機(jī)載XGA視頻與RGB分量PAL制差分視頻的對(duì)比研究

朱鵬程　趙君　胡娜

摘? ?要： XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻屬于平衡信號(hào)，可以有效地降低共模電平和差模電平對(duì)信號(hào)帶來(lái)的干擾，提高電子產(chǎn)品的電磁兼容性，在機(jī)載視頻技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。為避免設(shè)計(jì)人員混淆兩種視頻信號(hào)，造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，介紹了XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的工作機(jī)制;列舉了兩種視頻在參數(shù)上的區(qū)別;從視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換和視頻信號(hào)轉(zhuǎn)碼兩方面，分析了兩種視頻的接口電路設(shè)計(jì)，尤其是指出了視頻信號(hào)轉(zhuǎn)碼中設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的差異在于是否應(yīng)用SCART模式。對(duì)兩種視頻進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量和驗(yàn)證后表明：XGA視頻的同步信號(hào)耦合在R、G、B分量中，RGB分量PAL制差分視頻的同步信號(hào)僅耦合在G分量中，符合各自的視頻特性。為視頻處理同行提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞： XGA視頻;機(jī)載視頻;RGB分量PAL制差分視頻;接口電路設(shè)計(jì);SCART模式

中圖分類號(hào)：V243.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 01-075-08

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.015

引言

隨著機(jī)載視頻技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載視頻顯示在現(xiàn)代飛機(jī)的控制管理系統(tǒng)中占有越來(lái)越重要的位置。機(jī)載視頻可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)上各個(gè)設(shè)備、儀器的狀態(tài)，為飛機(jī)的安全高效飛行提供了有力的保障[1]。現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)備之間多采用光纖、ARINC818等高速總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互，設(shè)備之間的響應(yīng)時(shí)間短、速率快，另外，視頻顯示質(zhì)量要求也在不斷地提高。因此，清晰、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定，是目前機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)必不可少的三大特點(diǎn)[2-3]。

XGA視頻作為一種數(shù)字機(jī)載視頻技術(shù)，在現(xiàn)代飛機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。隨著機(jī)載視頻技術(shù)應(yīng)用的深化，高頻信號(hào)不斷增加，高頻和低頻混合信號(hào)大量出現(xiàn)，為了減少信號(hào)之間的干擾，RGB分量PAL制視頻轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行傳輸[5]。與差分信號(hào)屬于平衡信號(hào)不同，單端信號(hào)屬于不平衡信號(hào)，相對(duì)而言，單端信號(hào)沒有與之平衡的信號(hào)對(duì)，一般會(huì)產(chǎn)生較高的諧波失真。而作為平衡信號(hào)的差分信號(hào)具有差分對(duì)，一般有共同的共模電平和幅值相同的差模電平，可以有效地降低共模電平和差模電平對(duì)信號(hào)帶來(lái)的干擾[6]。另外，對(duì)于機(jī)載電子產(chǎn)品，電磁兼容性（EMC）是重要的考核指標(biāo)之一，而將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，可以大大提高電子產(chǎn)品的EMC性能和抗干擾能力。因此，RGB分量PAL制差分視頻也大量應(yīng)用于機(jī)載電子產(chǎn)品。

作者在項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中混淆了XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻，導(dǎo)致視頻無(wú)法正常顯示。本文首先介紹了XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的工作機(jī)制和區(qū)別，其次從視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換和視頻信號(hào)轉(zhuǎn)碼兩方面，對(duì)XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的接口電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體描述，最后對(duì)兩種視頻進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，以期為后續(xù)視頻處理方向的設(shè)計(jì)人員提供思路上的啟發(fā)。

1? XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻

1.1? XGA視頻

XGA視頻屬于VGA視頻的一種，采用三線制形式進(jìn)行傳輸，將行場(chǎng)同步信號(hào)通過(guò)特定的方式轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)疊加到R、G、B差分分量上。行場(chǎng)同步信號(hào)在R、G、B分量上形成的共模電壓計(jì)算公式為

（1）

（2）

（3）

其中，MID_Supply為中線電壓，一般為0。當(dāng)行場(chǎng)同步輸入為高電平時(shí)，、為1;當(dāng)行場(chǎng)同步輸入為低電平時(shí)，、為-1。為放大系數(shù)，由具體電路設(shè)計(jì)決定。

視頻信號(hào)時(shí)序符合視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（VESA）的時(shí)序標(biāo)稱值 。以1024×768@60Hz為例，視頻信號(hào)特性時(shí)序各參數(shù)值如表1所示。

XGA視頻輸入阻抗差分之間為100 Ω，單端信號(hào)之間為50 Ω。差分信號(hào)傳輸應(yīng)該控制傳輸線纜阻抗，其中PCB阻抗控制在100 Ω。設(shè)備之間傳輸采用航空特種超五類電纜，特性阻抗也應(yīng)該控制在100 Ω。電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮阻抗匹配，各差分分量對(duì)內(nèi)和對(duì)間應(yīng)該嚴(yán)格控制等長(zhǎng)，否則可能會(huì)引起較為嚴(yán)重的時(shí)序不同步的問題，將導(dǎo)致視頻圖像顯示不清晰或者顯示不正常。

1.2? RGB分量PAL制差分視頻

RGB分量PAL制差分視頻本質(zhì)上仍屬于PAL制模擬視頻，視頻格式、時(shí)序與PAL制模擬視頻相同。視頻行場(chǎng)同步信號(hào)復(fù)合在G分量上，R分量和B分量上沒有行場(chǎng)同步信號(hào)，只有視頻數(shù)據(jù)信號(hào)，整個(gè)視頻時(shí)序符合PAL-D制電視廣播技術(shù)規(guī)范[9]。掃描方式為隔行掃描，每幀行數(shù)為625行，場(chǎng)頻為50 Hz，幀頻為25 Hz。

另外，PAL制視頻輸入阻抗差分之間為150 Ω，單端信號(hào)之間為75 Ω。差分信號(hào)傳輸應(yīng)該控制傳輸線纜阻抗，其中PCB阻抗控制在150 Ω。設(shè)備之間傳輸采用同軸電纜，特性阻抗也應(yīng)該控制在150 Ω。電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮所有的阻抗匹配。

1.3? XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻區(qū)別分析

XGA視頻以1024×768@60Hz為例，與RGB分量PAL制差分視頻進(jìn)行區(qū)別分析，如表2所示。

2? 接口電路設(shè)計(jì)

XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的處理，一般分為視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換和視頻信號(hào)解碼兩部分。視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換部分主要是視頻差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，在XGA視頻中，還要解調(diào)出行場(chǎng)同步信號(hào);視頻信號(hào)解碼部分主要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再輸出給后端處理器進(jìn)行處理。具體的流程圖如圖1所示。

2.1 XGA視頻接口電路設(shè)計(jì)

2.1.1 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要由AD8145實(shí)現(xiàn)。AD8145是一款三路、低功耗的差分轉(zhuǎn)單端接收器，專為通過(guò)雙絞線電纜或差分印刷電路板跡線接收紅綠藍(lán)（RGB）視頻信號(hào)而設(shè)計(jì)，也可用于接收任何類型的模擬信號(hào)或進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，還內(nèi)置兩個(gè)具有遲滯特性的輔助比較器，可以用來(lái)解碼在接收共模電壓下編碼的視頻同步信號(hào)[10]。按照章節(jié)1.1節(jié)所述的共模電壓計(jì)算公式，即式（1）～（3），通過(guò)AD8145將輸入的三組差分RGB模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端RGB信號(hào)，并解調(diào)出行場(chǎng)同步信號(hào)。具體的電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.1.2 視頻信號(hào)解碼電路設(shè)計(jì)

視頻信號(hào)解碼電路主要由ADV7403實(shí)現(xiàn)。ADV7403是一款高質(zhì)量、單芯片、多格式視頻解碼器，它支持將RGB/YPrPb分量的視頻信號(hào)解碼為數(shù)字RGB或者YCrCb像素流輸出，同時(shí)該器件也支持圖形數(shù)字化。本文所使用的功能即是對(duì)輸入的RGB分量視頻信號(hào)解碼為8：8：8的24位RGB像素流輸出，具體的電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.2 RGB分量PAL制差分視頻接口電路設(shè)計(jì)

2.2.1 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

對(duì)于RGB分量的PAL制差分視頻，視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要由AD813實(shí)現(xiàn)。AD813內(nèi)部集成了三路運(yùn)放器，每一路電流反饋可以提供50 mA的輸出電流，可以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)后端150 Ω的視頻負(fù)載。此外，每一路運(yùn)放還包含一個(gè)高速禁止功能，可以分別對(duì)運(yùn)放進(jìn)行下電或者使其輸出高阻。具體的電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.2.2 視頻信號(hào)解碼電路設(shè)計(jì)

視頻信號(hào)解碼電路同樣由ADV7403實(shí)現(xiàn)。ADV7403將RGB分量的視頻信號(hào)解碼為8：8：8的24位RGB像素流輸出，具體的電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。值得注意的是，在處理RGB分量的PAL制視頻時(shí)，ADV7403工作在SCART模式，輸入 RGB 信號(hào)需要配置為Ain5/Ain6/Ain4或者Ain8/Ain9/Ain7輸入。圖5將輸入腳配置為Ain5/Ain6/Ain4。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種視頻的特性，本文利用示波器對(duì)兩種視頻進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

圖6a～6c分別是XGA視頻的R、G、B分量差分信號(hào)波形圖。從圖6a～圖6c的右圖中可以看出，同步信號(hào)耦合在R、G、B分量中，其中行同步周期約為20.7 μs，場(chǎng)同步信號(hào)周期約為16.6 ms。

圖7a～7c分別是RGB分量PAL制差分視頻的R、G、B分量差分信號(hào)波形圖。從圖7b的右圖可以看出，同步信號(hào)僅僅耦合在G分量中，而R和B分量沒有同步信號(hào)，只有視頻數(shù)據(jù)信號(hào)，其中行同步周期約為64 μs，場(chǎng)同步周期約為20 ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的工作機(jī)制進(jìn)行了基本介紹，著重列舉了兩者之間的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，從視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換和視頻信號(hào)轉(zhuǎn)碼兩方面，進(jìn)一步對(duì)XGA視頻和RGB分量PAL制差分視頻的接口電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)其中設(shè)計(jì)參數(shù)的差異進(jìn)行了特別說(shuō)明。最后，通過(guò)兩種視頻信號(hào)波形的實(shí)際測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。理論研究和實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致，符合各自的視頻特性，為后續(xù)視頻處理方向的設(shè)計(jì)人員提供了思路上的啟發(fā)。

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作者簡(jiǎn)介：

朱鵬程（1990—），通信作者，男，漢族，江蘇鹽城人，碩士研究生，工程師。研究方向：機(jī)載航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

E-mail： zpc_nuaa@163.com

（收稿日期：2020-02-17）

Comparative Study of Airborne XGA Video and RGB Component PAL Differential Video

ZHU Peng-cheng， ZHAO jun， HU Na

（China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai 200233， China）

Abstract： XGA video and RGB component PAL differential video are balanced signals， which can effectively reduce the interferences of common mode level and differential mode level to the signal and improve the electromagnetic compatibility of electronic products， so they are widely used in the airborne video technology. In order to avoid the designers confusing two kinds of video signals and causing design errors， introduced are the working mechanisms of XGA video and RGB pal differential video， and enumerated are the parametric differences between the two kinds of videos. From the two aspects， namely， video signal conversion and video signal transcoding， analyzed are the interface circuit designs of the two kinds of videos， especially pointed out is that the difference of design details in the video signal transcoding is whether to apply the SCART mode. The actual measurement and verification of the two kinds of videos show that the synchronous signal of XGA video is coupled in the R， G and B components， and the synchronous signal of RGB component PAL differential video is only coupled in the G component， which conforms to the respective video characteristics. Provided for the designers is the inspiration on the following video processing direction.

Key words： XGA Video; Airborne Video; RGB Component PAL Differential Video; Interface Circuit Design; SCART Mode