基于SFP光模塊的機(jī)載高分辨率視頻信號(hào)傳輸技術(shù)

荊游　王贊超　蔡磊

摘 要：在飛行試驗(yàn)中，常常需要將飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的視頻信號(hào)抽引出來進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測(cè)和記錄，在這一過程中，視頻信號(hào)經(jīng)信號(hào)源到機(jī)載測(cè)試設(shè)備的高質(zhì)量傳輸顯得尤為重要。使用電纜進(jìn)行高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI）長距離傳輸時(shí)會(huì)遇到為保證信號(hào)傳輸可靠線纜長不超過7 m以及受機(jī)載復(fù)雜電磁環(huán)境影響等問題，為此研究一種基于SFP光模塊的機(jī)載高分辨率視頻信號(hào)傳輸技術(shù)，視頻信號(hào)主體進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換后用光纖傳輸，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行視頻信號(hào)的后續(xù)采集，用光纖傳輸代替電纜傳輸。

關(guān)鍵詞：SFP光模塊 視頻傳輸 機(jī)載視頻

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0030-03

Abstract：During the flight test， the video signal from the cockpit of aircraft is always needed to be real-time telemetered and recorded. Its very important to transmit the video signal from the signal source to the airborne test equipment high reliably. The length of cable must be no more than 7m for ensuring signal transmission reliability and the airborne complex electromagnetic environment can impact signal transmission when using cable for high-resolution digital video signal transmission over long distances. So an airborne high-resolution video signal transmission technology based on SFP light module is researched. The video signal is transmitted with optical fiber after light transformation and then it is collected after photoelectric transformation. The technology uses optical fiber for video transmission instead of cable.

Key Words：SFP light module； Video transmission；Airborne video

隨著我國軍工科技水平的不斷提升，新型號(hào)的飛機(jī)不斷涌現(xiàn)。越來越多的新一代技術(shù)被應(yīng)用到各型號(hào)飛機(jī)設(shè)計(jì)中，與此同時(shí)也就對(duì)飛行試驗(yàn)技術(shù)提出了更高的要求。在飛行試驗(yàn)中，常常需要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測(cè)和記錄，視頻信號(hào)在鏈路上的高質(zhì)量傳輸顯得尤為重要。某型飛機(jī)的駕駛艙內(nèi)大顯采用高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI），其分辨率達(dá)到1 600×1200，傳統(tǒng)的電纜傳輸已經(jīng)不能滿足要求，為此，應(yīng)該開發(fā)新的數(shù)字視頻信號(hào)傳輸技術(shù)。

1 傳統(tǒng)電纜長距離傳輸高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI）的缺陷

機(jī)載環(huán)境是一個(gè)十分復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)于飛行試驗(yàn)就要求相關(guān)的機(jī)載測(cè)試設(shè)備必須安裝到飛機(jī)上特定的部位以及測(cè)試線路的穿插，由此就導(dǎo)致測(cè)試鏈路往往十分冗長，一般機(jī)載視頻信號(hào)源到測(cè)試設(shè)備的傳輸線路都在7 m以上。

使用傳統(tǒng)電纜進(jìn)行高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI）如此長距離傳輸會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)重?fù)p耗，損耗與頻率成正比，最主要的損耗來自點(diǎn)到點(diǎn)之間用于承載數(shù)據(jù)信號(hào)的電纜，隨著數(shù)據(jù)率的上升，電纜將引入更多的損耗，主要是趨膚效應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗。趨膚效應(yīng)損耗是使大多數(shù)的高頻電流在導(dǎo)體的外表面流動(dòng)，于是，導(dǎo)體的有效電阻隨著頻率的上升而增大。介質(zhì)損耗是使一路信號(hào)沿著一根與其他導(dǎo)體之間通過電介質(zhì)絕緣的導(dǎo)體行進(jìn)時(shí)，介質(zhì)材料將吸收一部分信號(hào)，介質(zhì)損耗與信號(hào)頻率成正比。趨膚效應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗都會(huì)使高頻二進(jìn)制信號(hào)的邊沿變化率變慢，引入碼間干擾（ISI）。趨膚效應(yīng)損耗是電纜中的主要損耗機(jī)制。

另外，傳統(tǒng)電纜傳輸高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI）還受機(jī)載復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。

由此看出傳統(tǒng)電纜長距離傳輸高分辨率數(shù)字視頻信號(hào)（DVI）的缺陷十分明顯。

2 基于SFP光模塊的機(jī)載高分辨率視頻信號(hào)傳輸技術(shù)介紹

2.1 DVI信號(hào)

DVI（Digital Visual Interface）即數(shù)字視頻接口，它是基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分信號(hào)）電子協(xié)議作為基本電氣連接[1]。DVI信號(hào)本質(zhì)上是按照TMDS協(xié)議編碼后通過TMDS通道發(fā)送出去的，在一條TMDS通道里其中有用的信號(hào)有Data0+、Data0-、Data1+、Data1-、Data2+、Data2-、Clock+和Clock-[2]，除此之外比較重要的信號(hào)還有5V和地這兩個(gè)電壓信號(hào)。

2.2 SFP光模塊

通常光模塊分為發(fā)射端和接收端兩種，發(fā)射端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送后，接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[3]。SFP即Small Form-factor Pluggable的縮寫，是一種光模塊封裝[4]，一般SFP光模塊由激光器（發(fā)射器TOSA或者接收器ROSA）、配套的外圍電路和外部配件構(gòu)成。SFP光模塊的外觀如圖1所示。

2.3 技術(shù)原理

DVI信號(hào)中的Data0+和Data0-、Data1+和Data1-、Data2+和Data2-、Clock+和Clock-為4對(duì)差分信號(hào)，因此選用合適的發(fā)射端能夠接收差分信號(hào)、而接收端又能還原相同差分信號(hào)的一對(duì)SFP光模塊，就可以實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)。

具體技術(shù)原理為：Data0+和Data0-、Data1+和Data1-、Data2+和Data2-、Clock+和Clock-這4對(duì)差分信號(hào)首先經(jīng)SFP發(fā)射端光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，然后光信號(hào)通過光纖傳輸至SFP接收端光模塊，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后還原成上述4對(duì)差分信號(hào)。在該項(xiàng)技術(shù)中，DVI信號(hào)的傳輸方式主要為DVI光信號(hào)在光纖中傳輸，在SFP發(fā)射端光模塊的前端和SFP接收端光模塊的后端，DVI電信號(hào)在長度不長的電纜中傳輸。

3 實(shí)際設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)效果

3.1 實(shí)際設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際的機(jī)載環(huán)境應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了一種既包含光纖又包含電源線的光電復(fù)合纜用于DVI信號(hào)的長距離傳輸，如圖2所示。

實(shí)際中選用深圳創(chuàng)思維的型號(hào)為TRANSWAN CMT08V5-11-TT的SFP發(fā)射端光模塊和型號(hào)為TRANSWAN CMT08V5-11-RR的SFP接收端光模塊，這兩種光模塊可以同時(shí)發(fā)射/接收兩路光信號(hào)，一路光信號(hào)對(duì)應(yīng)一對(duì)差分信號(hào)，由于DVI信號(hào)中含有Data0+和Data0-、Data1+和Data1-、Data2+和Data2-、Clock+和Clock-這4對(duì)有用的差分信號(hào)，如此只需要各2個(gè)這樣的SFP光模塊便可以完成DVI信號(hào)的電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，繼而滿足設(shè)計(jì)要求。這兩種SFP光模塊具有以下特點(diǎn)[5]。

（1）中心波長：850 nm；

（2）傳輸速率：1.25 Gbps；

（3）傳輸距離：550 m（50/125 μm or 62.5/125 μm MMF）；

（4）工作電壓：3.3 V；

（5）工作溫度：-40℃～+85℃；

（6）光纖接口：LC；

（7）防護(hù)要求：靜電防護(hù)。

在具體應(yīng)用中，還要制作TRANSWAN CMT08V5-11-TTSFP發(fā)射端光模塊和TRANSWAN CMT08V5-11-RRSFP接收端光模塊的PCB基座，一方面PCB起了接插固定SFP光模塊的作用，另一方面PCB上還有SFP光模塊必需的外圍電路。圖2所示的光電復(fù)合纜中的發(fā)射端-電光轉(zhuǎn)換模塊和接收端-光電轉(zhuǎn)換模塊分別為TRANSWAN CMT08V5-11-TTSFP發(fā)射端光模塊+PCB基座和TRANSWAN CMT08V5-11-RRSFP接收端光模塊+PCB基座。需要指出的是，SFP發(fā)射端光模塊的PCB基座上的電源來自于輸入的DVI電信號(hào)中的5 V和地，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生3.3 V電壓，來供給SFP發(fā)射端光模塊使用。同時(shí)還從SFP發(fā)射端光模塊的PCB基座上引出5 V電源到SFP接收端光模塊的PCB基座上，用于接收端的電源供應(yīng)，因此需要在發(fā)射端-電光轉(zhuǎn)換模塊和接收端-光電轉(zhuǎn)換模塊之間連接電源線，加之用于傳輸DVI光信號(hào)的光纖，所以稱之為“光電復(fù)合纜”。光電復(fù)合纜實(shí)物圖如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

在實(shí)驗(yàn)室里，選用SG2009+視頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生DVI信號(hào)，分別在3種分別率（1024×768、1280×1024、1600×1200）條件下，對(duì)光電復(fù)合纜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將光電復(fù)合纜的輸入端接到SG2009+視頻信號(hào)發(fā)生器，輸出端接到液晶顯示器，觀察液晶顯示器的顯示畫面，實(shí)驗(yàn)效果如圖4、圖5和圖6所示。

經(jīng)過長時(shí)間觀察，得出表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)效果可以看出，基于SFP光模塊的機(jī)載高分辨率視頻信號(hào)傳輸技術(shù)可行性很高，基于此技術(shù)研制的光電復(fù)合纜對(duì)于長距離傳輸DVI信號(hào)有著很好的功效。

光纖介質(zhì)重量輕，在飛機(jī)科研試飛測(cè)試改裝中廣泛地使用光纖傳輸，可大幅降低飛機(jī)重量，繼而提升飛機(jī)的總體性能，如：提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能、可增加飛機(jī)的有效載荷或續(xù)航能力、減少飛機(jī)油耗等。同時(shí)光纖傳輸還有著抗干擾能力強(qiáng)[6]等優(yōu)點(diǎn)，非常適合復(fù)雜的機(jī)載環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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