下一代無人機需要高性能的端到端連接

隨著無人機（UAV）的復雜程度和功能不斷發(fā)展，工程師需要更加關(guān)注端到端連接，以避免性能瓶頸。

許多無人機是長航時平臺，能夠以天為單位進行持續(xù)飛行，長時間保持在高空以執(zhí)行監(jiān)視和打擊任務(wù)。在監(jiān)視角色中，無人機可能攜帶多個攝像頭和傳感器來處理各種頻率，從可見光到紅外和熱。除了這些環(huán)境中的光譜挑戰(zhàn)之外，另一個重要因素必須是創(chuàng)建克服低分辨率和窄視場的相機。

例如，ARGUS成像系統(tǒng)可以在空中20，000英尺處發(fā)現(xiàn)半徑10平方英里內(nèi)的六英寸物體。ARGUS 系統(tǒng)使用 368 臺攝像機，每天可捕獲、處理和下載 100 萬 TB 的數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)結(jié)合了來自多個相機的圖像并執(zhí)行其他信號處理任務(wù)，因此需要快速的嵌入式計算機和復雜的軟件。由于傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，另一個系統(tǒng)挑戰(zhàn)是通過將小麥與谷殼分開，可以這么說，通過機載處理，以便僅將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星或地面站。即使ARGUS系統(tǒng)每天可以處理100萬TB，更大的情報、監(jiān)視和偵察（ISR）基礎(chǔ)設(shè)施也無法處理此類負載，即使數(shù)據(jù)壓縮量很大。

盒子內(nèi)部、箱體之間有更多帶寬

所有這些都意味著需要更多的帶寬，不僅在盒子內(nèi)部，而且在盒子到盒子的互連中。系統(tǒng)設(shè)計的一個目標是創(chuàng)建一個透明的基礎(chǔ)設(shè)施，使集成商能夠?qū)崿F(xiàn)與位置無關(guān)的架構(gòu)。位置獨立性使子系統(tǒng)能夠放置在整個無人機的最佳位置。

開放式架構(gòu)仍然是一個重要因素，因為它們具有更易于重新配置、升級能力強以及供應(yīng)商基礎(chǔ)更大的優(yōu)勢。同樣，在整個網(wǎng)絡(luò)和本地數(shù)據(jù)總線中，行業(yè)標準的高速協(xié)議（如以太網(wǎng)、FireWire 或光纖通道）為數(shù)據(jù)傳輸提供了透明的物理層。

VPX 是嵌入式高性能計算的流行標準，數(shù)據(jù)速率可能超過 6.25 Gbps。VPX生態(tài)系統(tǒng)非常豐富，不斷發(fā)展，為設(shè)計人員提供了一系列單端和差分信號、夾層、電源、光學和RF連接的選擇。隨著 VPX 的發(fā)展，新的標準已經(jīng)創(chuàng)建，以滿足最廣泛的互連需求。圖1顯示了單卡邊緣上信號、RF和光學可能性的名義配置。

VPX連接器堅固耐用，非常適合無人機應(yīng)用，生態(tài)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展。例如，TE 連接公司最近發(fā)布的 MULTIGIG RT 2-R（VITA 46 兼容）連接器超過了 VITA 47 的原始 VPX 環(huán)境，滿足了 VITA 72 研究組更嚴格的環(huán)境要求。由于設(shè)計人員對機械耐用性的期望已基本滿足，系統(tǒng)架構(gòu)師現(xiàn)在比以往任何時候都更加關(guān)注信號完整性。隨著主流協(xié)議繼續(xù)轉(zhuǎn)向更高的數(shù)據(jù)速率，VPX設(shè)備正在并行表征，為更強大的功能鋪平了道路。

即使VPX取得了成功，由于各種封裝或應(yīng)用需求，一些設(shè)計人員也需要在標準之外運行。想要超越標準的設(shè)計人員可以使用各種功能強大的互連解決方案。

輸入/輸出和聲功率

為了避免性能瓶頸，I/O 連接需要與處理器保持同步，以便快速高效地移動數(shù)據(jù)。更重要的是，互連的數(shù)量也在增加。如今，設(shè)計人員在小型圓形連接器方面擁有更多選擇，這些連接器將節(jié)省的空間和重量與滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求所需的高速性能相結(jié)合。

隨著I/O速度的提高，信號完整性和功率預算問題帶來了新的挑戰(zhàn)。簡而言之，高速信號比低速信號更難管理。互連速度越高，就越難管理回波損耗、插入損耗、串擾以及可能降低信號質(zhì)量的類似因素。雖然理想的布線系統(tǒng)在箱子之間沒有中間連接，但現(xiàn)實世界對生產(chǎn)中斷和模塊化的需求需要路徑中的連接器。

設(shè)計不良的連接器將顯示為明顯的阻抗不連續(xù)性。不連續(xù)性的影響與頻率相關(guān)（回波損耗和串擾隨頻率增加），這意味著必須更仔細地設(shè)計高速I/O連接器。電纜中的衰減和連接器中的插入損耗也與頻率相關(guān)，這使得高速下的功率預算更具挑戰(zhàn)性。

尺寸，重量和功率（SWaP）問題仍然是提供持續(xù)監(jiān)控，更好的燃料重量比以及小型無人機潛力的關(guān)鍵。雖然更小、更輕的連接器有助于滿足SWaP目標，但小型化不能以犧牲信號完整性或堅固的堅固性為代價。盡管納米微型和微型連接器已經(jīng)存在，但這些連接器并不是為高速信號而設(shè)計的。

為了解決快速銅纜連接方面的這一差距，TE 連接公司推出了三個系列的 CeeLok 產(chǎn)品線。CeeLok FAS-X 連接器通過連接器保持屏蔽連續(xù)性，因此可以多次連接而不會降低性能。該連接器比這里討論的其他兩個連接器稍大，但保持了信號完整性，同時仍提供現(xiàn)場可修復性。連接器支持大小為 11 外殼的單個 10 GbE 通道或大小為 25 外殼中的四個通道。這些器件體積較小，在 8 號外殼中帶有一個 8 位連接器。連接器的 T 形觸點模式提供噪聲消除和去耦，以最大限度地減少串擾并提高信號完整性。后殼集成在插頭主體中，有助于提供薄型、低成本、低重量應(yīng)力消除和 EMI 保護。連接器可現(xiàn)場終止且可維修。

CeeLok FAS-T納米連接器使用相同的T形接觸圖案，具有納米尺寸;插頭直徑僅為 0.3 英寸，可選擇推入式或螺紋聯(lián)軸器。與較大的設(shè)備不同，nano版本是工廠接線的，而不是可現(xiàn)場終止的。這些連接器基于 NANONICS 納米微型連接器，但帶有專為高速設(shè)計的插件。

圖 3：TE 連接的 10 Gbps CeeLok 連接器系列具有多種尺寸和性能配置。

即使基于銅纜的高數(shù)據(jù)速率連接正在不斷發(fā)展，光纖傳輸?shù)氖褂靡苍絹碓蕉?。?chuàng)建與位置無關(guān)的架構(gòu)意味著不同的子系統(tǒng)不能受到布線距離的限制。光纖有三個主要優(yōu)點：

傳輸距離長：多模光纖可以輕松承載無人機中當今的數(shù)據(jù)速率。對于單模光纖，相對于無人機中遇到的距離，帶寬幾乎是無限的。因此，帶寬作為互連問題消失了。

抗噪性：光纖不會產(chǎn)生EMI;它們也不容易受到電磁干擾的影響。消除了屏蔽等問題，這些問題對于維護銅互連中的信號完整性至關(guān)重要。

體積小，重量輕：光纖電纜比銅電纜更小、更輕，為SWaP的最小化做出了重大貢獻。

光纖在更易于使用、更堅固耐用、更易于選擇方面也取得了長足的進步。例如，VITA 66 標準提供陶瓷套圈選擇，以實現(xiàn)最高水平的光學性能，非接觸式擴展光束終端以提高耐用性，MT 套圈用于高光纖數(shù)。相同的選項可用于各種軍用型圓形和矩形連接器。

帶寬向未來發(fā)展

無人機系統(tǒng)肯定需要更多的帶寬來處理更復雜的傳感器，更快，更強大的硅，以及更復雜的計算機架構(gòu)和軟件。網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)已經(jīng)從1 Gbps以太網(wǎng)遷移到10 Gbps，40和100 Gbps正在等待。簡化設(shè)計以創(chuàng)建通用硬件集的努力也在取得進展。例如，將互連設(shè)計為與一系列物理層阻抗（如光纖通道、IEEE 1394、eSATA等）兼容，不僅可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，還可以減少必須庫存的電纜和連接器的數(shù)量和類型。增強的兼容性將增強模塊化和簡單的即插即用連接的概念。

雖然設(shè)計人員最終會尋找標準化的高性能系統(tǒng)和組件，但在基于性能的替代方案方面，他們?nèi)匀挥羞x擇。今天基于性能的系統(tǒng)很可能成為明天的新標準。

審核編輯：郭婷