福州地铁乘客信息系统中信号传输接口模式

【摘要】乘客信息系统作为城市轨道交通的重要组成部分，可为乘客提供了列车信息、公告信息及紧急信息等多样化的信息服务，以满足不同乘客对不同资讯的需求。本文依托福州地铁1号线重点阐述两种主流乘客信息系统信号传输接口的特点和对比，并提出相应的改进建议。

【关键词】乘客信息系统（PIS）；高清晰度视频接口（HD-SDI）；高清晰多媒体接口（HDMI）

1、乘客信息系统概述

随着我国综合国力的不断提升，城市轨道交通的发展方式也从单纯的交通工具转变成为提供全方位、高质量服务的城市新地标。在这其中，乘客信息系统（Passenger Information System）作为轨道交通的信息发布“窗口”起着非常重要的作用。

PIS主要是以计算机系统为核心，通过多媒体技术与网络技术相结合的方式，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。从结构上可分为控制中心子系统（含备用中心子系统）、车站子系统、车载子系统、网络子系统（有线网络和车地无线子系统）等部分。

PIS采用存储信息和即时信息相结合的播放方式，为乘客提供候车、换乘、到站、时间、新闻、气象、商业等信息。其中存储信息包括播放时间表、版面布置、影视资料、动画等。即时信息包括列车到达时间、新闻、警报等，由控制中心实时发送到车站播放控制器。随着PIS的不断完善和发展，其所提供的信息将有利于乘客通过及时准确的信息引导，更加安全、便捷的乘坐轨道交通。

PIS是一个多媒体综合系统，PIS的功能就是采用专业的视音频技术，实时的将各种地铁运营信息完整的组合到一个视频画面中，并通过专业的传输技术将合成后的视音频画面传输到车站内的各个显示终端进行播出。而影响最终的显示效果的的关键指标就是PIS在制作播出流程上所采用的信号传输接口。现在主流的PIS信号传输接口包括串行数字接口（SDI）和高清晰多媒体接口（HDMI）。本次福州地铁1号线PIS采用的是国家广电高清HD-SDI标准。

2、信号传输接口介绍

2.1 广播级专业接口SDI/HD-SDI

HD-SDI接口，简称高清晰度视频接口，是广播电视行业用来连接各种制作设备和存储设备以及显示设备的接口。国家广电总局规定的中国高清晰电视标准为1920*1080i。

HD-SDI接口的特点：

接口兼容性好，视频音频传输稳定

HD-SDI接口是SDI接口的升级，和SDI接口采用同样的传输电缆、接插件。目前，全球已公布的广播电视行业用高清视音频标准，全部采用HD-SDI接口，且接口标准唯一。因此，采用HD-SDI接口的设备，有非常好的兼容性。

传输距离远

HD-SDI接口和SDI接口采用特殊的驱动技术和时钟抖动技术，通过单根同轴电缆，视音频的传输距离可达到250米。

维护方便

HD-SDI接口传输视音频信号只需一根同轴电缆，因此，维护非常方便。

全数字接口

HD-SDI接口传输的是全数字的视频信号和音频信号。不进行数/模或者模/数转换，能取得更高的音频和视频传输质量。

2.2 HDMI传输接口

HDMI（High Definition Multimedia Interface）的全称是“高清多媒体接口”。2002年4月，来自消费电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了“HDMI高清多媒体接口组织HDMI Founders（HDMI论坛）”，开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术，旨在取代伴随着数字高清影音技术的发展而逐渐暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影音技术进步瓶颈，没有考虑到IT产品和消费类AV产品融合趋势，由DDWG（Digital Display Working Group）数字显示工作组以美国Silicon Image公司的专利技术为蓝本推出，并受到IT业内以Intel、DELL、HP、IBM、微软等大企业广泛支持的DVI（Digital Visual Interface）接口。

HDMI在针脚上和DVI 兼容，只是采用了不同的封装。与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持5Gbps的数据传输率，最远可传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需 求少于4GB/s，因此HDMI还有很大余量。此外HDMI还具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。

3、信号传输接口比较

3.1传输介质对比

HDMI和SDI都可以只使用一根视频线同时传输视音频信号，但是从严格意义上来讲，SDI是采用单芯同轴电缆来传输，而HDMI是采用19芯或者29芯线缆进行传输，所以从理论上讲，HDMI并不能将视音频信号耦合在一根线缆进行传输，而是通过多芯线缆进行信号传输，这也就意味着HDMI实际上还是采用了多根线缆来进行传输的，那么用于传输视音频信号的不同线缆的信号传输特性是不一样的，这就有可能导致视音频信号的不同步，而且环境温度变化更会加剧不同步的程度，因此在SDI接口方式下，系统布线更加简单，将给PIS的布线带来极大的便利，环境温度对SDI接口的影响也最小，从而使得系统的可靠性获得了极大提高。

3.2传输距离的对比

SDI信号是无压缩的基带数字视频信号，不存在因压缩造成的画质下降或迟延（至少200msec）。它的传输距离足够远，信号通过同轴电缆5CFB或者1189A能够传输350米甚至400米，传输高清HD-SDI信号时亦能达到150米，在实际工程中能够适应地铁站厅、站台长距离布线这一特殊环境的需要。同时，避免了通常的中继器之类的信号延长设备，在实际中也减少了可能发生的故障节点，使得PIS更加稳定可靠。

HDMI的有效传输距离为15米，在有效的距离内，采用高质量的专用HDMI线缆可以较好的完成720p或1080i信号的传输任务，但一旦信号使用1080p，由于较大的数据量，画面传输已经开始出现问题。在长距离传输的要求下，以UTP网线、光纤作为媒介，以达到延伸传输的目的。尤其是在引入光纤以后，单节传输距离可达2500米，总距离长达几十公里。但使用光纤作为HDMI接口的延伸手段，固然相当有效的解决了HDMI的传输距离问题，但大量中继设备增加的同时也带来了设备故障节点的隐患。

3.3接口标准对比

HD-SDI接口作为国际标准高清接口，已经在对图像质量要求很高的广播电视领域获得广泛的应用，也是我们国家广电行业应用标准，各电视台、节目制作单位均采用HD-SDI传输高清视音频信号。而HDMI仅作为部分企业应用标准，在专业领域基本没有得到应用，对图像质量的要求远没有HD-SDI接口要求高。

HD-SDI市场成熟度高，具有完整的测试评定标准，市面上有很多第三方专业仪器可对HD-SDI信号进行检测，而HDMI作为非标准接口，仅能通过视觉方式进行图像质量的测试，这样就带来了HDMI测试标准不统一，也就无法在生产制作阶段进行测试和改进。

另外，现有的视音频节目从拍摄到制作都采用的是YUV分量存储和编辑的方式，也更适合采用HD-SDI（YUV分量传输）进行传输，而HDMI为RGB分量传输，如果采用HDMI传输视音频节目，必须先进行YUV到RGB的转换后才能传输，这必然造成节目图像质量损失。

3.4兼容性对比

HD-SDI接口在全球只有唯一的标准，而且是在二十世纪九十年代发布的，技术非常成熟，市面上很容易就购买到具备HD-SDI的替代产品，HD-SDI接口的兼容性好；而HDMI接口是由多家公司联合研发的，于2002年发布，其接口包含的子标准非常多，并且版本更新很快，所以就很容易造成HDMI设备后续备品备件不能供货的情况。

3.5连接工艺的对比

HD-SDI方案采用75ΩBNC连接器作为信号传输的连接端子。考虑到地铁环境振动的影响，BNC连接器在实际使用中具有连接牢固、不易脱落的优点体现出来，为维护中避免了线缆松动造成的故障现象。而HD-SDI信号所采用BNC连接器“无电压接”制作工艺则能够更容易实现。

对比BNC接口（即SDI信号所使用），HDMI线缆及接口没有较为稳固的连接措施，在实际长期使用中，需要面对容易脱落、不易维护等缺点。

3.6PIS应用对比

福州地铁1号线PIS中，从制作到播出均采用SDI接口标准，所以能保证在整个系统环节中的节目质量达到广播级标准，而PIS采用HDMI接口标准，则仅能在制作阶段保证高质量的视频，经过传输播出后，则不能保证其视音频的播出质量。

基于以上原因，在PIS视频传输接口方面，SDI比HDMI更有优势，更加适用于城市轨道交通。

4、SDI接口在地铁中的创新

在以往地铁PIS中使用SDI接口时，一般都是采用同轴电缆作为传输介质。这种方式中信号单级传输距离为标清信号达350米以上，高清信号可达150米以上。对于距离更远的车站，需要中继对信号进行放大，再继续传输。

在这里需要指出的是，SD/HD-SDI并非只有电路信号唯一的形式。在行业通用标准中，SD/HD-SDI除了电信号以外，同样存在光信号形式。因此，在距离超长的环境下，可以采用SD/HD-SDI光信号形式传输至显示终端附近，经由信号转换分配器将SD/HD-SDI转换为HDMI或分量视频信号最终接入显示终端。

同时，在传输线路的敷设方面，通常采用星形走线方式，而非传统的信号级联方式。通过无源光分路器件将SD/HD-SDI光路信号实现多路输出。星形走线方式的优点在于提高了传输线路的可靠性，不会因为主干线路上的故障而导致系统瘫痪。

全光路传输比传统同轴电缆传输的优点如下：

（1）减少故障节点隐患

面对轨道交通乘客信息系统的大规模信号传输、无人值守、现场环境恶劣等实际情况，从工程设计和实施角度上看，不可避免需要考虑到“故障节点”这一影响系统运行的因素。

在图3和图4模型中，后者比前者少了一套信号转换分配器，因此在实际运行中也多了一组隐患的故障节点。

虽然信号转换分配器发生故障的几率与生产工艺、制造质量有关，但从系统设计的角度上看却是一个不可忽视的因素。将这个发生几率放到一个庞大的系统中，几率也将随之放大，如下图：

而在全光路传输方案中，由于省去了信号转换分配器这一中间环节设备，也就减少了设备故障发生的几率。

综上所述，全光路传输方案能够有效的提升系统的稳定性和可靠性。

采用全光路传输方案的系统设计模型如下：

（2）超长距离传输

随着我国轨道交通建设的规模不断扩大，车站建筑的空间距离也随之扩大，从通信设备室到站厅、站台等公共区域的单级布线距离逐渐突破了原有的150米极限。

采用单模光缆进行视频信号传输，有效的解决了传输空间的信号衰减限制，为地铁换乘站、商圈站等特殊大规模车站的乘客信息系统建设提供了有效的解决手段。

同时，也为车站出入口显示屏、车站户外显示屏等一些非典型显示方式提供了强有力的技术支持，增强了轨道交通内信息显示的多样性和视觉效果。

（3）抗干扰和避免雷击

在传统信号传输解决方案中，信号转换分配器上的外壳、BNC连接器等元器件都需要考虑金属材质所带来的电磁干扰、雷击等实际环境因素带来的影响。

采用全光路传输方案后，由于省去了信号转换分配器设备，加之所采用的单模光缆传输材料（主要材质为玻璃），可以有效的避开了电磁、雷击等弱点通信系统所必需考虑的安全隐患，提高了系统的安全性。

5、总结

PIS是应用于地铁领域的广播电视技术，因此，采用HD-SDI信号形式能够与福建广播电视系统无缝对接，为丰富PIS所播出的音视频节目留下了良好的基础。福州地铁1号线PIS就是采用了HD-SDI作为整个系统的视音频信号接口标准，并配有全光路解决方案。

从投资的角度来讲，由于HD-SDI设备更加专业和精密，所以HD-SDI方案的前期总体投资会稍多于HDMI方案，但是从系统长远运行维护的角度来讲，HD-SDI有利于后期系统维护；HD-SDI的标准唯一，从长远来看HD-SDI的运营维护成本要比HDMI的运营维护成本低。

综上所述，在PIS视频传输接口方面，HD-SDI比HDMI更有优势，更加适用于城市轨道交通发展，而全光路传输可以更好的实现PIS整体实现效果。

参考文献

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作者简介

林威：高级工程师。

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