遙感相機科學數據光傳輸測試系統研究

王曉東，曲洪豐

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

隨著航天遙感相機向著高速、高分辨、寬覆蓋的方向發展，科學數據的數據量急劇增加，對科學數據傳輸技術要求越來越高。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、環境適應性強、重量輕、安全、易敷設、保密性強和壽命長等優點［1，2］，這些優點使光傳輸非常適合于空間應用。為突破傳統系統傳輸海量數據的技術瓶頸，現在越來越多遙感相機都將光纖作為傳輸介質，以實現海量科學數據高速、可靠、穩定的傳輸。為了在研制過程中，對采用光傳輸技術的遙感相機進行地面檢測，本文開發了一種遙感相機科學數據光傳輸測試系統，對相關的測試技術進行研究。

1 測試系統的組成與工作原理

測試系統主要由光電轉換模塊、串行/解串模塊、FPGA控制模塊、Cameralink接口模塊、科學數據采集模塊等5個模塊組成。原理框圖如圖1所示。

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

光收發模塊通過其輸入光纖接口接收光纖科學數據信號，并將光信號轉換為串行的 LVDS電信號。串行/解串器TLK2711A將高速串行信號轉換為并行信號發送給FPGA。FPGA通過RS232通訊模塊接收PC機的命令，對系統進行控制和數據解碼，并將系統當前的狀態返回給PC機。FPGA對輸入的16位并行數據進行格式轉化，輸出符合 Cameralink協議規范的28位并行圖像數據和1位時鐘信號，Cameralink接口單元將接收的28位數據和1位像素時鐘信號分別轉換成4路 LVDS數據及1路LVDS時鐘信號，通過Cameralink線纜傳輸給Cameralink接口的圖像采集卡CL160，CL160最后實現圖像的采集和存儲。

圖1中發送單元主要功能為系統自測試。FPGA將自測試數據源發送到串行/解串器TLK2711A中轉換為串行的LVDS信號，再通過光電轉換模塊實現電光轉換，輸出自測試數據源到光纖上。

2 測試系統的功能實現

2.1 RS-232接口模塊

RS-232接口芯片采用MAXIM公司的MAX3-232CPE，實現 R S-232總線電平與 L VTTL電平的轉換。此收發器具有專用低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵可在3.0V～5.5V電源電壓下工作，實現真正的RS-232性能，芯片外圍器件僅需四個0.1F的外部電容。MAX3232CPE具有2路接收器和2路驅動器，可以在120kbps數據速率下保持RS-232輸出電平［3］。

2.2 光電轉換模塊

光電轉換模塊主要實現光電轉換和電光轉換功能，設計選用的器件是住友公司的光收發模塊SCM6428，模塊可傳輸155Mbps～2.5Gbps的信號，滿足設計要求。其發送模塊和接收模塊原理框圖如圖2和圖3所示［4］：發送模塊實現串行LVDS電信號到光信號的轉換，接收模塊實現光信號到串行LVDS信號的轉換。

圖2 SCM6428發送模塊原理框圖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/解串器模塊實現 1.6～ 2.5Gbps的串行LVDS信號與16位并行信號的相互轉換。設計選用TLK2711A實現此功能。TLK2711A是TI公司推出的1.6Gpbs～2.7Gbps高速串行/解串器，主要完成數據的高速并串和串并轉化功能，適用于超高速雙向點對點數據傳輸系統。主要包括如下功能模塊：串并轉換單元、并串轉換單元、時鐘合成與恢復單元、8B/10B編碼/解碼單元、comma檢測功能單元、偽隨機序列發生和驗證單元以及鎖相環等［5］。

2.4 FPGA控制模塊

FPGA是整個系統的控制核心，內部功能模塊如圖4所示。

1.串行/解串控制模塊主要控制TLK2711A工作實現串行LVDS信號和并行信號的相互轉換；

2.自測試模塊產生自測數據源；

3.Cameralink接口控制模塊是將接收到的TLK2711A解碼后的 16位并行數據轉換為符合Cameralink接口標準的28位并行圖像數據和1位像素時鐘信號。

圖4 FPGA內部功能模塊Fig.4 Function diagram of FPGA

2.5 Cameralink接口模塊

CameraLink協議是一個工業高速串口數據和連接標準，是由攝像頭供應商和其它圖像采集公司在2000年10月聯合推出的，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的連接。采用這種標準后，使得數字攝像機的數據接口輸出采用較少的線數，連接電纜更容易制造，更具有通用性，而且也使得數據的傳輸距離比普通的傳輸方式更遠。其最主要的特點是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技術，使相機的數據傳輸速率大大地提高，并且使數據在傳輸過程中不易受到干擾［6］。現在大多數數字相機和圖像采集卡都采用CameraLink接口，本設計中所用的圖像采集卡CL160就采用了此接口。

根據CameraLink協議，數據接口電路如圖5所示。數據發送端采用DS90CR287芯片，將28位數據和1位像素時鐘信號分別轉換成4路LVDS數據及1路LVDS時鐘信號，連接器選用3M公司Cameralink標準連接器MDR-26。

圖5 數據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公司標準Cameralink接口的DVR Express CL160圖像采集卡，通過Cameralink電纜與前端系統相連。此圖像采集卡既可以實現實時顯示，又可以配合SCSI硬盤實現大容量存儲。CL160圖像采集卡可以將從 Cameralink接口獲得的圖像數據分成兩路進行傳輸。其中一路圖像數據不經過 PCI總線而直接存入與 DVR Express CL160連接的SCSI硬盤，記錄時不會出現丟幀現象；另一路可以通過應用程序將數據采集到主機內存中，進行實時的顯示和處理。

3 系統自測試

在本測試系統應用之前，首先要進行測試系統本身各項性能指標的檢測。系統自測試是將圖1中光收發模塊的發送端和接收端用光纖連接起來進行各項指標的測試。測試包括：眼圖測試、CRC校驗和系統測試。

欲測試眼圖、CRC等指標，必須利用FPGA產生數據源，即自測試圖形。為了能正確反應系統正常工作時的性能指標，要求FPGA產生的自測試圖形必須足夠復雜，此處的復雜是指其輸出數據不斷'0'和'1'跳變。為此，設計的自測試圖形如圖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物理層測試的一個重要項目。它是由多個比特的波形疊加后的圖形，從眼圖中可以看到：數字信號1電平、0電平信號是否存在過沖、振鈴、抖動大小、眼圖的信噪比、上升下降時間是否對稱(占空比)，眼圖反映了大數據量時的信號質量，可以最直觀地描述高速數字信號的質量與性能［7］。本文采用安捷倫的數字通訊分析儀86100C進行眼圖測試，此分析儀可通過光纖和LVDS信號的眼圖來測試高速光纖和LVDS信號質量。眼圖測試結果如圖7和圖8所示，圖1中光收發模塊輸出的光纖信號眼圖測試波形如圖7所示，光收發模塊與串化解串器之間的LVDS信號眼圖測試波形如圖8所示。

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

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

測試中主要關注光傳輸信號眼圖的消光比和抖動指標，高速LVDS信號的眼高和抖動指標，它們能綜合反應光傳輸信號和高速LVDS信號的質量。

（1）消光比

消光比ER(Extinction Ratio)為光收發模塊發射邏輯“1”時的平均光功率和發送邏輯“0”時的平均光功率之比。一般用對數表示，如式（1）所示：

對一個線性衰減的系統，消光比應該是一個常數，消光比越高，傳輸系統對外部噪聲的抗敏感度越高，魯棒性越好。根據光收發模塊 SCM6428手冊可知，要求接收光信號消光比大于8.2dB，由圖7可知，光纖輸出信號的消光比最小值為11.29dB，滿足要求。

（2）抖動

信號在‘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，就會顯現出如同信號抖動的特性。圖7和圖8測試的是總抖動。根據 TLK2711A手冊，TLK2711A作為接收機時，要求差分電壓信號抖動小于 0.3UI，UI（the time interval of one serialized bit）為數據輸出一個碼元的時間。系統數據傳輸速率為1.6Gbps，則UI計算如式2所示：

所以，要求系統的抖動小于0.3UI=187.5ps。由圖7可知，光信號抖動最大值為162.29ps，經過光收發模塊變為串行的高速LVDS信號的抖動由圖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信號電壓幅度峰峰值。眼高越高，信號質量越好，眼高低于接收機終端的要求時，信號將無法識別。TLK2711A可識別 LVDS信號電壓的峰峰值為200mV到1600mV。由圖8可知眼高為1.35V，滿足要求。

3.2 循環冗余校驗

循環冗余校驗CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領域廣泛地用于實現差錯控制。CRC校驗的基本思想是利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個校驗用的監督碼(即 CRC碼)r位，并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共(k+r)位，最后發送出去。在接收端，則根據信息碼和 CRC碼之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯［8］。

在圖1中，將光收發模塊的發送端和接收端用光纖連接起來進行自測試。由FPGA產生如圖6所示的自測試圖形并加入 CRC校驗，經過發送鏈路通過光纖發送出去，進入光收發模塊接收端進入接收鏈路，再通過TLK2711A將串行數據轉換為并行數據發送給FPGA，再經Cameralink接口進入圖像采集卡進行存儲和顯示，從而完成對整個發送鏈路和接收鏈路的一個綜合測試。測試結果：接收到的圖像如圖6所示，CRC校驗錯誤數為0。

3.3 系統測試

通過光纖將此采集系統與被測遙感相機相連，相機對黑白條目標成像。采集得到的圖像如圖9所示，與目標一致，CRC校驗錯誤數為0。相機光纖輸出信號眼圖如圖10所示，圖1中測試系統光收發模塊與串化解串器之間的LVDS信號眼圖測試波形如圖11所示。

圖9 黑白條目標成像Fig.9 Black and white bar object image

圖10 相機光輸出信號眼圖測試波形Fig.10 Eye diagram waveform of optical signal of camera

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

由圖 10可知，相機光纖輸出信號消光比為11.72dB，抖動為 164.32ps，滿足測試系統接收要求。由圖11可知，LVDS信號眼圖眼高為1.33V，抖動為176.17ps，滿足TLK2711A的接收要求。

4 結論

介紹了測試系統的總體結構，并對各個組成部分進行了詳細闡述，重點論述了測試的方法和原理，系統已成功應用于某航天遙感相機的科學數據檢測系統。

系統可接收和發送光傳輸信號速率為1.6Gbps～2.5Gbps；發送光信號消光比優于11.80dB、抖動優于162.29ps；可接收消光比大于 8.2dB，抖動小于187.5ps的光信號。

對某航天遙感相機進行測試結果：相機發送光信號消光比為11.72dB，抖動為164.32ps，測試系統接收后轉換為串行LVDS信號的眼高1.33V，抖動為176.17ps，CRC校驗錯誤數為0。測試系統能夠實現對遙感相機光傳輸信號的測試功能。

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