（通信与信息系统专业论文）基于isa总线的有线电视信号监测系统.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文概述了有线电视系统的原理和特点，阐述了信号监测技术在有线电 视系统中的重要性和必要性。介绍了有线电视信号监测技术在国内外的现 状与发展趋势，分析了目前有线电视信号监测技术的优缺点。据此本文设 计了一种基于微机的有线电视信号监测系统，主要包括有线电视信号接收 卡和控制软件的设计。本系统可从射频信号中提取包含增补频道在内的所 有频道的电视信号，并同时对图像、伴音和声音载频信号进行监测，在图 像、伴音和声音载频信号异常时给出指示，并将监测结果进行记录。 ，有线电视信号接收卡的寻址电路以及i s a 总线模拟i2 c 总线的逻辑电路 均采用g a l l 6 v 8 实现。根据电路的要求定义各引脚的功能并设计出逻辑方 程，从而缩短了开发周期，减少了印制版面积和元器件数量，降低了成本： 电视信号的接收与解调采用了飞利浦公司生产的专用芯片f 1 1 2 5 6 。根据 f 1 1 2 5 6 的应用方法，利用i s a 总线模拟i ! c 总线控制f 1 1 2 5 6 ，使其按照用 户的需求方便地调谐到相应的电视频道上，从而解调出图像信号和伴音信 号，提供给图像、伴音和伴音载频监测电路使用。 w i n d r i v e r 是由美国k r f t e c h 公司推出的一套优秀的驱动程序开发工 具，它提供了在用户态下访问硬件的途径。该工具包适用于p c i e i s a i s a 总线的驱动程序开发，因此本文利用w in d r j 、e f 开发了有线电视信号接收 卡的驱动程序，并提供动态连接库( d l l ) 供应用程序使用。 控制软件采用w i n d o w s2 0 0 0 平台，主要包括信号监测设置、频道设置， 驱动设置、报警显示、故障信g i e 录和系统设置等功能。设计了一个a c t i v e x 控件以形象地表示电视频道及相应的监测结果。利用了多线程技术以提高 信号监测的实时性。界面设计新颖、实用，采用了菜单与命令按钮相结合 的方式，使用灵活方便。故障信息的记录和浏览采用a c c e s s 数据库，利用 v c + + 对其进行访问，实现记录的添加、查询、浏览和报表打印等功能。j 。 本系统可以在任何地点接入有线电视网，对有线电视网没有任何影响， 适用于要求成本低廉、体积小的场合。试验表明，本系统功能齐全、操作 简便、成本低廉，符合系统预期的指标和要求。 、。， j 。 关键词：有线电视：信号蓝测：计算机应用；多媒体技术 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb a s i ct h e o r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a t v s y s t e ma r e d e s c r i b e da n dt h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h es i g n a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i nt h ec a t v s y s t e ma r ed i s c u s s e d b yi n t r o d u c i n gt h ec u r r e n ts t a t e a sw e l la s t h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f t h ec a t v s i g n a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a th o m ea n d a b r o a da n da n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tc a t v s i g n a l m o n i t o r i n gm e t h o d ，t h ed e s i g no f a s y s t e mt om o n i t o r t h ec a t v s i g n a lb yp c i s p r e s e n t e d ，w h i c hp r i n c i p a l l yi n c l u d e st h ed e s i g no fc a t vs i g n a lr e c e p t i o n b o a r d a n dt h ed e v e l o p m e n to fm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h es y s t e mc a nb et u n e dt oa n y c h a n n e lf r o mr fs i g n a l ( i n c l u d i n g s u p p l e m e n t a lc h a n n e l s ) a n dm o n i t o rt h e p i c t u r es i g n a l s o u n ds i g n a la n ds o u n d c a r r i e rs i g n a la t 血es a m et i m e w h e na n y o ft h e s es i g n a l si sa b n o r m a l ，t h ea l a r mi n d i c a t i o ni s g i v e na n dt h er e s u l t sa r e r e c o r d e dm e a n w h i l e ， t h ea d d r e s s i n gc i r c u i ta n dt h el o g i c a lc i r c u i tt os i m u l a t et h e1 2 cb u sb yi s a b u so f t h ec a t v s i g n a lr e c e p t i o nb o a r da r er e s p e c t i v e l yr e a l i z e db yg a l l 6 v 8 ， w h o s ep i n sa r ed e f i n e dt ov a r i o u sf u n c t i o n sa n d l o g i c f u n c t i o ni s d e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to ft h ec i r c u i t ，w h i c hs i g n i f i c a n t l y s h o r t e n st h e d e v e l o p m e n tp e r i o d ，d e c r e a s e st h es i z eo fp r i n t e dc i r c u i tb o a r da n dt h en u m b e r o fc o m p o n e n t sa n dt h u sr e d u c e st h ec o s t t h es p e c i a lc h i pf i12 5 6o f p h i l i p h s c o r p i s u t i l i z e dt or e c e i v ea n dd e m o d u l a t et vs i g n a l a c c o r d i n gt ot h e a p p l i c a t i o n m e t h o do ff 1 1 2 5 6 ，t h ec o n t r o lo ff 1 1 2 5 6i sr e a l i z e dw i t ht h e s i m u l a t i o no fi z cb u sb yi s ab u s ，a sar e s u l t ，i tc a nb et u n e dt oa n yc h a n n e l r e q u e s t e db y t h es u b s c r i b e r sa n dd e m o d u l a t et h ec v b sa n da fs o u n d o u t p u tt o t h ep i c t u r e ，s o u n da n dc a r r i e rm o n i t o r i n gc i r c u i t w i n d r i v e ri sa l le x c e l l e n td e v i c ed r i v e r d e v e l o p m e n tt o o l k i tp r o d u c e db y a m e r i c a nk r f t e c h c o r p ，w h i c hp r o v i d e sa ne a s yw a y t oa c c e s st h ed e v i c ei n u s e rm o d e t h ek i ti ss u i t a b l et ot h ed e v e l o p m e n to fp c i e i s a i s ad e v i c e d r i v e r s ：t h e r e f o r e ，w i n d r i v e ri s , a d o p t e dt od e v e l o pt h ed r i v e rf o rt h ec a t v u s i g n a lr e c e p t i o nb o a r d w h a ti s m o r e ad l li s d e s i g n e dt op r o v i d ef o rt 1 1 e a p p l i c a t i o n t h e m a n a g e m e n ts o f t w a r e i s d e v e l o p e d u n d e rw i n d o w s2 0 0 0 o p e r a t i n g s y s t e m ，w h i c hp e r f o r m ss u c h f u n c t i o n sa s s i g n a lm o n i t o r i n gs e t u p ，c h a n n e l s e t u p ，d r i v e rs e t u p ，a l a r mi n d i c a t i o n ，f a u l tm e s s a g er e c o r d i n ga sw e l la ss y s t e m s e t t i n g ss e t u p a na c t i v e x c o n t r o li sd e s i g n e dt or e p r e s e n tac a t vc h a n n e la n d s h o wt h em o n i t o r i n gr e s u l t s t h em u l t i t h r e a dt e c h n o l o g yi su t i l i z e dt oi m p r o v e t h es i m u l t a n e i t yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m t h es o f t w a r eh a san o v e l ，u n i q u e i n t e r f a c ea n da d o p t sa s t y l eo f t h ec o m b i n a t i o no f d r o p d o w nm e n u a n db u a o n s t om a k ei t e a s ya n df 1 e x i b l e a na c c e s s d a t a b a s ei se m p l o y e dt or e c o r da n d b r o w s et h ef a u l tm e s s a g e s w h i c hc a nb ea c c e s s e dw i t hv c + + t op e r f o r mt h e f u n c t i o no f a d d i n g ，q u e r y i n g ，b r o w s i n gr e c o r d sa n dp r i n t i n gr e p o r t s t h e s y s t e m ，w h i c hc a nb ea t t a c h e dt ot h ec a t v n e t w o r ki na n y p l a c e w i t h o u t a n yi n f l u e n c et ot h en e t w o r k i sa d a p t a b l et ot h ep l a c e sr e q u i r i n gl o wc o s ta n d t i n y v o l u m e i ti s p r o v e d t h a tt h e s y s t e m n o t o n l y r e a l i z e sm o s to ft h e m o n i t o r i n gf u n c t i o n s ，b u ta l s o i s e a s yt o u s ea n do fl o wc o s t i ns h o r t ，t h e c a t v s i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e m f u l f i l l si t s a n t i c i p a t i v e d e m a n d sa n d s p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：c a t v , s i g n a lm o n i t o r i n g ，c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ， m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y i i 山东大学硕士学位论文 第一章引言 有线电视是一种高新技术，它具有传输质量高、容量大、不占用空间 频谱资源以及提供多功能服务等优势，因此愈来愈受到人们的青睐“。我 国有线电视事业开始于6 0 年代中期，8 0 年代进入迅速发展的阶段。经过几 十年的发展，我国已经拥有世界上最大的有线电视网，而且用户数量增长 迅速。1 。由于电视台是党和政府的重要喉舌，有线电视又属有偿收视，因此， 政府和用户对有线电视的服务质量都有较高的要求，但是目前有线电视行 业的管理水平的提高却比较慢。提高有线电视行业的管理水平，是提高有 线电视台对用户服务质量的可靠保证。 有线电视台对用户的服务质量，最直接的体现就是传送给用户的电视 播出信号的质量。一旦发现电视信号质量有问题，是很容易解决的。因此， 对播出质量的实时监测、及时报警，缩短不良电视信号的播出时间，是提 高服务质量的有效保证。 目前国内对有线电视信号的监测一般采取由监测人员观察“电视屏幕 墙”的方法“1 。即在电视台的监控室内用多台彩色电视机组成一面电视墙， 每台电视机监测一个正在播出的电视频道信号，同时由一名专职人员负责 人工监视。每当有信号变弱或丢失时，立即通知有关人员进行调试并做好 记录。这种方法投资大，效果差。其工作环境极易造成人员疲劳，漏报率 很高，而且只能监测图像信号，对声音信号的监测需采用另外的方法。据 估算，若传送3 0 套电视节目，这种监测系统一年的电费消耗就在几万元以 上。而且，城市有线电视网设置在各区的工作站、广大农村有线电视网以 及一些大型厂矿企业也有对有线电视信号进行监测的要求。随着电视频道 数目的不断增加，有线电视前端的监测任务就越来越繁重。因此，迫切需要 一种成本低、体积小、自动化程度高、性能指标符合要求的有线电视信号 监测系统。 据估计，目前经广播电视总局批准的有线电视台已近1 3 0 0 座，近2 0 0 0 个县市建设了有线电视网，全国有线电视台的联网工程已经启动，我国有 线电视用户总数已占世界第一，而且还在飞速发展。因此，有线电视信号 监测系统的市场需求潜力是巨大的。因此，我们的目的就是要研制这样一 种有线电视信号监测系统，实现有线电视信号的自动监测，提高监测效率、 监测质量和监测水平，节省大量的人力物力，满足我国有线电视事业发展 的要求。 山东大学硕士学位论文 有线电视信号监测系统是利用计算机多媒体技术，对有线电视台播出的 多路信号实现自动循环监测。发生异常情况自动报警，并且自动记录监测 结果，能够很好地弥补“电视屏幕墙”监测方法的缺陷。本系统主要技术 特点是： 夺硬件部分采用的元件数少，成本较低。只使用了六块集成电路、两 个数字调谐器及少量阻容器件。 夺可自动循环监测图像信号、伴音信号和伴音载频信号。 夺具有电视伴音输出功能，随时可收听任一频道的电视伴音。 夺自动记录监测结果到数据库中，具有统计查询和报表打印功能。 夺系统采用模块化设计，便于功能的扩展和升级，满足有线电视系统 发展的需要。 第二章有线电视信号监测技术简介 在4 0 年代，国外便出现了共用天线电视接收系统，它是一种新的电视 接收、传输和分配系统”1 ，这种系统是在一定条件下，许多用户共用一副( 或 一组) 室外电视接收天线，或者共用一副或几副卫星地面接收天线，以接收 空中的电视信号，通过同轴电缆或光缆传送与分配电视信号到用户电视机。 共用天线电视系统( c o m m u n it y a n t e n n at e l e v i s i o n ) 简称c a t v 系统， 早期的共用天线电视系统又称闭路电视。由于c a t v 系统的不断发展和完善， 使其在传输方式上既有闭路形式，又有开路形式，因而更确切地讲，应称 之为有线电视或电缆电视( c a b l et e l e v i s i o n ) ，英文缩写仍是c a t v 。我国 的广播电视部门已确定统一称之为“有线电视”或“有线电视系统”。 2 1 有线电视系统的基本组成 有线电视系统主要l h - - 大部分组成，即前端、传输系统和用户分配网 络，当然馈电设备和避雷装置也是不可缺少的( 图2 1 ) 。 区匡习 图2 1 有线电视系统的结构框图 一个简单的共用天线电视系统，可能没有传输设备，前端也比较简单， 但是一个大型的有线电视系统是相当复杂而且庞大的，包括信号源和机房 设备、射频前端、传输网络、分配网络和用户终端等部分，如图2 2 所示。 前端的主要作用是接收信号和播出信号。从天线接收下来的各频道电 山东大学硕士学位论文 视信号，由于其场强及干扰情况不同，需要进行不同的处理( 放大、滤波、 转换等) ，才能送入传输系统去进行传输。 一： 一卫星隆 l 侈 ij l 接收机f 争 1_ 射 一 i 录摄像机l 频 ji j 数模转换r 刖 端 r 视接收 一 i 和机房哎备射频前端分配网络 削22南线【乜视系统的典型组，茂 传输部分是一个传输网，向各地点传输州一般都使用同轴电缆或光缆。 干线和支线常常是用比较粗的同轴r 乜缆或光缆，使传输的损耗小一些，以 便传送较远的距离。干线一般很长，损耗很大因此，经过一段距离就要 使用一个干线放大器来提高信号的电平。当干线上需要分出一路信号给支 线时，干线放大器要有分支输出的端口，或者在干线放大器之后接一个干 线分支器分出信号。支线常常有一台分支放大器将信号放大后，利用多个 分配器和分配放大器驱动各个用户分配电路。分配器可将一路信号分成几 路输出，最后的一台分配放大器的输出就可送给用、分配电路。 用户分配部分由分支线和用户线组成。它们通j t # 使用较细的同轴电缆 以便于室内安装。分支线上串接了一连串分支器，由它们的分支输出端引 出用户线供给用户使用。分支器是一种无源部件，它可以对用户电视机之 间的相互影响起隔离作用：同时还可以提供给用户接收机最合适的信号电 平。用户线通常是在居民住房内，有系统输出1 3 供连接电视机用。系统输 出口也称用户盒。另外还有一种串接单元，或称串接式输出口、它是一种 分支器和用户盒合在一起的系统输出口，使用它时可省去用户线，所以造价 便宜，适用于我国的居民楼，得到了广泛的应用。 通过简要介绍有线电视系统的基本组成，可以分析有线电视信号在传 山东大学硕士学位论文 输过程中所经过的各个阶段以及可能对有线电视信号产生的影响，对有线 电视信号的监测具有重要意义。 2 2 有线电视系统的技术指标 有线电视系统的好坏，性能的高低，需要通过一些技术指标来衡量， 有线电视系统的技术指标是有线电视系统信号质量的保证。因此，了解有 线电视系统的各种技术指标变化的规律，是设计有线电视信号监测系统的 重要问题。随着光纤技术的发展，有线电视网络中已普遍采用了h f c 结构 模式。在h f c 网络中，载噪比c | v 、用户电平、组合三阶差拍比c t b 和组 合二阶失真c s o 是主要技术指标，对电视信号传输有着重要影响”1 。下面 对这四个因素进行详细分析。 1 h f c 网络中的c v 载噪比c 是有线电视系统中的一个重要指标。在h f c 网络中，噪声 对有线电视信号是很有害的。有线电视系统的噪声产生的原因有外部的， 也有内部的，外部噪声来自各种电子干扰和天线热噪声，内部噪声来自电 阻、馈线、晶体管、集成电路，特别是各种放大器、激光器更是内部噪声 的主要来源。由于噪声总是与信号相对立而存在，因此在检测信号时不能 只看信号的大小，而要根据系统输出信号与噪声的功率比值来检测，这就 是信噪比( s ) 。在技术上，常常要用射频信号和杂波信号的比值来衡量 系统的质量，这就是载噪比( c n ) 。c 和s | v 之间因调制方式或电路特 性而有差异。在光纤和同轴电缆混合传输的有线电视网络中，系统的噪声 特性由两部分构成，一部分是光纤链路的噪声特性；另一部分是同轴电缆 网络的噪声特性，可以用下式表示： c n b ：一l o l g ( 1 0 。，“o + 1 0 。c 一”) 式中：c n 为光纤链路载噪比；c ，为同轴电缆网络载噪比。 噪声对图像质量的影响，在电视屏幕上表现为大量细小的亮点，犹如 雪花一般，使图像结构粗糙，清晰度降低，对比度变差，层次减少。尤其 是彩色电视的大量彩色亮点更是醒目。当载噪比很差时在电视屏幕上的图 像就会布满不规则的闪烁的随机噪声点，当载噪比接近3 6 d b 时，图像细节 将全部丢失。我国国标规定： c n 4 3 d b 4 3 抛以上的载噪比基本上能满足用户的消费需求。 2 用户电平 用户电平是是指每个终端用户上的输出电压。为了便于计算和测量， 人们习惯选取一个参考电压，然后取实际电压k 与参考电压之比的常 用对数，并称之为电平，记为v ( d b ) 。 即： v = 2 0 1 9 k v o ( d b ) 国家标准规定了用户电平的范围，即在v h f 系统中用户电平是 5 7 8 3 地，u h f 系统中用户电平是6 0 一8 3 拈。 用户电平的高低对图像质量有很大的影响，若用户电平太低( 假如低于 5 7 d b ) ，则在电视机屏幕上会出现雪花点( 即噪声干扰) ，严重时会掉彩。 用户电平是有线电视系统的一个重要的技术指标，是衡量有线电视信号质 量的重要标准。 3 h f c 网络中的c 如和c t b c s 0 和c t b 是有线电视系统的非线性失真产物，它是由图像载波相互 之间差拍所形成的寄生干扰信号。 c c s o = 2 0 1 9 啕像载波电平) ( c s d 峰值电平) c c t b = 2 0 1 9 啕像载波电平) ( c 7 b 峰值电平) h f c 网络中，组合差拍干扰是由二次互调失真和三次互调失真引起的， 为便于分析，将组合差拍分为组合二次差拍c s o 和组合三次差拍c t b 。其 中c s o 在图像上表现为像噪声一样的水平干扰条纹。在有级联放大器传输 系统中，采用推挽放大电路的放大器，能使c s o 降低，因此在多频道传输 系统中，c 册成为主要干扰。c t b 是在本频道图像载波附近产生的一簇或 几簇单频干扰，对图像质量的影响为：在图像上出现纵向或斜向、人字形 或水纹状条纹，这些条纹可静止，可移动，可成波浪状，具体由干扰频率 稳定不稳定、同步不同步而定。 2 3 有线电视信号监测技术 2 3 1 有线电视信号监测的重要性和必要性 随着有线电视事业的发展，节目套数的增加，有线电视网络不断扩展、 延伸和改造，有线电视系统功能不断增加，服务项目和服务用户也不断增 多，有线电视系统的技术质量显得日益重要。有线电视系统是高科技含量、 重技术装备的系统，要使有线电视这一现代化传媒能够高效率、高质量地 山东大学硕士学位论文 发挥作用，要使所有观众收视好每套电视节目，技术监督和技术监测是必 不可少的重要环节。 质量是有线电视生存和发展的重要保证，许多有线电视台已经意识到 这一点。良好的收视质量，可提高用户入网率，促进用户按时缴纳收视费。 有线电视是有偿服务，如用户收视不佳，有权投诉或拒交收视费，因此有 线电视台应加强系统维护和信号监测工作，确保安全优质播出，维护用户 合法权益，建立有线电视系统质量自我反馈、自我监督、自我完善体制。 有线电视监测是有线电视台进行科学管理的技术手段，一个高效率、高质 量的监测系统，可以准确、及时地反映有线电视节目播出、传输和接收的 质量和效果，对于提高有线电视质量将起到重要的作用。 有线电视技术的不断发展，给人们的生活带来了极大的方便与享受， 同时电视媒体作为国家对内对外的一种宣传工具，也有着其不可替代的重 要地位，众多的商家利用电视广告直接或间接地为自己创造了巨额的财富。 但是所有这些都是在保证电视节目播出质量的前提下实现的。这就提出了 一个非常现实的问题：如何确保电视节目的播出质量。 2 3 2 有线电视信号监测技术的现状 回答上面的问题首先就要了解影响节目播出质量的因素有哪些。有线 电视台播出节目的过程是将各种节目源( 包括从卫星接收的电视信号，摄、 录像机的音视频信号，开路播发的电视节目等) 通过各种播出设备处理后， 再送到射频前端进行混合调制，得到的信号为包含各套节目的射频信号， 此信号再经过有线电视干线网和分配网到达用户终端。 从上面的播出流程可以看出影响电视信号品质的因素主要有以下几 点： 1 节目源本身的原因。这一点在节目审核时就可以发现，一般不会影 响节目播出( 现场直播节目除外) 。 2 在播出设备和射频前端出现的问题。 3 信号在传输过程中出现的问题。 除去原因1 ，分析2 、3 后可知播出设备和射频前端设备都在电视台播 出机房内，发现问题后，解决起来比较方便，而且保证前端输出信号的质 量也是确保信号传输质量的前提。因此如何从射频前端输出的信号中及时 发现问题就成为解决有线电视播出中经常出现的劣播、停播等故障的关键 山东大学硕士学位论文 步。 目前，国内对有线电视信号的监测一般采取“电视屏幕墙”的方法。 这种方法具有显示直观等优点，因而得到了广泛的应用。但是这种方法具 有明显的不适应性，不能很好地满足有线电视信号监测的要求。下面对电 视墙监测方法的优缺点进行了详细分析。 1 体积大，灵活性差 要求前端机房空间足够大，其机架结构和机房布置一般是一次定型， 不易随电视频道增多而拓展。 2 耗能大，成本和维护费用高 若用2 l 英寸彩电来构成个频道的电视墙，每台耗电约5 0 w ，则总耗 电功率p d = 5 0 n ( w ) ，n 大则p d 大。每台售价约o 2 万，则总体费用为0 2 n 万。考虑到备份和维修，其费用还要高。 3 用电视机监视前端信号是不科学的，只是一种粗略的效果监看 图2 3 为t a 7 6 8 0 p a 电视机中频处理集成电路的a g c 特性曲线，图中 a b 为中频a g e 控制范围，约6 0 d b ，b f 为射频( 高频头) a g c 延迟起控作 用范围，约2 0 d b 。 5l 帖l 船 l l ，细州) 图2 3 电视中频及射频a g c 特性 v “_ a g c 控钼电压 i - - 中频控制曲线 r 射频延迟起控曲线 l r 一中频信号峰值电平 可见，电视机总的自动增益控制范围一般为8 0 d b 左右。当用于监视前端 信号时，信号电平大范围变化不可能从电视效果上看到，而传输系统特别 是邻频系统对电平变化的要求是很严格的。 4 电视墙实际上不能完成对各频道节目效果的同时监视 山东大学硕士学位论文 若前端中有1 5 个频道要监视，1 5 台电视机同时打开则图像令人眼花缭 乱，伴音混迭成噪声，值班员极易疲劳。同时较大的电磁辐射有损身体， 对前端信号的质量也有影响，在许多有线电视台前端机房发现电视墙上的 效果没有用户端收到的效果好，原因可能就在于多台电视同时开机，造成 机房设备与电视机的抗干扰能力不能适应。 2 3 3 有线电视信号监测技术的发展趋势 随着近些年来我国有线电视事业迅速发展，迫切需要自动化程度高、 体积小、性能好的有线电视信号实时监测系统，但是目前国内还没有此类 理想的设备。国外虽已有电视画面合成器之类的设备，可用于电视信号的 监测，但每套需要约5 万美元，一般单位难以接受”1 。国内也有人做过一些 研究工作，研制出几个监测系统，但有的只能监测图像信号”1 ，且需要从电 视机中提取视频信号，实时性较差，也离不开“电视频幕墙”；有的只能监 测空中电磁波的场强，不能监测有线电视信号”1 ；有的监测频道有限，且需 要从监视器中引出音频信号。1 。对有线电视网中传输的射频信号进行实时监 测的完整、有效的方法和系统在国内还未见报道。 从长远看，在有线电视系统中采用自动化的监测手段势在必行。随着 计算机技术的发展和大屏幕液晶显示器价格的降低，在电视信号监测系统 中采用计算机控制的大屏幕液晶显示技术可能成为一种发展趋势。对此本 文将试图研制出一种价格低廉、性能优良的有线电视信号监测系统，填补 我国在这方面的空白，为我国有线电视业的发展做出我们的一份贡献。 山东大学硕士学位论文 第三章有线电视信号监测系统总体设计 有线电视信号监测系统主要分为监测模块和数据处理模块，它充分利用 计算机强大的软硬件资源，辅以其它硬件，使之结合为一个有机整体。监 测模块由宽带放大器、分配网络、接收卡和电源组成；数据处理模块由通 用计算机、打印机、声光报警装置和相应的软件组成。插在通用计算机i s a 扩展槽中的电视信号接收卡是监测模块的核心。接收卡的输入为有线电视 前端或普通用户电缆中的宽带射频信号，它在计算机软件的控制下可以循 环解调出各频道的全电视信号，从中监测图像信号和伴音信号的有无，并 将结果送入计算机总线。数据处理模块根据监测模块送来的信号判定各频 道信号情况，并以直观的图形方式显示在屏幕上。同时，将各频道信号的 故障信息如图像中断、伴音消失等实时记录在数据库中，以方便进行统计 查询。当某频道的图像或伴音信号出现故障时，计算机立即启动声光报警， 并将频道名称、图像或伴音故障时间记录在数据库中。当信号恢复正常后 也做相应的处理。系统的模块化设计可保证对任意数量的频道进行监测， 以满足将来有线电视连网的要求。系统通过用户电缆与有线电视网连接， 对有线电视网的正常运行没有任何影响 3 1 有线电视信号监测系统功能介绍 有线电视台将多套节目通过有线电缆传送给用户，每套节目占用一个 频道，每个频道均有图像及伴音两种信号同步播出。因此，常见的故障现 象有：无图像无伴音、无图像有伴音、有图像无伴音、有图像有伴音但射 频信号弱或伴音断续等几大类。因此，为完成有线电视信号故障监测并实 时报警，本系统主要设置以下功能： 夺自动监测各播出频道图像信号 系统自动监测各播出频道的图像信号，判断该频道图像信号是否正常。 若不正常，系统立即发出声光报警信号，同时在微机显示屏指示出发生异 常的频道名称及故障类型。 夺自动监测各播出频道伴音信号 伴音信号的监测方法与图像信号的监测方法相同。 夺自动记录监测结果 山东大学硕士学位论文 当某一频道信号出现异常现象时，系统自动将当前频道名称、当前时 间、当前故障类型记录到数据库中。 夺统计查询功能 对历史监测数据进行各种统计查询，从而各频道的电视信号质量给出 评测。 夺打印与打印预览功能 将系统的监测结果或统计查询结果打印出来，为系统添加打印或打印 预览功能。 3 2 有线电视信号接收卡的硬件结构 有线电视信号接收卡是监测系统的核心部件，根据功能可主要分成五个 单元：寻址单元、逻辑控制单元、电视信号前端处理单元、图像信号监测 单元和伴音信号监测单元。 电视信号前端处理单元主要完成有线电视频道的调谐，解调出需要监 测的电视频道信号。前端处理单元选用一块桌面视频调谐器( d e s k t o pv i d e o t u n e r ) f 1 1 2 5 6m k 2 “，它可以从射频信号中直接解调出视频信号，从而使 接收卡得以简化，以降低成本，并提高系统的稳定性。f 1 1 2 5 6 脒2 采用7 5 q 电缆输入射频信号。接收频率从4 9 7 5 m h z 无缝覆盖至8 6 3 2 5 m h z ，可直接输 出经过缓冲的峰一峰值为l v 的视频信号，同时解调出伴音信号。其频率调谐 和波段切换都通过i 总线进行，易于控制。图像和伴音信号分别送往图像 信号监测单元和伴音信号监测单元进行处理，并将处理结果送到逻辑控制 单元。 对于图像和伴音信号的监测，我们作以下合理的假设： 检测不到图像信号时则认为图像、伴音均消失。 图像正常，载频消失则认为伴音消失。 图像正常，载频正常，伴音信号极弱( 小于可调整的设定电平，如 5 0 m y ) ，则认为伴音消失。 图像正常，载频正常，伴音信号的幅度高于设定电平，则认为伴音正 常。 若以p 表示图像信号监测单元的输出( 高电平表示有图像信号) ，a 表 声音信号监测单元的幅度监测输出( 高电平表示声音电平超过设定值) ，c 表示伴音载频监测输出( 高电平表示伴音载频消失) ，岛。，和如。，分别表示 山东大学硕士学位论文 逻辑单元的图像和伴音监测输出，则圪。和爿。，的表达式如下 协篡厕 逻辑控制单元据此给出代表图像、伴音和伴音载频信号有无的高低电 平信号，并送至数据缓冲区，p c 机则通过i s a 总线在数据提取电路中得到 数据缓冲区的数据。有线电视信号接收卡的功能框图如图3 1 所示。 图3 1有线电视信号接收卡功能框图 3 3 有线电视信号监测系统的软件层次 监测系统的软件设计采用了模块化，多层次的结构，以适应接收卡数 据的实时采集和处理，并采用了可视化程序设计的思想和技术，可以在界 面友好的可视化编程平台中完成监测任务。 系统软件的主要任务是：实现有线电视信号接收卡的驱动程序；设定 需要监测的频道及其电视台名称；对接收卡进行频道调谐：对各频道图像 和声音的监测数据进行记录、统计；在显示器上以直观的图形方式显示各 山东大学硕士学位论文 硬件驱动程序 1 数据库层 应用层 低层驱动程序 图32 有线电视信号监测系统软件层次框图 频道的监测结果。系统软件框架如图3 2 所示。 整个软件系统自顶向下分为三个层次：数据库层、应用层软件和底层驱 动程序。数据库层主要完成监测数据的存储、查询和统计功能；应用层软 件是用户直接操作的软件，包括频道调谐、信号处理和数据库访问等程序； 底层驱动程序是有线电视信号接收卡的硬件驱动程序。 系统软件的层次化可以将数据访问、数据采集、数据处理等工作分解 成不同的模块，提高了软件运行的效率，满足了接收卡数据实时处理的需 要，也是与目前流行的层次化软件设计技术相适应的“。而且，在软件系 统层次化之后，若对某个层次中的软件进行修改，或是扩充该层软件的功 能，只要保持该层软件和其他层软件交换数据的协议不变，就不会影响整 个软件系统的正常运行。 山东大学硕士学位论文 第四章有线电视信号监测系统硬件设计 有线电视信号接收卡是利用计算机技术设计的i s a 扩展卡，它将有线电 视的图像、伴音信号提取出来并进行处理，并将处理结果送入内存中，供 应用程序读取。本章重点介绍这方面的工作。 4 1 有线电视信号接收卡的工作原理及其设计方案 有线电视信号接收卡是整个有线电视信号监测系统的一个核心部分。根 据功能可分成以下模块：电视前端处理单元、图像监测单元、伴音监测单 元、脉冲展宽单元、逻辑控制单元、寻址电路以及电源供给电路。 4 1 1 寻址电路的不同实现 p c 机的每一个接口均有一个确定的口地址，通过对该地址的操作可达 到对接口控制的目的。有线电视信号接收卡即是一个接口电路，因此为控 制和读写信号接收卡，p c 机必须实现对其正确的寻址。它可以采用以下方 案完成： l _ 采用通用器件进行寻址 对于简单的系统采用通用器件很容易完成寻址任务，可以利用一片八位 的数据比较器，通过设定比较位来确定所选的地址，在i s a 总线低1 0 旺地 址线的高八位地址信号中与所选定的地址一致时，数据比较器输出低电平， 不一致时输出高电平，从而就可以对选定的接口进行操作。 这种方法设计简单、容易实现，是一种通常的做法，但其应用不灵活， 对于稍复杂的系统往往要使用多个相同的芯片，每个芯片的功能单一，使 板卡设计臃肿、繁杂；对于接口上有时序要求的电路，还要另外增加时序 器件，增加板卡的成本和体积。 2 采用通用器件与可编程逻辑器件相结合的方式进行寻址 可编程逻辑器件( p l d ) 是指g a l 或p a l ，由于它可通过编程控制其各管 脚实现不同的功能，有的器件还具有时序电路的功能，从而可灵活的应用 于各种复杂的接口电路中。 因为p l d 器件外部管脚有限，当完成复杂的功能时会占用很多管脚，这 山东大学硕士学位论文 时需要与通用器件主要指数据比较器配合，利用数据比较器将部分地 址引脚“收集”，进行预处理，产生一个信号送入可编程逻辑器件，减小可 编程逻辑器件的管脚占用。另外可编程逻辑器件有加密功能，可以有效地 保护设计人员的劳动成果不受侵害。 4 1 2i s a 总线模拟1 2 c 总线方法的不问实现 在有线电视信号接收卡中的前端处理部分中采用p h i l i p s 公司的 f 1 1 2 5 6 高频调谐器，它用i 总线控制，由于这里使用p c 机的i s a 总线扩 展槽，就需用i s a 总线模拟i 总线。根据i2 c 总线的规范“”，i s a 总线对 1 2 c 总线的模拟关键在于对数据线和时钟线的保持，为完成这一功能可以采 用在接收卡上设置单片机进行时序控制；也可以在接收卡上加时序电路， 如d 触发器等；还可以用f p g a 器件实现。以上这些方式都无疑会增加卡的 复杂程度和成本。本系统利用g a l 器件的时序功能完成这一控制过程，从 而大大简化了电路设计。 根据以上介绍，可以确定有线电视信号接收卡的设计方案。本设计采 用p h i l i p s 公司的f 1 1 2 5 6 作为电视信号调谐器：采用g a l l 6 v 8 完成对f 1 1 2 5 6 的寻址工作；采用g a l l 6 7 8 完成i s a 总线对i 总线的模拟；采用单稳态触 发器完成脉冲信号的展宽。下面对各部分进行详细说明。 4 2 寻址电路设计 4 2 1g a l 器件的特点与设计方法 可编程逻辑器件是近二十年来才发展起来的专用集成电路的一个分 支，是设计新型数字系统的理想器件。它不仅速度快，集成度高，而且具 有用户可定义的逻辑功能，有的还可以加密，可以重复编程，因此，它不 仅能适应各种应用的需要，而且可以大大简化硬件系统，降低成本，提高系 统的灵活性、可靠性和保密性，有着极为广阔的应用前景，因此，近年来在 我国也得到了迅速的发展“”。在各种可编程逻辑器件中，以c p l d 功能最为 强大，但价格较高，使用也较为复杂。而g a l 不但有相当强的功能和足够 的灵活性，而且编程控制容易( 可使用普通的编程器) ，价格很低，接近通 山东大学硕士学位论文 用集成电路。故在数字逻辑不是非常复杂的系统中使用g a l 是非常合适的。 因而本文以g a l 实现了寻址电路的设计方案 g a l l 6 v 8 是一片可编程逻辑芯片，属于通用阵列逻辑( g a l ) 一族，它继 承并发展了p a l 、p l a 和p r o m 器件的优点，克服原有器件的某些不足，是 实现数字系统设计的理想器件。g a l 器件具有以下特点： 夺速度快，功耗低( 传输延迟为1 2 一1 4 n s ) 。 夺可重复编程达万次以上( 对科学实验很有利) 。 开发工具简单容易掌握，开发手段灵活，整个设计的实现都可在软 件控制下自动完成。 夺g a l 器件具有寄存器预置和加电复位的功能，使器件具有百分之百 的功能可测试性。 夺g a l 器件具有独特的加密功能，可有效地防止非法抄袭电路设计， 保护设计人员的劳动成果。 夺g a l 器件具有存储电子标签的能力，使用文档管理提高生产效率。 开发g a l 器件，可以分为三个步骤：第一步，按照开发软件要求的源文 件格式，在n o t e p a d 或其他编辑软件上编写源文件，第二步利用开发软件 的语言处理程序，对源文件进行处理，以形成可下载到编程器的 j e d 文件， 第三步，调用 j e d 文件，在编程器上对g a l 器件编程。 4 2 2p c 系列微机i 0 端口寻址特点 对有线电视信号接收卡进行控制，首先必须了解p c