機載娛樂系統的設計

吳文柯

摘 要：通過分析和設計整個娛樂系統不同功能區域的硬件、軟件，提出了一種整艙機載娛樂系統設計方案，摒棄了傳統機載娛樂系統射頻模擬信號與數字通信信號并存的傳輸模式，使用單一的全數字化信息傳輸模式構建整艙娛樂通信以太網絡，從而為所有旅客提供統一的機載信息交互娛樂項目，包括視頻、音頻和游戲等。這是一種能滿足不同型號民用航空器的通用機載娛樂系統設計方案。

關鍵詞：機載設備；娛樂系統；數字信號傳輸；網頁界面

中圖分類號：V245 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.013

文章編號：2095-6835（2016）20-0013-03

機載娛樂（IFE，In-flight Entertainment）系統是指航空旅行中在機艙內為旅客提供任何可能的娛樂實現手段。它是民用航空飛機客艙系統的重要組成部分，其性能是旅客判斷航空公司服務質量的重要標準之一，世界各航空公司為此花費巨額資金采購、修理、維護和升級機載娛樂設備等。機載娛樂系統的主要功能性需求包括用戶界面與操作互動、多媒體播放（視頻播放與音頻播放）、游戲娛樂和實時地圖等幾個方面。

1 機載娛樂系統設計

在設計機載娛樂系統時，要考慮到其復雜的使用環境，因此，嵌入式設備的功能實現設計會相對復雜。本文主要結合娛樂系統的機載特性和系統基礎需求，在此基礎上分析了各功能模塊的實現方案和所涉及的軟硬件設計，包括用戶界面與操作互動、多媒體播放（視頻播放和音頻播放）的主要功能。

1.1 用戶界面與操作互動

用戶界面與操作互動包括系統圖形界面和用戶的輸入與輸出。隨著操作系統的圖形化發展，圖形界面不僅是衡量一個操作系統性能的重要因素，還成為了系統的必要基本功能。在圖形設計上，追求簡潔明快、優美絢麗，符合大眾化的審美需求，在界面操作上也強調便于用戶操作使用、易于實現功能需求。一般情況下，用戶的輸入與輸出有2種模式——按鍵輸入和觸屏輸入。考慮到機載娛樂系統使用目的的相對單一性，兩者的功能設定與圖形系統的設計以及其各個界面的功能定義有緊密的聯系。

用戶界面的實現一般分為2個部分，即用戶的輸入操作和圖形界面的輸出顯示，具體如圖1所示。

如圖1所示，輸入方式主要依靠娛樂手柄實現，通過按鍵探測電路檢測，并將信號提供給系統處理器，同時，也可以通過點擊LCD屏幕上附著的觸摸板操作系統。觸屏信號是由觸屏控制芯片和相關驅動程序處理的，將觸點的坐標信息提供給系統處理器，再將幾何坐標位置對應到當前界面的控件元素，并將觸擊信息翻譯為對應的控件點擊事件。用戶的面板按鍵信息是由按鍵偵控電路檢測的，并提供給系統處理器。系統應用根據當前界面的設置，處理相對應的按鍵信息。系統圖形的繪制由系統處理器實現，通過LCD控制器即顯示控制器組件，將數字化的圖形信號通過LCD顯示出來。

另外，還可以從軟件結構的角度入手分析用戶界面功能。如圖2所示，系統功能實現包括以下幾點：①系統操作輸入（UI input），系統操作控制的輸入包括手柄輸入和觸摸屏輸入；②系統服務（system service），提供相應的系統運算處理；③功能應用（application），完成基本功能的邏輯實現、操作輸入信號（touchscreen/handset）的響應處理、系統服務的調用與反饋輸出，以及界面的顯示與輸出；④HMI框架（HMI framework），通過HMI框架功能應用才能最終實現界面圖形的繪制；⑤顯示驅動（display driver），用以最終實現完成繪制后的界面圖形在LCD的輸出。

1.2 音頻功能設計

在傳統機載娛樂系統中，音頻功能的設計基本離不開信號源的輸入，通過對不同音頻信號源的不同處理、放大后，最終輸出到旅客耳機中，完成音頻娛樂系統的實現。目前的輸入信號源有以下2種：①外部廣播信號，播放安全須知等，由上位機發送面向所有用戶的廣播時發送的相關音頻數據信號；②軟件音頻解碼輸出，即系統處理器產生的音頻數據，主要有存儲于本地的視頻和音頻媒體文件播放。音頻功能輸入與輸出的實現如圖3所示。

要想實現音頻功能，需要使用高性能音頻處理芯片（Audio DSP）。這一類芯片一般會支持多路音頻（數字或模擬信號）的輸入，音頻輸入通路的選擇與控制，音頻信號的處理以及數模和模數轉換。

如圖3所示，對應不同的音頻輸入信號源，音頻處理芯片會自動給予不同的處理模式。例如，安全須知和所有通過娛樂系統控制中樞——視頻控制面板發送出的音頻信號，這些都屬于外部信號，通過用戶終端附帶的音頻處理芯片轉換至基帶模擬信號后，通過放大器放大信號，并由耳機輸出。而另一種通過對本地多媒體文件解碼后產生的音頻信號同樣在傳輸進音頻處理芯片后需要經過數模轉換，并經過放大器放大處理后傳入到旅客耳機中。

1.3 視頻功能設計

對于機載娛樂系統的視頻功能，其視頻信號源全部是數字視頻信號，可分為2種，即外部廣播視頻信號和本地多媒體信號，具體如圖4所示。

外部廣播視頻信號是由頭端的數字存儲服務組件，通過系統中的上位機——娛樂系統控制中樞（ICMT）操作后發送的各類多媒體文件視頻數據流。它發送的主要是安全須知類演示廣播視頻。這類信號經編碼并壓縮后，通過以太網局域網絡分配并傳輸至各個旅客座椅終端接收，并解碼處理后顯示出來。

本地多媒體信號源自終端內部的存儲設備，比如安全數碼卡（SD卡），它們的被處理方式與解調后的外部廣播視頻信號完全相同，都是通過顯示處理器解碼后顯示輸出給用戶。

2 終端系統平臺軟件設計

終端系統在軟件上分為操作系統軟件和應用軟件。操作系統的設計更多針對的是現有的開源系統，基本上是基于Unix或Linux開發的后續開源系統。比如Andriod系統，其優點在于兼容性好，便于模塊化設計。考慮到記載娛樂系統對于飛機信息存儲的安全性，目前的策略是不將開源系統的底層操作界面開放給用戶，而是在此基礎上覆蓋一層應用軟件制作的界面，如圖5所示。因此，在此次設計中，將界面HMI設計歸類于應用軟件內。應用軟件分為娛樂與播放軟件和HMI界面設計。

機載娛樂系統應當避免用戶終端對整個機載網絡有意或無意造成的威脅，所以，在為終端用戶提供信息服務時，一定會對終端的部分功能進行信息限制。因此，這里使用的是一種以網頁頁面為用戶界面，通過瀏覽器的全屏化功能，在原有操作系統界面上另行覆蓋一層全新的界面層，實現系統與網絡信息的安全保護的界面設計。如此一來，即保證了系統的安全性，也節省了開發界面所需要的時間，所有的界面都可以通過網頁制作完成，開發人員只需有網頁開發經驗而無需積累Andriod系統界面開發經驗。通過Eclipse+ADT+SDK最終將開發完成的網頁與系統設置打包成為一個應用APP，再在Andriod系統中安裝即可完成。要想實現以上設計，就需要使用到目前瀏覽器的一個功能——KIOSK，即全屏界面化模式。

界面設計是基于網頁制作，通過javascript語言嵌入web網頁中，以完成某些特定的事件，達到界面效果。因此，只需要明白網頁編寫的格式，即使是記事本也可以成為網頁編譯的軟件。通常來說，如果一些固定格式的語句能通過首字母庫來選擇，那么，無疑會給我們的編寫工作帶來極大的便利。所以，在界面程序編譯軟件方面，選擇使用JetBrains WebStorm 9.0.3，編譯界面如圖6所示。

瀏覽器是此次娛樂系統界面設計的重點之一，它是實現界面功能的平臺和基礎。鑒于此次設計是基于Andriod平臺而實現的功能界面，所以，在移動客戶端被廣泛使用的瀏覽器軟件是google chrome。

終端界面的設計是從用戶對產品的使用要求和功能要求出發，針對用戶在使用娛樂系統時希望得到的功能體驗設計簡潔明了的人機交互界面。

3 終端系統平臺硬件設計

用戶娛樂終端的設計是等效于一個高性能的平板電腦，其內部功能和結構設計也與平板電腦大致相同。它整合了網卡、視頻顯示模塊、觸摸屏操作模塊、音頻輸出模塊和數據存儲功能，負責接收并處理局域網傳輸來的信息，例如點播電影的更新、安全須知、入境須知等視頻信息都需要用戶娛樂終端來負責接收、解壓并解碼信息，從而完成視頻的播放。同時，它還能完成音頻數字信息的接收，并將其轉換成模擬信號傳送至耳機中，實現音頻點播功能。

4 網絡傳輸設計

網絡傳輸設計被分為頭端網絡設計、傳輸端網絡設計和座椅端網絡設計三部分。

4.1 頭端網絡設計

頭端硬件主要包括數字服務組件（Digital Server Unit）、集線器（Configuration Plug）、機載下行接口控制器（Legacy Aircraft Interface Controller）和交互式客艙管理終端（Interactive Management Terminal）。

從功能需求的角度來看，頭端網絡主要由文件服務器、娛樂系統控制中樞和娛樂系統對飛機的接口服務器組成，功能是存儲大量的視頻、音頻備份文件。它是更新娛樂系統座椅端本地信息的服務器，也是整個網絡信息交互的總節點，因此，對頭端網絡設計提出的要求是足夠大的傳輸帶寬和較快的傳輸速度，以滿足整個網絡巨大的數據吞吐量。

圖7為頭端設備網絡連接情況，其中，ICMT作為局域網維護管理和機組互動界面計算機，被分配至唯一的特定網絡地址，4臺DSU通過光纖與集線器實現物理連接。LAIC的作用是混音與信息優先權判斷，通過千兆網與之實現數據通信，它們使用的都是IEEE802.3z標準，所不同的是前者使用的是62.5 um多模光纖（1000Base-LX）傳輸，其工作波長范圍為1 270～1 355 nm。而后者通過150 Ω屏蔽雙絞線（1000Base-CX）連接集線器。

由于頭端設備都被整合在電子艙一個固定的設備架上，相互之間通信距離很短，無論是光纖還是屏蔽雙絞線都無需增設增益設備，同時，固定的布線也在一定程度上保證了光纖的安全性和物理性。通過集線器，這四者能以平均傳輸速率1.25 Gbit/s的速度傳輸數據，并實現4臺DSU的相互訪問。

4.2 傳輸端網絡設計

整套娛樂系統從設計初起就定位為全數字化傳輸的機載設備，傳統的傳輸射頻信號的同軸電纜會被更廉價、傳輸帶寬更高的屏蔽雙絞線和光纖代替。網絡傳輸端設備主要是網絡交換機和冗余硬件，考慮到整個局域網可能會使用到不同的傳輸協議，作為主要數據交換設備的區域分配盒（Area Distribution Box）必須擁有網橋的功能。同時，為了保證系統的冗余性，通過網絡中繼設備（FDB）連接相鄰局域網，在物理層形成備用鏈路。

傳輸端網絡的功能是保證從用戶子網絡到頭端或者從頭端到用戶子網絡的信息能完整而快速的傳達，因此，在傳輸速度和帶寬上與頭端網絡有著基本相同的要求。

網絡傳輸端的設計其實就是構建一個用戶數量為306個的局域網的設計，它主要是由區域分配盒（ADB）、網絡中繼盒（FDB）和四端口座椅控制盒（QSEB）組成物理層分配和傳輸網絡，每臺ADB與系統的集線器使用62.5 um多模光纖連接，而ADB與其下連接的各個FDB和QSEB則使用150 Ω的屏蔽雙絞線連接。在傳輸協議標準和傳輸導線的材質上，與頭端傳輸設備所用的相同。

從整個娛樂系統的網絡結構上來說，系統的用戶網絡是由6個存在互為冗余的獨立局域網組成，而組成每個局域網的核心設備就是ADB。

ADB是整個娛樂系統中最主要的網絡交換設備，是支撐起單獨區域的用戶局域網。同樣的ADB在系統中有6個，它們被安置在客艙天花板的裝飾板內，如圖8所示。左起第一個、第二個ADB負責頭等艙的2個局域網，其余的負責經濟艙局域網，以此構建起6個兩兩相互連接、互為冗余的獨立局域網，而他們所有的通信信號源和訪問信號源都位于頭端設備中的4臺文件服務器DSU中。考慮到文件服務器的負載問題，對目標服務器地址進行了交錯設置。

盡管與集線器相連接的光纖總纜在物理上確實是通過串聯的方式逐次連接每一個ADB，但在網絡的信號傳輸過程中，通過光纖傳輸的復用技術，每一個ADB使用相鄰固定波段的光信號傳遞信息，因而上游ADB失效并不會影響下游ADB的通信。另外，無論是不同還是相同局域網區域的用戶與用戶之間也無法相互訪問。換言之，當所有ADB都正常工作時，它們中的任何一臺ADB是無法分配任何信息給位于除它之外其他ADB區域下的用戶，反之亦然。

4.3 座椅端網絡設計

座椅端網絡需要完成從用戶本地（即座椅娛樂終端）到主干網絡（傳輸端網絡）的數據傳輸。相對于傳輸端網絡，座椅端網絡的數據傳輸吞吐量會小得多，因此，百兆的傳輸速度完全夠用。同時，考慮到布線情況更加復雜，對傳輸材質的性能也有了相應的變化。

如圖9所示，用戶娛樂終端的信號來源于四端口座椅控制盒（QSEB），它們之間通過IEEE802.3u標準的100Base-T百兆以太網連接。盡管QSEB屬于網絡連接設備，但是，QSEB與座椅終端的關系十分緊密，每一個QSEB能至多為4套用戶終端提供數據鏈路。在實際設計中，并不是完全連接至最大允許連接數，這取決于QSEB所在座位行的實際座位數。

5 結論

本文提出了一種提供整艙信息交互的娛樂系統設計方案，并且摒棄了傳統的2種通信模式并存的數據傳輸方式（射頻模擬信號傳輸和數字傳輸并存），使用全數字信息傳輸模式，并以此構建整艙以太網絡，為所有乘客提供一致的交互式娛樂服務。該系統能夠承擔起面向所有乘客的點播、娛樂等交互需求。針對不同艙位的乘客，僅會在用戶感知方面（比如顯示屏尺寸、手柄按鍵排布和座椅舒適度等）有所不同，在功能上，不同艙位的用戶都提供同樣的服務內容。全數字化機載娛樂系統相對于傳統的雙模式傳輸娛樂系統（數字和模擬傳輸并存），有著結構簡單、組件耐用性強、響應時間短等優點，是機載娛樂系統發展的必然趨勢。

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