l`arinc 818

Livre blanc
L’ARINC 818 SUR CUIVRE,
LE SUCCESSEUR DU LIENS HOTLINK II VIDEO
?
Traduction du white paper écrit par Jon Alexander « ARINC 818 on Copper, The successor to
HOTLink II Video Links? »
Nouvelle carte Matrix ARINC 818 High Speed Coax (HSC)
Câble coaxial standard RG59 avec connecteur DIN 1.0 / 2.3
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1 INTRODUCTION
HOTLink™, du nom du semi-conducteur de Cypress, s’applique à la famille des
Sérialiseurs/Desérialiseurs (SerDes) 8b/10b depuis 1992. HOTLink II™, introduit en 2001, supporte les
vitesses de transmission jusqu’à 1.5 Gbps et a été adopté par la communauté militaire et
aérospatiale pour sa simplicité et sa flexibilité. Les systèmes vidéos modernes dans le militaire et
l’aérospatial requérant de plus en plus de bande passante, les concepteurs sont à la recherche de
nouvelles solutions.
Le protocole ARINC 818-2 sur cuivre est la solution de remplacement parfaite.
L’ARINC 818-2 est une mise à jour, effectuée en 2013, du protocole ARINC 818, le bus vidéo
numérique pour l’avionique (ADVB, Avionics Digital Video Bus). Il est proposé comme un remplaçant
viable parce qu’il est similaire au protocole HOTLink II et fournit plus de bande passante, de
standardisation et la vérification d’erreur intégrée.
2 LES PRELIMINAIRES DU PROTOCOLE HOTLINK II
Tellement populaire et largement utilisé, le nom HOTLink II™ est devenu le surnom pour tout lien
8b/10b avec un overhead protocolaire minimal, qu’il implémente la puce Cypress ou non.
Avec le HOTLink II™, les concepteurs ont eu une flexibilité optimale pour définir un lien vidéo. Ils
optent pour ce qui répond au mieux aux exigences de leur système.
En fait, le HOTLink II™ a été le plus simple des protocoles imaginable. Les utilisateurs ont simplement
à choisir un débit satisfaisant et à définir un protocole simple en utilisant les ensembles de caractères
spéciaux (Kchars) qui délimitent les paquets de données et de vidéo.
Par exemple, les données de la ligne vidéo peuvent désigner un début de ligne, start-of-line (SOL),
comme K28.3 et une fin de ligne, end-of-line (EOL), comme K28.4. Les paquets de données non-vidéo
peuvent être désignés par un caractère K28.2.
Les concepteurs ont apprécié le fait que le HOTLink II™ ne soit pas lié à un support de transmission
physique particulier. C’est essentiel pour une mise à jour d’applications contraintes à un choix de
câble existant. Dans le milieu militaire et aérospatial, le support physique de transmission a surtout
été des paires blindées torsadées (twisted shielded pair (TSP)), ou du cuivre coaxial.
Avec la mise en œuvre du HOTLink II™, différents débits et plusieurs choix de protocoles sont le
résultat d’interfaces propriétaires non compatibles avec des équipements de test du commerce.
D’autres caractéristiques du lien, comme les tailles des paquets et les timings, garantissent
quasiment qu’un produit HOTLink II™ donné ne sera pas compatible avec un autre – à moins que la
conception ne soit faite avec le même document d’interface.
La simplicité et la flexibilité du HOTLink II™ ont été ses forces et ses faiblesses.
3 LES NOUVEAUX BESOINS
Il y de nos jours un besoin pour aller au-delà de la limite à 1.5 Gbps du composant Cypress HOTLink
II et pour améliorer les distances de communications, tout particulièrement à des très hauts débits
Plusieurs choix se présentent pour ces nouveaux besoins dont certains peuvent permettre d’aller audelà de 10 Gbps
Mais comme le HOTLink II™, toutes les nouvelles générations d’interface se doivent être flexibles. En
même temps, il faut tirer des avantages significatifs de la standardisation en créant la possibilité
d’avoir des outils de développement et de test sur étagères.
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Grâce à cette adaptabilité, overhead faible, et les hauts débits, l’ARINC 818 Supplément 2 (ARINC
818-2) est un très bon candidat pour ces nouveaux besoins. Comme le HOTLink II™, l’ARINC 818 est
indépendant du support physique de transmission. Le support peut être une fibre optique ou une
liaison cuivre. Mais à la différence du HOTLink II™, l’ARINC 818 a standardisé la couche de transport,
permettant la possibilité d’avoir des équipements de test et de développements génériques.
Pour les applications très hauts débits, l’utilisation de l’ARINC 818 sur fibre optique permet
d’atteindre un débit de 12 Gbps avec une distance dépassant les 500 mètres. Mais dans les cas où la
fibre ne peut pas être mise en œuvre, l’usage de l’ARINC 818 sur cuivre est possible et est une
solution de remplacement idéale au HOTLink II™.
L’utilisation de câbles en cuivre permet d’atteindre un débit de 6 Gbps et, en fonction du bit rate et
du type de câble, la longueur de câble peut dépasser les 100 mètres (voir paragraphe 4.3).
Comme pour les applications HOTLink II™, les débits des liens ARINC 818 et le protocole sont
finalement adaptables pour les besoins de l’application. Plusieurs débits sont définis et beaucoup de
résolutions vidéo, de types de pixel ou encore de timing sont réalisables.
4 COMPARAISON DE LA MISE EN ŒUVRE DU HOTLINK II™ ET DE
L’ARINC 818
La Table 4 montre une comparaison succincte entre l’utilisation du HOTLink II™ pour les liaisons
vidéo et l’ARINC 818.
Table 4. Comparaison entre HOTLink II™ et ARINC 818
Caractéristiques
HOTLink II™
ARINC 818
Encodage
8b/10b
8b/10b
Couche physique adaptable ?
Oui
Oui
Support de la liaison cuivre ?
Oui
Caractères spéciaux/ primitives de
liaisons
12 caractères spéciaux différents,
pas de contrainte d’utilisation.
Couche de transport
Débit ajustable?
résolution vidéo / définition pixel
ajustables?
Défini par l’utilisateur.
N’importe quel débit dans la limite
du Phy
N’importe quelles résolutions vidéo /
définitions pixel
Oui
8 caractères spéciaux différents, 4
caractères chacun, utilisation définie
par le standard.
Structure de paquet définit par le
standard.
11 débits 8b/10b définit par le
standard.
N’importe quelles résolutions vidéo /
définitions pixel
Autorise un timing vidéo précis?
Oui
Oui
overhead du protocole
< 2%
< 3%
Couche de transport standardisé ?
Supporte le transport de données
auxiliaires ?
Non
Oui—propriété de l’utilisateur
Oui
Oui— défini par le standard
Exige une interface HL2 séparée.
Peut-être réaliser sur un seul câble
coaxial.
Supporte le return path?
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4.1
Encodage
La liaison HOTLink II™ est encodée en 8b/10b et contient 12 caractères spéciaux (K28.0, K28.1, K28.2,
K28.3, K28.4, K28.5, K28.6, K28.7, K23.7, K27.7, K29.7, et K30.7) comme délimiteurs. Ces caractères
spéciaux sont utilisés pour indiquer le début et la fin d’une d’image, le début et la fin d’une ligne, des
champs libres (idle) ou d’autres caractères de contrôle.
Typiquement le HOTLink II™ utilise le caractère K28.5 comme “remplissage” entre les paquets de
données.
L’ARINC 818 est également encodé en 8b/10b mais a une exigence supplémentaire pour le protocole
qui est de transmettre les données par morceau de 4 octets. Par exemple, le « remplissage » de
caractères, au lieu d’être un simple caractère K28.5, est un ensemble d’idle de 4 caractères
ordonnés selon K28.5, D21.4, D21.5, D21.5. Cet ensemble d’idle, comme tous les autres ensembles
utilisés en ARINC 818, ont un Kchar suivi par 3 caractères (voir section 4.3.1).
4.2
Vitesse des liens
Les vitesses du lien HOTLink II™ peuvent être choisies quel que soit le débit supporté par le Phy.
C’est essentiellement une valeur entre 330 et 1500 Mbps quand on utilise un système Cypress. Par
opposition, le standard ARINC 818 définit des débits admissibles comme décrits dans la table 4.2.
Table 4.2. Débits ARINC 818.
Bit
Rate
(Gbps)
Equivalent Fibre
Channel Rate
1.0625
FC 1x vitesse
1.5
1.62
2.125
FC 2x vitesse
2.5
3.1875
FC 3x vitesse
4.25
FC 4x vitesse
5
4.3
6.375
FC 6x vitesse
8.5
FC 8x vitesse
12.75
FC 12x vitesse
Liaison cuivre
D’importants ajouts au standard ARINC 818-2 (en plus de l’ARINC 818-1) ouvrent la voie pour
perfectionner les couches de la liaison cuivre. En particuliers, il est envisagé l’usage d’une nouvelle
puce équaliseur pour nettement améliorer la bande passante et la distance du câble coaxial.
Le protocole ARINC 818 permet l’implémentation d’une liaison retour, du récepteur vidéo vers la
source vidéo, sur le même câble coaxial. Alors une caméra ou un capteur peut être réalisé avec un
seul câble coaxial à haut débit.
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Great River Technology (GRT) propose des cartes d’acquisition ARINC 818 à haut débit sur coax (HighSpeed Coax – HSC), des générateurs vidéo, des modules de conversion et des switchs. Les produits
ARINC 818 HSC utilisent le même support physique que ceux utilisés par le standard CoaXpress™.
Comme le CoaXpress™, ces produits offrent un lien de contrôle à faible vitesse du récepteur vidéo à
la source vidéo. La figure 4.3 montre un équipement de démonstration de GRT où deux caméras sont
multiplexées en un seul câble coaxial. Une seule carte d’acquisition sert de contrôleur pour les deux
caméras.
Figure 4.3. Equipement de démonstration GRT Le protocole ARINC 818 utilisé avec une carte HSC High Speed Coax
Les figures 4.3a et 4.3b montre les distances atteignables sur câble coaxial pour les produits ARINC
818 HSC utilisant des câbles standard coaxiaux. La table 4.3 montre les résultats remarquables avec
câble coaxial 75-ohm.
200
Max Distance (m)
RG11
Style
160
RG6 Style
120
RG59
Style
80
5
6
7
8
9
10
11
Cable Diameter (mm)
Figure 4.3a. Distances maximales @ 1.0625 Gbps pour câble standard coaxial 75-ohm.
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Max Distance (m)
200
160
RG11 Style
120
RG6 Style
RG59 Style
80
5
6
7
8
9
10
11
Cable Diameter (mm)
Figure 4.3b: Max Distances maximales @ 3.1875 Gbps pour câble standard coaxial 75-ohm.
4.3.1
Caractères spéciaux de contrôle
Comme évoqué, l’ARINC 818 est un lien encodé en 8b/10b mais contrairement au HOTLink II™ tous
les mots ont une largeur de 4 caractères. Pour le HOTLink II™, les concepteurs peuvent choisir
n’importe quel des 12 Kchar comme délimiteurs de protocole. Par opposition, le protocole ARINC
818 a défini des caractères spéciaux pour designer des éléments tels que le début/fin d’image ou le
début/fin de ligne vidéo. Le tableau 4.3.1 liste les caractères spéciaux définis par le standard ARINC
818 et leur utilisation.
Table 4.3.1. Caractères spéciaux ARINC 818
Nom
Caractères spéciaux
Utilisation
Idle
K28.5 D21.4 D21.5 D21.5
SOF Initiate Class 1 (SOFi1)
K28.5 D21.5 D23.2 D23.2
SOF Initiate Class 3 (SOFi3)
K28.5 D21.5 D22.2 D22.2
SOF Normal Class 1 (SOFn1)
K28.5 D21.5 D23.1 D23.1
Indique le début des données de
l’image
SOF Normal Class 3 (SOFn3)
K28.5 D21.5 D22.1 D22.1
Indique le début des données de
l’image
K28.5 D21.4 D21.6 D21.6
EOF Normal (EOFn)
Caractère Idle de "remplissage"
Indique le début d’une image
Indique le début d’une image
Indique la fin des données de l’image
K28.5 D21.5 D21.6 D21.6
Indique la fin des données de l’image
K28.5 D21.4 D21.3 D21.3
Indique la fin d’une image
K28.5 D21.5 D21.3 D21.3
Indique la fin d’une image
EOF Terminate (EOFt)
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Typiquement, l’implémentation utilise les caractères spéciaux des Class 1 ou Class 3.
4.3.2
Paquets de données ARINC 818
Contrairement au HOTLink II™ où les paquets de données sont construits librement, le protocole
ARINC 818 définit des règles précises sur la construction des paquets. Le protocole ARINC 818 se
réfère au mécanisme de transport de données (paquets) en tant que trame ADVB. Il est important
de se reporter à ces trames « AVDB » plutôt qu’a une simple trame pour éliminer la potentielle
confusion avec une image vidéo.
Figure 4.3.2. Structure d’une image ADVB.
Le début d’une trame ADVB est signalé par un caractère spécial SOFx et terminé par EOFx comme
indiqué dans la figure 4.3.2. Chaque image ADVB a un entête composé de six mots 32-bits. Ces mots
d’entête sont relatifs à des choses semblables telle que l’origine et la destination attendue d’une
trame ADVB et la position d’une trame ADVB dans la séquence. Les données utiles peuvent être la
vidéo ou les données associées. Les données utiles dans une trame ADVB peuvent varier en taille
mais ne peuvent pas dépasser 2112 octets. Enfin pour toutes les trames ADVB, un CRC 32-bit est
calculé pour les données entre le SOFx et le mot de CRC pour les dispositifs de test intégré. Le CRC
est le même calcul polynomial 32-bit que celui défini pour le Fiber Channel.
Les spécifications de l’ARINC 818 définissent un containeur comme un ensemble de trames ADVB
utilisées pour le transport d’une seule image vidéo. Autrement dit, une image vidéo et une donnée
associée sont encapsulées dans un containeur qui couvre plusieurs trames ADVB.
Dans un containeur, l’ARINC 818 définit des objets contenant certains types de données. C’est à dire,
certains trames ADVB dans le conteneur font partie de l’objet. Bien qu’il existe quatre types d’objet,
la plupart des implémentations utilise seulement deux objets : ancillary data (objet 0) et la vidéo
progressive (objet 2).
4.3.3
Données utiles
Dans la nomenclature ARINC 818, les données objets sont renvoyées à l’Object 0, et c’est
typiquement le premier paquet qui est envoyé avec chaque image vidéo. La plupart des
implémentations demande moins que la limite des 2112 octets pour un paquet de données Objet,
mais il n’y a pas de limite de taille de données Objet et plusieurs paquets peuvent être utilisés.
Il y a que quelques règles pour la construction d’un Objet 0. Tout d’abord, tous les paquets Objet 0
doivent être construits comme décrit dans la figure 4.3.2 et avoir une entête ADVB de 24 octets.
Ensuite, les 88 premiers octets après le paquet d’entête sont définis par l’ARINC 818 comme l’entête
du conteneur. En d’autres termes, ils sont réservés, obligatoires et doivent avoir les données
correctes pour être conforme à la liaison ARINC 818. Entre autres, l’entête du conteneur a un
compteur de trames vidéo, des champs de datation et la taille et les valeurs d’offset pour tous les
objets conteneurs (essentiellement le nombre d’octets pour les données vidéo utiles et les ancillary
data).
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A la différence du HOTLink II™, où il n’y a pas d’exigence de transport de données (dans certaines
implémentations seulement les données vidéo utiles existent), l’ARINC 818 demande au moins un
paquet Object 0 transmis avec chaque conteneur (image vidéo). La premier trame ADVB, qui contient
seulement l’Objet 0 (ancillary data) et l’entête du conteneur, fait 128 octets.
4.3.4
Données vidéo utiles
En ARINC 818, les données vidéo utiles sont transportées en série dans les trames ADVB.
L’application typique transporte une seule ligne dans un nombre entier de trame ADVB de taille
égale. Pour les lignes vidéos exigeants plus de la limite de 2112 octets, deux ou plus trames ADVB
sont utilisés.
Un exemple de comment l’ARINC 818 transmet une vidéo couleur au format XGA fournit un bon
aperçu. Le format XGA RGB demande un débit de 141 Moctets/s (1024 pixels x 3 octets par pixel x
768 lignes x 60 Hz). Ajouté à la surcouche du protocole et du découpage du temps, un débit standard
de 2.125 Gbps est nécessaire. L’ARINC 818 “paquetise” les images vidéo en trame ADVB. Une trame
ADVB est définie figure 4.3.4, où la taille maximale des données utiles est de 2112 octets. Chaque
trame ADVB commence par un caractère spécial de 4 octets, appelé SOFx (start of frame), et fini par
EOFx (end of frame). De plus, un CRC de 4 octets est inclus pour l’intégrité des données.
Figure 4.3.4. Exemple de trame ADVB pour une vidéo couleur XGA.
Chaque ligne vidéo XGA demande 3072 octets, laquelle ne doit pas excéder la longueur maximale de
données utiles ADVB, donc, chaque ligne vidéo est divisé en deux trames ADVB. Transporter une
image de résolution XGA demande 1536 trames ADVB par image. La première trame qui contient les
données de l’Object 0 et l’entête du conteneur, rassemble un total de 1537 trames ADVB.
4.3.5
Timing Video
Comme le HOTLink II™, les liens ARINC 818 imposent des timings vidéo précis pour le transport des
données vidéo utiles. Cela n’est pas requis par le standard, et l’implémentation peut transporter une
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seule capture d’image avec des lignes non-datées. Mais dans les cas où le lien transporte de la vidéo
live, les trames vidéo et les lignes vidéo doivent avoir un timing imposé.
Les détails du timing pour une implémentation ARINC 818 sont saisis dans le document ICD (voir
section 4.5).
Comme montré Figure 4.3.4, les timings des lignes verticales et horizontales sont terminés en
ajoutant des caractères spéciaux Idle entre chaque trame ADVB.
4.4
Interface Control Document (ICD) et interopérabilité
Comme le HOTLink II™, l’ARINC 818 autorise de la flexibilité dans l’implémentation des interfaces
vidéo. Cette flexibilité est souhaitable à cause des nombreuses résolutions, niveaux de gris, formats
de pixel et fréquences d’images des systèmes vidéo dans le mil/aéro. Cependant, cette flexibilité est
un problème pour les vendeurs d’équipements qui espèrent un certain niveau d’interopérabilité.
Le comité ARINC 818 a décidé que quelle que soit l’implémentation d’une interface ARINC 818, un
document de contrôle d’interface (ICD) doit être fourni.
Une partie particulière d’un équipement qui est conforme avec l’ARINC 818 n’est pas forcément
interopérable avec une autre partie de l’équipement conforme elle aussi avec l’ARINC 818. Tout
dépend de l’ICD. Le document ICD devra spécifier les paramètres du lien tels que la vitesse, la
résolution d’image, la synchronisation, la fréquence d’images, etc. Typiquement un programme de
développement avionique militaire ou commercial aura un document ICD associé à son programme.
Les interfaces ARINC 818 conçues pour un ICD en particulier seront interopérables. Quand un
équipement est spécifié comme compatible ARINC 818, un ICD particulier servira de référence.
Contrairement au HOTLink II™, l’ARINC 818 a standardisé la couche de transport permettant la
possibilité de faire des équipements de test et développement génériques.
Pour supporter le développement d’émetteurs ARINC 818, GRT offre un analyseur de protocole (VPA)
qui est compatible avec n’importe quelle implémentation ARINC 818 pour un débit allant de 1x à 4x.
De la même façon, pour supporter le développement de récepteurs ARINC 818, GRT offre une source
vidéo flexible, le XF Tuner, qui est compatible avec n’importe quelle implémentation ARINC 818 pour
des débits allant de 1x à 4x.
4.5
Implémentation FPGA
Dans la majorité des cas, les systèmes électroniques pouvant implémenter les interfaces 8b/10b
(comme le Cypress HOTLink II™) seront capables d’implémenter l’ARINC 818 —c’est à dire, jusqu’à la
limite de bande passant du système. Il sera possible, par exemple, d’utiliser le Phy Cypress HOTLink
II™ pour obtenir un lien ARINC 818 fonctionnant à 1.0625 Gbps.
La même chose est vraie pour les systèmes FPGA avec un SerDes 8b/10b à haut débit. Xilinx et Altera
dominent le secteur des PLDs et FPGAs. Les deux fabricants offrent des produits avec des blocs
d’interface série à haut débit déjà faits et capables de créer une interface ARINC 818. Dans la plupart
des cas, il y a de de simple SerDes 8b/10b qui sont utilisés pour satisfaire les standards séries
existants (comme le Fibre Channel, PCI Express, XAUI, SONET, Gigabit Ethernet, etc.) et peuvent être
utilisés comme interface ARINC 818.
IP Core: Contrairement au HOTLink II™, l’ARINC 818 est un protocole défini. Cela se prête bien à
utiliser une IP core pour implémenter l’ARINC 818 dans un design. GRT offre des IP cores ARINC 818
pour les composants les plus connus de Xilinx et Altera. Ces IP core sont actuellement utilisées dans
de nombreux produits aérospatiaux et possèdent une certification DO254-Level A.
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4.6
Conclusion
Avec le HOTLink II™, les concepteurs ont une flexibilité absolue pour définir le lien vidéo. Les
développeurs sont capables de définir de simples protocoles en utilisant les jeux de caractères
spéciaux pour délimiter les paquets de données et vidéo.
Comme le HOTLink II™, l’ARINC 818 permet une implémentation flexible et avec un faible overhead
d’interfaces vidéo. Mais contrairement au HOTLink II™, l’ARINC 818 a standardisé la couche de
transport, permettant de créer des équipements de test et de développement génériques.
L’ARINC 818 supporte les débits allant de 1.0625 Gbps à 12.75 Gbps, en utilisant l’encodage connu
8b/10b.
D’importants ajouts au récent standard ARINC 818-2 permettent l’usage d’une liaison cuivre en
utilisant les nouveaux composants actifs. Ces interfaces cuivre proposent une impressionnante
largeur de bande ainsi que des distances de câbles en utilisant des câbles coaxiaux communs.
De plus, il est possible d’avoir un retour de communication (du système vidéo récepteur vers la
source vidéo) sur le même câble. Par conséquent, une interface complète avec la caméra ou un
capteur peut être réalisée avec un seul câble coaxial à haut débit.
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