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下一代无人机需要高性能的端到端连接

admin 科技 2022-10-28 19:48:41 16 0

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随着无人机(UAV)的复杂程度和功能不断发展,工程师需要更加关注端到端连接,以避免性能瓶颈。

许多无人机是长航时平台,能够以天为单位进行持续飞行,长时间保持在高空以执行监视和打击任务。在监视角色中,无人机可能携带多个摄像头和传感器来处理各种频率,从可见光到红外和热。除了这些环境中的光谱挑战之外,另一个重要因素必须是创建克服低分辨率和窄视场的相机。

例如,ARGUS成像系统可以在空中20,000英尺处发现半径10平方英里内的六英寸物体。ARGUS 系统使用 368 台摄像机,每天可捕获、处理和下载 100 万 TB 的数据。由于该系统结合了来自多个相机的图像并执行其他信号处理任务,因此需要快速的嵌入式计算机和复杂的软件。由于传感器产生的大量数据,另一个系统挑战是通过将小麦与谷壳分开,可以这么说,通过机载处理,以便仅将关键数据传输到卫星或地面站。即使ARGUS系统每天可以处理100万TB,更大的情报、监视和侦察(ISR)基础设施也无法处理此类负载,即使数据压缩量很大。

盒子内部、箱体之间有更多带宽

所有这些都意味着需要更多的带宽,不仅在盒子内部,而且在盒子到盒子的互连中。系统设计的一个目标是创建一个透明的基础设施,使集成商能够实现与位置无关的架构。位置独立性使子系统能够放置在整个无人机的最佳位置。

开放式架构仍然是一个重要因素,因为它们具有更易于重新配置、升级能力强以及供应商基础更大的优势。同样,在整个网络和本地数据总线中,行业标准的高速协议(如以太网、FireWire 或光纤通道)为数据传输提供了透明的物理层。

VPX 是嵌入式高性能计算的流行标准,数据速率可能超过 6.25 Gbps。VPX生态系统非常丰富,不断发展,为设计人员提供了一系列单端和差分信号、夹层、电源、光学和RF连接的选择。随着 VPX 的发展,新的标准已经创建,以满足最广泛的互连需求。图1显示了单卡边缘上信号、RF和光学可能性的名义配置。

VPX连接器坚固耐用,非常适合无人机应用,生态系统也在不断发展。例如,TE 连接公司最近发布的 MULTIGIG RT 2-R(VITA 46 兼容)连接器超过了 VITA 47 的原始 VPX 环境,满足了 VITA 72 研究组更严格的环境要求。由于设计人员对机械耐用性的期望已基本满足,系统架构师现在比以往任何时候都更加关注信号完整性。随着主流协议继续转向更高的数据速率,VPX设备正在并行表征,为更强大的功能铺平了道路。

即使VPX取得了成功,由于各种封装或应用需求,一些设计人员也需要在标准之外运行。想要超越标准的设计人员可以使用各种功能强大的互连解决方案。

输入/输出和声功率

为了避免性能瓶颈,I/O 连接需要与处理器保持同步,以便快速高效地移动数据。更重要的是,互连的数量也在增加。如今,设计人员在小型圆形连接器方面拥有更多选择,这些连接器将节省的空间和重量与满足不断增长的数据处理需求所需的高速性能相结合。

随着I/O速度的提高,信号完整性和功率预算问题带来了新的挑战。简而言之,高速信号比低速信号更难管理。互连速度越高,就越难管理回波损耗、插入损耗、串扰以及可能降低信号质量的类似因素。虽然理想的布线系统在箱子之间没有中间连接,但现实世界对生产中断和模块化的需求需要路径中的连接器。

设计不良的连接器将显示为明显的阻抗不连续性。不连续性的影响与频率相关(回波损耗和串扰随频率增加),这意味着必须更仔细地设计高速I/O连接器。电缆中的衰减和连接器中的插入损耗也与频率相关,这使得高速下的功率预算更具挑战性。

尺寸,重量和功率(SWaP)问题仍然是提供持续监控,更好的燃料重量比以及小型无人机潜力的关键。虽然更小、更轻的连接器有助于满足SWaP目标,但小型化不能以牺牲信号完整性或坚固的坚固性为代价。尽管纳米微型和微型连接器已经存在,但这些连接器并不是为高速信号而设计的。

为了解决快速铜缆连接方面的这一差距,TE 连接公司推出了三个系列的 CeeLok 产品线。CeeLok FAS-X 连接器通过连接器保持屏蔽连续性,因此可以多次连接而不会降低性能。该连接器比这里讨论的其他两个连接器稍大,但保持了信号完整性,同时仍提供现场可修复性。连接器支持大小为 11 外壳的单个 10 GbE 通道或大小为 25 外壳中的四个通道。这些器件体积较小,在 8 号外壳中带有一个 8 位连接器。连接器的 T 形触点模式提供噪声消除和去耦,以最大限度地减少串扰并提高信号完整性。后壳集成在插头主体中,有助于提供薄型、低成本、低重量应力消除和 EMI 保护。连接器可现场终止且可维修。

CeeLok FAS-T纳米连接器使用相同的T形接触图案,具有纳米尺寸;插头直径仅为 0.3 英寸,可选择推入式或螺纹联轴器。与较大的设备不同,nano版本是工厂接线的,而不是可现场终止的。这些连接器基于 NANONICS 纳米微型连接器,但带有专为高速设计的插件。

图 3:TE 连接的 10 Gbps CeeLok 连接器系列具有多种尺寸和性能配置。

即使基于铜缆的高数据速率连接正在不断发展,光纤传输的使用也越来越多。创建与位置无关的架构意味着不同的子系统不能受到布线距离的限制。光纤有三个主要优点:

传输距离长:多模光纤可以轻松承载无人机中当今的数据速率。对于单模光纤,相对于无人机中遇到的距离,带宽几乎是无限的。因此,带宽作为互连问题消失了。

抗噪性:光纤不会产生EMI;它们也不容易受到电磁干扰的影响。消除了屏蔽等问题,这些问题对于维护铜互连中的信号完整性至关重要。

体积小,重量轻:光纤电缆比铜电缆更小、更轻,为SWaP的最小化做出了重大贡献。

光纤在更易于使用、更坚固耐用、更易于选择方面也取得了长足的进步。例如,VITA 66 标准提供陶瓷套圈选择,以实现最高水平的光学性能,非接触式扩展光束终端以提高耐用性,MT 套圈用于高光纤数。相同的选项可用于各种军用型圆形和矩形连接器。

带宽向未来发展

无人机系统肯定需要更多的带宽来处理更复杂的传感器,更快,更强大的硅,以及更复杂的计算机架构和软件。网络骨干网已经从1 Gbps以太网迁移到10 Gbps,40和100 Gbps正在等待。简化设计以创建通用硬件集的努力也在取得进展。例如,将互连设计为与一系列物理层阻抗(如光纤通道、IEEE 1394、eSATA等)兼容,不仅可以简化系统设计,还可以减少必须库存的电缆和连接器的数量和类型。增强的兼容性将增强模块化和简单的即插即用连接的概念。

虽然设计人员最终会寻找标准化的高性能系统和组件,但在基于性能的替代方案方面,他们仍然有选择。今天基于性能的系统很可能成为明天的新标准。

审核编辑:郭婷

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