軌道交通乘客信息系統(tǒng)中HDMI網絡分配器的應用

房　川，程雷陽，湯俊芹

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015)

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軌道交通乘客信息系統(tǒng)中HDMI網絡分配器的應用

房川，程雷陽，湯俊芹

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015)

在軌道交通乘客信息系統(tǒng)的實施過程中，針對乘客信息系統(tǒng)視頻分配與傳輸環(huán)節(jié)的特殊環(huán)境，為了提升原有系統(tǒng)的抗干擾特性，將HDMI高清視頻傳輸應用到乘客信息系統(tǒng)中。通過對HDMI高清數(shù)字信號進行壓縮和降頻，使HDMI信號的傳輸距離提升至百米級，同時在滿足以太網網絡帶寬的提前下，保證了視頻圖像的清晰度，此外，同側拉手傳遞的顯示方案采用“無源通過”技術，從而保證了單點故障不擴散，該設計目前已在武漢軌道交通三號線投入使用，系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

高清晰度多媒體接口；乘客信息系統(tǒng)；網絡分配器

隨著中國城市化率的提高以及人類對環(huán)境保護的關注，公共交通尤其是軌道交通已經越來越成為大中城市人們出行的首選方式。軌道交通乘客信息顯示系統(tǒng)(PIDS)可以為乘客提供一些娛樂服務信息，如地面電視節(jié)目、天氣預報、股票金融、廣告等。另一方面，在日常生活中高清視頻的大量普及和廣泛應用也使得其成為未來視頻的必然趨勢。正是在這種情況下，越來越多軌道交通線路上的PIDS出現(xiàn)了720p、1080p這樣的關鍵詞。因此，車載乘客信息顯示系統(tǒng)不僅朝著內容更為豐富、設計更為人性化的方向發(fā)展，也在逐步趨向高清化。

1　PIDS中的視頻信號傳輸

目前軌道交通乘客信息系統(tǒng)中，視頻的傳輸主要方式為VGA方式，為了增加VGA的傳輸距離，可以使用模擬電纜(RGB電纜)加電纜均衡器方式進行傳輸，傳輸距離對電纜的依賴程度很高，電纜特性主要表現(xiàn)在幅頻特性與群延時特性，造成的結果表現(xiàn)為圖像模糊、變暗和拖尾(甚至重影)現(xiàn)象。目前軌道交通應用比較成熟的技術為差分傳輸技術，差分技術傳輸?shù)囊曨l包括復合視頻、分立視頻、分量視頻等多種視頻信號[1]。在遠程接收端通過差分接收同步解碼，實現(xiàn)高分辨率VGA信號的解碼，還原成清晰的視頻信號接入本地VGA接口[2-3]。傳輸方式如圖1所示。

圖1　差分VGA傳輸方式

采用差分技術本身具有一定的抗干擾性，而作為差分信號傳輸介質的雙絞線中，干擾主要來自外部干擾和同一電纜內部各線對之間的相互串擾，不易消除；同時長距離傳輸需要增加高帶寬差分放大器來補償更長的雙絞線傳輸線路上視頻信號的損失，所以差分VGA傳輸對于線纜以及傳輸距離的依賴程度較大，在大規(guī)模的工程實施過程中，依然存在拖尾以及色差的現(xiàn)象，且無法達到全高清(FullHD)視頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

HDMI信號采用數(shù)字信號傳輸，在接口電路的工作方式中，設有糾錯機制，對傳錯的數(shù)據(jù)包會進行重新發(fā)送，所以從整體上看，數(shù)字信號傳輸比較穩(wěn)定，但數(shù)字信號有個極大的缺陷，那就是傳輸距離的問題。可以利用信號高頻分量和低頻分量在傳輸過程中的不同特性，設計一個補償放大電路[4],但仍不能滿足遠距離傳輸需求。此外，所有的數(shù)字信號在一定的距離內傳輸時都是處于很平穩(wěn)的狀態(tài)，但當傳輸距離達到某個臨界值時，信號傳輸丟失嚴重，在坐標圖上信號接收率表現(xiàn)為直降的曲線，這種現(xiàn)象也被稱為“懸崖效應”。HDMI線纜傳輸信號發(fā)生懸崖效應的臨界距離是30m，也就是說，若HDMI線超過30m，則圖像質量會立即變得很差，無法正常觀看。HDMI的“懸崖效應”如圖2所示。

圖2　HDMI信號的“懸崖效應”示意圖

2　軌道交通HDMI網絡分配器設計

2.1設計思路

雖然HDMI信號具有較強的抗干擾性,但由于傳輸距離有限,且對傳輸線纜的要求過高,因此,圍繞兩個層面對其進行設計：第一，將HDMI信號進行采集、壓縮；第二，通過以太網技術，將壓縮后的HDMI高清數(shù)字信號，通過IP數(shù)據(jù)包的方式進行打包發(fā)送。所以，在該設計中，可以先將HDMI信號進行前端處理，處理過后的信號經過網絡傳輸?shù)浇K端之后，再通過還原數(shù)據(jù)包的方式，將IP數(shù)據(jù)包還原為HDMI信號。HDMI網絡分配器的總體結構框圖如圖3所示。

圖3　HDMI網絡分配器的總體結構

2.2HDMI網絡分配器發(fā)送端

HDMI接口是完全數(shù)字化的接口,保證信號在傳輸?shù)倪^程中沒有任何壓縮,可以獲得高水平的視聽效果[5]。車載HDMI網絡分配器信號采集端，采集標準HDMI高清數(shù)字信號，接口方式可采用標準型HDMI信號接口，也可采用間距0.5mm的FFC軟排線，將采集到的標準HDMI數(shù)字信號，經過編碼、壓縮后，完成數(shù)字帶寬的降低，之后將壓縮、編碼后的數(shù)字信號轉換為網絡協(xié)議數(shù)據(jù)包，發(fā)送至板卡網絡處理單元，經過網絡處理單元后即為可以通過網絡傳輸?shù)钠胀ńM播數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以無障礙通過網絡進行傳輸，普通二層交換機即可滿足傳輸要求，結構示意圖如圖4所示。

圖4　車載HDMI網絡分配器信號采集端的結構示意圖

2.3車載HDMI網絡分配器顯示驅動端

車載HDMI網絡分配器顯示驅動端包括輸入單元、網絡單元、控制單元、輸出單元；通過MCU完成對HDMI編碼芯片的控制，實現(xiàn)視頻、音頻信號的輸出[6]，如圖5所示。

圖5　車載HDMI網絡分配器顯示驅動端內部連接示意圖

1)輸入單元，即車載HDMI網絡分配器的網絡接口單元，該單元采用車載專用接插件，采用無源通過技術實現(xiàn)，滿足列車緊急情況下斷電節(jié)能的要求，并能夠最大限度地降低單點故障對于整個系統(tǒng)的影響。

2)網絡單元，車載HDMI網絡分配器顯示驅動端對車載HDMI網絡分配器信號采集端發(fā)來的網絡數(shù)據(jù)包進行采集，將采集后的數(shù)據(jù)包按照特定的速率存儲、發(fā)送至車載HDMI網絡分配器顯示驅動端的核心控制單元，同時，將采集到的網絡數(shù)據(jù)包通過網絡發(fā)送至級聯(lián)的下一級。

3)控制單元，控制單元作為車載HDMI網絡分配器顯示驅動端的核心單元，主要完成以下功能：將網絡單元采集到的網絡數(shù)據(jù)包進行暫存、還原，即進行與車載HDMI網絡分配器采集前端的逆向算法，將網絡單元采集到的網絡數(shù)據(jù)包最大限度還原為HDMI信號，該過程通過一定的補償算法，對HDMI高清數(shù)字信號進行還原，過程中同樣不涉及視頻的矩陣壓縮算法，最大限度還原高清數(shù)字信號，還原后的高清數(shù)字信號不再通過標準HDMI連接器進行輸出，信號直接通過板卡走線輸出給車載HDMI網絡分配器顯示驅動端的輸出單元。以上功能采用純硬件實現(xiàn)，保證音、視頻傳輸?shù)募皶r性要求。

4)輸出單元，車載HDMI網絡分配器顯示驅動端由顯示器、揚聲器組成，輸出單元主要由顯示屏驅動芯片和功放芯片組成，顯示屏驅動芯片具有可編程性，接收控制單元的HDMI信號，將HDMI信號轉換為直接驅動顯示屏的LVDS信號，該芯片具有可編程性，通過編程，可以驅動12～55in(1in=2.54cm)尺寸的顯示器，同時，將采集到的數(shù)字音頻信號通過功放輸出給兩個揚聲器。

2.4無源通過技術

類似差分VGA的“拉手級聯(lián)”方式，使用HDMI網絡分配器之后，使用網絡交換機將每級級聯(lián)到下一級，級聯(lián)過程不需要增加增益，單由此產生一個故障點，就是當中間一級出現(xiàn)故障時，無法將數(shù)據(jù)順利傳至下一級，導致單點故障的擴散，這里采用了“無源通過”的技術，即：當單點故障出現(xiàn)時候，數(shù)據(jù)可通過該級直接將數(shù)據(jù)傳至下一級，確保單點故障不擴散。實現(xiàn)的原理圖如圖6所示。

圖6　無源通過原理圖

3　具體應用

如圖7所示，乘客信息系統(tǒng)分機里的解碼器解碼輸出HDMI高清數(shù)字信號，之后通過HDMI網絡分配器前端處理后，打包為IP數(shù)據(jù)包，通過超五類網線傳輸，每個LCD顯示屏后面有HDMI網絡分配器的接收端，將受到IP數(shù)據(jù)包還原為HDMI信號，同時，每個板卡后即成網絡交換機，將IP數(shù)據(jù)包轉發(fā)至下一級。此外，板卡還將還原后的HDMI信號通過芯片轉換為LVDS信號，直接驅動裸屏，板卡集成度高，功耗低，無接插件，完全滿足軌道軌道交通環(huán)境應用。

圖7　武漢軌道交通三號線乘客信息系統(tǒng)視頻分配拓撲圖

4　結語

將HDMI網絡分配器應用于軌道交通乘客信息系統(tǒng)中，解決了原有VGA以及AV等模擬信號延長分配過程中產生的圖像拖尾、模糊的問題，同時將HDMI信號傳輸距離進行了延長，滿足列車乘客信息系統(tǒng)以及站臺乘客信息系統(tǒng)應用需求。延長方式采用超五類網絡線纜，方便布線，滿足工程化應用需求，將顯示分辨率從VGA提升至最高1080p，使乘客在乘坐列車時，可以在車廂中看到高清數(shù)字節(jié)目。該設計在武漢軌道交通三號線成功應用，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。

[1]陳建平, 張輝. 高分辨率VGA模擬差分信號處理技術與應用[J]. 軟件, 2011, 32(12):59-62.

[2]劉廣法，胡曉吉. 基于TMDS差分技術的VGA長線傳輸系統(tǒng)研究與設計[J].計算機工程與設計， 2011，32(6)：2179-2182.

[3]胡立本，郭永鋒.VGA差分信號處理技術及遠程傳輸系統(tǒng)[J]. 科技致富向導，2014(11)：253.

[4]朱赟恩.HDMI傳輸線傳輸特性及補償?shù)难芯縖D]. 合肥：合肥工業(yè)大學, 2013.

[5]蔡發(fā)志. 高清晰多媒體接口(HDMI)音頻設計和研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學, 2008.

[6]楊磊. 基于HDMI的視頻音頻接口設計與研究[D]. 長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 2008.

責任編輯：哈宏疆

ApplicationofHDMInetworkdistributorinrailpassengerinformationsystem

FANGChuan,CHENGLeiyang,TANGJunqin

(No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)

Intheprocessoftheimplementationoftherailtransitpassengerinformationsystem,theenvironmentofpassengerinformationsystemvideodistributionandtransmissionisspecial.Inordertoimprovetheanti-interferencecharacteristicsoforiginalsystem,theHighDefinitionMultimediaInterfacetransmissionisappliedtorailpassengerinformationsystem.ThroughtheHDMIdigitalsignalcompressionandthefrequencyreduction,theHDMIsignaltransmissiondistanceisextendeduptohundredmeters.Atthesametime,itcansatisfytheEthernetnetworkbandwidthinadvanceandensurethevideoimageclarity.Inaddition,onthesamesidehandletransferdisplayschemeusesthe"passive"technologytoensureasinglepointoffailurenon-proliferation.Thedesignhasbeenputintouseinthefieldofrailtransitpassengerinformationsystem.Thesystemisreliableandstable.

HDMI;passengerinformationsystem;networkdistributor

TN943

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.027

2016-07-20

文獻引用格式：房川，程雷陽，湯俊芹. 軌道交通乘客信息系統(tǒng)中HDMI網絡分配器的應用[J].電視技術，2016，40(8)：139-142.

FANGC,CHENGLY,TANGJQ.ApplicationofHDMInetworkdistributorinrailpassengerinformationsystem[J].Videoengineering，2016，40(8)：139-142.