一種高速信號傳輸電纜組裝工藝研究

薛 飛，李玉喜，嚴(yán)少奇，季 勇

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

Camera Link接口協(xié)議[1-3]用于傳輸高速高質(zhì)量、數(shù)碼形式未經(jīng)壓縮的高分辨率視頻，但是傳輸信息的數(shù)據(jù)量越大，傳輸頻率越高，信號的敏感性增加，線纜很容易受到干擾。在實際測試中，發(fā)現(xiàn)Camera Link電纜制作工藝的差異直接決定了視頻終端顯示效果。常規(guī)工藝制作的電纜會引起閃屏、丟幀、橫線紋波等干擾。以分辨率為1 920×1 080、24位30幀/s傳輸?shù)囊曨l為例，實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為1.4 Gb/s。本文使用FLUKE DSX-5000測試儀，按照6類電纜的標(biāo)準(zhǔn)，測試和分析了不同制作工藝對電纜電阻、插入損耗、回波損耗、串?dāng)_的影響，分析HDTDR和HDTDX故障信息，并提出了影響Camera Link電纜制作工藝的關(guān)鍵性能因素和改進(jìn)措施。

1 Camera Link結(jié)構(gòu)與原理

1.1 Camera Link接口結(jié)構(gòu)

Camera Link是數(shù)字相機(jī)一種圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)控制信號及相機(jī)控制信號傳輸?shù)目偩€接口，數(shù)據(jù)傳輸速率最高2.38 Gb/s。其最主要的特點(diǎn)是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號)技術(shù)，實現(xiàn)高速、高精度、靈活、簡單的連接，使視頻的數(shù)據(jù)傳輸速率大大提高。圖1所示為Camera Link總線發(fā)送端與接收端的連接框圖[4-5]，也是該總線的基本模式。總線發(fā)送端將28位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4對LVDS串行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送出去，還有1對LVDS串行差分?jǐn)?shù)據(jù)線用來傳輸圖像數(shù)據(jù)輸出同步時鐘；而總線接收端將串行差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成28位并行數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)換出同步時鐘。這樣不但減少了傳輸線的使用量，而且由于采用串行差分傳輸方式，還減少了傳輸過程中的電磁干擾。

圖1 Camera Link總線收發(fā)連接框圖

1.2 Camera Link電纜接口定義

被測試的Camera Link電纜長80 cm，使用軍工產(chǎn)品常用的J30J-37TJL和J30J-15TJL接插件作為電纜接口。工程應(yīng)用中，電纜XS2端連接工業(yè)攝像機(jī)，電纜XS1端接光端機(jī)。由工業(yè)攝像機(jī)采集的高清視頻數(shù)據(jù)通過Camera Link電纜傳到光端機(jī)，接口定義見表1。

表1 電纜接口定義

按照Camera Link電纜接口定義，傳統(tǒng)工藝電纜制作的方法是把電纜的5個線對各自雙絞，在距接插件8 cm處使用AFPF 2×0.2 mm雙絞鍍銀導(dǎo)線用焊錫對接延長，用熱縮套管絕緣保護(hù)焊接點(diǎn)。線對外層安裝屏蔽套，電纜最外層安裝屏蔽套包裹所有線對(見圖2)。

圖2 常規(guī)工藝電纜

2 Camera Link電纜性能參數(shù)

使用FLUKE DSX-5000測試儀，按照6類電纜的標(biāo)準(zhǔn)[6]，測試常規(guī)工藝制成Camera Link電纜4對線組的關(guān)鍵性能參數(shù)(見圖3)。

圖3 線組關(guān)鍵性能參數(shù)

2.1 電纜電阻

作為傳輸信號，導(dǎo)線電阻小，導(dǎo)電性能好，傳輸損耗小，能量損失少。導(dǎo)線電阻：

式中，ρ表示導(dǎo)線的電阻率，由線體的材料決定；L表示導(dǎo)線長度；S表示導(dǎo)線橫截面積。

測試電纜導(dǎo)線使用無氧銅鍍銀導(dǎo)線，電阻值較低，對電纜的性能影響小。

2.2 電纜插入損耗

Camera Link電纜的插入損耗是指工業(yè)攝像機(jī)與光端機(jī)之間，插入電纜或元件產(chǎn)生的信號損耗，通常指衰減。插入損耗以接收信號電平的對應(yīng)分貝(dB)來表示。通過測試數(shù)據(jù)分析，由于測試電纜的長度<1 m，電纜兩端的接插件連接器由電導(dǎo)率較高的無氧銅材料制成，電纜的損耗較小。

2.3 電纜回波損耗

回波損耗，又稱為反射損耗。是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一組線對自身的反射。不匹配主要發(fā)生在連接器的地方和導(dǎo)線轉(zhuǎn)接的地方，但也可能發(fā)生在電纜中特性阻抗發(fā)生變化的地方。電纜制作的工藝水平是提高回波損耗的關(guān)鍵。通過測量整個頻率范圍內(nèi)信號反射的強(qiáng)度[7-8]，回波損耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源，視頻信號無法有效傳輸，導(dǎo)致視頻丟幀、閃屏或橫條紋干擾。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 回波損耗測試

2.3.1 回波損耗原因分析

回波損耗是由于電纜的阻抗不連續(xù)或不匹配所造成的信號反射[9-10]，主要影響因素如下：1)線纜在生產(chǎn)過程中的變化，結(jié)構(gòu)的不均勻性；2)連接器件與導(dǎo)線連接方式；3)電纜安裝工藝。

用HDTDR分析儀精確測出特性阻抗突變的位置和不連續(xù)點(diǎn)(見圖5)，引起電纜特性阻抗不連續(xù)和突變的位置主要集中在導(dǎo)線與接插件接頭對接位置。在焊接點(diǎn)處，用焊錫將導(dǎo)線的2個端頭連接在一起，改變了原導(dǎo)線特性阻抗，降低了導(dǎo)線的同心度，導(dǎo)致焊點(diǎn)處特性阻抗突變，檢測信號遇到焊接點(diǎn)受回波損耗影響，長度0.8 m的電纜測出來只有0.6 m。

圖5 HDTDR分析

2.3.2 電纜回波損耗的改進(jìn)措施

一般來說，發(fā)生在高頻區(qū)域的回波損耗故障是連接器的問題，而發(fā)生在低頻區(qū)域的故障與電纜的特性阻抗變異有關(guān)。測試電纜的高頻部分和低頻部分的回波損耗都超出了6類線纜的標(biāo)準(zhǔn)，低頻部分的損耗更大。綜合分析導(dǎo)致回波損耗的因素，采用如下措施來降低電纜的回波損耗：1)提高導(dǎo)線的同心度，保證導(dǎo)體表面光滑圓整，在電纜制作和安裝過程中，避免導(dǎo)線受力擠壓變形；2)增大導(dǎo)線的半徑，用0.25 mm導(dǎo)線代替0.2 mm導(dǎo)線；3)采用壓接工藝代替焊接，將導(dǎo)線與接插件端口直接壓接在一起，避免中間有焊接點(diǎn)；4)導(dǎo)線高密度扭絞，減少雙絞電纜變形，按照6類線纜的標(biāo)準(zhǔn)，每對線組保持扭絞狀態(tài)，且扭絞松開長度不能大于6.4 mm；5)電纜線組的固定技術(shù)，線組高密度扭絞，每對線組應(yīng)保持相對位置固定，保持2根導(dǎo)線中心距的穩(wěn)定以提高線組阻抗均勻性，從而提高回波損耗指標(biāo)(見圖6)。

圖6 工藝改進(jìn)措施

2.4 電纜中的串?dāng)_

串?dāng)_是從一個線對到另一個鄰近線對傳遞的無用信號。就像來自外部的電氣噪聲一樣，串?dāng)_可以引起電纜中的通信故障。在所有電纜的特性中，串?dāng)_對電纜性能影響是最大的。測試儀通過在一個線對發(fā)送測試信號并測量在另一個線對上的串?dāng)_信號幅度的方法來測定串?dāng)_。在測量電纜的同一端時，串?dāng)_值是由測試信號與串?dāng)_信號幅度差來計算得到的。這一差值就稱作近端串?dāng)_(next)并以分貝來表示。高的next值相當(dāng)于低串?dāng)_和更好的電纜性能。

2.5 電纜串?dāng)_的改進(jìn)措施

串?dāng)_故障可以通過將每對線組雙絞在一起來減小。將2根導(dǎo)線扭絞就會使環(huán)繞這對線的電磁場抵消，實際上就沒有外部的電磁場向相鄰的線對發(fā)射信號。在安裝過程中，遵循如下的預(yù)防措施就可以避免發(fā)生串?dāng)_問題：1)在將電纜線對拆開進(jìn)行連接器或配線架上安裝時，將非雙絞的部分盡量縮短；2)在做線對連接時應(yīng)注意，線對錯誤會產(chǎn)生串繞線對，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_故障；3)不要將電纜轉(zhuǎn)硬彎或打結(jié)，電纜的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)>2.54 cm；4)電纜中各線組的相對位置保持固定，安裝絕緣層包裹所有線組，避免電纜彎曲線組對分散，以改善電纜的串?dāng)_；5)在電纜制作過程中避免導(dǎo)線對接或延長；6)電纜最外層安裝屏蔽套，防止外來噪聲干擾電纜(見圖7)。

圖7 工藝改進(jìn)后的電纜

3 Camera Link電纜工藝研究結(jié)論

本文通過檢測傳統(tǒng)工藝制作的Camera Link電纜，綜合分析影響電纜的電阻、插入損耗、回波損耗、串?dāng)_等關(guān)鍵性能因素。通過提高導(dǎo)線的同心度，增大導(dǎo)線的半徑，采用壓接工藝代替焊接，導(dǎo)線高密度扭絞，電纜線組固定，電纜最外層安裝屏蔽的工藝改進(jìn)，提高了Camera Link電纜的傳輸效能，避免因電纜不合格導(dǎo)致的圖像干擾和數(shù)據(jù)丟幀，同時為同類電纜的制作工藝提供了有益參考。通過改進(jìn)Camera Link電纜制作的工藝，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 工藝改進(jìn)后參數(shù)檢測結(jié)果

4 結(jié)語

通過對比工藝改進(jìn)前后電纜的關(guān)鍵性能參數(shù)，得出如下結(jié)論。

1)采用線組高密度扭絞、線組之間物理隔離、外層安裝屏蔽材料以降低電纜的串?dāng)_。

2)避免導(dǎo)線中間對接和焊接點(diǎn)，提高導(dǎo)體的同心度以減少電纜的回波損耗。

3)提高導(dǎo)線橫截面積，采用高導(dǎo)電率線材以降低電纜的插入損耗。