遙感相機(jī)科學(xué)數(shù)據(jù)光傳輸測試系統(tǒng)研究

王曉東，曲洪豐

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

隨著航天遙感相機(jī)向著高速、高分辨、寬覆蓋的方向發(fā)展，科學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量急劇增加，對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)要求越來越高。光傳輸具有通信容量大、傳輸距離長、抗電磁干擾及噪聲干擾性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、安全、易敷設(shè)、保密性強(qiáng)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)［1，2］，這些優(yōu)點(diǎn)使光傳輸非常適合于空間應(yīng)用。為突破傳統(tǒng)系統(tǒng)傳輸海量數(shù)據(jù)的技術(shù)瓶頸，現(xiàn)在越來越多遙感相機(jī)都將光纖作為傳輸介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)海量科學(xué)數(shù)據(jù)高速、可靠、穩(wěn)定的傳輸。為了在研制過程中，對(duì)采用光傳輸技術(shù)的遙感相機(jī)進(jìn)行地面檢測，本文開發(fā)了一種遙感相機(jī)科學(xué)數(shù)據(jù)光傳輸測試系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)的測試技術(shù)進(jìn)行研究。

1 測試系統(tǒng)的組成與工作原理

測試系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、串行/解串模塊、FPGA控制模塊、Cameralink接口模塊、科學(xué)數(shù)據(jù)采集模塊等5個(gè)模塊組成。原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Principle diagram of testing system

光收發(fā)模塊通過其輸入光纖接口接收光纖科學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行的 LVDS電信號(hào)。串行/解串器TLK2711A將高速串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)發(fā)送給FPGA。FPGA通過RS232通訊模塊接收PC機(jī)的命令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)解碼，并將系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)返回給PC機(jī)。FPGA對(duì)輸入的16位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，輸出符合 Cameralink協(xié)議規(guī)范的28位并行圖像數(shù)據(jù)和1位時(shí)鐘信號(hào)，Cameralink接口單元將接收的28位數(shù)據(jù)和1位像素時(shí)鐘信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成4路 LVDS數(shù)據(jù)及1路LVDS時(shí)鐘信號(hào)，通過Cameralink線纜傳輸給Cameralink接口的圖像采集卡CL160，CL160最后實(shí)現(xiàn)圖像的采集和存儲(chǔ)。

圖1中發(fā)送單元主要功能為系統(tǒng)自測試。FPGA將自測試數(shù)據(jù)源發(fā)送到串行/解串器TLK2711A中轉(zhuǎn)換為串行的LVDS信號(hào)，再通過光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，輸出自測試數(shù)據(jù)源到光纖上。

2 測試系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 RS-232接口模塊

RS-232接口芯片采用MAXIM公司的MAX3-232CPE，實(shí)現(xiàn) R S-232總線電平與 L VTTL電平的轉(zhuǎn)換。此收發(fā)器具有專用低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電荷泵可在3.0V～5.5V電源電壓下工作，實(shí)現(xiàn)真正的RS-232性能，芯片外圍器件僅需四個(gè)0.1F的外部電容。MAX3232CPE具有2路接收器和2路驅(qū)動(dòng)器，可以在120kbps數(shù)據(jù)速率下保持RS-232輸出電平［3］。

2.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)選用的器件是住友公司的光收發(fā)模塊SCM6428，模塊可傳輸155Mbps～2.5Gbps的信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。其發(fā)送模塊和接收模塊原理框圖如圖2和圖3所示［4］：發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)串行LVDS電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，接收模塊實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到串行LVDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖2 SCM6428發(fā)送模塊原理框圖Fig.2 Principle diagram of SCM6428's transmitter module

圖3 SCM6428接收模塊原理框圖Fig.3 Principle diagram of sCM6428's receiver module

2.3 串行/解串器模塊

串行/解串器模塊實(shí)現(xiàn) 1.6～ 2.5Gbps的串行LVDS信號(hào)與16位并行信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)選用TLK2711A實(shí)現(xiàn)此功能。TLK2711A是TI公司推出的1.6Gpbs～2.7Gbps高速串行/解串器，主要完成數(shù)據(jù)的高速并串和串并轉(zhuǎn)化功能，適用于超高速雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。主要包括如下功能模塊：串并轉(zhuǎn)換單元、并串轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘合成與恢復(fù)單元、8B/10B編碼/解碼單元、comma檢測功能單元、偽隨機(jī)序列發(fā)生和驗(yàn)證單元以及鎖相環(huán)等［5］。

2.4 FPGA控制模塊

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部功能模塊如圖4所示。

1.串行/解串控制模塊主要控制TLK2711A工作實(shí)現(xiàn)串行LVDS信號(hào)和并行信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換；

2.自測試模塊產(chǎn)生自測數(shù)據(jù)源；

3.Cameralink接口控制模塊是將接收到的TLK2711A解碼后的 16位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合Cameralink接口標(biāo)準(zhǔn)的28位并行圖像數(shù)據(jù)和1位像素時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 FPGA內(nèi)部功能模塊Fig.4 Function diagram of FPGA

2.5 Cameralink接口模塊

CameraLink協(xié)議是一個(gè)工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)和連接標(biāo)準(zhǔn)，是由攝像頭供應(yīng)商和其它圖像采集公司在2000年10月聯(lián)合推出的，目的是簡化圖像采集接口，方便高速圖像傳感器和采集系統(tǒng)的連接。采用這種標(biāo)準(zhǔn)后，使得數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)接口輸出采用較少的線數(shù)，連接電纜更容易制造，更具有通用性，而且也使得數(shù)據(jù)的傳輸距離比普通的傳輸方式更遠(yuǎn)。其最主要的特點(diǎn)是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技術(shù)，使相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率大大地提高，并且使數(shù)據(jù)在傳輸過程中不易受到干擾［6］?，F(xiàn)在大多數(shù)數(shù)字相機(jī)和圖像采集卡都采用CameraLink接口，本設(shè)計(jì)中所用的圖像采集卡CL160就采用了此接口。

根據(jù)CameraLink協(xié)議，數(shù)據(jù)接口電路如圖5所示。數(shù)據(jù)發(fā)送端采用DS90CR287芯片，將28位數(shù)據(jù)和1位像素時(shí)鐘信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成4路LVDS數(shù)據(jù)及1路LVDS時(shí)鐘信號(hào)，連接器選用3M公司Cameralink標(biāo)準(zhǔn)連接器MDR-26。

圖5 數(shù)據(jù)Cameralink接口電路Fig.5 Cameralink interface circuit of data

2.6 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用IOIndustries公司標(biāo)準(zhǔn)Cameralink接口的DVR Express CL160圖像采集卡，通過Cameralink電纜與前端系統(tǒng)相連。此圖像采集卡既可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，又可以配合SCSI硬盤實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。CL160圖像采集卡可以將從 Cameralink接口獲得的圖像數(shù)據(jù)分成兩路進(jìn)行傳輸。其中一路圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)過 PCI總線而直接存入與 DVR Express CL160連接的SCSI硬盤，記錄時(shí)不會(huì)出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象；另一路可以通過應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)采集到主機(jī)內(nèi)存中，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和處理。

3 系統(tǒng)自測試

在本測試系統(tǒng)應(yīng)用之前，首先要進(jìn)行測試系統(tǒng)本身各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測。系統(tǒng)自測試是將圖1中光收發(fā)模塊的發(fā)送端和接收端用光纖連接起來進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測試。測試包括：眼圖測試、CRC校驗(yàn)和系統(tǒng)測試。

欲測試眼圖、CRC等指標(biāo)，必須利用FPGA產(chǎn)生數(shù)據(jù)源，即自測試圖形。為了能正確反應(yīng)系統(tǒng)正常工作時(shí)的性能指標(biāo)，要求FPGA產(chǎn)生的自測試圖形必須足夠復(fù)雜，此處的復(fù)雜是指其輸出數(shù)據(jù)不斷'0'和'1'跳變。為此，設(shè)計(jì)的自測試圖形如圖6所示，圖像分為4段圖像，每段圖像長和寬均為512個(gè)像素，圖像為從左到右、從上到小灰度值漸變的單元格，其中每段圖像左上角的單元格灰度值為0，右下角的灰度值為1022。

圖6 自檢圖形Fig.6 Self-tested image

3.1 眼圖測試

眼圖測試是高速串行信號(hào)物理層測試的一個(gè)重要項(xiàng)目。它是由多個(gè)比特的波形疊加后的圖形，從眼圖中可以看到：數(shù)字信號(hào)1電平、0電平信號(hào)是否存在過沖、振鈴、抖動(dòng)大小、眼圖的信噪比、上升下降時(shí)間是否對(duì)稱(占空比)，眼圖反映了大數(shù)據(jù)量時(shí)的信號(hào)質(zhì)量，可以最直觀地描述高速數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量與性能［7］。本文采用安捷倫的數(shù)字通訊分析儀86100C進(jìn)行眼圖測試，此分析儀可通過光纖和LVDS信號(hào)的眼圖來測試高速光纖和LVDS信號(hào)質(zhì)量。眼圖測試結(jié)果如圖7和圖8所示，圖1中光收發(fā)模塊輸出的光纖信號(hào)眼圖測試波形如圖7所示，光收發(fā)模塊與串化解串器之間的LVDS信號(hào)眼圖測試波形如圖8所示。

圖7 光輸出信號(hào)眼圖測試波形Fig.7 Eye diagram waveform of optical signal

圖8 高速LVDS信號(hào)眼圖測試波形Fig.8 Eye diagram waveform of high speed LVDS signal

測試中主要關(guān)注光傳輸信號(hào)眼圖的消光比和抖動(dòng)指標(biāo)，高速LVDS信號(hào)的眼高和抖動(dòng)指標(biāo)，它們能綜合反應(yīng)光傳輸信號(hào)和高速LVDS信號(hào)的質(zhì)量。

（1）消光比

消光比ER(Extinction Ratio)為光收發(fā)模塊發(fā)射邏輯“1”時(shí)的平均光功率和發(fā)送邏輯“0”時(shí)的平均光功率之比。一般用對(duì)數(shù)表示，如式（1）所示：

對(duì)一個(gè)線性衰減的系統(tǒng)，消光比應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)，消光比越高，傳輸系統(tǒng)對(duì)外部噪聲的抗敏感度越高，魯棒性越好。根據(jù)光收發(fā)模塊 SCM6428手冊可知，要求接收光信號(hào)消光比大于8.2dB，由圖7可知，光纖輸出信號(hào)的消光比最小值為11.29dB，滿足要求。

（2）抖動(dòng)

信號(hào)在‘0’與‘1’跳變中，由于傳輸路徑中外部的干擾，造成每次跳變的位置不一致，在眼圖的疊加下，就會(huì)顯現(xiàn)出如同信號(hào)抖動(dòng)的特性。圖7和圖8測試的是總抖動(dòng)。根據(jù) TLK2711A手冊，TLK2711A作為接收機(jī)時(shí)，要求差分電壓信號(hào)抖動(dòng)小于 0.3UI，UI（the time interval of one serialized bit）為數(shù)據(jù)輸出一個(gè)碼元的時(shí)間。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率為1.6Gbps，則UI計(jì)算如式2所示：

所以，要求系統(tǒng)的抖動(dòng)小于0.3UI=187.5ps。由圖7可知，光信號(hào)抖動(dòng)最大值為162.29ps，經(jīng)過光收發(fā)模塊變?yōu)榇械母咚貺VDS信號(hào)的抖動(dòng)由圖8可知為173.96ps，滿足要求。

（3）眼高

眼高是指眼圖張開的高度，代表高速LVDS信號(hào)電壓幅度峰峰值。眼高越高，信號(hào)質(zhì)量越好，眼高低于接收機(jī)終端的要求時(shí)，信號(hào)將無法識(shí)別。TLK2711A可識(shí)別 LVDS信號(hào)電壓的峰峰值為200mV到1600mV。由圖8可知眼高為1.35V，滿足要求。

3.2 循環(huán)冗余校驗(yàn)

循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。CRC校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼(即 CRC碼)r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼和 CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)［8］。

在圖1中，將光收發(fā)模塊的發(fā)送端和接收端用光纖連接起來進(jìn)行自測試。由FPGA產(chǎn)生如圖6所示的自測試圖形并加入 CRC校驗(yàn)，經(jīng)過發(fā)送鏈路通過光纖發(fā)送出去，進(jìn)入光收發(fā)模塊接收端進(jìn)入接收鏈路，再通過TLK2711A將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，再經(jīng)Cameralink接口進(jìn)入圖像采集卡進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，從而完成對(duì)整個(gè)發(fā)送鏈路和接收鏈路的一個(gè)綜合測試。測試結(jié)果：接收到的圖像如圖6所示，CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)為0。

3.3 系統(tǒng)測試

通過光纖將此采集系統(tǒng)與被測遙感相機(jī)相連，相機(jī)對(duì)黑白條目標(biāo)成像。采集得到的圖像如圖9所示，與目標(biāo)一致，CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)為0。相機(jī)光纖輸出信號(hào)眼圖如圖10所示，圖1中測試系統(tǒng)光收發(fā)模塊與串化解串器之間的LVDS信號(hào)眼圖測試波形如圖11所示。

圖9 黑白條目標(biāo)成像Fig.9 Black and white bar object image

圖10 相機(jī)光輸出信號(hào)眼圖測試波形Fig.10 Eye diagram waveform of optical signal of camera

圖11 測試系統(tǒng)LVDS信號(hào)眼圖測試波形Fig.11 Eye diagram waveform of LVDS signal of test system

由圖 10可知，相機(jī)光纖輸出信號(hào)消光比為11.72dB，抖動(dòng)為 164.32ps，滿足測試系統(tǒng)接收要求。由圖11可知，LVDS信號(hào)眼圖眼高為1.33V，抖動(dòng)為176.17ps，滿足TLK2711A的接收要求。

4 結(jié)論

介紹了測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)闡述，重點(diǎn)論述了測試的方法和原理，系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某航天遙感相機(jī)的科學(xué)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)可接收和發(fā)送光傳輸信號(hào)速率為1.6Gbps～2.5Gbps；發(fā)送光信號(hào)消光比優(yōu)于11.80dB、抖動(dòng)優(yōu)于162.29ps；可接收消光比大于 8.2dB，抖動(dòng)小于187.5ps的光信號(hào)。

對(duì)某航天遙感相機(jī)進(jìn)行測試結(jié)果：相機(jī)發(fā)送光信號(hào)消光比為11.72dB，抖動(dòng)為164.32ps，測試系統(tǒng)接收后轉(zhuǎn)換為串行LVDS信號(hào)的眼高1.33V，抖動(dòng)為176.17ps，CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)為0。測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遙感相機(jī)光傳輸信號(hào)的測試功能。

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