軌道交通SIO S平臺視頻傳輸技術(shù)改進

應(yīng)寅

（上海市安裝工程集團有限公司，上海，200080）

軌道交通SIO S平臺視頻傳輸技術(shù)改進

應(yīng)寅

（上海市安裝工程集團有限公司，上海，200080）

隨著軌道交通設(shè)備專業(yè)分工的細化，相關(guān)設(shè)施設(shè)備的專業(yè)種類不斷擴張，對于運行操作人員要求專業(yè)集成，系統(tǒng)集成，操作簡易。在業(yè)主需求下，集中控制操作和完全的人機分離是必然趨勢。論文在這樣的現(xiàn)實需求中，完善了較遠距離高清視頻傳輸遇到的瓶頸問題，在不增加過多設(shè)備的條件下，通過一定的技術(shù)論證和實際現(xiàn)場嘗試，妥善地解決了問題。

高清視頻信號長距離傳輸;信號衰減;V G A;D V I-D;SIO S平臺

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.028

1 引言

隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴展，相關(guān)設(shè)備專業(yè)分工的細化，專業(yè)種類不斷擴張，包括機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)等多個專業(yè)。各專業(yè)獨立設(shè)計、獨立配置網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和監(jiān)視終端，使得原本就不寬裕的車站控制室（簡稱“車控室”）內(nèi)出現(xiàn)眾多大小形態(tài)不統(tǒng)一的監(jiān)控終端設(shè)備，不僅影響車控室的布局美觀，還增加了車站值班員的操作管理難度，還會導(dǎo)致誤操作和運營安全隱患。

對于車控室而言，增設(shè)一間輔助機房，工作站統(tǒng)一放在輔助機房的機柜內(nèi)。輔助機房共設(shè)置2臺42U的標(biāo)準服務(wù)器柜，一臺機柜放置各分系統(tǒng)工作站；另一臺機柜放置數(shù)據(jù)服務(wù)器、集成接口單元IIU、網(wǎng)管型3層交換機等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)設(shè)備。相關(guān)輸出設(shè)備（大屏顯示器）集成在一體化操作臺上。鼠標(biāo)鍵盤安放在操作臺下的托盤內(nèi)（見圖1）。

圖1 車控室設(shè)備布局圖

這個方案實現(xiàn)了完全的人機分離，是今后車站車控室設(shè)備安放的發(fā)展方向，但這種方案的實施是需要特別定制工作站與顯示器的連接線。

2 概念介紹

2.1 SIO S平臺

SIOS平臺是車站控制室集成操作（station integration operatesystem）平臺的簡稱。它主要包括車站運營管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)、車站機電集成系統(tǒng)和車站控制室工藝要求（符合人體工學(xué)）等方面的內(nèi)容組成。

在這些內(nèi)容中運營管理和人體工學(xué)的要求都是統(tǒng)一操作、集中顯示和人機分離。通常我們都知道電腦主機必須和顯示器通過視頻線纜連接，而且相互距離不能太遠，視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量與距離成反向關(guān)聯(lián)。

目前,高清視頻信號的傳輸都是以下2種信號傳輸格式的演化或升級。

2.2 V G A傳輸

VGA（videographicsarray）即視頻圖形陣列，是IBM在1987年使用模擬信號的一種視頻傳輸標(biāo)準，在當(dāng)時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這個標(biāo)準對于現(xiàn)今的個人電腦市場已經(jīng)過時。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一個標(biāo)準，個人電腦在加載自己的獨特驅(qū)動程序之前，都必須支持VGA的標(biāo)準。

要提高VGA顯示的效率，就要不斷更新數(shù)據(jù)，同時還要保證實時性，因此需要非常高的接口速度。VGA顯示卡現(xiàn)可達到100Mbps的數(shù)據(jù)更新速度。

通過顯卡功能的提升，現(xiàn)有常規(guī)VGA顯卡都能支持SVGA，它是在VGA基礎(chǔ)上加以擴充，使其支持更高分辨率如800×600、1024×768甚至2 048×1536，這些擴充的模式就稱之為VESA（videoelectronicsstandardsAssociation，視頻電子標(biāo)準協(xié)會)的SuperVGA模式，簡稱SVGA，目前的顯卡和顯示器都支持SVGA模式,VGA接口即為顯卡上輸出高清信號的接口，也叫D-Sub接口，傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。

這種接口的形式和針腳定義見表1和圖2。

表1 V G A斜腳定義

圖2 V G A接口形式

2.3 D V I傳輸

DVI（digital visual interface），即數(shù)字視頻接口。它是1999年由英特爾、康柏、IBM、惠普、NEC、富士通等公司共同組成DDWG（digitaldisplayworkinggroup，數(shù)字顯示工作組）推出的接口標(biāo)準。

DVI是基于 TMDS (transition minimized differential signaling)（轉(zhuǎn)換最小差分信號)技術(shù)來傳輸數(shù)字信號[1]，可以用低成本的專用電纜實現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號傳輸。DVI接口是一種國際開放的接口標(biāo)準，在PC、DVD、高清晰電視（HDTV）、高清晰投影儀等設(shè)備上有廣泛的應(yīng)用。

為達到高清晰度顯示要求，掃描一般采用1080i@60Hz格式 (即隔行掃描，行頻33.75kHz，場頻60Hz，像素頻率74.25MHz)，實際應(yīng)用中為減少行頻變換，所有的視頻輸入格式(如480P、576P、720P等)通過格式變換(Scale和De-interlace等)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1 080i@60Hz格式輸出，即多頻歸一。

DVI接口有 3種類型 5種規(guī)格，端子接口尺寸為39.5mm×15.13mm。

3大類包括：DVI-Analog（DVI-A） 接口，DVI-Digital（DVI-D）接口，DVI-Integrated（DVI-I）接口[2]。

5種規(guī)格包括:DVI-A(12+5)、單連接DVI-D（18+1）、雙連接DVI-D（24+1）、單連接DVI-I（18+5）、雙連接DVI-I（24+5）。

本文討論的是雙連接DVI-D（24+1）的接口，具體接口形式和針腳定義見表2和圖3。

3 應(yīng)用瓶頸及處理方法

3.1 實際應(yīng)用障礙

在實際應(yīng)用中，由于SIOS界面集成的畫面內(nèi)容非常多，一塊22in(1in=25.4mm)顯示器不夠用，如果直接用40in以上的液晶電視屏，一體化操作臺上已經(jīng)有一塊46in液晶電視是給安防視頻監(jiān)控使用的,沒有多余的空位。最后，在調(diào)整多次方案后決定用2塊22in液晶顯示器進行擴屏顯示,按設(shè)計要求畫面分辨率不低于1 920×1 080@60Hz。

表2 D V I針腳定義

圖3D V I接口形式

同時，SIOS工作站使用的是業(yè)主方統(tǒng)一定型的研華ACP-2010MB系列工控機，它的標(biāo)準配置的是SIMB-A01主板，集成英特爾IntelGMA3100圖形加速芯片，帶2路視頻輸出，分別是VGA和DVI的。研華ACP-2010MB工控機2路視頻輸出（VGA和DVI）分別對應(yīng)1塊顯示器。

該人機分離的方案測得實際現(xiàn)場視頻線纜放線路由（從工作站機柜到顯示器）距離為從15～30m不等（根據(jù)不同車站的車控室面積和排布）。

顯示器線纜連接后進行測試，我們發(fā)現(xiàn)連接DVI的那一路顯示器一直報“無視頻信號”。在排除了顯示器設(shè)備故障、工控機設(shè)備故障、線纜斷線等硬件隱患點后，仍然無法解決問題。

3.2 初步原因分析

廠家和項目組的技術(shù)工程師們提出，會不會是傳輸距離導(dǎo)致的問題，我們把工控機放在顯示器旁，利用3m左右的普通DVI連接線連接，果然，雙屏能正常顯示。

根據(jù)英特爾官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，查找到這個集成圖形芯片的核心頻率達到400MHz，提供具備1.6GB/s的紋理填充率，功耗是13.5W。

眾所周知，DVI輸出是數(shù)字高清輸出,相對于VGA的模擬量輸出功耗要求更大，在保證畫面分辨率的情況下，它對于傳輸距離就更加敏感。對于輸出驅(qū)動來說，需要最大限度地減小數(shù)字輸出引腳的容性載荷，但是在信號布線階段，一般不能精確計算容性負載，為方便系統(tǒng)調(diào)試，應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)信號線、行場同步信號線、時鐘信號線到地并聯(lián)電容，根據(jù)PCB材料、信號長度不同，電容值一般在幾十pF即可，這樣就可達到通道負載平衡、數(shù)據(jù)上升沿、下降沿和相位的一致，減少數(shù)字噪聲干擾和抖動。

現(xiàn)在，工程現(xiàn)場的實際測試結(jié)果也證明了，在這樣的集成顯卡使用上，DVI的傳輸距離不宜超過8m。這個傳輸距離的數(shù)值是在測試了3m，5m，10m，15m的同樣規(guī)格，但不同長度的DVI傳輸線后得到的結(jié)果。

3.3 應(yīng)對措施及效果

為了提高傳輸距離，中繼器的使用是首先被想到的，現(xiàn)在DVI轉(zhuǎn)DVI的有源（有外插電源）中繼器很多，我們通過嘗試某品牌有源DVI信號放大器，把5m和8mDVI線纜連接后，還是能正常顯示。但10mDVI線纜就無法正常使用（@1920×1080）。證明了采取單純DVI信號放大的措施，只能使DVI傳輸距離擴展到13m左右，無法滿足現(xiàn)場實際要求。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)這是集成顯卡輸出信號功率太小造成的。

如何在現(xiàn)有設(shè)備的條件下，達到較遠距離視頻信號的傳輸，顯示分辨率又要達標(biāo)，不影響整個工程調(diào)試驗收的要求和進度。筆者和廠家工程師又分析了設(shè)備性能和設(shè)計要求，發(fā)現(xiàn)分辨率1920×1080@60Hz是SVGA（RGB）信號能支持的分辨率，而且從現(xiàn)場實際情況驗證，集成顯卡有一路輸出就是VGA的，它能夠順利的傳輸30m左右距離。

那么現(xiàn)在的問題就是：

1）集成顯卡的第二路輸出（DVI）的輸出功率是不是比第一路(VGA)輸出功率小？

2）在滿足分辨率要求的情況下，是否能將DVI信號轉(zhuǎn)換成VGA信號？

首先，研華工控機的工程師們參考相關(guān)芯片的技術(shù)參數(shù)，明確了2路信號輸出功率是相當(dāng)?shù)模覐男酒瑥S家反饋，在某種工作條件下DVI信號輸出更強。

其次，筆者也找到了一款DVI-D轉(zhuǎn)SVGA（RGB）的轉(zhuǎn)換器（見圖4）。

在解決了上述2個問題后，筆者在現(xiàn)場進行了多次嘗試，利用手里有的不同長度的線纜。最終，找到了一個特定的應(yīng)用范圍：DVI-D輸入側(cè)線纜距離最大5m，VGA輸出側(cè)距離最大25m，顯示分辨率1 920×1080@60Hz。這樣就正好覆蓋了現(xiàn)有車站視頻線纜傳輸距離的范圍。

圖4 D V I-D轉(zhuǎn)V G A轉(zhuǎn)換器

4 結(jié)語

采用本方法改進了純DVI信號傳輸距離不長，過長距離傳輸又會造成信號衰減和畫質(zhì)降低等現(xiàn)場實際障礙。雖然這種改進只是將高清數(shù)字視頻信號的傳輸距離從原先的不大于10m，延展到了近30m，但其中的意義在于：

1)它讓SIOS系統(tǒng)的人機徹底分離成為了現(xiàn)實；

2)這種方法的實現(xiàn)是在極少或不增加設(shè)備成本的條件下實現(xiàn)的，有一定的現(xiàn)實經(jīng)濟意義和工程推廣的可能。

【1】馮永茂，丁鐵夫.數(shù)字視頻接口DVI1.0[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2003(9)：54-55.

【2】崔選選，曹先國.數(shù)字視頻接口技術(shù)[J].兵工自動化,2005(6):102.

Video Transmission Technology for SIOS Platform

YINGYin
(Shanghai Installation Engineering GroupCo.Ltd.，Shanghai 200080，China)

Withtherefinementofrailequipmentsystem,specially,kindsofrelatedfacilitiesare expanded, the requirementsin operation areprofessional integration, systems integration and convenient operate. For such owners' demands, centralized control operation and fullyman-machine separation is an inevitable trend.This article iswritten about anHDvideo transmission for SIOS platform,which give a path fortheman-machineseparationbottlenecks.Withoutaddingtoomanycosts,wegetthetarget.

HDvideosignalinlongdistancetransmission；signalattenuation；VGA；DVI-D；SIOSplatform

TU29-39

B

1007-9467（2016）09-0105-04

2016-04-18

應(yīng)寅（1977～），男，浙江定海人，高級工程師,從事工業(yè)自控系統(tǒng)調(diào)試及軟件集成與開發(fā)研究，（電子信箱）1158773261@qq. com。