一种采用同轴线缆进行数据传输的fc-ae-1553网络系统
阅读说明：本技术 一种采用同轴线缆进行数据传输的fc-ae-1553网络系统 (FC-AE-1553 network system for data transmission by adopting coaxial cable ) 是由 黄炳 徐秀波 赵志勇 谢鹏 冯昱程 王超 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本申请披露了一种采用同轴线缆进行数据传输的FC-AE-1553网络系统,包括：交换机和至少一个网络节点,每个所述网络节点通过一对同轴线缆与所述交换机连接；其中,所述网络节点包括发送端和接收端,所述网络节点的发送端和接收端分别包括变压器和SMA连接器；所述变压器的初级线圈与次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容,每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和SMA连接器的SMA插座外壳地；所述SMA连接器的SMA插座焊接后的引脚残余高度不高于1mm。(The application discloses FC-AE-1553 network system for data transmission by adopting coaxial cable, which comprises: a switch and at least one network node, each of the network nodes connected to the switch by a pair of coaxial cables; the network node comprises a sending end and a receiving end, wherein the sending end and the receiving end of the network node respectively comprise a transformer and an SMA connector; at least two alternating current coupling capacitors are arranged between a primary coil and a secondary coil of the transformer, and two ends of each alternating current coupling capacitor are respectively connected with a digital ground and an SMA socket shell ground of the SMA connector; and the residual height of the welded pins of the SMA socket of the SMA connector is not higher than 1 mm.)
技术领域
本申请涉及通信网络技术领域，具体涉及一种采用同轴线缆进行数据传输的FC-AE-1553网络系统。
背景技术
FC-AE(Fiber Channel Avionics Environment，光纤通道航空电子环境)标准是针对航空电子环境系统特点而定义的一系列上层协议(Up Level Protocol)的集合。这些上层协议选取FC基础协议族的一部分底层应用，专用于航空电子命令、控制、仪表、仿真、信号处理和传感器、视频数据分配等多个方面。
FC-AE-1553是Fiber Channel Avionics Environment Upper Layer ProtocolMIL-STD-1553B(光纤通道航空电子环境上层协议军用标准1553B)的简称，是在光纤通道的FC-4层实现对传统MIL-STD-1553B Notice 2总线协议的映射，以实现在实时的航空应用中，以命令/响应的模式进行具有确定性的通信。
现有的FC-AE-1553网络绝大多数采用了光纤介质的传输方式。光纤介质的网络存在传输距离远，重量轻，电磁兼容性能优良等优点。但在一些极端环境下，比如有火焰喷射的高温场景下，光纤线缆难于长期可靠工作。本方案提出一种使用同轴线缆传输FC-AE-1553协议的方法。它能解决光纤光缆不耐受火焰高温场景的问题。
FC-AE-1553使用同轴传输与MIL-STD-1553B总线使用屏蔽双绞线传输的方式很相像，都是使用铜导线作为介质。但是MIL-STD-1553B的速率只有1Mbps，而FC-AE-1553的速率高达1.0625Gbps。要保证在如此高的速率下信号的传输误码率小于E-12等级，同轴FC-AE-1553需要使用有别于MIL-STD-1553的方案才能实现。
发明内容
针对现有技术中“FC-AE-1553使用同轴线缆无法实现长距离高速率传输”的问题，本申请提出了一种采用同轴线缆进行数据传输的FC-AE-1553网络系统。
本申请实施例的第一方面提供了一种采用同轴线缆进行数据传输的FC-AE-1553网络系统，包括：交换机和至少一个网络节点，每个所述网络节点通过一对同轴线缆与所述交换机连接；其中，所述网络节点包括发送端和接收端，所述网络节点的发送端包括第一变压器和第一SMA连接器；所述网络节点的接收端包括第二变压器和第二SMA连接器；
所述第一变压器的初级线圈与次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和所述第一SMA连接器的SMA插座外壳地；所述第二变压器的初级线圈与次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和所述第二SMA连接器的SMA插座外壳地；
所述第一SMA连接器和所述第二SMA连接器的SMA插座焊接后的引脚残余高度不高于1mm。
在一些实施例中，所述交换机包括发送端和接收端，其中：
所述交换机的接收端通过第一同轴线缆与所述网络节点的发送端通信，所述交换机的发送端通过第二同轴线缆与所述网络节点的接收端通信；
所述交换机的发送端包括第三SMA连接器和第三变压器；所述交换机的接收端包括第四SMA连接器和第四变压器；
所述第三变压器的初级线圈与次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和所述第三SMA连接器的SMA插座外壳地；所述第四变压器的初级线圈与次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和所述第四SMA连接器的SMA插座外壳地；
所述第三SMA连接器和所述第四SMA连接器的SMA插座焊接后的引脚残余高度不高于1mm。
在一些实施例中，所述网络节点的发送端和接收端中还包括传输线和过孔，所述传输线位于印制板上，用于连接所述网络节点中的各部件，其中，所述印制板上的所述过孔差分阻抗为100Ω±10％。
在一些实施例中，所述印制板走线的插损在1GHz时不大于0.024dB/inch；差分对走线等长，差值不大于10mil；所述网络节点上的FC高速差分走线总长度小于10inch；差分走线阻抗为100Ω±10％。
在一些实施例中，SMA插座轴心信号参考完整的SMA插座外壳地信号，所述SMA插座外壳地信号是完整连续的地平面，且所述SMA插座外壳地信号为铜箔平面，SMA插座的插损在1GHz时不大于0.01dB；在2GHz时不大于0.02dB。
在一些实施例中，SMA连接器的特征阻抗为50Ω±10％，插损在1GHz时不大于0.01dB；在2GHz时不大于0.02dB。
在一些实施例中，所述网络节点是网络控制器和/或网络终端。
在一些实施例中，所述印制板差分走线的过孔对不大于6对，每对过孔对的插损在1GHz时不大于0.06dB，在2GHz时不大于0.1dB。
本申请实施例，通过对布线、布图、变压器的约束设计，能够以极高的可靠性达到理想的传输性能(在1.0625Gbps速率下传输0-70米的距离)，满足了特定领域对系统稳定性和传输能力的特殊要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构和操作。
图1是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络拓扑结构示意图；
图2是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络系统的链路连接图；
图3是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络系统的网络节点发送端结构示意图；
图4是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络系统的网络节点接收端结构示意图；
图5是根据本申请的一些实施例所示的布局示意图；
图6是根据本申请的一些实施例所示的同轴线缆的插损控制曲线示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例阐述了本申请的许多具体细节，以便提供对相关披露的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来讲，本申请显而易见的可以在没有这些细节的情况下实施。应当理解的是，本申请中使用“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”术语，是用于区分在顺序排列中不同级别的不同部件、元件、部分或组件的一种方法。然而，如果其他表达式可以实现相同的目的，这些术语可以被其他表达式替换。
应当理解的是，当设备、单元或模块被称为“在……上”、“连接到”或“耦合到”另一设备、单元或模块时，其可以直接在另一设备、单元或模块上，连接或耦合到或与其他设备、单元或模块通信，或者可以存在中间设备、单元或模块，除非上下文明确提示例外情形。例如，本申请所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列条目的任何一个和所有组合。
参看下面的说明以及附图，本申请的这些或其他特征和特点、操作方法、结构的相关元素的功能、部分的结合以及制造的经济性可以被更好地理解，其中说明和附图形成了说明书的一部分。然而，可以清楚地理解，附图仅用作说明和描述的目的，并不意在限定本申请的保护范围。可以理解的是，附图并非按比例绘制。
本申请中使用了多种结构图用来说明根据本申请的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本申请。本申请的保护范围以权利要求为准。
图1是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络拓扑结构示意图。如图1所示，同轴FC-AE-1553网络采用星形组网拓扑，即一个FC交换机和多个网络节点连接。FC交换机上提供多个FC端口，每个端口可以连接一个网络节点。网络节点可以是网络控制器(Network Controller，NC)或网络终端(Network Terminal，NT)。
图2是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络系统的链路连接图。每条FC数据传输路径包含网络节点、线缆部分和交换机。网络节点通过一对同轴线缆连接到交换机，分为发送线缆和接收线缆。其中，如图2所示，所述网络节点的通用结构包括发送端和接收端，网络节点的发送端包括：驱动芯片发送器、变压器、SMA(Small A Type)连接器(通常包括插座和插头，优选在设备端使用插座，在线缆中使用插头)；网络节点的接收端包括：驱动芯片接收器、变压器、SMA连接器。对应地，如图2所示，所述交换机包括发送端和接收端，交换机的发送端包括：SMA连接器、变压器、驱动芯片发送器；交换机的接收端包括：SMA连接器、变压器、驱动芯片接收器。所述交换机的接收端通过第一同轴线缆(发送线缆)与所述网络节点的发送端通信，所述交换机的发送端通过第二同轴线缆(接收线缆)与所述网络节点的接收端通信。
其中，影响信号传输速率和传输距离的因素有许多，板间串扰、线路干扰和信号衰减均会产生不同程度的负面影响。而在设备内部，板间串扰主要由线路布局和器件连接产生，当通信速率越高时其影响越大。在一些实施例中，为满足同轴线缆的高速率传输，所述网络节点需要进行相应配置。典型地，变压器初级线圈和次级线圈之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和SMA插座外壳地；SMA连接器的SMA插座焊接后的引脚残余高度不高于1mm。相应地，交换机中需要作同样配置，变压器初级和次级之间放置至少两个交流耦合电容，每个交流耦合电容的两端分别连接数字地和SMA插座外壳地；SMA连接器的SMA插座焊接后的引脚残余高度不高于1mm。通过上述实施例的方式，本申请的技术方案优化了变压器和连接器引脚中的电气性能，可确保通信器件在高速传输环境下具备良好的抗干扰性、健壮性，可稳定传输1.0625Gbps速率的FC-AE-1553网络信号，从而实现了同轴线缆在FC-AE-1553网络中长距离高速率的通信。
图3和图4是根据本申请的一些实施例所示的FC-AE-1553网络系统的网络节点结构示意图。如图3和图4的优选实施例所示，网络节点的发送端和接收端均包含驱动芯片(发送器和接收器)、布线(传输线和过孔)、变压器、SMA连接器。
在本申请的一些实施例中，为了获得更好的板间电气性能，所述FC-AE-1553网络系统对布线有一定限定性要求。
优选地，驱动芯片接收器和驱动芯片发送器至SMA插座之间的印制板差分走线的过孔对应该不大于6对。每对过孔的插损在1GHz时不大于0.06dB；在2GHz时不大于0.1dB。
差分信号通路的过孔也需要进行差分阻抗控制，过孔差分阻抗100Ω±10％。
印制板走线的插损在1GHz时不大于0.024dB/inch；差分对走线等长，差值不大于10mil；网络节点上的FC高速差分走线总长度小于10inch；差分走线阻抗控制在100Ω±10％。
在一些实施例中，所述FC-AE-1553网络系统对布局有一定限定性要求。
布局的特征在于：
(a)变压器(U26)初级(线圈)的走线在满足走线特征阻抗的条件下(特征阻抗依据电路要求可以是50欧姆，75欧姆，120欧姆等)，还满足SMA插座轴心信号要参考完整的SMA插座外壳地信号(GND_EARTH)。SMA插座外壳地信号(GND_EARTH)是完整连续的地平面，即SMA插座外壳地信号设计成铜箔平面，不能使用走线的形式进行连接。如图5A/B区域所示。GND_EARTH是完整连续的地平面，按照该方式设计可稳定传输1.0625Gbps速率的信号。
(b)变压器(U26)初级线圈和次级线圈之间放置至少2个交流耦合电容。电容分别连接数字地(GND)和SMA插座外壳地信号(GND_EARTH)，如图5C/D区域所示。按照本申请实施例设计的电容布局位置和电容数量，可获得小于E-12数量级的误码率的传输质量。其中，电容的数量可以大于等于2颗。
对变压器的要求为：变压器能在1.0625Gbps速率下工作，能够适配50欧姆的同轴线缆。比如使用PULSE公司的TM1062。
对SMA插座的要求为：SMA插座的插损在1GHz时不大于0.01dB；在2GHz时不大于0.02dB。如图5所示，SMA插座即为标号J15和J16的区域的部件。
对同轴线缆的要求：线缆部分的插损在1GHz时不大于15dB；在2GHz时不大于23dB。同轴线缆的回波损耗在0-2GHz时不大于-15dB。同轴线缆的插损控制应该优于图6中的曲线。
所述同轴线缆包括内芯和屏蔽层，内芯连接差分信号的正端，屏蔽层连接差分信号的负端，所述同轴线缆的插损在1GHz时不大于15dB；在2GHz时不大于23dB，回波损耗在0-2GHz时不大于-15dB。
同轴线缆的特征阻抗Z0是50Ω±10％。
线缆的衰减特性会影响信号传输的距离。传输70米长度，要求线缆损耗在1GHz时不大于0.21dB/m；在2GHz时不大于0.32dB/m；传输50米长度，要求线缆损耗在1GHz时不大于0.3dB/m；在2GHz时不大于0.46dB/m；传输30米长度，要求线缆损耗在1GHz时不大于0.5dB/m；在2GHz时不大于0.77dB/m。
对同轴间串扰的要求为：在500MHz至1GHz区间，同轴线缆与其他同轴线缆的串扰衰减量不小于40dB。
对SMA连接器的要求为：同轴线缆的连接器的特征阻抗Z0为50Ω±10％。SMA连接器的插损在1GHz时不大于0.01dB；在2GHz时不大于0.02dB。SMA连接器的SMA插座电装后剪去多余的引脚。连接器引脚残余的高度小于1.0mm。连接器引脚残余高度对信号质量有明显影响，控制好残余的高度可避免残桩导致的信号反射，实现优良的信号质量。进而实现同轴线缆传输FC-AE-1553协议在1.0625Gbps的高速率条件下，其误码率小于E-12。
本申请相比于现有技术，具有如下有益效果：
一、本申请相比FC-AE-1553光纤传输，FC-AE-1553同轴传输更耐高温，可以耐受125℃-250℃的高温；
二、本申请相比MIL-STD-1553屏蔽双绞线传输，提供一种高速传输方案，传输速率达到1.0625Gbps；
三、本申请通过对驱动芯片(发送器，接收器)、布线、布图、变压器、SMA连接器和线缆的约束设计，达到在1.0625Gbps速率下传输0-70米的距离。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。