（物理电子学专业论文）无人值守广播电视的远程监测系统研制.pdf

硕l j 论文 无人值守广播i 乜视的远程监测系统研制 摘要 广播电视信号的监控一直是广播发射站和广播电视台要解决的问题，如何有效、 安全、廉价地实现监控一直是各个广播站的需求。本文从基本问题的分析开始，详细 地论述了广播信号监控的各项指标，以及如何实现。 首先，本文讨论了各种通信方案，通过具体的分析，最终选取通过公共电话网 络进行通信的策略。 详细地设计了一套适合使用的通信标准，在实现了基本通信的基础上，分析信 号的获取与参数检测，包括预处理和采集；接着详细地讨论了声音信号的获取、压缩、 传输等等，通过自行研制的压缩方式，得到所需求的压缩方案；进一步设计出合适的 数据共享方案，以及实现合理的传输方式；本文也介绍了图像的获取与压缩；最后详 细讨论了软件设计上的细节问题，主要是监测站和控制中心的各个功能分解和控制逻 辑，以及多线程的相关问题。 最终通过具体的实现，完成了整个软件的设计；通过实际的调试运行，确保了 软件达到了预期的目的。 关键词：广播电视，通信协议，声音压缩，多线程 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o nr a d i oa n dt e l e v i s i o ns i g n a la u t o m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t m o n i t o r i n gt h er a d i oa n dt e l e v i s i o ns i g n a l si s ap r o b l e mn e e dt ob er e s o l v e db yt h e r a d i os t a t i o n s 锄：l dt e l e v i s i o ns t a t i o n s h o wt oc o n t r o lt h e s es i g n a l se f f e c t i v e l y , s a f e l ya n d c h e a p l yh a sb e e nt h ed e m a n df o re v c r yr a d i os t a t i o n r a d i os i g n a lm o n i t o r i n gi n d i c a t o r s a n dh o wt or e a l i z et h em o n i t o r i n gs t a r t i n gf r o mt h eb a s i ca n a l y s i s o ft h ep r o b l e mi s d i s c u s s e di nt 1 1 i sp a p e ri nd e t a i l 。 f i r s t v a r i o u sk i n d so fc o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa red i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h r o u g h t h es p e c i f i ca n a l y s i s ，t h ec o m m u n i c a t i o ns t r a t e g yu s i n gt h ep u b l i ct e l e p h o n en e 锕o r k l s s e l e c t e df i n a l l y a s e to fac o n h n u i l i c a t i o ns t a n d a r ds u i t a b l eu s i n gh e r ei sd e s i g n e di nd e t a i l - b a s e do n t l l er e a l i z a t i o no ft h eb a s i cc o m m u n i c a t i o n ，t h es i g n a l s a rea c q u i r e d ，p a r a m e t e rt e s t e d ， c o l l e c t e da n dp r e p r o c e s s e d t h e nt h ea c q u i s i t i o n ，c o m p r e s s i o n ，t r a n s m i s s i o no ft h es o u n ds i g n a li s d i s c u s s e di n d e t a i li nt h i sp a p e r a n dan e wc o m p r e s s i o nm e t h o d i sp r o p o s e d ，a n dt h er e q u l r e d c o 硼) r e s s i o np r o g r a mi so b t a i n e d ，t h e na s u i t a b l ed a t a s h a r i n gp r o g r a mi sd e s i g n e d ，觚da r e a s o n a b l e 仃a n s m i s s i o nm e t h o di sa c h i e v e d ；a n dt h e nt h ea c q u i s i t i o na n dc o m p r e s s l o no f i m a g e sa r er e a l i z e d t h em a i nd e t a i lp r o b l e m si n s o f t w a r ed e s i g n , i n c l u d i n ge a c h 鼠m c t i o n md e c o n 】p o s i t i o na n dc o n t r o ll o g i co ft h es t a t i o n sa n d c o n t r o lc e n t e r sa n dr e l a t e d i s s u e so fm u l t i t h r e a d i n ga r ed i s c u s s e da tl a s ti nt h i sp a p e r ； f i n a l l y , v i ar e a l i z i n g t h es p e c i f i cp r o g r a m s ，t h e e n t i r es o f t w a r ed e s i g n a t l o n1 s a c c o m p l i s h e d ：t h ea c t u a lc o m m i s s i o n i n ga n do p e r a t i o ne n s u r et h es o f t w a r et oa c h i e v e t h e e x p e c t e dp u r p o s e k e yw o r d ：r a d i oa n d t e l e v i s i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s o u n dc o m p r e s s i o l l ， h m u l t i t h r e a d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：童圣主 帅年占月归 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盔2 丝空 幻一年月z 阳 硕： ：论文无人值守广播咆丰见的远程监测系统研制 1 绪论 1 1 课题背景 信息传播是人与人之间沟通的主要方式，手势、语言、文字、图片都可以作为 信息传播方式。随着科技进步，通过电信号传播信息成了当今社会主要的通信方式， 电话、电报、广播、电视、网络等等通信方式的出现，极大地改善了目前人们生活的 现状。然而，即使目前发展最为猛烈的是网络，广播电视不会因此而消失，反而作为 最重要的通信方式之一，一直在发展着。 广播电视很早就进入几乎所有的家庭，成为大部分人的生活必备部分。政府非 常重视广播电视的传播质量，总体要求：安全优质。然而，很多情况下，广播电视中 心却很难跟踪广播信号的质量。广播覆盖范围一直在增大，站点数目繁多，听众数量 也是一直维持着9 5 以上的比例。关于广播信号的一系列问题有很多，例如，是否有 信号、信号是否完整，信号是否受干扰等等，而这些问题如果有，则会造成很多现实 问题，如果没有信号，则没有任何节目；信号不完整，则节目不连续的；信号受干扰， 则会有噪音，或者是一些非法的其他信号，因此，广播信号的质量可以直接影响每个 家庭，因此，对于广播信号质量的监控一直是广播提供者的重要问题1 ，2 1 。 无线电波方式传输优缺点很多，主要表现为无线电波可穿透性、接收方便、用 户数量任意等等优点，也存在信号干扰大、影响面大。通过无线电波传输就必须使用 高频信号、而高频信号衰减厉害，降低了传输距离，为了远距离传输而建立更多的中 继站，成本飞涨。信号由于从中心发送出去后不好检验信号是否稳定、正确。各个分 流站地理上离控制中心很远，不可能频繁地派人去各个分流站点人工检验。 本项目来源于某广播中心的需求。此广播中心需要一种廉价、稳定、易用的远 程监控方案，来监控分散于远程的发射基站的状态。即监控中心可以随时得到远程发 射站的状态数据，也可在每个基站故障时主动上报状态数据：偏远地区的基站也可已 通讯；监控成本低，灾害、战后恢复要快。 1 2 监控系统的初步分析 1 2 1 信号基本监测 基本的信号监测技术还是比较简单的，首先，无线电波在空间某点有多强， i 绪论硕l ：i k 文 可以通过信号场强柬测得。电磁波传输产生电场和磁场的交替，磁场不好检测，而电 场容易检测，也就是此监测点信号感应电信号的强弱。可以通过监测此电压值来判断 信号有没有到达某点。因此，关于信号有无的问题，可以通过上述方法来得到。有两 点需要注意，首先，这里是调频信号的测量，即信号通过频率变化而反映出来，而信 号的幅度是不变的，所以可以使用电平测量方式反映信号功率；其次，这里监测是否 有信号，精度要求不是非常的高，而不是严格的精密测量，作为监控系统，上述方案 已经够用【3 1 。 关于信号是否完整、是否受干扰等问题，则可以直接录制信号声音数据，回传 给监控中心，毕竟，内容的监测是比较棘手的，目前没有统一的技术手段来监测内容 是否合理性。 1 2 2 监控信息传输 接下来就是传输的问题了，虽然有很多候选的通信方案。这里需要一种最合适 的来解决这里的通信问题。 首先可尝试基于有线网络的管理方案。在众多的网络应用中，基于u d p 协议的 s n m p 控制协议比较适合这个任务，本身s n m p 也是国际标准的网络监控方案。具 体实现上，需要专用的网线直连，在远距离传输和成本上没能达到要求。 其次，无线网络也可以满足一定的要求，可惜在信号强度和数据稳定方面不够。 虽然可以结合有线与无线网络的优势达到使用以太网络的易用性与可靠性，但是成本 上不可能廉价实现。 然而，基于公共电话网络的监控系统从各个方面都可以满足要求。具体优点有g ( 1 ) 电话网络已经技术成熟； ( 2 ) 覆盖面很广，可以满足各种地理条件的需要； ( 3 ) 适应长距离通信，上百公里都可以，基本没有长度限制； ( 4 ) 基于电话网络的通讯技术研究有很多成果，可以在很大程度上提供绝对可靠 的数据通信质量； ( 5 ) 如果结合利用很多新型无线电话网络的数据传输服务，如g p r s ，3 g 网络， 则可以实现更高级的监控功能； ( 6 ) 电话网络的通讯设施以及通讯成本目前来讲属于较低的，可以大批量使用； ( 7 ) 最后，自然灾害、战后重建、突发事件等等自然与非自然因素影响后重建速 2 硕1 ：论文无人值守广播i 乜桃的远程随测系统研制 度较快4 捌。 因此，选用基于电话网络的通信方案来实现此次通信需求。 然而，问题也随着需求而来，数据量永远都是与成本和技术直接相关的问题。 监控数据在需求上主要有： ( 1 ) 信号功率监测： ( 2 ) 声音信号； ( 3 ) 图像信号； ( 4 ) 其他动态控制数据。 这里，功率检测数据和控制数据在数据量上较小，可以忽略，而声音和图像数 据就很大了。图像上，常用有损压缩j p e g ，无损压缩数据量依然很大且没有必要。 j p e g 本生在压缩效率上已经非常高，从提出到现在大于2 0 年不到的时间内一直是运 用范围最广的静止图像压缩标准行格式，直接利用j p e g 压缩图像数据。所以图像数 据问题不大。 这里主要还是声音压缩上，目前的通用压缩标准有很多，声音上有m p 3 ，m p e g 2 等等，由于目前对于高质量声音压缩有很多标准，然而低质量的高压缩比压缩研究不 多，基本没有何时的直接使用的算法，决定研究专用的低采样质量的高压缩算法来实 现声音压缩。 解决了以上问题，就完全可以确定使用公共电话网络来通信了。 1 3 课题目标 本次设计主要工作： ( 1 ) 设计一个多路选择电路和信号电平转换电路； ( 2 ) 设计一套通讯用协议，保证各种数据传输正确； ( 3 ) 研究专用的声音压缩算法，从理论到实现； ( 4 ) 选择各种附加的功能库实现各个分功能； ( 5 ) 分别详细实现监测站点端程序与监控中心端的程序，处理各种事件逻辑。完 成现场调试。 1 4 课题设计方案 1 4 1 基本方案 1 绪论 硕l 论文 本次设计方案，利用a d 采集卡和设计电平转换电路来采集输入信号的电平参 数。在解决了单个通道信号检测的基础上，使用多路选择电路实现复用，降低成本。 设计了最多有8 路信号通道和8 路声音通道的选择电路。 通信协议部分是基于已发送和接收的数据处理部分的协议，类似于网络模型中 传输层的各种协议，如t c p i p ，改进并简化这些协议并实现之。 研究实现基于离散余弦变换的低音质高压缩算法方案。从基础理论开始到实现， 参考改进现有的一些标准。 附加的一些功能有很多，例如j p e g 图像压缩，视频图像截取，监控中心的数 据库系统等等，最终嵌入到整个系统中。 最终的程序框架分为监测站和控制中心两个部分。分别设计实现两个部分的程 序框架和线程结构，集成上述所有的功能，达到项目要求。 以上为设计个大方面，实际工作流程有所不同，首先是功能性分析，选取各种 备选方案；然后是功能分划分块，每个功能块的功能分别测试实现，即，功能模块初 步设计和测试用例同时进行，直到完成各个模块的功能；集成与调试是接下来的任务， 从基本的通信协议模块开始集成测试，每集成一个功能就测试，直到所有的功能全部 集成完毕。首尾部分是控制中心的数据库分析功能，提供一些数据的基本分析例如统 计和图表，设计多种导出功能，以方便使用第三方的工具进行数据分析。 1 4 2 整体功能划分 具体项目的前期设计直接相关整个项目的效率与质量。本次监控系统的总体设 计要考虑的问题有：平台的选择、通信协议的可靠性、数据管理方便性，以及后期修 改的方便性等等。 1 4 3 平台选择 监测站端，使用平台可以是w i n d o w s 或者l i n u x ，从稳定性、易用性上考虑其 实没有必要了，因为监测站的主要任务就是无人监测，系统最终完成后，硬件端只要 一直在运行监测进程就可以。考虑到开发性问题，本项目前期已经完成l i n u x 平台下 的一个功能性测试实例，但是由于种种问题而很难修改，遂决定在w i n d o w s 平台下 开发监测端程序。事实上，除了些图形界面和线程的一部分问题在代码上不兼容， 核心功能逻辑是通用的，只要配合l i n u x 平台下的图形和线程函数，可以容易地移植 到l i n u x 平台。 4 硕十论文无人值守广播i u 视的远程脏测系统研制 控制中心端则在考虑大部分的使用习惯下，也是采用w i n d o w s 平台。由于数据 通信是基于电话网络的，监控中心和各个监测站之间的数据可以随意传输，所以，在 功能性实现上是不会有任何兼容的问题的。 由于尽量保证设计的弹性，在语言上，使用c 语言实现大部分的功能模块，使 用基于v i s u a lc + + 的m f c 实现外壳封装。功能块的划分大致如下：协议模块、声音 采样压缩模块、声音解压模块、图片采集压缩模块、信号采样监测模块、数据库系统 模块等等。以上是软件实现的模块部分。硬件模块主要就是多路信号选择功能电路以 及配合使用的a d 采集卡。整个系统的结构框图如下： 数据库 图1 1 整体功能逻辑 本项目所有软件基于w i n d o w s 平台下v i s u a lc + + 6 o 工具开发，所有任务由本 人完成。 2 通信j 协议硕i ：论文 2 通信与协议 2 1 基本通信方案 本次设计的主要通信工具除了计算机外，就是m o d e m 。事实上由于m o d e m 的 普及，现在随处可见，常见的就是笔记本计算机一般内置m o d e m 。m o d e m 通信使用 r s 2 3 2 串型通信标准与计算机通信，关于r s 2 3 2 串型通信标准，很多地方已有详细 阐述。需要注意的是，在w i n d o w s 下开发串型通信程序时，对应的，在v i s u a lc + + 内有m s c o m m 3 2 控件可以方便地建立通信框架，但是由于此控件的可控性较差， 所以这里并没有选择使用。直接使用w i n d o w s 的底层文件a p i ，建立相关的控制读 写类以方便地实现串口的读写。关于m o d e m 的控制信号有一定的标准：a t 命令。关 于a t 命令的详细说明很多书籍已有讨论，这里简单地给出一般的m o d e m 通信步骤【7 】， 如图2 1 所示： 6 ( a ) 图2 1m o d e m 通信步骤 ( a ) 主动连接端的流程 ( b ) 被动连接端的流程 ( b ) 硕士论文无人值守广播i 乜视的远程监测系统研制 这里还有一点需要注意，在w i n d o w s 下可用的m o d e m 高级a p i 函数库有t a p i ， 封装了a t 命令细节，可以提供高级的通信功能。但是为了使用简洁，依然直接调用 a t 指令，主要考虑两个原因：首先，a t 指令简单、通用，t a p i 的大部分功能在本 项目内没有必要；其次，为了通信模块方便以后转移到l i n u x 系统，最好的方法还是 尽量少用特定平台下的专用库。 这里也设计了一个m o d e m 控制类，集成了所有用得到的功能，方便后期调用， 主要包括了：状态检测、初始化、拨号、挂断等等。 到此已经建立了纯数据通信基本方案，然而，具体通信时的种种问题依然需要 解决。 2 2 通信协议 无论通过何种传播途径，都会存在传输数据的正确性问题。即通信双方交换的 数据在通信过程中由于种种原因导致了通信数据部分出错，或者部分丢失等等，从而 使得数据失去完整性，成为废数据。为了在系统之间可以正确地传送数据信息，必须 加入相关联的检验方案，以方便接收端判断信息是否正确，且能通知发送端以告示本 次通信是否成功。通信协议的制定成为稳定通信的第二步。 直接从头开始设计一个协议也不是不可以，只不过需要很长的时间来检验协议 的各项指标，如果参考利用已有的成熟协议，将会快速的得到较好的结果。对于类似 问题的通信协议已有很多研究成果，最常用的就是以太网的t c p i p 协议，由于t c p i p 协议本身是基于数据传输相对较快的网络协议，而且由于种种通用性原因，t c p i p 协议很多复杂性在本项目中没有实用价值，因此必须改进t c p i p 的一些细节【1 2 】。 2 2 1 数据帧协议 通信系统为了简化设计，通常在设计通信协议时，使用分层模型，经典的以太 网协议就是多分层的通信协议。为了方便扩展修改，这里也采用分层模式。划分每次 传输的数据规模，具体分为两种，一种是一次性可传输完成的短报文，另一种就是需 要多次传输的大型报文。 首先，需要一种数据帧式的协议来发送个数据帧，把数据类型隐藏起来，以 方便统一发送接收数据。这个数据帧协议的地位类似于i p 协议。图2 2 为数据帧结 构简明示意图。 7 2 通信与协议硕 ：论文 3 1 6 3 9 5 1 2 7 o 3 2 6 4 9 6 图2 2 数据帧结构 首先是4 个字节的固定字符串“m t f m ”，代表是的用户数据帧；接着是数据类 型，指明数据的实际类型，后面会有详细说明；接着是4 个字节的长度，注意这里设 计为不包括校验值的纯粹的数据长度，当然也不包括前面的4 个字节“m t f m ”；然后 是校验值；最后是数据。 需要说明的一点是，校验值的算法选取，可以选取目前大量使用的很多方法， 各有优缺点。常用的有c r c 循环冗余码校验和反码和校验。 c r c 使用除法和余数来计算数据校验值，而反码和校验使用数据的反码加法， 得到校验和。无论使用哪种方法都可以一定程度地校验的数据。为了方便，参考i p 协议，使用反码和校验算法。 然而，经过上述设计，还是无法保证数据完全正确的，最起码，反码和校验在 算法上就有缺陷，即在一个帧内数据顺序上错位是无法校验的。所以为了降低这个问 题出现后检验出错的概率，采用类似i p 协议的每相邻1 6 位数据进行校验。事实上， 由于后面会提到数据帧内的原始数据也有自己的格式，也有自己的校验，两个校验结 合后，基本上不会误判的。 数据帧传输最重要的一点，就是每个数据帧都要求有回复，定义4 个字节的数 据回复信息，以指明数据是否正确的到达了接收端，包含的类型有：接收成功、接收 成功但是校验失败。如果在预设的超时时间内没有应答，则判断为没有正确收到，这 时，可以认为是传输链接断开，也可以认为是应答信号丢失了，所以这里处理方案为 等待1 5 秒，1 5 秒内如果再没有数据通信，则主动断线。事实上，无论何时，只要有 1 5 秒的数据空闲时间，就主动断线。当然，时间长短可以设置。 为了实现各类型数据混合传输，对于每个数据帧内的原始数据，也有必要进行 针对性的设计。由于本项目的专用性特点，可以预测所有的数据类型。发送的数据类 型有：功率、声音、图像、配置、控制等，所以单独设计每种数据的格式。具体的数 据类型，在前面的数据帧内已包含。 8 硕j ：论文无人值守广播电视的远程监测系统研制 2 2 2 功率数据协议 首先是功率监测数据，本数据最大的特点是数据量小，可以在相对较大的传输 带宽内一次性发送完成。由于监控中心可以监控很多的监测站，所以数据在设计上标 注了更多的信息，图2 3 给出了单次通道监测数据帧格式。 l 1 6 1 ，节 l 1 6 ，节 i 4 7 节 1 2 字节i 图2 3 单次通道监测数据帧格式 时间戳直接使用1 6 字节的s y s t i m e 结构体的数据格式，包含了所有的时间性 数据，精度为1 毫秒。然后是监测站i d ，同样分配1 6 字节。实际的功率值为4 个字 节，后面为通道号。最后，如果愿意，可以附加数据的校验和。这样的顺序分配有几 个因素，最主要的原因是使用上的方便性和程序语言的一些特性，特别是s t r u c t 的内 存分配问题。c 语言的s t r u c t 结构体因为内存对齐，和实际的理想排列有一定出入， 所以把大的数据排在前面，数据长度尽量为4 的倍数。所以，完全可以使用4 个字节 的通道i d 。不过，数据顺序上得要修改，保持向下兼容。 在每次接受到数据后进行校验和握手，只要有任何错误，直接丢弃数据，并发 送相应的错误应答。 2 2 3 声音与图像数据协议 对于大型数据发送，分批发送是必然的。这里有一个特别的地方，就是分块的 数据发送完全是顺序性的，且每次发送的数据都需要应答，所以没有必要类似i p 协 议和t c p 协议那样分配一个数据序号段，以简化的设计。 由于在数据帧结构内分配了4 字节的类型参数，所以足够表示任何的数据类型。 简单说来，可以把所有的数据类型细化成各种更小更具体的类型，例如：声音数据分 为3 个部分，分别是声音数据头、中间数据、结尾。这样，通过数据帧的类型信息， 可以在接收端完全控制并作出正确的操作。声音数据传输时的逻辑如图2 4 ： 9 2 通信j 协议 硕l ：论文 录音h 压缩h 分块 1 第一块 中l h j 再个 临河“它占 顺序块 结尾 山 魏， l 附加卢音 爿说明信息 ! f i j。奢t 鲁，j 创建临h 寸文件 继续写入 写入结尾 写入附带的数据关闭文件 监拂1 放音h 解压h 萋丢妻荐 图2 4 声音数据传输逻辑 这里，第一块、中间各块、结尾块分别用不同的类型说明，即可在接收端重新 得到完整的原始数据。关于具体的声音压缩和其他细节，后面会有详细说明。 图像的获取较之声音来说比较简单了，因为不发送实时视频，只发送定时的单 帧图像，所以在物理上就可以简单的分解为图像帧，单帧图像经过图像压缩后，数据 量还是较大，需要类似上面讨论的分解发送，同样，首先是图像数据头，如果是直接 发送j p e g 文件，那么数据头内就加入时间戳和监测站的相关信息，接着发送后续的 数据，直到完全发完，监控中心接收到后组装为原始图像即可。 这里有个需要区分的注意点，就是图像数据如果不完整，则整个图像即是无用 的，声音数据则不同，由于每次录音传送的片段很小，再组成长时间的整个录音，所 以一旦中间有错误数据，对整个声音影响仅在于出错的点开始，先前已经传输的数据 还是可以还原的。图像如果单帧没有完全得到，解码是会出错，也就没有意义了，所 以采取直接丢弃的办法，来处理图像传输中间故障，也可返回出错指令给监控点予以 重发，这个功能的详细讨论将在后续章节展开。 图2 5 表示了图像数据的传输逻辑。 l o 硕t ：论文无人值守广播f 乜视的远程监测系统研制 图2 5 图像数据传输逻辑 2 3 本章小结 到此，主要的通信问题已经进行了详细的说明，通过m o d e m 和专制的通信协议， 可以方便后期整体设计实现。同时，参考已有的通信标准是很有帮助的，因为初次设 计，可能因为种种原因，认为一些数据不重要没有加入，而在后期设计几乎完成时发 现完全可以加入相关信息来大幅度简化设计复杂度，因此参考了使用最广泛的网络通 信协议。事实证明，整个设计结束时基本没有因为协议问题而受阻。 3 功率数据采集 硕 ：论文 3 功率数据采集 3 1 信号功率测量 监控端的数据获取是首先要解决的硬件问题，由于测量的信号是调频信号，这 种信号的特点就是幅度不变，信号变化通过在频点附近的频率变化反映出来，因此， 信号的功率和信号的峰峰值有直接对应关系，基本上可以认为是个线性关系。 转换的目的就是改变测量的方法来得到需要的数据。幅度不变的调频信号通过 专门的转换电路后得到直流电平信号，电平的大小变化即可反映信号的功率变化。转 换电路原理如图3 1 ： 耳； 靠i ，靠寺氦 1 2 0 d o 。 i ol l2i：? p ! ；r 9 i d 0 a 白鸭i 矾 u i f 鸭| g a a d 8 3 6 1 _ _ - _ 。 f l il i8g a ，v 27 r 6 一o a r 2 c i l 4t k 3 0 0 = c 7 =c 8 一6 r l 6 心扩 - - 孚r 0 0 l u 0 i u2 2 u f ! p w d nc o m ： j 巴g a tt _ u ”p p s g a l a i o 1 4j 5 酞孤一l 三 j 6 1 茧 难j 图3 1 前端信号电平转换放火电路 a d 8 3 6 1 是常用的峰峰值测量芯片。交变输入信号输入后，a d 8 3 6 1 会内部转换 为电平信号到它的输出管腿1 1 3 】。l m 3 5 8 运算放大器用束放大信号值，由于原始信号 1 2 硕十论文 无人值守广播电视的远程脓测系统研制 较弱，直接采集得到的值会过于小而表现不出信号在阈值点的抖动，不利于监测，所 以使用运算放大器进行放大输出【1 4 1 。 3 2a i ) 采集 a d 采集就比较简单了。由于使用a d 数据采集卡来采集经过转换后的电平数 据，采集卡端到计算机可以很容易地使用采集卡提供的二次开发包来获取。 a d l i n k 公司的p c i 9 1 1 4 ( a ) 采集卡拥有1 6 位采样精度，1 6 路同时采集，另外 有两路d c 逻辑输出功能。 1 6 位采样精度完全可以达到采集精度要求；1 6 路同时采集，可以使系统同时监 控多路信号的数据，当然，目前只用了8 路；最终，因为需要录制声音，而声音录制 使用计算机主板上的音频输入口，同一时刻只有一路可以录制，因此需要选通，选通 逻辑即用采集卡的逻辑电平输出口控制陋1 7 1 。 具体的采集使用很简单，主要流程如图3 2 ： 图3 2a d 采样流程 3 3 信号监测 此时，所有必须的预处理电路已经准备好，经过测试，工作正常可靠。接下来 就是如何判断信号是否达到要求。 前面已经论述过，调频信号的功率和信号峰峰值成正比，那么可以通过a d 采 集到的数据，和预先设置好的阈值进行对比判断，即可达到监测的目的。即如果采集 到的数据小于的阈值，则可以认为信号此时出了问题，反之则j 下常。 具体实现上，整个系统在设计上有个配鼍文件可用，每个监测站点的配置文件 3 功率数据采集硕：t = 论文 都是独立的，配置文件包含了此监测站的名称、号码、监控中心的号码等等，但最主 要的内容就是各个通道的监测配置。具体参数有：某个通道是否监控、某个通道的频 点、某个通道的阈值、某个通道的监测时间范围以及其他的备注信息。配置文件由监 控中心创建。 通过配置文件，监测站点可以作出相应的操作。例如，“通道一的功率数据在 连续3 0 秒内都小于阈值，则开始尝试连接监控中心，如果连接成功，则开始发送数 据，如果没有成功，则记录出错数据到本地磁盘，在连续地出现1 0 次符合要求的数 据后，结束错误状态，回到正常的监测模式。 配置文件也不是固定不变的，事实上最先实现的通信测试就是从监控中心发送 新的配置文件到指定的监控站点，主要考虑到的问题是，配置文件必须完全正确，又 因为配置文件包含每个通道每个星期中的每一天的时间配置，所以文件还是很大的， 需要分批发送。监控站如果检测到收到的文件有任何问题，则返回错误给监控中心， 以保证数据机完全正确。 3 4 本章小结 本章简要地阐述了信号功率监控相关问题，以及实际项目中的情况，通过集合 各个功能，直到测得功率数据。经过测试，效果基本满意。具体的通信问题和控制逻 辑则在第6 章有详细介绍。 1 4 硕卜论文 无人值守广播i 【l 视的远程舱测系统研制 4 声音采集 声音采集是本项目的重要工作之一。录音的目的是监测当前信号是否正常，当 然，更重要的是收集声音内容，以便对信号是否受干扰作出判断。由于目前没有可靠 统一的智能内容检测手段，因此这部份工作就需要人工处理。监控中心通过得到监测 站点传回来的声音数掘即可由专人处理，所以声音数据可以作为一个非常可靠的信号 正常化监测手段来保证信号完整。 4 1 原始声音数据采集 由于声音原理上比较简单，通过系统功能调用来采集原始声音波形数据。 w i n d o w s 下可以使用波形控制a p i 函数族来精确地控制声音的采集【1 8 】。基本使用流 程如图4 1 ： 图4 1w i n d o w s f 录音基本流程 具体实现时设计了专用的录音类，方便后期调用。 实作此功能类也遇到了很多问题，如果需要实现连续的录制需要一些技巧。由 于一次性分配的内存空间有限，而且分配内存不论是静态还是动态，都需要知道分配 大小，而分配大小又完全取决于录音时间，录音时间则又直接受监控中心控制，所以， 是不可能预测的。经过分析，使用较小的缓冲来保存短期时间内的录音数据，每次缓 冲满了，使用某种方法增加缓冲，实现连续录音。 这里还有个重要的问题，就是一边录音一边传输。录音是一个和现实时间同步 的过程，即，如果想要1 分钟的录音数据，则必须不问断地在1 分钟内连续录音，虽 1 5 4 声音采集硕l ：论文 然可以在1 分钟录音完成后再进行数据传输，但是这1 分钟内几乎就不能作别数据传 输了。实际情况不止如此，由于带宽有限，录音数据庞大，几乎不可能实现实时的传 输。一般情况，假设1 分钟的录音数据需要传输2 分钟，则开始录音到完成所有的传 输要3 分钟，而如果一边录音一边传输，则要2 分钟，节省了三分之一时间，后面看 到数据经过压缩后，传输时间可以减短不少，所以可以节省更多比例的时间。 针对上述的种种问题，也有几个可用的解决办法。主要有以下两种方案：r e a l l o e 和链表。 方案一、使用c 语言的r e a l l o c 函数来实现动态修改分配的内存大小。 具体做法如下图4 2 ： 图4 2 使用r e a l l o c 函数的动态空间分配与声音录制 可以看到，这种方案简单且容易实现。然而，缺点也很大。原因就出在r e a l l o c 函数实现上。动态分配的内存块本身需要空间连续，因而，每次使用r e a l l o c 重新分 配空间时，r e a l l o c 函数都会检查是否可以在原来的基础上再分配，如果不够了，那就 得去别的地方找到新的符合大小的连续内存空间，一旦找到，还需要把之前的数据拷 贝到新分配的内存空间内。 这里暴露出来的3 个主要问题是： ( 1 ) 执行速度效率低下。因为如果遇到不能接着之前的内存空间继续分配足够内 存，r e a l l o c 就会大动干戈地搬移之前的数据，当录音时间长了，每次移动的数据都在 迅速增长； 1 6 硕士论文无人值守广播电视的远程临测系统研制 ( 2 ) 内存使用效率低下。由于连续性问题，当需要的空间很大时，系统内可用空 间是很多，但是没有任何一块连续空间符合要求，r e a l l o c 就会分配失败。这种问题发 生概率随着系统运行时间的增长而增长，因为系统的内存碎片将会越来越多； ( 3 ) 数据位置不定。虽然可以在每次重新分配后得到新的内存首地址，但是如果 在其他地方用到此数据时，得时刻注意保证内存地址的正确性，这给调试工作带来很 大的困难。尤其是多线程环境下，这个问题是致命的。 方案二、使用链表。 这应该是一个适合的方案，因为针对上述的种种问题，使用链表都可以得到完 美的解决。链表使用逻辑如图4 3 ： 图4 3 使用链表缓存录音数据示意 使用链表保存录音数据有很多优点，主要如下： ( 1 ) 因为每次都是分配新的节点内存，而且也绝对不会影响前面的节点的数据， 所以数据不会平凡地做无实际意义的拷贝； ( 2 ) 单个节点内存不会很大，内存使用效率得到提高： ( 3 ) 数据位置一旦分配后就不会移动，可以随时访问前面的数据，不用过多考虑 指针变动的问题； 既然要实现一边录音一边传输，那么首先要实现访问数据和录音同步进行。假 设上面这些问题在c p u 足够快、内存足够多、内存拷贝足够快的情况下也不重要， 1 7 4 声爵采集 硕上论文 那么，想要实现队列式的访问特性，链表的优势就充分地体现出来了。 ( 1 ) 由于数据添加都在链表的结尾，这一点也符合实际情况，所以在链表头上操 作就和新数据的插入没有任何关系了，可以随意地访问已存在的数据，只要判断是否 有后续节点，就可以跟随录制的速度实现边录边传的特性。丽使用r e a l l o c 方案则每 次都要使用偏移量和新的地址指针来得到需要的新数据，容易出错； ( 2 ) 内存使用效率提高，体现在两个方面。首先，单次分配内存少；其次，当访 问完l j 面录制的数据等待后续数据时，可以直接释放前面的内存空间，只要管理好代 表链表头的头指针，就可以在内存里只保留很少的数据； ( 3 ) 最重要的一点，就是多线程的访问特性，由于录制声音时间长，主线程需要 做别的事，例如压缩数据和发送数据等等，这时如果使用r e a l l o c 方式操作内存，则 很有可能在某一时刻同时有两个线程访问代表数据头的指针，因为新分配的空间需要 修改指针，而压缩和发送线程需要通过头指针来访问原始声音数据，这时就会冲突。 解决方法一般通过使用临界区或者互斥体来实现，不过，这显然增加了复杂度和调试 难度。相反，使用链表时，初始化完成后，头指针由压缩线程控制，而新增数据由指 向尾部的指针来控制，同一时刻不会出现两个线程访问同一个指针的情况，大大简化 了问题复杂性。由此可见，这种情况下，使用链表的必要性。 4 2 声音数据压缩 声音数据有了，就可以通过信道发送给远程监控中心了。然而，在实现上遇到 问题就是数据量太大，模拟信号即便是低采样率，数据量相对于通信带宽来说依然很 大，这就需要压缩采样数据。目前成熟的压缩算法有很多，主要针对于高音质的压缩， 适合音乐聆听用。由于目前常用的压缩算法在低比特率低采样率情况下，效果很不理 想，而且最主要的是数据几乎没有压掉多少，这就需要一个定制的压缩算法来解决低 采样率的压缩问题。 首先，分析了一些流行的压缩算法。般，有损压缩算法的主要步骤有：变换、 量化、编码。之所以是有损压缩，那是因为目前，无损压缩如果要得到更高的压缩率， 则要建立更大的数据字典，结果就是复杂度太高，且几乎不能实现高压缩比。而人耳 以及人眼对声音和图像的某些成分并不敏感，外加人脑对于一些丢失的数据有主动的 复原功能，对于人不敏感的数据即使没有了，也不影响人的感官作用。因此，有损性 的压缩可以达到非常好的压缩效果。 f r 硕十论文无人值守广播电视的远程临i t 锕t y 4 系统研制 变换是压缩的第步。变换的目的就是让数据更容易被压缩。原始的时域数据 一般体现出杂乱无章的随机性，但在一定的时间范围内可以体现出频率的分量的统一 性。主要的理论来源是傅里叶变换，即任何信号都可以表示为各种频率j 下弦或余弦信 号的叠加，各种频率的叠加系数就是傅里叶系数。事实上从数学上来看也就是函数分 解和泰勒展开式的合成。事实上，可以作为基底的不只是正弦或余弦，甚至是其他的 形式，例如，哈特雷变换的基底就是正弦分量加上相应频率的余弦分量的和。 4 2 1 一维离散余弦变换 在成熟的压缩算法中，离散余弦变换得到了广发应用，因此，选用离散余弦变 换作为主要变换方法。这种变换的一个突出特点就是数据集中性。任意信号经过离散 余弦变换后，变换系数的分布基本上是集中在f j 面的很小一部分，即所谓的能量聚集。 这样就方便后期的数据分类，直接有利于数据压缩。 由于声音数据是一维数据，因此主要研究一维离散余弦变换方法。 一维离散余弦变换定义为： 耶) = a ( k ) 篙n - i 砌) c 。s 务( 2 州) 后= 。，1 ，n - 1 ) x ( 露) = ( 一x ( 刀) c o s 等( 2 刀+ 1 ) 后= o ，1 ， ( 4 1 ) 其中： a ( k ) = 1 2 k0l 下 = 【l 七o ( 4 2 ) 上述公式表示长度是n 的一组数据 x ( 甩) ；n = o ，1 ，n - 1 ) 的离散余弦变换， a ( k ) 是正交因子，用来修正离散余弦变换为正交变换。 同样，类似正向变换，离散余弦逆变换定义为： 砌却荟n - i 聊。s 务m 删凡肌 h 3 ， x ( 玎) = 口( ) x ( 七) c o s 急( 2 聆+ 1 ) 挖= o ，1 ，一1 = o - r ，41 、 这罩的a ( n ) 和上述的a ( k ) 类似。 利用上述公式，可以直接计算出离散余弦变换的结果和通过变换后的系数值还 原为原始数据。问题是，这个直接计算的耗时相当大。 4 2 2 一维离散余弦变换的快速算法 1 9 4 声音采集硕卜论文 这是个很现实的问题，就像离散傅罩叶变换，算法复杂度制约了实时性的快速 要求，因此，快速算法的研究是必须的。1 9 6 5 年，c o o l e y t u k e y 提出了快速傅里叶 变换，简称f f t ，一举改善了离散傅里叶变换在实际应用中的局面。通过简单的变换， 可以转换离散余弦变换为离散傅里叶变换，这就可以使用f f t 来快速计算d c t 变换。 然而，离散傅里叶变换涉及到复数运算，而的数据都是实数，因此，使用f f t 变换 来简化d c t 变换的效率也不算非常高。1 9 7 7 年，有人利用矩阵分解得到了直接的 d c t 快速算法，从而得到了非常好的效果 1 9 - 2 2 1 。 离散余弦变换的快速算法研究类似快速傅旱叶变换，根据对称和周期性可以减 小一部分运算量，但是最主要的还是通过对求和通项的性质研究达到根本性的效率提 高。一般，每次变换选取的数据量是2 的整数次幂，因为这样的数据量有利于简化快 速变换的研究。虽然目前也有很多素长度的快速变换方法，这罩不研究此类算法，因 为可以在录音时精确控制准备2 的整数次幂的数据缓冲，即便是最后一段没有填充 满，也可以补上0 来得到2 3 。6 】。 类似f f t 的推导，把整个变换序列分为奇偶两个部分： 即垆惫n - i 州俨4 2 nm + 1 ) 2 七，1 ，等一 ) 聊m ) 2 刍, v - ! m 灿s 石2 n ( 2 n + 1 ) ( 2 k + 1 ) ，1 ，等 ( 4 5 ) 注意，为了简化讨论，把a ( k ) 省略了，这是个分段常数，最后计算结果统一修 正即可。 为了使得奇偶分段后的公式靠近原始变换的定义式，设： “( 刀) ：x ( 疗) + z ( 一