它们的低性能和传统架构无法满足关键任务系统的需求，这些系统现在需要基于以太网的光纤链路所具备的带宽、速度和灵活性。
基于 IEEE 802.3 标准的光纤可提供 1 Gbps 至 400 Gbps 的数据速率，从而实现现代航空电子设备所需的强大数字基础设施。然而，这种转变也带来了一个挑战：高速光纤系统更容易受到抖动、干扰和衰减等信号劣化的影响。为了保持信号完整性并实现飞行和任务安全所必需的超低误码率 (BER)，设计人员正在转向一种在长途网络中长期应用的工具：前向纠错 (FEC)。
本文将探讨 FEC 的原理、其在航空航天光纤系统中的重要性，以及工程师在下一代架构中实施 FEC 时必须考虑的优缺点。
对高速光链路的需求日益增长：
现代航空航天和国防系统必须在严苛的环境中传输海量数据。高清传感器数据、增强态势感知、先进指挥控制以及基于人工智能的分析等应用都需要高速传输和卓越的信号可靠性。这促使人们从传统的确定性系统转向高性能光纤链路。IEEE
802.3 光纤以太网为这类通信提供了一个可扩展的标准，传输速度高达 400 Gbps。虽然这开辟了性能的新天地，但也带来了对信号完整性的更大担忧。与旧系统不同，旧系统较低的数据速率可以掩盖轻微的损耗，而高速光链路对损耗的容忍度极低，尤其是在使用四电平脉冲幅度调制 (PAM4) 等数据编码方法时，电压裕度会降低，对噪声的敏感性也会增加。
在这种新形势下，前向纠错 (FEC) 成为在易受噪声干扰的环境中实现可靠通信的关键工具。
理解信号完整性和信噪比的作用：
数据传输中的信号完整性取决于一个关键因素：信噪比 (SNR)。信噪比定义为信号功率与噪声功率之比，它决定了系统准确区分传输信息与背景干扰的能力。信噪比以分贝 (dB) 为单位，计算公式为：
SNR (dB) = 10 · log₁₀ (P_signal / P_noise)。
在信噪比高的应用中，数据错误很少发生。然而，随着数据速率的增加和噪声源的累积（无论是来自激光器波动、连接器故障还是接收器限制），有效信噪比会降低。除非采取额外措施，否则在 1 Gbps 下性能良好的系统在 25 Gbps 下可能会出现不可接受的误码率 (BER)。
对于关键的航空电子设备而言，即使是少量的数据损坏也可能造成严重后果。虽然某些应用可以容忍 10⁻⁴ 的误码率 (BER)，但对安全性要求较高的系统通常需要低至 10⁻¹² 的 BER。在高速环境下实现这种性能需要昂贵的组件升级或策略性地使用前向纠错 (FEC)。
从检测到纠正：FEC 的工作原理
传统的错误管理方法，例如奇偶校验位、校验和以及循环冗余校验 (CRC)，可以检测错误，但无法纠正错误。这些技术轻量且速度快，但单独使用时，需要系统请求重传，这在许多实时或单向通信环境中是不切实际的，甚至是不可能的。FEC
通过直接向数据流添加冗余来解决这个问题。它为每个数据块添加额外的“奇偶校验”或“校验”位，使接收器能够在不重传的情况下检测和纠正某些错误。光通信中最常用的前向纠错（FEC）方案是里德-所罗门（RS）编码，例如RS(255,239)，它使用16个奇偶校验符号对239个数据符号进行编码。这种配置允许接收机纠正每个数据块中最多8个符号错误。
因此，FEC可以将有效误码率（BER）降低几个数量级，通常从10⁻⁴提高到10⁻¹²。它有效地提高了系统的抗噪能力，而无需大幅提高激光功率、连接器质量或光电探测器的性能。
延迟、开销和设计权衡。
当然，FEC 是有代价的。每种编码方案都会引入符号开销，增加处理复杂度，并由于基于块的编码和解码而增加延迟。
例如，RS(255,239) 会增加约 6.3% 的开销。设计人员可以提高传输速率来补偿或接受吞吐量的降低。同时，在较低的数据速率下，块处理延迟会变得更加显著。一个 10 Gbps 的系统可能只有 1 µs 的延迟，相当于 300 米光纤的延迟，而一个 1 Gbps 的链路可能会产生 10 µs 的延迟，相当于 3 公里的延迟。
因此，工程师必须权衡降低误码率 (BER) 的收益与增加的复杂性和系统延迟，尤其是在对延迟敏感的航空航天应用中。
FEC实施的战略标准：
并非飞机或卫星系统中的所有光纤链路都需要FEC。当数据速率较低（例如1-2 Gbps）时，通过升级单个链路组件来降低误码率(BER)通常更具成本效益，例如：
● 提高激光器输出功率
● 使用消光比(ER)更高的二极管
● 选择更灵敏的光电探测器
● 降低连接器损耗。
然而，在10 Gbps及以上的速率下，这些单独的升级可能不足以解决问题。激光抖动、码间干扰(ISI)、接收机噪声和带宽限制等因素的综合影响并非总能仅通过硬件手段来缓解。FEC成为平衡链路预算并确保系统在实际应用中稳健性的战略必需品。
此外，FEC的实施需要在链路的两端——发射机和接收机——进行协调的更改。虽然这可能会增加系统的初始复杂性，但随着数据需求的不断增长，它也为可扩展性和面向未来的架构提供了保障。
FEC 和 PAM4：权衡利弊。
推动 FEC 普及的一大因素是 PAM4 在高速链路中的日益普及。PAM4 允许每个符号传输两位数据，从而在不增加波特率的情况下有效地将数据速率提高一倍。然而，这并非没有代价：逻辑电平幅度降低至 NRZ 调制的三分之一，在误码率 (BER) 相近的情况下，信噪比 (SNR) 下降了近 9.5 dB。
这种降低的裕量意味着基于 PAM4 的系统本身噪声更大，更容易出错。因此，在这些情况下，FEC 必不可少。PAM4 系统通常将 FEC 作为集成功能进行设计，即使在理想的实验室条件下也能实现可接受的误码率性能。
权衡显而易见：重新设计电路以降低噪声可能既昂贵又耗时。相反，集成 FEC 可能更具成本效益和效率，尤其是在使用标准组件或现有平台时。
光链路中的系统架构和噪声源
使用光纤的航空航天系统在信号路径上面临多种噪声源，包括：
● 光发射机：激光调制抖动和低消光比 (ER) 会降低信号清晰度。
● 光纤电缆：连接器损耗和模式色散会降低信号质量，尤其是在多纤或波长分路系统中。
● 光接收机：PIN 二极管噪声、跨阻放大器 (TIA) 输入噪声和采样抖动都会导致误码率 (BER)。●
转换器电子器件：链路两端的码间干扰 (ISI) 和带宽限制会进一步限制性能。
所有这些问题都会降低系统的有效信噪比 (SNR)。前向纠错 (FEC) 提供了一个缓冲，根据编码方案的不同，可将误码率降低 6 至 10 dB，使系统能够在不过度设计每个子系统的情况下满足严格的性能目标。
接收机灵敏度、信号损耗和编码增益限制：
即使在短距离航空航天应用中，接收机灵敏度也可能成为限制因素。如果接收机在高于前向纠错（FEC）仍能恢复数据的阈值时就检测到信号丢失（LOS），则FEC的优势将丧失。
例如，一个系统在-24.75 dBm的功率下未编码误码率（BER）可能达到10⁻⁴。FEC可以将吞吐量扩展到-26.0 dBm，但如果接收机在-25 dBm时触发LOS，则额外的编码增益将无法利用。因此，工程师在设计整个系统（包括发射机、光纤、接收机和FEC逻辑）时，必须始终考虑一致的性能阈值。
FEC 作为系统级赋能技术
：FEC 不再是跨洲链路的专属，而是高性能航空航天系统设计的关键组成部分。无论是补偿 PAM4 信号衰减，还是管理 25 Gbps 链路上的噪声，FEC 都能提高可靠性、降低误码率 (BER) 并增强系统弹性。
然而，FEC 的应用需要仔细权衡延迟、复杂性和实施成本。是否实施 FEC 应基于全面的系统评估，该评估不仅要考虑组件规格，还要考虑实际噪声源和架构限制。Cinch
Connectivity Solutions 在为航空航天和国防工业优化高速、高弹性光纤系统方面拥有数十年的经验。凭借在收发器设计和链路工程方面的深厚专业知识，Cinch 为可靠性至关重要的任务关键型系统提供支持。评估航空电子平台 FEC 策略的工程师可以信赖 Cinch 久经考验的能力和航空航天领域的专业方法，设计出能够在当前和未来都经受住压力考验的链路。
作者：格罗弗·布劳尔，Cinch Connectivity Solutions公司总经理 -http://www.cinch.com
