Connectivité haute performance pour les drones de nouvelle génération

Alors même que la connectivité en cuivre à haut débit évolue, la transmission par fibre optique est de plus en plus utilisée. La création d’architectures indépendantes de l’emplacement implique l’utilisation de différents sous-systèmes non limités par les distances de câblage. Les fibres optiques présentent les avantages bien connus de transmissions sur de longues distances indépendamment du débit de données, de l’immunité au bruit et de la compacité et/ou de la légèreté de l’appareil. Alors que les drones passent de modèles centrés sur une plateforme à des modèles axés sur le réseau (qui partagent des informations sur les capteurs et la charge utile avec les stations de contrôle au sol, les satellites et les terminaux distants), un traitement intensif en calcul est nécessaire à la fois pour séparer le bon grain de l’ivraie et pour compresser les données. VPX est une plateforme de premier plan destinée à répondre à ces besoins, car elle offre aux utilisateurs la modularité, l’évolutivité et la prise en charge de la connectivité optique et RF au niveau de la carte.

Pour éviter les goulets d’étranglement en matière de performances, les connexions d’E/S doivent suivre la cadence des processeurs afin de garantir une transmission rapide et efficace de données. Les systèmes commencent à utiliser l’Ethernet gigabit et même 10 gigabits pour créer des réseaux embarqués qui relient les capteurs, les processeurs et les communications. Les économies d’espace et de poids sont des exigences clés dans la conception des drones. La réduction du poids joue un rôle particulièrement important, car elle permet aux drones d’effectuer un vol stationnaire pendant de longues durées et de transporter des charges utiles plus lourdes. Les économies mesurées en grammes au niveau des composants permettent de gagner des kilos au niveau de l’ensemble du système. La combinaison de vitesses plus élevées et d’exigences de réduction de la taille et du poids signifie que les connecteurs militaires traditionnels, tels que l’omniprésent connecteur circulaire MIL-DTL-38999, sont souvent trop grands et mal adaptés aux systèmes à grande vitesse. C’est pourquoi les concepteurs recherchent d’autres outils ; quelle que soit la solution choisie, elle doit être suffisamment renforcée et solide pour résister aux chocs et aux vibrations, aux températures extrêmes et aux autres risques mécaniques et environnementaux associés au déploiement dans un drone.

Avec l’augmentation des vitesses d’E/S, les problèmes d’intégrité du signal et de budget de puissance créent de nouveaux défis. En termes simples, les signaux haute vitesse sont plus difficiles à gérer que les signaux basse vitesse. Plus la vitesse d’interconnexion est élevée, plus la gestion de l’affaiblissement de réflexion, de l’affaiblissement d’insertion, de la diaphonie et de facteurs similaires susceptibles de dégrader les signaux est difficile. Un câblage idéal ne présenterait pas de connexions intermédiaires entre les boîtiers, mais les interruptions de production et la modularité requises contraignent les ingénieurs à utiliser des connecteurs. Un connecteur mal conçu entraînera une discontinuité d’impédance importante. L’impact de cette discontinuité dépend de la fréquence – la perte de retour et la diaphonie augmentent avec la fréquence – ce qui signifie que les connecteurs d’E/S à haut débit doivent être conçus avec plus de soin. L’atténuation dans le câble et la perte d’insertion dans le connecteur dépendent également de la fréquence, ce qui rend les budgets de puissance plus difficiles à réaliser à des vitesses élevées. Les questions de taille, de poids et de puissance (SWaP) restent les plus importantes pour assurer une surveillance permanente, un meilleur rapport poids-carburant et la possibilité de fabriquer des drones plus petits. Si des connecteurs plus petits et plus légers permettent d’atteindre les objectifs SWaP, la miniaturisation ne peut pas se faire au détriment de l’intégrité du signal ou de la robustesse. Les connecteurs nanominiatures et microminiatures existent déjà, mais ils n’ont pas été conçus pour les signaux à haut débit.

Le manque de connectivité rapide en cuivre peut être partiellement comblé avec certains connecteurs capables d’atteindre des performances 10 Gbit/s. Un connecteur qui maintient la continuité du blindage peut être concaténé plusieurs fois sans dégradation des performances. Ces connecteurs sont réparables sur le terrain et prennent en charge un seul canal Ethernet 10 G dans une coque de taille 11 ou quatre canaux dans une coque de taille 25. Un connecteur plus petit à huit positions dans une coque de taille 8 utilise un modèle de contact en forme de T pour assurer l’annulation et le découplage du bruit afin de minimiser la diaphonie et d’augmenter l’intégrité du signal. Dans ce connecteur de taille 8, le capot est intégré dans le corps de la fiche afin de présenter une faible épaisseur, d’offrir une décharge de traction de faible poids et de fournir une protection électromagnétique (EMI). Les nanoconnecteurs utilisent le même modèle de contact en forme de T que les connecteurs de taille 8, mais dans une taille nanominiature, car les fiches ne font que 0,3 pouce (0,76 cm) de diamètre. (Voir la figure 1).

Alors même que la connectivité en cuivre à haut débit évolue, la transmission par fibre optique est de plus en plus utilisée. La création d’architectures indépendantes de l’emplacement implique l’utilisation de différents sous-systèmes non limités par les distances de câblage. Les fibres optiques présentent les avantages bien connus de transmissions sur de longues distances indépendamment du débit de données, de l’immunité au bruit et de la compacité et/ou de la légèreté de l’appareil. Bien qu’il existe de nombreux connecteurs fibre optique, les deux principales catégories de contacts optiques sont le contact physique (PC) et le bras élargi (EB). Les terminaisons PC, qui utilisent généralement une ferrule céramique à fibre unique, permettent d’obtenir de faibles pertes grâce au contact physique des terminaisons. Les connecteurs EB, quant à eux, s’appuient sur des lentilles sphériques pour dilater, puis refocaliser la lumière à travers l’interface. L’interface EB sans contact offre une durabilité élevée du cycle d’accouplement et un nettoyage facile, tandis que l’interface PC offre la perte la plus faible. La ferrule MT, d’une capacité de 12 ou 24 fibres, permet un conditionnement des fibres à très haute densité. Les ferrules MT sont disponibles en versions PC et EB.
Pour la connectivité par fibre optique, les connecteurs de type 38999 restent populaires dans les applications de drone. TE a récemment présenté le connecteur MC801, qui combine des terminus ARINC 801 et une coque de type 38999 (figure 2). Les terminaisons ARINC non genrées sont considérées comme plus faciles à utiliser, à nettoyer et à entretenir que les configurations à broches et à fiches femelles de contact de style PC militaire. ARINC 845, qui couvre les technologies à bras élargi, a récemment choisi les terminaisons PRO BEAM EB16 de TE comme norme industrielle ARINC 845 pour les applications optiques renforcées dans l’aviation commerciale.

Avec des capteurs de plus en plus sophistiqués, un silicium de plus en plus rapide et performant, et des architectures informatiques et des logiciels de plus en plus sophistiqués, l’avenir des systèmes de drone passe clairement par l’augmentation de la bande passante. Les réseaux migrent déjà de l’Ethernet 1 Gbit/s vers le 10 Gbit/s, et les 40 et 100 Gbit/s arriveront prochainement. La rationalisation des conceptions dans le but d’obtenir un ensemble matériel commun gagne également du terrain. Par exemple, la conception d’interconnexions compatibles avec une gamme d’impédances de la couche physique (Fibre Channel, IEEE 1394, eSATA, etc.) peut non seulement simplifier la conception du système, mais aussi réduire le nombre et les types de câbles et de connecteurs à stocker. L’amélioration de la compatibilité renforcera l’idée d’une modularité et d’une connectivité plug-and-play simple d’utilisation. Même si, en fin de compte, les concepteurs recherchent des systèmes et des composants uniformisés à hautes performances, ceux-ci peuvent toujours utiliser d’autres solutions pour garantir de bonnes performances. Le système actuel basé sur les performances pourrait bien devenir la nouvelle norme de demain.