摘 要：机载高分辨率视频信号光电复合传输及采集技术主要是针对飞机座舱高分辨视频信号采集时由于传输线路长、转接次数多，加之受机载复杂电磁环境的影响，信号采集的故障较多、可靠性较差等问题，开展光纤进行视频信号传输的研究。
关键字：高分辨率；视频信号；光电复合传输
随着视频分辨率的不断提高及数据量的增大，传输和采集受到的制约因素越来越多。在某型飞机的科研试飞中，其中某路视频信号为高分辨率的DVI视频信号，使用双绞电缆进行信号传输。由于传输线路长、转接次数多，加之电磁环境复杂，所以信号传输的可靠性较差，采集到的视频质量低，甚至有信号中断现象。而另一型飞机由于分辨率高且成品线缆近10米，处于信号传输质量的临界值，电缆使用一段时间，信号传输就会出现衰减等故障，导致数据无法采集。针对以上问题，提出了采用光通信技术解决高分辨率视频信号的传输问题。
一、研究目的及内容
随着机载座舱显示技术的发展，所显示的信息量也来越大，传输速度越来越快，DVI数字接口逐渐成为机载座舱显示系统的标准数据接口。采用电缆进行高频信号已经受到很多制约因素影响，主要有：
1.DVI数字信号自身传输特性：信号在一定长度内都保持完美，但是在某个临界长度后，信号品质会突然下降甚至消失。数字信号在传输过程中线缆的品质和的错误也不是不可避免，越长受干扰几率越大。
使用光纤进行信号传输具有传输数据量大、传输距离长、不受电磁干扰影响等优点。机载高分辨率视频信号光电复合传输及采集技术集成了光电转换，采集与编解码，光通信等技术。
二、关键技术及技术指标
1、光电复合缆技术方案
结合实际需求设计并研制DVI光电复合缆。考虑到复杂的机载环境、线缆体积、和散热问题，电路供电从信号源引取，不需单独供电。复合缆集成了电、光信号处理及传输、内部供电功能等多种功能为一体，超出了传统线缆的使用范围，称之为光电复合缆。
DVI光电复合缆主要包含DVI信号的采集与均衡、DVI信号的电光和光电转换急供电模块。
DVI的接口输入电路主要包含EDID信息的读取及输入均衡电路。高速信号长距离传输会造成信号的严重损耗，损耗与频率成正比，随着数据率的上升，电缆将引入更多的损耗，主要是趋肤效应损耗和介质损耗。通过使用信号调理手段即加重及均衡（EQ）技术，可以有效补偿损耗。
对于DVI输入接口，热插拔检测（HPD）管脚也是极其重要的管脚，它是对于主机是否接入显示器的一个检测信号。当计算机主机上的显卡检测到DVI接口HPD引脚电压大于2V时，操作系统会通过DVI接口中的显示器数据通道DDC读取显示器DDC存储器中存储的EDID数据（扩展显示器识别数据），如果检测到显示器的工作模式范围与显卡相适应，则主机操作系统激活显卡TMDS信号发送电路。当检测到HPD引脚电压小于0.8V时，显卡发出信号通知计算机的操作系统，并在1s内中断显卡TMDS信号发送电路。
DVI电光转换模块主要通过DVI光发射器来完成。发射器硬件电路主要由电源、激光器驱动电路、激光器配置电路和EDID信息读取电路组成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆激光驱动器就是对输入得电信号进行放大，从而达到驱动激光器发光的目的；而激光器是整个发射器的重要的光组件，所有光信号都由激光器发射出，对于激光器的选择对整个发射器的性能有很大影响；同时，EDID存储器是存储显示设备的参数，每次上电的时候，主机都要去读取EDID信息，若读取失败，则不输出DVI信号，所以此处电路设计是整个发射器电路设计的难点和重点。
若监视器设计有相关电路并烧录了EDID 数据，则此监视器具备DDC功能（即插即用） 每次开机时装有兼容DDC功能操作系统的主机会通过SDA、SCL自动读取EDID 数据至注册表，并对监视器进行优化设置。
DVI电光转换模块主要通过DVI光接收器器来完成。接收器主要有两部分组成，包括光探测器和主放大器。光探测器的主要功能是对输入的光信号进行光电转换和前级放大，通过主放大器（限幅放大器）再次放大，达到标准电平输出。光探测器的选择关系到整个接收器的性能。主放大器接收经前置放大器放大后的信号进行二级放大，输出电信号。这样，输入的光信号经上述光电转换及二级放大后，在电输出端保持恒定的输出，不会随输入光信号的大小变化而波动。信号的输入端，选用交流耦合方式；输出端同样采用交流耦合方式。
结合机载环境的实际情况，单独从机上引电较为不便，电压转换也会增加电路板的体积，DVI标准信号有+5V输出，电源由该接口引入接收端。由于发射端也为用电部分，所以还需从发射端引一根电源线到接收端。
三、试验过程与结果
进行光纤复合样缆方案设计，光电转换电路接口设计。第一阶段主要进行功能设计及验证。使用万能板作为母板，完成电光转换和光电转换原理样机。连接光纤进行了试验、调试。选择视频信号发生器（SG2009+），对设计原理进行了验证。
第二阶段对试验样缆进行了全面研制和调试。电路板进行了小型化设计，研制了PCB母板，选用贴片式元器件进行焊接。测量并选取光纤和供电电缆的长度均为20米；完成了第二版原理样缆制作、装配；完成了试验样缆研制，实现了功能模块小型化。完成了电光、光电电路功能调试；完成电源引取，验证20米电缆供电稳定性；完成激光信号发射、接收功能调试；完成对链路调试；完成光电复合缆的疲劳试验。
选择视频信号发生器（SG2009+），分别在三种分辨率（1024*768、1280*1024、1600*1200）条件下，对光电复合样缆进行了验证。对三种不同分辨率的静态图像和动态视频进行测试，测试图像完整、测试条纹清晰可辨、测试点阵清晰可变，视频清晰、流畅，完全满足测试指标。
四、创新点
（1）针对高分辨率DVI视频电信号长线传输信号不稳定和衰减，将光纤传输引入机载测试系统设计中。解决了采集设备的安装位置受严重制约的问题。光纤传输图像信号具有传输频率高、数据量大，可以无损解决现有高分辨率视频传输问题，为未来更高分辨率视频（4K*4K、8K*8K）的传输提供技术基础。不受电磁干扰影响，确保DVI视频信号的传输品质。不产生电磁波，不会干扰其他机载设备。提出了测试设备微型化的理念，从硬件设计、体积、功耗等多方面进行研究，成功的将设备和电源融为一体，将光电转换电路、光缆、电缆集成为一根成品缆。
（2）实现线缆任意弯折，减少改装难度，加大光纤的安全性。光纤弯曲的制约，测试设备的改装尺寸必需再加长12cm，这给设备改装设计、施工带来了很大的难度。连接器与功能模块通过20cm电缆，进行柔性连接功能模块和光纤可以就近固定在安全位置，既保证了功能模块和光纤的安全性，又避免了光纤受弯曲半径的制约。
（3）采用光电复合传输技术在降低功能模块、功耗的基础上，实现功能节点远距离一体化供电。由于功能电路具有低电压、低功耗的电气特性，所以供电从机载设备内部引取成为可能。从机载设备引电，体现整体性，避免用电带来的二次改装。采用肖特基进行方向保护，确保采集设备安全。
论文作者:蔡磊
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：信号论文; 光电论文; 光纤论文; 电路论文; 激光器论文; 视频信号论文; 数据论文; 《科学与技术》2019年18期论文;