福州地鐵乘客信息系統(tǒng)中信號(hào)傳輸接口模式

【摘要】乘客信息系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，可為乘客提供了列車信息、公告信息及緊急信息等多樣化的信息服務(wù)，以滿足不同乘客對(duì)不同資訊的需求。本文依托福州地鐵1號(hào)線重點(diǎn)闡述兩種主流乘客信息系統(tǒng)信號(hào)傳輸接口的特點(diǎn)和對(duì)比，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】乘客信息系統(tǒng)（PIS）；高清晰度視頻接口（HD-SDI）；高清晰多媒體接口（HDMI）

1、乘客信息系統(tǒng)概述

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，城市軌道交通的發(fā)展方式也從單純的交通工具轉(zhuǎn)變成為提供全方位、高質(zhì)量服務(wù)的城市新地標(biāo)。在這其中，乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System）作為軌道交通的信息發(fā)布“窗口”起著非常重要的作用。

PIS主要是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過(guò)多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方式，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為控制中心子系統(tǒng)（含備用中心子系統(tǒng)）、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（有線網(wǎng)絡(luò)和車地?zé)o線子系統(tǒng)）等部分。

PIS采用存儲(chǔ)信息和即時(shí)信息相結(jié)合的播放方式，為乘客提供候車、換乘、到站、時(shí)間、新聞、氣象、商業(yè)等信息。其中存儲(chǔ)信息包括播放時(shí)間表、版面布置、影視資料、動(dòng)畫等。即時(shí)信息包括列車到達(dá)時(shí)間、新聞、警報(bào)等，由控制中心實(shí)時(shí)發(fā)送到車站播放控制器。隨著PIS的不斷完善和發(fā)展，其所提供的信息將有利于乘客通過(guò)及時(shí)準(zhǔn)確的信息引導(dǎo)，更加安全、便捷的乘坐軌道交通。

PIS是一個(gè)多媒體綜合系統(tǒng)，PIS的功能就是采用專業(yè)的視音頻技術(shù)，實(shí)時(shí)的將各種地鐵運(yùn)營(yíng)信息完整的組合到一個(gè)視頻畫面中，并通過(guò)專業(yè)的傳輸技術(shù)將合成后的視音頻畫面?zhèn)鬏數(shù)杰囌緝?nèi)的各個(gè)顯示終端進(jìn)行播出。而影響最終的顯示效果的的關(guān)鍵指標(biāo)就是PIS在制作播出流程上所采用的信號(hào)傳輸接口?，F(xiàn)在主流的PIS信號(hào)傳輸接口包括串行數(shù)字接口（SDI）和高清晰多媒體接口（HDMI）。本次福州地鐵1號(hào)線PIS采用的是國(guó)家廣電高清HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)。

2、信號(hào)傳輸接口介紹

2.1 廣播級(jí)專業(yè)接口SDI/HD-SDI

HD-SDI接口，簡(jiǎn)稱高清晰度視頻接口，是廣播電視行業(yè)用來(lái)連接各種制作設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備以及顯示設(shè)備的接口。國(guó)家廣電總局規(guī)定的中國(guó)高清晰電視標(biāo)準(zhǔn)為1920*1080i。

HD-SDI接口的特點(diǎn)：

接口兼容性好，視頻音頻傳輸穩(wěn)定

HD-SDI接口是SDI接口的升級(jí)，和SDI接口采用同樣的傳輸電纜、接插件。目前，全球已公布的廣播電視行業(yè)用高清視音頻標(biāo)準(zhǔn)，全部采用HD-SDI接口，且接口標(biāo)準(zhǔn)唯一。因此，采用HD-SDI接口的設(shè)備，有非常好的兼容性。

傳輸距離遠(yuǎn)

HD-SDI接口和SDI接口采用特殊的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和時(shí)鐘抖動(dòng)技術(shù)，通過(guò)單根同軸電纜，視音頻的傳輸距離可達(dá)到250米。

維護(hù)方便

HD-SDI接口傳輸視音頻信號(hào)只需一根同軸電纜，因此，維護(hù)非常方便。

全數(shù)字接口

HD-SDI接口傳輸?shù)氖侨珨?shù)字的視頻信號(hào)和音頻信號(hào)。不進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換，能取得更高的音頻和視頻傳輸質(zhì)量。

2.2 HDMI傳輸接口

HDMI（High Definition Multimedia Interface）的全稱是“高清多媒體接口”。2002年4月，來(lái)自消費(fèi)電子電器行業(yè)的7家公司——日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝共同組建了“HDMI高清多媒體接口組織HDMI Founders（HDMI論壇）”，開始著手制定一種符合高清時(shí)代標(biāo)準(zhǔn)的全新數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，旨在取代伴隨著數(shù)字高清影音技術(shù)的發(fā)展而逐漸暴露出種種問(wèn)題，甚至在一定程度上成為數(shù)字影音技術(shù)進(jìn)步瓶頸，沒(méi)有考慮到IT產(chǎn)品和消費(fèi)類AV產(chǎn)品融合趨勢(shì)，由DDWG（Digital Display Working Group）數(shù)字顯示工作組以美國(guó)Silicon Image公司的專利技術(shù)為藍(lán)本推出，并受到IT業(yè)內(nèi)以Intel、DELL、HP、IBM、微軟等大企業(yè)廣泛支持的DVI（Digital Visual Interface）接口。

HDMI在針腳上和DVI 兼容，只是采用了不同的封裝。與DVI相比，HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號(hào)，并增加了對(duì)HDCP的支持，同時(shí)提供了更好的DDC可選功能。HDMI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，最遠(yuǎn)可傳輸15米，足以應(yīng)付一個(gè)1080p的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)。而因?yàn)橐粋€(gè)1080p的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)需 求少于4GB/s，因此HDMI還有很大余量。此外HDMI還具有“即插即用”的特點(diǎn)，信號(hào)源和顯示設(shè)備之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行“協(xié)商”，自動(dòng)選擇最合適的視頻/音頻格式。

3、信號(hào)傳輸接口比較

3.1傳輸介質(zhì)對(duì)比

HDMI和SDI都可以只使用一根視頻線同時(shí)傳輸視音頻信號(hào)，但是從嚴(yán)格意義上來(lái)講，SDI是采用單芯同軸電纜來(lái)傳輸，而HDMI是采用19芯或者29芯線纜進(jìn)行傳輸，所以從理論上講，HDMI并不能將視音頻信號(hào)耦合在一根線纜進(jìn)行傳輸，而是通過(guò)多芯線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，這也就意味著HDMI實(shí)際上還是采用了多根線纜來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)?，那么用于傳輸視音頻信號(hào)的不同線纜的信號(hào)傳輸特性是不一樣的，這就有可能導(dǎo)致視音頻信號(hào)的不同步，而且環(huán)境溫度變化更會(huì)加劇不同步的程度，因此在SDI接口方式下，系統(tǒng)布線更加簡(jiǎn)單，將給PIS的布線帶來(lái)極大的便利，環(huán)境溫度對(duì)SDI接口的影響也最小，從而使得系統(tǒng)的可靠性獲得了極大提高。

3.2傳輸距離的對(duì)比

SDI信號(hào)是無(wú)壓縮的基帶數(shù)字視頻信號(hào)，不存在因壓縮造成的畫質(zhì)下降或遲延（至少200msec）。它的傳輸距離足夠遠(yuǎn)，信號(hào)通過(guò)同軸電纜5CFB或者1189A能夠傳輸350米甚至400米，傳輸高清HD-SDI信號(hào)時(shí)亦能達(dá)到150米，在實(shí)際工程中能夠適應(yīng)地鐵站廳、站臺(tái)長(zhǎng)距離布線這一特殊環(huán)境的需要。同時(shí)，避免了通常的中繼器之類的信號(hào)延長(zhǎng)設(shè)備，在實(shí)際中也減少了可能發(fā)生的故障節(jié)點(diǎn)，使得PIS更加穩(wěn)定可靠。

HDMI的有效傳輸距離為15米，在有效的距離內(nèi)，采用高質(zhì)量的專用HDMI線纜可以較好的完成720p或1080i信號(hào)的傳輸任務(wù)，但一旦信號(hào)使用1080p，由于較大的數(shù)據(jù)量，畫面?zhèn)鬏斠呀?jīng)開始出現(xiàn)問(wèn)題。在長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊笙拢訳TP網(wǎng)線、光纖作為媒介，以達(dá)到延伸傳輸?shù)哪康摹Ｓ绕涫窃谝牍饫w以后，單節(jié)傳輸距離可達(dá)2500米，總距離長(zhǎng)達(dá)幾十公里。但使用光纖作為HDMI接口的延伸手段，固然相當(dāng)有效的解決了HDMI的傳輸距離問(wèn)題，但大量中繼設(shè)備增加的同時(shí)也帶來(lái)了設(shè)備故障節(jié)點(diǎn)的隱患。

3.3接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

HD-SDI接口作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)高清接口，已經(jīng)在對(duì)圖像質(zhì)量要求很高的廣播電視領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，也是我們國(guó)家廣電行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，各電視臺(tái)、節(jié)目制作單位均采用HD-SDI傳輸高清視音頻信號(hào)。而HDMI僅作為部分企業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在專業(yè)領(lǐng)域基本沒(méi)有得到應(yīng)用，對(duì)圖像質(zhì)量的要求遠(yuǎn)沒(méi)有HD-SDI接口要求高。

HD-SDI市場(chǎng)成熟度高，具有完整的測(cè)試評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，市面上有很多第三方專業(yè)儀器可對(duì)HD-SDI信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，而HDMI作為非標(biāo)準(zhǔn)接口，僅能通過(guò)視覺(jué)方式進(jìn)行圖像質(zhì)量的測(cè)試，這樣就帶來(lái)了HDMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，也就無(wú)法在生產(chǎn)制作階段進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。

另外，現(xiàn)有的視音頻節(jié)目從拍攝到制作都采用的是YUV分量存儲(chǔ)和編輯的方式，也更適合采用HD-SDI（YUV分量傳輸）進(jìn)行傳輸，而HDMI為RGB分量傳輸，如果采用HDMI傳輸視音頻節(jié)目，必須先進(jìn)行YUV到RGB的轉(zhuǎn)換后才能傳輸，這必然造成節(jié)目圖像質(zhì)量損失。

3.4兼容性對(duì)比

HD-SDI接口在全球只有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，而且是在二十世紀(jì)九十年代發(fā)布的，技術(shù)非常成熟，市面上很容易就購(gòu)買到具備HD-SDI的替代產(chǎn)品，HD-SDI接口的兼容性好；而HDMI接口是由多家公司聯(lián)合研發(fā)的，于2002年發(fā)布，其接口包含的子標(biāo)準(zhǔn)非常多，并且版本更新很快，所以就很容易造成HDMI設(shè)備后續(xù)備品備件不能供貨的情況。

3.5連接工藝的對(duì)比

HD-SDI方案采用75ΩBNC連接器作為信號(hào)傳輸?shù)倪B接端子?？紤]到地鐵環(huán)境振動(dòng)的影響，BNC連接器在實(shí)際使用中具有連接牢固、不易脫落的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來(lái)，為維護(hù)中避免了線纜松動(dòng)造成的故障現(xiàn)象。而HD-SDI信號(hào)所采用BNC連接器“無(wú)電壓接”制作工藝則能夠更容易實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比BNC接口（即SDI信號(hào)所使用），HDMI線纜及接口沒(méi)有較為穩(wěn)固的連接措施，在實(shí)際長(zhǎng)期使用中，需要面對(duì)容易脫落、不易維護(hù)等缺點(diǎn)。

3.6PIS應(yīng)用對(duì)比

福州地鐵1號(hào)線PIS中，從制作到播出均采用SDI接口標(biāo)準(zhǔn)，所以能保證在整個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)中的節(jié)目質(zhì)量達(dá)到廣播級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而PIS采用HDMI接口標(biāo)準(zhǔn)，則僅能在制作階段保證高質(zhì)量的視頻，經(jīng)過(guò)傳輸播出后，則不能保證其視音頻的播出質(zhì)量。

基于以上原因，在PIS視頻傳輸接口方面，SDI比HDMI更有優(yōu)勢(shì)，更加適用于城市軌道交通。

4、SDI接口在地鐵中的創(chuàng)新

在以往地鐵PIS中使用SDI接口時(shí)，一般都是采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。這種方式中信號(hào)單級(jí)傳輸距離為標(biāo)清信號(hào)達(dá)350米以上，高清信號(hào)可達(dá)150米以上。對(duì)于距離更遠(yuǎn)的車站，需要中繼對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再繼續(xù)傳輸。

在這里需要指出的是，SD/HD-SDI并非只有電路信號(hào)唯一的形式。在行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)中，SD/HD-SDI除了電信號(hào)以外，同樣存在光信號(hào)形式。因此，在距離超長(zhǎng)的環(huán)境下，可以采用SD/HD-SDI光信號(hào)形式傳輸至顯示終端附近，經(jīng)由信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器將SD/HD-SDI轉(zhuǎn)換為HDMI或分量視頻信號(hào)最終接入顯示終端。

同時(shí)，在傳輸線路的敷設(shè)方面，通常采用星形走線方式，而非傳統(tǒng)的信號(hào)級(jí)聯(lián)方式。通過(guò)無(wú)源光分路器件將SD/HD-SDI光路信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路輸出。星形走線方式的優(yōu)點(diǎn)在于提高了傳輸線路的可靠性，不會(huì)因?yàn)橹鞲删€路上的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

全光路傳輸比傳統(tǒng)同軸電纜傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)如下：

（1）減少故障節(jié)點(diǎn)隱患

面對(duì)軌道交通乘客信息系統(tǒng)的大規(guī)模信號(hào)傳輸、無(wú)人值守、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等實(shí)際情況，從工程設(shè)計(jì)和實(shí)施角度上看，不可避免需要考慮到“故障節(jié)點(diǎn)”這一影響系統(tǒng)運(yùn)行的因素。

在圖3和圖4模型中，后者比前者少了一套信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器，因此在實(shí)際運(yùn)行中也多了一組隱患的故障節(jié)點(diǎn)。

雖然信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器發(fā)生故障的幾率與生產(chǎn)工藝、制造質(zhì)量有關(guān)，但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度上看卻是一個(gè)不可忽視的因素。將這個(gè)發(fā)生幾率放到一個(gè)龐大的系統(tǒng)中，幾率也將隨之放大，如下圖：

而在全光路傳輸方案中，由于省去了信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器這一中間環(huán)節(jié)設(shè)備，也就減少了設(shè)備故障發(fā)生的幾率。

綜上所述，全光路傳輸方案能夠有效的提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

采用全光路傳輸方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如下：

（2）超長(zhǎng)距離傳輸

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，車站建筑的空間距離也隨之?dāng)U大，從通信設(shè)備室到站廳、站臺(tái)等公共區(qū)域的單級(jí)布線距離逐漸突破了原有的150米極限。

采用單模光纜進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸，有效的解決了傳輸空間的信號(hào)衰減限制，為地鐵換乘站、商圈站等特殊大規(guī)模車站的乘客信息系統(tǒng)建設(shè)提供了有效的解決手段。

同時(shí)，也為車站出入口顯示屏、車站戶外顯示屏等一些非典型顯示方式提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，增強(qiáng)了軌道交通內(nèi)信息顯示的多樣性和視覺(jué)效果。

（3）抗干擾和避免雷擊

在傳統(tǒng)信號(hào)傳輸解決方案中，信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器上的外殼、BNC連接器等元器件都需要考慮金屬材質(zhì)所帶來(lái)的電磁干擾、雷擊等實(shí)際環(huán)境因素帶來(lái)的影響。

采用全光路傳輸方案后，由于省去了信號(hào)轉(zhuǎn)換分配器設(shè)備，加之所采用的單模光纜傳輸材料（主要材質(zhì)為玻璃），可以有效的避開了電磁、雷擊等弱點(diǎn)通信系統(tǒng)所必需考慮的安全隱患，提高了系統(tǒng)的安全性。

5、總結(jié)

PIS是應(yīng)用于地鐵領(lǐng)域的廣播電視技術(shù)，因此，采用HD-SDI信號(hào)形式能夠與福建廣播電視系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，為豐富PIS所播出的音視頻節(jié)目留下了良好的基礎(chǔ)。福州地鐵1號(hào)線PIS就是采用了HD-SDI作為整個(gè)系統(tǒng)的視音頻信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)，并配有全光路解決方案。

從投資的角度來(lái)講，由于HD-SDI設(shè)備更加專業(yè)和精密，所以HD-SDI方案的前期總體投資會(huì)稍多于HDMI方案，但是從系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行維護(hù)的角度來(lái)講，HD-SDI有利于后期系統(tǒng)維護(hù)；HD-SDI的標(biāo)準(zhǔn)唯一，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看HD-SDI的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本要比HDMI的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低。

綜上所述，在PIS視頻傳輸接口方面，HD-SDI比HDMI更有優(yōu)勢(shì)，更加適用于城市軌道交通發(fā)展，而全光路傳輸可以更好的實(shí)現(xiàn)PIS整體實(shí)現(xiàn)效果。

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作者簡(jiǎn)介

林威：高級(jí)工程師。