基于ARINC818的視頻仿真設備設計與實現

楊寧

摘 要：為了在試驗室驗證某型機綜合顯示系統接收ARINC818視頻的能力，縮短后續型號試飛周期，設計了一套基于ARINC818協議的視頻仿真系統。該系統采用FPGA邏輯實現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境和測試平臺，驗證了設計的可行性和正確性。

關鍵詞：ARINC818；航空視頻；光纖通信

中圖分類號：V24 文獻標志碼：A

0 前言

新一代的航空電子系統對數字視頻的傳輸帶寬、質量提出了更高的要求，為了滿足日益緊迫的高性能和關鍵數字視頻傳輸的需求，2007年1月航空電子委員會（AEEC）對外正式發布了ARINC818視頻傳輸協議，ARINC818又名航空電子數字視頻總線（Avionics Digital Video Bus），簡稱ADVB，是基于光纖通道和FC-AV協議標準制定的，主要用于開發高帶寬、低延遲和非壓縮數字視頻傳輸。

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議，通過容器系統規定了數字音視頻映射到FC幀的規則。FC-AV與FC的網絡協議結構一致，共有5層，如圖1所示。

雖然FC-AV 協議已經在F18和C130AMP等軍用機型中得到了應用，但每個協議都是定制的，不能互相兼容。ARINC818協議是基于FC-AV 協議標準制定的，是對FC-AV協議內容的簡化，也是專門針對航空電子視頻系統設計制定的國際統一標準，為高速視頻系統的標準化提供了機會。

1 ARINC818概述

ARINC818是針對高帶寬、 低成本開發的視頻接口和協議標準，滿足了高性能數字視頻傳輸的需求，在國外已被波音787和空客A400M采納使用。在國內軍用航空領域，該標準也已經得到應用，是未來航空視頻傳輸領域的主要趨勢。

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

ARINC818像FC-AV一樣定義了容器結構，一個視頻幀是通過一個ADVB容器傳輸的，視頻幀與ADVB容器是一對一映射關系，一個ADVB容器中包括一系列的ADVB幀，容器中ADVB幀數的多少由視頻傳輸的分辨率決定。

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，而容器中的視頻數據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幀用來承載輔助數據，Object2和Object3承載視頻數據。ADVB容器結構如圖3所示。

2 需求分析

為了適應當前階段日益復雜的戰場環境，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傳輸協議組建復雜的視頻傳輸系統、視頻系統包括雷達、紅外傳感器、飛行器記錄儀、光學相機、圖像融合系統、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。視頻系統用于滑行和起飛輔助、貨物裝載、導航、目標跟蹤、碰撞避免和其他關鍵功能。復雜航空電子視頻傳輸系統框圖如圖4所示。

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

3 方案設計

ARINC818視頻仿真設備應用于地面測試環境，用于將工控機主機顯卡輸出的DVI信號轉換成ARINC818信號，并通過光纖傳輸到可接收ARINC818信號的顯示器進行顯示。ARINC818視頻仿真設備結構組成如圖5所示。根據應用需求，該方案需實現以下功能：

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 硬件設計

視頻仿真設備采用機架式工控機，插裝標準PCIe結構的視頻卡，功能框圖如圖6所示。

視頻卡的功能是將DVI信號轉換成ARINC818信號，視頻數據處理流程如圖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視頻源數據和場同步信號、行同步信號等視頻控制信號，輸入到Xilinx Artix-7 FPGA進行處理，FPGA將視頻源數據進行編碼，存入ARINC818數據幀的payload字段，通過FPGA的GTX接口再輸出到SFP光模塊，經過電光轉換之后發送到外部光纜，光信號經過光纖介質傳播到顯示器端，進而由顯示器的內部電路處理后，將視頻圖像顯示出來。

3.2 FPGA邏輯設計

FPGA設計主要包括FC MAC、ARINC818協議處理單元：

RGB信號通過DVI接口進入ARINC818協議處理單元完成ARINC818協議封裝；

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

FPGA邏輯實現框圖如圖8所示。

在整個FPGA系統中，FC 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接收狀態機：接收來自GTX收發器的數據信號以及K字符狀態信號，將接收信號與其內部的同步脈沖進行對齊，產生32位信號輸出，并維護鏈路的同步狀態。

FC端口狀態機： 實現了一個符合Fibre Channel網絡標準的鏈路狀態機，此外還能根據端口的狀態形成發送信號流。

FC成幀： 對接收到的信號（數據和原語）進行解析，形成幀級數據輸出以及各種數據狀態信號。

4 試驗驗證

在試驗室搭建仿真環境，DVI數據源分別選擇標準的豎條紋RGB數據和DVI視頻數據，視頻數據通過仿真設備按ARINC818協議完成ADVB幀封裝，通過光模塊發送至綜合顯示終端的光纖接收模塊，最終在顯示器上恢復顯示圖像。

結語

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

參考文獻

[1]李寧寧，何宇，魏珊.基于ARINC818機載音視頻的測試方法[J].計算機測量與控制，2017，25（4）：34-35，50.

[2]J Alcxander， T Keller. ARINC818 for video and display control[C]. Proceedings of SPIE – The international Society for Optical Engineering. 2011， 8042（1）：80420L-80420-11.

[3]馮曉旺，藍海文.ARINC818在航空電子視頻系統中的應用[J].航空制造技術，2011（13）：84-86.

[4]朱志強.ARINC818協議特性分析[J].電子技術，2013（6）：30-32.

[5]賈瑞.ARINC818視頻傳輸系統研究與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[6]張利輝.航空電子系統中的FC-AV技術研究[J].航空電子技術，2007（6）：50-54.

[7]溫世杰，劉康，柳邦奇，等.基于ARINC818的航空視頻發送接收系統設計與實現[J].電光與控制，2015（8）：90-92.