房　川，程雷陽(yáng)，湯俊芹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015)

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軌道交通乘客信息系統(tǒng)中HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的應(yīng)用

房川，程雷陽(yáng)，湯俊芹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015)

在軌道交通乘客信息系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)乘客信息系統(tǒng)視頻分配與傳輸環(huán)節(jié)的特殊環(huán)境，為了提升原有系統(tǒng)的抗干擾特性，將HDMI高清視頻傳輸應(yīng)用到乘客信息系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)HDMI高清數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮和降頻，使HDMI信號(hào)的傳輸距離提升至百米級(jí)，同時(shí)在滿足以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的提前下，保證了視頻圖像的清晰度，此外，同側(cè)拉手傳遞的顯示方案采用“無(wú)源通過(guò)”技術(shù)，從而保證了單點(diǎn)故障不擴(kuò)散，該設(shè)計(jì)目前已在武漢軌道交通三號(hào)線投入使用，系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

高清晰度多媒體接口；乘客信息系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)分配器

隨著中國(guó)城市化率的提高以及人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，公共交通尤其是軌道交通已經(jīng)越來(lái)越成為大中城市人們出行的首選方式。軌道交通乘客信息顯示系統(tǒng)(PIDS)可以為乘客提供一些娛樂(lè)服務(wù)信息，如地面電視節(jié)目、天氣預(yù)報(bào)、股票金融、廣告等。另一方面，在日常生活中高清視頻的大量普及和廣泛應(yīng)用也使得其成為未來(lái)視頻的必然趨勢(shì)。正是在這種情況下，越來(lái)越多軌道交通線路上的PIDS出現(xiàn)了720p、1080p這樣的關(guān)鍵詞。因此，車載乘客信息顯示系統(tǒng)不僅朝著內(nèi)容更為豐富、設(shè)計(jì)更為人性化的方向發(fā)展，也在逐步趨向高清化。

1　PIDS中的視頻信號(hào)傳輸

目前軌道交通乘客信息系統(tǒng)中，視頻的傳輸主要方式為VGA方式，為了增加VGA的傳輸距離，可以使用模擬電纜(RGB電纜)加電纜均衡器方式進(jìn)行傳輸，傳輸距離對(duì)電纜的依賴程度很高，電纜特性主要表現(xiàn)在幅頻特性與群延時(shí)特性，造成的結(jié)果表現(xiàn)為圖像模糊、變暗和拖尾(甚至重影)現(xiàn)象。目前軌道交通應(yīng)用比較成熟的技術(shù)為差分傳輸技術(shù)，差分技術(shù)傳輸?shù)囊曨l包括復(fù)合視頻、分立視頻、分量視頻等多種視頻信號(hào)[1]。在遠(yuǎn)程接收端通過(guò)差分接收同步解碼，實(shí)現(xiàn)高分辨率VGA信號(hào)的解碼，還原成清晰的視頻信號(hào)接入本地VGA接口[2-3]。傳輸方式如圖1所示。

圖1　差分VGA傳輸方式

采用差分技術(shù)本身具有一定的抗干擾性，而作為差分信號(hào)傳輸介質(zhì)的雙絞線中，干擾主要來(lái)自外部干擾和同一電纜內(nèi)部各線對(duì)之間的相互串?dāng)_，不易消除；同時(shí)長(zhǎng)距離傳輸需要增加高帶寬差分放大器來(lái)補(bǔ)償更長(zhǎng)的雙絞線傳輸線路上視頻信號(hào)的損失，所以差分VGA傳輸對(duì)于線纜以及傳輸距離的依賴程度較大，在大規(guī)模的工程實(shí)施過(guò)程中，依然存在拖尾以及色差的現(xiàn)象，且無(wú)法達(dá)到全高清(FullHD)視頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

HDMI信號(hào)采用數(shù)字信號(hào)傳輸，在接口電路的工作方式中，設(shè)有糾錯(cuò)機(jī)制，對(duì)傳錯(cuò)的數(shù)據(jù)包會(huì)進(jìn)行重新發(fā)送，所以從整體上看，數(shù)字信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定，但數(shù)字信號(hào)有個(gè)極大的缺陷，那就是傳輸距離的問(wèn)題?？梢岳眯盘?hào)高頻分量和低頻分量在傳輸過(guò)程中的不同特性，設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償放大電路[4],但仍不能滿足遠(yuǎn)距離傳輸需求。此外，所有的數(shù)字信號(hào)在一定的距離內(nèi)傳輸時(shí)都是處于很平穩(wěn)的狀態(tài)，但當(dāng)傳輸距離達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，信號(hào)傳輸丟失嚴(yán)重，在坐標(biāo)圖上信號(hào)接收率表現(xiàn)為直降的曲線，這種現(xiàn)象也被稱為“懸崖效應(yīng)”。HDMI線纜傳輸信號(hào)發(fā)生懸崖效應(yīng)的臨界距離是30m，也就是說(shuō)，若HDMI線超過(guò)30m，則圖像質(zhì)量會(huì)立即變得很差，無(wú)法正常觀看。HDMI的“懸崖效應(yīng)”如圖2所示。

圖2　HDMI信號(hào)的“懸崖效應(yīng)”示意圖

2　軌道交通HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

雖然HDMI信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾性,但由于傳輸距離有限,且對(duì)傳輸線纜的要求過(guò)高,因此,圍繞兩個(gè)層面對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)：第一，將HDMI信號(hào)進(jìn)行采集、壓縮；第二，通過(guò)以太網(wǎng)技術(shù)，將壓縮后的HDMI高清數(shù)字信號(hào)，通過(guò)IP數(shù)據(jù)包的方式進(jìn)行打包發(fā)送。所以，在該設(shè)計(jì)中，可以先將HDMI信號(hào)進(jìn)行前端處理，處理過(guò)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端之后，再通過(guò)還原數(shù)據(jù)包的方式，將IP數(shù)據(jù)包還原為HDMI信號(hào)。HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的總體結(jié)構(gòu)

2.2HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器發(fā)送端

HDMI接口是完全數(shù)字化的接口,保證信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中沒(méi)有任何壓縮,可以獲得高水平的視聽(tīng)效果[5]。車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器信號(hào)采集端，采集標(biāo)準(zhǔn)HDMI高清數(shù)字信號(hào)，接口方式可采用標(biāo)準(zhǔn)型HDMI信號(hào)接口，也可采用間距0.5mm的FFC軟排線，將采集到的標(biāo)準(zhǔn)HDMI數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼、壓縮后，完成數(shù)字帶寬的降低，之后將壓縮、編碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包，發(fā)送至板卡網(wǎng)絡(luò)處理單元，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理單元后即為可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠胀ńM播數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以無(wú)障礙通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，普通二層交換機(jī)即可滿足傳輸要求，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器信號(hào)采集端的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端

車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端包括輸入單元、網(wǎng)絡(luò)單元、控制單元、輸出單元；通過(guò)MCU完成對(duì)HDMI編碼芯片的控制，實(shí)現(xiàn)視頻、音頻信號(hào)的輸出[6]，如圖5所示。

圖5　車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端內(nèi)部連接示意圖

1)輸入單元，即車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的網(wǎng)絡(luò)接口單元，該單元采用車載專用接插件，采用無(wú)源通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，滿足列車緊急情況下斷電節(jié)能的要求，并能夠最大限度地降低單點(diǎn)故障對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響。

2)網(wǎng)絡(luò)單元，車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端對(duì)車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器信號(hào)采集端發(fā)來(lái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行采集，將采集后的數(shù)據(jù)包按照特定的速率存儲(chǔ)、發(fā)送至車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端的核心控制單元，同時(shí)，將采集到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至級(jí)聯(lián)的下一級(jí)。

3)控制單元，控制單元作為車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端的核心單元，主要完成以下功能：將網(wǎng)絡(luò)單元采集到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行暫存、還原，即進(jìn)行與車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器采集前端的逆向算法，將網(wǎng)絡(luò)單元采集到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包最大限度還原為HDMI信號(hào)，該過(guò)程通過(guò)一定的補(bǔ)償算法，對(duì)HDMI高清數(shù)字信號(hào)進(jìn)行還原，過(guò)程中同樣不涉及視頻的矩陣壓縮算法，最大限度還原高清數(shù)字信號(hào)，還原后的高清數(shù)字信號(hào)不再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)HDMI連接器進(jìn)行輸出，信號(hào)直接通過(guò)板卡走線輸出給車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端的輸出單元。以上功能采用純硬件實(shí)現(xiàn)，保證音、視頻傳輸?shù)募皶r(shí)性要求。

4)輸出單元，車載HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器顯示驅(qū)動(dòng)端由顯示器、揚(yáng)聲器組成，輸出單元主要由顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片和功放芯片組成，顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片具有可編程性，接收控制單元的HDMI信號(hào)，將HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)換為直接驅(qū)動(dòng)顯示屏的LVDS信號(hào)，該芯片具有可編程性，通過(guò)編程，可以驅(qū)動(dòng)12～55in(1in=2.54cm)尺寸的顯示器，同時(shí)，將采集到的數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò)功放輸出給兩個(gè)揚(yáng)聲器。

2.4無(wú)源通過(guò)技術(shù)

類似差分VGA的“拉手級(jí)聯(lián)”方式，使用HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器之后，使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將每級(jí)級(jí)聯(lián)到下一級(jí)，級(jí)聯(lián)過(guò)程不需要增加增益，單由此產(chǎn)生一個(gè)故障點(diǎn)，就是當(dāng)中間一級(jí)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法將數(shù)據(jù)順利傳至下一級(jí)，導(dǎo)致單點(diǎn)故障的擴(kuò)散，這里采用了“無(wú)源通過(guò)”的技術(shù)，即：當(dāng)單點(diǎn)故障出現(xiàn)時(shí)候，數(shù)據(jù)可通過(guò)該級(jí)直接將數(shù)據(jù)傳至下一級(jí)，確保單點(diǎn)故障不擴(kuò)散。實(shí)現(xiàn)的原理圖如圖6所示。

圖6　無(wú)源通過(guò)原理圖

3　具體應(yīng)用

如圖7所示，乘客信息系統(tǒng)分機(jī)里的解碼器解碼輸出HDMI高清數(shù)字信號(hào)，之后通過(guò)HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器前端處理后，打包為IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)超五類網(wǎng)線傳輸，每個(gè)LCD顯示屏后面有HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的接收端，將受到IP數(shù)據(jù)包還原為HDMI信號(hào)，同時(shí)，每個(gè)板卡后即成網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一級(jí)。此外，板卡還將還原后的HDMI信號(hào)通過(guò)芯片轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)裸屏，板卡集成度高，功耗低，無(wú)接插件，完全滿足軌道軌道交通環(huán)境應(yīng)用。

圖7　武漢軌道交通三號(hào)線乘客信息系統(tǒng)視頻分配拓?fù)鋱D

4　結(jié)語(yǔ)

將HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器應(yīng)用于軌道交通乘客信息系統(tǒng)中，解決了原有VGA以及AV等模擬信號(hào)延長(zhǎng)分配過(guò)程中產(chǎn)生的圖像拖尾、模糊的問(wèn)題，同時(shí)將HDMI信號(hào)傳輸距離進(jìn)行了延長(zhǎng)，滿足列車乘客信息系統(tǒng)以及站臺(tái)乘客信息系統(tǒng)應(yīng)用需求。延長(zhǎng)方式采用超五類網(wǎng)絡(luò)線纜，方便布線，滿足工程化應(yīng)用需求，將顯示分辨率從VGA提升至最高1080p，使乘客在乘坐列車時(shí)，可以在車廂中看到高清數(shù)字節(jié)目。該設(shè)計(jì)在武漢軌道交通三號(hào)線成功應(yīng)用，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。

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責(zé)任編輯：哈宏疆

ApplicationofHDMInetworkdistributorinrailpassengerinformationsystem

FANGChuan,CHENGLeiyang,TANGJunqin

(No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)

Intheprocessoftheimplementationoftherailtransitpassengerinformationsystem,theenvironmentofpassengerinformationsystemvideodistributionandtransmissionisspecial.Inordertoimprovetheanti-interferencecharacteristicsoforiginalsystem,theHighDefinitionMultimediaInterfacetransmissionisappliedtorailpassengerinformationsystem.ThroughtheHDMIdigitalsignalcompressionandthefrequencyreduction,theHDMIsignaltransmissiondistanceisextendeduptohundredmeters.Atthesametime,itcansatisfytheEthernetnetworkbandwidthinadvanceandensurethevideoimageclarity.Inaddition,onthesamesidehandletransferdisplayschemeusesthe"passive"technologytoensureasinglepointoffailurenon-proliferation.Thedesignhasbeenputintouseinthefieldofrailtransitpassengerinformationsystem.Thesystemisreliableandstable.

HDMI;passengerinformationsystem;networkdistributor

TN943

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.027

2016-07-20

文獻(xiàn)引用格式：房川，程雷陽(yáng)，湯俊芹. 軌道交通乘客信息系統(tǒng)中HDMI網(wǎng)絡(luò)分配器的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2016，40(8)：139-142.

FANGC,CHENGLY,TANGJQ.ApplicationofHDMInetworkdistributorinrailpassengerinformationsystem[J].Videoengineering，2016，40(8)：139-142.