关于视频传输链路信号完整性的工艺研究

薛 飞,严少奇,季 勇,马 翔

(西安应用光学研究所,陕西 西安 710065)

某光电产品是某舰载防卫系统的重要组成部分,该产品具备实时目标识别、目标搜索和定位功能,视频信号传输稳定、图像显示清晰、无屏闪、无干扰是该产品的核心指标。光电产品的图像传感器采集目标信息并发出高清视频信号,视频信号经过多个部件,长链路传输,最终在视频终端上显示。各个部件之间采用特性阻抗为75 Ω的同轴电缆链接。在电缆与接插件接线时,由于同轴电缆线芯太细和接插件不匹配,往往使用双绞线与同轴电缆转接后再焊接到接插件上,传统工艺视频电缆接线如图1所示。

图1 传统工艺视频电缆接线

工程应用中,使用同轴电缆传输高清视频信号的案例较多,但是对于传输链路信号传输完整性的影响因素研究很少,没有技术规范和统一的工艺标准。电缆布线时,不同操作者的接线方式和使用双绞线的长度不一样。接线不规范或者使用双绞线过长,就会造成传输链路特性阻抗不连续,导致视频信号传输效率低,视频图像显示不稳定,图像闪屏、出现条纹、波纹干扰等问题。国内尚无此类工艺规范和技术标准可以参考。本文参考TIA(美国电信工业协会)同轴电缆测试标准,结合工程实践经验,全面分析了同轴电缆和双绞线转接对视频信号传输的影响因素。

使用FLUKE DSX-8000电缆测试仪,按照TIA568C.4CATV RG6 LS标准,测试不同接线工艺对信号传输链路特性阻抗和插入损耗的影响,分析HDTDR(高精度时域反射)故障信息,提出了影响同轴电缆布线工艺的关键因素和改进措施。

1 技术原理及故障信息

1.1 视频信号传输链路结构

该光电产品采用同轴电缆传输带宽为6 M的单端PAL制高清视频信号,视频信号由图像传感器发出,经过俯仰机构、方位机构、中间接线箱、控制机柜、视频处理组件等9个部件转接,18次电缆与连接器转接,最终发送给显示终端。信号传输链路总长度为55 m,传输链路特性阻抗为75 Ω,原理图如图2所示。

图2 视频信号传输链路原理图

1.2 传输链路性能参数测试

PAL制基带视频信号是由0～6 M不同频率分量组成的,低频分量影响亮度和对比度,高频分量影响色度、清晰度和分辨率。因此,为保证信号的有效传输,必须同时满足高频和低频的传输要求。使用FLUKE DSX-8000电缆测试仪,按照TIA568C.4CATV RG6 LS的标准,测试视频信号传输链路性能参数[1],结果如图3所示,链路测试失败的主要原因是特性阻抗和插入损耗不合格。

图3 视频信号传输链路性能参数

1.3 传输链路的故障信息测试

使用FLUKE DSX-8000电缆测试仪,测试视频信号传输链路的HDTDR(高精度时域反射)故障信息[2](见图4),在图像传感器和中间接线箱之间25 m范围内分布了8个信号反射故障点,信号回波损耗超过10%的点有4个,最大的信号回波损耗为16.4%。

图4 传输链路HDTDR(高精度时域反射)测试

在传输链路中,部件之间的电缆连接以及电缆与接插件的多次转接,引起传输链路特性阻抗不连续。传输链路特性阻抗突变主要发生在电缆和接插件转接处,视频信号在阻抗突变的位置发生反射。

视频信号多次在不同阻抗电缆中来回反射,导致传送至显示终端的视频信号能量微弱。视频信号无法在终端上稳定显示,引起闪屏、纹波等干扰,视频信号传输链路的理论特性阻抗为75 Ω,实际测试结果为88 Ω,超出了传输链路特性阻抗的有效范围(67～83 Ω),传输链路特性阻抗的测试如图5所示。

图5 传输链路特性阻抗测试

2 故障原因分析

2.1 传输链路的插入损耗

视频信号传输链路的插入损耗是图像传感器与显示终端之间,接入电缆或部件产生的信号损耗,通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝(dB)来表示。测试设备余量值=标准值-实际值,余量越大说明链路的插入损耗越小。由于趋肤效应的影响,信号传输链路[3-4]的插入损耗会随信号频率的增大而增大,视频信号传输链路插入损耗的测试结果如图6所示,当视频信号频率为100 MHz时,插入损耗为18.7 dB,余量为-4.7 dB,传输链路的插入损耗实际值超过了标准值。

图6 传输链路插入损耗测试结果

2.2 同轴电缆特性阻抗

同轴电缆[5]由内导体、绝缘体、外导体和护套4部分组成,绝缘体使内、外导体相互绝缘且保持轴心重合,内外导体由电介质(绝缘材料)隔开,电介质是充有80%氮气聚乙烯物理发泡绝缘材料,在很大程度上决定着同轴电缆的传输速度和损耗特性,同轴电缆特性阻抗的等效电路如图7所示。

图7 同轴电缆等效阻抗

同轴电缆的特性阻抗[6]与电缆长度无关,它是由电缆中单位长度传输线的固有电感L和单位长度传输线的固有电容C决定的,式1为同轴电缆特性阻抗的近似计算公式。理论上,在一条均匀的传输链路上,沿长度方向每一点的特性阻抗Z0是不变的,如果将同轴电缆按任意长度截断,分别用电感表和电容表测量任意一段的电感值L和电容值C,代入式1进行计算,结果约为75 Ω。

(1)

而这些等效电容和电感又是由电缆内外导体直径和介质的介电常数决定的,如式2所示:

(2)

式中,b是外导体的内径;a是内导体的外径。

高频信号流过电缆时,电流集中于导体表面而使导体有效横截面积减少、电阻值加大的现象称之为趋肤效应。由于趋肤效应的影响,同轴电缆中的信号电流只沿内导体的外侧和外导体的内侧流动,因此,电缆特性阻抗的主要性质取决于内导体的外径和外导体的内径,电缆内外部电磁场也不相互干扰。趋肤深度与信号频率的平方根成反比,因此,同轴电缆的导体损耗与频率的平方根成正比。要改变传输线的特征阻抗就要改变单位长度传输线的固有电感和电容,同轴电缆特性阻抗的等效电路如图8所示。

图8 同轴电缆特性阻抗等效电路

2.3 双绞线特性阻抗

双绞线传输链路的特性阻抗Z0是交流信号在传输电缆中电压振幅和电流振幅的比率。是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗,是阻止电流通过导体的一种电阻名称,它不是常规意义上的直流电阻。一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。一根均匀电缆无限延伸,在某一频率下的阻抗称为“特性阻抗”(Characteristic Impedance)。这些参数是由导体尺寸、导体间的距离以及电缆绝缘材料特性等物理参数决定的,如式3所示:

(3)

式中,S是两导体的中心距;d是导体的直径。

测量特性阻抗时,在电缆的另一端用特性阻抗的等值电阻终接,其测量结果跟输入信号的频率有关。特性阻抗的测量单位为欧姆。在信号频率不断提高时,特性阻抗会近似于固定值。

同轴电缆的特性阻抗是50或75 Ω,常用非屏蔽双绞线的特性阻抗为120 Ω,屏蔽双绞线的特性阻抗为150 Ω,双绞线特性阻抗等效电路如图9所示。50 Ω同轴电缆能提供更高的功率,主要用于无线电发射器,如无线电台、广播和对讲机。75 Ω电缆在保持信号强度方面做得更好,主要用于连接任何类型的接收设备,如有线电视接收机、高清电视和数字记录器。

图9 双绞线特性阻抗等效电路

2.4 传输链路问题分析

以往在产品俯仰机构布线时,考虑同轴电缆线芯太细,产品工作时线缆会随俯仰机构一起转动。为保证接线可靠,往往先用双绞线将同轴电缆转接再与接插件焊接,在图10所示的电缆转接中,双绞线长度超过了15 cm。同轴电缆的特性阻抗为75 Ω,双绞线的特性阻抗为120 Ω,如果将两者连接在一起,信号传输链路特性阻抗发生突变,突变量为120-75=45 (Ω),相对突变达到了60%。

图10 同轴线与双绞线转接

视频信号在75 Ω同轴电缆中传输时,阻抗匹配最优,信号传输效率最高。双绞线的特性阻抗是120 Ω,双绞线过长就会使传输链路特性阻抗偏离理想值75 Ω,阻抗匹配度下降[7],导致信号无法有效传输。

通过测试发现,使用双绞线越长,对链路特性阻抗影响越大。传输链路阻抗不均匀、信号源与负载阻抗不匹配,就会造成电缆在传输信号时,部分信号发生发射,造成传输效率下降[8],严重时直接影响系统的正常工作。

3 改进措施及效果验证

3.1 降低特性阻抗

1)将接插件端头转接处的双绞线缩短到5 cm以内(见图11),以降低阻抗突变,提高传输链路阻抗的连续性,防止信号在转接点之间的来回反射,减小视频信号的回波损耗。

图11 采用新工艺接线

2)导线直径与特性阻抗成反比,增加导线线径相当于增大电容,减小特征阻抗。采用导线型号为AWG22绞线和同轴线转接,增加导线横截面积,降低传输链路的特性阻抗,使特性阻抗在有效范围(67～83 Ω)以内,接近理想值75 Ω。

3)在传输链路布线时,保持视频电缆不变形、无扭曲、无打结和交叉,确保信号传输链路阻抗均匀分布,以提高信号的传输效率。采用新工艺后链路特性阻抗如图12所示。

图12 采用新工艺后链路特性阻抗

3.2 降低插入损耗

1)采用SYV75-5同轴电缆代替SYV75-3同轴电缆,增大同轴电缆中心导体直径,减小趋肤效应的影响,以降低插入损耗[9]。2)通过优化接线工艺减少转接端口数量,将回波损耗为16.4%的2个故障端口采用同轴电缆直连的方式,降低端口转接带来的插入损耗。采用新工艺接线后,测试传输链路的插入损耗结果如图13所示,传输链路的插入损耗余量为3.3 dB,实际值低于标准值,测试通过。

图13 新工艺插入损耗测试结果

采用新工艺后,传输链路性能参数测试如图14所示。由测试结果可以看出,工艺改进后,传输链路的特性阻抗下降到74 Ω,接近理想值75 Ω,测试通过,电缆长度由54.4 m变为53.3 m。视频信号传输稳定[10],图像显示清晰,彻底解决了视频信号传输效率低、图像闪屏干扰等问题。

图14 新工艺链路性能参数测试结果

4 结语

该项工艺研究以信号通信原理为基础,通过测试信号传输链路关键性能参数、分析传输链路故障信息,找出影响信号传输效率的主要因素,根据故障因素提出改进方案。优化电缆接线工艺,制定同轴电缆布线标准,优化了传输链路的特性阻抗,降低了同轴电缆的插入损耗,提高了整个链路的传输效率,解决了视频闪烁、图像波纹等干扰问题。为相关行业同类产品的设计和制造提供了有益参考。