مروری بر استاندارد ARINC 818

[1] (ADVB) یک رابط ویدئویی و پروتکل استاندارد توسعه یافته در سیستم‌های اویونیک است که برای انتقال دیجیتالی ویدئو با پهنای باند بالا، زمان تاخیر کم و بدون فشرده‌سازی کاربرد دارد. با انتشار این استاندارد در ژانویه 2007 توسط ARINC، نیازهای مهم انجمن هوافضا که مربوط به انتقال دیجیتالی ویدئو با کیفیت بالا بود، برآورده شد.

قبل از انتشار رسمی این استاندارد، شرکت‌های ایرباس (برای هواپیمای نظامی A400M) و بوئینگ (برای هواپیمای B-787) به منظور تعیین یک پروتکل انتقال اطلاعات ویدئو به توافق رسیده بودند. در واقع قبل از توافق روی ARINC 818 هیچ استانداردی برای انتقال ویدئو وجود نداشت و به همین دلیل توسعه کابین‌های خلبان جدید مستلزم صرف هزینه‌های زیادی می‌شد. به همین منظور کمیته‌ای شامل نمایندگانی از شرکت‌های بزرگ مانند بوئینگ، ایرباس، هانی‌ول، راکول‌کالینز و تالس تشکیل شد. کارشناسان کمیته، فناوری‌های مختلفی مانند DVI و GigE را برای این استاندارد مورد بررسی قرار دادند، اما در نهایت کانال یک‌جهته فیبر صوتی- تصویری (FC-AV[2]) به عنوان پروتکل انتقال اطلاعات انتخاب شد. دلیل این انتخاب تاخیر کم، امکان انتخاب سرعت، یکپارچگی اطلاعات، انعطاف‌پذیری زمانی نمایش و تجربه موفق در کاربردهای نظامی مانند پروژه مدرن‌سازی هواپیمای C-130 و هواپیمای F/A-18E بود.

استاندارد 818 فرصتی را برای استانداردسازی سیستم‌های ویدئویی با سرعت بالا فراهم می‌کند. این استاندارد توسط تعدادی از برنامه‌های هوایی نظامی و تجاری مانند A400M، A350، B787، KC-46A و C919 پذیرفته شده ‌است. همچنین از آن در مجموعه‌ای از سیستم‌های اویونیک از جمله پرولاین فیوژن شرکت راکول کالینز (اولین سیستم نمایش یکپارچه پرواز کاملا لمسی) و تاپ‌دِک شرکت تالس به کار گرفته شده است.

کانال فیبر صوتی- تصویری

پروتکل FC-AV از لایه‌های صفر تا 4 استانداردهای کانال فیبر استفاده می‌کند. در لایه فیزیکی (لایه صفر)، این پروتکل می‌تواند از کابل مسی یا فیبر برای انتقال اطلاعات استفاده کند. در یک لایه بالاتر سیستم کدگذاری 8B/10B به عنوان بخشی از پروتکل ارسال تعیین شده است. لایه دوم به عنوان سیستم مخزن برای ویدئو تعریف شده است. این سیستم تشریح می‌کند که فریم ویدئو چگونه در فریم‌های کانال فیبر پارتیشن‌بندی شده است. در واقع این سیستم شامل دو مخزن با عناوین محتوا[3] ( شامل داده‌های صوت، ویدئو و اطلاعات کمکی) و سرآغاز[4] (تشریح قالب ویدئو) است.

رابطه بین لایه‌های پروتکل FC-AV

لایه مدیریت کانال فیبر (لایه سوم) در استاندارد FC-AV استفاده نشده است، اما لایه نگاشت (لایه چهارم) وجود داشته و وظیفه پروتکل کنترل سرآغاز فریم‌ها را بر عهده دارد.

مرور کلی بر پروتکل ARINC 818

استاندارد ARINC 818 یک پروتکل سریال برای انتقال ویدئو، تصویر، صدا و داده است که ارتباط نقطه به نقطه و یک طرفه پرسرعت را فراهم می‌کند. بنابراین از انتقال داده با پهنای باند بالا در برنامه‌های کاربردی دیجتالی ویدئو پشتیبانی می‌کند. همچنین این پروتکل از مجموعه‌ای از توابع ویدئویی پیچیده مانند توزیع چند جریان ویدئویی روی یک لینک یا ارسال یک جریان روی دو لینک (برای دستیابی به پهنای باند بسیار زیاد) پشتیبانی می‌کند.

پهنای باند

در هنگام معرفی استاندارد ARINC 818 پروتکل کانال فیبر از لینک‌هایی با نرخ 0625/1، 125/2، 25/4 و 5/8 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کرد؛ اما بعد از آن مطابق نقشه‌راه توسعه این پروتکل، نرخ‌های 025/14 و 05/28 گیگابیت بر ثانیه نیز منتشر شد.در واقع این نرخ بالا به خوبی پاسخگوی نیاز بازار امروزی است. برای مثال یک نمایشگر با رزولوشن WQXGA (2560×1600 پیکسل و تفکیک رنگ 24 بیتی) در فرکانس 30 هرتز نیاز به پهنای باند 3864 مگابیت بر ثانیه دارد.

نقشه راه توسعه سرعت کانال فیبر

تاخیر کم

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ARINC 818 توانایی در انتقال ویدئوی فشرده نشده با تاخیر بسیار کم است. در بیشتر تجربه‌های عملی میزان تاخیر، کمتر از طول یک فریم گزارش شده است. در واقع میزان تاخیر در نمایشگرهای کابین خلبان همچون نمایشگر بالای سر (HUD) که در آن تفاوت تصاویر تولیدی و دنیای واقعی پس‌زمینه می‌تواند باعث خسارات جبران‌ناپذیری شود، بسیار اهمیت دارد.

پیوند کانال

برای کاربردهایی با پهنای باند بالاتر می‌توان از چند کانال برای انتقال جریان ویدئو استفاده کرد. این عملیات به اصطلاح پیوند کانال[5] نامیده می‌شود که مشابه با سیستم تجمیع پورت[6] در اترنت است. نحوه پیاده‌سازی به این صورت است که در دستگاه فرستنده جریان ویدئوی ورودی به 2 یا تعداد بیشتری از فریم‌های ARINC 818 تقسیم شده و در بخش گیرنده داده‌های دریافتی مجدد با هم ترکیب شده و جریان ویدئوی اولیه را تشکیل می‌دهد.

شبکه

از آنجا که استاندارد ARINC 818 از کانال فیبر در لایه فیزیکی استفاده می‌کند، پروتکل آن از کد شناسه مبدا و مقصد پشتیبانی کرده و به این ترتیب فرایند شبکه‌سازی آسان خواهد بود. پیاده‌سازی توپولوژی‌های مختلف تکرارکننده و مسیریابی در این استاندارد امکان‌پذیر است.

فاصله انتقال اطلاعات

پروتکل ARINC 818 به هیچ یک از لایه‌های فیزیکی یا فرمت‌های ویدئو وابسته نیست. از این‌رو سیگنال‌های ویدئویی روی کانال فیبر می‌تواند در فاصله‌های طولانی (محدوده 500 متر تا 10 کیلومتر) و بدون تداخل الکترومغناطیسی منتقل شود. همچنین می‌تواند روی کابل مسی مانند کابل کواکسیال دو طرفه به کار گرفته شود. بکار‌گیری آن روی دیگر لایه‌های فیزیکی همچون وایرلس اثبات نشده اما احتمالا امکان‌پذیر است.

برنامه‌های کاربردی

اگر چه ARINC 818 به طور خاص برای برنامه‌های کاربردی اویونیک توسعه پیدا کرده است، اما این پروتکل در حال حاضر برای برنامه‌های ادغام اطلاعات حسگرها که در آن چند خروجی حسگر روی یک لینک با سرعت بالا ترکیب می‌شوند، کاربرد دارد. ویژگی‌هایی که در ARINC 818-2 اضافه شده است، استفاده از این استاندارد را به عنوان یک رابط حسگر آسان‌تر کرده است.

همانطور که گفته شد مشخصات ARINC 818 تعهدی برای استفاده از لایه فیزیکی خاصی ندارد و پیاده‌سازی‌ها با کابل مسی یا فیبر انجام می‌شود. اگرچه اکثر پیاده‌سازی‌ها از فیبر استفاده می‌کنند اما گاهی اوقات در مواردی که حالت سرعت کم استاندارد (1.0625 Gbit/s و 2.125Gbit/s) کافی باشد، با مس پیاده‌سازی می‌شود. درواقع ARINC 818 برای برنامه‌های کاربردی که در آن‌ها محدودیت وزن، تداخلات الکترومغناطیسی و انتقال سریع داده در فواصل زیاد مطرح است، گزینه‌ مناسبی است.

از جمله سیستم‌هایی که تاکنون تحت تاثیر این فناوری قرار گرفته‌اند می‌توان به نمایشگرهای چند منظوره و اولیه هواپیما، نمایشگرهای بالای سر و هلمت، دستگاه‌های ثبت اطلاعات کابین خلبان، پردازنده‌های عملیات، سیستم‌های بینایی پیشرفته، دوربین دید مقابل هواپیما، سیستم‌های راداری، سیستم‌های نقشه و شبیه‌سازهای کابین خلبان اشاره کرد.

انعطاف‌پذیری در مقابل قابلیت همکاری

استاندارد ARINC 818 انعطاف‌پذیر است و می‌تواند انواع مختلفی از برنامه‌های ویدئویی و داده را اداره و تطبیق دهد. هدف این استاندارد این است که همه پیاده‌سازی‌ها با یک سند کنترل رابط (ICD[7]) کوچک همراه باشد. جزئیات سند کنترل رابط در ضمیمه دوم استاندارد آورده شده است که در آن ویژگی‌های مختلف جریان ویدئو که توسط ICD مشخص می‌شوند، معرفی شده است. از جمله این ویژگی‌ها می‌توان به نرخ داده، کیفیت تصویر، نرخ فریم، کدگذاری رنگ تصویر، نوع اسکن (جلو رونده‌ یا مشبک)، اطلاعات زمان‌بندی ویدئو و کلاس همگام‌سازی ویدئو اشاره کرد. بر اساس قابلیت همکاری، تنها سازگاری تجهیزات ساخته شده با ICD یکسان تضمین شده است.

انتقال ARINC 818 از فریم ویدئو XGA در 24 بیت RGB

فرآیند انتقال

انتقال ویدئو در استاندارد ARINC 818 مراحل زیر را شامل می‌شود.

1. بسته‌بندی ویدئو به فریم‌های ADVB؛ همراه با کارکترهای خالی برای تطبیق زمان‌بندی
2. رمزگذاری (پروتکل 8B/10B)
3. انتقال سریال
4. رمزگشایی (پروتکل 8B/10B)
5. بازسازی (ترکیب محتوای فریم‌ها و حذف جاهای خالی)

رمزگذاری 8b/10b اجازه انتقال اطلاعات را برای مسافت‌های طولانی می‌دهد. در این پروتکل برای هر 8 بیت از اطلاعات مفید، لینک فیزیکی 10 بیت را منتقل می‌کند. در واقع 20 درصد سربار به لینک فیزیکی اضافه می‌شود.

شکل 2 رابطه مخزن با فریم‌های ویدئو را در این استاندارد نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود هر فریم ADVB شامل 4 بایت برای آغاز و پایان فریم (SoF و EoF)، 4 بایت برای کد افزونگی چرخشی (CRC)، 24 بایت برای بخش سرآغاز هر فریم و اطلاعات سیستم مخزن است. مخزن اولین فریم ADVB شامل اطلاعات سرآغاز بوده و برای سایر فریم‌ها این مخزن با اطلاعات محتوا (ویدئو، صوت یا داده) پر می‌شود. زمانیکه داده‌ای برای انتقال روی لینک فیزیکی وجود ندارد، کارکترهای خالی به جای آن قرار داده خواهند شد تا پیوستگی انتقال حفظ شود.

رابطه مخزن با فریم‌های ویدئو در استاندارد ARINC 818

توسعه استاندارد

استاندارد ARINC 818-2 نسخه بروز شده از ARINC 818 است که در دسامبر 2013 ارائه شد. ویرایش دوم استاندارد در طی تلاشی 7 ماهه توسط گروه کاری ARINC-industry با ویژگی‌های اضافه و جدید توسعه داده شد و پیش از انتشار، مشخصات این استاندارد به اتفاق آراء کمیته اجرایی از انجمن مهندسان الکترونیک خطوط هوایی (AEEC) تصویب شد.

در واقع استاندارد ARINC 818-2 بر اساس تجربه هفت ساله از پیاده‌سازی ویرایش قبلی استاندارد ارائه شد. این نسخه به روز شده امکان فشرده‌سازی، رمزگذاری و سرعت بیشتر در انتقال دیجتالی ویدئو را فراهم کرده است. تعداد زیادی از برنامه‌های کاربردی سفارشی در طول این سال‌ها بر اساس ویژگی‌های جدید این استاندارد ارائه شده‌اند. از جمله این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• نرخ لینک از 5، 6، 8، 12، 16، 24 و 32 برابر نرخ پایه ( 1.0625 گیگا بیت بر ثانیه)
• یک مسیر بازگشت استاندارد (برای مثال کنترل یک دوربین در حالی که همزمان خروجی خود را دریافت می‌کند.)
• پشتیبانی از سوئیچینگ و جریان‌های چند ویدئو
• انتقال فشرده، رمزگذاری شده و تصاویر 3 بعدی

استانداردی برای ارسال یک سیگنال همگام‌سازی به منبع ویدئویی

[1] Avionics Digital Video Bus

[2] Fiber Channel-Audio Video

[3] Object Container

[4] Header Container

[5] Channel Bonding

[6] Port Aggregation

[7] Interface Control Document