ARINC 818在航空电子视频系统中的应用
ARINC 818 又名航空电子数字视频总线(Avionics Digital Video Bus,ADVB),于2007 年1 月由航空电子委员会(AEEC)正式对外发布,是为了满足航空电系统中高性能和关键数字视频任务传输的迫切需求。ARINC 818 是一个点对点地采用8B/10B 编码,主要用于开发高带宽、低延迟和非压缩数字视频传输的视频接口和协议。它是基于光纤通道和FC-AV 协议标准制定的,在内容上是对FC-AV 协议的简化,也是专门针对航空电子视频系统设计制定的国际统一标准,其中FC-AV 协议已经在F18 和C130AMP 等军用机型中的视频系统中得到了广泛应用,这为ARINC 818 协议的应用提供了可靠的支持和保障。
ARINC 818 相比于CameraLink、DVI、Firewire 和GigE 等视频数据总线在一些关键技术参数上均具有很明显的优势,这也是航空电子委员会选择ARINC 818 作为最终的航空电子视频统一标准的原因。ARINC 818 的主要特点体现在高带宽、高可靠性、低延迟、非压缩视频传输、抵抗电磁干扰、减轻线缆重量、灵活性高,兼容扩展性强,已经成为新一代航空电子数字视频总线的统一标准,在一些商业和军事项目中得到广泛应用。
1 ADVB 帧结构
ARINC 818 协议标准基本的传输单元为可变的ADVB 帧,符合光纤通道帧(FC)格式,它以一个SOFx指令开始和一个EOFx 指令结束,每一个ADVB 帧含有一个由6 个32 位字组成的帧头,帧头文件描述了源地址和目的地址(Source_ID,Destination_ID)及队列中的具体位置(SEQ_CNT)等帧属性。载荷的大小是可变的,但范围只能在4~2112字节之间变化,所有的ADVB 帧都具有一个32 位的 CRC,用于计算校验SOFx 和CRC 之间的数据的完整性,ADVB 帧中的CRC 与光纤通道中定义的多项式是一致的。
2 ADVB 容器结构
为了利用ADVB 帧传输视频帧,ARINC 818 也像FC-AV 协议标准一样定义了一个简单的容器结构,目的是将一个ADVB 帧的序列装载到一个容器当中进行传输。ARINC 818协议中规定ADVB 容器与视频帧,是一对一的映射关系,即一个ADVB容器仅能装载一个唯一的视频帧,而一个ADVB 容器中又包含了一个ADVB 帧的序列,该序列中包含ADVB 帧的数量是由视频帧本身属性决定的。
ADVB 容器由容器头和对象两部分组成。容器头包含容器的一些具体属性信息,它是由22 个32 位字来定义的,而对象主要用来承载需要传输的视频数据。ADVB 定义了4 个对象:Object 0、Object 1、Object2和Object3。Object 0 是一个单独的ADVB 帧用来承载辅助数据;Object1 承载音频信息(ARINC 818 中没有定义其应用);Object 2 和Object 3承载视频数据,如果采用逐行扫描显示仅采用Object 2 承载视频数据即可,但如果采用隔行扫描显示则需要采用Object 2 和Object 3 一起承载视频数据,其中Object 2 承载奇数线数据,Object 3 则承载偶数线数据。
3 ADVB 协议应用举例
选用传输一个更新速率为60Hz的真彩XGA 信号作为实例,利用ARINC 818 协议是如何进行传输的呢?首先要对该视频信号的关键参数进行分析,计算出该视频帧要求的数据传输速率为 41MB/s,另外考虑协议开销和空闲时间传输一个真彩XGA 视频信号大概需要2.125Gb/s 的标准连接速率;其次每一条XGA水平视频线含有3072B 的数据,超出了ADVB 帧载荷的2112B 最大容量,因此每一个XGA 水平视频线将被平均分为两个ADVB 帧,即每行像素由两个ADVB 帧输出,所以传输一个XGA 视频帧需要1536 个ADVB帧,再加上一个头帧,共需要1537 个ADVB 帧才能完整的将一帧VGA 视频信号传输完毕,为了同步在ADVB帧之间需要加入空闲字符。
ARINC 818 典型应用
ARINC 818 应用领域包括商用航空项目、军事航空项目、商业和军事飞船、指挥中心、仿真平台、军用地面车辆等,它能够应用到红外和光学传感器、雷达、地图和图表系统、图像合成、平视显示、多功能显示设备、视频连接器和其他类型的子系统。图2 为一个典型的现代商业和军事视频子系统ADVB 总线连接实例,该系统需要支持一个很宽范围的视频类型,因为这些连接对传输速率、视频分辨率、帧速率、像素定义和同步等级要求均是不一致的,这些因素对于传输视频的总线性能提出了更高的要求,要具备优良的兼容性。
在现代的航空电子显示系统设计中多功能显示器将接收多个视频源实时混合的视频信号。主飞行显示器已经开始倾向于高分辨率(XGA 或更高),24 位RGB 和60Hz的刷新速率,用于支持平滑地更新主要飞行参数和文本描述。平视显示器可以是黑白显示的,显示背景信息能够以比较慢的速率更新,但是光标信息则需要60Hz 或者更高的更新速率。组配置显示器根据执行任务的不同在分辨率和更新速率上的要求也明显不同。上述这些显示设备含有相对较少的信息内容,但是对于一些特殊应用则要求更高的分辨率,如电子侦察等。在一个现代的航空电子视频系统的架构中视频源在颜色、分辨率和帧速率上是多样的,比如未来的移动地图系统将增加分辨率和颜色深度,然而黑白的红外照相机将要求较低的分辨率和少于30Hz 更新速率。新一代航空电子数字视频总线ADVB 能够满足新一代机型航空电子视频显示系统的设计需要,它具有高度灵活性,能支持多种分辨率,具有非常明显的技术优势,能够得到更优越的性能。
ARINC 818 具体应用
ARINC 818 自从2007 年发布以来,该项技术已经在一些具体的商业和军用航空项目中得到应用。ARINC 818 是基于FC-AV 标准制定的,而FC-AV 标准已经在F/A-18 F 和C130AMP 机型上的视频显示体统中得到成功应用,极大地支持了ARINC 818 作为新一代航空电子数字视频总线应用的发展。目前ARINC 818 协议已经被一些比较大的商业航空项目(包括波音787,空客A400M 和A350XWB 机型的视频系统)采用,并用于开发设计高性能的新一代视频显示系统。基于ARINC 818 协议开发的高性能新一代视频显示系统在波音787、空客A400M 两个大型的商业项目中已经得到了成功应用;另外,一些军事项目也采用了ARINC 818 协议,ARINC 818 已经成为新一代航空数字视频航空总线的统一标准。
目前,国际上知名的飞机显示器主要生产厂商也开发出了基于ARINC 818 协议的飞机显示产品,如Thales 公司的 Top Deck@suit 采用多项最新技术专门应用于直升机的显示设备,L-3 通信公司的Large Area
Avionics Display,BAE 公司的Quantum HUD,Barco 公司的CHDD-268(PFD)和FDU-2129 等产品,这些产品都是基于ARINC 818 协议开发的典型产品。因此,从上述的一些主要航空项目的具体应用和典型产品举例中得知新一代航空电子数字视频总线ADVB 已经在国外的主要航空应用中得到了验证,它是可靠稳定的,在技术性能上相比于原有的航空电子数字视频系统的设计更具优越性,是未来的发展方向。
ADVB 作为新一代航空电子数字视频总线为航空电子数字视频系统设计者提供了优秀的解决方案,它也是新一代航空电子系统构成的主要总线技术之一。目前,ARINC 818协议已经被一些主要的商业和军用航空项目所采用,并得到了成功应用,该项技术可以提供一个高带宽、低延迟和高数据完整性的视频连接,能够满足关键视频任务的应用要求。新一代航空电子数字视频的统一标准ARINC 818 便于适配,从而满足显示系统设计的特殊需要,如传输速率、延迟性、可靠性和灵活性等。同时ARINC 818 在一个商业和军事视频系统中能够同时兼容不同的分辨率、灰度等级、像素格式和帧速率,具有非常高的灵活性。因此,新一代航空电子数字视频总线ADVB 将成为新一代航空电子视频系统中的主流技术,由于其自身的独特技术优势,开发和深入研究ADVB 总线技术在航空电子视频系统中的应用对于我国的大型商业和军事航空技术的发展具有重要的意义。
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