shadow png

Особенности разработки и производства кабелей для стандарта SpaceWire

Кабельный завод Спецкабель

Коротко о технологии SpaceWire

SpaceWire – телекоммуникационная сеть для космических аппаратов, основанная на части стандарта соединения IEEE 1355. Её использование изначально началось в проектах Европейского космического агентства ESA, и на данный момент она используется в международных космических агентствах NASA, JAXA, ФКА («Роскосмос»), которыми она совместно координируется. Некоторые проекты NASA, использующие её, включают: Космический телескоп имени Джеймса Вебба, Burst Alert Telescope для Swift, Лунный орбитальный зонд, Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров и прочие [1].

По сути, это сетевая технология передачи данных для космических аппаратов, совмещающая в себе простоту и низкую цену реализации наравне с высокой производительностью и гибкостью архитектуры. Она использовалась в более 30 миссиях и является доминирующей для бортовых систем малых космических аппаратов, посадочных модулей и т.п. Длительное время основной технологией, применяемой в космическом и авиационном оборудовании, была коммуникационная шина MIL-STD 1553. Однако в условиях растущих требований MIL-STD 1553 уже не справляется с поставленными задачами, поскольку его средняя скорость передачи данных в 1 Мбит/с и шинная топология накладывают серьёзные ограничения. Поэтому для передачи данных в бортовых сетях сейчас переходят на стандарт SpaceWire, а ввиду необходимости в малых спутниках, посадочных модулях и т.п. резко возросли возможности его использования [2].

На физическом уровне в SpaceWire используется низковольтная дифференциальная передача сигналов (LVDS) вместо устаревшей PECL, предусмотренной стандартом IEEE 1355 DS-DE. В SpaceWire также используются 9-штырьковые разъёмы типа Micro-D, применяемые в космической отрасли.

В сети SpaceWire узлы соединяются при помощи недорогих последовательных соединений типа точка-точка, обладающих малыми задержками и работающих в дуплексном режиме, и коммутационными роутерами, осуществляющими маршрутизацию способом коммутации каналов. SpaceWire охватывает два (физический и канальный) из семи уровней сетевой модели OSI для коммуникаций. SpaceWire использует асинхронное соединение и обладает пропускной способностью на уровне от 2 Мбит/с до 400 Мбит/с. Также SpaceWire обладает очень низким уровнем ошибок, определением состояния системы, а также относительно простой цифровой электроникой [1].

Разработка технологии SpaceWire базировалась на трёх стандартах: IEEE 1355–1995, TIA/EIA–644 и IEEE Standard 1596.3–1996. Стандарт IEEE 1355–1995 предназначался для построения высокопроизводительных масштабируемых модульных параллельных вычислительных систем. Другие два слагаемых SpaceWire – стандарты TIA/EIA–644 и IEEE 1596.3–1996 – описывают метод передачи данных дифференциальными сигналами с малым напряжением LVDS (Low Voltage Differential Signalling).

Драйвер LVDS (Рис. 1) формирует ток, который проходит по физической линии связи (кабель, проводники на плате) и через резистор 100 Ом на принимающей стороне.

LVDS интерфейс обладает рядом важных достоинств. Дифференциальные сигналы малочувствительны к внешним помехам (если наводка и возникает, то практически одинаковая в обоих проводах дифференциальной пары, и на входе приёмника это составляющая взаимно вычитается). В свою очередь, уровень электромагнитных помех, излучаемых LVDS системами, также низок, поскольку равные по величине и противоположные по знаку токи в близко расположенных проводниках создают взаимно компенсирующие электромагнитные поля. [6]


LVDS -метод передачи сигналов

Рис. 1. LVDS -метод передачи сигналов

Нормативно физический и канальный уровень технологии SpaceWire описываются стандартом ECSS-E-ST-50-12C Rev.1 [3], обновленным в 2019 году, а требования к конструкции и эксплуатационным характеристикам применяемых кабелей описаны в стандартах ESCC No. 3902/003 [4] и ESCC No. 3902/004 [5] – оба 2014 года.

Постановка задачи и конечный результат

Данная работа предусматривала замещение применяемых отечественными предприятиями космической отрасли импортных кабелей для SpaceWire, по которым были разработаны стандарты [4] и [5].

В общем виде ставилась задача по разработке высокочастотного симметричного кабеля парной скрутки с индивидуальным и общим экранами, удовлетворяющего требованиям бортовой сети Spacewire (достаточно жёстким с точки зрения симметрии, согласования и ослабления передаваемого сигнала) и способного функционировать в условиях открытого космоса и бортов летательных аппаратов.

В результате были разработаны кабели для ракетно-космических систем со встроенными распределёнными и параллельными информационно-вычислительными и управляющими комплексами, работающие в реальном времени с использованием технологии SpaceWire, с унифицированным исполнением по стойкости к внешним воздействующим факторам 6У ГОСТ РВ 20.39.414.1.

Кабели обеспечивают передачу цифровых и аналоговых сигналов с частотой до 600 МГц (1000 МГц) и скоростью от 2 до 400 Мбит/с при рабочем переменном напряжении до 200 В (350 В постоянного тока). Конструкция и основные параметры кабелей приведены на Рис. 2, 3 и в таблице.


Конструкция кабелей марок СК-КФФ 4×2×0,38, СК-КФФ 4×2×0,48 СК-КФФ 4×2×0,48

Рис. 2. Конструкция кабелей марок СК-КФФ 4×2×0,38, СК-КФФ 4×2×0,48


Конструкция кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40 Кабель СК-КФ 4×2×0,40

Рис. 3. Конструкция кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40

Таблица - Основные параметры разработанных кабелей для стандарта SpaceWire

№ п/п и поз. Конструктивный элемент и параметр Размер, материалы и значения параметров кабеля
СК-КФФ 4×2×0,38
(исполнение 1)
СК-КФФ 4×2×0,48
(исполнение 2)
СК-КФ 4×2×0,40
(исполнение 3)
1 Токопроводящая жила, наружный диаметр, мм, не более Посеребрённый медный сплав
0,38 (7×0,126) 0,48 (7×0,160) 0,40 (19×0,08)
2 Изоляция Пористый ПФА или ФЭП физического вспенивания
3 Заполняющие кордели ПТФЭ
4 Экран пары Посеребрённые медные или алюмомедные круглые или плоские проволоки, плотностью не менее 90% Посеребрённые алюмомедные круглые или плоские проволоки, плотностью не менее 90% или ламинированная алюминиевая фольга
5 Оболочка пар Фторэтиленпропилен Отсутствует
6 Обмотка сердечника ПТФЭ
7 Общий экран Посеребрённые медные или алюмомедные круглые или плоские проволоки, плотностью не менее 90% Посеребрённые алюмомедные круглые или плоские проволоки, плотностью не менее 90%
8 Оболочка ФЭП
9 Наружный диаметр кабеля, мм, не более 7,0 8,75 6,5
10 Масса кабеля, г/м, не более 80 115 55
11 Температурный диапазон стационарной эксплуатации, °С минус 198–200 минус 120–110
12 Волновое сопротивление в полосе частот 1–600 МГц, Ом 100±6
13 Коэффициент затухания при 20 °С, дБ/м на частоте 1000 МГц, не более 1,5
14 Разность времён задержки сигнала, нс/м, не более: – между жилами в паре; – между двумя любыми парами 0,10 0,15
15 Джиттер сигнала при скорости передачи 400 Мбит/с, нс, не более 0,10
16 Затухание экранирования в диапазоне частот 30–1000 МГц, дБ, не менее 40
17 Сопротивление связи в диапазоне 0,3–30 МГц, мОм/м, не более 100
18 Стойкость к газовыделению в вакууме (при вакуумно-тепловом воздействии): – потеря массы неметаллических материалов кабеля,%, не более; – содержание летучих конденсирующих веществ в неметаллических материалах кабеля, не более 1 0,1

Примечание:
ПФА – сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилвиниловый эфир,
ФЭП – фторэтиленпропилен,
ПТФЭ – политетрафторэтилен

Принципиально конструкция кабеля исполнения 3, которая негласно имела определение «облегчённой» ввиду требования по наименьшей из установленных массе кабеля – 55 г/м (или по возможности – 42 г/м, как у прототипа), отличается от двух других отсутствием оболочек поверх индивидуальных экранов пар. Это обусловлено тем, что по новой схеме монтажа, описанной в [3], и общий, и индивидуальный экраны кабеля соединяются между собой в общей точке – корпус-«земля» соединителя. Устаревшая схема подключения, не рекомендуемая для применения в новых проектах, предполагала раздельное попарное подключение экранов кабелей с разных концов кабельной сборки [11, 12].

Критичные функциональные параметры кабелей

Стандарт ECSS-E-50-12A регламентирует скорости передачи по каналу SpaceWire от 2 до 400 Мбит/с на расстояния до 10 м, но практические исследования показали, что дальность передачи также можно увеличить на десятки метров с пропорциональным уменьшением скорости передачи: 200 Мбит/с – на 20 м, 100 Мбит/с – на 30 м и т.д. И наоборот, при длине линий связи в пределах 1÷2 м (короткий кабель, плата) можно достигнуть 600÷700 Мбит/с. Для передачи на максимальных скоростях на такие расстояния стандарт задаёт ряд требований к параметрам кабеля.

Фазовое рассогласование распространения сигналов (разница в приходе фронтов сигналов, skew) между проводами симметричной пары не должно превышать 0,1 нс/м, а между разными витыми парами – не более 0,15 нс/м. Практика подтверждает, что ухудшение этих показателей приводит к снижению скорости устойчивой передачи данных по каналу SpaceWire [6].

Для обеспечения согласованности и минимизации потерь на отражение между линией связи и приёмником сигнала среднее значение волнового сопротивления (импеданса) кабеля в частотном диапазоне до 600 МГц должно иметь весьма узкие допуска, а именно оставаться в пределах (100±6) Ом, что примерно в 2,5 раза жёстче, чем для стандартных кабелей СКС. Данная норма также справедлива и при оценке импеданса по длине кабеля импульсным методом с помощью временного рефлектометра.

Важным критерием оценки качества цифрового сигнала, передаваемого с определённой скоростью (числом последовательных битов в единицу времени) на определённое расстояние является характеристика, называемая джиттер (от англ. jitter – дрожание). Смысл джиттера иллюстрирован на Рис. 4 так называемой глазковой диаграммой – наложением последовательности импульсов, проходящих через канал связи и получающих искажение исходных фронтов за счёт распределённых параметров кабеля (R , L , C).

В абсолютном измерении джиттер представляет собой полный временной сдвиг относительно временных границ импульса. В относительном исчислении джиттер определяется формулой [7]:

В относительном исчислении джиттер определяется формулой(1)

где
tui – длительность единичного интервала (одного бита в начале линии);

ttcs - полный временной сдвиг относительно временных границ импульса.

Иными словами, джиттер – кратковременное отклонение фазы значимых составляющих цифрового сигнала от идеального положения во времени (Рис. 5).


Общий вид глазковой диаграммы

Рис. 4. Общий вид «глазковой» диаграммы

Графическое пояснение «джиттера»

Рис. 5. Графическое пояснение «джиттера»

При передаче данных в виде цифрового сигнала от источника до приёмника джиттер возникает в результате ряда причин (Рис. 6), которые зависят от передатчика (источника), линии передачи (кабельной линии) и приёмника. В рамках данной статьи наибольший интерес представляют причины возникновения джиттера, относящиеся к кабельной линии: тепловой шум, вносимые потери, обратные потери, влияние соседних линий (или перекрёстные помехи внутри кабеля (Xtalk)), а также рассогласование импеданса (волнового сопротивления) в линии.

Составляющие джиттера

Рис. 6. Составляющие джиттера

Самым простым методом оценки джиттера является построение «глазковых» диаграмм, которые создаются путём наложения перепадов друг на друга. Глазковая диаграмма представляет собой суперпозицию трёх битов, когда накладываются всевозможные логические состояния (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Любые искажения сигнала, собранные в понятие джиттер (дрожание), будут приводить к «закрытию глазка» [8].

Требование к джиттеру в данном случае совпадает с требованием по разнице во времени задержки сигнала между двумя жилами в паре – не более 0,1 нс с тем отличием, что джиттер показывает стабильность максимальной разницы задержек в течение определённого времени (числа измерений) на всей длине кабельной линии.

Конструктивно-технологическая реализация требований

Проволока для токопроводящих жил

Одна из первичных задач по выполнению требований заключалась в обеспечении уникальных для отечественной кабельной промышленности физико-механических характеристик многопроволочных токопроводящих жил разрабатываемых кабелей, а именно:

  • относительное удлинение (Δl) и прочность (σ) при разрыве отдельных проволок жилы – не менее 6% и 330 Н/мм2 соответственно;
  • удельное объёмное электрическое сопротивление материала проволок (r) – не более 0,020 мкОм×м (ввиду требования к электрическому сопротивлению постоянному току жил).

Данные параметры определены требованиями стандарта к токопроводящим жилам. Для достижения данных требований была выбрана наиболее распространённая в технологии изготовления бортовых проводов и кабелей бронзовая проволока марки БрХЦрК, которая в исходном состоянии имеет: Δl – ≈(2÷5)%, σ – ≈600 Н/мм2, r – ≈0,018 мкОм×м.

С целью получения на БрХЦрК требуемых значений параметров Δl и σ было использовано оборудование, новое с точки зрения применяемой в отечественной практике технологии очистки и отжига проволоки, а именно линия плазменного отжига проволоки (рис. 7).


Линия плазменного отжига проволоки

Рис. 7 Линия плазменного отжига проволоки

Данная линия предназначена для термической обработки различных тонких проволок диаметром от 0,06 до 0,50 мм из меди или медных сплавов с покрытием (серебром, золотом или никелем; за исключением цинка и олова из-за низкой температуры их плавления) или без покрытия. Основным преимуществом данной технологии является возможность отжига проволоки из медных сплавов с параметрами, не достижимыми традиционными способами.

Линия состоит из установки плазменного отжига проволоки, отдающего и приёмного устройств. В плазменном модуле установки отжига проволока подвергается нагреву и отжигу за счет плазменной обработки, а затем охлаждается в среде нейтрального газа (азота). Обработка плазмой приводит к трём эффектам: нагреву материала, очистке материала (удаление оксидной плёнки, удаление смазки) и полировке поверхности (при небольших шероховатостях).

Плазменная обработка не повреждает поверхности материала, при условии, что на материал не воздействует повышенная и неоправданно мощная плазма. Производственная скорость плазменного процесса зависит прежде всего от заданных целевых свойств проволоки, массы пропускаемого через систему материала и конструкции машины. Во время процесса входная мощность установки отжига (плазмы) и температура (интенсивность) плазменной обработки выбираются автоматически, подстраиваясь пропорционально изменению линейной скорости линии во время её разгона и остановки, не вызывая при этом деградации физико-механических свойств обрабатываемого материала, обеспечивая в то же время поддержание их равномерности по длине проволоки.

Остатки загрязняющих веществ, эмульсии, смазки и слои окислов разрушаются в плазменной камере или испаряются при высокой температуре. Зольные остатки скапливаются на дне камеры или в вакуумных фильтрах. Осадки на поверхности, смазки, удаляемые с поверхности при обработке плазмой, и летучие компоненты остаточных веществ, испаряющиеся в процессинговый газ (азот), отсасываются из плазменной камеры вакуумной системой и выбрасываются через выпускную трубу.

Скрутка жилы

Для скрутки токопроводящих жил была использована линия сигарного типа, предназначенная в основном для скрутки проволок из меди и медных сплавов с покрытием или без него.

Особенность и преимущество линии скрутки сигарного типа заключаются в том, что при скрутке на данных машинах скручиваемые проволоки не получают закрутки, в результате чего скручиваемые элементы на всем протяжении скручиваемой длины формируют сердечник, в котором отсутствуют избыточные (или остаточные) механические напряжения. Это обеспечивается тем, что катушки с проволокой, располагаемые в «люльках», которые подвешены в теле «сигары», сохраняют своё пространственное положение, также не придавая сходящим с них проволокам крутящих усилий. Такая скрутка особенно важна при изготовлении токопроводящих жил из проволок, сплавов с малым значением относительного удлинения.

В противоположность обычной (например, двойной) и так называемой «дикой» (одновременная закрутка всех проволок в пучок) скрутке, жила, сформированная повивами на сигарной машине, не приобретает упругости, приводящей к перекручиваю или наоборот ослаблению контактов между проволоками при дальнейших операциях. Кроме того, не происходит миграции проволок из повива в повив по длине жилы, в результате чего не возникает дополнительных потерь полезного сигнала в кабеле.

В итоге при правильной скрутке в готовом кабеле сохраняется равномерность электромагнитного поля, положительно сказывающаяся на частотных параметрах передачи кабеля, таких как волновое сопротивление и коэффициент затухания.

Изоляция токопроводящих жил

Следующей задачей, вытекающей из требований стандарта, являлась разработка высокотемпературной, то есть обеспечивающей функционирование кабеля в диапазоне высоких температур, например до 200 °С, облегчённой высокостабильной изоляции токопроводящих жил.

Для наложения изоляции использовалась экструзионная линия (Рис. 8), способная перерабатывать фторополимеры.

Экструзионная линия физического вспенивания и ошлангования фторопластом Экструзионная линия физического вспенивания и ошлангования фторопластом

Рис. 8. Экструзионная линия физического вспенивания и ошлангования фторопластом

Линия позволяет накладывать сплошную изоляция и оболочку толщиной от 0,1 мм и диаметром до 8 мм, а также высокотемпературную пористую изоляцию токопроводящих жил. Образование пористой изоляции производится путём впрыска инертного газа в расплав гранулированного полимера с введёнными в гранулы порообразующими добавками. Порообразующие центры при контакте с газом образуют замкнутые равномерно распределённые в толще изоляции микропоры.

Благодаря вспениванию достигается снижение потерь в диэлектрике на высоких частотах (следовательно, и снижение электрической ёмкости и затухания сигнала в рабочих парах), уменьшение массогабаритных параметров кабеля, равномерность частотных характеристик электрических параметров передачи, влагостойкость, сохранение свойств при хранении и надёжность эксплуатации.

Принципиальная схема экструзии с физическим вспениванием материала показана на Рис. 9.

Принципиальная схема экструзии с физическим вспениванием материала

Рис. 9. Принципиальная схема экструзии с физическим вспениванием материала

При изготовлении кабелей для стандарта SpaceWire поверх вспененного слоя накладывается сплошной слой толщиной несколько десятков микрон из фторполимера той же основы, что у вспениваемого материала и с близким с ним по значению показателем текучести расплава. Данный слой придаёт изоляции дополнительную твёрдость, стабильность её диаметру по длине, защиту от влаги, а также соответствующие электрические параметры и возможность окрашивания изоляции в нужный цвет. На Рис. 10 показан поперечный срез изоляции кабеля СК-КФФ 4×2×0,38 диаметром 0,92 мм и степенью вспенивания изоляции 30%.

Срез изоляции кабеля СК-КФФ 4×2×0,38

Рис. 10. Срез изоляции кабеля СК-КФФ 4×2×0,38

В качестве материала, обладающего всеми необходимыми для кабелей СК-КФФ и СК-КФ свойствами, был выбран вспенивающийся фторопластовый компаунд, причём в двух базовых вариантах – на основе сополимера ПФА и ФЭП.

ПФА обладает очень широким диапазоном рабочих температур (от –200 до +260 °С) наряду с исключительными высокочастотными диэлектрическими показателями (диэлектрическая проницаемость e и тангенс угла диэлектрических потерь tgd), сопоставимыми со значениями у ПТФЭ, а также меньшей, чем у ПТФЭ, хладотекучестью, что имеет значение при постоянной механической нагрузке на кабель при его длительной эксплуатации в кабельных жгутах.

В свете рассматриваемых требований по совокупности характеристик ФЭП практически ничем не уступает ПФА за исключением несколько более высокого значения tg d. Тем не менее рассчитанная конструкция кабелей позволила применить и этот материал, поскольку значение коэффициента затухания не вышло за установленный предел. Но при этом ФЭП – материал, имеющий в несколько раз более высокую радиационную стойкость, прежде всего по таким критериям как электрическое сопротивление и относительное удлинение изоляции жил кабеля, которое, впрочем, не является критичным параметрам для рассматриваемых слаботочных кабелей передачи данных.

Заполняющие кордели

Для выполнения требований по электрическим параметрам, а также максимальной симметрии и устойчивости рабочих пар к внешним механическим воздействиям было необходимо уплотнить пространство вокруг скрученных пар заполняющими элементами. Они должны состоять из высокотемпературного материала, обладающего электрическими свойствами, близкими к свойствам изоляции токопроводящих жил. При этом также должно было выполняться требование по минимальной потере массы и выделению летучих конденсирующих веществ при вакуумно-тепловом воздействии.

В качестве материала была выбрана лента из ПТФЭ пониженной плотности 0,7–0,9 г/см3. Чтобы обеспечить возможность укладки такой ленты в пространство между изолированными жилами пары, была применена её закрутка в спираль на линии двойной скрутки, с предварительным пропусканием через формующий калибр, внутренний диаметр которого на 15–20% меньше диаметра изолированных жил.

Скрутка элементов конструкции

Операции скрутки элементов конструкции – проволок токопроводящих жил, изолированных жил в пары и рабочих пар в сердечник кабеля – осуществлялись в противоположных друг относительно друга направлениях с тем, чтобы избежать избыточных напряжений в элементах готового кабеля. Скрутка рабочих пар изолированных токопроводящих жил совместно с заполняющими корделями производилась на специализированной линии звёздно-четвёрочной скрутки с откруткой скручиваемых элементов.

Скрутка сердечника, состоящего из четырёх экранированных пар и центрального корделя, производилась также на специализированной линии скрутки с откруткой, позволяющей избежать перекручивания самих пар и токопроводящих жил в парах.

Экраны пар и общий экран

Индивидуальным экраном каждой пары является оплётка проволоками или обмотка металлической лентой, обеспечивающие в совокупности с общим экраном эффективность экранирования.

В качестве основного решения для индивидуального экрана каждой из четырёх пар исполнения кабелей 1 и 2 была выбрана оплётка посеребрёнными медными или алюмомедными круглыми или плоскими проволоками. Установленная масса кабеля «облегчённого» исполнения 3 обусловила особое исполнение экранов пар, сочетающее пониженную удельную массу с достаточной экранирующей способностью. Поэтому основным вариантом стала оплётка посеребрёнными алюмомедными круглыми или плоскими проволоками.

Вместе с тем температурный диапазон эксплуатации кабеля исполнения 3 позволил использовать в качестве индивидуального экрана пар ламинированную алюминиевую фольгу, наложенную спирально с перекрытием кромок слоем алюминия наружу для обеспечения непрерывного контакта с общим оплёточным экраном.

Оболочки экранированных пар и оболочка кабеля

В качестве оболочки экранированных пар кабелей исполнения 1 и 2, а также общей оболочки кабелей всех исполнений был применён отечественный ФЭП марки 4МБ.

Наложение оболочки пар и общей оболочки осуществляется на той же специализированной линии, на которой производится изолирование токопроводящих жил. При этом маркировка данных элементов выполняется с помощью специального струйного принтера, работающего на краске, предназначенной для нанесения на поверхность фторопластового элемента, предварительно разогретую до температуры 300 °С блоком плазменной обработки поверхности.

Кабель исполнения 3 оболочек пар не имеет, поскольку, как было отмечено ранее, необходимо обеспечить электрический контакт между индивидуальными и общим экранами по всей длине кабеля.

Кабель облегчённой конструкции

Разработанный кабель марки СК-КФ 4×2×0,40является самым малогабаритным и лёгким кабелем парной скрутки для технологии SpaceWire. Этот кабель превзошёл зарубежный аналог по основным эксплуатационным параметрам:

  • вес 1 метра – 40,7 г (у аналога – 42 г);
  • наружный диаметр – 5,7 мм (у аналога – 6,5 мм);
  • коэффициент затухания на 600/1000 МГц – 0,85/1,11 дБ/м (у аналога – 1,4 дБ/м на 1 ГГц).

Что же позволило изготовить такой компактный и легкий кабель ? Прежде всего, это применение в качестве индивидуального экрана пар ламинированной алюминиевой фольги, которая в сравнении с оплеткой из посеребрённых алюмомедных проволок позволяет снизить массу кабеля более, чем на 10 г/м, а наружный диаметр кабеля – на 0,5 мм. Это в итоге приводит к уменьшению общей массогабаритной характеристики более, чем на 12%.

Измерительная аппаратура и оценка критических параметров передачи

К критически важным параметрам для любых кабелей связи, в том числе и кабелей SpaceWire, относятся коэффициент затухания, волновое сопротивление, разность времён задержки сигнала между парами кабеля. Исходя из высоких требований к качеству сигнала в сети SpaceWire, к перечисленным параметрам добавляются ещё два: разность времён задержки сигнала между жилами кабеля и джиттер.

В качестве оборудования для измерения электрических параметров кабелей как радиочастотных, так и симметричных в частотной области, наилучшим образом подходят векторные анализаторы цепей, а также системы, построенные на их основе [9]. Векторный анализатор цепей (VNA) – прибор, измеряющий параметры отражения и передачи (S-параметры) активных и пассивных устройств и элементов электрических цепей в частотной области.

Измерения в частотной области

Подход к измерениям симметричных кабелей связи с помощью VNA основывается на преобразовании сигнала с коаксиального выхода (50 Ом) на симметричный (100 Ом) с помощью симметрирующих трансформаторов (baluns). Таким образом, с помощью оснастки, включающей в себя симметрирующие трансформаторы, осуществляется подключение симметричных кабелей к VNA.

Для измерения коэффициента затухания, волнового сопротивления кабеля, а также разности времён задержки сигнала между рабочими парами в кабеле в частотном диапазоне использовалась измерительная система компании AESA Contraillod Gmbh., построенная на базе VNA и используемая для измерения параметров стандартных кабелей СКС до частот 1200 МГц. Результаты измерений кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40 показаны на Рис. 11, 12, 13.


Частотная зависимость волнового сопротивления кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40

Рис. 11. Частотная зависимость волнового сопротивления кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40


Частотная зависимость коэффициента затухания кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40

Рис. 12. Частотная зависимость коэффициента затухания кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40


Частотная зависимость разности времён задержки сигнала между парами кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40

Рис. 13. Частотная зависимость разности времён задержки сигнала между парами кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40

Измерения во временной области

Для оценки симметричности передаваемого дифференциального сигнала во временной области был приобретён цифровой стробоскопический осциллограф DCA-X с опцией TDR (time domain reflectometry)/TDT (time domain transmission) фирмы KeySight, а также специальное коммутационное устройство (Рис. 14), обеспечивающее соединение осциллографа с каждой из восьми жил кабеля. Данный прибор позволяет измерять электрические параметры как во временной, так и в частотной областях.

Измерение кабеля СК-КФ 4×2×0,40 на цифровом осциллографе Измерение кабеля СК-КФ 4×2×0,40

Рис. 14. Измерение кабеля СК-КФ 4×2×0,40 на цифровом осциллографе

Разность времён задержки сигнала между жилами кабеля представляет собой разницу по времени между фронтами синфазного сигнала проходящего по каждой жиле и отражённого от конца кабеля.

Суть метода измерения этого параметра – сигнал (вида «перепад») подают на каждую из токопроводящих жил кабеля. Временная разность между перепадами отражённого от конца кабеля обратного сигнала будет являться разностью времён задержки сигнала между жилами. Результаты измерений для кабеля СК-КФ 4×2×0,40 приведены на Рис. 15. Применяемое оборудование и программное обеспечение позволяют наглядно наблюдать формы волн синфазных сигналов сразу нескольких жил (до 16) и измерять разность времён задержки сигнала между двумя любыми токопроводящими жилами.

Разность времен задержки сигнала между жилами в паре кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40 во временной области

Рис. 15. Разность времен задержки сигнала между жилами в паре кабеля марки СК-КФ 4×2×0,40 во временной области

Метод TDR также применим для оценки волнового сопротивления по (времени) длине кабеля (во временной области). Однако в настоящее время этот метод имеет некоторые ограничения, которые касаются измерения волнового сопротивления протяжённых устройств, к которым и относятся кабели. Данные ограничения связаны со следующими эффектами.

  1. Переотражения – неизбежный эффект при TDR-измерениях. Часть волны, отражённая от неоднородности, сталкивается с предыдущей неоднородностью и переотражается. Таким образом возникают множественные переотражения. На данный момент, приборы оснащены опцией peeling (алгоритм учёта переотражений), позволяющей частично снять этот эффект. Однако peeling имеет недостаток: не учитывает вносимые потери, а при больших вносимых потерях точность расчётов уменьшается. Самая точная неоднородность – первая.
  2. Маскинг. При существенной неоднородности обнаруживается снижение точности измерения за счёт того, что амплитуда падающей волны напряжения, приходящей на следующую неоднородность, меньше первоначальной. Следовательно, величина отклика снижается. На сегодняшний день алгоритм компенсации не реализован.

Результаты измерения волнового сопротивления во временной области приведены на Рис. 16. На характеристике можно наблюдать легкую тенденцию к росту, которая и объясняется описанными эффектами. Чем больше длина кабеля, тем они ярче выражены, так как величина вносимых потерь, количество неоднородностей и вероятность попадания на существенные неоднородности с увеличением длины возрастают. Тем не менее, оценка стабильности импеданса по длине представляется возможной.

Волновое сопротивление рабочей пары кабеля СК-КФ 4×2×0,40 во временной области

Рис. 16. Волновое сопротивление рабочей пары кабеля СК-КФ 4×2×0,40 во временной области

Стоит упомянуть, что рефлектометрия – прямой метод, позволяющий оценивать профиль импеданса устройств. Существуют также и другие методы, например математическое преобразование частотной характеристики импеданса во временную с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

Результаты измерения джиттера приведены на Рис. 17. Методика измерения джиттера в кабеле включает в себя следующие шаги:

  • измерение S-параметров кабеля в требуемом диапазоне частот;
  • моделирование входного цифрового сигнала (до 400 Мбит/с);
  • формирование выходного сигнала. Наложение измеренных S − параметров кабеля (шаг 1) на входной сигнал с помощью математического моделирования (имитация прохождения заданного цифрового сигнала через кабель с измеренными S − параметрами);
  • получение глазковой диаграммы, формируемой смоделированным выходным сигналом (шаг 3);
  • измерение величины джиттера.

Джиттер кабеля СК-КФ 4×2×0,40, построенный методом глазковой диаграммы

Рис. 17. Джиттер кабеля СК-КФ 4×2×0,40, построенный методом глазковой диаграммы

Заключение

Разумеется, охватить в одной статье то немалое количество нюансов, сложностей и технологических решений, которые возникли по ходу данной работы, невозможно. Поэтому в статье представлены основные моменты, связанные с этой интереснейшей темой.

Перспектива применения кабелей для технологии SpaceWire не ограничивается космической техникой, но так же получает всё большее распространение на наземных объектах. Кроме того, «космические» технологии дали толчок для разработки модификации разработанных кабелей для структурированных кабельных сетей (СКС). Разрабатываемая в настоящее время серия кабелей обеспечивает экранирование рабочих пар свыше 100 дБ, а сам кабель соответствует нормам кабеля для СКС по ГОСТ Р 54429–2011 с диапазоном нормируемых параметров до 1000 МГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Википедия. SpaceWire. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/SpaceWire.
  2. Шейнин Ю.Е., Оленев В.Л., Лавровская И.Я., Дымов Д.В., Кочура С.Г. Разработка, анализ и проектирование транспортного протокола СТП-ИСС для бортовых космических сетей SpaceWire // Исследования наукограда. – 2016. – № 1–2 (15–16). – С. 21–30.
  3. ECSS-E-ST-50-12C Rev.1. «Space engineering. », май 2019
  4. ESCC Detail Specification No. 3902/003. «CABLE, “SPACEWIRE”, ROUND, QUAD USING SYMMETRIC CABLES, FLEXIBLE, -200 TO +180°C», 2014
  5. ESCC Detail Specification No. 3902/004. «CABLE, LOW MASS, “SPACEWIRE”, ROUND, QUAD USING SYMMETRIC CABLES, FLEXIBLE, -100 TO +150°C», 2014
  6. Шейнин Ю., Солохина Т., Петричкович Я. Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределительных комплексов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2006. – № 5. – С. 64–75.
  7. Кузнецов Р.Г. Кабели для современных сетей промышленной автоматизации // Автоматизация в промышленности. – 2005. – № 8. – С. 19–24.
  8. Джонсон, Говард В., Грэхем, Мартин. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии. Пер. с англ. – М.: ООО И.Д. «Вильямс», 2016. – 1024 с.
  9. Хренков Н.Н., Лобанов А.В. Радиочастотные кабели. Глава 6.4. – М.: Де'Либри, 2019. – 244 с.
  10. Дансмор Джоэль П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ – устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей. – М.: Техносфера, 2018. – 736 с.
  11. Лобанов А.В., Левчук В.О., Кузнецов Р.Г., Шлеин А.О., Фурса Ю.А., Фрик Д.А. Высокочастотный симметричный кабель для космических аппаратов // Патент на полезную модель № RU 192505 U1, 02.07.2019.
  12. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=40882685 .
  13. Лобанов А.В., Левчук В.О., Кузнецов Р.Г., Шлеин А.О., Фурса Ю.А., Фрик Д.А. Высокочастотный симметричный кабель для авиационно-космической техники // Патент на полезную модель № RU 192493 U1, 18.09.2019.
    URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=40882673 .

Статья опубликована в журнале «Кабели и провода» № 2 (338) за 2021 год

Кабельный завод Спецкабель