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基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究中文摘要 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 中文摘要 针对闭路监控系统中模拟视频的传输安全，在分析现有字符叠加技术不足的基础 上，本文采用视频和数据频分复用传输的思想，引入摄像机终端与监控中心交互验证 的概念，设计了一种新的不影响视频质量的视频隐性加密通信系统。 系统选取射频线替代视频线作为传输介质，基于射频线缆的可用频宽，通过双向 滤波器在单根线路上获得上下行双向无扰通道。摄像机终端的音视频信号和数据通过 各自的频谱搬移电路被送往上行链路，在射频段并行传输，由监控中心的滤波器实现 分离，并送入相应解调单元还原出基带信号；同时，监控中心的控制指令和密钥数据 经过f s k 调制送入下行链路，由摄像机终端的锁相环解调电路进行数据还原。交互验 证过程的原始密钥由监控中心端微处理器随机产生，并作为种子送与终端微处理器进 行变形；次生数据通过上行链路回传，再由中心端微处理器根据既定算法和数据库对 次生数据进行校验识别。系统通过周期性的交互验证来检测线路状况，并根据验证结 果决定是否触发报警指示单元。 系统设计参照音视频信号的电视传输格式和数字调制通信的基本原理，采用嵌入 式设计的思想，将各功能模块化，选用a r m 7 处理器获得丰富的数据处理资源和实 时的交互通信控制。设计了各单元的硬件电路，包括音视频信号的射频调制，上行通 信数据全数字式的f s k 调制，下行通信数据的锁相环调制解调等，程序设计包括各单 元电路的接口控制，传输频带设定和密钥算法实现。 本文所设计的系统与有线电视广播相兼容，符合通用的监控通信协议要求。灵活 的密钥生成算法和双向的数据通信，保证了线路的实时安全。频带利用率高，可移植 性强，对银行、海关、边防等重要部门有着非常高的应用价值。 关键字：监控；视频安全；频分复用；f s k 调制解调；密钥验证 作者：翟建芳 指导老师：吕建平 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究英文摘要 r e s e a r c ho na n a l o gv i d e os e c u r et r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e do nf d m a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es e c u r et r a n s m i s s i o no fa n a l o gv i d e oi nc l o s e dm o n i t o rs y s t e m ，f o u n d e d o na n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n go fc h a r a c t e rs u p e r i m p o s i t i o nt e c h n o l o g y , t h ei d e at h a tv i d e o t r a n s m i tt o g e t h e rw i t l ld a t au s i n gf d m t e c h n o l o g yi sa d o p t e di nt h i sa r t i c l e t h ec o n c e p to f i n t e r a c t i v et e s tb e t w e e nt e r m i n a lc a m e r a sa n dm o n i t o r i n gc e n t e ri si n t r o d u c e d an e w c o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n gv i d e ot a c i te n c r y p t i o nt e c h n o l o g yi sd e s i g n e d t h es y s t e mu s et h er fc a b l ei n s t e a do fv i d e ol i n e s t h i ss y s t e mb a s e do nt h eu s a b l e f r e q u e n c yb a n do f t h er fc a b l eu s e st h eb i d i r e c t i o n a lf i l t e ra c q u i r i n gt w ou n t r o u b l e ds i g n a l c h a n n e l s - t h eu p l i n kc h a n n e la n dt h ed o w n l i n kc h a n n e l a u d i oo rv i d e os i g n a l s 、析t 1 1 c h a r a c t e r sf r o mt h et e r m i n a lc a m e r aa r es e n tt ot h e u p l i n k l i n e b y t h e i ro w n f r e q u e n c y s h i f t i n gc i r c u i ta n dt r a n s m i t t e db yr f t h i sm i x e ds i g n a li ss e p a r a t e db yaf i l t e r i nm o n i t o r i n gc e n t e ra n dt a k e nt or e l e v a n td e m o d u l a t i o nu n i tr e s t o r i n gb a s e - b a n ds i g n a l s s i m u l t a n e o u s l y , c o n t r o ls i g n a l sa n dt h es e c r e t - k e yf r o mm o n i t o rc e n t e ra r es e n ti n t ot h e d o w n l i n kl i n eb yf s km o d u l a t i o na n dr e s t o r et h ed a t as i g n a lb yap l lc i r c u i ti nt h e t e r m i n a l t h ei n i t i a t i v ec h a r a c t e ri ne a c hi n t e r a c t i v et e s t p r o c e s si sg e n e r a t e db ya m i c r o p r o c e s s o ri n m o n i t o rc e n t e r i tw i l lb er e g a r d e da sas e e da n db es e n tt ot h e m i c r o p r o c e s s o ri nt e r m i n a l sf o rc h a n g e s t h es e c o n d a r yd a t ai sp a s s e db a c k w a r dv i at h e u p l i n kr o u t e t h e nt h ec e n t e rm i c r o p r o c e s s o rw i l lv e i l f y i t a c c o r d i n gt o t h ev e s t e d a l g o r i t h ma n dt h ed a t ab a s e t h es y s t e mu s e st h i sp e r i o d i ct e s tt od e t e c tt h ec o n d i t i o no f t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dd e t e r m i n e sw h e t h e rt ot r i g g e rt h ew a m i n gc i r c u i t t h ef o r m a to fa u d i oa n dv i d e os i g n a l si nt vt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h eb a s i ct h e o r i e s i nd i g i t a lm o d u l a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d t h ei d e ao fe m b e d d e d s y s t e md e s i g nw a sa d o p t e da n de a c hf u n c t i o nu n i tw a sm o d u l a r i z e d t h ea r m 7p r o c e s s o r w a ss e l e c t e dt os u p p o r tr i c h e rr e s o u r c e si nd a t ap r o c e s s i o na n dr e a l - t i m ec o n t r o l st o i n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o n e a c hh a r d w a r ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d ，a so ft h er f i i 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究英文摘要 m o d u l a t i o nc i r c u i to fa u d i oa n dv i d e os i g n a l s ，t h ed i g i t a lf s km o d u l a t i o nc i r c u i to fd a t ai n t h eu p l i n kl i n e ，t h ep l lm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc i r c u i to fd a t ai nt h ed o w n l i n kl i n e ， e t c t h e p r o g r a md e s i g nc o n t a i n s e a c hi n t e r f a c ec o n t r o la m o n ge a c hc i r c u i t u n i t ， t r a n s m i s s i o nf r e q u e n c ys e t t i n ga n dd a t ae n c r y p t i o na l g o r i t h m t h i ss y s t e mi sc o m p a t i b l ew i t hc a t vn e t w o r ka n dm e e t st h er e q u i r e m e n to f m o n i t o r i n g d e v i c e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ef l e x i b l es e c r e tk e yg e n e r a t i o na l g o r i t h ma n dt h e b i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o ne n s u r et h er e a l t i m es e c u r i t yo ft h el i n e s i t sb a n de f f i c i e n c y i sh i g h ，a sw e l la si t sp o r t a b i l i t y t h i ss y s t e mh a sa p p l i c a t i o nv a l u eo nt h eb a n k ，t h e c u s t o m s ，f r o n t i e rd e f e n s ea n do t h e ri m p o r t a n td e p a r t s k e y w o r d s ：m o n i t o r ；v i d e os e c u r i t y ；f d m ；f s km o d e m ；k e yv e r i f i c a t i o n w r i t t e n b y ：z h a ij i a n f a n g s u p e r v i s e db y ：l vj i a n p i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 翟澎豸 1 3 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：一翠朗一e t 期：坐一鲨 导师签名：e t 期：o f 岁谣 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 随着科技的进步和经济的发展带来了整个社会生活水平的提高，人们对周围的居 住环境及环境安全越来越重视，安全技术防范作为保护人民生命和财产的重要工具也 已经深入到社会的层层面面。闭路电视监控系统作为安全防范系统最基本、最重要的 可视化防范与管理工具，得到了广泛的应用与发展，特别是在银行，海关，展览馆， 道路交通，小区安防等领域，以闭路监控为主的多种技术防范结合的系统成为预防和 制止犯罪最为有效的措施。 模拟视频监控系统是技术发展最为成熟，分布最为普遍的闭路监控设施。典型的 模拟视频监控系统一般由图像摄像和声音采集部分( 摄像机、镜头、云台、麦克风等) 、 音视频传输部分( 一般采用电缆、光缆、射频等) 、系统控制部分( 操作键盘、视频 分配器、视频矩阵切换器、云台控制解码器、字符叠加器等) 和显示记录部分四大部 分组成，系统组成框图如图1 1 所示。 模拟摄像机 。 。显示 | | 囱枭士耸士l 、iz 士：左g 7 - 因4j 豕俣j 弘7 陌硼u 视 矩 频阵 记录 分切 模拟摄像机 l 。 配换 i 圆馋艚妇：j 榷豁 操作键盘 八 圈不1 天3 蚪i 棚u f 一 l 云台解码器 lr操作键盘 图1 1 模拟视频监控系统组成 信号采集部分是监控系统的最前端，是整个系统的信号源，完成目标景物到图像 信息的转换和声音信号采集，目前大多数视频设备所要求的输入信号为模拟的视频基 带信号，一般多采用c c d 摄像机，拾音部分采用话筒。 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第一章绪论 图像传输部分是指监控系统的图像信号通路，主要是单向传输图像信号，同时控 制中心要对摄像机、镜头、云台、防护罩等进行反向控制，因此还应包括控制信号的 传输。 系统控制是实现整个功能的指挥中心，主要功能有视频信号分配、图像信号的校 正与补偿、视频矩阵切换、摄像机及镜头、云台、防护罩的控制、字符叠加等。微处 理器性能的提高，各种专用集成电路的出现，使得系统控制设备在性能、功能、可靠 性和结构等方面发生了很大变化，与报警和出入口控制系统的接口趋于规范。 图像显示部分一般由一台或多台监视器组成，是图像监控系统面向用户的终端设 备。 对一般监控场合的信号传输，最基本的要求是，在图像信号经过传输系统后，不 产生明显的噪声和失真，保证原始图像信号的清晰度和灰度等级没有明显下降等。在 传输方式上，近距离或特殊环境多采用同轴电缆基带传输，较远距离多采用光纤传输。 随着视频监控系统越来越为普及的同时，另一个问题不得不关注，即监控系统自 身的安全也受到越来越多的威胁。例如在信号采集部分，采用干扰造成终端设备不受 控；在信号传输部分，线路被人攻击而引入基于犯罪目的的骗伪视频，或者被加入干 扰信号造成重要信息丢失等。这些问题往往不易觉察，对于长距离和布线环境负责的 场合，即使觉察到问题，也不易短时间内排查定性，这就使得系统丧失功能，造成不 必要的损失，对银行、海关等重要场合，问题的后果更是难以估计。 如果系统能自动、实时地辨别自身安全性，并给出状态指示，在受到攻击时能自 动报警，这将大大提高监控系统的可靠性，给人们的生命财产带来极大的保障，具有 十分重要的实际意义和应用价值。本论文以此为选题背景，以普遍分布的模拟视频监 控系统为对象，研究其安全传输的解决方案。 1 2 模拟视频安全传输的技术现状 传统的模拟视频的安全研究，单一地集中在视频图像内容和密钥数据的捆绑传输 方面，并以字符叠加技术【1 卅为代表。 字符叠加是目前普遍应用，也是最为成熟的模拟视频安全传输技术。字符叠加技 术是指，运用微处理器控制专用字符叠加芯片，在监控终端视频中混入伪随机字符或 2 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第一章绪论 时间信号，经过线路传输，叠加字符在监控显示器屏幕的特定位置上与图像信号同时 被显示出来。根据对屏幕显示字符的真伪判断，从而实现防止系统运行时监控头被拆 除或加入伪视频的目的。线路正常工作时，通过中心控制端的计算机截取摄像头图像 并利用模板匹配方法分割出叠加字符，识别得到有关参数与已有的伪随机序列进行查 配，若不正确则报警。如果线路受攻击叠加字符将不再显示，从而检测出摄像头被破 坏的行为。该方案能有效防止因信号线路被改动而引入伪视频的行为，能实时保证视 频内容的正确性，但也有不足之处：一是活动字符的产生和叠加依赖于单片机和专用 字符叠加芯片，功能单一，可复制性强；二是叠加字符的验证需要实时性高和鲁棒性 强的上位机算法，中心端需另加计算机，若是多路信号同时显示，则给计算机带来更 大的负担；三是由于叠加信号传输的单一性，操作人员难以主动检测线路和终端状态； 四是叠加字符动态出现在显示屏幕，一方面字符的保密性程度较低，另一方面字符的 出现很可能隐藏视频内容的重要细节，降低图像质量。 从信号处理角度来看，由于模拟视频不能在信息内容上进行前段处理，传统的字 符叠加技术实质上是将监控视频的基带信号和字符信息在时域内叠加，在频域内进行 混叠传输。 在视频和数据混合传输方面，文献【5 】介绍了一种利用视频信号场消隐期间插入数 据的方法，巧妙地利用了时分复用的原理，可以作为保障视频安全的一种途径。但该 方法的实现前提是视频信号的无扰，难以在复杂场合推广。在时分复用方面，文献【6 】 利用专用编解码器和复用器提出了光线传输的波分复用实现，该方法要求前端编码以 压缩数据量，实质传输的是数字信号。随之发展的其他技术，如以数字水印为代表的 信息隐耐7 9 】，也适用于数字视频处理系统，需在模拟终端添加专用数字信号处理电 路，并要求算法处理的实时性，成本开销大，同时由于模拟监控系统应用最为成熟和 普遍，直接进行大面积的设备升级更换将带来大量物力和财力的浪费。 已有的技术都基于数据和视频的同向传输，即传输方向单一，而未形成信息交互。 在模拟监控系统中，往往采取另外布设下行信号线来达到对终端的控制指令反向传 输。 1 3 本文研究思路与关键技术 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第一章绪论 如何解决已有方案的不足是本文的出发点。 如果从频域方面入手，充分利用传输线路的带宽，将基带视频信息和辅助字符等 密钥数据的频谱进行搬移和混频，利用微型的嵌入式系统实时进行频谱还原并辨识密 钥，则可实现将字符隐藏的同时，不破坏画面信息，并提高系统的实时性，减轻中心 处理器的负担。 现有的有线电视的共缆传输系统正是基于频分复用原理进行视频传输的典型应 用。共缆传输是在电视信号发射端，采用专用调制器将多频道视频信号和伴音信号全 部混合在一根射频线缆里进行传输，各频道信号都被调制在高频，互不影响。在用户 接收端，通过电视机的内部解调电路还原出基带的音视频信号，同时在指定的频带内， 保留了用于广播等用途的数据通道【1 0 12 1 。该技术实现了传输线路的频带充分利用， 降低了施工费用和成本，减轻了维修量，也为提高系统的稳定性和可靠性提供了途径。 有线电视与视频监控系统使用同样的传输介质，这就为视频监控的频谱搬移传输 技术带来了参考依据。 本论文也从此着手，提出一种基于频分复用，密钥数据与视频信号同时、共缆、 双向交互传输的视频监控安全系统，该系统包括三部分：带音视频调制功能的监控终 端，单轴双向传输射频线缆，具备音视频解调功能的中心控制端，并且监控终端和中 心控制端都具有密钥数据调制、解调与校验功能的电路。 本文的关键技术为： 在模拟视频监控系统中引入嵌入式设计技术，基于频分复用和双向交互通信的思 路，提出了视频安全传输系统的设计方案，考虑到与监控系统的兼容性，可直接与现 有设备搭配应用。 中间传输线路选用同轴电缆，基于其宽频带范围，低衰减特性，实现信号远距离 通信的同时，通过添加双向滤波器，提供了双向通路，并将上行与下行频段进行隔离， 实现两个方向的无干扰传输。 在监控终端设计数据接收和发送电路，在发送音视频信号给中心端的同时，进行 密钥数据的接收、转换和回传，实现上行线路视频信号和密钥数据的捆绑传输。其中， 音视频信号调制到v h f 和u h f 频段，实现监控系统和有线广播电视的制式兼容，密 钥数据经载波调制到i s m 频段( 即国家主要开放给工业、科学、医学用的频段) 。两 4 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第章绪论 者通过信号耦合方式进行叠加，送到同一根传输线路，实现频率复用。 在监控中心端设计射频解调电路，还原监控终端信号源的音视频信号，分别送入 监视器，扬声器，兼容常规的监控系统。同时，基于数字锁相环的数字式f s k 数据 解调电路，能够实时进行上行密钥数据的解调，中心端的微处理器负责密钥信息验证， 并直接控制报警电路。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了目前监控系统中对视频安全方面的研究背景和现状。 论述了已有方案的不足之处以及本课题的思路和所做工作。 第二章介绍了系统设计的技术基础，阐述音视频信号格式和电视机调制解调原 理，数字信号载波传输方式的选择和实现步骤，以及射频传输线缆带宽的分析和利用 依据。 第三章提出了系统的总体设计和工作原理，包括整个视频安全传输方案的总体硬 件设计框图和各环节的信号处理方法及具体信号流向。详细介绍了系统的硬件电路设 计，包括音视频调制解调和密钥数据在高频和中频的f s k 调制解调。给出了几款主 要芯片的功能和内部工作原理，订制了嵌入式系统的硬件平台。 第四章阐述系统的软件设计，介绍了中心端a r m 7 平台的多任务调度实现，监控 终端微处理器的程序实现和动作流程。 第五章总结了本文的工作内容，从技术手段和结果对系统功能做出评价和改进建 议。 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第二章系统传输原理研究 第二章系统传输原理研究 本章介绍本系统研究的对象和所用到的方法，即音视频信号格式及其时域和频域 分布。在此基础上提出了频分复用的基本思想，然后从频率搬移的实现上，结合传输 信道的特性分别阐述模拟信号调制和数字信号调制的方式。 2 1 音视频信号格式及全电视信号形式 2 1 1 摄像机复合视频信号 在监控系统中由摄像管或c c d 图像传感器对进入镜头的光线进行光电转换，输出 反应视场景物的红、绿、蓝三种基色信号及其二维分布。这三种信号成分首先经过摄 像机内部的矩阵变换电路形成3 个另外形式的信号，即亮度信号( y ) 和两个色差信 号( r - y 和b - y ) 。这三个基带信号在编码器进行处理，对两个色差信号进行正交调 制，然后输出复合视频信号( c v b s ，c o m p o s i t ev i d e ob r o a d c a s ts i g n a l ) 。 c v b s 是被广泛使用的标准，也叫做基带视频或r c a 视频，是全国电视系统委员会 ( n t s c ) 电视信号的传统图像数据传输方法，它以模拟波形来传输数据。c v b s 信号 包含色差( 色调和饱和度) 和亮度( 光亮) 信息，并将它们同步在消隐脉冲中，相当 于一个模拟电视节目信号在与声音信号结合，并调制到射频载波之前的一种格式，电 压一般在1 o v p - p ，传导阻抗为7 5 0 h m s ，驱动电流为l o o m a 左右l l 3 | 。 c v b s 信号除了包含黑白图像信号外，还包含了消隐信号和同步信号。同步脉冲是 为了配合摄像机信号恢复一帧完整的画面信息而加入的定位信号。因为黑白图像信号 仅是一维的反应图像传感器感应电平变化的输出形式，必须在一幅完整的画面信息的 前后加入标志，即场同步；同时在满足一行信号宽度的位置也插入一个标志，即行同 步。场消隐和行消隐统称为复合消隐脉冲，在划分信号标志的后面，为了配合显示设 备从左至右从上到下运动的电子束在扫描完一行和一场后的回调节拍，消隐信号的加 入提供了显示器行、场扫描逆程时间，在该期间截止电子束，不提供图像信号，显示 屏上无图像信号也看不到回扫线。另外，国家标准规定，消隐电平为基准电平( 0 电 6 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 平) ，峰值白电平为0 7 v 。消隐脉冲还给实际图像提供一个固定的参考电平作为电 视信号的基准电平。 完整的信号格式如图2 1 所示，一幅完整的画面帧可分为两场信号，第一场为奇 数行的信号，第二场为偶数行的信号。 行同步脉冲叠加在行消隐脉冲上，宽度为4 7 s ，行同步脉冲前沿比行消隐脉冲 前沿滞后1 5 f l s ，称其为行消隐前肩。行消隐后肩脉冲宽度为5 8 u s 。场同步信号叠 加在场消隐脉冲上，对1 一p 的全电视信号，场同步脉冲宽度为0 3 v ，宽度为 2 5 乃2 1 6 0 f l s 。 薷一场扬l 迸骖偿蟹 筠溺匏辣狰 饯弥潍纷嬲涉歇净 铭麓场场游步绍号 图2 1 复合视频信号格式 隐脉冲宽度为2 5 h ( 严格地说是2 5 h + 1 个行消隐时间) 。由于行、场同步与图像 信号是合在一起用一条通道传输的，因此，为了保证在接收端用幅度分离法分出的场 同步脉冲期间不丢失行同步就必须开槽。场消隐脉冲之后，开始传输场正程信号，按 照我国的标准，一帧共6 2 5 行，每场3 1 2 5 h 。在奇数行的隔行扫描中，设场周期为乃， r v = 3 1 2 5 h ，每场有一半行，一般以场同步的前沿( 即第2 个2 5 h 开始处) 作为场 起始点。 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 色度信号与亮度信号共处在0 6 m h z 的视频带宽内，形成完整的彩色图像信号。 亮度信号y 并且满足公式： y = 0 3 0 r + o 5 9 g + 0 11 口 ( 2 1 ) 其中，r 、g 、b 代表y 校正后的红、绿、蓝三基色信号电压。亮度信号在频域内波 形如图2 2 所示。 振幅 频率f 图2 2 亮度信号的频谱分布 由图可见，y 信号的振幅具有收敛性，亮度信号能量主要集中在0 6 m h z 的低频 段。振幅频谱呈梳齿状，相邻主谱线间有较大的空隙。一般为厶2 2 厶3 。 色度信号r y 、g y 称为色差信号，其频谱图分布规律与亮度信号相同。呈现以 帆为主谱线，以+ - m l 为副谱线的梳状特性，能量主要分布在吮处。 伴音信号指监控终端的拾音器采集的音频信号，与图像信号同步传输给接收端 时，声音信息配合画面信息。声音信号也是一种低频信号，它的频谱范围为 2 0 h z 2 0 k h z ，与图像信号频谱的低频部分有交迭。 2 1 2 电视信号的调制传输 在电视广播中，复合视频信号和伴音信号总称为基带信号。基带信号向接收用户 传输需采用射频调制，在高频段进行传输。 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 实际中全电视信号采用残留边带调制发射，即传输一个完整的边带和一个限带的 边带。图2 3 为具体调制过程示意图。 残留 图像载频伴音载频 图2 3 残留边带调幅信号的获得 先将图像信号进行双边带调幅，后通过残留边带滤波器将一部分下边带滤掉。我 国规定保留全部的上边带，下边带残留0 7 5 m h z ，下边带的截止点频率为1 2 5 m h z ， 有o 5 m h z 为渐降过渡区。上边带为6 m h z ，在6 2 5 m h z 处衰减4 0 d b 。一路已调波 电视射频信号图像部分带宽为7 2 5 m h z 。 电视信号的调幅极性有正极性调幅和负极性调幅两种。用正极性全电视信号对射 频载波进行调幅时，白电平的载波幅度最大，同步电平的载波幅度最小。用负极性全 电视信号对射频载波进行调幅时则相反。相比之下，负极性调制发射机输出效率高， 杂波干扰影响小，便于实现自动增益控制。我国采用负极性调制。 为了减小图像信号与声音信号的相互干扰并提高声音信号的自身抗干扰能力，同 时也为了得到较好的音质，电视声音信号一般采用调频调制方式。伴音信号在许多国 家采用调频方式传输。为便于同一副天线发射图像和伴音连个调制信号，二者频率不 能相差太远。设图像载频为，伴音载频则为l = + 力。在我国厶选为6 5 m h z 。 我国规定伴音调频的最大频偏瓯积= + 5 0 m h z ，音频信号的最高频率为1 5 k h z ，因此 9 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第二章系统传输原理研究 该调频波带宽b = 1 3 0 k h z 。为改善高音频的信噪比，在调频前对音频信号需采取预加 重措施。即在调频发射端，用c r 或r l 网络电路提升高音频分量。在电视伴音中， 预加重网络的时间常数f = 5 0 a s ，在调频广播中，f = 7 5 a s 。在接收端必须通过一个 与预加重图像相反的去加重网络对音频分量进行相应的衰减。 在用户接收端，通过电视接收机将调制广播信号频谱搬移到中频处理，然后分离 出伴音信号并分别解调，在指定频道获得原始信号。 2 2f s k 调制与解调 为了将离散的数字信号通过射频信号进行传输，需要用数字信号调制载频，将高 低电平形式的比特流转换成频率或幅度变化的连续的模拟信号。常用的调试方式有幅 度键控( a s k ，a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 和频移键控( f s k ，f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 两种。 振幅键控( a s k ) 是用单极性二进制信号键控正弦载波的通与断。载波在数字信 号l 或0 的控制下通或断，在信号为1 的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现； 在信号为o 的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。其最简单的形式是， 载波在二进制调制信号控制下通断， 此时又可称作开关键控法( o o k ) 。o o k 的抗噪 声性能不如其他调制方式，所以该调制方式在目前的卫星通信、数字微波通信中没有 被采用，但是由于该调制方式的实现简单，在光纤通信系统中，振幅键控方式却获得 广泛应用。多电平m a s k 调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声 能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。这里主要 介绍f s k 的原理【1 4 】。 2 2 1f s k 调制 频移键控( f s k ) 是用数字信号去调制载波的频率。它是利用基带数字信号离散 取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。是信息传输中使用得较早 的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。 在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制1 和0 的双频f s k 系统。1 码用频率石传输，0 码用频率正传输。这时信号可表示为： 1 0 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 f a c o s c 0 1 t “1 ” 2 t 么c o s c 0 2 t o ” ( 2 2 ) f s k 信号的功率谱可分为两种情况：相位不连续f s k ( d p f s k ) 和相位连续 f s k ( c p f s k ) ，c p f s k 称为最小频以键控。利用两个独立的振荡源产生的2 f s k 信号在频率转换点上相位不连续，使功率谱产生很大的旁瓣分量，带限后会引起包络 起伏。直接调频法产生的f s k 克服了这个缺点，在码元转换时刻，两个载频相位能 保持连续，其波形如图2 4 所示。 ： ； l ： 0 i ； 光滑连续过渡 l 八 飞 77 。 厂、 仄八八 lujuuvuu l r 厂 1! j 2 图2 4 连续相位f s k 波形 当( q o ：) t s = 刀万时，这两个载波信号相互正交。取n = l 时，两频率之差为正交 条件下的最小频差，可表示为 矽= 石一石= 壶 ( 2 - 3 ) 其频偏指数h 为 厅：乏j ：毒 ：o 5 ( 2 4 ) 匙2 瓦b 、。 其中五代表码元间隔，r s = 1 b 。这是满足正交条件下的最小调制指数，h = o 5 的移 频键控称为最小频移键控。 为了便于接收端信号解调，要求f s k 信号的两个频率彳、五间要有足够的间隔。 对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取i 石- l i = ( 3 5 ) r s 。因此，f s k 信号 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 带宽为 b = ( 5 7 ) b 相应的f s k 系统频带利用率为 ，7 ：五：堕：j 二b bb( 5 7 ) 2 2 2f s k 解调 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) f s k 信号解调分为相干解调和非相干解调两类。要求接收机与接收到信号保持载 波相位一致的解调方法称为相干解调；相反不需要严格相位同步的解调方法称为非相 干解调。非相干解调不需要载波相位同步，优点为实现简单。 叫m v 叭删撇 y 心) 叫m 拙蝴肌 呵r 1 x 。( f ) 二二二 t 啪) 二 一 抽样脉冲_ j l - l j 一 t 输出1 1 卫 工j 图2 5f s k 信号非相干解调原理图及波形 1 2 输出 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第二章系统传输原理研究 图2 - 5 为f s k 信号的非相干解调过程和解调过程各信号波形。设q 代表1 码，哆 代表o 码，则抽样判决准则为：五 岛判为l ，五 8 5 d 0 0 - 5 1 5 1 7 d b h o r e h 6 r k e r s r llo f f h a r k e r f u n c tl o n s m e r k e r 5 e e r c h 图3 1 4 双向滤波器性能测试 双向滤波器的通带分为5 m h z 4 0 m h z 和4 8 m h z 8 6 0 m h z ，图3 1 4 描述了滤波 器端口a l 、b l 之间的信号干扰程度。从图中可以看出，在1 0 8 m h z 的低频和4 3 3 m h z 的高频段，滤波器的工作性能良好。 3 8 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第四章系统软件设计 第四章系统软件设计 本章在前述的嵌入式构架的平台上，介绍系统的程序设计。开发环境为a d s l 2 ， 由命令行开发工具，a r m 实时库，g u i 开发环境( c o d ec a r r i e r 和a x d ) 及支撑软 件组成。配合j t a g 调试，可实现在线编程与调试，以及代码的下载。 4 1 监控终端控制程序 终端处理器需要在完成自身的初始化设置基础上，控制上行音视频信号与密钥数 据信号的调制发送，同时完成下行链路信号的接收、判断、验证等功能。具体包括片 上资源初始化设置、音视频的射频控制、密钥数据的f s k 调制解调、数据包完整性 判断和类型识别、密钥校验程序、通信频道的随机设定和再生字符的回送等模块。 具体工作流程如图4 1 所示。其中片上资源的初始化包括对，2 c 寄存器、串口o 、 串口1 的设置；音视频调制信号的控制主要通过对c c l 0 0 0 调制芯片进行设置，系统 刚开始启动时，c c l 0 0 0 处于休眠状态；数据包的完整性判断和控制指令的识别主要 依据监控设备通信协议p e l c od 和p e l c op 进行【3 6 】；密钥的校验和变形算法可以 灵活设计，以保障系统的安全性。 3 9 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第四章系统软件设计 图4 1终端微处理器工作流程图 4 1 1 片上资源初始化设置 当系统启动时，首先进行引脚的功能设定、串行寄存器的初始化设置，为下面的 各功能子程序需要的状态寄存器指定工作模式。 串口1 与串口o 的初始化程序相似，函数v o i di n i t u a r t 0 0 为串口o 的初始化，包 括波特率的设置，使能f i f o 并设置中断触发点为1 字节，接收中断，设置中断服务 程序地址等。 ，2 c 寄存器的初始化程序1 2 c l n i t ( u i n t 3 2f i 2 c ) 总线时钟设置、使能主，2 c 、设置所 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究 第四章系统软件设计 有通道为i r q 中断、，2 c 通道分配到i r qs l o t 4 、使能，2 c 中断等。 v o i di n i t u a r t 0 ( ) 串口0 中断的初始化 u i n t l6f d i v ； u o l c r = 0 x 8 3 ； d l a b = i ，允许设置波特率 f d i v = ( f p c l k 16 ) u a r tb p s 0 ； 设置波特率9 6 0 0 u o d l m = f d i v 2 5 6 ； u o d l l = f d i v 2 5 6 ； v i c i n t e n a b l e | - ( 1 4 0 0 0 0 0 ) f i 2 c = 4 0 0 0 0 0 ； p i n s e l 0 = ( p i n s e l 0 & ( o x f o ) ) 10 x 5 0 ； 1 2 s c l h = ( f p c l k f i 2 c + 1 ) 2 ； 1 2 s c l l = ( f p c l k f i 2 c ) 2 ； 1 2 c o n c l r = 0 x 2 c ； 1 2 c o n s e t = o x 4 0 ； 产设置1 2 c 中断允许奉 v i c i n t s e l e c t = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ； v i c v e c t c n t l 4 = ( 0 x 2 010 x 0 9 ) ； v i c v e c t a d d r 0 = ( i n t 3 2 ) i r q _ 1 2 c ； v i c i n t e n a b l e = ( 1 9 ) ； 4 l 设置1 2 c 控制口有效 设定1 2 c 时钟 使能主，2 c 设置所有通道为i r q 中断 ，2 c 通道分配到i r q s l o t 4 设置，2 c 中断向量 使能，2 c 中断 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第p q 章系统软件设计 ) 4 1 2 音视频的射频调制程序 处理器对终端音视频调制的控制作用主要体现在对调制芯片m c 4 4 b s 3 7 3 的内部 寄存器设置，实现对其调制方式、输出载频中心频率和输出信号模式的选择。 首先，控制数据的发送要符合，2 c 总线的时序格式。，2 c 3 7 1 总线是一种两线式串 行总线，其中s c l 为时钟线，上面的串行时钟由主器件产生，并产生起始和停止条 件；s d a 为数据线，线上的数据状态仅在s c l 为低电平的期间才能改变，s c l 为高 电平的期间，s d a 状态的改变被用来表示起始和停止条件。 ，2 c 总线上传送的信号与时钟完全同步。其中与数据传送有关的信号包括：起始 信号- ( s t a ) 、停止信号( s t o p ) 、应答位信号( a c k ) 以及数据位传送信掣2 9 1 。如图4 - 2 所示。 当c p u 发出控制信号时，先由软件将s d a 、s c l 设为高电平，起始条件的建立 时间要大于4 h s 。然后数据线s d a 和时钟线s c l 出现由高到低的电平变化，启动 ，2 c 总线；启动后的第1 8 个时钟脉冲为一个字节的8 位数据传送，脉冲高电平期 间，数据串行传送，低电平期间为数据准备，允许总线上数据电平变换；第9 个时钟 脉冲对应于应答位，如果低电平表示“应答”信号，高电平则为“非应答”信号；当 s c l 为高电平，数据线s d a 出现由低到高的电平变化时，停止，2 c 总线数据传送， 结束条件的建立仍大于4 y s 。 s c l s d a 图4 - 2m c 4 4 b s 3 7 3 写控制时序 4 2 基于频分复用的模拟视频安全传输系统研究第四章系统软件设计 同时，m c 4 4 b s 3 7 3 对控制数据的顺序也进行了约定：进行写控制时，首先写入 芯片地址字节数据，然后写入控制数据字节，一般为2 个或4 个字节，写入顺序为高 位在前，分为四种情况，如表4 1