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作者：百佳泰 / Doyen Tsou 手机单价越来越尊贵，大家为了呵护好手机，会为手机添购保护壳。但手机保护壳为了满足消费者的多元要求，需要具备设计感，防尘，耐摔，重量轻，价格还要实惠，因此在材质、设计上，就会添加许多元素来达到这些要求；这华丽外表的背后，隐藏了对手机通信品质造成影响的可能。我们就针对几款手机壳做实测，来看看手机保护壳是否让无线性能真的变差了。 我们先针对两款性能较好的高阶手机：「 Apple iPhone Xs 」与「 Samsung S10 」，挑选不同特性材质的保护壳；针对手机搭配不同的保护壳，来与没有安装保护壳的状态，测试比较无线性能表现。 . 下表是这次测试挑选的保护壳与其材质特性分类： 这次选用的测试方法有两种，一个是 LTE 的 OTA 测试，另一个是 Wi-Fi 的吞吐量测试，去做不同无线技术的通信性能实测比较。 OTA 测试是在电波隔离室中，量测手机整体 LTE 通信的性能好坏，测试的指标有总辐射功率「 Total Radiated Power (TRP) 」和总全向灵敏度「 Total Isotropic Sensitivity (TIS) 」，藉由 TRP 可以了解传输的性能， TIS 可以分析接收的性能。 OTA 测试示意图 下表是两支手机分别搭配不同手机保护壳的 OTA 测试结果，从测试结果来看 iPhone Xs 搭配 Telephant/ 太乐芬的手机壳和 Samsung S10 搭配 Botye/ 铂态的手机壳这两款边框含金属成分 (Metal composition around frame) ，会对传输和接收能力造成较大的衰减。 LTE OTA 测试结果 TRP 结果分析 从两支手机的 TRP 结果分析，金属成分在背面上的手机壳 (Metal composition in the back side) 比较没有影响或影响较小，但金属边框的手机壳 (Metal composition around frame) ，皆会造成传输上明显的能力下降。 TIS 结果分析 从两支手机的 TIS 结果分析，含有金属成分边框 (Metal composition around frame) 的手机壳，会造成接收感度上明显的性能差异，甚至会造成 4~5db 的劣化，这会让通信距离缩短至仅剩原本性能的 1/4 。 WiFi 吞吐量测试结果 Wi-Fi 吞吐量的测试结果上，看到 Samsung S10 搭配 Botye/ 铂态手机壳，其为金属边框成分的手机壳 (Metal composition around frame) ，会造成 2.4G Wi-Fi 吞吐量测试在传送 (Tx) 和接收 (Rx) 能力上都有明显的下降，但在 5G 并没有特别的影响。 Samsung S10 吞吐量测试 – Tx Samsung S10 吞吐量测试 – Rx Samsung S10 在不同角度的吞吐量测试，除了手机本身设计的影响在 135˚ 的未装手机壳的吞吐量就已得到较差的结果外，可以观察的到金属边框成分的手机壳 (Metal composition around frame) 在不同角度，皆会发生无线性能较差的现象。 Samsung S10 360 度吞吐量测试 那 iPhone Xs 手机壳的结果如何呢？ 同样也看到金属边框成分的手机壳 (Metal composition around frame) ，会造成 5G Wi-Fi Rx 吞吐量测试在传送和接收性能上都有明显的下降，但在 2.4G 并没有显著的影响。 Apple iPhone Xs 吞吐量测试 – Tx Apple iphone Xs 吞吐量测试 – Rx iPhone 在不同角度的 吞吐量 测试，也可以观察的到金属边框成分的手机壳 (Metal composition around frame) 在 0˚ 和 45˚ ，会发生无线性能较差的现象。 Apple iPhone Xs 360 度吞吐量测试 当信号不好时，手机得提供更大的通信能量才能维持好的通话质量，相对的人体也会需要承受更大能量的无线电波影响。 从这些测试中，我们发现手机壳的设计的确会直接影响收机的通信能力，因此当在选择华丽或酷炫的手机壳时，要考虑手机壳本身的材质与设计，避免选择带有金属边框或背板的手机壳，因为金属的特性会遮蔽无线信号的通信，进而影响手机无线通信质量，产品开发或消费者都不能不注意。

以往家中使用网络的设备只局限在笔记本电脑或手机等个人设备，而近年来随着物联网产品的崛起与发展应用，家庭里会有越来越多的设备需要联机到网络，例如智能电视、智能灯泡、智能音箱、扫地机器人或其他温湿度计等IoT设备。然而，当我们在构建家中的无线网络时，常常会考虑到以下两种问题： 家中的无线基地台（Access Point；AP）信号真的能够覆盖到每个角落吗？ 所有联网的设备都能在每个角落保持联机顺畅与良好的网络质量吗? 在接下来的文章中，百佳泰将在一般常见的独栋居民楼做实际测试，从设备 使用距离、AP覆盖范围 以及 吞吐量表现 的方式，探讨性能与其间的关系。 图说:智能家居中许多装置都有联网的功能 当我们在构建家中网络时首先会申请宽带网络，业者会把网络接点拉好，并提供无线路由器做使用。然而，由于网络的接点已经固定，加上业者提供的路由器并不是理想中的机型，因此大部分的用户会另采购功能更强大的AP并安置在网络接点附近。但是，当我们购入价格高昂、功能齐全的AP时，我们还是存有疑虑： 网络信号与品质范围就足以覆盖整间房子吗? 我们还需要再选购第二台AP来保持家中网络的稳定性吗？ 图说：家中的AP到底要放哪才能性能最大化？ 在第一项测试中，我们透过Heatmap量测家中的AP在5GHz信号覆盖分布的情形，其次我们在房子平面图中设计定位点来模拟家中可能会使用Wi-Fi联网的角落点，并观察这些点上网络吞吐量的表现。 图说: 上图为居民房1楼平面图，下图为AP 在5GHz (dBm) 信号表现 (越红信号越好，越蓝信号越差) 从上图得知，在Heatmap的量测中有一些蓝绿色的区块（蓝绿色信号较差），造成这个区块信号较弱的原因是水泥隔间的存在。Wi-Fi信号中的5GHz传输速率虽快，但穿墙能力差，因此可以发现AP信号在穿过水泥墙时有较大的衰减，而造成联机质量不佳。 另一方面，从我们模拟的G、J、K、M这四个点可以发现不仅此区块的颜色为蓝绿色外，接收的信号强度指示 (Received Signal Strength Indication；RSSI)值也衰减到-60~-70dBm。举例来说，通常RSSI值在-60dBm以下时，手机的Wi-Fi信号显示会变薄弱(只显示1格信号）；而当RSSI值达到-65~-70dBm时就会产生Wi-Fi断线的状况。 倘若用户在这些信号不佳的地方使用手机、平板观看在线视频、玩在线游戏或是视频通话时，会因Wi-Fi信号强度不足导致延迟（delay）甚至是断线的情况发生。 图说: 平面图中各点的5GHz讯号强度与速度对照表 量测完一楼的结果，我们也来观察在二楼的5GHz信号状况。我们发现只有一楼到二楼的楼梯间有微弱的信号（浅蓝色区块，RSSI值约为-60dbm以下），其余部分区块为深蓝色且信号是小于-70dBm甚至到-90dBm，而白色区块则是完全没有任何信号。 图说:居民房2楼平面图，下图为AP信号表现 由于5GHz本身的特性造成穿墙能力不足，因此二楼基本上可以说是收不到一楼的Wi-Fi信号。当使用者在二楼联机时，往往会因信号强度的不足让设备难以联机。百佳泰建议如家中有较多楼层时，为了让无线信号不中断，可考虑在每一楼层建置另一台AP或Mesh AP。 第二项测试，我们同样使用Heatmap量测AP在2.4GHz信号的覆盖分布情况。 图说:居民房1楼 AP在2.4GHz (dBm) 信号表现 图说:居民房2楼 AP在2.4GHz信号表现 图说: 2.4GHz各点信号强度与速度对照表 从测试结果我们得知，房屋1楼的无线信号覆盖情况良好，用户在1楼各处都能顺利联机上网；而在2楼则同样有信号质量偏弱（基本偏浅蓝至深蓝色）的情形，反映出用户在实际使用无线网络时会有速度慢或是经常断线等状况发生。 在量测完5GHz与2.4GHz的数据后一定也会想到，那RSSI值越好PHY Rate是不是也越好？ 答案是不一定。在第一项测试的结果中发现，AP在5GHz信号下，H点的RSSI值为-49dBM、PHY rate为866Mbps，但是同为-49dBm的E’点其PHY rate却降了一阶，PHY rate只有780 Mbps。同一地点，PHY rate却相差了86Mbps，因此我们得知关于RSSI跟吞吐量，可以说这两者是有相关性，但不是完全正相关的关系。 图说：RSSI与吞吐量未有正关联性 第三项测试，我们在这个场域中以一般常用的几个应用程式APP来看看其表现以及实际使用状况。这些应用程序涵盖视频通话、语音通话、在线视频、网页浏览以及档案下载等。 从表中的结果可以知道这些应用程式在家中的1楼使用是没问题的，但是在2楼中使用时，不同的应用程式会出现不同的状况，包含延迟、网络联机质量不佳、断线等问题，造成用户体验不佳的情形。 透过以上三种测试我们发现如果家庭面积较大、隔间较复杂等因素都会影响到无线信号的强度。百佳泰蕴含多年无线测试技术，可提供专业咨询与客制化测试方案，帮助您在场域中找出信号弱点，完整规划无线场域，确保您的IoT产品可正常联网及互通。 在接下来的文章中，我们会介绍设备本身的无线信号接收与传递性能的比较，透过数据化的方式来让大家了解各产品在RF性能上的差异。 如您有关于无线信号的问题，欢迎联系百佳泰。

随着模块化测试设备的日益普及，围绕模块化与传统台式仪器的优劣对比产生了许多误解。这些误解虽然听起来很有道理，但这些结论往往真假并存，让人虚实难辨。为了通过熟悉的语言和容易理解的概念来理解复杂事务，人们口口相传便形成了所谓的神话，就如近代科学昌明之前用于解释星座组成的希腊神话。为应用选择最适合的测试与测量仪器同样复杂，因此出现误解并不足为奇。 是德科技拥有超过75年的台式仪器开发经验和超过30年的模块化仪器开发经验，能够为用户提供最尖端的产品。是德科技深知在两类产品之间做出选择的难度，但是，去伪存真并消除误解，是德科技可以帮助客户针对具体应用选择理想的产品。下面将讨论部分普遍认同的误解并阐明其真相。 误解1：模块化仪器价格必然低于台式产品 该误解产生的原因在于台式仪器普遍价格昂贵。显然，功能完备的独立仪器包含众多按钮并配有前面板显示屏，非常适合某些研发环境，但其并非大多数自动测试环境的最佳选择。模块化仪器通常将贵重元件隐藏在内部，因此给人以价格低廉的印象。例如，当代PXI背板支持18个插槽和4GB/s的数据传输速率，但不可避免地增加了连接器、开关和背板材料的成本。充分装载宽带连接仪器的机箱能够发挥高成本带来的性能提升，但对于其他应用来说这些开支可能并非必要。因此，实现单个仪器的PXI系统，其成本比相同的“台式”仪器要高出10%～40%。 这个误解包含哪些事实？作为独立产品时,台式仪器的价格可能相对较低，而在单机箱内集成多台仪器的模块化解决方案往往可以摊薄成本。通常，单台机箱整合2～4台仪器可以获得与台式仪器相当的价格。 此外，仪器制造成本并不等同于客户的购买价格。部分厂商希望借助模块化仪器进入测试与测量市场。为了提高市场份额，一些厂商不惜将产品价格降低到市场价格以下，以利润换取市场。当然，此类策略不可能长期持续。 误解2：模块化仪器天生能够提供更高的吞吐量 该误解可能源于模块化系统通常配置的快速背板。实际上，在选择台式或模块化仪器的背板时，需要综合考虑预期应用的预算和功能需要。换句话说，模块化仪器不是必须要配备比台式仪器速度更高的背板。背板选择取决于仪器用途(图1)。例如，使用台式仪器时，通过宽带背板连接仪器采集单元与计算单元更为方便，因为两者之间只需点对点连接。与此同时，模块化仪器的背板必须支持几乎无限的连接组合。大多数当代PXI机箱使用了第二代PCIe总线和接口标准，以支持背板实现高吞吐量。部分台式仪器的内部背板采用了相同的第二代PCIe标准，但台式仪器的总线设计通常只需支持该仪器的特定要求。例如，第二代PCIe标准的性能要求超过了16位30MHz任意波形发生器的性能需要，因此此类设备通常采用速度和成本相对较低的总线(例如USB)。同时，160GSa/s采样率的示波器的性能要求高于第二代PCIe标准，因此需要速度更高的专有总线。 图1：台式仪器与模块化仪器架构对比。 该误解包括两个方面的事实。首先，模块化仪器的背板的确通常速度很快，因为它们被设计成支持广泛的应用和不同的数据速率。为了满足仪器间快速通信的要求，模块化解决方案通常需要使用通用或标准背板。模块化仪器则通常选择宽带背板标准，以适应最严苛的应用场景。 其次，模块化仪器升级部件更方便，也就是说模块化系统可以更灵活且更经济高效地升级任何限制性能的部件，相比之下，台式仪器速度升级更加困难。例如，如果CPU成为模块化系统的性能瓶颈，用户可以在市场出现新款PC时轻松升级。同样，如果模数转换器影响系统性能，真正的模块化体系结构支持用户仅升级数字化仪。因此，即使台式仪器和模块化仪器具有相同的初始速度，模块化仪器可以通过逐步升级实现速度提升并超过台式设备。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 误解3：模块化仪器具有较高吞吐量的原因在于其采用二进制驱动程序接口(例如IVI)替代了文本接口(例如SCPI) 模块化仪器不一定要使用二进制接口，台式仪器也不一定要使用SCPI接口。有些台式仪器可以同时支持SCPI和IVI，部分模块化产品同样如此。最终选择通常取决于仪器的用途。 在大多数应用中，发送和接收驱动程序命令耗时仅占测量时间的极小部分。鉴于仪器厂商致力于帮助用户简化测量，这一点更为明显。例如，是德科技“单键测试”(OBT)应用程序可以让用户使用有限的命令完成整个通信标准(例如GSM、LTE等)的测试。这些OBT应用程序可以使用SCPI(可编程仪器的标准命令)执行自动测试(只需用户启动测试，并在测试结束后获取结果)，也可以使用仪器内部的高速二进制通信来完成测试过程中的硬件控制。因此，客户使用SCPI或者IVI启动一键式测试的吞吐量差异可以忽略不计。 该误解包括哪些事实？通过IVI等二进制驱动程序接口发送命令的速度高于SCPI等解释型命令接口。如果应用需要大量且频繁的PC与仪器之间的通信，驱动程序接口成为性能限制因素的可能性将增加。这与系统是否采用模块化结构无关。 误解4：模块化仪器的信号完整性不如台式设备 大多数情况下，仪器采用模块化外形尺寸并不会影响其信号完整性。事实上，在许多应用中，多个仪器之间的相互依赖会直接影响系统级的指标。对于这些应用，模块化系统通常可以提供更好的指标。例如，有些应用要求很严苛的仪器间偏差(例如MIMO应用)，此时，使用通用背板更容易满足要求。 该误解包括哪些事实？空间受限的应用更适合选择模块化解决方案，例如重视单位面积成本的某些制造环境。许多厂商在设计过程中做出的选择验证了这一点。在空间有限的应用中，模块化仪器厂商倾向于牺牲部分性能来缩减仪器尺寸。例如，他们可能选用体积较小、性能较低的振荡器，或缩小PCB的走线间距，从而导致信号耦合。但是，这是仪器设计过程中的权衡，并非模块化本身的缺点。 一些模块化仪器应用了分区，可以实现更方便的仪器部件升级。跨越模拟接口的分区可能需要增加连线，这可能会小幅影响性能。此外，支持部件升级的系统可能会增加仪器校准的难度。 误解5：模块化仪器指模块化硬件，而不是模块化软件 提及模块化仪器，大多数工程师想到的是PXI、AXI、VXI或其他类型的机箱和插入式模块。符合标准的机箱当然属于模块化的重要内容，但必须结合模块化软件和校准才能发挥模块化硬件的最大价值。例如，是德科技的M9391A和M9393A PXIe矢量信号分析仪(图2)是包含4款PXI模块的模块化系统：时钟源、频率合成器、下变频器和数字化仪。 图2：是德科技“真正的模块化”矢量信号分析仪—M9393A PXI VSA。 缩减硬件尺寸是模块化的重要目标，但硬件、软件和校准的全面模块化才能实现模块化的真正价值。例如，上述产品允许客户独立升级时钟源，以获得更出色的相位噪声性能。驱动程序必须支持模块化。同样，传统台式仪器的校准涵盖全部4个部件，目的是应用最简便的方法确保最佳性能，但该方法不适合支持时钟源模块升级的系统。此时需要采用不同的模块化校准方法，以确保可升级的优势。通过此例可知，模块化仪器中硬件和软件同样重要。 该误解包含哪些事实？部分模块化产品只是采用模块化背板的传统台式仪器—这是事实。例如，有的PXI VSA只是占据多个PXI背板插槽的一个大型模块，而非4个模块组成的系统。此类产品的软件和校准与传统仪器并无二致。尽管具有体积小、支持仪器间快速连接等模块化硬件的优势，但此类产品在可升级性方面无法与支持模块化硬件、软件及校准的产品(例如M9393A PXIe VSA)相提并论。 总结 模块化与台式测试仪器的差异并不明显，但十分重要。通常，模块化更适合构建多仪器系统。但当需要从单台仪器获得最佳性能时，专用台式仪器就很棒。在大多数系统中，可以综合选择台式和模块化仪器，在价格、性能和灵活性之间获得最佳的组合。台式仪器可能更适合产品开发流程的原型测试阶段，而模块化产品有可能在系统验证等阶段发挥更大效用。因此，确定一个可以实现台式仪器与模块化产品灵活转换的方法，从而节省测试时间和费用才是上佳之选。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

随着航空电子技术的不断发展，现代机载视频图形显示系统对于实时性等性能的要求日益提高。常见的系统架构主要分为三种： （1）基于GSP+VRAM+ASIC的架构，优点是图形ASIC能够有效提高图形显示质量和速度，缺点是国内复杂ASIC设计成本极高以及工艺还不成熟。 （2）基于DSP+FPGA的架构，优点是，充分发挥DSP对算法分析处理和FPGA对数据流并行执行的独特优势，提高图形处理的性能；缺点是，上层CPU端将OpenGL绘图函数封装后发给DSP，DSP拆分后再调用FPGA，系统的集成度不高，接口设计复杂。 （3）基于FPGA的SOPC架构，优点是，集成度非常高；缺点是逻辑与CPU整合到一起，不利于开发。 经过对比，机载视频图形显示系统的架构设计具有优化空间，值得进一步的深入研究，从而设计出实时性更高的方案。 本文设计一种基于FPGA的图形生成与视频处理系统，能够实现2D图形和字符的绘制，构成各种飞行参数画面，同时叠加外景视频图像。在保证显示质量的同时，对其进行优化，进一步提高实时性、减少内部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。 1 总体架构设计 本系统总体设计方案如图 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA为核心，构建出一个实时性高的机载视频图形显示系统。上层CPU接收来自飞控、导航等系统的图形和视频控制命令，对数据进行格式化和预处理后，通过PCIe接口传送给FPGA。本文主要是进行FPGA内部逻辑模块的设计和优化。 图 1机载显示系统总体设计框图 2 机载显示系统架构设计 机载显示系统设计主要包括2D绘图、视频处理和叠加输出。2D绘图功能包括直线、圆、字符等的快速生成。视频处理功能包括输入视频选择、视频缩放、旋转、翻转等处理。叠加输出功能，将视频作为背景与图形叠加，送到两路DVI输出，一路经过预畸变校正后输出到平显上，另一路直接输出来进行地面记录。 为了满足上述功能，FPGA逻辑设计的整体流程图如图 2所示。 图 2 FPGA逻辑设计的整体流程图 2.1 实时性分析 视频处理既要实现单纯的外视频处理，同时能够实现叠加后视频处理。以旋转处理为例，若在单纯外视频旋转处理后，与图形叠加，再进行叠加后旋转处理，延迟非常大。因此为了提高实时性，考虑将图形整体和外视频分别进行旋转处理后，再相互叠加。整个流程中，帧速率提升模块延迟最大。 2.1.1 帧速率提升算法 帧速率提升指在原有的图像帧之间插值出新的图像帧。常见的帧速率提升算法主要包括帧复制法、帧平均法和运动补偿法。综合考虑显示效果和实时性要求，最终选择帧复制法。帧复制法易于实现、计算量低。其表达式为： 此处输入PAL视频帧速率为25帧/秒，输出DVI视频帧速率为60帧/秒，即在0.2s内将5帧图像插值到12帧。如图 3所示，DDR3中开辟5帧存储空间用于存放25Hz的原始图像，在0.2 内输入5帧原始图像，输出12帧图像。延迟为PAL的1.5~2.6帧，最大延迟为 。 图 3帧速率提升示意图 2.2 BRAM资源占用 本文设计的机载显示系统利用一片DDR3作为外部存储器，所有图形和视频数据都需要缓存到DDR3中。为了解决数据存储冲突，需要将数据先缓存到内部BRAM中。XC7k410T共有795个36Kb的BRAM。整个流程中，BRAM资源占用最大的是图形整体旋转和视频旋转模块。 2.2.1 视频旋转算法 反向旋转映射优点是，旋转后坐标反向旋转，除了超出原始坐标范围的，在旋转前坐标中都能对应到浮点坐标，并可以用该坐标邻域的像素点来唯一确定该坐标的像素值，不会出现“空洞”现象。 图4视频旋转算法示意图 2.3 DDR3吞吐量分析 本系统处理的数据量大，FPGA内部的存储资源无法满足数据存储要求，需要配置系统外部存储器DDR3。从图 2可以看出，整个系统流程最多经过DDR3共9次，下面依次介绍每次读写DDR3的必要性和数据量。 ① 图形及字符生成模块读写数据，由于图形及字符生成时，没有严格按照屏幕自上而下、自左而右的顺序，所以每一帧图形都需要存入到DDR3中，并等待一帧处理完再进行整体的其他处理。由于像素点操作会涉及到读取背景值，所以是双向的。考虑吞吐量最大的情况，即图形生成模块对每帧图形的一半像素点都进行一次读写操作，则图形生成模块读写数据量为 ② 图形缩放模块读数据及清屏操作，由于缩放模块是对整个画面的处理，所以需要从DDR3中读取出来。而由于图形及字符不是对每个像素点都进行操作的，所以取出后，需要进行清屏操作。则读写数据量为474.6 。 ③ 图形旋转模块写数据，由于图形处理速度和视频处理速度不完全匹配，所以先将缩放及旋转后的数据存储到DDR3，等待视频处理完后，再统一取出，写数据量为237.3 MB/s。 ④ 图形输出读数据，同时进行平移、翻转、镜像等坐标变换操作，写数据量为237.3 MB/s。 ⑤ PAL视频输入数据，为了实现去隔行和帧速率转换，必须将数据存储到DDR3中进行变换操作，读写数据量为 ⑥ 视频缩放模块读数据，从DDR3中取出进行缩放操作，读数据量为 ⑦ 视频旋转模块写数据，由于视频处理速度和图形处理速度不完全匹配，所以先将缩放及旋转后的数据存储到DDR3，等待图形处理完后，再统一取出，读写数据量为237.3 MB/s。 ⑧ 视频输出读数据，同时进行平移、翻转、镜像等坐标变换操作，读写数据量为237.3 MB/s 。 ⑨ 预畸变参数读数据，用64位来存储每个像素点对应的四个预畸变参数，则读数据量为 表1为该系统数据吞吐量的计算表，其吞吐量合计为2677.6 MB/s 。 表1系统数据吞吐量计算表 本文采用DDR3作为系统外部存储器，其型号为W3H128M72E，数据宽度为72比特（64比特为数据位，8比特为校正位），采用的时钟为400MHz，由于DDR3在上升沿和下降沿都进行数据的读写操作，等效于其内部读写时钟为800MHz，即数据带宽为6400MB/s（800MHz*64bit），满足本文设计系统的数据吞吐量要求。 3 机载显示系统架构优化 设计的机载显示系统架构能够满足性能要求，但是还需要进一步优化。如图 5所示，改变不同模块之间的顺序来优化设计，同时改进算法。具体改变如下： ① 图形整体相对于屏幕的缩放和旋转功能在CPU端发送命令前实现，因为CPU端旋转和缩放是针对顶点进行的，方便快速，同时减少了FPGA的BRAM资源占用，减少了进出DDR3的次数； ② 改进帧速率提升算法，进一步减少延迟，提高实时性； ③ 改进视频旋转算法，进一步降低缓存区的大小，减少BRAM的占用率； ④ 帧速率提升和平移、翻转、镜像都需要通过读写DDR3来完成，将两者合并，同时完成，减少进出DDR3的次数。 图 5 FPGA逻辑优化的整体流程图 3.1 实时性分析 实时性是机载显示系统重要的衡量标准之一，为了确保飞机运行安全，必须确保视频处理的各个模块都有较高的实时性。视频采集、视频缩放、视频校正、视频输出延迟都是几行，延迟时间在 以内。帧速率提升模块的延迟远大于其他各个模块延迟之和，需要进一步改进，在保证显示质量的同时，进一步降低延迟时间。 3.1.1 帧速率提升算法优化 改进的帧速率提升算法仍使用帧复制法。在DDR3中开辟4个存储空间做切换用于存放帧速率为25Hz、场速率为50Hz的PAL图像。有4个场缓存区，当接收当前帧的奇场后与前一帧的偶场结合成一帧数据输出。 帧速率改进算法示意图如图 6所示。A场正好写完，B场正好读完，下一帧读取A场数据，这样延迟为PAL的1场（半帧）；A场正好还差1行写完，B场已读完，下一帧继续读B场，这样延迟为PAL的1+（25/60）=1.42场。延迟为PAL的1~1.42场。最大延迟为 。 图 6 帧速率改进算法示意图 3.2 BRAM资源占用 原设计的机载显示系统架构使用反向映射的方法实现旋转算法，每一行旋转后数据反向旋转时需要缓存334行视频旋转前数据，即需要279个36Kb的BRAM。相对于其它模块缓存几行相比，占用了大量的BRAM空间，因此需要改进。 3.2.1 视频旋转算法优化 视频旋转提出了一种改进的旋转映射法，降低缓存空间。示意图如图 7所示。对以行扫描的方式获取的视频图像，缓存两行就能开始旋转处理，先进行正向映射，根据当前两行对应的旋转后浮点坐标，找到两行内的整点坐标，再对其进行反向映射，利用当前两行来得到旋转后整点坐标的像素值。 图 7 视频旋转改进算法示意图 该算法涉及原始图像中的2*2大小邻域，为了提高该模块的处理速度，设计了一组由三个双端口块存储器BRAM组成的原始图像数据缓存器。每个BRAM用来存储1行原始图像的数据，3个BRAM中存储的原始图像数据包括当前旋转计算涉及的两行原始图像数据以及下一行旋转计算涉及的一行原始图像数据。因此，需要缓存3行，使用3个36Kb的BRAM。 3.3 DDR3吞吐量分析 从图 5可以看出，优化后的系统流程最多经过DDR3共5次，下面依次介绍每次读写DDR3的必要性和数据量。 ① 图形及字符生成模块读写数据，此与原模块相同，则图形生成模块读写数据量为 ② 图形输出模块读数据及清屏操作写数据，由于视频输出模块是对整个画面的处理，所以需要从DDR3中读取出来，而由于图形及字符不是对每个像素点都进行操作的，所以取出后，需要进行清屏操作。则读写数据量为474.6 MB/s 。 ③ 视频旋转写数据，旋转后的数据没有严格按照屏幕自上而下的顺序，必须将数据存储到DDR3中进行变换操作，读写数据量为 ④ 视频输出模块读数据，从DDR3中取出进行视频输出操作，取出的同时还能进行一些坐标变换操作，如平移、翻转、镜像等，读写数据量为 ⑤ 预畸变参数读数据，用64位来存储每个像素点对应的四个预畸变参数，则读写数据量为 表 2为该系统数据吞吐量的计算表，其吞吐量合计为2135.7MB/s。DDR3的数据带宽为6400MB/s（800MHz*64bit），满足本文设计系统的数据吞吐量要求。 表 2优化后系统数据吞吐量计算表 结论 本文设计一种基于FPGA的机载显示系统架构，能够实现2D图形绘制，构成各种飞行参数画面，同时叠加外景视频图像。实时性方面，帧速率提升模块延迟最大为 ；BRAM资源占用方面，视频旋转算法需要279个36Kb的BRAM；DDR3吞吐量方面，系统吞吐量为2677.6 MB/s 。 优化后的机载显示系统，实时性方面，帧速率提升模块延迟最大为 ；BRAM资源占用方面，视频旋转算法需要3个36Kb的BRAM；DDR3吞吐量方面，吞吐量为2135.7 MB/s。 经过对比分析，优化后的机载显示系统实时性提高、BRAM资源占用减少、吞吐量降低，整体性能得到了提升。