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克服嵌入式光互连设计面临的挑战

2019-01-03 11:54:54 来源:连接器世界网 作者:Reflex Photonics公司副总裁Gerald Persaud、首席技术官David Rolston博士 点击:5320

物联网在云计算中的出现以及全球4G和5G网络的需求,正在推动各种应用增加使用光收发器:公共和私人网络中的业务、政府、工业、学术和云服务器。局域网(LAN)和广域网(WAN)都要求将更多带宽打包到更小的空间中,但是传统的铜缆互连不能满足所有网络服务器和网关设备的难以满足的需求。

此外,下一代网络设备需要更加紧凑和快速。根据市场研究公司Radiant Insight的数据,到2020年光收发器市场将达到99亿美元,是2013年的三倍。

光学收发器是通过光缆将电信号转换为光的关键部件。在接收端,另一个光收发器将光转换回电信号(图1)。大多数收发器的运行速度分别为10、40和100 Gb/s。当需要更高的速度时,并行使用多个通道以提供所需的带宽。

数字数据和光纤光信号转换的演示

图1.这是数字数据和光纤光信号转换的演示。

光网络的优势是什么?

光纤网络或嵌入式通信系统有三个关键部件:光发射器、光纤光缆和光接收器。如上所述,发射器使用发光二极管(LED)或激光二极管将电信号转换为光。在接收端,光电探测器用于将光转换回电信号。收发器将发射器和接收器组合在一个模块中(图2)。

LightABLE LM SR4收发器的框图代表了收发器的典型功能

图2.LightABLE LM SR4收发器的框图代表了收发器的典型功能。

使用光纤替代铜线的优点包括更高的带宽、更长的距离链路、更轻的重量、免受电磁干扰、以及更高的安全性。

嵌入式光纤的应用非常广泛,它们通常包括在受限区域内需要非常大带宽的项目,通常与高速、高端口数量的FPGA或ASIC共存。许多民用和军用指挥和控制监视系统(C4ISR)、雷达、FPGA接口、多处理器互连、CCD/CMOS成像传感器阵列、高保真雷达图像以及需要安全通信的系统都使用光纤。

设计光互连嵌入式系统的挑战

设计嵌入式光互连时出现了三大挑战:

l 创建嵌入式系统,以尽可能小的占用空间支持最大带宽。

l 设计或选择可在恶劣环境中执行的最佳光学互连,它需要具有最大平均故障间隔时间(MTBF)。

l 嵌入式系统要满足未来需求,以最大限度地提高系统投资回报。

平衡性能、空间、功耗和成本是一个不变的权衡和挑战。该设计在很大程度上取决于嵌入式系统的带宽要求,嵌入式系统可以是单板计算机(SBC)或适合机箱的多个板。其中一些网络系统需要支持每秒许多千兆位;因此,系统设计还将取决于互连的大小和吞吐量。

由于可能需要多个组件,这可能会增加SBC或机箱的尺寸,并且电源和冷却要求也会影响整个系统的占用空间。许多商用级光学互连在有限的温度范围内工作,并且不能处理恶劣环境的冲击和振动,并且一些系统可能需要在潮湿条件下操作。

所有这些环境因素将直接或间接地影响产品的操作性能和寿命。换句话说,高性能系统通常会消耗更多功率并需要更好的冷却,从而导致更大的尺寸和更高的成本。因此,系统设计中的权衡始终是一个重要的考虑因素。

寻找最佳的光纤互连解决方案

在选择最佳光纤互连解决方案时必须考虑许多因素,并且它们通常需要权衡。主要考虑因素包括投资保护、产品性能、外形尺寸、可靠性和集成考虑因素。以下提供了选择或设计最佳嵌入式光纤互连解决方案的指南。

基于标准的解决方案可保护购买投入

系统性能受许多因素的影响,需要记住一些经验法则:

l 最小的外形是可取的。

l 即使成本较高,也要选择坚固可靠的解决方案。

l 应遵守模块集成和配置的指导原则。

尽管有许多专有设计可用,但最好的方法是选择基于VITA标准的解决方案,因为它们得到了联盟以及大型生态系统的支持。因此,随着时间的推移,设计将得到升级支持。此外,该标准定义了技术和连接器规范,使开发人员和集成商能够从多个基于VITA的供应商中进行选择。

许多因素都会对系统性能产生影响

光纤技术能够提供高速、低延迟、长距离通信、无电噪声干扰。但是,多种因素将影响通信链路的真实、持续性能和潜在距离。这些因素包括通信错误率、链路余量和接收器灵敏度。

此外,在进行系统设计时,全双工是等式非常重要的一部分。一些新配置可以实现高达600 Gb/s的带宽,但是可能会影响实际吞吐量。例如,具有高错误率的不稳定收发器将导致系统执行重传,这将降低整体系统性能。这种现象的度量被称为误码率(BER)。

600G LightCONEX插件模块由两个并排的24通道收发器组成

图3. 600G LightCONEX插件模块由两个并排的24通道收发器组成。

对于光纤互连设备或系统,最小BER应为10-12。如果BER为10-15或更高,则可以实现更高的性能。10-12的BER意味着每万亿次传输只发生一次错误。此外,建议链路余量大于13 dB,接收机灵敏度为-12 dBm(图3)。

最小外形是可取的

越来越多的嵌入式系统(包括SBC)使用更小的外形。因此,选择占用空间最小的模块非常重要。光纤收发器模块可以小至1.3 cm×1.3 cm(图4)。另外,请考虑高度小于5 mm的低剖面模块。这将为SBC或系统提供空间,以便在板上添加其他功能。

150G和300G LightCONEX光学收发器占位面积非常小

图4. 150G和300G LightCONEX光学收发器占位面积非常小。

即使成本高也要始终选择坚固可靠的解决方案

许多光纤系统用于恶劣环境。因此,商业级产品通常会失效,或者至少会缩短使用寿命。选择能够在目标应用环境中生存的解决方案非常重要。存储温度为-57至125°C时,典型工作温度应为-40至100°C或更高。此外,如果模块消耗更少的功率(每通道100 mW或更好),它将产生更少的热量并有助于实现更好的MTBF。

其他考量应包括抗冲击和振动,通过MIL-STD-883或更好的标准。模块也应密封,以防止因暴露于潮湿而腐蚀。根据经验,建议产品通过以下测试以确保最高质量:

MIL-STD-883

l 振动测试,方法2007.3

l 机械冲击试验,方法2002.4

l 热冲击试验,方法1011.9

l 热循环测试,方法1010.8

MIL-STD-202

l 湿热测试,方法103B MIL-STD-810

l 冷存储测试,方法502.5

应遵守模块集成和配置规则

精心设计的收发器应考虑连接器的选择和位置,以及系统集成和配置的简易性。主动盲插光学设计将使连接器更容易插拔,并减少连接错误的可能性(图5)。

VPX盲插连接器包括24光纤MT套圈和10个RF同轴连接器。该连接器的尺寸符合VITA 66.4标准

图5.此VPX盲插连接器包括24光纤MT套圈和10个RF同轴连接器。该连接器的尺寸符合VITA 66.4标准。

在考虑连接器选择或设计时,还有两个其他规则要遵循。首先,按照VITA 66.5“VPX上的光学互连,背板上的弹簧加载触点”标准定义连接器尺寸。然后将板边插入式模块连接器放置在电路板边缘附近,再集成有源并行光纤收发器和为VPX系统(VITA标准的一部分)开发的弹簧式背板连接器。这种方法将限制所需的任何额外布线将信号带到SBC板的边缘。

LightCONEX 有源盲插VPX光互连

图6. LightCONEX 有源盲插VPX光互连。

嵌入式互连设计清单

以下内容可作为易用性检查表:

1.选择基于VITA标准的解决方案,包括VITA第6节。这适用于整个系统以及连接器。

2.为获得最佳系统性能,请选择具有低误码率(BER)的模块,例如10-15。

3.选择1.5 cm x 1.5 cm、高度轮廓小于5 mm的小型模块,这将为电路板提供额外的空间。

4.选择坚固可靠的解决方案,通过一系列最低限度的测试,包括:

MIL-STD-883:

l ·振动测试,方法2007.3

l ·机械冲击试验,方法2002.4

l ·热冲击试验,方法1011.9

l ·热循环测试,方法1010.8

MIL-STD-202:

l ·湿热试验,方法103B

MIL-STD-810:

l ·冷存储测试,方法502.5

5.选择易于集成的设计/模块。这些包括盲配和宽边连接器。

结论

本文概述了使用光纤互连的优势和挑战。要使用光纤电缆,需要使用光纤收发器将电信号转换为光信号。虽然嵌入式光纤设计面临许多挑战,但其优势仍然很大。提供的指南和设计清单将帮助开发人员根据他们的需求选择最佳解决方案。

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