基于ARINC818的视频仿真设备设计与实现

杨宁

摘 要：为了在试验室验证某型机综合显示系统接收ARINC818视频的能力，缩短后续型号试飞周期，设计了一套基于ARINC818协议的视频仿真系统。该系统采用FPGA逻辑实现了不同分辨率和帧频的视频传输。最终在试验室搭建了仿真环境和测试平台，验证了设计的可行性和正确性。

关键词：ARINC818；航空视频；光纤通信

中图分类号：V24 文献标志码：A

0 前言

新一代的航空电子系统对数字视频的传输带宽、质量提出了更高的要求，为了满足日益紧迫的高性能和关键数字视频传输的需求，2007年1月航空电子委员会（AEEC）对外正式发布了ARINC818视频传输协议，ARINC818又名航空电子数字视频总线（Avionics Digital Video Bus），简称ADVB，是基于光纤通道和FC-AV协议标准制定的，主要用于开发高带宽、低延迟和非压缩数字视频传输。

光纤通道（FC）具有低延迟和高带宽的特性，其高达16G的带宽为大容量的音视频传输提供了可能。FC-AV是基于FC的光纤音视频传输协议，通过容器系统规定了数字音视频映射到FC帧的规则。FC-AV与FC的网络协议结构一致，共有5层，如图1所示。

虽然FC-AV 协议已经在F18和C130AMP等军用机型中得到了应用，但每个协议都是定制的，不能互相兼容。ARINC818协议是基于FC-AV 协议标准制定的，是对FC-AV协议内容的简化，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，为高速视频系统的标准化提供了机会。

1 ARINC818概述

ARINC818是针对高带宽、 低成本开发的视频接口和协议标准，满足了高性能数字视频传输的需求，在国外已被波音787和空客A400M采纳使用。在国内军用航空领域，该标准也已经得到应用，是未来航空视频传输领域的主要趋势。

ADVB帧是ARINC818协议的基本传输单元，ADVB帧格式与FC格式一致，由一个SOFx指令（4字节）开始，以一个EOFx指令（4字节）结束。ADVB帧头由24字节组成，帧头字节描述了源地址、目的地址和队列中的具体位置等帧属性。数据载荷最大可容纳2112个字节，ADVB帧中的CRC同光纤通道中的定义一致，由一个4字节组成的32位光纤字组成，用于校验SOFx和CRC之间的数据的完整性。ADVB帧结构如图2所示。

ARINC818像FC-AV一样定义了容器结构，一个视频帧是通过一个ADVB容器传输的，视频帧与ADVB容器是一对一映射关系，一个ADVB容器中包括一系列的ADVB帧，容器中ADVB帧数的多少由視频传输的分辨率决定。

ADVB容器由容器头和对象两部分组成。容器头包括容器的一些具体属性信息，它由22个32位字来定义，而容器中的视频数据通过对象来承载传输。ADVB定义了4个对象：Object0， Object1， Object2和Object3。Object0是一个单独的ADVB帧用来承载辅助数据，Object2和Object3承载视频数据。ADVB容器结构如图3所示。

2 需求分析

为了适应当前阶段日益复杂的战场环境，需要为飞行员和乘员以图像或视频形式提供大量的信息，通过ARINC818传输协议组建复杂的视频传输系统、视频系统包括雷达、红外传感器、飞行器记录仪、光学相机、图像融合系统、合成视觉、平视显示器和低头多功能显示器、视频集中器和其他子系统。视频系统用于滑行和起飞辅助、货物装载、导航、目标跟踪、碰撞避免和其他关键功能。复杂航空电子视频传输系统框图如图4所示。

为了充分验证机载复杂图像传输网路的功能和性能，需要在地面搭建视频仿真系统，模拟机上设备的视频传输状态。

3 方案设计

ARINC818视频仿真设备应用于地面测试环境，用于将工控机主机显卡输出的DVI信号转换成ARINC818信号，并通过光纤传输到可接收ARINC818信号的显示器进行显示。ARINC818视频仿真设备结构组成如图5所示。根据应用需求，该方案需实现以下功能：

具有1路DVI接收端口和2路互为冗余的ARINC818光纤端口；

支持输入DVI信号，并转换为ARINC818信号输出；

DVI连接器为DVI-I形式，ARINC818光连接器为SFP形式；

支持的ARINC818信号分辨率最大为1920×1080，分辨率可配置，默认为1280×1024，60Hz，24bit（8︰8︰8）；

视频信号扫描方式：逐行扫描，从上到下，从左到右；

光纤波长：850nm；连接速率：4.25Gbps。

3.1 硬件设计

视频仿真设备采用机架式工控机，插装标准PCIe结构的视频卡，功能框图如图6所示。

视频卡的功能是将DVI信号转换成ARINC818信号，视频数据处理流程如图7所示。采用TI公司的TFP401型号的DVI Receiver将DVI信号解码，生成RGB 24bit视频源数据和场同步信号、行同步信号等视频控制信号，输入到Xilinx Artix-7 FPGA进行处理，FPGA将视频源数据进行编码，存入ARINC818数据帧的payload字段，通过FPGA的GTX接口再输出到SFP光模块，经过电光转换之后发送到外部光缆，光信号经过光纤介质传播到显示器端，进而由显示器的内部电路处理后，将视频图像显示出来。

3.2 FPGA逻辑设计

FPGA设计主要包括FC MAC、ARINC818协议处理单元：

RGB信号通过DVI接口进入ARINC818协议处理单元完成ARINC818协议封装；

ARINC818 MAC完成发送方向的FC-0、FC-1层接协议，包括8b/10b编码、并串转换等，最后把高速位串流通过SERDES接口输出至光模块。

FPGA逻辑实现框图如图8所示。

在整个FPGA系统中，FC MAC模塊位于Xilinx的GTX硬核之上，Ingress/Egress模块之下。主要完成下列3项功能：

FC接收状态机：接收来自GTX收发器的数据信号以及K字符状态信号，将接收信号与其内部的同步脉冲进行对齐，产生32位信号输出，并维护链路的同步状态。

FC端口状态机： 实现了一个符合Fibre Channel网络标准的链路状态机，此外还能根据端口的状态形成发送信号流。

FC成帧： 对接收到的信号（数据和原语）进行解析，形成帧级数据输出以及各种数据状态信号。

4 试验验证

在试验室搭建仿真环境，DVI数据源分别选择标准的竖条纹RGB数据和DVI视频数据，视频数据通过仿真设备按ARINC818协议完成ADVB帧封装，通过光模块发送至综合显示终端的光纤接收模块，最终在显示器上恢复显示图像。

结语

本文以Xilinx Artix-7系列FPGA和TI TFP401型DVI Receiver芯片为核心设计硬件平台，提供了将DVI信号转换成ARINC818信号的解决方案，在地面搭建仿真环境，实现对机载视频传输系统的地面仿真和验证。

参考文献

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