《电子技术应用》

基于FC的视频传输演示模块的设计与实现

2016年电子技术应用第9期 作者:杨海波1,2,徐文龙3,许 恒3,陈 佳1,2
2016/11/18 14:40:00

  杨海波1,2,徐文龙3,许  恒3,陈  佳1,2

  (1.中航工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安710068;2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室,陕西 西安710068;3.西安翔腾微电子科技有限公司,陕西 西安710068)

  摘  要: 光纤通道音视频协议(FC-AV)定义了视频信息在光纤通道FC网络中的传输方法,为视频设备之间的互连提供了一种接口标准,代表了航电系统中视频信息传输技术的发展趋势。FC-AV视频传输演示模块用于基于FC-AV协议视频传输演示系统的搭建,是整个传输演示系统的核心和基础。通过对FC-AV传输演示系统的构建分析,介绍了一种包括多分辨率视频输入信息采集、容器系统的组织、FC数据帧的封装传输以及多分辨率视频信息输出为核心的传输演示模块。验证了基于光纤通道传输图像信息的方法,为基于FC-AV协议的视频传输系统的搭建提供了参考依据和解决方案。

  关键词: FC-AV;容器系统;视频传输系统

0 引言

  光纤通道可提供一种具有低延迟、高带宽的系统互连解决方法。其高达千兆的带宽为音视频大容量数据的传输提供了支持。FC-AV[1,2]是FC的一个子集,通过容器系统规定了数字音、视频到FC帧格式的映射规则,为FC网络视频设备之间的互连提供了一种接口标准[3],能够满足航空航天和军用系统中高速性,实时性、任务关键性数字音视频传输需要[4],是未来航电系统中高速视频信息传输技术的发展趋势。文中设计的基于FC-AV协议的视频传输演示模块,可用于FC视频传输演示系统的搭建,光纤通道传输图像信息方法的验证,为基于FC-AV协议的视频传输系统的搭建提供了参考依据和解决方案。同时该模块包含的视频信息输入、容器系统的组织、FC数据帧的封装传输以及视频信息输出等核心功能均基于一块可编程高性能FPGA中,具有功耗低、可扩展性好、可升级性强等特点,能够适应FC网络技术不断发展的需求。

1 基于FC的视频传输协议

  FC-AV是光纤通道FC-4层上一种高层应用协议,它定义利用光纤通道交换、序列、帧的组织形式,传送音频、视频、辅助数据和控制流的标准方法,为视频设备之间互连提供一种接口标准,FC-AV定义了一种使用光纤通道序列和交换传输AV流的协议。图1为FC-AV分层模型,FC-AV协议主要关注图中的阴影部分。

图像 001.png

  1.1 传输协议

  1.1.1 SCMA传输协议

  简单内容移动架构SCMA是针对视频节目的播放、编辑和后期制作等目的而设计的两个站点间内容移动的一种方法,由内容移动层和内容传输层组成。

  内容移动层规定了不考虑下层传输时, 客户机和服务器间进行通信的简单全双工流动协议。

  内容传输层把内容移动层映射到一个或多个传输层协议进行传输。SCMA采用SCSI-3 FCP 协议的映射进行视频信息的传输。简单流动协议提供两种操作:模式播放模式和录制模式。简单流动协议包括以下过程:(1)流建立;(2)流销毁;(3)流操作播放、录制、停止、暂停、恢复;(4)操作通知;(5)内容移动事物;(6)简单流数据格式。

  1.1.2 FCHP传输协议

  FHCP是一种低开销传输协议,FCHP直接利用FC-2层传输服务,提供低延迟、高效的数据传输,支持启动、停止、放映、暂停、继续的视频操作,可用于点到点、仲裁环及交换网等拓扑结构,支持各类服务,它适用于航电系统中视频数据的传输和显示。

  1.2 容器系统

  FC-AV容器系统是FC-AV中最基本的概念,它将需要传输视频数据流中每一帧视频信息定义为一个容器。容器系统规定:一个视频流由一系列的容器组成,每个容器包含一个容器头和多个对象,对象分为辅助数据、音频、视频。一个容器同时也构成了一个FC序列,容器头包括对象类型和数据在对象中具体的位置。容器的组成如图2所示。

图像 002.png

  FC序列是一组FC帧,每一个FC帧都包含一个数据区域。所有的数据负载构成了一个容器。容器系统将视频、音频和辅助数据分割成单独的大块数据集来传送,这种方式是最理想的传输系统。容器系统到FC帧的映射关系如图3所示。

图像 003.png

2 FC视频传输演示模块功能

  在航电系统中,要求能够把视频数据通过交换机采用FC-AV协议进行传输,视频接收方是一组显示器,接收到数据后按照流方式进行实时显示。

  传统的基于FPGA板卡的FC网络视频传输演示系统的搭建所需资源多,搭建过程复杂,易出错却不易排查,在教学和实验中带来诸多不便。该基于自研芯片的FC视频传输演示模块具有体积小、能耗低、便于环境搭建等优点。两种方案对比如表1所示。

图像 007.png

  基于对FC协议及航电系统中视频传输网络需求的深入理解,所设计的FC视频传输演示模块,实现了DVI[5]视频输入、输出控制,FC-AV数据帧的接收发送控制,接收发送视频的缓冲存储一体化的功能。支持一路或两路光纤双余度传输,完成了从视频源信息的输入接收、缓冲存储到容器系统的组织、FC帧的封装和发送控制,以及FC帧的接收控制和视频输出等FC视频传输系统关键技术。具体功能结构图如图4所示。

图像 004.png

  其中,DVI输入接口可支持3种输入模式和5种分辨率。输入模式分别为:

  (1)直接输入视频:使用独立的视频源通过DVI线直接连接至视频输入口;

  (2)反馈输入视频:需提供VGA和DVI输出端口且具有独立显卡的电脑。使用DVI反馈线,反馈线有3个端口,其中1端口通过DVI线连接电脑独立显卡的DVI输出,2端口连接电脑显示器的DVI输入接口,3端口通过DVI线连接视频输入接口。

  (3)分源输入视频:需要使用DVIx口分配器,通过DVI线连接视频源(电脑)和DVIx口分配器的输入接口(DVI IN),然后通过DVI线连接本产品的视频输入口和DVIx口分配器的输出接口(DVI OUT)。

  输入分辨率可设置为800*600@60Hz、1024*768@60Hz、

  1280*1024@60Hz、1400*1050@60Hz、1600*1200@60Hz 5种视频分辨率,视频格式满足VESA标准。在FC接口传输后接收视频数据时由于带宽限制,大分辨率的视频格式为30Hz,即1280*1024@30Hz、1400*1050@30Hz、1600*

  1200@30Hz。

  当输入视频数据满足以上5种分辨率时,视频数据从DVI输入接口进入模块,可在视频帧发送缓冲区缓冲存储,再进入FC-AV发送控制和FC-IP进行容器系统的组织,最后通过光电转换转换为光信号由光纤发出。若输入视频分辨率不满足以上5种分辨率时,则在组织容器系统时丢弃。

  当FC-AV帧通过光纤传回时,则通过FC-AV接收控制和FC-IP解析出视频帧传入视频帧接收缓冲区,再由视频输出控制和DVI接口输出显示设备显示。其中FC-AV发送和接收控制由软件和逻辑协同完成,控制软件固化在外部Flash中,上电自动运行。

3 FC视频传输演示模块硬件平台

  FC视频传输演示模块核心功能主要基于一块可编程FPGA中,周边包含DDR视频缓冲模块、光纤数据收发模块、DVI输入/输出接口和JTAG编程接口。具体结构示意如图5所示。

图像 005.png

  其中DVI视频输入输出模块完成视频格式数据的接收和发送,通常由外接视频源对传输模块进行视频输入,或通过该模块输出视频数据给最终的显示设备。DDR视频缓冲模块则用来缓冲存储收发的视频数据。光纤数据收发模块提供一路或两路光纤传输接口,收发封装好的FC数据。可编程FPGA作为该演示模块的核心,内嵌的FC-AV处理逻辑包含了对容器系统的组织、FC帧的封装发送等功能,且提供对外的JTAG编程接口,方便之后的功能扩展和逻辑升级。

4 FC视频传输演示模块软件设计

  FC视频传输演示模块的软件功能主要完成FC链路状态初始化配置和中断处理的功能。初始化配置完成了对FC-AV的发送视频分辨率的选择、传输源地址和传输目的地址的设置,以及FC-MAC的初始化配置;中断功能流程为中断挂接、中断上报和中断处理。中断挂接包含链路上下线中断和视频分辨率不匹配中断,保证了链路的状态正常和视频分辨率的自动匹配。

  传输演示模块的所有软件固化在一个Flash中,上电后自动运行,保证设备的正常工作。其工作流程如图6所示。

图像 006.png

5 结束语

  随着航电系统对高速视频信息传输需求的不断提高,基于FC-AV协议的视频传输系统为其提供了一种解决方案。FC-AV视频传输演示模块是基于对FC协议及航电系统中视频传输网络需求的深入理解所设计的,它实现了输入信息采集、容器系统的组织、FC数据帧的封装传输以及多分辨率视频信息输入输出的功能。验证了基于光纤通道传输视频信息的方法,解决了视频信息远距离传输的难题,为航空电子应用光纤通道传输视频信息奠定了基础,并为FC-AV视频传输系统提供了参考依据。

  参考文献

  [1] Fibre Channel:Framing and Signaling[S].New York:American National Standards Institute,2003.

  [2] Fibre Channel:Audio Video(FC-AV)[S].[s.l.]:T11TechnicalCommittee,2001.

  [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] 刘鑫,陆文娟.光纤通道在航空电子环境的应用及关键技术研究[J].光通信技术,2006(6):55-58.

  [5] 张万方,刘金岭.DVI在视频显示领域中的应用[J].电脑知识与技术,2009(5):1217-1218.

  


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