【经验】解析Smiths Interconnect如何解决嵌入式光互连设计中的难题，帮助开发人员选择最适合方案

时间： 2022-04-30 来源：Smiths Interconnect

技术问答

云计算中物联网的出现以及全球对4G和5G网络的需求正在推动光收发器在各种应用中的使用增加：公共和专用网络中的商业、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，而传统的铜互连无法满足所有网络服务器和网关设备无法满足的需求。此外，下一代网络设备将需要更加紧凑和更快。根据市场研究公司 Radiant Insight 的数据，光模块市场到2020年达到99亿美元，是2013年水平的三倍。光收发器是将电信号通过光缆转换为光的关键组件。在接收端，另一个光收发器将光转换回电信号，如图1所示。大多数收发器以10、40和100 Gbps的速度运行。当需要更高的速度时，并行使用多个通道来提供所需的带宽。

图1 数字数据和光纤光信号的转换演示

光纤网络有哪些优势？

光纤网络或嵌入式通信系统具有三个关键部件：光发射器、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，使用光纤代替铜线的优势包括更高的带宽、更长的链路距离、减轻重量、抗电磁干扰和提高安全性。

嵌入式光纤的应用

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FPGA或ASIC位于同一位置。许多民用和军用指挥和控制监控系统(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。

图2 LightABLE™ LM SR4 模块的框图代表了收发器的典型功能

使用光互连设计嵌入式难题

设计嵌入式光互连存在三个主要挑战。

• 创建一个嵌入式系统，以尽可能小的占用空间支持最大带宽。

• 设计或选择能够在恶劣环境中以最大MTBF运行的最佳光互连。

• 面向未来的嵌入式系统，最大限度地提高系统投资回报。

平衡性能、空间、电力和成本是一个持续的权衡和挑战。该设计将在很大程度上取决于嵌入式系统的带宽要求，该系统可以是单板计算机(SBC)或适合机箱的多板。其中一些网络系统需要支持许多Gbps，因此系统设计也将取决于互连的大小和吞吐量。可能需要多个组件，这会增加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地面积。许多商业级光互连在有限的温度范围内运行，无法应对恶劣环境的冲击和振动，并且某些系统可能需要在潮湿条件下运行。所有这些环境因素都会直接或间接影响产品的运行性能和使用寿命，换句话说，高性能系统通常会消耗更多电力并需要更好的冷却，从而导致更大的尺寸和更高的成本。因此，系统设计的权衡始终是一个重要的考虑因素。

寻找最佳光纤互连解决方案

在选择最佳光纤互连解决方案时需要考虑许多因素，并且通常需要权衡取舍。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。下面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保护采购投资

系统性能受许多因素的影响，需要牢记一些经验法则：

• 需要最小的外形尺寸

• 始终选择坚固可靠的解决方案，即使成本可能更高

• 应遵守模块集成和配置指南

虽然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，因为它们受到联盟和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，该标准还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。

系统性能受多种因素影响

光纤技术能够提供无电噪声干扰的高速、低延迟、长距离通信。然而，许多因素会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、链路预算和接收器灵敏度。此外，在进行系统设计时，重要的是全双工是等式的一部分。一些新配置可以实现高达600 Gbps的带宽，但涉及的开销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）。

对于光纤互连设备或系统，最小BER应为10^-12。如果BER为10^-15或更好，则可以实现更高的性能。BER为10^-12意味着每万亿次传输发生一个错误。此外，建议使用大于 13 dB 且接收器灵敏度为-12dBm的链路预算。

图3 2个24通道收发器并排组成的600G LightCONEX插件模块

最小的外形尺寸

包括单板计算机(SBC)在内的越来越多的嵌入式系统正在使用更小的外形尺寸。因此，选择占用空间尽可能小的模块非常重要。光纤收发器模块可以小至1.3 cm × 1.3 cm（见图 4）。此外，考虑高度小于5毫米的薄型模块，这将为SBC或系统在船上添加额外功能留出空间。

图4 150G 和 300G LightCONEX 光收发器

始终选择坚固可靠的解决方案，即使成本更高

许多光纤系统用于恶劣环境，因此，商业级产品经常会出现故障，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。典型工作温度应为-40 °C~ 100 °C或更好，存储温度应为-57°C~125°C。此外，如果模块消耗更少的电力（每通道 100mW或更高），它将产生更少的热量并有助于实现更好的MTBF。其他考虑应包括抗冲击和抗振性，通过 MIL-STD-883 或更好。模块也应该被密封以防止由于暴露在湿气中而腐蚀，根据经验，建议产品通过以下测试以确保最高质量。

MIL-STD-883：

• 振动测试，方法 2007.3

• 机械冲击测试，方法 2002.4

• 热冲击测试，方法 1011.9

• 热循环测试，方法 1010.8

MIL-STD-202：

• 湿热测试，方法 103B MIL-STD-810：

• 冷藏测试，方法 502.5

应遵守模块集成和配置规则

图5 VPX 盲插连接器示意图

设计良好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。如图5所示，有源盲插光学设计将使连接器插配会更加容易，并减少出现连接错误的机会。此外，在考虑连接器选择或设计时，还需要遵循另外两条规则。首先，遵循定义连接器尺寸的VITA 66.5“VPX上的光学互连，背板上的弹簧加载触点”标准。然后将类似于 ftlx8571d3bcvit1的板边缘插入式模块连接器放置在板边缘附近，集成有源并行光收发器和开发的弹簧加载背板连接器为VPX系统（VITA 标准的一部分），如图6所示。这种方法将限制将信号带到SBC板边缘所需的任何额外布线。

图6 Light CONEX 有源盲插 VPX 光互连

嵌入式互连设计检查清单

以下可以作为易用性的检查清单：

• 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。

• 为获得最佳系统性能，请选择误码率 (BER)低的模块，例如10-15。

• 选择1.5 cmx1.5 cm范围内的小型模块，高度小于5 mm，这将为电路板提供额外的空间。

• 选择坚固可靠的解决方案，通过最低限度的测试，包括：

MIL-STD-883：

• 振动测试，方法 2007.3

• 机械冲击测试，方法 2002.4

• 热冲击测试，方法 1011.9

• 热循环测试，方法 1010.8

MIL-STD-202：

• 湿热测试，方法 103B

MIL-STD-810：

• 冷藏测试，方法 502.5

选择易于集成的设计/模块。其中包括盲插连接器和宽边连接器。

本文介绍了如何解决嵌入式光互连设计中的难题。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，但好处是巨大的。提供的指南和设计检查清单将帮助开发人员选择最适合他们需求的解决方案。

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