飛機(jī)導(dǎo)線特性阻抗對視頻信號的影響分析

夏正娜，吳傲晗，方佳在，周長明

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引 言

自1903年美國萊特兄弟設(shè)計制造的飛機(jī)成功飛行之后，飛機(jī)導(dǎo)線的使用已有100 多年的歷史。導(dǎo)線系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，作為飛機(jī)的 “神經(jīng)系統(tǒng)” ，導(dǎo)線系統(tǒng)的重要作用之一是擔(dān)負(fù)著電力、信號的輸送和任務(wù)的分配。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特點，導(dǎo)線的體積和重量受到限制，通常使用直徑較小且絕緣層較薄的導(dǎo)線。

為了確保飛機(jī)安全飛行，防止由飛機(jī)導(dǎo)線故障而引起的突發(fā)性事件，在進(jìn)行飛機(jī)導(dǎo)線故障診斷與定位之前，需要分析飛機(jī)導(dǎo)線的敷設(shè)環(huán)境和故障類型，研究導(dǎo)線的物質(zhì)特性和電氣特性及其對信號在導(dǎo)線中傳播過程的影響規(guī)律，明確在導(dǎo)線故障診斷與定位過程中所需要的導(dǎo)線數(shù)據(jù)信息。

故障處特征阻抗的變化程度決定著反射波形的大小，因此它是分析導(dǎo)線絕緣缺陷的關(guān)鍵。特征阻抗變化越大，說明導(dǎo)線的有關(guān)參數(shù)改變越多。通過分析特征阻抗的變化，可以預(yù)測導(dǎo)線絕緣缺陷的嚴(yán)重程度。

對于圖像，尤其是視頻圖像，數(shù)據(jù)量大，實時性又高，對數(shù)據(jù)的傳輸速率要求非常嚴(yán)格，因此導(dǎo)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，阻抗匹配、信號衰減、傳輸速率等都會影響視頻畫面質(zhì)量。

在機(jī)載視頻綜合顯示系統(tǒng)中，隨著飛機(jī)態(tài)勢感知的增強(qiáng)，視頻信號傳感器的增加以及飛機(jī)信息量的增加，綜合顯示技術(shù)得到了飛速發(fā)展，視頻處理性能隨之提高，因此，對視頻攝錄系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其導(dǎo)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

1 飛機(jī)導(dǎo)線的組成結(jié)構(gòu)

飛機(jī)導(dǎo)線是在一個絕緣層和防護(hù)套里，由單根實心棒或多股金屬絲絞合在一起而組成的，主要由芯線(導(dǎo)電體)、絕緣層、屏蔽層、防護(hù)套等多層物質(zhì)組合而成。飛機(jī)導(dǎo)線的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 飛機(jī)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)線物理特性及電氣特性對信號傳輸?shù)挠绊?/h2>

在基于反射測量原理的飛機(jī)導(dǎo)線故障診斷與定位系統(tǒng)中，當(dāng)飛機(jī)導(dǎo)線發(fā)生故障時，由外力作用而導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生變形，會引起導(dǎo)線直徑沿徑向發(fā)生變化，使導(dǎo)線的特性阻抗、信號的反射系數(shù)等發(fā)生改變，從而對反射信號的波形產(chǎn)生影響，這是進(jìn)行導(dǎo)線故障診斷與定位的機(jī)理。

將一定長度的導(dǎo)線傳輸線看作是由無數(shù)無限短的導(dǎo)線段組成的，對每一小段導(dǎo)線都可以看作為一個集中參數(shù)電路，均勻?qū)Ь€傳輸線的等效回路如圖2 所示。因此，通過均勻?qū)Ь€傳輸線的等效回路來研究特性阻抗及反射系數(shù)與信號傳輸特性的關(guān)系[1]。

圖2 導(dǎo)線等效回路

2.1 對飛機(jī)導(dǎo)線特性阻抗的影響

信號在導(dǎo)線的傳播過程中，由于信號線和參考平面(電源或地平面)之間電場的建立，在信號到達(dá)的地方便會產(chǎn)生一個瞬間電流。如果導(dǎo)線是各向同性的，只要信號在導(dǎo)線中傳播，就會始終存在一個電流I。如果此時信號的輸出電壓為U，導(dǎo)線就會等效成一個電阻，數(shù)值大小為U/I，則把這個等效的電阻稱為導(dǎo)線的特性阻抗。

由圖2 可以得到飛機(jī)導(dǎo)線電氣特性的微分方程[2-3]為：

其中，u、i 分別為導(dǎo)線的電壓（V）、電流（A）；

R、L、G、C 分別為導(dǎo)線單位長度的電阻(Ω/m)、電感(H/m)、電導(dǎo)(S/m)、電容(F/m)。

將公式(1)寫成復(fù)數(shù)形式，化簡后得：

式中，A1、A2待定的積分常數(shù)，由初始條件決定；

δ：相移常數(shù)

Z0:導(dǎo)線的特性阻抗（Ω）

式中ω:導(dǎo)線的電壓角頻率（rad/s）

導(dǎo)線單位長度的電阻R 為

式中a：內(nèi)導(dǎo)體直徑；b：外導(dǎo)體直徑；σa：內(nèi)導(dǎo)體電導(dǎo)率（S）；σb：外導(dǎo)體電導(dǎo)率（S）；μa：內(nèi)導(dǎo)體磁導(dǎo)率（H/m）；μb：外導(dǎo)體磁導(dǎo)率（H/m）；f：導(dǎo)線的信號頻率（Hz）。

導(dǎo)線單位長度的電感L 為

式中，μi：絕緣介質(zhì)的磁導(dǎo)率（H/m）；μ0：真空磁導(dǎo)率（H/m）；μir：絕緣介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。

導(dǎo)線單位長度的電導(dǎo)G 為

式中，δD：組合絕緣的等效損耗角（°）；導(dǎo)線單位長度的電容C 為

式中，εr為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由公式(1)至(10)可知，導(dǎo)線的電氣參數(shù)與導(dǎo)線的材料、幾何尺寸及所填充介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，由導(dǎo)線特性阻抗的定義式（4）可知，Z0與信號的頻率、導(dǎo)線的幾何特征、內(nèi)外導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)等有關(guān)。當(dāng)飛機(jī)導(dǎo)線發(fā)生故障時，由外力作用而導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生變形，會引起導(dǎo)線的幾何特征隨之發(fā)生變化，從而使特性阻抗發(fā)生改變[4]。

當(dāng)通以高頻信號時，由于ωL≥R,ωC≥G，所以導(dǎo)線的直流電阻R 和漏電電導(dǎo)G 在公式（4）中可以忽略不計,則公式（4）近似為

為此，本文以銅芯聚乙烯同軸導(dǎo)線為例，研究外導(dǎo)體直徑b 沿徑向發(fā)生變化對導(dǎo)線特性阻抗的影響，得到外導(dǎo)體直徑變化量△b 與特性阻抗之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 外導(dǎo)體直徑變化量與特性阻抗之間的關(guān)系

由圖3 分析可知，隨著導(dǎo)線外導(dǎo)體直徑變化量的增加，特性阻抗的變化增大，而且橫截面積越小的同軸導(dǎo)線，其特性阻抗的變化率越大。

2.2 對信號傳播反射系數(shù)的影響

信號在導(dǎo)線的傳播過程中，如果傳播路徑上導(dǎo)線的特性阻抗發(fā)生改變，信號就會在阻抗變化交界面處發(fā)生反射現(xiàn)象與透射現(xiàn)象，一部分信號在交界面處被反射回來，另一部分信號則被透射過去。同時，反射波的存在還能引起信號的失真，并使回路間干擾加劇。

用U入、U反、I入、I反分別表示入射信號電壓、反射信號電壓及入射信號電流、反射信號電流，則（2）變?yōu)椋?/p>

且

導(dǎo)線任意一點處的負(fù)載阻抗ZL為：

式中ZL：導(dǎo)線的負(fù)載阻抗（Ω）。

當(dāng)終端的負(fù)載阻抗ZL與線路的特性阻抗Z0相等時，反射波就為零，能量全部被負(fù)載吸收。

利用導(dǎo)線特性阻抗變化交界面處電壓、電流連續(xù)條件，可以得到信號的反射系數(shù)和透射系數(shù)。

信號的反射系數(shù)為反射信號電壓與入射信號電壓之比，或者是反射信號電流與入射信號電流之比，即

式中，ρ：信號的反射系數(shù)。

將公式（13）和（14）代入公式（15），可以得到：

當(dāng)飛機(jī)導(dǎo)線發(fā)生故障時，由外力作用而導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生變形，會引起導(dǎo)線的幾何特征隨之發(fā)生變化，從而使在導(dǎo)線中傳播的信號反射系數(shù)發(fā)生改變。

由圖4 分析可知，隨著導(dǎo)線外導(dǎo)體直徑變化量的增加，在導(dǎo)線中傳播的信號，其反射系數(shù)的變化率增大，而且橫截面積越小的同軸導(dǎo)線，其反射系數(shù)的變化率越大。

圖4 外導(dǎo)體直徑變化量與信號反射系數(shù)之間的關(guān)系

3 機(jī)載導(dǎo)線特性阻抗對視頻信號的影響

當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)載傳感器數(shù)目的增加，對飛機(jī)座艙中的綜合顯示系統(tǒng)提出了多傳感器畫面動態(tài)切換、多傳感器信息融合等要求，這就對機(jī)載綜合顯示處理能力提出了更高的要求。機(jī)載綜合顯示系統(tǒng)通常由視頻源、視頻綜合處理系統(tǒng)及視頻顯示單元三部分組成。其中，視頻綜合處理系統(tǒng)由視頻處理單元和視頻信號傳輸介質(zhì)構(gòu)成。

3.1 某型機(jī)視頻信號類型

在某型飛機(jī)中，視頻信號物理接口為LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口，即低電壓差分信號。符合ANSI/TIA/EIA-644 標(biāo)準(zhǔn)，采用差分線對進(jìn)行傳輸，理論最大傳輸速率為655Mbps，匹配阻抗為100Ω。

在該型飛機(jī)中，視頻存儲單元將機(jī)載視頻信號通過一路IEEE-1394a 通訊鏈路實現(xiàn)視頻存儲單元與存儲卡之間的數(shù)據(jù)交換。目前多數(shù)1394a 電纜采用兩對雙絞線，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率為400Mbps，匹配阻抗為110Ω。

3.2 某型機(jī)視頻信號數(shù)據(jù)量分析

通常作為視頻存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)流量主要包括：視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、任務(wù)加載數(shù)據(jù)，每秒數(shù)據(jù)流量如下：

1）音頻數(shù)據(jù)：2 路，按每路256kbps 計算：2×256k=512kbps；

2）視頻數(shù)據(jù)：1024×768×60Hz 視頻8 路，按平均每路碼流4.4Mbps 計算，8×4.4Mbps=35.2Mbps；

3）加載數(shù)據(jù)流量按2Mbps 計算。

因此，每秒鐘總吞吐量為37.7 Mbps。

3.3 某型機(jī)視頻設(shè)備通信故障分析

某型機(jī)視頻攝錄鏈路見圖5，視頻處理單元接收視頻源輸出的視頻信號，經(jīng)由設(shè)備內(nèi)部的視頻切換開關(guān)矩陣送6 臺多功能顯示器顯示，多功能顯示器處理視頻處理單元輸出的視頻，并將所顯示的視頻畫面送視頻存儲設(shè)備記錄。同時，視頻源會送一路視頻信號直接給視頻存儲單元進(jìn)行記錄。

圖5 視頻攝錄系統(tǒng)鏈路圖

地面通電時發(fā)現(xiàn)，在多功能顯示器的檢測清單中出現(xiàn)洋紅色 “視頻存儲設(shè)備未上網(wǎng)” ，用視頻地面站進(jìn)行記錄結(jié)果回放，截至出現(xiàn) “視頻存儲設(shè)備未上網(wǎng)” 現(xiàn)象之后的畫面未記錄。根據(jù)這種故障現(xiàn)象，針對可能引起設(shè)備工作不正常的因素，按照工作原理，編制故障樹如圖6 所示。

對故障現(xiàn)象的排除，定位發(fā)現(xiàn)是通信鏈路有問題，即圖5 中視頻存儲設(shè)備與視頻存儲卡的鏈路出現(xiàn)問題。通過對出現(xiàn)故障的飛機(jī)視頻存儲設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上下網(wǎng)現(xiàn)象時，軟件監(jiān)控發(fā)現(xiàn)往卡里記錄數(shù)據(jù)的軟件程序跑死，即無法往程序里記錄數(shù)據(jù)，因此懷疑通信鏈路有問題，從而使得設(shè)備出現(xiàn)上下網(wǎng)現(xiàn)象。

機(jī)上通信鏈路因穿艙分成2 段，艙外傳輸電纜所選導(dǎo)線型號為RCN8687，特性阻抗為（110+6/-4Ω），為四芯星絞結(jié)構(gòu)，繞包結(jié)構(gòu)護(hù)套，兩個對角差分對傳輸線，比普通雙絞線結(jié)構(gòu)小約40%，用于1394a 總線通信。艙內(nèi)傳輸電纜導(dǎo)線型號為THSFPF1×4×24A，特性阻抗為（100+15/-15Ω），為四芯星絞結(jié)構(gòu)，擠出結(jié)構(gòu)護(hù)套，超五類線纜。對比兩款導(dǎo)線，RCN8687 導(dǎo)線特性阻抗更符合1394a 傳輸特性要求（110 +6/-6Ω）。

圖6 設(shè)備工作不正常故障樹

按照信號傳輸理論，信號在線纜中傳輸必然存在衰減，若阻抗幅值偏離較大，就會加重其衰減程度。對于1394a 信號而言，信號衰減表現(xiàn)在信號對之間的壓差變小，也就是所謂的數(shù)字 “1” 和 “0” 區(qū)分不開，1394a鏈路會因此出現(xiàn)短暫斷開，衰減程度嚴(yán)重時會直接導(dǎo)致鏈路通信中斷。因此使用THSFPF1×4×24A 傳輸時，視頻存儲設(shè)備會因信號衰減而工作不穩(wěn)定或者斷開與視頻處理單元的通訊，從而導(dǎo)致視頻存儲設(shè)備出現(xiàn)上下網(wǎng)故障。

4 結(jié) 語

本文通過分析飛機(jī)導(dǎo)線的電氣特性發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)線外導(dǎo)體直徑變化量的增加，特性阻抗的變化增大，同時，橫截面積越小的同軸導(dǎo)線，其特性阻抗的變化率越大。并且，隨著導(dǎo)線外導(dǎo)體直徑變化量的增加，在導(dǎo)線中傳播的信號，其反射系數(shù)的變化率增大，而且橫截面積越小的同軸導(dǎo)線，其反射系數(shù)的變化率越大。根據(jù)導(dǎo)線物理結(jié)構(gòu)的變化對信號在導(dǎo)線中傳播過程的影響，結(jié)合機(jī)上實際故障分析知道，當(dāng)信號衰減較大時，信號對之間的壓差變小，當(dāng)衰減程度嚴(yán)重時會直接導(dǎo)致鏈路通信中斷。因此在飛機(jī)上實際布線或者選擇相應(yīng)的導(dǎo)線型號時，應(yīng)盡量避免因特性阻抗不匹配引起的信號衰減等問題，以提高視頻信號的穩(wěn)定性。