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(fā)展，科學數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量急劇增加，對科學數(shù)據(jù)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(huán)境適應性強、重量輕、安全、易敷設、保密性強和壽命長等優(yōu)點［1，2］，這些優(yōu)點使光傳輸非常適合于空間應用。為突破傳統(tǒng)系統(tǒng)傳輸海量數(shù)據(jù)的技術瓶頸，現(xiàn)在越來越多遙感相機都將光纖作為傳輸介質，以實現(xiàn)海量科學數(shù)據(jù)高速、可靠、穩(wěn)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(fā)了一種遙感相機科學數(shù)據(jù)光傳輸測試系統(tǒng)，對相關的測試技術進行研究。

1 測試系統(tǒng)的組成與工作原理

測試系統(tǒng)主要由光電轉換模塊、串行/解串模塊、FPGA控制模塊、Cameralink接口模塊、科學數(shù)據(jù)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(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數(shù)據(jù)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(fā)送給FPGA。FPGA通過RS232通訊模塊接收PC機的命令，對系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)解碼，并將系統(tǒng)當前的狀態(tài)返回給PC機。FPGA對輸入的16位并行數(shù)據(jù)進行格式轉化，輸出符合 Cameralink協(xié)議規(guī)范的28位并行圖像數(shù)據(jù)和1位時鐘信號，Cameralink接口單元將接收的28位數(shù)據(jù)和1位像素時鐘信號分別轉換成4路 LVDS數(shù)據(jù)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(xiàn)圖像的采集和存儲。

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中轉換為串行的LVDS信號，再通過光電轉換模塊實現(xiàn)電光轉換，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，實現(xiàn) R S-232總線電平與 L VTTL電平的轉換。此收發(fā)器具有專用低壓差發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)模塊SCM6428，模塊可傳輸155Mbps～2.5Gbps的信號，滿足設計要求。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)送模塊實現(xiàn)串行LVDS電信號到光信號的轉換，接收模塊實現(xiàn)光信號到串行LVDS信號的轉換。

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/解串器模塊實現(xiàn) 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(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化功能，適用于超高速雙向點對點數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。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(fā)生和驗證單元以及鎖相環(huán)等［5］。

2.4 FPGA控制模塊

FPGA是整個系統(tǒng)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(xiàn)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(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)轉換為符合Cameralink接口標準的28位并行圖像數(shù)據(jù)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(xié)議是一個工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)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(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。采用這種標準后，使得數(shù)字攝像機的數(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。其最主要的特點是采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技術，使相機的數(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(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位像素時鐘信號分別轉換成4路LVDS數(shù)據(jù)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(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公司標準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現(xiàn)實時顯示，又可以配合SCSI硬盤實現(xiàn)大容量存儲。CL160圖像采集卡可以將從 Cameralink接口獲得的圖像數(shù)據(jù)分成兩路進行傳輸。其中一路圖像數(shù)據(jù)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(xiàn)丟幀現(xiàn)象；另一路可以通過應用程序將數(shù)據(jù)采集到主機內存中，進行實時的顯示和處理。

3 系統(tǒng)自測試

在本測試系統(tǒng)應用之前，首先要進行測試系統(tǒng)本身各項性能指標的檢測。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行各項指標的測試。測試包括：眼圖測試、CRC校驗和系統(tǒng)測試。

欲測試眼圖、CRC等指標，必須利用FPGA產生數(shù)據(jù)源，即自測試圖形。為了能正確反應系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)量時的信號質量，可以最直觀地描述高速數(shù)字信號的質量與性能［7］。本文采用安捷倫的數(shù)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(fā)模塊輸出的光纖信號眼圖測試波形如圖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(fā)模塊發(fā)射邏輯“1”時的平均光功率和發(fā)送邏輯“0”時的平均光功率之比。一般用對數(shù)表示，如式（1）所示：

對一個線性衰減的系統(tǒng)，消光比應該是一個常數(shù)，消光比越高，傳輸系統(tǒng)對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(xiàn)出如同信號抖動的特性。圖7和圖8測試的是總抖動。根據(jù) 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(shù)據(jù)輸出一個碼元的時間。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率為1.6Gbps，則UI計算如式2所示：

所以，要求系統(tǒng)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(fā)模塊變?yōu)榇械母咚貺VDS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(huán)冗余校驗

循環(huán)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(xiàn)差錯控制。CRC校驗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位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產生一個校驗用的監(jiān)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(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)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯［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(fā)送鏈路通過光纖發(fā)送出去，進入光收發(fā)模塊接收端進入接收鏈路，再通過TLK2711A將串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)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(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(shù)為0。相機光纖輸出信號眼圖如圖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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)已成功應用于某航天遙感相機的科學數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)可接收和發(fā)送光傳輸信號速率為1.6Gbps～2.5Gbps；發(fā)送光信號消光比優(yōu)于11.80dB、抖動優(yōu)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(fā)送光信號消光比為11.72dB，抖動為164.32ps，測試系統(tǒng)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(shù)為0。測試系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對遙感相機光傳輸信號的測試功能。

［1］韓紅霞，司國良，曹立華，等.光電跟蹤設備數(shù)字視頻圖像信息光纖傳輸系統(tǒng)設計［J］.光學精密工程，2010，18（5）：1219-1225.

［2］齊迎春，許艷軍，趙運隆.空間遙感器電子學單機熱分析［J］.長春理工大學學報，2009，32（3）：366-370.

［3］Maxim Integrated Products，Inc.RS-232 Transceivers MAX3232 Data Sheet，2007.

［4］Sumitomo Electric.Technical Specification for Optical Transceiver Module SCM6428，2002，2.

［5］Texas Instruments.1.6 TO 2.7 GBPS TRANSCEIVER TLK2711A，2009.

［6］賴冬寅，吳云峰，葉玉堂，等.基于FPGA實現(xiàn)由多路復合信號傳輸?shù)紺ameraLink傳輸?shù)难芯浚跩］.電子器件，2009，32（666-668）：284-286.

［7］張昌駿.基于誤碼率的眼圖測試-ISOBER［J］.電子測試，2009（6）：84-86.

［8］林凱宏，游林儒，王立松.CRC校驗算法在I/O擴展上的應用［J］.控制與檢測，2009（12）.