基于FC的視頻傳輸演示模塊的設計與實現(xiàn)*

楊海波，徐文龍，許　恒，陳　佳

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

基于FC的視頻傳輸演示模塊的設計與實現(xiàn)*

楊海波1，2，徐文龍3，許恒3，陳佳1，2

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

光纖通道音視頻協(xié)議(FC-AV)定義了視頻信息在光纖通道FC網(wǎng)絡中的傳輸方法，為視頻設備之間的互連提供了一種接口標準，代表了航電系統(tǒng)中視頻信息傳輸技術的發(fā)展趨勢。FC-AV視頻傳輸演示模塊用于基于FC-AV協(xié)議視頻傳輸演示系統(tǒng)的搭建，是整個傳輸演示系統(tǒng)的核心和基礎。通過對FC-AV傳輸演示系統(tǒng)的構建分析，介紹了一種包括多分辨率視頻輸入信息采集、容器系統(tǒng)的組織、FC數(shù)據(jù)幀的封裝傳輸以及多分辨率視頻信息輸出為核心的傳輸演示模塊。驗證了基于光纖通道傳輸圖像信息的方法，為基于FC-AV協(xié)議的視頻傳輸系統(tǒng)的搭建提供了參考依據(jù)和解決方案。

FC-AV；容器系統(tǒng)；視頻傳輸系統(tǒng)

0　引言

光纖通道可提供一種具有低延遲、高帶寬的系統(tǒng)互連解決方法。其高達千兆的帶寬為音視頻大容量數(shù)據(jù)的傳輸提供了支持。FC-AV[1，2]是 FC的一個子集，通過容器系統(tǒng)規(guī)定了數(shù)字音、視頻到FC幀格式的映射規(guī)則，為FC網(wǎng)絡視頻設備之間的互連提供了一種接口標準[3]，能夠滿足航空航天和軍用系統(tǒng)中高速性，實時性、任務關鍵性數(shù)字音視頻傳輸需要[4]，是未來航電系統(tǒng)中高速視頻信息傳輸技術的發(fā)展趨勢。文中設計的基于FC-AV協(xié)議的視頻傳輸演示模塊，可用于FC視頻傳輸演示系統(tǒng)的搭建，光纖通道傳輸圖像信息方法的驗證，為基于FC-AV協(xié)議的視頻傳輸系統(tǒng)的搭建提供了參考依據(jù)和解決方案。同時該模塊包含的視頻信息輸入、容器系統(tǒng)的組織、FC數(shù)據(jù)幀的封裝傳輸以及視頻信息輸出等核心功能均基于一塊可編程高性能FPGA中，具有功耗低、可擴展性好、可升級性強等特點，能夠適應FC網(wǎng)絡技術不斷發(fā)展的需求。

1　基于FC的視頻傳輸協(xié)議

FC-AV是光纖通道 FC-4層上一種高層應用協(xié)議，它定義利用光纖通道交換、序列、幀的組織形式，傳送音頻、視頻、輔助數(shù)據(jù)和控制流的標準方法，為視頻設備之間互連提供一種接口標準，F(xiàn)C-AV定義了一種使用光纖通道序列和交換傳輸AV流的協(xié)議。圖1為FC-AV分層模型，F(xiàn)C-AV協(xié)議主要關注圖中的陰影部分。

圖1　FC-AV協(xié)議分層模型

1.1傳輸協(xié)議

1.1.1SCMA傳輸協(xié)議

簡單內(nèi)容移動架構SCMA是針對視頻節(jié)目的播放、編輯和后期制作等目的而設計的兩個站點間內(nèi)容移動的一種方法，由內(nèi)容移動層和內(nèi)容傳輸層組成。

內(nèi)容移動層規(guī)定了不考慮下層傳輸時,客戶機和服務器間進行通信的簡單全雙工流動協(xié)議。

內(nèi)容傳輸層把內(nèi)容移動層映射到一個或多個傳輸層協(xié)議進行傳輸。SCMA采用SCSI-3 FCP協(xié)議的映射進行視頻信息的傳輸。簡單流動協(xié)議提供兩種操作：模式播放模式和錄制模式。簡單流動協(xié)議包括以下過程：(1)流建立；(2)流銷毀；(3)流操作播放、錄制、停止、暫停、恢復；(4)操作通知；(5)內(nèi)容移動事物；(6)簡單流數(shù)據(jù)格式。

1.1.2FCHP傳輸協(xié)議

FHCP是一種低開銷傳輸協(xié)議，F(xiàn)CHP直接利用FC-2層傳輸服務，提供低延遲、高效的數(shù)據(jù)傳輸，支持啟動、停止、放映、暫停、繼續(xù)的視頻操作，可用于點到點、仲裁環(huán)及交換網(wǎng)等拓撲結構，支持各類服務，它適用于航電系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。

1.2容器系統(tǒng)

FC-AV容器系統(tǒng)是 FC-AV中最基本的概念，它將需要傳輸視頻數(shù)據(jù)流中每一幀視頻信息定義為一個容器。容器系統(tǒng)規(guī)定：一個視頻流由一系列的容器組成，每個容器包含一個容器頭和多個對象，對象分為輔助數(shù)據(jù)、音頻、視頻。一個容器同時也構成了一個FC序列，容器頭包括對象類型和數(shù)據(jù)在對象中具體的位置。容器的組成如圖2所示。

圖2　容器系統(tǒng)

FC序列是一組FC幀，每一個FC幀都包含一個數(shù)據(jù)區(qū)域。所有的數(shù)據(jù)負載構成了一個容器。容器系統(tǒng)將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)分割成單獨的大塊數(shù)據(jù)集來傳送，這種方式是最理想的傳輸系統(tǒng)。容器系統(tǒng)到FC幀的映射關系如圖3所示。

圖3　容器系統(tǒng)到FC幀的映射關系

2　FC視頻傳輸演示模塊功能

在航電系統(tǒng)中，要求能夠把視頻數(shù)據(jù)通過交換機采用FC-AV協(xié)議進行傳輸，視頻接收方是一組顯示器，接收到數(shù)據(jù)后按照流方式進行實時顯示。

傳統(tǒng)的基于FPGA板卡的FC網(wǎng)絡視頻傳輸演示系統(tǒng)的搭建所需資源多，搭建過程復雜，易出錯卻不易排查，在教學和實驗中帶來諸多不便。該基于自研芯片的FC視頻傳輸演示模塊具有體積小、能耗低、便于環(huán)境搭建等優(yōu)點。兩種方案對比如表1所示。

基于對FC協(xié)議及航電系統(tǒng)中視頻傳輸網(wǎng)絡需求的深入理解，所設計的FC視頻傳輸演示模塊，實現(xiàn)了 DVI[5]視頻輸入、輸出控制，F(xiàn)C-AV數(shù)據(jù)幀的接收發(fā)送控制，接收發(fā)送視頻的緩沖存儲一體化的功能。支持一路或兩路光纖雙余度傳輸，完成了從視頻源信息的輸入接收、緩沖存儲到容器系統(tǒng)的組織、FC幀的封裝和發(fā)送控制，以及FC幀的接收控制和視頻輸出等FC視頻傳輸系統(tǒng)關鍵技術。具體功能結構圖如圖4所示。

其中，DVI輸入接口可支持3種輸入模式和 5種分辨率。輸入模式分別為：

(1)直接輸入視頻：使用獨立的視頻源通過DVI線直接連接至視頻輸入口；

(2)反饋輸入視頻：需提供 VGA和 DVI輸出端口且具有獨立顯卡的電腦。使用DVI反饋線，反饋線有3個端口，其中1端口通過DVI線連接電腦獨立顯卡的DVI輸出，2端口連接電腦顯示器的DVI輸入接口，3端口通過DVI線連接視頻輸入接口。

(3)分源輸入視頻：需要使用 DVIx口分配器，通過DVI線連接視頻源（電腦）和DVIx口分配器的輸入接口（DVI IN），然后通過DVI線連接本產(chǎn)品的視頻輸入口和DVIx口分配器的輸出接口（DVI OUT）。

輸入分辨率可設置為800*600@60Hz、1024*768@60Hz、1280*1024@60Hz、1400*1050@60Hz、1600*1200@60Hz 5種視頻分辨率，視頻格式滿足VESA標準。在FC接口傳輸后接收視頻數(shù)據(jù)時由于帶寬限制，大分辨率的視頻格式為30Hz，即1280*1024@30Hz、1400*1050@30Hz、1600* 1200@30Hz。

當輸入視頻數(shù)據(jù)滿足以上5種分辨率時，視頻數(shù)據(jù)從DVI輸入接口進入模塊，可在視頻幀發(fā)送緩沖區(qū)緩沖存儲，再進入FC-AV發(fā)送控制和FC-IP進行容器系統(tǒng)的組織，最后通過光電轉換轉換為光信號由光纖發(fā)出。若輸入視頻分辨率不滿足以上5種分辨率時，則在組織容器系統(tǒng)時丟棄。

當FC-AV幀通過光纖傳回時，則通過FC-AV接收控制和FC-IP解析出視頻幀傳入視頻幀接收緩沖區(qū)，再由視頻輸出控制和DVI接口輸出顯示設備顯示。其中FC-AV發(fā)送和接收控制由軟件和邏輯協(xié)同完成，控制軟件固化在外部 Flash中，上電自動運行。

表1　兩種方案對比

圖4　FC視頻傳輸演示模塊內(nèi)部通信功能結構示意圖

3　FC視頻傳輸演示模塊硬件平臺

FC視頻傳輸演示模塊核心功能主要基于一塊可編程FPGA中，周邊包含DDR視頻緩沖模塊、光纖數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、DVI輸入/輸出接口和 JTAG編程接口。具體結構示意如圖5所示。

圖5　FC-AV視頻傳輸演示模塊功能示意圖

其中DVI視頻輸入輸出模塊完成視頻格式數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，通常由外接視頻源對傳輸模塊進行視頻輸入，或通過該模塊輸出視頻數(shù)據(jù)給最終的顯示設備。DDR視頻緩沖模塊則用來緩沖存儲收發(fā)的視頻數(shù)據(jù)。光纖數(shù)據(jù)收發(fā)模塊提供一路或兩路光纖傳輸接口，收發(fā)封裝好的FC數(shù)據(jù)?？删幊蘁PGA作為該演示模塊的核心，內(nèi)嵌的FC-AV處理邏輯包含了對容器系統(tǒng)的組織、FC幀的封裝發(fā)送等功能，且提供對外的JTAG編程接口，方便之后的功能擴展和邏輯升級。

4　FC視頻傳輸演示模塊軟件設計

FC視頻傳輸演示模塊的軟件功能主要完成FC鏈路狀態(tài)初始化配置和中斷處理的功能。初始化配置完成了對FC-AV的發(fā)送視頻分辨率的選擇、傳輸源地址和傳輸目的地址的設置，以及FC-MAC的初始化配置；中斷功能流程為中斷掛接、中斷上報和中斷處理。中斷掛接包含鏈路上下線中斷和視頻分辨率不匹配中斷，保證了鏈路的狀態(tài)正常和視頻分辨率的自動匹配。

傳輸演示模塊的所有軟件固化在一個Flash中，上電后自動運行，保證設備的正常工作。其工作流程如圖6所示。

圖6　視頻傳輸演示模塊軟件執(zhí)行流程圖

5　結束語

隨著航電系統(tǒng)對高速視頻信息傳輸需求的不斷提高，基于FC-AV協(xié)議的視頻傳輸系統(tǒng)為其提供了一種解決方案。FC-AV視頻傳輸演示模塊是基于對FC協(xié)議及航電系統(tǒng)中視頻傳輸網(wǎng)絡需求的深入理解所設計的，它實現(xiàn)了輸入信息采集、容器系統(tǒng)的組織、FC數(shù)據(jù)幀的封裝傳輸以及多分辨率視頻信息輸入輸出的功能。驗證了基于光纖通道傳輸視頻信息的方法，解決了視頻信息遠距離傳輸?shù)碾y題，為航空電子應用光纖通道傳輸視頻信息奠定了基礎，并為FC-AV視頻傳輸系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。

[1]Fibre Channel：Framing and Signaling[S]．New York：American National Standards Institute，2003．

[2]Fibre Channel：Audio Video(FC-AV)[S]．[s．l．]：T11Technical Committee，2001．

[3]王紅春．基于 FC的航電數(shù)字視頻傳輸技術研究[J]．計算機技術與發(fā)展，2010，20(5)：250－253．

[4]劉鑫，陸文娟．光纖通道在航空電子環(huán)境的應用及關鍵技術研究[J]．光通信技術，2006(6)：55－58．

[5]張萬方，劉金嶺.DVI在視頻顯示領域中的應用[J].電腦知識與技術，2009(5)：1217-1218.

The design and realization of audio and video transmission and demonstration module based on FC

Yang Haibo1，2，Xu Wenlong3，Xu Heng3，Chen Jia1，2
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

Fiber channel audio and video defines the method of transmission which FC network transmits in fiber channel,provides a standard of interface for the interconnection between the video equipment and represents the development trend of video information transmission technology in the avionics system.The video transmission and presentation module of FC-AV is the core and foundation of the transmission demonstration system which is used for the construction of the demonstration system based on the FC-AV agreement.The paper analysis the construction of system of FC-AV transmission and demonstration,introduces a core module of transmission and demonstration which includes a multi-resolution video input information collection,the organization of container system,data frame transmission of FC encapsulation and multi-resolution transmission demonstration video output information.This article verifies the method based on optical fiber channel image information and provides the reference and solutions for the construction of the transmission system based on FC-AV the agreement.

FC-AV；container system；system of video transmission

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.040

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-08-10）

楊海波（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：SoC設計、驗證及嵌入式系統(tǒng)設計。

徐文龍（1989-），男，大專，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

許恒（1987-），男，大專，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

陳佳（1986-），女，碩士，助理工程師，主要研究方向：數(shù)字集成電路設計與驗證。

中文引用格式：楊海波，徐文龍，許恒，等.基于 FC的視頻傳輸演示模塊的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2016，42 (9)：155-158.

英文引用格式：Yang Haibo，Xu Wenlong，Xu Heng，et al.The design and realization of audio and video transmission and demonstration module based on FC[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：155-158.