一种基于FC—AV 的可配置图像传输系统设计

    杨可

    摘要：针对航电系统中多种格式图像传输的要求，设计了一种基于FC-AV的可配置图像传输系统。首先分析了FC-AV协议的容器系统，然后描述了图像传输的关键技术。在对图像传输需求进行分析和计算的基础上，介绍了可配置图像传输系统的架构，为同类图像远距离传输应用提供了借鉴的解决方案。

    关键词：FC-AV1；可配置2；图像传输3；传输带宽4

    中图分类号：TP331.2 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0258-03

    Abstract： Aiming at the requirment of multiple formats graphic transmission in avionics system， we design a configurable graphic transmission sytem based on FC-AV. First analyse the container system of FC-AV， then describe the key technologies of graphic transmission. On the basis of analysis and calculation of graphic transmission demand， we introduce the architecture of configurable graphic transmission system， this provides reference for similar long distance graphic transmission application.

    Key words： FC-AV1； configurable2； graphic transmission3； transmission bandwidth4

    1 引言

    在现代航电系统中，主要显示设备为了支持视频画面的平滑刷新和清晰的文字显示，需要传输高分辨的画面。[1]

    为了应对日益紧迫的高性能数字视频需求，需要在视频源和目标之间建立一条高带宽、低延迟、远距离、安全可靠的传输通道。FC-AV音视频协议时光纤通道协议标准的一个子集，将音视频数据映射至FC序列，使得在光纤通道上传输音视频成为可能。[2]

    针对航电系统中多种格式图像传输的要求，本文在介绍FC-AV协议的基础上，设计了一种基于FC-AV的可配置图像传输系统。通过描述图像传输的原理和关键技术，对系统的图像传输需求进行了分析，根据分析结果完成了图像传输系统的设计。

    2 FC-AV协议分析

    FC-AV协议定义了一个FC-AV容器系统，通过该系统规定了数字音、视频到FC帧格式的映射规则。FC-AV容器系统包含容器头、辅助数据、音频数据和视频数据，一个容器包含一个视频帧[3]。FC-AV协议将一个容器的数据分解为多个数据包，这些数据包包含在FC-AV帧中进行传输，数据包的大小不超过FC-AV帧的最大负载2112字节。容器系统到FC帧的映射关系见图1。

    3 图像传输分析

    基于FC-AV协议的图像传输就是将标准的图像转换为FC-AV帧进行发送，在接收端将接收到的FC-AV帧按照图像格式组织后进行显示输出。传输原理见图2。

    为了保证图像既能高效率的传输，又能按照标准格式连续的显示输出，对图像传输中的关键技术进行分析。

    3.1 分帧原则

    对于发送端口，根据设定的分辨率格式、像素信息、链路速率等图像格式定义，将图像帧按照设计的分帧原则进行封装并提交到FC链路。

    由于需要传输的图像分辨率不同，需要传递的数据大小也不同。FC-AV协议中并未规定数据分解的方式，在实现时既可以按照FC-AV帧的最大负载2112字节进行分帧，也可以按照视频行进行分帧。

    以SXGA格式的彩色视频（1280×[email protected]，24bit RGB）为例，每行数据大小为（1280×24）/8=3840字节，总数据大小为1024×3840=3.75M字节。如果采用最大负载进行分帧，总共需要1861个最大FC-AV帧和1个负载为1728字节的FC-AV帧；如果采用视频行进行分帧，总共需要2048个负载为1920字节的FC-AV帧。

    3.2 接收原则

    接收端口获得的图像格式定义必须与发送端口一致，接收端口将收到的FC-AV帧中的数据按照图像格式定义重组后显示输出。显示输出分为按视频帧显示和按视频行进行显示。

    视频帧显示需要定义视频帧大小的接收缓冲，在接收到完整的视频帧后才能显示；视频行显示需要定义视频行大小的接收缓冲，在收到视频行数据后立即驱动显示。

    3.3 传输带宽分析

    为了保证图像显示的连续性，输出图像必须符合图像刷新频率的要求。如果图像以60Hz的刷新频率显示输出，则数据的采集时间为16.7ms（1/60ms），在此时间内必须将完整的一个图像传送到输出端。

    从图2可以看出，图像传输经过输入图像转化为FC-AV帧和FC-AV帧转化为输出图像两个过程，图像传输的带宽也分为输入图像带宽、FC传输带宽和输出图像带宽。由于输出图像的格式定义必须和输入图像的格式定义保持一致，输入图像的带宽和输出图像的带宽相等。当FC传输带宽小于输入图像带宽时，图像无法按照要求的时间传送到输出端，图像显示错误；只有当FC传输带宽大于等于输入图像带宽时，图像才可以连续的正确显示。

    4 图像传输系统设计

    4.1 需求分析

    系统要求传输的图像格式包括800×600、1024×768、1280×1024、1400×1050、1600×1200五种分辨率图像，像素大小为24bit，刷新频率为30Hz或60Hz。设计的图像传输系统必须满足所有图像的实时传输并根据需要传输的图像格式进行切换。

    对要求传输的图像从分帧数、接收缓存和传输带宽三个方面分析后得到表1。从表中可以看到，在发送端按照最大负载2112字节进行分帧可以有效的节约FC-AV帧的数目，最快地将图像传递到接收端；在接收端按照视频行进行显示可以极大地减少所需要的缓冲区大小；从计算得到的传输带宽可以看出，使用传输带宽为212.5MB/s的2.125Gbps速率FC无法满足所有视频的传输要求，需要使用传输带宽为425Mb/s的4.25Gbps速率FC进行图像传输。

    4.2 传输系统设计

    根据上节分析，在发送端使用最大负载2112字节进行分帧，在接收端按照视频行进行显示，选择4.25Gbps传输速率的FC进行数据发送。设计的传输系统架构见图3。

    在图像发送端，图像采集单元按照定义的图像格式从图像源采集图像数据，图像存储单元将采集到的图像数据进行存储，分帧单元按照定义的图像格式将图像数据组织成FC-AV帧，FC-AV发送单元将组织好的FC-AV帧发送到FC链路上。

    在图像接收端，FC-AV接收单元对收到的FC-AV帧进行校验和数据提取，将提取出的图像数据存入数据存储单元，图像组织单元从数据存储单元读取数据并根据定义的图像格式将数据恢复成视频行，图像驱动单元将恢复的视频行驱动到显示屏进行显示。

    分帧单元将图像数据按照最大负载组织好后即可发送，图像组织单元将数据恢复成视频行后即可驱动显示，此方式的延迟时间为一个视频行对应的时间，实时性好。

    在系统初始化时，图像源首先将需要传输的图像格式定义写入图像格式单元，然后使用复位信号复位整个图像传输系统，最后启动图像源输入和显示屏接收。当需要进行图像格式切换时，由图像源将切换后的图像格式定义写入图像格式单元，然后复位整个图像传输系统，随后传输系统按照新的图像格式定义进行图像传输。

    5 总结

    本文在分析FC-AV协议的基础上，经过分析和计算图像传输的需求，设计实现了一种可配置图像传输系统。该系统支持多种格式图像的实时传输和显示，为同类图像远距离传输应用提供了一个值得借鉴的解决方案。

    参考文献：

    [1] 刘浩，田泽. FC-AV协议及实现方法研究[J]. 计算机技术与发展，2012， 22（7）： 1-4.

    [2] 奚军，柴小丽. 航空电子数字视频总线技术研究[J]. 计算机工程，2008（34）： 154-156.

    [3] 王红春. 基于FC的航电数字视频传输技术研究[J]. 计算机技术与发展，2010， 20（5）： 250-253.

    [4] 杨建新，彭海军，金石娇. 数字视频总线在综合航电系统中的应用研究[J]. 航空计算技术，2014，44（3）：109-112.

    [5] 温世杰，刘康，柳邦奇，等. 基于ARINC818的航空视频发送接收系统设计与实现[J]. 电光与控制，2015，22 （8）： 90-92.

    [6] 朱志强. 航电系统中基于ADVB的数字视频传输技术研究[J]. 测控技术，2014，33（6）： 103-106.