轨道交通乘客信息系统中HDMI网络分配器的应用

房　川，程雷阳，汤俊芹

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)



轨道交通乘客信息系统中HDMI网络分配器的应用

房川，程雷阳，汤俊芹

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)

在轨道交通乘客信息系统的实施过程中，针对乘客信息系统视频分配与传输环节的特殊环境，为了提升原有系统的抗干扰特性，将HDMI高清视频传输应用到乘客信息系统中。通过对HDMI高清数字信号进行压缩和降频，使HDMI信号的传输距离提升至百米级，同时在满足以太网网络带宽的提前下，保证了视频图像的清晰度，此外，同侧拉手传递的显示方案采用“无源通过”技术，从而保证了单点故障不扩散，该设计目前已在武汉轨道交通三号线投入使用，系统可靠、稳定。

高清晰度多媒体接口；乘客信息系统；网络分配器

随着中国城市化率的提高以及人类对环境保护的关注，公共交通尤其是轨道交通已经越来越成为大中城市人们出行的首选方式。轨道交通乘客信息显示系统(PIDS)可以为乘客提供一些娱乐服务信息，如地面电视节目、天气预报、股票金融、广告等。另一方面，在日常生活中高清视频的大量普及和广泛应用也使得其成为未来视频的必然趋势。正是在这种情况下，越来越多轨道交通线路上的PIDS出现了720p、1080p这样的关键词。因此，车载乘客信息显示系统不仅朝着内容更为丰富、设计更为人性化的方向发展，也在逐步趋向高清化。

1　PIDS中的视频信号传输

目前轨道交通乘客信息系统中，视频的传输主要方式为VGA方式，为了增加VGA的传输距离，可以使用模拟电缆(RGB电缆)加电缆均衡器方式进行传输，传输距离对电缆的依赖程度很高，电缆特性主要表现在幅频特性与群延时特性，造成的结果表现为图像模糊、变暗和拖尾(甚至重影)现象。目前轨道交通应用比较成熟的技术为差分传输技术，差分技术传输的视频包括复合视频、分立视频、分量视频等多种视频信号[1]。在远程接收端通过差分接收同步解码，实现高分辨率VGA信号的解码，还原成清晰的视频信号接入本地VGA接口[2-3]。传输方式如图1所示。

图1　差分VGA传输方式

采用差分技术本身具有一定的抗干扰性，而作为差分信号传输介质的双绞线中，干扰主要来自外部干扰和同一电缆内部各线对之间的相互串扰，不易消除；同时长距离传输需要增加高带宽差分放大器来补偿更长的双绞线传输线路上视频信号的损失，所以差分VGA传输对于线缆以及传输距离的依赖程度较大，在大规模的工程实施过程中，依然存在拖尾以及色差的现象，且无法达到全高清(FullHD)视频传输的要求。

HDMI信号采用数字信号传输，在接口电路的工作方式中，设有纠错机制，对传错的数据包会进行重新发送，所以从整体上看，数字信号传输比较稳定，但数字信号有个极大的缺陷，那就是传输距离的问题。可以利用信号高频分量和低频分量在传输过程中的不同特性，设计一个补偿放大电路[4],但仍不能满足远距离传输需求。此外，所有的数字信号在一定的距离内传输时都是处于很平稳的状态，但当传输距离达到某个临界值时，信号传输丢失严重，在坐标图上信号接收率表现为直降的曲线，这种现象也被称为“悬崖效应”。HDMI线缆传输信号发生悬崖效应的临界距离是30m，也就是说，若HDMI线超过30m，则图像质量会立即变得很差，无法正常观看。HDMI的“悬崖效应”如图2所示。

图2　HDMI信号的“悬崖效应”示意图

2　轨道交通HDMI网络分配器设计

2.1设计思路

虽然HDMI信号具有较强的抗干扰性,但由于传输距离有限,且对传输线缆的要求过高,因此,围绕两个层面对其进行设计：第一，将HDMI信号进行采集、压缩；第二，通过以太网技术，将压缩后的HDMI高清数字信号，通过IP数据包的方式进行打包发送。所以，在该设计中，可以先将HDMI信号进行前端处理，处理过后的信号经过网络传输到终端之后，再通过还原数据包的方式，将IP数据包还原为HDMI信号。HDMI网络分配器的总体结构框图如图3所示。

图3　HDMI网络分配器的总体结构

2.2HDMI网络分配器发送端

HDMI接口是完全数字化的接口,保证信号在传输的过程中没有任何压缩,可以获得高水平的视听效果[5]。车载HDMI网络分配器信号采集端，采集标准HDMI高清数字信号，接口方式可采用标准型HDMI信号接口，也可采用间距0.5mm的FFC软排线，将采集到的标准HDMI数字信号，经过编码、压缩后，完成数字带宽的降低，之后将压缩、编码后的数字信号转换为网络协议数据包，发送至板卡网络处理单元，经过网络处理单元后即为可以通过网络传输的普通组播数据包，该数据包可以无障碍通过网络进行传输，普通二层交换机即可满足传输要求，结构示意图如图4所示。

图4　车载HDMI网络分配器信号采集端的结构示意图

2.3车载HDMI网络分配器显示驱动端

车载HDMI网络分配器显示驱动端包括输入单元、网络单元、控制单元、输出单元；通过MCU完成对HDMI编码芯片的控制，实现视频、音频信号的输出[6]，如图5所示。

图5　车载HDMI网络分配器显示驱动端内部连接示意图

1)输入单元，即车载HDMI网络分配器的网络接口单元，该单元采用车载专用接插件，采用无源通过技术实现，满足列车紧急情况下断电节能的要求，并能够最大限度地降低单点故障对于整个系统的影响。

2)网络单元，车载HDMI网络分配器显示驱动端对车载HDMI网络分配器信号采集端发来的网络数据包进行采集，将采集后的数据包按照特定的速率存储、发送至车载HDMI网络分配器显示驱动端的核心控制单元，同时，将采集到的网络数据包通过网络发送至级联的下一级。

3)控制单元，控制单元作为车载HDMI网络分配器显示驱动端的核心单元，主要完成以下功能：将网络单元采集到的网络数据包进行暂存、还原，即进行与车载HDMI网络分配器采集前端的逆向算法，将网络单元采集到的网络数据包最大限度还原为HDMI信号，该过程通过一定的补偿算法，对HDMI高清数字信号进行还原，过程中同样不涉及视频的矩阵压缩算法，最大限度还原高清数字信号，还原后的高清数字信号不再通过标准HDMI连接器进行输出，信号直接通过板卡走线输出给车载HDMI网络分配器显示驱动端的输出单元。以上功能采用纯硬件实现，保证音、视频传输的及时性要求。

4)输出单元，车载HDMI网络分配器显示驱动端由显示器、扬声器组成，输出单元主要由显示屏驱动芯片和功放芯片组成，显示屏驱动芯片具有可编程性，接收控制单元的HDMI信号，将HDMI信号转换为直接驱动显示屏的LVDS信号，该芯片具有可编程性，通过编程，可以驱动12～55in(1in=2.54cm)尺寸的显示器，同时，将采集到的数字音频信号通过功放输出给两个扬声器。

2.4无源通过技术

类似差分VGA的“拉手级联”方式，使用HDMI网络分配器之后，使用网络交换机将每级级联到下一级，级联过程不需要增加增益，单由此产生一个故障点，就是当中间一级出现故障时，无法将数据顺利传至下一级，导致单点故障的扩散，这里采用了“无源通过”的技术，即：当单点故障出现时候，数据可通过该级直接将数据传至下一级，确保单点故障不扩散。实现的原理图如图6所示。

图6　无源通过原理图

3　具体应用

如图7所示，乘客信息系统分机里的解码器解码输出HDMI高清数字信号，之后通过HDMI网络分配器前端处理后，打包为IP数据包，通过超五类网线传输，每个LCD显示屏后面有HDMI网络分配器的接收端，将受到IP数据包还原为HDMI信号，同时，每个板卡后即成网络交换机，将IP数据包转发至下一级。此外，板卡还将还原后的HDMI信号通过芯片转换为LVDS信号，直接驱动裸屏，板卡集成度高，功耗低，无接插件，完全满足轨道轨道交通环境应用。

图7　武汉轨道交通三号线乘客信息系统视频分配拓扑图

4　结语

将HDMI网络分配器应用于轨道交通乘客信息系统中，解决了原有VGA以及AV等模拟信号延长分配过程中产生的图像拖尾、模糊的问题，同时将HDMI信号传输距离进行了延长，满足列车乘客信息系统以及站台乘客信息系统应用需求。延长方式采用超五类网络线缆，方便布线，满足工程化应用需求，将显示分辨率从VGA提升至最高1080p，使乘客在乘坐列车时，可以在车厢中看到高清数字节目。该设计在武汉轨道交通三号线成功应用，系统表现稳定可靠。

[1]陈建平, 张辉. 高分辨率VGA模拟差分信号处理技术与应用[J]. 软件, 2011, 32(12):59-62.

[2]刘广法，胡晓吉. 基于TMDS差分技术的VGA长线传输系统研究与设计[J].计算机工程与设计， 2011，32(6)：2179-2182.

[3]胡立本，郭永锋.VGA差分信号处理技术及远程传输系统[J]. 科技致富向导，2014(11)：253.

[4]朱赟恩.HDMI传输线传输特性及补偿的研究[D]. 合肥：合肥工业大学, 2013.

[5]蔡发志. 高清晰多媒体接口(HDMI)音频设计和研究[D]. 合肥：合肥工业大学, 2008.

[6]杨磊. 基于HDMI的视频音频接口设计与研究[D]. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2008.

责任编辑：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

文献引用格式：房川，程雷阳，汤俊芹. 轨道交通乘客信息系统中HDMI网络分配器的应用[J].电视技术，2016，40(8)：139-142.

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