小型化彈載高速信息傳輸技術研究淺談*

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

彈上設備間的信息傳輸猶如人體的血管、神經系統，在導彈系統中起到至關重要的作用。目前傳統的導彈普遍采用點對點直接連接的電纜網進行設備間的信號傳輸。這種信號傳輸模式都需要接插件和導線，其占用體積空間大，結構布局設計復雜，造成導彈總裝過程繁瑣難于實現導彈的自動化總裝，同時也降低了系統的可靠度。

近年來，隨著導彈系統高度集成化、小型化發展的迫切需求，彈上信息高速傳輸系統小型化、集成化、芯片化也成為彈載信息傳輸技術的發展趨勢。本文主要研究彈載高速信息傳輸技術中的應用，探討技術實現途徑，為后續的工程應用提供一種設計思路。本文主要從無纜傳輸技術、高速信息傳輸背板技術、彈載光纖微傳輸系統、柔性電路板、等方面進行技術研究。

1 彈上無纜傳輸技術的探索

無線通信技術經過十幾年的飛速發展，技術逐步成熟且在民用領域取得了長足的發展，如果這些技術應用到彈上設備間的信息傳輸，會對導彈的研制產生顛覆性的影響。

目前，實現無纜互連傳輸的技術手段主要有無線光傳輸和微波無線傳輸2種技術方式。

基于超寬帶、MIMO多天線、高集成無線收發系統設計等先進技術，可將傳統彈上線纜傳輸網絡以無線信號傳輸方式替代，實現彈上有纜傳輸向無纜傳輸的技術變革，最大限度地降低整個系統的體積和重量，從而最終從系統層面提高彈上通信系統的可靠性，提升武器的作戰性能[1-5]。

21世紀初，光通信快速發展，光互連方案逐漸成熟，光通信在十余年內從M級網絡到100 G網絡快速演變。鑒于光互連在高數據帶寬、低損耗、抗電磁干擾、高保密性、輕量化等方面的卓越表現，新一代軍用電子系統開始逐步引入光作為信息傳輸的介質。與電信號“銅”介質傳輸相比，高寬帶的光互聯技術被認為是滿足下一代甚至是多代系統需求的互聯技術。但是，光通信又存在一些缺點，如需要額外供電、光纖端面抗污染能力差，在惡劣環境條件下難以保證正常插拔使用。

1.1 微波無線傳輸方案

微波無線傳輸的研究方案是：通過對彈上空間結構的分析及彈上各發射系統的信號整合，采用合理的信號編碼,UWB,MIMO,OFDM,磁諧振耦合等技術，將信號以無線傳播的方式發射到導彈內部各接收系統，并通過接收天線對信號進行選擇接收，從而實現彈上收發系統間的高效率信號可靠互連與傳輸。

1.2 無線光傳輸方案

無線光通信,是光纖通信和無線通信相結合的產物。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。和其他無線通信相比，具有頻率寬、成本低、定向性好、保密性好、誤碼率低、抗電磁干擾等優點。相比于傳統的光纖通訊，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域[6-9]。例如星間通訊，由于傳輸距離非常遠，需要一整套復雜的光傳輸系統，包括高功率激光發射器、高靈敏度激光接收器、光學透鏡組、動態瞄準追蹤系統等。

對于彈上空間結構的無線通信，要求自由空間光傳輸具有結構簡單、尺寸較小、穩定性好、可靠性高、成本低廉等特點。基于此，設計并制造了自由空間光傳輸系統，并成功實現了100 mm間距的10 Gbit/s的數據傳輸，其基本原理如圖1所示。

圖1 光無線傳輸系統示意圖Fig.1 Optical wireless transmission system diagram

2 高速信息傳輸背板技術

基于背板集成技術是解決彈上設備間復雜電纜互連的有效解決途徑。隨著導彈研制過程的發展，型號研制面臨著高可靠、低成本、快速等新的挑戰。為了適應導彈輕小型化設計的需要，要求將傳統的彈上硬件設備通過整合、資源共享實現一個硬件設備具備多個設備的電氣功能。基于該設計原則目前導彈采取的解決方案是：將傳統的具有獨立結構的彈上各設備用電路板實現其原有功能，而各電路板之間的信息傳輸則是通過背板實現的。

背板集成技術主要包括復雜信號綜合電路設計、三維微波集成電路設計和微波多層板設計制造技術等關鍵技術，可將高集成信號傳輸網絡設計成多層印制板形式，以多層板內的垂直互連代替傳統的電纜連接[10-12]。然而，對于彈上距離較遠的通信系統間，難以采用背板集成技術實現信號的互連與傳輸。

2.1 彈載高速背板結構設計方法

可以采用基于VPX標準進行高速背板結構設計的方法。基于VPX標準的高速背板可以分為3U和6U 2種規格。本文以采用3U規格為例，給出了彈載高速背板設計方案，即每個槽位為3U的尺寸。彈載高速背板結構示意圖如圖2所示。

圖2 彈載高速背板結構示意圖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個模塊槽位組成，完成彈上信號的通訊與傳輸。

(2) 槽位識別設計

由于采用標準VPX連接器，結構形式基本相同，故在設計高速背板時需要考慮槽位識別功能，本高速背板采用兩種方式：定位銷防插錯設計和主控模塊槽位識別，用以消除模塊連接錯誤的風險，提高系統可靠度。

VPX標準規定了5種定位銷的角度，分別是0°，45°，90°，270°和315°，背板設計時，將這5種角度進行組合，確定每一個槽位獨特的定位銷方式，以此方式，模塊只能連接到自己的專屬槽位。

2.2 彈載高速背板信號設計

電氣信號是彈載高速背板設計的重點，整個導彈的信號傳輸均由高速背板完成，信號包括電源信號、基本功能信號、高速串行總線信號、其他串行總線信號等。

(1) 電源信號

彈載高速背板在電源模塊輸入前端設置濾波、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布線時各電源網絡采用大面積敷銅的方式，電壓降低、紋波較小，故電路設計時只考慮濾除各模塊干擾信號對背板電源網絡的影響。在彈載高速背板設計中，采用1 μF和0.1 μF瓷片電容并在各槽位電源入口，PCB布局時電容就近放置。

電源信號的傳輸根據功率不同，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，選擇布置在內層。

(2) 基本功能信號

彈載高速背板中基本功能信號主要包括PMBus通訊總線信號、時鐘信號等。

PMBus通信總線中SCL，SDA，SMBALERT通過10 kΩ電阻上拉至AUX_+3P3，拓撲關系如圖3所示。其中，在本文設計的高速背板中電源管控功能由PMBus總線實現，主控模塊作為主控制器，其他模塊作為從控制器。

圖3 PMBus通信總線拓撲關系Fig.3 Topological relations of PMBus communication bus

時鐘系統主要分為2個部分：一是主時鐘，另外一個是秒脈寬。通過高速背板時鐘網絡送到各個模塊，2種信號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標準，線路差分阻抗100 Ω，掛載終端匹配電阻100 Ω，減少信號反射。拓撲關系如圖4所示。

圖4 時鐘信號拓撲關系Fig.4 Topological relations of clock signal

(3) 高速串行總線信號

本文設計的彈載高速背板符合VPX標準規范，采用Gigabit Ethernet(GbE)和Serial RapidIO(SRIO)2種高速串行總線，用以實現彈上信息的高速傳輸。由于高速背板拓撲結構采用星型連接，故彈上各模塊設備需要通過交換模塊進行信息交互。

(4) 其他類型信號

為了滿足導彈測試、仿真等需求，彈載高速背板還設計了滿足特殊需求的一些專用信號。

2.3 彈載高速背板PCB信號完整性設計

信號完整性是指信號在信號線上的質量，是信號在電路中能以正確的時序和電壓作出響應的能力[13-14]。由于時鐘頻率的提高，信號的上升邊必然會減小，隨著信號上升沿的減小，信號完整性的問題變的越來越嚴重、典型的邊沿和頻率的轉換公式為

(1)

式中:tr表示上升沿，單位為ns；f為時鐘頻率，單位為GHz。

根據式(1)進行計算，高速背板傳輸信號的頻率一般在GHz級別，上升邊沿為0.01 ns左右、因此信號屬于高速串行信號，必須采取一定信號完整性設計才保證設計的一次成功率。信號完整性設計主要包括疊層設置和系統布線。

(1) 疊層設置

在PCB走線中的磁力線是沿逆時針方向的，如果把返回路徑與對應的源路徑平行并且與其靠近，在返回路徑中的磁力線(逆時針方向的場)，相對于源路徑中的磁力線(順時針方向的場)，將是相反的方向，這樣順時針場和逆時針場可以抵消。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。多層板可以實現磁通量最小化，這是采用多層板的原因之一。在層疊結構中，信號層靠近參考層，信號返回路徑直接位于信號線的下方，回路面積最小，磁通量抵消最明顯。

為了實現磁通量最小化，必須實現PCB板上信號層和參考層交錯排列，每個信號層都有相鄰的參考層。對于彈載高速背板，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) 系統布線

對于彈載高速背板，疊層結構和阻抗設置完成后就可以進行布線。布線過程中，為了保證關鍵傳輸信號的時序和信號完整性，主要采取蛇形延遲線和控制串擾布線。

完成PCB布線后，選取一對彈載高速背板中最長差分數據線，考量其高速性能，可以有效地反映彈載高速背板高速信號的完整性。

3 彈載光纖微系統傳輸技術

傳統的金屬屏蔽電纜由于受目前電纜加工工藝所限，難于實現全傳輸路徑的連續屏蔽，彈上設備間各種強弱、高低頻信號在復雜的電纜網中傳輸，勢必受到外部復雜電磁環境及信號相互之間的影響。光纖傳輸系統將傳統數字量、開關量、模擬量等電信號轉化成光纖信號進行傳輸，滿足大容量數據高速傳輸的要求，具有提升信息傳輸抗干擾能力和復雜空間環境適應性、體積小、質量小、傳輸信息容量大、安全性和保密性高等特點[15]。光纖傳輸系統主要由光端機模塊、光電連接器及光纜網等組成。

其主要技術方案為：①采用光纖傳輸方式搭建導彈信息傳輸網絡，將常用的信息傳輸體制如：LVDS總線、485總線、低速彈地總線、以太網、開關量、模擬量等采用光纖進行傳輸。②研發微小型集成光電轉換模塊，現有的光電轉換模塊體積質量都比較大，不能滿足微傳輸的要求，因此需要進行微小型集成光電轉換模塊研制，兼容高速光收發模塊和低速光收發模塊的功能，即采用一種模塊，既可以傳遞高速信號(LVDS，以太網)，又可以傳遞低速信號(RS-422，RS- 485，低速差分信號)，同時還可以將開關量和模擬量信號轉化成光信號，通過光纖進行傳輸。光纖傳輸系統主要由光端機模塊、光電連接器及光纜網等組成。

4 彈上柔板(FPC)傳輸技術

柔板(FPC)的導體截面薄而扁平，介質的輕薄和可彎曲性，可以實現設備整體結構更加緊湊、合理。與剛性板比，空間可節省60%以上。與傳統的電纜導線相比，節約了電纜處理中必須的護套以及錦綸絲套等屏蔽處理，空間得到大幅降低。同時柔板可通過設計控制線寬、線距、線厚、介質厚度、介質介電常數等參數，達到控制電容、電感、特性阻抗、延遲和衰減等電氣特性，這些都是普通導線電纜難以做到的。因此柔板可以實現低頻、射頻、高速信號的傳輸。

在選用柔板傳輸技術時需要關注安裝固定措施。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 結束語

隨著導彈技術的快速發展，對彈上設備之間的信息傳輸技術提出了更加苛刻的新要求，目前使用的電纜傳輸、數據總線均存在一定的局限性，迫切需要研究基于微系統技術的高可靠、高速率、小型化、強電磁兼容性的彈載高速信息傳輸技術。