线、低速弹地总线、以太网、开关量、模拟量等采用光纤进行传输。②研发微小型集成光电转换模块，现有的光电转换模块体积质量都比较大，不能满足微传输的要求，因此需要进行微小型集成光电转换模块研制，兼容高速光收发模块和低速光收发模块的功能，即采用一种模块，既可以传递高速信号(LVDS，以太网)，又可以传递低速信号(RS-422，RS- 485，低速差分信号)，同时还可以将开关量和模拟量信号转化成光信号，通过光纤进行传输。光纤传输系统主要由光端机模块、光电连接器及光缆网等组成。

4 弹上柔板(FPC)传输技术

柔板(FPC)的导体截面薄而扁平，介质的轻薄和可弯曲性，可以实现设备整体结构更加紧凑、合理。与刚性板比，空间可节省60%以上。与传统的电缆导线相比，节约了电缆处理中必须的护套以及锦纶丝套等屏蔽处理，空间得到大幅降低。同时柔板可通过设计控制线宽、线距、线厚、介质厚度、介质介电常数等参数，达到控制电容、电感、特性阻抗、延迟和衰减等电气特性，这些都是普通导线电缆难以做到的。因此柔板可以实现低频、射频、高速信号的传输。

在选用柔板传输技术时需要关注安装固定措施。柔板示意图如图5所示。