CoaXPress 线缆长度
我的系统可以使用的最大线缆长度是多少？
CoaXPress 线缆 长度注意事项
CoaXPress 标准是一种广为人知的高速接口，它通过单根同轴线，传输高速下行数据（通常是从相机到采集卡）、低速控制数据，并进行直流供电（从采集卡到相机）。该标准于 2010 年首次发布，时至今日，客户和用户最常问到的问题之一是“我的系统可以使用的最大线缆长度是多少？”，而这个问题的答案往往是“视情况而定……”。
本文将通过介绍同轴线影响最大传输距离的基本特性，以及从 CoaXPress 标准的角度看这些特性所带来的影响，来尝试回答这个问题，并且探讨最终突破标准限制的解决方案。
同轴线：衰减与频率的关系
同轴线缆，简称同轴线，是 19 世纪设计的，目的是消除平行线缆之间的信号干扰。现代同轴线广泛应用于传输和接收各种应用领域中的高频电信号，包括广播电台到高速计算机系统。
同轴线的最大长度主要受限于信号在线缆中的衰减特性。线缆衰减通常以每 100 英尺或 100 米的分贝数 (dB/100 ft 或 dB/100 m) 表示，并且与频率相关，换句话说，它会随传输频率的变化而变化。
下图展示了四种适用于相同应用场景的不同线缆的典型衰减-频率曲线。这些曲线通常由线缆制造商提供，衰减值是在线缆目标应用领域所使用的频率下测量的。
在上图中，线缆 A 是一种细而轻的线缆，直径仅为 2.5 毫米，也是这四种线缆中衰减最高的。线缆 B 和 C 的外径均为 7 毫米，但机械特性不同。线缆 B 是一种柔性线缆，专为在操作过程中需要频繁弯曲的应用而设计。线缆 C 是一种更常见的线缆，适用于弯曲次数有限的固定安装场合。线缆 D 是一种粗而重的电缆，外径为 10 毫米；它的总体信号衰减较低。
| Cable Type | Cable Diameter (mm) | Mechanical Characteristic | Attenuation (comparison) |
|---|---|---|---|
| Cable A | 2.5 | Rigid (single core) | – – – – |
| Cable B | 7 | Flexible (stranded core) | – – – |
| Cable C | 7 | Rigid (single core) | – – |
| Cable D | 10 | Rigid (single core) | – |
为了确定系统中可使用的最大线缆长度，就需要了解系统接收器允许的最大信号衰减。例如，如果接收器允许的信号衰减在 3000 MHz 时为 -17 dB，那么只需将目标频率下已知的线缆衰减与最大允许信号衰减（即 -17 dB）进行比较，即可计算出最大线缆长度。计算线缆 A、B、C 和 D 在 3000 MHz 时的最大线缆长度，我们得到以下结果：
| Cable Type | Cable Attenuation (dB/100m) | Target Frequency (MHz) | Max. Signal Attenuation (dB) | Max. Cable Length (m) |
|---|---|---|---|---|
| Cable A | -120 | 3000 | -17 | 14.2 |
| Cable B | -52 | 32.7 | ||
| Cable C | -35 | 48.6 | ||
| Cable D | -23 | 73.9 |
正如本例中所见，“视情况而定……”这一答案依然是正确的。线缆的信号衰减很大程度上取决于几个因素，例如同轴线芯导体的直径，是采用单根硬铜导体还是绞合线制成（以获得更好的柔韧性），其质量，以及所用绝缘材料。为了快速分析，简单来说，细而轻的线缆信号衰减较高，传输距离较短；而粗而重的线缆信号衰减较低，传输距离较长。当线缆具有相似的质量和直径时，衰减会因其机械特性而不同：
- 柔韧性更好（绞合线芯）=衰减较大
- 柔韧性较差（硬线芯）=衰减较小
CoaXPress 标准中的线缆长度
如前所述，要计算特定频率下的最大线缆长度，必须知道该频率下系统接收器允许的最大衰减，以及线缆在该频率下的信号衰减。CoaXPress 标准不仅规定了接收端允许的最大信号衰减，还规定了线缆本身允许的最大衰减。这样做的目的是改善用户体验，线缆制造商可以认证其商用现货产品，确保与任何其他通过 CoaXPress 认证的产品（如相机和采集卡）互操作。下表显示了接收器和线缆允许的最大高速信号衰减：
| CoaXPress Speed | Bit Rate (Gbps) | Frequency (GHz) | Attenuation @ Receiver (dB) | Attenuation @ Cable (dB) |
|---|---|---|---|---|
| CXP-1 | 1.250 | 0.625 | -22.0 | -21.2 |
| CXP-2 | 2.500 | 1.250 | -27.2 | -26.0 |
| CXP-3 | 3.125 | 1.5625 | -28.1 | -26.8 |
| CXP-5 | 5.000 | 2.500 | -22.6 | -20.9 |
| CXP-6 | 6.250 | 3.125 | -17.8 | -15.8 |
| CXP-10 | 10.000 | 5.000 | -23.4 | -20.8 |
| CXP-12 | 12.500 | 6.250 | -20.9 | -17.9 |
接收器和线缆的最大衰减之间的差异构成了一个安全裕度，因此线缆的实际长度必须比接收器可接受的最大长度短几米。这个裕度确保了任何通过 CoaXPress 认证的商用现货线缆都能与认证的采集卡和相机互操作。
回到线缆 A、B、C 和 D 的示例，可以得到以下最大长度：
由此可见，“视情况而定……”的答案依然正确。例如，对于线缆 C，在 CXP-12 系统中，其长度可达 34 米；而在 CXP-3 系统中，同一根线缆的长度则可达 110 米！这表明系统参数也会影响所支持的最大线缆长度。
CoaXPress 标准还规定了用于相机控制的低速信号（从采集卡到相机的上行链路）所允许的最大衰减。下表显示了接收器和线缆允许的最大低速信号衰减：
| CoaXPress Speed | Bit Rate (Mbps) | Frequency (MHz) | Attenuation @ Receiver (dB) | Attenuation @ Cable (dB) |
|---|---|---|---|---|
| CXP-1 to 6 | 20.833 | 30 | -4.9 | -4.74 |
| CXP-10 to 12 | 41.666 | 60 | -2.6 | -2.5 |
例如，对于线缆 A、B、C 和 D，低速信号的衰减对最大线缆长度没有影响，因为根据这些参数计算出的线缆长度比基于高速衰减参数计算出的长度更长。由于在 CoaXPress 中，高速信号和低速信号都在同一根线缆中传输，因此线缆长度会受到较小值的限制。下图显示了使用最大允许低速信号衰减参数的结果：
除了线缆的信号衰减外，CoaXPress 中的线缆长度还可能受到线缆往返直流电阻的影响。原因是 CoaXPress 可通过用于数据传输的同一根同轴线为相机供电。此功能称为 CoaXPress 供电 (PoCXP)。在最大电流为 703 mA 时，电压降预算为 3.5 V，这意味着最大往返直流电阻为 4.98。
将此参数应用于线缆 A、B、C 和 D 后，得到以下最大线缆长度：
这些结果表明，对于线缆 A 这种较细的线缆，直流电阻的影响更为显著。由于直流电阻在所有 CXP 速度下都相同，因此线缆 A 的最大长度将限制为 19 米。而对于线缆 B、C 和 D，直流电阻的影响可以忽略不计。
综合考虑高速和低速线缆衰减以及往返直流电阻的所有结果，可以得到以下最大线缆长度图：
此外，关于 CoaXPress 标准，一个常见的误解是标准文档中提供的最大线缆长度示例。CoaXPress 标准在文档中使用 Belden 1694A 作为参考，以说明所需参数对线缆长度的影响。许多人误以为 Belden 1694A 的测试结果代表 CoaXPress 的绝对最大线缆长度。但正如本文所述，这仅仅是针对特定线缆的测试结果。
商用现货 CoaXPress 线缆
实际上，CoaXPress 用户无需进行此处介绍的线缆长度分析。多家公司提供符合 CoaXPress 标准要求的商用现货线缆组件。其中许多公司还通过了日本工业 成像协会 (JIIA) 的电缆认证，该协会是 CoaXPress 标准的制定机构。该认证保证了所有 CoaXPress 组件（相机、采集卡和线缆）的互操作性。
以下为提供商用现货 CoaXPress 线缆的公司列表：
突破标准限制
CoaXPress Gen2 均衡器
随着 CoaXPress 标准 v2.0 中引入 CXP-10 和 CXP-12 速度等级，相机和采集卡制造商可以使用更高速度等级的组件，如线缆驱动器和均衡器，从而达到高达 12.5 Gbps 的速度。第二代组件具有更高灵敏度，能够从大幅衰减的信号中恢复串行数据。与第一代 CoaXPress 均衡器相比，新一代组件的一个优势是，在 CXP-1 到 CXP-6 速度下，可以支持更长的线缆。例如，Euresys 已经验证了在第二代均衡器上以 CXP-6 运行的系统，线缆长度可达 72 米，这比 CoaXPress 标准规定的线缆长度超出 140%。
CoaXPress 标准中规定的 CXP-1 到 CXP-6 速度定义的最大衰减，与使用第二代组件出现的衰减，两者存在明显差异，这得益于 CoaXPress 所提供商用现货的良好体验。经过认证的 CoaXPress 线缆必须与任何一代 CoaXPress 组件兼容。例如，对于 CXP-6 下 72 米线缆的情况，第一代 CoaXPress 均衡器就不支持同一种线缆。
利用更高灵敏度的第二代组件的系统，必须采用定制线缆，而不能使用商用现货线缆。这些定制线缆需要系统集成商以及相机和采集卡制造商进行功能验证。
CoaXPress-over-Fiber
对于长距离传输而言，最经济的解决方案是使用光纤作为传输介质。光纤线缆比同轴线更轻、更细、更经济，并且可以超远距离传输极高的带宽。
随着 CoaXPress-over-Fiber 作为 CoaXPress 标准的扩展推出，现在有了一个简单的解决方案，可以突破标准中规定的同轴线长度的限制。请注意，使用光纤还有其他优点，例如减少线缆拥堵、抗电磁干扰以及更高的传输速度。但这些内容不在本文的讨论范围内。另请注意，与通过同轴线为PoCXP 供电不同，无法通过光纤线缆供电。
目前有两种光纤解决方案可以突破同轴线的最大长度限制。第一种是完全基于 CoaXPress-overFiber 标准的系统，其中相机和采集卡都符合该标准，并通过光纤直接互连。另一种解决方案是使用转换器，将基于同轴线的 CoaXPress 相机连接到 CoaXPress-over-Fiber 采集卡。这两种解决方案均可充分利用各种长度的光纤线缆，从数米到数十公里不等。
