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Einführung zu ARINC 818
ARINC 818, auch als Avionics Digital Video Bus (ADVB) bezeichnet, ist ein Protokoll, welches auf Fibre Channel Audio Video (FC-AV) und ANSI INCITS 356-2002 basiert.
Vorteile
Ein Hauptvorteil von ARINC 818 ist der geringe Mehraufwand der für das Protokoll selbst erforderlich ist und eine Echtzeitübertragung von Videosignalen mit hohen Datenübertragungsraten ermöglicht, zum Stand Anfang 2017 üblicherweise 4,25 Gigabit pro Sekunde (Gb/s), wobei in den kommenden Monaten eine Verdreifachung dieser Rate möglich ist.
Das Protokoll weist eine sehr geringe Latenz auf und stellt so sicher, dass ein Heads-Up-Display den visuellen Eindrücken des Piloten entspricht.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flexibilität. Durch den Einsatz eines ICD (Interface Control Document) zur Erhaltung der Interoperabilität zwischen Komponenten eines bestimmten Systems nach ARINC 818, ist das Protokoll nicht auf eine bestimmte physische Schicht oder ein bestimmtes Videoformat beschränkt. Mit Lichtwellenleitern können Videodaten über lange Distanzen (je nach Auslegung beschränkt auf 500 Meter bis 10 Kilometer) ohne elektromagnetische Störungen übertragen werden.
Auch ein Einsatz mit Kupferleitungen, einschließlich bidirektionalen Koaxialkabeln, ist möglich. Die Funktionalität anderer physischer Schichten, beispielsweise einer drahtlosen Übertragung, ist zwar bislang unbewiesen, mit großer Wahrscheinlichkeit aber möglich.
ARINC 818 konvertiert jedes Videobild in eine Transporteinheit, den sogenannten ADVB-Container. Innerhalb diese Containers befinden sich Pakete, die sogenannten ADVB-Bilder. Weil ADVB-Bilder nicht eins zu eins den tatsächlichen Videobildern entsprechen, sollte von der einfachen Bezeichnung „Bilder“ abgesehen werden.
Container und Bilder
Übertragungsprozess
In der Avionik ist die Quelle des Videobildes üblicherweise ein Grafik-Generator-Modul oder ein CMP (Central Mission Processor) und das Ziel ist eine Anzeigeeinrichtung. Die Übertragung durchläuft die folgenden Schritte:
- Video wird in ADVB-Bilder paketiert, wobei Leerzeilen zum Zwecke der Zeitsteuerung hinzugefügt werden;
- Serialisierung und 8-bit/10-bit-Codierung (8b/10b);
- Serielle Übertragung;
- 8b/10b-Decodierung;
- Rekonstruktion, einschließlich Entfernung der Leerzeilen.
Die 8-bit/10-bit-Codierung (8b/10b) ermöglicht Übertragungen über lange Distanzen. Alle 8 Bits (jedes Byte) an übermittelten Informationen überträgt die physische Verbindung 10 Bits, was zu einem Mehraufwand von 20 % für die physische Verbindung führt. Um 32 Bits (4 Bytes) zu übertragen werden bei einer 8b/10b-Codierung 40 Bits physisch übertragen. Die 4 Bytes werden dann wieder beim Empfang auf 32 Bits reduziert. Bytes werden als Daten oder Sonderzeichen definiert, beispielsweise der Anfang eines Bildes (SoF oder „Start of Frame“), das Ende eines Bildes (EoF oder „End of Frame“) oder als Leerzeichen. Wenn keine Daten über die physische Verbindung übertragen werden, werden Leerzeichen eingefügt, um eine kontinuierliche Übertragung zu gewährleisten.
Der Container besteht aus einem Header und Objekten, die als Nutzdaten („Payload“) bezeichnet werden. Das Profil Simple Parametric, Digital Video verwendet vier Objekte zur Aufnahme der Zusatzdaten, Audiodaten und Videodaten. Die Nutzdaten aus einer gesamten Abfolge von ADVB-Bildern machen einen Container aus. Ein Container besteht aus den Nutzdaten vieler ADVB-Bilder.
Die Nutzdaten des ersten übertragenen ADVB-Bildes enthalten das Objekt 0 oder den Container-Header, welcher die Zusatzdaten überträgt. Die Nutzdaten des nächsten ADVB-Bildes enthalten die ersten Zeilen der Videodaten im Objekt 2. Diese Nutzdaten enthalten oftmals lediglich das Objekt 0 und Objekt 2. Das Objekt 1 dient der Audioübertragung, die oftmals nicht verwendet wird und Objekt 3 wird nur bei Videobildern mit Zeilensprung eingesetzt.
Interface Control Document
Umsetzungen nach ARINC 818 sind nur dann kompatibel, wenn diese dasselbe ICD („Interface Control Document“) teilen. Aus diesem Grunde müssen Umsetzungen immer mit einem ICD verknüpft sein. In einem ICD werden unter anderem die folgenden grundlegenden Merkmale festgelegt:
- Videoauflösung;
- Abtastungstyp;
- Bildwiederholrate;
- Pixelformat.
Es werden auch Eigenschaften komplexerer Systeme abgedeckt.
ADVB-Bilderstruktur
Leerzeichen: Zwischen ADVB-Bildern werden Leerzeichen übertragen. Üblicherweise werden sechs Sätze aus Leerzeichen zwischen jedem FC-Bild benötigt. Bei der Übertragung kann die Anzahl der Sätze aus Leerzeichen zwischen den ADVB-Bildern zur Zeitsteuerung der Videobilder variiert werden (Einstellung der horizontalen Austastlücke).
Bildanfang (SoF, „Start of Frame“): ARINC 818 ist unabhängig von der Service-Klasse (CoS, „Class of Service“). Aktuell bestehen Umsetzungen nach Klasse 1 (Class 1) und Klasse 3 (Class 3).
Nutzdaten („Payloads“): Das erste Bild der Datensequenz eines ADVB-Containers umfasst den Container-Header und die Zusatzdaten des Objekts 0 als Nutzdaten. Die folgenden Bilder der Container-Sequenz umfassten die Videopixeldaten des Objekts 2. Diese sind auf 2112 Bytes begrenzt, wodurch eine einzelne Videozeile unter Umständen in mehrere ADVB-Bilder aufgeteilt werden muss. Im Beispiel mit XGA erfordern 1024 RGB-Pixel in einer Videozeile drei Bytes (3072 Bytes pro Zeile), sodass eine Videozeile in zwei ADVB-Bilder aus 2112 Bytes aufgeteilt werden muss.
Zyklische Redundanzprüfung (CRC): Nachdem ein Videobild übertragen wurde, folgt eine CRC-Prüfmenge aus 4 Bytes zur Fehlererkennung. Dabei kommt das folgende 32-Bit-Polynom zum Einsatz:
X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1
Bildende (EoF, „End of Frame“): Alle Bilder mit Ausnahme des letzten Bildes der Übertragungssequenz eines ADVB-Containers verwenden den EOFn-Satz („End of Frame Normal“), der mit RD-Negativ oder RD-Positiv beginnt.
Das letzte Bild der Übertragungssequenz eines FC-AV-Containers verwendet den EOFt-Satz („End of Frame Terminate“), der mit RD-Negativ oder RD-Positiv beginnt.
Seit der Einführung von ARINC 818 vor mehr als einem Jahrzehnt haben benutzerdefinierte Umsetzungen zu einem überarbeiteten Standard geführt, der beispielsweise um Schaltfunktionen, Rückkanäle zur ausschließlichen Übertragung von Daten (beispielsweise zur Steuerung von Sensorbehältern) und lokal höhere Bildwiederholraten als im Rest des Bildes erweitert wurde. Höhere Verbindungsraten im Zusammenhang mit dem Protokoll ARINC 818, derzeit bis zu 28,05 Gigabit pro Sekunde, sind bereits möglich, um auch von den schnelleren FPGA der Zukunft profitieren zu können.