基于FPD-Link Ⅲ的機載高速視頻信號切換與補償研究

蘭 天，楊偉櫻，劉月

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著航空技術的不斷發展，各型飛機憑借自身不受地形地貌限制的優勢在國防、民航等各領域大放異彩。為了保證飛機飛行的安全，飛行員需要實時觀察各類型視頻信號保證飛行安全。與此同時視頻信號朝著傳輸速率更快、分辨率更高、線路更少的方向迭代。因此能同時在不同顯示器上顯示相同的視頻畫面，并且能實時切換各路視頻通路，提供高質量的視頻畫面，為多人同時協同工作提供了工作平臺，且完成了數據顯示的通道備份，安全系數增高[1]。

傳統實現視頻切換的方式主要是基于CPLD/FPGA 的實現方式[2-3]，該方式需要對輸入視頻信號先解碼為RGB 并行信號，完成切換操作后再對該RGB 信號進行重新編碼。該步驟需要掛載多片緩存芯片，當輸入、輸出視頻通路較多時，對應的編解碼芯片與緩存芯片個數都需增加，功耗大大提高，且FPGA 芯片管腳有限，當視頻路數較多時容易達到掛載上限，制約功能擴展。

機載系統中常用的視頻格式包括：XGA、DVI、HDMI、LVDS 與ARINC 818 等視頻信號。XGA 作為模擬信號，視頻質量較差，傳輸速率較慢，并且機上環境惡劣，容易受到干擾[4]；DVI、HDMI、LVDS 作為數字差分信號[5-6]，具有較好的抗干擾能力與顯示效果，當含有多路視頻時，上述數字差分信號均存在數據線過多、連接器與航插定義不夠等問題。ARINC 818 作為新一代航空數字視頻總線[7]，具有傳輸速率高、抗干擾能力強等優勢，但其作為光信號，傳輸需要光纖介質，傳統電纜無法滿足其傳輸要求，另外須在視頻發送端與屏幕顯示端增加光電器件對光信號進行電－光/光－電轉換，增加現場可編程門陣列（FPGA）對視頻信號進行ARINC 818 協議的編解碼操作，速率越高，開銷越大。

FPD-Link（Flat Panel Display Link）[8]是在1996年提出的一種高速數字視頻接口標準。LVDS 作為第一代的FPD-Link 信號，相較于RGB 并行信號而言，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點。第二代FPD-Link 被稱為FPD-Link Ⅱ，采用SerDes 的接口，取代了第一代使用的LVDS 7:1 接口，只需1 對差分傳輸線便可完成數據與時鐘信號的傳輸。FPD-Link Ⅲ作為第三代FPD-Link[9]，在向下兼容FPD-Link Ⅱ的基礎上，增加雙向通信功能，并支持在鏈路上傳輸I2C 和CAN 等低速總線信號，且只支持SerDes-CML（Current Mode Logic）電平接口，這使其在3Gbps 的傳輸速率下理論上仍可實現10 m 的通信距離，在保證高速傳輸的情況下極大縮減了電纜與連接器的接口需求[10]。以1 路24 位RGB 編碼的視頻信號為例，表1對比了各個機載視頻信號的特性。通過上表可以看出，在綜合考慮各個機載視頻信號的特點后，FPD-Link Ⅲ明顯優于其余視頻信號，因此本文提出一種基于FPD-Link Ⅲ的高速視頻信號切換的設計方案，利用單片機作為接收切換控制信號的主控芯片，利用高速交叉開關芯片作為切換功能與信號處理的核心芯片，實現兼容多種視頻格式輸入的高速視頻信號切換模塊的設計，大規模擴展了視頻通路并有效降低功耗與硬件成本，且具有較強抗衰減能力。

表1 常用機載視頻信號特性比較

1 系統設計方案

本文設計的視頻切換模塊，主要完成對視頻的輸出選擇控制，兼容1 路XGA 視頻、1 路DVI 視頻、1 路HDMI 視頻、1 路LVDS 視頻與8 路FPD-Link Ⅲ視頻輸入（分辨率為1 024×768@60 Hz），完成對這12 路輸入視頻的切換選擇并實現最多12 路FPD-Link Ⅲ視頻輸出。切換控制指令通過SPI 總線由CPU 發送至單片機MCU，再通過SPI 總線由單片機MCU 對交叉開關進行配置，實現任意1 路輸入視頻在任意1 路或多路通道的輸出。同時單片機還需對各編解碼芯片根據視頻分辨率進行相應配置，主要由XGA、DVI、HDMI、LVDS 視頻解碼電路和FPD-Link Ⅲ視頻編碼電路與切換電路以及時鐘、電源、復位電路等組成。系統功能框圖如下圖1所示：

圖1 視頻切換系統功能框圖

2 系統硬件設計

分析圖1所示系統框架可知：視頻切換系統的主要功能是實現FPD-Link Ⅲ視頻信號的任意路由以及廣播多播，同時兼容4 種常見的機載視頻格式輸入。該硬件系統可分為：時鐘電源復位電路、主控制電路、視頻格式轉換電路、視頻切換電路4 個部分構成。

2.1 時鐘、電源、復位電路

本系統選擇晶振SG7050CAN單片機提供8M工作時鐘，采用2 片LTM4616IV#PBF 為系統轉換各個工作電壓，1 片負責5 V 轉3.3 V，為各個芯片提供電源供電與上拉電壓，另1 片負責5 V 轉2.5 V、1.8 V 電壓，為各個編解碼芯片提供工作電壓和IO 電壓；選用TPS74401 芯片提供模擬1.8 V 電壓，為芯片提供模擬/鎖相環電壓；此外選用MAX706 為該模塊提供復位信號。

2.2 主控制電路

主控制電路由主控制芯片以及外圍電路構成，處理器選用意法半導體STM32F103RBT7。該MCU 主頻達到72 MHz，內置128 K FLASH 與20 K SRAM，支持2 路SPI、2 路I2C、3 路USART、1 路USB 與1 路CAN 共9 條5 類總線，便于控制視頻切換模式的選擇以及視頻編解碼芯片的配置。

在本系統設計中，利用MCU 的1 路SPI 總線與2 路I2C 總線完成以上控制操作。1 路SPI 總線用來接收外部（CPU 模塊或JTAG 調試接口）切換命令；1 路I2C 總線完成對視頻編解碼芯片配置，使其滿足當前分辨率下視頻流的解碼與編碼操作；另1 路I2C 總線完成對高速交叉開關芯片模式的初始化與切換配置。

2.3 視頻格式轉換電路

本系統選用的高速交叉開關輸入、輸出通道均只支持PECL/CML 電平的差分信號，為了兼容其他視頻格式，需要對XGA、DVI、HDMI、LVDS 這4 種視頻格式進行轉換為FPD-Link Ⅲ視頻信號。

（1）XGA 解碼器采用ADV7403，該芯片可將外部輸入的模擬視頻信號解碼為24 位的數字RGB 信號，最高支持1 280×1 024@60 Hz 分辨率的VESA 格式視頻數據；

（2）DVI 解碼器采用TFP401，最高支持UXGA 方式，分辨率最高支持1 920×1 080@60 Hz；

（3）HDMI 解碼器采用ADV7612，該芯片支持雙路高清多媒體接口（HDMI），最高支持1 600×1 200@60 Hz 顯示分辨率，可輸出YCbCr 或RGB 2 種解碼信號；

（4）LVDS 解碼器采用SN75LVDS83 接收器，支持接收一組18/24 位色的LVDS 信號，最大分辨率支持1 280×1 024@60 Hz；

（5）FPD-Link Ⅲ編碼器選用DS90UB925Q，支持5～85 MHz 像素時鐘頻率的24 位RGB 并行視頻信號轉換為FPD-Link Ⅲ高速視頻信號。對DS90UB925Q 的VDDIO 按照1.8 V 電壓供電用以滿足在后端選用的高速信號交叉開關的電平要求。

2.4 視頻切換電路

視頻切換電路為本系統核心電路，根據方案設計要求，需要使用輸入、輸出各12 端口的高速差分交換芯片作為切換電路核心，ADN4612 芯片是一款12×12 高速差分信號交換芯片，擁有12 路差分PECL/CML 兼容輸入和12 路差分CML輸出，每個端口的數據速率最高達11.3 Gbps，支持輸入通路的任意路由并支持多播和廣播模式，滿足項目開發需求。

在本設計中采用MCU 對外部SPI 總線接收相關指令，再通過I2C 總線對交換芯片寄存器進行配置轉換，使得切換配置既可初始化設置，又可按照主機要求按需切換。ADN4612 芯片內含256 個寄存器，可適應多種工作需求下的模式設置，包括對FPD-Link Ⅲ信號進行預加重、均衡等多種增強操作，均可通過I2C 總線由MCU 進行配置。

3 系統軟件配置

本系統的軟件配置主要分為以下三個部分：視頻解碼芯片配置、視頻編碼芯片配置、視頻切換芯片配置。

3.1 視頻解碼芯片配置

芯片ADV7403、ADV7612 可根據不同配置對不同制式的視頻信號進行解碼處理，因此需要根據對輸入、輸出的視頻格式、刷新率、視頻增強、偏移等功能對相應芯片的寄存器進行配置，使其符合系統設計需求。這兩種解碼器均留有I2C 接口，可以通過MCU 進行寄存器配置，更靈活地實現視頻信號格式、質量的調節。其余解碼器通過外部電路配置即可滿足要求，不再需要通過寄存器配置。

3.2 視頻編碼芯片配置

編碼器DS90UB925Q 可將并行RGB 信號編碼為FPDLink Ⅲ信號，考慮后端交叉開關芯片需求與傳輸距離要求，可對該編碼器進行接口、時鐘采樣、工作模式、去加重等功能進行配置。同樣的該芯片留有I2C 接口，仍可通過MCU 對其進行寄存器配置。

3.3 視頻切換芯片配置

視頻切換芯片采用高速交叉開關ADN4612 實現，除完成對信號的任意路由及廣播功能的配置之外，還承擔著對信號質量增強并實現軟距離傳輸的功能。信號速率越高，高頻信號的趨膚效應越明顯，高頻成分衰減較大。且信號在板間及整機間傳輸，插損、回損會極大地影響信號完整性，因此需要對信號進行補償，即在接收端進行均衡處理，在發送端進行預加重處理。

根據芯片相關信號傳輸眼圖，由圖2、圖3可以看出，當高速信號未進行均衡或預加重處理時信號的高頻分量衰減很大，信號質量受到嚴重影響。而分別進行均衡與預加重操作后，信號質量有了明顯改善。本系統傳輸的1 024×768@60 Hz 的FPD-Link Ⅲ信號速率大致在2 Gbps，屬于高頻信號，傳輸過程中高頻分量衰減嚴重，且接收的來自外部的8 路FPD-Link Ⅲ信號質量不可控，故需要對輸入信號進行均衡、對輸出信號進行預加重處理。

圖2 高速信號在不同均衡配置下傳輸1 米時的眼圖

圖3 高速信號在不同預加重配置下傳輸1 米時的眼圖

根據手冊對地址從0×20 到0×88 的寄存器進行預加重與均衡配置，令FPD-Link Ⅲ信號幅值增加、增益增強，滿足機上遠距離傳輸需求。在系統調試中，預加重操作按（003B）13.98 dB 增益配置，均衡操作按反向（0xD）12 dB、正向（0xD）9 dB 增益配置。在整機輸出端連接10米長電纜后端測得任意1 路FPD-Link Ⅲ視頻信號的信息，仍具有較好的完整性，碼間串擾與噪聲影響較小，說明均衡、預加重操作配置可以較好地解決高頻分量衰減的問題，視頻圖像可以穩定顯示無抖動、閃屏、偏色等問題，表明系統工作狀態良好。

4 結語

綜上所述，本文設計并開發了一種基于FPD-Link Ⅲ的機載高速視頻信號切換系統，通過分析FPD-Link Ⅲ相較于其余機載視頻信號的優勢，確定了本方案的實用性與優勢，且考慮到目前常用的相應機載視頻信號，通過兼容性設計可以兼容VGA、DVI、LVDS、HDMI等4種視頻格式輸入，便于對現有設備進行替換。方案介紹了整體系統架構與各個功能模塊的芯片選型，并給出了實際應用下對于高速信號補償的寄存器配置。通過實際測試與驗證可以表明：本系統可以實現1 024×768@60 Hz 分辨率的12 路視頻的任意切換與廣播功能，在經過遠距離傳輸后視頻顯示穩定、無閃爍、無偏色，取得了預期效果。