某型飛機(jī)高清DVI視頻采集傳輸技術(shù)

王贊超

摘 要：隨著視頻傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻格式已經(jīng)從以前的復(fù)合模擬視頻發(fā)展到VGA視頻，再到當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的DVI數(shù)字視頻，在某新型飛機(jī)的飛行試驗(yàn)任務(wù)中，需要對(duì)機(jī)上多功能顯示器輸出的高清DVI視頻進(jìn)行采集和傳輸，該DVI視頻的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往機(jī)上采集的視頻，該文對(duì)實(shí)施過程中遇到DVI信號(hào)時(shí)序匹配和衰減問題進(jìn)行了研究分析，并對(duì)解決問題采用的DVI編碼技術(shù)和DVI均衡技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。飛行試驗(yàn)測試技術(shù)也必須跟隨航空電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，才能對(duì)航空電子產(chǎn)品進(jìn)行鑒定。更為重要的是，通過機(jī)載視頻圖像的實(shí)時(shí)采集和遙測，實(shí)現(xiàn)座艙信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視，對(duì)保障飛行安全、保障試飛工程師及時(shí)有效地掌握飛行信息、及時(shí)做出飛行指令、加快飛行進(jìn)度是必不可少的。

關(guān)鍵詞：飛行試驗(yàn) DVI視頻采集 DVI編碼 DVI均衡

中圖分類號(hào)：TN919.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0009-02

機(jī)載視頻圖像能夠直觀、準(zhǔn)確的顯示飛機(jī)內(nèi)部各獨(dú)立子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，為地面飛行指揮人員和試飛工程師提供及時(shí)豐富的信息。當(dāng)前許多新型飛機(jī)中已經(jīng)開始采用DVI格式的數(shù)字視頻信號(hào)作為飛機(jī)顯示畫面的輸出，并且輸出的圖像分辨率不斷攀升，在本文所涉及的某新型飛機(jī)上，機(jī)載DVI多功能顯示器分辨率已達(dá)到1600×1200，數(shù)據(jù)速率達(dá)到1.62Gbps。下表1是常見DVI分辨率與數(shù)據(jù)速率對(duì)照關(guān)系。這種高清DVI顯示器的視覺效果是常規(guī)模擬PAL和VGA顯示器所無法比擬的，但同時(shí)也對(duì)飛行試驗(yàn)視頻采集技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。該型號(hào)飛機(jī)試飛任務(wù)需要對(duì)兩路1600×1200分辨率DVI視頻和一路1280×1024分辨率DVI視頻進(jìn)行采集記錄和遙測下傳，該文將對(duì)任務(wù)完成過程中所克服的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)加以闡述。

1 DVI編碼與圖形歪斜矯正

機(jī)上多功能顯示器輸出的視頻信號(hào)為符合VESA1.0標(biāo)準(zhǔn)的1600×1200@60 Hz的DVI數(shù)字視頻信號(hào)，它是基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號(hào)）進(jìn)行傳輸?shù)?，單鏈路TMDS共有4對(duì)差分信號(hào)，包含3對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)和1對(duì)時(shí)鐘信號(hào)，最高帶寬為165 MHz。TMDS運(yùn)用8位/10位編碼算法，將8bit像素?cái)?shù)據(jù)（R、G、B基色信號(hào)）加入控制信號(hào)及糾錯(cuò)等，編碼為10bit數(shù)據(jù)，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，該文中機(jī)上多功能顯示器由RXC+與RXC-、RX0+與RX0-、RX1+與RX1-和RX2+與RX2-四對(duì)差分引腳輸出。

在使用機(jī)載MiniR700視頻采集器對(duì)該DVI信號(hào)采集記錄時(shí)，記錄的圖像呈現(xiàn)45度歪斜的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為第二行的第一個(gè)像素出現(xiàn)在了第一行最后，第三行前兩個(gè)像素出現(xiàn)在第二行最后，第四行前三個(gè)像素出現(xiàn)在第三行最后，依此類推。然而將該DVI信號(hào)接入普通電腦顯示器時(shí)，畫面正常，沒有出現(xiàn)歪斜。機(jī)載MiniR700視頻采集器記錄標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)源輸出的同格式DVI信號(hào)也是正常的。由此可見，機(jī)上多功能顯示器與機(jī)載MiniR700視頻采集器存在時(shí)序上的匹配問題。據(jù)了解，機(jī)上多功能顯示器由TFP410芯片負(fù)責(zé)TMDS信號(hào)的發(fā)送，TFP410是TI公司PanelBus平板顯示產(chǎn)品系列中的一種TDMS信號(hào)發(fā)送器，它集成了高速數(shù)字接口，TMDS編碼器和三個(gè)差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)器。完成了24位像素?cái)?shù)據(jù)和一些控制信號(hào)接收，并通過編碼算法把圖像信號(hào)編碼成低壓差分?jǐn)?shù)據(jù)流。

圖像45度歪斜問題的解決如下：首先對(duì)FPGA送入TFP410的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)進(jìn)行仿真，確保DE信號(hào)與有效像素?cái)?shù)據(jù)在時(shí)序上是匹配的。然后確定在一個(gè)行掃描周期里，F(xiàn)PGA是否少發(fā)送了一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)到TFP410，仿真結(jié)果顯示發(fā)送了1600個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，故問題也不在這里。在經(jīng)過對(duì)TFP410數(shù)據(jù)手冊(cè)的仔細(xì)研究后，找到一個(gè)可能影響圖像歪斜的因素，即數(shù)據(jù)de-skew功能。數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示通過配置de-skew使能DKEN引腳和DK[3：1]引腳用來補(bǔ)償IDCK、像素信號(hào)、控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)校正圖形的歪斜。de-skew功能可以對(duì)建立、保持時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，在DKEN使能時(shí)， DK[3：1]可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)的鎖存時(shí)刻與時(shí)鐘的有效沿之間的相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)。輸入建立和保持時(shí)間調(diào)整的計(jì)算公式如下：

，其中，是調(diào)整增量數(shù)目；DK[3：1]是3位二進(jìn)制可以表示0到7八種配置值；為累加的de-skew總數(shù)。

de-skew功能默認(rèn)的為0，即DK[3：1]默認(rèn)值為4，根據(jù)本文圖像45度歪斜的現(xiàn)象，是機(jī)載MiniR700視頻采集器采不到每行的第一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，故需要將像素?cái)?shù)據(jù)的鎖存時(shí)刻提前，調(diào)試時(shí)利用FPGA通過TFP410的I?C接口將DK[3：1]配置為0后，45度歪斜的現(xiàn)象得到了矯正，同時(shí)將DVI視頻輸出接入普通顯示器，圖像也是正常的，說明時(shí)序的微調(diào)沒有出現(xiàn)副作用，至此圖像的歪斜問題得到了圓滿解決。

2 DVI均衡與圖像質(zhì)量改善

機(jī)載MiniR700視頻采集器屬于飛行試驗(yàn)測試設(shè)備，安裝在飛機(jī)設(shè)備艙，機(jī)上多功能顯示器位于座艙，兩者之間采用兩根四絞屏蔽線傳輸RXC+與RXC-、RX0+與RX0-、RX1+與RX1-和RX2+與RX2-四對(duì)差分信號(hào)。此外，從座艙經(jīng)過密封穿艙插頭到設(shè)備艙的DVI視頻傳輸電纜長度約為7.4 m，用此電纜在機(jī)上實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)載MiniR700視頻采集器記錄的圖像噪點(diǎn)多，扭曲嚴(yán)重，有時(shí)甚至采不到圖像。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于1024×768@60Hz的DVI視頻信號(hào)經(jīng)過相同長度的電纜傳輸后，使用機(jī)載MiniR700視頻采集器記錄的圖像是沒有問題的，而1600×1200@60Hz的DVI視頻信號(hào)數(shù)據(jù)速率是1024×768@60Hz的兩倍還要多，故推測圖像質(zhì)量差可能是高頻信號(hào)經(jīng)過長電纜傳輸后的損耗引起的。

要補(bǔ)償電纜的高頻損耗，一種有效的方法是DVI均衡技術(shù)，DVI均衡是指對(duì)DVI傳輸通道的低通濾波特性進(jìn)行頻域補(bǔ)償?shù)奶幚磉^程，DVI信號(hào)的均衡處理一般分為發(fā)送預(yù)加重和后接收均衡兩種，采用發(fā)送預(yù)加重需要更改機(jī)上多功能顯示器，并且補(bǔ)償增益有限，故該文采用后均衡技術(shù)，在接收端MiniR700視頻采集記錄器前加入DVI均衡模塊。

該文采用TI公司的DS16EV5110A芯片對(duì)DVI信號(hào)進(jìn)行均衡處理，DS16EV5110A針對(duì)DVI和HDMI接口設(shè)計(jì)，包含三個(gè)TMDS數(shù)據(jù)通道和一個(gè)時(shí)鐘通道，三個(gè)TMDS通道可對(duì)電纜傳輸高頻數(shù)字信號(hào)存在趨膚效應(yīng)和介電損耗進(jìn)行補(bǔ)償；時(shí)鐘通道通過限幅器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行矯正。該文設(shè)計(jì)的DS16EV5110A電路原理圖如圖1所示，該電路具有以下特點(diǎn)。

通過撥碼開關(guān)控制增益強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)8級(jí)增益補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可對(duì)不同電纜長度，進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。在FEB引腳拉高時(shí)通過芯片的3 個(gè)外部引腳BST_0、BST_1和BST_2對(duì)增益進(jìn)行控制。對(duì)于該文使用的7.4 m的電纜長度，經(jīng)過對(duì)8種增益強(qiáng)度的比對(duì)試驗(yàn)，得到最佳的增益配置為3（011）。

具有時(shí)鐘信號(hào)檢測指示燈，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)電平超過預(yù)設(shè)的門限時(shí)，SD引腳輸出高電平，點(diǎn)亮LED燈。

在加入該DVI均衡模塊后，使用7.4m長的電纜在機(jī)上實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)載MiniR700視頻采集器記錄的圖像清晰穩(wěn)定，無明顯噪點(diǎn)，證明本文設(shè)計(jì)的DVI均衡器可以解決高分辨率DVI視頻長電纜傳輸后圖像質(zhì)量差的問題。

3 結(jié)語

該文詳細(xì)闡述了在某新型飛機(jī)上對(duì)機(jī)上多功能顯示器輸出的分辨率為1600×1200@60 Hz的DVI數(shù)字視頻信號(hào)采集傳輸過程中遇到時(shí)序匹配和衰減問題及其解決方法，這兩個(gè)問題的及時(shí)解決對(duì)該型號(hào)飛機(jī)首飛時(shí)的視頻監(jiān)控保障至關(guān)重要。機(jī)載試飛測試對(duì)多路像素點(diǎn)頻達(dá)到162 MHz的1600×1200@60 Hz分辨率的DVI視頻進(jìn)行采集記錄和遙測下傳在國內(nèi)還屬首次，隨著機(jī)載DVI視頻分辨率的不斷提升，該文中采用的方法對(duì)后續(xù)科研試飛中DVI視頻的采集任務(wù)具有重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 周莉莉，尹兆霞，高峰.數(shù)字視頻感煙探測—— 利用CCTV技術(shù)進(jìn)行感煙探測[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2006（6）：55-58.

[2] 邢濟(jì)達(dá)，王順，鐘剛，王延海.遠(yuǎn)程數(shù)字視頻光纖傳輸技術(shù)的研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（4）：533-556.

[3] 孫志亮.DVI顯示原理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[C]//2007年紅外探測器及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2007.