一种高速信号传输电缆组装工艺研究

2021-04-16李玉喜严少奇

新技术新工艺 2021年3期

薛飞，李玉喜，严少奇，季勇

(西安应用光学研究所，陕西西安 710065)

Camera Link接口协议[1-3]用于传输高速高质量、数码形式未经压缩的高分辨率视频，但是传输信息的数据量越大，传输频率越高，信号的敏感性增加，线缆很容易受到干扰。在实际测试中，发现Camera Link电缆制作工艺的差异直接决定了视频终端显示效果。常规工艺制作的电缆会引起闪屏、丢帧、横线纹波等干扰。以分辨率为1 920×1 080、24位30帧/s传输的视频为例，实时传输的数据量为1.4 Gb/s。本文使用FLUKE DSX-5000测试仪，按照6类电缆的标准，测试和分析了不同制作工艺对电缆电阻、插入损耗、回波损耗、串扰的影响，分析HDTDR和HDTDX故障信息，并提出了影响Camera Link电缆制作工艺的关键性能因素和改进措施。

1 Camera Link结构与原理

1.1 Camera Link接口结构

Camera Link是数字相机一种图像数据、视频数据控制信号及相机控制信号传输的总线接口，数据传输速率最高2.38 Gb/s。其最主要的特点是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号)技术，实现高速、高精度、灵活、简单的连接，使视频的数据传输速率大大提高。图1所示为Camera Link总线发送端与接收端的连接框图[4-5]，也是该总线的基本模式。总线发送端将28位并行数据转换为4对LVDS串行差分数据传送出去，还有1对LVDS串行差分数据线用来传输图像数据输出同步时钟；而总线接收端将串行差分数据转换成28位并行数据，同时转换出同步时钟。这样不但减少了传输线的使用量，而且由于采用串行差分传输方式，还减少了传输过程中的电磁干扰。

图1 Camera Link总线收发连接框图

1.2 Camera Link电缆接口定义

被测试的Camera Link电缆长80 cm，使用军工产品常用的J30J-37TJL和J30J-15TJL接插件作为电缆接口。工程应用中，电缆XS2端连接工业摄像机，电缆XS1端接光端机。由工业摄像机采集的高清视频数据通过Camera Link电缆传到光端机，接口定义见表1。

表1 电缆接口定义

按照Camera Link电缆接口定义，传统工艺电缆制作的方法是把电缆的5个线对各自双绞，在距接插件8 cm处使用AFPF 2×0.2 mm双绞镀银导线用焊锡对接延长，用热缩套管绝缘保护焊接点。线对外层安装屏蔽套，电缆最外层安装屏蔽套包裹所有线对(见图2)。

图2 常规工艺电缆

2 Camera Link电缆性能参数

使用FLUKE DSX-5000测试仪，按照6类电缆的标准[6]，测试常规工艺制成Camera Link电缆4对线组的关键性能参数(见图3)。

图3 线组关键性能参数

2.1 电缆电阻

作为传输信号，导线电阻小，导电性能好，传输损耗小，能量损失少。导线电阻：

式中，ρ表示导线的电阻率，由线体的材料决定；L表示导线长度；S表示导线横截面积。

测试电缆导线使用无氧铜镀银导线，电阻值较低，对电缆的性能影响小。

2.2 电缆插入损耗

Camera Link电缆的插入损耗是指工业摄像机与光端机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，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。通过测试数据分析，由于测试电缆的长度<1 m，电缆两端的接插件连接器由电导率较高的无氧铜材料制成，电缆的损耗较小。

2.3 电缆回波损耗

回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一组线对自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方和导线转接的地方，但也可能发生在电缆中特性阻抗发生变化的地方。电缆制作的工艺水平是提高回波损耗的关键。通过测量整个频率范围内信号反射的强度[7-8]，回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源，视频信号无法有效传输，导致视频丢帧、闪屏或横条纹干扰。测试结果如图4所示。

图4 回波损耗测试

2.3.1 回波损耗原因分析

回波损耗是由于电缆的阻抗不连续或不匹配所造成的信号反射[9-10]，主要影响因素如下：1)线缆在生产过程中的变化，结构的不均匀性；2)连接器件与导线连接方式；3)电缆安装工艺。

用HDTDR分析仪精确测出特性阻抗突变的位置和不连续点(见图5)，引起电缆特性阻抗不连续和突变的位置主要集中在导线与接插件接头对接位置。在焊接点处，用焊锡将导线的2个端头连接在一起，改变了原导线特性阻抗，降低了导线的同心度，导致焊点处特性阻抗突变，检测信号遇到焊接点受回波损耗影响，长度0.8 m的电缆测出来只有0.6 m。

图5 HDTDR分析

2.3.2 电缆回波损耗的改进措施

一般来说，发生在高频区域的回波损耗故障是连接器的问题，而发生在低频区域的故障与电缆的特性阻抗变异有关。测试电缆的高频部分和低频部分的回波损耗都超出了6类线缆的标准，低频部分的损耗更大。综合分析导致回波损耗的因素，采用如下措施来降低电缆的回波损耗：1)提高导线的同心度，保证导体表面光滑圆整，在电缆制作和安装过程中，避免导线受力挤压变形；2)增大导线的半径，用0.25 mm导线代替0.2 mm导线；3)采用压接工艺代替焊接，将导线与接插件端口直接压接在一起，避免中间有焊接点；4)导线高密度扭绞，减少双绞电缆变形，按照6类线缆的标准，每对线组保持扭绞状态，且扭绞松开长度不能大于6.4 mm；5)电缆线组的固定技术，线组高密度扭绞，每对线组应保持相对位置固定，保持2根导线中心距的稳定以提高线组阻抗均匀性，从而提高回波损耗指标(见图6)。

图6 工艺改进措施

2.4 电缆中的串扰

串扰是从一个线对到另一个邻近线对传递的无用信号。就像来自外部的电气噪声一样，串扰可以引起电缆中的通信故障。在所有电缆的特性中，串扰对电缆性能影响是最大的。测试仪通过在一个线对发送测试信号并测量在另一个线对上的串扰信号幅度的方法来测定串扰。在测量电缆的同一端时，串扰值是由测试信号与串扰信号幅度差来计算得到的。这一差值就称作近端串扰(next)并以分贝来表示。高的next值相当于低串扰和更好的电缆性能。

2.5 电缆串扰的改进措施

串扰故障可以通过将每对线组双绞在一起来减小。将2根导线扭绞就会使环绕这对线的电磁场抵消，实际上就没有外部的电磁场向相邻的线对发射信号。在安装过程中，遵循如下的预防措施就可以避免发生串扰问题：1)在将电缆线对拆开进行连接器或配线架上安装时，将非双绞的部分尽量缩短；2)在做线对连接时应注意，线对错误会产生串绕线对，从而产生严重的串扰故障；3)不要将电缆转硬弯或打结，电缆的转弯半径应>2.54 cm；4)电缆中各线组的相对位置保持固定，安装绝缘层包裹所有线组，避免电缆弯曲线组对分散，以改善电缆的串扰；5)在电缆制作过程中避免导线对接或延长；6)电缆最外层安装屏蔽套，防止外来噪声干扰电缆(见图7)。

图7 工艺改进后的电缆

3 Camera Link电缆工艺研究结论

本文通过检测传统工艺制作的Camera Link电缆，综合分析影响电缆的电阻、插入损耗、回波损耗、串扰等关键性能因素。通过提高导线的同心度，增大导线的半径，采用压接工艺代替焊接，导线高密度扭绞，电缆线组固定，电缆最外层安装屏蔽的工艺改进，提高了Camera Link电缆的传输效能，避免因电缆不合格导致的图像干扰和数据丢帧，同时为同类电缆的制作工艺提供了有益参考。通过改进Camera Link电缆制作的工艺，检测结果如图8所示。