惠言 錢忠洋 周亞光 張剛

摘要：國產(chǎn)三代機(jī)航電設(shè)備在內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行故障模擬、性能評(píng)估時(shí)，因1553B總線傳輸距離限制，無法在不同的仿真環(huán)境中開展聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目和評(píng)估結(jié)果存在局限。本文通過剖析1553B總線協(xié)議，總結(jié)影響傳輸距離的原因，采用光端機(jī)和光纖對(duì)總線進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)載總線設(shè)備遠(yuǎn)程級(jí)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：航電設(shè)備；1553B總線協(xié)議；光纖傳輸；遠(yuǎn)程級(jí)聯(lián)

Keywords：avionics device；1553B bus protocol；optical fiber transmission；remote cascade

0 引言

航空電子系統(tǒng)（簡稱航電系統(tǒng)）是現(xiàn)代軍用飛機(jī)信息化的核心，是信息感知、顯示處理和武器交聯(lián)中心，其性能和技術(shù)水平直接決定和影響飛機(jī)的整體性能和作戰(zhàn)效能。國產(chǎn)三代機(jī)航電系統(tǒng)采用聯(lián)合式數(shù)字結(jié)構(gòu)，使用1553B數(shù)據(jù)總線與標(biāo)準(zhǔn)電子模塊，基于高度模塊化原則設(shè)計(jì)而成。結(jié)構(gòu)的改變一方面提高了研制效率，有利于新技術(shù)的快速應(yīng)用；另一方面也給航電設(shè)備保障帶來新的挑戰(zhàn)。大修單位除關(guān)注單件裝備的技術(shù)狀態(tài)外，還需確保裝備的軟件、硬件以及接口邏輯等與航電系統(tǒng)相適配。

航電綜合試驗(yàn)臺(tái)利用仿真、測(cè)試和激勵(lì)措施，圍繞航電系統(tǒng)典型工作流程提供試驗(yàn)環(huán)境，可同時(shí)開展單臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)。以機(jī)載雷達(dá)內(nèi)場(chǎng)檢測(cè)為例，為掌握雷達(dá)目標(biāo)截獲和抗干擾能力，需通過仿真手段建立雷達(dá)探測(cè)環(huán)境，方法包括注入式仿真和輻射式仿真[1]，后者采用微波暗室、射頻目標(biāo)陣列、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)等物理效應(yīng)模型[2]，模擬的場(chǎng)景更加貼合實(shí)際，仿真置信度更高。然而，航電綜合試驗(yàn)臺(tái)和輻射式仿真環(huán)境需分布在不同的物理空間，受限于1553B總線傳輸距離，聯(lián)合試驗(yàn)無法開展。

1 總線協(xié)議分析

1553B總線是指符合GJB 289A標(biāo)準(zhǔn)[3]的數(shù)據(jù)總線，具有分布處理、集中控制和實(shí)時(shí)響應(yīng)等特點(diǎn)，主要由終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)兩部分組成。終端設(shè)備按功能分為總線控制器、總線監(jiān)視器和遠(yuǎn)程終端[3]；傳輸介質(zhì)分為主總線和分支線，信號(hào)為曼徹斯特波形，傳輸延時(shí)為5.25ns/m。

1.1 總線響應(yīng)時(shí)間

1553B總線數(shù)據(jù)格式包括指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每則消息均由BC發(fā)出指令字開始，其中對(duì)響應(yīng)時(shí)間有要求的消息傳輸主要包括：

1）總線控制器向總線發(fā)出指令，并要求遠(yuǎn)程終端在規(guī)定時(shí)間（14μs）內(nèi)返回狀態(tài)字；超過規(guī)定時(shí)間，則總線控制器對(duì)消息作無響應(yīng)處理；

2）總線控制器向遠(yuǎn)程終端1發(fā)出接收指令，向遠(yuǎn)程終端2發(fā)出發(fā)送指令，遠(yuǎn)程終端2需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)出狀態(tài)字及數(shù)據(jù)字；遠(yuǎn)程終端1在收到總線控制器發(fā)出的接收指令后，需在54μs內(nèi)收到遠(yuǎn)程終端2發(fā)出的有效數(shù)據(jù)字，否則作無響應(yīng)處理[4]。該時(shí)間包括總線控制器向遠(yuǎn)程終端2發(fā)出發(fā)送指令字、遠(yuǎn)程終端2返回狀態(tài)字和遠(yuǎn)程終端2響應(yīng)的時(shí)間。因指令字和狀態(tài)字傳輸時(shí)間固定為20μs，遠(yuǎn)程終端2響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為14μs。

上述響應(yīng)時(shí)間均由處理時(shí)間和傳輸時(shí)延組成。其中，處理時(shí)間由航電設(shè)備內(nèi)部決定，包括硬件電路轉(zhuǎn)換、軟件處理耗時(shí)等，調(diào)整后可能造成設(shè)備技術(shù)狀態(tài)變化，不屬于裝備性能評(píng)估范圍；傳輸時(shí)延則由1553B總線的傳輸介質(zhì)決定。

1.2 波形失真

總線網(wǎng)絡(luò)要求以最小失真?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)波形，影響信號(hào)波形質(zhì)量的主要失真源是反射和耗散，失真程度影響信號(hào)傳輸距離。

1.2.1 反射畸變

支線電纜通過短截線直接耦合或變壓器耦合接入主線電纜，產(chǎn)生的負(fù)載阻抗和總線阻抗不匹配造成信號(hào)反射，反射系數(shù)可通過式（1）計(jì)算。

1.2.2 耗散畸變

1553B雙絞屏蔽電纜存在電阻、串聯(lián)電感，線纜間存在并聯(lián)電容，會(huì)造成信號(hào)幅度和頻率衰減，引起波形畸變[4]。

1）當(dāng)曼徹斯特波形信號(hào)加載到總線時(shí)，并聯(lián)電容在電壓驅(qū)動(dòng)下，與電纜阻抗構(gòu)成RC低通濾波。在波形傳輸過程中，高頻分量隨傳輸距離逐漸減少；電纜阻抗除改變信號(hào)形狀外，還均勻衰減了信號(hào)，衰減程度與傳輸距離成正比。圖2（左）為初始波形和耗散整形后的波形對(duì)比，在長距離傳輸后，梯形波的形狀和幅度均發(fā)生了較大變化。

2）典型的信號(hào)波形由4種基波頻率（1MHz、500kHz、333kHz和250kHz）加上諧波混合組成。高頻能量的衰減，使得傳播波形的上升（下降）時(shí)間變長，當(dāng)上升（下降）時(shí)間大于脈寬時(shí)，電壓在到達(dá)滿幅前就開始跳變，造成衰減。不同基頻的脈沖在幅度上的差異造成總線波形上的瞬間電壓偏移，從而造成波形的過零點(diǎn)偏移，如圖2（右）所示。

2 1553B遠(yuǎn)程終端通信距離延長方法

2.1 改造方法

響應(yīng)超時(shí)和波形失真（衰減、過零點(diǎn)偏移）均會(huì)影響總線的傳輸距離。其中，波形質(zhì)量可通過改變傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，單模光纖采用激光作為信號(hào)源，具有損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，能克服雙絞線傳輸存在的信號(hào)串?dāng)_、衰減等問題。

1553B遠(yuǎn)程終端通過分支線接入主總線，利用光端機(jī)將支路雙絞線電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過單模光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，利用對(duì)應(yīng)的光端機(jī)將光信號(hào)還原成電信號(hào)。航電系統(tǒng)總線改造前后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 方案分析

光纖傳輸具有良好的屏蔽干擾能力，遠(yuǎn)程終端利用光纖線纜。因總線通信采用詢問/應(yīng)答方式開展，故延時(shí)系數(shù)為2。

式中，常量1.5單位為μs，為同步頭半時(shí)長。傳輸延時(shí)在增加固定轉(zhuǎn)換延時(shí)3μs的基礎(chǔ)上，每增加100m光纖，傳輸時(shí)間增加1μs。對(duì)比總線無響應(yīng)超時(shí)要求和航電設(shè)備在總線改造前的響應(yīng)時(shí)間，可計(jì)算出最終的延長距離。

3 總結(jié)

通過分析1553B通信協(xié)議和雙絞線物理特性，總結(jié)影響傳輸距離的根本原因，提出采用光端機(jī)和單模光纖延長機(jī)載航電設(shè)備通信距離，雷達(dá)、光雷和電抗等與飛機(jī)作戰(zhàn)效能相關(guān)的航電設(shè)備通過遠(yuǎn)程級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在不同的仿真環(huán)境、基于同一航電綜合平臺(tái)的聯(lián)合試驗(yàn)，為航電系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估奠定級(jí)聯(lián)基礎(chǔ)。

采用光纖對(duì)1553B總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造時(shí)，受網(wǎng)絡(luò)分布和光電轉(zhuǎn)換延時(shí)影響，總線的通信距離存在一定限制。進(jìn)一步提升總線傳輸距離的方法包括減少光電轉(zhuǎn)換時(shí)間、修改相關(guān)總線設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間限制等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉斌，趙峰，艾小峰，等. 雷達(dá)半實(shí)物仿真及其關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2020，42（7）：1471-1477.

[2] 黃瑞松，李海鳳，劉金，等. 飛行器半實(shí)物仿真技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2019，31（9）：1763-1774.

[3] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB 289A-97數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S]. 1997.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB/ Z-2002數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S]. 2002.

[5] 伊小素，余楚璇，曾華菘. 機(jī)載光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能分析[J]. 通信技術(shù)，2020，53（4）：830-837.

[6] 羅曉琴.測(cè)定光纖折射率的簡易方法[J]. 宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（1）：111-112.