מחברים מיניאטוריים להעברת תקשורת מהירה המיועדים למערכות ממוחשבות זעירות בתחום הצבאי

image_pdfimage_print

העולם של מחשבים מוקשחים בעלי גורם צורה קטן (small form factor – SFF) מתפתח במהירות. ארכיטקטורות חזקות דוגמת ה-VPX נשארות הפיתרון התקני עבור מערכות משובצות מחשב איכותיות, אך המתכננים מחפשים פתרונות חיבוריות I/O קטנים יותר וקלים יותר על מנת לחסוך מקום ומשקל. פלטפורמת VPX היא מודולרית ועם אפשרויות הרחבה ולכן מתאימה מאוד עבור מערכות SFF. אולם, היכולות הגבוהות של המעבדים מבחינת קצבי עבודה כמו גם התקני האחסון במערכות משובצות מחשב מוקשחות מציבות אתגר בהעברת המידע במהירות מקצה לקצה. דור חדש של מחברים מיניאטוריים וננו-מיניאטוריים תומך עתה בצרכים של I/O מהיר. עבור אפיקי נתונים בעלי עכבה של 100Ohm דוגמת ה-GbE וה-10G Ethernet. מחברים אלה מבוססים על תכנונים רובוסטיים אשר נבדקו כבר בסביבות עוינות כדי לבטל את הרעש, להפחית את ה- Crosstalk ולשמור על שלמות האות.

אין שום דבר חדש בשאיפה הקבועה בתחום הפיתוח האלקטרוני ליצור מערכות קטנות יותר, מהירות יותר ויעילות יותר. הדבר נכון גם לגבי מערכות משובצות מחשב, שם הנטייה למערכות קטנות יותר, קלות יותר אשר צורכות פחות הספק, פותחת יכולות יישום חדשות. מערכות בעלות גורם צורה קטן מאפשרות שימוש בלוויינים, תחמושת חכמה, הגנה בפני טילים, תקשורות מוטסות, מל”טים ויישומים דומים. יישומים כאלה מושפעים מדרישות הגודל, המשקל וההספק (size, weight and power – SWaP). הכוונה היא ליצור מערכות די קטנות, מוקשחות וניידות עבור פריסה בשטח.

איור 1. מחברים עגולים קטנים התומכים בהעברת קצבים מהירים לתחום
הצבאי )מקור: .)TE Connectivity

מבחינת המחברים, מערכות SFF דורשות קישוריות יותר קטנה ויותר קלה, אך היא עדיין צריכה לעמוד בקצבי תעבורת מידע גבוהים כמו גם חסינות בפני תנאי סביבה קשים כמו מחברים צבאיים קיימים. תכונות רצויות אחרות, דוגמת בחירת חומרים מתאימה, עריכת תיקונים בשטח ושימוש חוזר במרכיבים, נדרשות לבחירה אופטימאלית של מחבר במערכות ממוחשבות זעירות SFF.

כיצד להשיג Signal Integrity במחברים קומפקטיים

אפליקציות רבות דורשות תשתית העברת נתונים בקצב מהיר לתמיכה במגוון פרוטוקולי תקשורת חדשים . מתכננים צריכים להתייחס לתופעות חשמליות שמיוחסות לחיבוריות, כגון Insertion Loss, Return Loss, ו- Crosstalk לשם שמירה על שלמות האות. שם המשחק במעבר נתונים מהיר הוא לשמור על שלמות האות, ואתגר ה-I/O הוא למנוע ממחבר ה- I/O להיות החוליה החלשה בשרשרת מתואמת העכבה (Matched Impedance) .

שמירה על שלמות האות במחברים מהירים מתמקדת בעיקר בשתי סוגיות: (1) שמירה על עכבה קבועה כדי למנוע החזרות ו- Crosstalk ו-(2) טיפול בגורמי רעש חיצוני. העכבה האופיינית של המחבר צריכה להיות זהה לעכבת הכבל המתחבר מאחר שכל אי-רציפות של העכבה תשפיע על צורת הגל ועל ה- Impart Loss. אי-הרציפות עשויה לא רק להגדיל את ה- Crosstalk, אלא גם לעוות את האות מאחר שההרמוניות בתדר גבוה באות יוחזרו בצורה חזקה יותר. חומרת חוסר התאימות תלויה הן בגודל אי-התאימות של האורך החשמלי ביחס לתדר הסיגנל. כאשר קצב הנתונים עולה, השיבוש המוחש על-ידי האות הופך בהדרגה לגדול יותר ביחס לזמן העלייה של האות (Signal Rise Time). חוסר התאימות אולי לא משמעותי בקצבים של 100Mb/s, הוא עלול להציג שיבוש מזערי ב-1 Gb/s, ובוודאות לפגוע באות של 10Gb/s. מחברים המתוכננים עבור מהירויות גבוהות צריכים להיות מתוכננים ביתר תשומת-לב. עם השימוש המתרחב בתקשורת Ethernet, המבוססת על עכבה מתואמת של 100±10 Ohms, מהנדסי פיתוח מחפשים פלטפורמת חיבורים אחידה המתואמת 100 Ohm כדי לפשט את החיבוריות של פרוטוקולים מרובים במערכות ממוחשבות. מאחר שלמפרטי ה-Ethernet יש דרישות חשמליות מחמירות יחסית, כבלים ומחברים שתואמים את הדרישות יוכלו לשמש כפלטפורמה לפרוטוקולי תקשורת מהירה נוספים המבוססים על עכבה של 100Ohm .

איור 2. סידורי מגעים עבור מחברי 10Gb/s )מקור: )TE Connectivity

התאמת עכבות טובה גם מנטרלת את ההתדרדרויות המזעריות העשויות להופיע בשל טיב עבודה ירוד, מחזורי התאמה חוזרים וסיבות בלאי אחרות.

מחבר מהיר גדול לא ניתן להקטין בפשטות. מחברי MIL-DTL-38999 מסורתיים, אשר לא תוכננו תחילה תוך התחשבות במהירויות הגבוהות של היום, משיגים מהירויות גבוהות על-ידי שמירה על זוגות מגעים נפרדים מזוגות מגעים אחרים. בחירה סלקטיבית של 38999 קיים עשויה למזער את ה-Crosstalk באמצעות בידוד. מערכת המגעים בסדרה זו מתוכננת להיות חזקה מבחינה מכאנית וברת-תיקון, דבר העונה לדרישות של תכנון המחבר המקורי מלפני שנים רבות. אולם, פתרונות אלה אינם עונים לדרישות של גיאומטריית המגעים ומיקומם עבור עכבה מתואמת ו- Return Loss , דבר שהוא קריטי עבור המחבר כדי לספק את דרישות המהירות.

רעש ושלמות האות

רעש, בין אם הופק פנימית בתוך הכבל בתור Crosstalk ובין חיצונית ממקורות אחרים, מטופל בעיקר באמצעות Differential Pairs. רעש דיפרנציאלי ניתן לביטול במקלט. ב- Common-Mode Noise מאידך, קשה יותר לטפל.

סיכוך יכול לפעול הן לשם מניעת רעש חיצוני על-ידי הובלתו להארקה ולסייע בשמירה על עכבה אופיינית. בשעה שיישומים צבאיים מעדיפים סיכוכי אריגה (Braid) לעומת סיכוכי סרט (foil) העדינים והקשים יותר לחיווט, אולם אריגי סיכוך יוצרים כבלים עבים יותר. השאיפה במערכות SFF היא להשתמש בכבלים הקטנים ביותר שניתן. גישה אחת כדי להשיג אותות מהירים היא לחבר את הסיכוך ישירות למחבר, ובכך לשמור אותו קרוב למגעים במקום לחבר אותו ל- Backshell. היתרון הוא בכך ששינוי העכבה ממוזער והסיכוך נשמר. דבר זה מאפשר ביצועים מצוינים, אך מציב גבולות בהפחתת ממדי המחבר.

כאשר מתכננים מחבר ממוזער, המגעים מתקרבים זה לזה. מאחר שה- Crosstalk תלוי חלקית במרחק, קירבה גדולה יותר עשויה להגדיל את ההשפעות שלו. Crosstalk ניתן לביטול על-ידי הצבת זוגות דיפרנציאלים בזווית ישרה זה לזה. דבר זה ניתן לבצע כמתואר באיור 2. בצד השמאלי באיור ניתן לראות זוגות דיפרנציאלים המפוזרים לאורך היקף המחבר. מאחר שהזוגות סמוכים זה לזה בנקודות הקצה, רמת ה- crosstalk ביניהם גבוהה (במיוחד כשהמחבר קטן מימדים). תבנית מגעים בצורת T, המוצגת בצד הימני של איור 2, שומרת על שלמות האות על-ידי שמירת כל הזוגות בזוויות ישרות. תבנית ה-T ממזערת את ההשפעות של ה- Crosstalk על-ידי ביטול הרעש באופן סימטרי. באמצעות סידור הזוגות במבנה זויתי של 900 האחד כלפי השני, ניתן להנחית את הרעש באופן סימטרי תבנית זוגות מגעים סימטרית, מאפשרת את ביטול הרעש באופן אופטימלי, תוך הקטנת כמות הפרדת הזוגות הדיפרנציאלים הנדרשת. דבר זה מאפשר את הגדלת צפיפות המגעים בתוך המחבר.

איור 3. משפחות המחברים Gb/s 10 נותנות למתכננים יותר אפשרויות בהגשמת
המטרות של SWaP )מקור: .)TE Connectivity

בשעה שקצבי הנתונים עלו, נוצר פער ביכולות מחברי הנחושת המוקשחים להעביר קצבים אלו. כדי לטפל בפער זה בקישוריות, TE השיקה לאחרונה שלוש משפחות של מחברי CeeLok, המסוגלים להעביר סיגנלים בקצבים של 10 Gb/s, כאשר לכל אחד מהם יתרונות מיוחדים עבור המתכננים בביצועים ובגודל. איור 3 מראה את המזעור השוטף הניתן על-ידי תכנונים חדשים אלה. התצורה של מחברי D38999 היא עבור ה-Gigabit Ethernet (כאשר הצבע האדום מצביע על סידור הפינים הנבחרים).

מחברי CeeLok FASX  משתמשים בשיטה חדשנית כדי לשמור על רציפות הסיכוך דרך המחבר. כתוצאה, ניתן לשרשר פעמים רבות מבלי להפחית את הביצועים. המחבר הוא מעט גדול יותר מאשר השניים שכבר נדונו כאן, אך יש לו את שלמות האות הגבוהה ביותר תוך שמירה על יכולת התיקון בשטח. המחברים תומכים בערוץ אחד של 10G Ethernet ב- Shell Size בגודל 11 או ארבעה ערוצים ב- Shell Size בגודל 25.

מחברי CeeLok FAST הם קטנים יותר – זהו מחבר התומך בערוץ אחד של10G Ethernet ב- Shell Size בגודל 8. תבנית המגעים בצורת T של המחבר מספקת ביטול הרעש ומרחיקה את הזוגות כדי למזער את ה- Crosstalk ולהגדיל את שלמות האות. ה- Backshell משולב בתוך גוף המחבר כדי לספק פרופיל נמוך, עלות נמוכה, משקל נמוך והגנת EMI טובה יותר. ניתן ליישם את המחבר בשטח.

מחברי Nano CeeLok FAST משתמשים באותה תבנית מגעים בצורת T בגודל ננו-מיניאטורי –המחברים הם בקוטר 0.3 אינטש, עם אפשרות של חיבור לנגדי בדחיפה או בהברגה. שלא כמו מחברי ה-CeeLok FAS-T הגדולים יותר, גרסת הננו מחווטת אצל היצרן ולא ניתנת לחיווט בשטח. ביחד עם ממדים קטנים מופיע חיסכון במשקל: ערכת כבל באורך 1 מטר עם מחבר push-pull שוקלת רק 13 גרם. המחברים מבוססים על סדרות המחברים הננו-מיניאטוריים האטומים סביבתית אך הם בעלי Insert המתוכנן עבור קצבים מהירים.

איור 4 מציג  near-end crosstalk עבור כבלים המיישמים את מחברי הסדרה. המחברים עונים לדרישות תקן ה-ANSI/TIA-568-C.2 עבור ה- 10G Ethernet, ומספקים ביצועים מעולים בהשוואה לכבלי ה-Category 6A. מדידות אחרות, כגון Insertion Loss, Return Loss , FEXT, מציגות גבולות דומים בהעברת נתונים מעל הדרישות.

איור 4. ביצועי NEXT )מקור: TE
)Connectivity

מחברי SFF 10G: מוקשחים ומוכנים לשימוש ביישומים צבאיים

על אף גודלם הקטן, מחברי SFF ניתנים לתכנון עבור יישומים קשים, הכוללים את היכולת לעמוד בפני רמות משמעותיות של הלם ורעידות, תרסיס מלח, טבילה בשמן ובממיסים וסיכונים סביבתיים ומכניים אחרים. בנוסף, חומרי המחבר ניתנים לבחירה כאשר הם מציגים נידוף גזים נמוך כנדרש עבור יישומי חלל. בשורה התחתונה, הדור החדש של מחברי SFF מיועד לשימוש במגוון רחב של יישומים צבאיים בהם נדרש משקל נמוך ומזעור מבלי לסכן את הביצועים החשמליים.

על המחבר:

Gregory Powers משמש כמנהל פיתוח שווקים בתחום מערכות חשמליות וחלל בחטיבת ה- Global Aerospace, Defense & Marine business unit של TE Connectivity.

באדיבות – אמיר תירוש, חברת TTI RayQ.

Greg Powers, TE Connectivity

תגובות סגורות