Ihre geringe Leistungsfähigkeit und veraltete Architektur können mit den Anforderungen missionskritischer Systeme, die heute die Bandbreite, Geschwindigkeit und Flexibilität von Ethernet-basierten Glasfaserverbindungen erfordern, nicht mithalten.
Glasfasern gemäß IEEE-802.3-Standard bieten Datenraten von 1 Gbit/s bis 400 Gbit/s und ermöglichen so die robuste digitale Infrastruktur, die für moderne Avionik notwendig ist. Dieser Wandel birgt jedoch eine Herausforderung: Optische Hochgeschwindigkeitssysteme sind anfälliger für Signalverschlechterungen durch Jitter, Interferenzen und Dämpfung. Um die Signalintegrität zu gewährleisten und die für die Flug- und Missionssicherheit unerlässlichen extrem niedrigen Bitfehlerraten (BERs) zu erreichen, greifen Entwickler auf ein in Weitverkehrsnetzen seit Langem bewährtes Verfahren zurück: die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC).
Dieser Artikel erläutert die Prinzipien der FEC, ihre Bedeutung für Glasfasersysteme in der Luft- und Raumfahrt sowie die Vor- und Nachteile, die Ingenieure bei der Implementierung in Architekturen der nächsten Generation berücksichtigen müssen.

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Der wachsende Bedarf an optischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen:
Moderne Luft- und Raumfahrtsysteme sowie Verteidigungssysteme müssen stetig wachsende Datenmengen durch anspruchsvolle Umgebungen übertragen. Anwendungen wie hochauflösende Sensordaten, erweiterte Lageerkennung, fortschrittliche Führungs- und Kontrollsysteme und KI-basierte Analysen erfordern Hochgeschwindigkeitsübertragung und außergewöhnliche Signalzuverlässigkeit. Dies hat zu einem Wechsel von herkömmlichen deterministischen Systemen hin zu leistungsstarken Glasfaserverbindungen geführt.
IEEE 802.3 Ethernet over Fibre bietet einen skalierbaren Standard für diese Art der Kommunikation mit Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit/s. Dies eröffnet zwar neue Leistungsdimensionen, führt aber auch zu größeren Bedenken hinsichtlich der Signalintegrität. Im Gegensatz zu älteren Systemen, bei denen niedrigere Datenraten geringfügige Verluste kaschierten, sind optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen empfindlich, insbesondere weil Datenkodierungsverfahren wie die 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM4) die Spannungsreserven verringern und die Anfälligkeit für Rauschen erhöhen.
In diesem neuen Kontext erweist sich FEC als unverzichtbares Werkzeug für eine zuverlässige Kommunikation in rauschbehafteten Umgebungen.

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Signalintegrität und die Rolle des SNR:
Die Signalintegrität bei der Datenübertragung hängt von einem entscheidenden Faktor ab: dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Das SNR, definiert als das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung, bestimmt die Fähigkeit des Systems, übertragene Informationen präzise von Hintergrundstörungen zu unterscheiden. Es wird in Dezibel (dB) mit der Formel
SNR (dB) = 10 · log₁₀ (P_Signal / P_Rausch) ausgedrückt.
In Anwendungen mit hohem SNR treten Datenfehler selten auf. Das effektive SNR sinkt jedoch mit steigender Datenrate und zunehmenden Rauschquellen, sei es durch Laserschwankungen, fehlerhafte Steckverbinder oder Empfängerbegrenzungen. Ohne zusätzliche Maßnahmen kann ein System, das bei 1 Gbit/s gut funktioniert, bei 25 Gbit/s eine inakzeptable Bitfehlerrate (BER) aufweisen.
Bei kritischen Avionikfunktionen können selbst geringfügige Datenfehler erhebliche Folgen haben. Während manche Anwendungen eine Bitfehlerrate (BER) von 10⁻⁴ tolerieren, benötigen sicherheitskritische Systeme typischerweise BER-Werte von nur 10⁻¹². Um diese Leistung in Hochgeschwindigkeitsumgebungen zu erreichen, sind kostspielige Komponenten-Upgrades oder der strategische Einsatz von Fehlerkorrekturverfahren (FEC) erforderlich.
Von der Erkennung zur Korrektur: So funktioniert FEC.
Traditionelle Fehlermanagementverfahren wie Paritätsbits, Prüfsummen und zyklische Redundanzprüfungen (CRC) können Fehler zwar erkennen, aber nicht korrigieren. Diese Techniken sind ressourcenschonend und schnell, erfordern jedoch allein angewendet eine erneute Übertragung, was in vielen Echtzeit- oder unidirektionalen Kommunikationsumgebungen unpraktisch oder unmöglich ist.
FEC löst dieses Problem, indem es dem Datenstrom direkt Redundanz hinzufügt. Es fügt jedem Datenblock zusätzliche Paritäts- oder Prüfbits hinzu, sodass der Empfänger bestimmte Fehler erkennen und korrigieren kann, ohne sie erneut zu übertragen. Das am weitesten verbreitete FEC-Verfahren in der optischen Kommunikation ist die Reed-Solomon-Codierung (RS-Codierung), beispielsweise RS(255,239), die 239 Datensymbole mit 16 Paritätssymbolen codiert. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Empfänger, bis zu 8 Symbolfehler pro Block zu korrigieren.
Dadurch verbessert FEC die effektive Bitfehlerrate (BER) um Größenordnungen, oft von 10⁻⁴ auf 10⁻¹². Es erhöht effektiv die Störfestigkeit des Systems, ohne die Laserleistung, die Qualität der Steckverbinder oder die Leistung der Fotodetektoren wesentlich zu beeinträchtigen.

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Latenz, Overhead und Design-Kompromisse.
FEC hat natürlich seinen Preis. Jedes Codierungsverfahren führt zu Symbol-Overhead, erhöht die Verarbeitungskomplexität und verursacht durch blockbasierte Codierung und Decodierung zusätzliche Latenz.
Beispielsweise verursacht RS(255,239) einen Overhead von ca. 6,3 %. Entwickler können die Übertragungsrate erhöhen, um den reduzierten Durchsatz zu kompensieren oder in Kauf zu nehmen. Gleichzeitig wird die Latenz der Blockverarbeitung bei niedrigeren Datenraten relevanter. Ein 10-Gbit/s-System kann eine Latenz von nur 1 µs aufweisen, was einer Verzögerung von 300 Metern Glasfaser entspricht, während eine 1-Gbit/s-Verbindung 10 µs oder eine äquivalente Verzögerung von 3 Kilometern verursachen kann.
Daher müssen Ingenieure den Nutzen einer verbesserten Bitfehlerrate (BER) gegen die zusätzliche Komplexität und Systemverzögerung abwägen, insbesondere in latenzkritischen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt.

Strategische Kriterien für die FEC-Implementierung:
Nicht alle Glasfaserverbindungen in Flugzeugen oder Satellitensystemen benötigen FEC. Bei niedrigen Datenraten (z. B. 1–2 Gbit/s) ist es oft kostengünstiger, die Bitfehlerrate (BER) durch die Aufrüstung einzelner Verbindungskomponenten zu verbessern, wie z. B.:
● Erhöhung der Laserausgangsleistung
● Verwendung einer Diode mit höherem Extinktionsverhältnis (ER)
● Auswahl eines empfindlicheren Fotodetektors
● Reduzierung der Steckverbinderverluste.
Bei Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und darüber reichen diese einzelnen Verbesserungen jedoch möglicherweise nicht aus. Die kombinierten Auswirkungen von Laserjitter, Intersymbolinterferenz (ISI), Empfängerrauschen und Bandbreitenbeschränkungen lassen sich nicht immer allein durch Hardware kompensieren. FEC wird daher zu einer strategischen Notwendigkeit, um das Linkbudget auszugleichen und die Systemrobustheit unter realen Bedingungen zu gewährleisten.
Darüber hinaus erfordert die FEC-Implementierung koordinierte Änderungen an beiden Enden der Verbindung – am Sender und am Empfänger. Dies mag zwar die anfängliche Komplexität des Systems erhöhen, bietet aber gleichzeitig einen architektonischen Weg für Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit, da die Datenanforderungen stetig wachsen.

FEC und PAM4: Ein Kompromiss für geringere Fehlermarge.
Ein Grund für die dringende Einführung von FEC ist der zunehmende Einsatz von PAM4 in Hochgeschwindigkeitsverbindungen. PAM4 ermöglicht die Übertragung von zwei Bits pro Symbol und verdoppelt so die Datenrate effektiv, ohne die Baudrate zu erhöhen. Dies hat jedoch seinen Preis: Die Amplitude des Logikpegels wird auf ein Drittel derjenigen der NRZ-Modulation reduziert, was das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei vergleichbarer Bitfehlerrate (BER) um fast 9,5 dB verschlechtert.
Diese geringere Fehlermarge bedeutet, dass PAM4-basierte Systeme von Natur aus rauschärmer und fehleranfälliger sind. Daher ist FEC in diesen Kontexten unerlässlich. PAM4-Systeme werden häufig mit integriertem FEC entwickelt, um auch unter idealen Laborbedingungen eine akzeptable BER-Performance zu gewährleisten.
Der Kompromiss liegt auf der Hand: Die Neuentwicklung von Schaltungen zur Rauschreduzierung kann teuer und zeitaufwändig sein. Die Integration von FEC hingegen kann kostengünstiger und effizienter sein, insbesondere bei Verwendung von Standardkomponenten oder bestehenden Plattformen.
Systemarchitektur und Rauschquellen in optischen Verbindungen:
Luft- und Raumfahrtsysteme mit Glasfasern sind entlang des Signalwegs verschiedenen Rauschquellen ausgesetzt, darunter:
● Optischer Sender: Jitter durch Lasermodulation und ein niedriges Extinktionsverhältnis (ER) können die Signalqualität beeinträchtigen.
● Glasfaserkabel: Steckerverluste und Modendispersion können Signale verschlechtern, insbesondere in Mehrfaser- oder Wellenlängen-Split-Systemen.
● Optischer Empfänger: PIN-Diodenrauschen, Eingangsrauschen des Transimpedanzverstärkers (TIA) und Abtastjitter tragen zur Bitfehlerrate (BER) bei.
● Wandlerelektronik: Interferenz zwischen Symbolen (ISI) und Bandbreitenbeschränkungen auf beiden Seiten der Verbindung schränken die Leistung zusätzlich ein.
Zusammengenommen reduzieren diese Probleme das effektive Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Systems. Die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) dient als Puffer und verbessert die BER je nach Codierungsverfahren um 6 bis 10 dB. Dadurch können Systeme strenge Leistungsziele erreichen, ohne die einzelnen Teilsysteme überdimensionieren zu müssen.
Empfängerempfindlichkeit, Signalverlust und Codierungsverstärkung:
Selbst bei Kurzstreckenanwendungen in der Luft- und Raumfahrt kann die Empfängerempfindlichkeit zum limitierenden Faktor werden. Meldet der Empfänger einen Signalverlust (LOS) bei einem Schwellenwert oberhalb desjenigen, unterhalb dessen die FEC die Daten noch wiederherstellen könnte, geht der Vorteil der FEC verloren.
Beispielsweise könnte ein System bei -24,75 dBm eine uncodierte Bitfehlerrate (BER) von 10⁻⁴ erreichen. Die FEC könnte den Durchsatz auf -26,0 dBm erhöhen, aber wenn der Empfänger den LOS bei -25 dBm auslöst, kann der zusätzliche Codierungsgewinn nicht genutzt werden. Daher müssen Ingenieure das gesamte System – Sender, Glasfaser, Empfänger und FEC-Logik – unter Berücksichtigung konsistenter Leistungsschwellenwerte entwickeln.

FEC als Systemvoraussetzung
: FEC ist kein Luxus mehr, der transkontinentalen Verbindungen vorbehalten ist, sondern ein unverzichtbarer Bestandteil des Designs leistungsstarker Luft- und Raumfahrtsysteme. Ob zur Kompensation von PAM4-Signalverschlechterungen oder zur Rauschunterdrückung auf 25-Gbit/s-Verbindungen – FEC bietet höhere Zuverlässigkeit, niedrigere Bitfehlerraten (BER) und größere Systemausfallsicherheit.
Der Einsatz von FEC erfordert jedoch eine sorgfältige Abwägung von Latenz, Komplexität und Implementierungskosten. Die Entscheidung für FEC sollte auf einer umfassenden Systemanalyse basieren, die neben den Komponentenspezifikationen auch reale Rauschquellen und architektonische Einschränkungen berücksichtigt.
Cinch Connectivity Solutions verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Optimierung von schnellen und ausfallsicheren Glasfasersystemen für die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Verteidigungsindustrie. Mit fundiertem Know-how in der Transceiver-Entwicklung und im Link-Engineering unterstützt Cinch missionskritische Systeme, bei denen höchste Zuverlässigkeit unerlässlich ist. Ingenieure, die FEC-Strategien für Avionikplattformen evaluieren, können sich auf die bewährten Kompetenzen und den Ansatz von Cinch aus der Luft- und Raumfahrt verlassen, um Verbindungen zu entwickeln, die auch unter hoher Belastung heute und in Zukunft zuverlässig funktionieren.

Autor: Grover Brower, Geschäftsführer bei Cinch Connectivity Solutions –http://www.cinch.com