Vorwärtsfehlerkorrektur in der Luft- und Raumfahrt

Luft- und Raumfahrtsysteme unterstützen im Zuge ihrer Weiterentwicklung immer datenintensivere Funktionen – angefangen von Echtzeitvideos und Sensorfusion bis hin zu fortschrittlichen Radaranlagen. Dabei stoßen herkömmliche Datenbusse wie MIL-STD-1553 an ihre Grenzen. Wegen ihres geringen Durchsatzes und ihrer veralteten Architektur können sie nicht mit missionskritischen Systemen mithalten, die heute die Bandbreite, Geschwindigkeit und Flexibilität von Ethernet-basierten Glasfaserverbindungen benötigen.

Warum steigt die Fehleranfälligkeit bei hohen Datenraten?

Glasfaserleitungen, die auf den IEEE 802.3-Standards basieren, bieten Datenraten von 1 Gbit/s bis 400 Gbit/s und ermöglichen so die robuste digitale Infrastruktur, die eine aktuelle Avionik erfordert. Diese Umstellung bringt jedoch eine Herausforderung mit sich: optische Hochgeschwindigkeitssysteme sind anfälliger für Signalverschlechterungen durch Jitter, Interferenzen und Dämpfung. Um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und die für die Flug- und Missionssicherheit unerlässlichen extrem niedrigen Bitfehlerraten (Bit Error Rates – BER) zu erreichen, greifen Entwickler auf ein altbekanntes Hilfsmittel aus dem Bereich der Langstreckennetzwerke zurück: die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction – FEC).

Nachhaltige Kabelsysteme in der Luftfahrt

Neue Materialien für Kabelsysteme in der Luftfahrt senken Gewicht, verlängern die Lebensdauer und reduzieren Emissionen. Doch die Umsetzung bringt komplexe Herausforderungen mit sich.

Petra Gottwald

Dieser Artikel befasst sich mit den Prinzipien der FEC, ihrer Bedeutung für Glasfasersysteme in der Luft- und Raumfahrt und den Kompromissen, die Ingenieure bei der Implementierung in Architekturen der nächsten Generation abwägen müssen.

Optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen in der Avionik

Aktuelle Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungssysteme müssen immer größere Datenmengen in rauen Umgebungen übertragen. Anwendungen wie hochauflösende Sensordaten, erweiterte Situationserkennung, fortschrittliche Befehls- und Kontrollfunktionen sowie KI-gestützte Analysen erfordern eine schnelle Übertragung und außergewöhnliche Signalzuverlässigkeit. Dies hat zu einer Abkehr von deterministischen Altsystemen hin zu Glasfaserverbindungen mit hohem Durchsatz geführt.

IEEE 802.3 Ethernet über Glasfaser bietet einen skalierbaren Standard für solche Kommunikationen mit Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit/s. Dies eröffnet zwar neue Leistungsgrenzen, bringt aber auch größere Risiken hinsichtlich der Signalintegrität mit sich. Im Gegensatz zu älteren Systemen, bei denen niedrige Datenraten geringfügige Verluste kaschierten, sind Hochgeschwindigkeits-Glasfaserverbindungen in dieser Hinsicht weniger tolerant. Dies liegt vor allem daran, dass Datencodierungsverfahren wie die 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM4) die Spannungsreserven verringern und die Rauschanfälligkeit erhöhen.

Was bei Elektronik für den Weltraum zu beachten ist

Die Anforderungen an Elektronik im Weltraum sind hoch: klein, leicht und vor allem strahlungsfest muss sie sein. Warum das nötig ist, wie es funktioniert und mehr, liefert Ihnen unsere Übersicht.

In diesem neuen Kontext erweist sich FEC als unverzichtbares Werkzeug für eine zuverlässige Kommunikation in rauschbehafteten Umgebungen.

Welche Bedeutung hat das Signal-Rausch-Verhältnis?

Die Signalintegrität bei der Datenübertragung hängt von einem entscheidenden Faktor ab: dem Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio – SNR). Das SNR ist definiert als das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung und bestimmt die Fähigkeit des Systems, eine übertragene Information genau von Hintergrundstörungen zu unterscheiden. Er wird in Dezibel (dB) anhand der folgenden Formel ausgedrückt:

SNR (dB) = 10 · log₁₀ (P_Signal / P_Rauschen)

In Anwendungen mit einem hohen SNR treten Datenfehler selten auf. Das effektive SNR sinkt jedoch mit steigender Datenrate und zunehmenden Störquellen, sei es durch Laserjitter, unsaubere Anschlüsse oder Empfängerbeschränkungen. Wenn keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, kann ein System, das bei 1 Gbit/s gut funktioniert, bei 25 Gbit/s eine inakzeptable BER aufweisen.

Bei kritischen Avionikfunktionen kann jedoch schon eine geringfügige Datenverfälschung erhebliche Folgen haben. Während einige Anwendungen eine BER von 10⁻⁴ tolerieren können, erfordern sicherheitskritische Systeme oft eine BER von maximal 10⁻¹². Um eine solche Leistung in Hochgeschwindigkeitsumgebungen zu erreichen, sind kostspielige Upgrades der Komponenten oder eben der strategische Einsatz von FEC erforderlich.

Stromversorgung von New-Space-Anwendungen

Die Raumfahrt steht vor wachsenden Herausforderungen durch Wellen- und Teilchenstrahlung. Strahlungstolerante Leistungsmodule für Satelliten im niedrigen (LEO) und mittleren Erdorbit (MEO), versprechen hier eine hohe Betriebssicherheit.

Grundlagen und Funktionsweise von FEC

Herkömmliche Ansätze zur Fehlerbehandlung, wie Paritätsbits, Prüfsummen und zyklische Redundanzprüfungen (CRC), können Fehler erkennen, aber nicht korrigieren. Diese Techniken sind zwar unkompliziert und schnell, aber wenn sie allein verwendet werden, muss das System eine erneute Übertragung anfordern, was in vielen Echtzeit- oder Einweg-Kommunikationsumgebungen unpraktisch oder unmöglich ist.

FEC löst dieses Problem, indem sie Redundanz direkt in den Datenstrom einfügt. Dabei werden jedem Datenblock zusätzliche „Paritäts-“ oder „Prüfbits“ hinzugefügt, sodass der Empfänger bestimmte Fehler erkennen und korrigieren kann, ohne sie erneut übertragen zu müssen. Das in der optischen Kommunikation am häufigsten verwendete FEC-Verfahren ist die Reed-Solomon-Kodierung (RS), beispielsweise RS(255,239), bei der 239 Datensymbole mit 16 Paritätssymbolen kodiert werden. Mit dieser Konfiguration kann der Empfänger bis zu 8 Symbolfehler pro Block korrigieren.

Damit verbessert FEC die effektive BER um ein Vielfaches, häufig von 10⁻⁴ auf 10⁻¹². Sie erhöht effektiv die Rauschtoleranz des Systems auch ohne drastische Verbesserung der Laserleistung, Steckerqualität oder Fotodetektorleistung.

Latenz, Overhead und Systemdesign

Natürlich hat FEC auch Nachteile. Jedes Codierungsverfahren führt zu einem Symbol-Overhead, erhöht die Komplexität der Verarbeitung und verursacht aufgrund der blockbasierten Codierung und Decodierung zusätzliche Latenz.

So verursacht RS(255,239) beispielsweise einen Overhead von etwa 6,3 Prozent. Um dies auszugleichen, können Entwickler die Übertragungsrate erhöhen, oder den reduzierten Durchsatz akzeptieren. Zusätzlich wird die Latenz bei der Blockverarbeitung mit niedrigeren Datenraten signifikanter. Ein System mit 10 Gbit/s weist vielleicht nur eine Latenz von 1 µs auf, was einer Verzögerung von 300 m Glasfaserleitung entspricht, während eine Verbindung mit 1 Gbit/s eine Latenz von 10 µs verursachen kann, was einer Verzögerung von 3 km entspricht.

Daher müssen Ingenieure die Vorteile einer verbesserten BER gegen die zusätzliche Komplexität und Systemverzögerung abwägen, insbesondere bei latenzempfindlichen Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Europäisches FPGA für den Weltraum: NG-Ultra nach ESCC 9030

NanoXplore und STMicroelectronics qualifizieren mit NG-Ultra erstmals ein SoC-FPGA nach ESCC 9030. Das Bauteil kombiniert hohe Rechenleistung, Strahlungshärtung und eine vollständig europäische Lieferkette für New-Space-Missionen.

Nicole Ahner

Wann ist der Einsatz von FEC sinnvoll?

Nicht jede Glasfaserverbindung in einem Flugzeug- oder Satellitensystem benötigt FEC. Bei niedrigen Datenraten (z. B. 1–2 Gbit/s) ist es oft kostengünstiger, die BER durch die Verbesserung einzelner Verbindungskomponenten zu verbessern, wie beispielsweise:

• Erhöhung der Laserausgangsleistung
• Verwendung einer Diode mit höherem Extinktionsverhältnis (ER)
• Auswahl eines empfindlicheren Fotodetektors
• Reduzierung von Steckerverlusten

Bei Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und mehr reichen diese stückweisen Verbesserungen jedoch möglicherweise nicht aus. Denn die kombinierten Auswirkungen von Laserjitter, Intersymbolinterferenz (ISI), Empfängerrauschen und Bandbreitenbeschränkungen lassen sich nicht immer allein mit Hardware mindern. So wird FEC zu einer strategischen Notwendigkeit, um das Verbindungsbudget überschaubar zu halten und die Robustheit des Systems unter realen Bedingungen sicherzustellen.

Rechenleistung und Zuverlässigkeit für die Raumfahrt der Zukunft

Vor 20 Jahren wählte die NASA den Prozessor RAD750 für die Raumfahrt-Datenverarbeitung aus. Die heute viel größere öffentliche und private Raumfahrtindustrie hat einen breiteren und schnell wachsenden Rechenbedarf, den die PIC64-HPSC-MPU erfüllt.

Darüber hinaus erfordert die Verwendung von FEC koordinierte Änderungen an beiden Enden der Verbindung, also sowohl beim Sender und als auch beim Empfänger. Dies kann zwar die Komplexität des Systems im Vorfeld erhöhen, bietet dafür aber auch eine architektonische Möglichkeit, die Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit auch bei weiter steigenden Datenanforderungen zu gewährleisten.

FEC und PAM4

Ein Faktor, der die Einführung von FEC noch dringlicher werden lässt, ist der zunehmende Einsatz von PAM4 in Hochgeschwindigkeitsverbindungen. PAM4 ermöglicht die Übertragung von zwei Bits pro Symbol, wodurch die Datenraten effektiv verdoppelt werden, ohne die Baudrate zu erhöhen. Dies hat jedoch seinen Preis: Die Logikpegelamplitude wird auf ein Drittel der Amplitude bei der NRZ-Modulation reduziert, wodurch sich das SNR bei vergleichbarer BER um fast 9,5 dB verschlechtert.

Diese verringerte Reserve bedeutet, dass PAM4-basierte Systeme von Natur aus rauschbehafteter und fehleranfälliger sind. Daher ist FEC in solchen Umgebungen unverzichtbar. PAM4-Systeme werden häufig mit FEC als integrierter Funktion entwickelt, um selbst unter idealen Laborbedingungen eine akzeptable BER-Leistung zu ermöglichen.

Der Kompromiss macht Sinn: Der Umbau von Schaltungen zur Reduzierung von Rauschen kann teuer und zeitaufwändig sein. Dagegen dürfte die Integration von FEC wirtschaftlicher und effektiver sein, insbesondere wenn es um Standardkomponenten oder bestehende Plattformen geht.

Systemarchitektur und Rauschquellen bei Glasfasertechnik

Luft- und Raumfahrtsysteme, die Glasfasertechnik verwenden, haben entlang des gesamten Signalwegs mit einer Vielzahl von Rauschquellen zu kämpfen, darunter:

• Optischer Sender: Lasermodulationsjitter und niedrige ER können die Signalklarheit beeinträchtigen.
• Glasfaserkabel: Verbindungsverluste und modale Dispersion können Signale beeinträchtigen, insbesondere in Mehrfaser- oder Wellenlängenmultiplexsystemen.
• Optischer Empfänger: PIN-Diodenrauschen, Eingangsrauschen des Transimpedanzverstärkers (TIA) und Abtastjitter tragen zur BER bei.
• Konverterelektronik: ISI- und Bandbreitenbeschränkungen auf beiden Seiten der Verbindung schränken die Leistung zusätzlich ein.

Zusammengenommen verringern diese Probleme den effektiven SNR des Systems. Hier bietet FEC einen Puffer, der die BER je nach Codierungsverfahren um 6–10 dB verbessert und es Systemen ermöglicht, strenge Leistungsziele zu erreichen, ohne die einzelnen Teilsysteme übermäßig zu verkomplizieren.

Welche Rolle spielt die Empfängerempfindlichkeit?

Selbst in Luftfahrtanwendungen mit kurzen Leitungsstrecken kann die Empfängerempfindlichkeit zum begrenzenden Faktor werden. Wenn der Empfänger einen Signalverlust (LOS) bei einem Schwellenwert meldet, der über dem Wert liegt, bei dem FEC die Daten noch wiederherstellen könnte, geht der Vorteil von FEC verloren.

Beispielsweise könnte ein System eine uncodierte BER von 10⁻⁴ bei -24,75 dBm erreichen. FEC könnte die Leistung zwar auf -26,0 dBm erweitern, aber wenn der Empfänger bei -25 dBm einen LOS auslöst, kann der zusätzliche Codierungsgewinn nicht genutzt werden. Daher müssen Ingenieure das komplette System ganzheitlich konzipieren: Sender, Glasfaser, Empfänger und FEC-Logik unter Berücksichtigung konsistenter Leistungsschwellenwerte.

FEC als Schlüsselfaktor auf Systemebene

FEC ist nicht mehr nur ein Luxus, der transkontinentalen Verbindungen vorbehalten ist, sondern ein wichtiger Bestandteil bei der Konstruktion von Hochleistungs-Luft- und Raumfahrtsystemen. Ob zur Kompensation der PAM4-Signalverschlechterung oder zur Rauschunterdrückung in 25-Gbit/s-Verbindungen – FEC bietet verbesserte Zuverlässigkeit, geringere BER und höhere Systemstabilität.

Ihr Einsatz erfordert jedoch eine sorgfältige Abwägung von Latenz, Komplexität und Implementierungskosten. Die Entscheidung zur Implementierung von FEC sollte daher auf einer umfassenden Systembewertung basieren, die nicht nur die Spezifikationen der einzelnen Komponenten, sondern auch reale Rauschquellen und architektonische Einschränkungen berücksichtigt. (bs)

Autor: Grover Brower, General Manager bei Cinch Connectivity Solutions

S