飞机导线特性阻抗对视频信号的影响分析

夏正娜，吴傲晗，方佳在，周长明

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引 言

自1903年美国莱特兄弟设计制造的飞机成功飞行之后，飞机导线的使用已有100 多年的历史。导线系统是飞机的重要组成部分，作为飞机的 “神经系统” ，导线系统的重要作用之一是担负着电力、信号的输送和任务的分配。由于飞机结构的特点，导线的体积和重量受到限制，通常使用直径较小且绝缘层较薄的导线。

为了确保飞机安全飞行，防止由飞机导线故障而引起的突发性事件，在进行飞机导线故障诊断与定位之前，需要分析飞机导线的敷设环境和故障类型，研究导线的物质特性和电气特性及其对信号在导线中传播过程的影响规律，明确在导线故障诊断与定位过程中所需要的导线数据信息。

故障处特征阻抗的变化程度决定着反射波形的大小，因此它是分析导线绝缘缺陷的关键。特征阻抗变化越大，说明导线的有关参数改变越多。通过分析特征阻抗的变化，可以预测导线绝缘缺陷的严重程度。

对于图像，尤其是视频图像，数据量大，实时性又高，对数据的传输速率要求非常严格，因此导线系统的稳定性尤为重要，阻抗匹配、信号衰减、传输速率等都会影响视频画面质量。

在机载视频综合显示系统中，随着飞机态势感知的增强，视频信号传感器的增加以及飞机信息量的增加，综合显示技术得到了飞速发展，视频处理性能随之提高，因此，对视频摄录系统的稳定性及其导线系统的稳定性提出了更高的要求。

1 飞机导线的组成结构

飞机导线是在一个绝缘层和防护套里，由单根实心棒或多股金属丝绞合在一起而组成的，主要由芯线(导电体)、绝缘层、屏蔽层、防护套等多层物质组合而成。飞机导线的典型结构如图1 所示。

图1 飞机导线结构

2 导线物理特性及电气特性对信号传输的影响

在基于反射测量原理的飞机导线故障诊断与定位系统中，当飞机导线发生故障时，由外力作用而导致导线发生变形，会引起导线直径沿径向发生变化，使导线的特性阻抗、信号的反射系数等发生改变，从而对反射信号的波形产生影响，这是进行导线故障诊断与定位的机理。

将一定长度的导线传输线看作是由无数无限短的导线段组成的，对每一小段导线都可以看作为一个集中参数电路，均匀导线传输线的等效回路如图2 所示。因此，通过均匀导线传输线的等效回路来研究特性阻抗及反射系数与信号传输特性的关系[1]。

图2 导线等效回路

2.1 对飞机导线特性阻抗的影响

信号在导线的传播过程中，由于信号线和参考平面(电源或地平面)之间电场的建立，在信号到达的地方便会产生一个瞬间电流。如果导线是各向同性的，只要信号在导线中传播，就会始终存在一个电流I。如果此时信号的输出电压为U，导线就会等效成一个电阻，数值大小为U/I，则把这个等效的电阻称为导线的特性阻抗。

由图2 可以得到飞机导线电气特性的微分方程[2-3]为：

其中，u、i 分别为导线的电压（V）、电流（A）；

R、L、G、C 分别为导线单位长度的电阻(Ω/m)、电感(H/m)、电导(S/m)、电容(F/m)。

将公式(1)写成复数形式，化简后得：

式中，A1、A2待定的积分常数，由初始条件决定；

δ：相移常数

Z0:导线的特性阻抗（Ω）

式中ω:导线的电压角频率（rad/s）

导线单位长度的电阻R 为

式中a：内导体直径；b：外导体直径；σa：内导体电导率（S）；σb：外导体电导率（S）；μa：内导体磁导率（H/m）；μb：外导体磁导率（H/m）；f：导线的信号频率（Hz）。

导线单位长度的电感L 为

式中，μi：绝缘介质的磁导率（H/m）；μ0：真空磁导率（H/m）；μir：绝缘介质的相对磁导率。

导线单位长度的电导G 为

式中，δD：组合绝缘的等效损耗角（°）；导线单位长度的电容C 为

式中，εr为绝缘介质的相对介电常数。

由公式(1)至(10)可知，导线的电气参数与导线的材料、几何尺寸及所填充介质的参数有关，由导线特性阻抗的定义式（4）可知，Z0与信号的频率、导线的几何特征、内外导体的磁导率、电导率、绝缘介质的介电常数等有关。当飞机导线发生故障时，由外力作用而导致导线发生变形，会引起导线的几何特征随之发生变化，从而使特性阻抗发生改变[4]。

当通以高频信号时，由于ωL≥R,ωC≥G，所以导线的直流电阻R 和漏电电导G 在公式（4）中可以忽略不计,则公式（4）近似为

为此，本文以铜芯聚乙烯同轴导线为例，研究外导体直径b 沿径向发生变化对导线特性阻抗的影响，得到外导体直径变化量△b 与特性阻抗之间的关系如图3 所示。

图3 外导体直径变化量与特性阻抗之间的关系

由图3 分析可知，随着导线外导体直径变化量的增加，特性阻抗的变化增大，而且横截面积越小的同轴导线，其特性阻抗的变化率越大。

2.2 对信号传播反射系数的影响

信号在导线的传播过程中，如果传播路径上导线的特性阻抗发生改变，信号就会在阻抗变化交界面处发生反射现象与透射现象，一部分信号在交界面处被反射回来，另一部分信号则被透射过去。同时，反射波的存在还能引起信号的失真，并使回路间干扰加剧。

用U入、U反、I入、I反分别表示入射信号电压、反射信号电压及入射信号电流、反射信号电流，则（2）变为：

且

导线任意一点处的负载阻抗ZL为：

式中ZL：导线的负载阻抗（Ω）。

当终端的负载阻抗ZL与线路的特性阻抗Z0相等时，反射波就为零，能量全部被负载吸收。

利用导线特性阻抗变化交界面处电压、电流连续条件，可以得到信号的反射系数和透射系数。

信号的反射系数为反射信号电压与入射信号电压之比，或者是反射信号电流与入射信号电流之比，即

式中，ρ：信号的反射系数。

将公式（13）和（14）代入公式（15），可以得到：

当飞机导线发生故障时，由外力作用而导致导线发生变形，会引起导线的几何特征随之发生变化，从而使在导线中传播的信号反射系数发生改变。

由图4 分析可知，随着导线外导体直径变化量的增加，在导线中传播的信号，其反射系数的变化率增大，而且横截面积越小的同轴导线，其反射系数的变化率越大。

图4 外导体直径变化量与信号反射系数之间的关系

3 机载导线特性阻抗对视频信号的影响

当前传感器技术的发展以及机载传感器数目的增加，对飞机座舱中的综合显示系统提出了多传感器画面动态切换、多传感器信息融合等要求，这就对机载综合显示处理能力提出了更高的要求。机载综合显示系统通常由视频源、视频综合处理系统及视频显示单元三部分组成。其中，视频综合处理系统由视频处理单元和视频信号传输介质构成。

3.1 某型机视频信号类型

在某型飞机中，视频信号物理接口为LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口，即低电压差分信号。符合ANSI/TIA/EIA-644 标准，采用差分线对进行传输，理论最大传输速率为655Mbps，匹配阻抗为100Ω。

在该型飞机中，视频存储单元将机载视频信号通过一路IEEE-1394a 通讯链路实现视频存储单元与存储卡之间的数据交换。目前多数1394a 电缆采用两对双绞线，采用差分信号传输数据，传输速率为400Mbps，匹配阻抗为110Ω。

3.2 某型机视频信号数据量分析

通常作为视频存储设备，数据流量主要包括：视频数据、音频数据、任务加载数据，每秒数据流量如下：

1）音频数据：2 路，按每路256kbps 计算：2×256k=512kbps；

2）视频数据：1024×768×60Hz 视频8 路，按平均每路码流4.4Mbps 计算，8×4.4Mbps=35.2Mbps；

3）加载数据流量按2Mbps 计算。

因此，每秒钟总吞吐量为37.7 Mbps。

3.3 某型机视频设备通信故障分析

某型机视频摄录链路见图5，视频处理单元接收视频源输出的视频信号，经由设备内部的视频切换开关矩阵送6 台多功能显示器显示，多功能显示器处理视频处理单元输出的视频，并将所显示的视频画面送视频存储设备记录。同时，视频源会送一路视频信号直接给视频存储单元进行记录。

图5 视频摄录系统链路图

地面通电时发现，在多功能显示器的检测清单中出现洋红色 “视频存储设备未上网” ，用视频地面站进行记录结果回放，截至出现 “视频存储设备未上网” 现象之后的画面未记录。根据这种故障现象，针对可能引起设备工作不正常的因素，按照工作原理，编制故障树如图6 所示。

对故障现象的排除，定位发现是通信链路有问题，即图5 中视频存储设备与视频存储卡的链路出现问题。通过对出现故障的飞机视频存储设备进行在线监控，发现出现上下网现象时，软件监控发现往卡里记录数据的软件程序跑死，即无法往程序里记录数据，因此怀疑通信链路有问题，从而使得设备出现上下网现象。

机上通信链路因穿舱分成2 段，舱外传输电缆所选导线型号为RCN8687，特性阻抗为（110+6/-4Ω），为四芯星绞结构，绕包结构护套，两个对角差分对传输线，比普通双绞线结构小约40%，用于1394a 总线通信。舱内传输电缆导线型号为THSFPF1×4×24A，特性阻抗为（100+15/-15Ω），为四芯星绞结构，挤出结构护套，超五类线缆。对比两款导线，RCN8687 导线特性阻抗更符合1394a 传输特性要求（110 +6/-6Ω）。

图6 设备工作不正常故障树

按照信号传输理论，信号在线缆中传输必然存在衰减，若阻抗幅值偏离较大，就会加重其衰减程度。对于1394a 信号而言，信号衰减表现在信号对之间的压差变小，也就是所谓的数字 “1” 和 “0” 区分不开，1394a链路会因此出现短暂断开，衰减程度严重时会直接导致链路通信中断。因此使用THSFPF1×4×24A 传输时，视频存储设备会因信号衰减而工作不稳定或者断开与视频处理单元的通讯，从而导致视频存储设备出现上下网故障。

4 结 语

本文通过分析飞机导线的电气特性发现，随着导线外导体直径变化量的增加，特性阻抗的变化增大，同时，横截面积越小的同轴导线，其特性阻抗的变化率越大。并且，随着导线外导体直径变化量的增加，在导线中传播的信号，其反射系数的变化率增大，而且横截面积越小的同轴导线，其反射系数的变化率越大。根据导线物理结构的变化对信号在导线中传播过程的影响，结合机上实际故障分析知道，当信号衰减较大时，信号对之间的压差变小，当衰减程度严重时会直接导致链路通信中断。因此在飞机上实际布线或者选择相应的导线型号时，应尽量避免因特性阻抗不匹配引起的信号衰减等问题，以提高视频信号的稳定性。