飛機導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

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引 言

自1903年美國萊特兄弟設計制造的飛機成功飛行之后，飛機導線的使用已有100 多年的歷史。導線系統是飛機的重要組成部分，作為飛機的 “神經系統” ，導線系統的重要作用之一是擔負著電力、信號的輸送和任務的分配。由于飛機結構的特點，導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線。

為了確保飛機安全飛行，防止由飛機導線故障而引起的突發性事件，在進行飛機導線故障診斷與定位之前，需要分析飛機導線的敷設環境和故障類型，研究導線的物質特性和電氣特性及其對信號在導線中傳播過程的影響規律，明確在導線故障診斷與定位過程中所需要的導線數據信息。

故障處特征阻抗的變化程度決定著反射波形的大小，因此它是分析導線絕緣缺陷的關鍵。特征阻抗變化越大，說明導線的有關參數改變越多。通過分析特征阻抗的變化，可以預測導線絕緣缺陷的嚴重程度。

對于圖像，尤其是視頻圖像，數據量大，實時性又高，對數據的傳輸速率要求非常嚴格，因此導線系統的穩定性尤為重要，阻抗匹配、信號衰減、傳輸速率等都會影響視頻畫面質量。

在機載視頻綜合顯示系統中，隨著飛機態勢感知的增強，視頻信號傳感器的增加以及飛機信息量的增加，綜合顯示技術得到了飛速發展，視頻處理性能隨之提高，因此，對視頻攝錄系統的穩定性及其導線系統的穩定性提出了更高的要求。

1 飛機導線的組成結構

飛機導線是在一個絕緣層和防護套里，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(導電體)、絕緣層、屏蔽層、防護套等多層物質組合而成。飛機導線的典型結構如圖1 所示。

圖1 飛機導線結構

2 導線物理特性及電氣特性對信號傳輸的影響

在基于反射測量原理的飛機導線故障診斷與定位系統中，當飛機導線發生故障時，由外力作用而導致導線發生變形，會引起導線直徑沿徑向發生變化，使導線的特性阻抗、信號的反射系數等發生改變，從而對反射信號的波形產生影響，這是進行導線故障診斷與定位的機理。

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

圖2 導線等效回路

2.1 對飛機導線特性阻抗的影響

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

由圖2 可以得到飛機導線電氣特性的微分方程[2-3]為：

其中，u、i 分別為導線的電壓（V）、電流（A）；

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

將公式(1)寫成復數形式，化簡后得：

式中，A1、A2待定的積分常數，由初始條件決定；

δ：相移常數

Z0:導線的特性阻抗（Ω）

式中ω:導線的電壓角頻率（rad/s）

導線單位長度的電阻R 為

式中a：內導體直徑；b：外導體直徑；σa：內導體電導率（S）；σb：外導體電導率（S）；μa：內導體磁導率（H/m）；μb：外導體磁導率（H/m）；f：導線的信號頻率（Hz）。

導線單位長度的電感L 為

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

導線單位長度的電導G 為

式中，δD：組合絕緣的等效損耗角（°）；導線單位長度的電容C 為

式中，εr為絕緣介質的相對介電常數。

由公式(1)至(10)可知，導線的電氣參數與導線的材料、幾何尺寸及所填充介質的參數有關，由導線特性阻抗的定義式（4）可知，Z0與信號的頻率、導線的幾何特征、內外導體的磁導率、電導率、絕緣介質的介電常數等有關。當飛機導線發生故障時，由外力作用而導致導線發生變形，會引起導線的幾何特征隨之發生變化，從而使特性阻抗發生改變[4]。

當通以高頻信號時，由于ωL≥R,ωC≥G，所以導線的直流電阻R 和漏電電導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線為例，研究外導體直徑b 沿徑向發生變化對導線特性阻抗的影響，得到外導體直徑變化量△b 與特性阻抗之間的關系如圖3 所示。

圖3 外導體直徑變化量與特性阻抗之間的關系

由圖3 分析可知，隨著導線外導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線，其特性阻抗的變化率越大。

2.2 對信號傳播反射系數的影響

信號在導線的傳播過程中，如果傳播路徑上導線的特性阻抗發生改變，信號就會在阻抗變化交界面處發生反射現象與透射現象，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）變為：

且

導線任意一點處的負載阻抗ZL為：

式中ZL：導線的負載阻抗（Ω）。

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

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

信號的反射系數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。

將公式（13）和（14）代入公式（15），可以得到：

當飛機導線發生故障時，由外力作用而導致導線發生變形，會引起導線的幾何特征隨之發生變化，從而使在導線中傳播的信號反射系數發生改變。

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

圖4 外導體直徑變化量與信號反射系數之間的關系

3 機載導線特性阻抗對視頻信號的影響

當前傳感器技術的發展以及機載傳感器數目的增加，對飛機座艙中的綜合顯示系統提出了多傳感器畫面動態切換、多傳感器信息融合等要求，這就對機載綜合顯示處理能力提出了更高的要求。機載綜合顯示系統通常由視頻源、視頻綜合處理系統及視頻顯示單元三部分組成。其中，視頻綜合處理系統由視頻處理單元和視頻信號傳輸介質構成。

3.1 某型機視頻信號類型

在某型飛機中，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 標準，采用差分線對進行傳輸，理論最大傳輸速率為655Mbps，匹配阻抗為100Ω。

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

3.2 某型機視頻信號數據量分析

通常作為視頻存儲設備，數據流量主要包括：視頻數據、音頻數據、任務加載數據，每秒數據流量如下：

1）音頻數據：2 路，按每路256kbps 計算：2×256k=512kbps；

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

3）加載數據流量按2Mbps 計算。

因此，每秒鐘總吞吐量為37.7 Mbps。

3.3 某型機視頻設備通信故障分析

某型機視頻攝錄鏈路見圖5，視頻處理單元接收視頻源輸出的視頻信號，經由設備內部的視頻切換開關矩陣送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行記錄。

圖5 視頻攝錄系統鏈路圖

地面通電時發現，在多功能顯示器的檢測清單中出現洋紅色 “視頻存儲設備未上網” ，用視頻地面站進行記錄結果回放，截至出現 “視頻存儲設備未上網” 現象之后的畫面未記錄。根據這種故障現象，針對可能引起設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。

對故障現象的排除，定位發現是通信鏈路有問題，即圖5 中視頻存儲設備與視頻存儲卡的鏈路出現問題。通過對出現故障的飛機視頻存儲設備進行在線監控，發現出現上下網現象時，軟件監控發現往卡里記錄數據的軟件程序跑死，即無法往程序里記錄數據，因此懷疑通信鏈路有問題，從而使得設備出現上下網現象。

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

圖6 設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，信號衰減表現在信號對之間的壓差變小，也就是所謂的數字 “1” 和 “0” 區分不開，1394a鏈路會因此出現短暫斷開，衰減程度嚴重時會直接導致鏈路通信中斷。因此使用THSFPF1×4×24A 傳輸時，視頻存儲設備會因信號衰減而工作不穩定或者斷開與視頻處理單元的通訊，從而導致視頻存儲設備出現上下網故障。

4 結 語

本文通過分析飛機導線的電氣特性發現，隨著導線外導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線，其特性阻抗的變化率越大。并且，隨著導線外導體直徑變化量的增加，在導線中傳播的信號，其反射系數的變化率增大，而且橫截面積越小的同軸導線，其反射系數的變化率越大。根據導線物理結構的變化對信號在導線中傳播過程的影響，結合機上實際故障分析知道，當信號衰減較大時，信號對之間的壓差變小，當衰減程度嚴重時會直接導致鏈路通信中斷。因此在飛機上實際布線或者選擇相應的導線型號時，應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定性。