3. 高速以太网物理层基础

任务载荷（如高清光电吊舱、合成孔径雷达、多光谱相机）产生的数据率往往在数百 Mbps 到数十 Gbps 之间。要把这些数据从载荷端可靠地送到机载处理机或地面站，物理层选型是第一道关口。物理层决定了“用什么线、跑多快、传多远、怎么编码”，一旦选错，上层协议再优化也无法弥补。本节围绕速率标准、线路编码、传输介质、光模块与电接口五个维度展开，帮助你在真实工程中做出可落地的选择。

一、速率标准：从 1G 到 100G 的谱系

IEEE 802.3 定义了以太网的速率族。千兆以太网（1000BASE-X/T）单通道 1.25 Gbaud，采用 8b/10b 编码，有效速率 1 Gbps；万兆以太网（10GBASE-X/R）单通道 10.3125 Gbaud，早期用 64b/66b 编码，有效速率 10 Gbps；25G 以太网（25GBASE-R）单通道 25.78125 Gbaud，同样使用 64b/66b，是当前数据中心与机载背板的主流选择；100G 以太网则通过 4×25G 或 10×10G 的通道聚合实现，常见 100GBASE-SR4（4 通道多模）、100GBASE-LR4（4 通道单模波分）和 100GBASE-CR4（4 通道铜缆）。

需要特别注意的是“线路速率”与“有效速率”的区别。以 25G 为例，25.78125 Gbaud 经 64b/66b 编码后，扣除 2 bit 同步头，有效载荷速率为 25.78125 × 64/66 ≈ 25 Gbps。选型时若按线路速率估算带宽，会高估约 3%，在链路预算紧张时可能造成误判。

二、编码方式：为什么不能直接传 0/1

高速串行链路不能直接发送原始比特流，原因有三：一是需要直流平衡，避免信号基线漂移；二是需要足够的跳变密度，让接收端时钟恢复电路（CDR）能锁定相位；三是需要一定的游程限制，防止长连 0 或长连 1 导致判决失效。

8b/10b 编码将 8 bit 数据映射为 10 bit 码字，保证任意 5 bit 窗口内跳变不少于 1 次，直流平衡良好，但开销高达 25%。64b/66b 编码将 64 bit 数据加 2 bit 同步头，开销仅 3.1%，通过扰码器保证跳变密度，是 10G 及以上速率的标准选择。100G 的 4 通道方案中，每个通道独立进行 64b/66b 编码，再通过多通道对齐标记（AM）实现通道绑定。理解编码开销，是计算链路有效带宽和误码率门限的基础。

三、传输介质：铜缆与光纤的边界

铜缆方案中，Cat6a 支持 10GBASE-T 到 100 m，Cat5e 仅能到 2.5G/5G 且距离受限。机载环境振动大、电磁干扰强，屏蔽双绞线（STP）比非屏蔽（UTP）更可靠。DAC（直连铜缆）和 AEC（有源铜缆）用于机柜内 3～7 m 短距互联，成本低、延迟小，但超过 7 m 后信号衰减急剧恶化。

光纤方案分为多模和单模。OM3/OM4 多模光纤配合 850 nm VCSEL，在 10G/25G 下可传 100 m，适合机舱内设备间互联；单模 OS2 配合 1310 nm/1550 nm 激光器，可传 10 km 以上，适合机腹到地面站或长距离吊舱走线。选择时需同时考虑弯曲半径：机载布线空间狭窄，普通单模光纤最小弯曲半径约 30 mm，而弯曲不敏感光纤可做到 10 mm，这在吊舱转轴处至关重要。

四、光模块与电接口选型

光模块封装与速率强相关：SFP+ 对应 10G，SFP28 对应 25G，QSFP+ 对应 40G，QSFP28 对应 100G（4×25G），QSFP-DD 和 OSFP 则面向 200G/400G。选型时不能只看速率，还要核对以下参数：

• 传输距离与波长：SR（短距多模 850 nm）、LR（长距单模 1310 nm）、ER（超长距 1550 nm）。
• 数字诊断监控（DDM/DOM）：是否支持实时读取收发光功率、温度、电压，这对机载健康管理非常关键。
• 工作温度：商业级 0～70 ℃，工业级 -40～85 ℃。机载吊舱常处于 -55～70 ℃，必须选工业级或军品级。
• 功耗：SFP28 典型功耗 1～1.5 W，QSFP28 约 3.5～4.5 W，多模块密集部署时需核算散热。

电接口方面，25G 背板常用差分对配合连接器（如 Z-Ray、ExaMAX），100G 背板则用 4 对差分或 10 对差分。电接口选型要关注插入损耗、回波损耗和串扰指标。例如某 25G 背板链路预算为：发送端差分幅度 800 mVpp，接收端灵敏度 100 mVpp，允许插入损耗约 18 dB；若连接器加 PCB 走线总损耗超过该值，就必须改用有源铜缆或光纤。

五、链路预算与选型核对示例

假设某光电吊舱输出 2 路 10G 视频流，需传输至 80 m 外的任务处理机。按以下步骤核对：

1. 速率：2×10G，可选用 2 个 SFP+ 10G 端口，或 1 个 QSFP+ 40G 端口拆分。
2. 介质：80 m 超过 DAC 可靠距离，选 OM4 多模光纤，850 nm 下 10G 可传 100 m，余量 20 m。
3. 光模块：10GBASE-SR SFP+，工业级，支持 DDM。
4. 链路预算：发送光功率 -3 dBm，接收灵敏度 -11 dBm，光纤损耗 3.5 dB/km × 0.08 km ≈ 0.28 dB，连接器损耗 2×0.5 dB = 1 dB，总损耗约 1.28 dB，余量约 6.7 dB，满足要求。

若换成 25G 链路，同样 80 m 距离，OM4 在 25G 下可传 100 m，但需选用 25GBASE-SR SFP28 模块，且发送端需确认 CDR 自适应能力。若距离拉到 300 m，则必须切换为单模 25GBASE-LR，波长 1310 nm，链路预算重新核算。

物理层选型的核心逻辑是：先由载荷数据率和传输距离确定速率与介质，再由介质和距离确定光模块类型与波长，最后用链路预算验证余量是否大于 3 dB。任何一步不满足，都要回到上一步重新选择。掌握这条决策链，就能在机载任务载荷的高速以太网设计中避免“速率够但距离不够”或“距离够但温度不达标”的常见陷阱。