Tendencia
Diseñado para perdurar
Los subsistemas UAV actuales exigen grandes anchos de banda combinados con un SWaP bajo. La tecnología VPX proporciona el rendimiento y la solidez para satisfacer esas demandas. Por: Matthew R. McAlonis, gerente sénior de Ingeniería de Desarrollo de Productos, Aeroespacial, de Defensa y Marítima
Cada vez más, se espera que los vehículos aéreos no tripulados (UAV) tengan una persistencia más prolongada, permaneciendo en la estación por períodos medidos no en horas sino en días. La capacidad de merodear para misiones de vigilancia y ataque pone un énfasis significativo en el diseño en el ahorro de espacio y peso en todos los sistemas. Una onza aquí y una onza allá suman muchas libras en general. Al mismo tiempo, la sofisticación de las capacidades de vigilancia de un UAV continúa expandiéndose. Capaces de recopilar cantidades masivas de datos, múltiples cámaras y sensores cubren un amplio espectro de frecuencias, desde luz visible hasta infrarrojos y térmicos con una resolución y un campo de visión impresionantes. El sistema de imágenes ARGUS, por ejemplo, puede detectar un objeto de seis pulgadas dentro de un radio de diez millas cuadradas desde 20,000 pies en el aire. El sistema ARGUS utiliza 368 cámaras y puede capturar, procesar y descargar un millón de terabytes al día. La combinación de imágenes de varias cámaras y otras necesidades de procesamiento de señales requiere computadoras integradas rápidas y software sofisticado. Debido a la enorme cantidad de datos generados por los sensores, un desafío adicional del sistema es separar el trigo de la paja a través del procesamiento a bordo para que solo los datos críticos se transmitan a satélites o estaciones terrestres. Incluso si el sistema ARGUS puede procesar un millón de terabytes por día, la infraestructura más grande de inteligencia, vigilancia y reconocimiento no puede manejar tales cargas, incluso con una fuerte compresión de datos.
Ley de equilibrio incorporada
Escalabilidad
Una talla no sirve para todos
Los sistemas informáticos integrados deben equilibrar una variedad de necesidades competitivas. Estos incluyen:
- Mayores cargas de procesamiento: l sistema debe ser capaz de leer sensores de alta definición, procesar la información y transmitir los resultados al suelo.
- Ahorro de peso y espacio: un menor peso se traduce en tiempos de vuelo más largos y mayores cargas útiles. Las limitaciones de espacio son siempre un problema.
- Resistencia: el sistema debe ser confiable, capaz de soportar entornos hostiles durante largos tiempos de vuelo.
Cualquiera de ellos se logra fácilmente, pero lograr todo implica llegar a un término medio. Los sistemas comerciales funcionan más rápido, pero no tienen la solidez requerida. Es posible que los sistemas más resistentes no tengan la flexibilidad, la escalabilidad o el rendimiento necesarios para satisfacer las necesidades militares y aeroespaciales actuales de uso intensivo de datos. Los sistemas pequeños y ligeros son más fáciles de diseñar si la solidez y el rendimiento no son importantes.
VPX tiene la combinación correcta
VPX, que admite velocidades de 3.125 Gbits/s, 6,25 Gbits/s y superiores en una arquitectura de estructura conmutada, es la última generación del venerable VMEbus y ofrece nuevos niveles de rendimiento para sistemas informáticos integrados. Los sistemas VPX están diseñados para la aplicación flexible de protocolos exigentes de alta velocidad, como los protocolos 10G Ethernet, RapidIO, InfiniBand e HyperTransport, en aplicaciones terrestres, aeroespaciales y marinas.
VPX es un enfoque robusto para la computación integrada que también depende en gran medida de productos comerciales listos para usar, fomentando una amplia base de proveedores internacionales, acortando el tiempo de comercialización y alimentando aún más la evolución del ecosistema. Otros dos estándares son importantes para el ecosistema VPX. VITA 65 define OpenVPX, que establece perfiles estándar para varias configuraciones en los niveles de chasis, placa base, ranura y módulo. El objetivo es crear compatibilidad entre productos de diferentes proveedores para permitir una arquitectura abierta y admitir el mantenimiento de dos niveles y las actualizaciones del sistema al permitir a los usuarios intercambiar módulos reemplazables de línea (LRM) en el campo. VITA 68 define un canal de cumplimiento VPX que incluye criterios comunes de rendimiento eléctrico de placa base necesarios para admitir múltiples tipos de estructura en un rango de velocidades de datos definidas.
Conectividad para VPX
VITA 46 es la especificación de arquitectura fundadora para VPX. Especifica el conector de placa base MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity (TE), con un enfoque en señales digitales. Como se muestra en la Figura 1 a continuación, el diseño del conector utiliza una oblea de módulo enchufable en lugar de contactos macho, un enfoque bien establecido en aplicaciones comerciales. Las obleas, disponibles para necesidades diferenciales, de un solo extremo y de energía, se pueden modificar fácilmente para satisfacer las necesidades específicas del cliente en cuanto a impedancia característica, retardo de propagación y otros parámetros eléctricos. La mitad del conector de la placa base sin pines asegura la protección de la placa base, protegiendo así el sistema, el vehículo y la misión. La integridad de la señal se ha elevado en paralelo con la integridad mecánica. El conector VPX comercial sólido admite velocidades de hasta 10 Gbit/s, lo que proporciona un amplio margen para admitir las velocidades estándar de VPX de 3.125 y 6.25 Gbit/s. El diseño es altamente modular para admitir configuraciones de 3U y 6U.
Varios conectores de la competencia, definidos por otros estándares VITA, ofrecen compatibilidad de espacio con los conectores MULTIGIG RT 2 de TE, pero no acoplamiento. El diseño basado en obleas del conector MULTIGIG RT 2 de TE y la sólida carcasa termoplástica crean un conector con mucho aire y muy poco metal, en otras palabras, un conector muy ligero. Estos son aproximadamente un 50 % más ligeros que otros conectores destinados a ser alternativas de VPX. Los conectores también son muy modulares para dar a los usuarios una mayor flexibilidad en la construcción de configuraciones 3U y 6U. La modularidad también permite que los módulos sean reemplazados por módulos para necesidades de RF, ópticas y de energía. Estos también admiten lanzamientos de 1.25 pulgadas y de 0.8 pulgadas que ahorran espacio.
Resistencia más allá de VITA 47
El estándar ambiental VITA 47 ha sido durante mucho tiempo la medida de solidez para aplicaciones informáticas integradas. Define niveles y pruebas para el estrés mecánico y ambiental, como vibración, temperaturas extremas y otros criterios importantes para la confiabilidad en entornos hostiles y desafiantes. Si bien VPX/VITA 47 es el estándar actual para sistemas integrados de alta confiabilidad y alta velocidad, los diseñadores también desean migrar VPX a entornos más desafiantes. Los UAV exponen los componentes a vibraciones y amplios rangos de temperatura, mientras que el sofisticado procesamiento requerido para manejar tales cargas significa computadoras integradas que funcionan rápido y caliente. Es posible que se requiera enfriamiento por conducción o enfriamiento líquido, como se define en VITA 48, ya que el aire a 20,000 pies de altura puede ser demasiado delgado para el enfriamiento por aire. Para satisfacer las demandas emergentes de solidez y fiabilidad, los diseñadores necesitan nuevos métodos de prueba para medir el rendimiento. Las pruebas realizadas por el grupo de estudio VITA 72 proporcionan dicha evaluación. El conector MULTIGIG RT 2 de TE se ha “reforzado” aún más para cumplir con los requisitos aún más exigentes de VITA 72. Compatible con el diseño original para proporcionar una ruta de migración fácil de resistente a ultrarresistente, el conector MULTIGIG RT 2-R de TE utiliza los contactos se han rediseñado para que cada haz haga dos puntos de contacto, denominados cuádruples redundantes, lo que duplica aproximadamente el área del parche de contacto con la oblea. Las líneas de contacto nuevas pueden reducir las fuerzas de acoplamiento hasta en un 10 % al tiempo que ayudan a mantener un contacto confiable bajo niveles de vibración extremos. Debido a que los dos haces no son simétricos entre sí, cada haz tiene diferentes modos de frecuencia en respuesta a la vibración, lo que disminuye la posibilidad de que ambos haces se vean afectados negativamente simultáneamente.
Creación de un rico ecosistema VPX
El ecosistema VPX es rico y evoluciona para brindar a los diseñadores una variedad de opciones para señales diferenciales y de un solo extremo, entrepiso, potencia, óptica y conectividad RF. A medida que VPX ha evolucionado, se han creado nuevos estándares para satisfacer la más amplia gama de necesidades de interconexión. La Figura 2 a continuación resume las principales interconexiones disponibles ahora para los sistemas VPX de TE y muestra una configuración teórica de señal, RF y posibilidades ópticas en un solo borde de tarjeta.
En la figura no se muestran los conectores intermedios VITA 61 XMC 2.0. Las placas mezzanine brindan flexibilidad de complemento adicional para los sistemas al proporcionar una mayor funcionalidad y modularidad a una placa de circuito impreso. Permiten que las placas existentes se reconfiguren, actualicen o personalicen mediante la adición de la tarjeta intermedia. Las aplicaciones típicas incluyen protocolos de entrada/salida (E/S) de alta velocidad específicos de la aplicación, gráficos, memoria y procesamiento de señales digitales.
El estándar VITA 67 especifica el conector de la serie SMPM, elegido por la mayor densidad de embalaje que es posible gracias al tamaño pequeño. El objetivo al diseñar los módulos VITA 67 RF era colocar ocho contactos de RF en el espacio ocupado por un solo módulo de señal VITA 46 VPX. El SMPM es una versión miniaturizada del conector de la serie SMP que es un 30 % más pequeño con un rendimiento similar y tiene una interfaz de conexión ciega en contrafase compacta. Mientras que los conectores SMPM tienen una frecuencia de funcionamiento máxima de 65 GHz, el requisito estándar VITA 67 es un rango de frecuencia de CC a 26.5 GHz.
E/S más rápidas y densas
El procesamiento rápido mediante computación integrada también requiere velocidades de entrada/salida más rápidas para ayudar a evitar cuellos de botella de comunicación. A medida que aumentan las velocidades de E/S, los problemas de integridad de la señal y el presupuesto de energía crean nuevos desafíos. En pocas palabras, las señales de alta velocidad son más difíciles de manejar que las señales de baja velocidad. Cuanto mayor sea la velocidad de interconexión, más difícil será gestionar la pérdida de retorno, la pérdida de inserción, la diafonía y factores similares que pueden degradar las señales. Si bien un sistema de cableado ideal no tendría conexiones intermedias entre cajas, la necesidad real de interrupciones en la producción y la modularidad requieren conectores en el camino.
Un conector mal diseñado aparecerá como una discontinuidad de impedancia significativa. El impacto de la discontinuidad es la pérdida de retorno dependiente de la frecuencia y el aumento de la diafonía con la frecuencia, lo que significa que los conectores de E/S de alta velocidad deben diseñarse con más cuidado. La atenuación en el cable y la pérdida de inserción en el conector también dependen de la frecuencia, lo que hace que los presupuestos de energía sean más difíciles a altas velocidades.
Figura 3: Tres familias de conectores de 10 Gbit/s ofrecen a los diseñadores más opciones para cumplir con los objetivos de SWaP.
Los problemas de tamaño, peso y potencia (SWaP) siguen siendo equivalentes a proporcionar una vigilancia persistente, una mejor relación combustible-peso y el potencial de UAV más pequeños. Si bien los conectores más pequeños y ligeros ayudan a cumplir los objetivos de SWaP, la miniaturización no se puede lograr a expensas de la integridad de la señal o la resistencia sólida. Los conectores tradicionales en nanominiatura y microminiatura ya existen, pero no fueron diseñados para señales de alta velocidad. Más recientemente, los conectores que admiten datos de 10 Gb/s han llegado en envases que van desde nanominiaturas hasta carcasas MIL-DTL-38999 tradicionales. La figura 3 muestra una comparación de tamaño de tres de estos conectores.
La fibra llega hasta el final
A pesar de que la conectividad basada en cobre de alta velocidad de datos está evolucionando, la transmisión de fibra óptica está encontrando un mayor uso. La creación de arquitecturas independientes de la ubicación significa que los diferentes subsistemas no deben verse limitados por las distancias de cableado. Las fibras ópticas tienen las ventajas bien conocidas de largas distancias de transmisión, inmunidad al ruido, tamaño pequeño y peso ligero. La fibra óptica también ha avanzado en el uso más fácil, la solidez y la elección. El estándar VITA 66, por ejemplo, ofrece una selección de: ferrules cerámicos para el mejor rendimiento de pérdida de inserción y pérdida de retorno; terminales de haz expandido sin contacto para una mayor solidez; y ferrules MT para altos recuentos de 12 o 24 fibras por ferrule y múltiples ferrules por módulo. Las mismas opciones están disponibles para una variedad de conectores circulares y rectangulares de estilo militar. A medida que VPX continúa evolucionando, ofrece a los diseñadores nuevos niveles de flexibilidad y capacidades para satisfacer las sofisticadas necesidades de procesamiento de señales de los UAV. La adaptación y evolución de la tecnología de interconexión comercial ha demostrado ser la forma preferida de satisfacer las necesidades cada vez mayores de la informática integrada. La tecnología comercial a menudo conduce a alcanzar nuevos niveles de velocidad y densidad, necesitando solo ser lo suficientemente resistente para cumplir con los requisitos más estrictos de las aplicaciones de alta confiabilidad. Si bien tal solidez de la tecnología comercial puede no ser un asunto trivial, a menudo proporciona un menor riesgo y un camino más rápido al mercado que comenzar desde cero. En lugar de reinventar la nueva tecnología, solo debes demostrar que la tecnología existente, ya ampliamente utilizada, funciona en un entorno más riguroso.
