一種高速信號傳輸電纜組裝工藝研究

薛 飛，李玉喜，嚴少奇，季 勇

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

Camera Link接口協議[1-3]用于傳輸高速高質量、數碼形式未經壓縮的高分辨率視頻，但是傳輸信息的數據量越大，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，發現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傳輸的視頻為例，實時傳輸的數據量為1.4 Gb/s。本文使用FLUKE DSX-5000測試儀，按照6類電纜的標準，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、串擾的影響，分析HDTDR和HDTDX故障信息，并提出了影響Camera Link電纜制作工藝的關鍵性能因素和改進措施。

1 Camera Link結構與原理

1.1 Camera Link接口結構

Camera Link是數字相機一種圖像數據、視頻數據控制信號及相機控制信號傳輸的總線接口，數據傳輸速率最高2.38 Gb/s。其最主要的特點是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號)技術，實現高速、高精度、靈活、簡單的連接，使視頻的數據傳輸速率大大提高。圖1所示為Camera Link總線發送端與接收端的連接框圖[4-5]，也是該總線的基本模式。總線發送端將28位并行數據轉換為4對LVDS串行差分數據傳送出去，還有1對LVDS串行差分數據線用來傳輸圖像數據輸出同步時鐘；而總線接收端將串行差分數據轉換成28位并行數據，同時轉換出同步時鐘。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，使用軍工產品常用的J30J-37TJL和J30J-15TJL接插件作為電纜接口。工程應用中，電纜XS2端連接工業攝像機，電纜XS1端接光端機。由工業攝像機采集的高清視頻數據通過Camera Link電纜傳到光端機，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雙絞鍍銀導線用焊錫對接延長，用熱縮套管絕緣保護焊接點。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 常規工藝電纜

2 Camera Link電纜性能參數

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

圖3 線組關鍵性能參數

2.1 電纜電阻

作為傳輸信號，導線電阻小，導電性能好，傳輸損耗小，能量損失少。導線電阻：

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

測試電纜導線使用無氧銅鍍銀導線，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攝像機與光端機之間，插入電纜或元件產生的信號損耗，通常指衰減。插入損耗以接收信號電平的對應分貝(dB)來表示。通過測試數據分析，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生的反射，是一組線對自身的反射。不匹配主要發生在連接器的地方和導線轉接的地方，但也可能發生在電纜中特性阻抗發生變化的地方。電纜制作的工藝水平是提高回波損耗的關鍵。通過測量整個頻率范圍內信號反射的強度[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，導致視頻丟幀、閃屏或橫條紋干擾。測試結果如圖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)線纜在生產過程中的變化，結構的不均勻性；2)連接器件與導線連接方式；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點(見圖5)，引起電纜特性阻抗不連續和突變的位置主要集中在導線與接插件接頭對接位置。在焊接點處，用焊錫將導線的2個端頭連接在一起，改變了原導線特性阻抗，降低了導線的同心度，導致焊點處特性阻抗突變，檢測信號遇到焊接點受回波損耗影響，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措施

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

圖6 工藝改進措施

2.4 電纜中的串擾

串擾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，串擾可以引起電纜中的通信故障。在所有電纜的特性中，串擾對電纜性能影響是最大的。測試儀通過在一個線對發送測試信號并測量在另一個線對上的串擾信號幅度的方法來測定串擾。在測量電纜的同一端時，串擾值是由測試信號與串擾信號幅度差來計算得到的。這一差值就稱作近端串擾(next)并以分貝來表示。高的next值相當于低串擾和更好的電纜性能。

2.5 電纜串擾的改進措施

串擾故障可以通過將每對線組雙絞在一起來減小。將2根導線扭絞就會使環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射信號。在安裝過程中，遵循如下的預防措施就可以避免發生串擾問題：1)在將電纜線對拆開進行連接器或配線架上安裝時，將非雙絞的部分盡量縮短；2)在做線對連接時應注意，線對錯誤會產生串繞線對，從而產生嚴重的串擾故障；3)不要將電纜轉硬彎或打結，電纜的轉彎半徑應>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，以改善電纜的串擾；5)在電纜制作過程中避免導線對接或延長；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 工藝改進后的電纜

3 Camera Link電纜工藝研究結論

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

圖8 工藝改進后參數檢測結果

4 結語

通過對比工藝改進前后電纜的關鍵性能參數，得出如下結論。

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擾。

2)避免導線中間對接和焊接點，提高導體的同心度以減少電纜的回波損耗。

3)提高導線橫截面積，采用高導電率線材以降低電纜的插入損耗。