基于ARINC818的視頻仿真設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)

楊寧

摘 要：為了在試驗室驗證某型機綜合顯示系統(tǒng)接收ARINC818視頻的能力，縮短后續(xù)型號試飛周期，設(shè)計了一套基于ARINC818協(xié)議的視頻仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA邏輯實現(xiàn)了不同分辨率和幀頻的視頻傳輸。最終在試驗室搭建了仿真環(huán)境和測試平臺，驗證了設(shè)計的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞：ARINC818；航空視頻；光纖通信

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

新一代的航空電子系統(tǒng)對數(shù)字視頻的傳輸帶寬、質(zhì)量提出了更高的要求，為了滿足日益緊迫的高性能和關(guān)鍵數(shù)字視頻傳輸?shù)男枨螅?007年1月航空電子委員會（AEEC）對外正式發(fā)布了ARINC818視頻傳輸協(xié)議，ARINC818又名航空電子數(shù)字視頻總線（Avionics Digital Video Bus），簡稱ADVB，是基于光纖通道和FC-AV協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的，主要用于開發(fā)高帶寬、低延遲和非壓縮數(shù)字視頻傳輸。

光纖通道（FC）具有低延遲和高帶寬的特性，其高達(dá)16G的帶寬為大容量的音視頻傳輸提供了可能。FC-AV是基于FC的光纖音視頻傳輸協(xié)議，通過容器系統(tǒng)規(guī)定了數(shù)字音視頻映射到FC幀的規(guī)則。FC-AV與FC的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)一致，共有5層，如圖1所示。

雖然FC-AV 協(xié)議已經(jīng)在F18和C130AMP等軍用機型中得到了應(yīng)用，但每個協(xié)議都是定制的，不能互相兼容。ARINC818協(xié)議是基于FC-AV 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的，是對FC-AV協(xié)議內(nèi)容的簡化，也是專門針對航空電子視頻系統(tǒng)設(shè)計制定的國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為高速視頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化提供了機會。

1 ARINC818概述

ARINC818是針對高帶寬、 低成本開發(fā)的視頻接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，滿足了高性能數(shù)字視頻傳輸?shù)男枨螅趪庖驯徊ㄒ?87和空客A400M采納使用。在國內(nèi)軍用航空領(lǐng)域，該標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)得到應(yīng)用，是未來航空視頻傳輸領(lǐng)域的主要趨勢。

ADVB幀是ARINC818協(xié)議的基本傳輸單元，ADVB幀格式與FC格式一致，由一個SOFx指令（4字節(jié)）開始，以一個EOFx指令（4字節(jié)）結(jié)束。ADVB幀頭由24字節(jié)組成，幀頭字節(jié)描述了源地址、目的地址和隊列中的具體位置等幀屬性。數(shù)據(jù)載荷最大可容納2112個字節(jié)，ADVB幀中的CRC同光纖通道中的定義一致，由一個4字節(jié)組成的32位光纖字組成，用于校驗SOFx和CRC之間的數(shù)據(jù)的完整性。ADVB幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ARINC818像FC-AV一樣定義了容器結(jié)構(gòu)，一個視頻幀是通過一個ADVB容器傳輸?shù)?，視頻幀與ADVB容器是一對一映射關(guān)系，一個ADVB容器中包括一系列的ADVB幀，容器中ADVB幀數(shù)的多少由視頻傳輸?shù)姆直媛蕸Q定。

ADVB容器由容器頭和對象兩部分組成。容器頭包括容器的一些具體屬性信息，它由22個32位字來定義，而容器中的視頻數(shù)據(jù)通過對象來承載傳輸。ADVB定義了4個對象：Object0， Object1， Object2和Object3。Object0是一個單獨的ADVB幀用來承載輔助數(shù)據(jù)，Object2和Object3承載視頻數(shù)據(jù)。ADVB容器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 需求分析

為了適應(yīng)當(dāng)前階段日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，需要為飛行員和乘員以圖像或視頻形式提供大量的信息，通過ARINC818傳輸協(xié)議組建復(fù)雜的視頻傳輸系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)包括雷達(dá)、紅外傳感器、飛行器記錄儀、光學(xué)相機、圖像融合系統(tǒng)、合成視覺、平視顯示器和低頭多功能顯示器、視頻集中器和其他子系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)用于滑行和起飛輔助、貨物裝載、導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤、碰撞避免和其他關(guān)鍵功能。復(fù)雜航空電子視頻傳輸系統(tǒng)框圖如圖4所示。

為了充分驗證機載復(fù)雜圖像傳輸網(wǎng)路的功能和性能，需要在地面搭建視頻仿真系統(tǒng)，模擬機上設(shè)備的視頻傳輸狀態(tài)。

3 方案設(shè)計

ARINC818視頻仿真設(shè)備應(yīng)用于地面測試環(huán)境，用于將工控機主機顯卡輸出的DVI信號轉(zhuǎn)換成ARINC818信號，并通過光纖傳輸?shù)娇山邮誂RINC818信號的顯示器進(jìn)行顯示。ARINC818視頻仿真設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。根據(jù)應(yīng)用需求，該方案需實現(xiàn)以下功能：

具有1路DVI接收端口和2路互為冗余的ARINC818光纖端口；

支持輸入DVI信號，并轉(zhuǎn)換為ARINC818信號輸出；

DVI連接器為DVI-I形式，ARINC818光連接器為SFP形式；

支持的ARINC818信號分辨率最大為1920×1080，分辨率可配置，默認(rèn)為1280×1024，60Hz，24bit（8︰8︰8）；

視頻信號掃描方式：逐行掃描，從上到下，從左到右；

光纖波長：850nm；連接速率：4.25Gbps。

3.1 硬件設(shè)計

視頻仿真設(shè)備采用機架式工控機，插裝標(biāo)準(zhǔn)PCIe結(jié)構(gòu)的視頻卡，功能框圖如圖6所示。

視頻卡的功能是將DVI信號轉(zhuǎn)換成ARINC818信號，視頻數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。采用TI公司的TFP401型號的DVI Receiver將DVI信號解碼，生成RGB 24bit視頻源數(shù)據(jù)和場同步信號、行同步信號等視頻控制信號，輸入到Xilinx Artix-7 FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA將視頻源數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，存入ARINC818數(shù)據(jù)幀的payload字段，通過FPGA的GTX接口再輸出到SFP光模塊，經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換之后發(fā)送到外部光纜，光信號經(jīng)過光纖介質(zhì)傳播到顯示器端，進(jìn)而由顯示器的內(nèi)部電路處理后，將視頻圖像顯示出來。

3.2 FPGA邏輯設(shè)計

FPGA設(shè)計主要包括FC MAC、ARINC818協(xié)議處理單元：

RGB信號通過DVI接口進(jìn)入ARINC818協(xié)議處理單元完成ARINC818協(xié)議封裝；

ARINC818 MAC完成發(fā)送方向的FC-0、FC-1層接協(xié)議，包括8b/10b編碼、并串轉(zhuǎn)換等，最后把高速位串流通過SERDES接口輸出至光模塊。

FPGA邏輯實現(xiàn)框圖如圖8所示。

在整個FPGA系統(tǒng)中，F(xiàn)C MAC模塊位于Xilinx的GTX硬核之上，Ingress/Egress模塊之下。主要完成下列3項功能：

FC接收狀態(tài)機：接收來自GTX收發(fā)器的數(shù)據(jù)信號以及K字符狀態(tài)信號，將接收信號與其內(nèi)部的同步脈沖進(jìn)行對齊，產(chǎn)生32位信號輸出，并維護(hù)鏈路的同步狀態(tài)。

FC端口狀態(tài)機： 實現(xiàn)了一個符合Fibre Channel網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的鏈路狀態(tài)機，此外還能根據(jù)端口的狀態(tài)形成發(fā)送信號流。

FC成幀： 對接收到的信號（數(shù)據(jù)和原語）進(jìn)行解析，形成幀級數(shù)據(jù)輸出以及各種數(shù)據(jù)狀態(tài)信號。

4 試驗驗證

在試驗室搭建仿真環(huán)境，DVI數(shù)據(jù)源分別選擇標(biāo)準(zhǔn)的豎條紋RGB數(shù)據(jù)和DVI視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)通過仿真設(shè)備按ARINC818協(xié)議完成ADVB幀封裝，通過光模塊發(fā)送至綜合顯示終端的光纖接收模塊，最終在顯示器上恢復(fù)顯示圖像。

結(jié)語

本文以Xilinx Artix-7系列FPGA和TI TFP401型DVI Receiver芯片為核心設(shè)計硬件平臺，提供了將DVI信號轉(zhuǎn)換成ARINC818信號的解決方案，在地面搭建仿真環(huán)境，實現(xiàn)對機載視頻傳輸系統(tǒng)的地面仿真和驗證。

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