数字电视信号智能监控应急系统.doc

目 录1 概述22 研制目标和技术要求22.1 研制目标22.2技术要求23 设计思想和设计方案231 设计思想23.2 设计方案24 技术路线和研制方法24.1 技术路线24.2 研制方法25 研制内容和技术关键25.1 研制内容25.2 技术关键26 技术创新27 研制成果及达到的性能指标21 概述在当今电子与信息领域中，数字技术的发展是一场革命，它带动了整个信息处理、传输、存储技术的发展，使得整个社会进入数字时代。在广播电视领域，由于广播电视信号自身的复杂性和该行业的特殊要求，数字化的起步稍晚，难度也大，国外一些发达国家已经基本上完成了广播电视信号由模拟信号向数字信号的转换，实现了广播电视信号的数字化。我国广播电视信号目前仍主要停留在模拟信号阶段，国家广电总局在完成了采用数字信号的卫星电视试播之后，又制定了普及我国数字电视播放的计划，确定了我国广播电视向数字化过渡的时间表，并在广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划中明确提出：到2005年我国有线数字电视用户超过3000万户， 2010年全面实现数字广播电视，2015年停止模拟广播电视的播出。国家广电总局广播电视规划院院长姜文波介绍了2008年全国地面数字电视的规划：地面无线电视正在向数字化进行积极的转换中，计划用3到5年的时间完成全国3000多个省、市、县的推广应用，2008年首先是在六个奥运城市和广州、深圳等37个城市开展地面数字高标清电视的播出。 由于国内电视行业数字化改造起步较晚，各个地区发展并不平衡。更多的电视台在数字改造初期看重的主要是数字电视功能的顺利实现以及数字电视用户的大力发展上，因此对安全播出产品的需求并不是十分迫切，所以对这类产品关注的企业并不是很多，有一些产品也只实现了一些简单的码流备份和切换功能，对安全性考虑不够全面。最近一两年来，随着数字电视用户数量的大量增加，加上党的十七大召开、人大政协两会、奥运会的召开等重大事件的影响，数字电视的安全播出保障被提到了非常重要的位置，进而对这一类产品的需求就变得非常迫切。由于国内的厂商对这一类产品的开发起步较晚，很多有线电视网络公司只能花巨资购买国外公司的产品。国外科技水平比较高，目前我国的模拟电视系统、数字电视系统基本上都是参照国外电视系统的框架搭建的，由于国外的数字电视系统研发起步较早，例如美国Direc TV/BSS于1994年6月开始了数字SDTV的卫星直播业务， 1996年12月美国又批准了以HDTV为基础的ATSC数字电视标准并决定到2009年2月停止模拟制NTSC电视播出，全部改为数字电视播出，再加上国外的大公司研发技术力量雄厚，主要的数字电视标准都由欧美发达国家所掌握，在产品线上也比较齐全。目前国内市场主要被美国的SA（科学亚特兰大公司）、Harris、英国的Snellwilcox等公司所垄断，他们的产品大都能够实现ASI信号的监测分析和自动切换，监测的主要参数有TS同步字节、PAT、PMT等参数，一般都配备完善的网管软件，但是价格比较昂贵，通常每套的价格在人民币30万元左右。本项目是为了保障当前的数字电视系统安全播出而研发的数字电视信号智能监控应急系统，它采用大规模FPGA作为核心处理单元，以ETR290为标准对DVB-ASI信号进行实时分析检测，当信号出现中断、同步错误、PID丢失等异常情况时，能够按照预先设置好的规则进行实时智能切换，当信号回复正常时又可以实时自动切换回主路信号，大大提高了数字电视信号播出的安全性，保障了数字电视系统的无故障、不间断播出，其在广播电视系统中的应用见图1.1。图1.1 数字电视信号智能应急切换系统在系统中的应用目前国内广播电视部门使用的具有类似功能的产品大多为国外进口产品，同这些产品比较，该系统具有如下优点：1） 功能更强，不仅可以实现信号的实时切换，还可以实现信号的实时垫播。2） 不仅能设置在矩阵中，还可独立使用，切换速度快。3） 可结合和兼容多种信号，包括ASI、SDI、AES、模拟视/音频等信号。4） 垫播功能强，既可以使用已录制好内容，也可以实时生成垫播内容。2 研制目标和技术要求2.1 研制目标本项目的研制目标是：研制一种能够实现“对各种模拟、数字信号进行实时监测和智能切换”的功能模块，该模块可以不依赖于复用器、矩阵等设备独立使用，也可以与上述设备通过综合网管系统互相配合实现广播电视的安全播出，同时给出实时监测结果和报警记录，在主路信号出现问题时自动切换至备路信号，在主、备路都有问题时则自动垫播或者产生出辅助信号，在主路信号恢复时还可以自动恢复到主路信号，从而保证各种信号的不中断安全播出。2.2技术要求本项目的技术要求：l 提供基本信息：能够向用户提供关于数字信号的最基本的信息，如TS流的传输速率、同步错误、TS包长度、视音频比例、PSI表的简要信息等，SDI信号的格式、传输速率等。 l 实时监测：本系统应该针对ASI信号，按照DVB ETR290标准规定的3级检错内容进行设计，能够对SDI信号按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准进行实时检测。 l 显示节目信息：能够通过软件显示，描述一个节目内容的PSI以及PMT、SDT和EIT的具体信息。 l 应急切换：当信号出现异常时，能够进行主备以及垫播信号的实时切换。3 设计思想和设计方案3.1 设计思想广播电视行业是一个相对特殊的行业，它肩负着宣传党和国家的方针政策的重要使命，在节目的制作、播出、传递过程中不允许出现任何差错，一旦出现问题，必须做到及时发现，实时应急切换，保证信号的安全。应急切换产品作为广播电视信号的中心重要设备，其切换的可靠性和稳定性尤为重要，在监测过程中要求做到正确判断信号的状态，可靠的切换，避免误切换；当发现信号出现问题时，要保证输入信号的实时切换。因此，在进行产品设计时，必须考虑信号检测的可靠性、切换的实时性和稳定性及设备的先进性。综合以上几点，我们在研制过程中，始终坚决贯彻了以下设计思想：l 跨越传统的手动切换，实现智能检测、应急自动切换。传统的信号应急主要依靠手工实现，实现的方式主要有跳线方式或矩阵切换方式。在数字电视系统中，以往的应急切换设备只能对信号的有无、通断进行检测，如想要对码流进行深入分析，需要借助码流分析仪才能够实现。本项目所研发的系统选用Altera公司的FPGA作为核心处理单元，将输入输出、逻辑分析、综合运算和控制系统通过CPU内核有机结合成一个整体。可以对信号进行深入分析和监测，例如对ASI信号可进行PAT、PMT分析，PID检测，对SDI信号可进行EAV、SAV、EDH检测以及色度亮度和内容分析。对ASI按照DVB ETR290标准规定的3级检错内容而设计；对SDI信号能按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准进行检测；对数字音频按照AES/EBU标准进行检测；对模拟视频转换为CCIR656标准进行检测。通过鉴别信号传输过程中的变化和错误，实时给出报警信息，并进行相应的应急处理，完成智能监测、报警和应急自动切换，确保数字电视信号的高效、安全播出和传输。l 单芯片实现信号转换、分析及切换功能，化复杂为简单。要实现码流信号的分析、切换功能，按照传统的方式至少需要2-3颗芯片即信号串并转换芯片+信号分析处理芯片+切换芯片才能完成。这样设计的电路不但芯片采购受限，而且价格高。本系统采用了大规模FPGA技术，在单芯片内即实现了信号串并转换、信号分析处理、信号切换三大功能，在一个2U高的电路板内就可以实现信号的均衡、转换、检测、分析、切换、分配、通讯等所有功能，将复杂的多芯片转换电路化为单芯片电路。同时由于FPGA的高度可编程性，只要烧录不同的程序，就可以分别对ASI信号和SDI信号进行处理，非常灵活。l 采用“模板匹配”技术，保证信号检测的可靠性。在实际系统应用中，应急切换器产品使用中的一个很重要问题是防止误切换。本系统采用出了“模板匹配”技术，根据每个信号的特点可以给出与之匹配的参数，并允许合理的误差范围。将预设的数据放入CPU中，当FPGA对信号分析处理后，与对应的模板数据比较，准确的判断信号的状态，保证信号检测的可靠性。 l 增加垫播功能，提高数字电视信号切换的稳定性。本智能监控应急系统在主、备路双输入的基础上还提供了第3路辅助输入，并且此路输入信号的所有节目信息、PID等都可以被实时修改成与原来主路信号一致。在主路信号出现问题时自动切换至备路信号，在主备路都有问题时则自动垫播或者产生出辅助信号，在主路信号恢复时还可以自动恢复回主路信号，从而保证各种信号的不中断安全播出，提高了信号切换的稳定性。l 采用分布式结构，并增加监视和预警机制，提高系统可靠性。信号监控处理模块采用分布式结构，每块板卡只处理一路ASI码流信号，各自独立，互不影响，任何模块发生故障都不会影响其他模块，消除瓶颈问题。万一出现故障，值班人员仅凭借着信号的报警状态就可以确定故障点，排除故障的时间大大缩短。本项目在单元电路设计上不仅优化电路设计，精选核心器件，而且在各种电路板上都增加了不同的检测电路，例如在控制单元上增加了通讯检测功能及温度报警功能，所有这些功能确保了万一发生故障，使得操作使用者在第一时间就可以做出反应，避免更严重事故的发生。例如，假如系统通风不良，机箱内温度会持续升高，温度高到一定程度，会引起元件老化乃至损坏，会发生短路甚至燃烧，引起严重的事故，而这时如果在适当的温度进行报警，操作者就可以及时采取措施，如加强通风，打开制冷设备等，从而确保系统的正常工作。l 兼容各种数字/模拟信号格式，立足SD（标清）信号标准，并能充分适应HD（高清）信号标准。目前我国广播电视行业正处于“数模同播”时期，且绝大部分电视台播出的信号都是SD（标准清晰度）信号，但在一些特殊的时间和特殊的事件时将采用HD（高清晰度）标准，以后会逐步向HD标准过渡。基于这种现状，本项目采用兼容当前存在的各种模拟和数字视音频信号，立足SD信号标准并能充分适应HD标准的设计思路。在电路设计上采取选用能pin-to-pin(管脚兼容) SD与HD标准的芯片，以超大规模FPGA分析运算单元为核心，以多种信号转换单元为桥梁，将多种格式的模拟、数字信号都转换为FPGA可以识别的数字信号格式，通过网管软件的管理，设计了一种对各种格式的模拟数字广播电视信号进行实时监测、报警，并进行智能应急切换的总体方案。由于严格按照这一思想指导实践，最终设计出了符合我国国情，适应不同地区不同需求的应急切换系统。l 模块化单元电路设计，检测、维护、升级方便快捷。智能监控应急系统是一个非常复杂的系统，但对于用户来说，他希望面对的是一个使用简单，结构清晰的产品。由于应急切换器是一个中心设备，任何时候都不能停止工作，这就要求应急切换系统要非常便于维护，万一出现故障，工作人员不会手足无措、无从下手，而是能够迅速判断故障所在，并在最短的时间内使系统恢复正常。广播电视行业对故障率的要求是非常严格甚至是苛刻的，故障的严重与否是以秒来结算的，因此，我们确定了把复杂留给自己，把简单交给客户的原则，采用模块化的设计，同时最大限度减少模块的种类，以Kd-7021应急切换器为例，它只有切换、控制、电源这三种模块，所有同类单元都有明确标识，用户不需要了解电路板的内容，仅凭外观就可以更换电路板，这就使得对产品的使用培训、产品维护等都变得非常简单，真正做到令客户满意。3.2 设计方案本项目所依据的技术原理是高频数字信号传输和处理理论，应用的技术包括差分信号传输技术、高频数字PLL技术、串行数字信号时钟数据恢复技术和基于FPGA的数字信号分析技术。由于DVB-ASI信号是以270MHz的高速率进行传输的，如何从高频的串行码流中准确地恢复出并行的DVB-ASI信号是一个难点，ASI信号恢复后，需要依靠高速FPGA实时对信号进行分析、检测，按照ETR290标准发现信号的异常并立即进行信号的自动切换。整个系统设计分为四个部分： l 控制系统：由控制单元，各种控制面板，计算机控制软件等构成；l 信号监控处理系统：由多达8个相同的切换模块构成；l 供电系统；l 结构工艺。这四个部分由于功能相对具有独立性同时又具有相关性，因此，每一部分都有专人作为项目负责人，并统一由项目总负责人负责沟通协调。经过反复研究、探讨，制定了设计方案和实施计划及相应的时间进度表，最终按计划顺利完成了整个产品的开发。（一）控制系统控制系统是整个应急切换系统的核心和灵魂，它相当于人类的神经系统，系统内的每一个控制单元，每一个控制面板，每一台控制计算机，都是通过控制系统的统一协调和控制，使整个系统的各个部分形成了统一的有机体。图3.1 控制系统原理结构框图整个控制系统以控制单元为核心，所有的切换模块上都有CPU，该CPU对内完成本单元电路板的控制和监视功能，对外与系统控制单元进行通讯，见图3.1。图3.1控制系统原理结构框图在应急切换系统内部采用RS485控制总线，通过该总线可以控制最多8个切换模块，由于该总线是标准的工业控制总线，非常便于调试和监视。在应急切换系统外部有丰富多样的各种接口，如RS232，RS485，RS422，RJ45以太网接口等等，可以满足多个控制面板，多台计算机的多协议同时控制。既可以本地控制，也可以远程控制，控制方式非常方便灵活。由于控制系统在系统中起着非常重要的作用，一旦发生问题很可能造成系统瘫痪，为了充分提高系统的可靠性，我们对其实行了实时通讯及温度监测报警，便于及时发现并排除故障，保证整个系统的正常运行。（二）信号监控处理系统信号监控处理系统由多达8个相同的切换模块构成，图3.2为切换模块原理框图。图3.2 信号监控处理系统的原理框图切换模块 考虑当前市场的需求，每个切换模块设有三路输入，即主路输入、备路输入和垫播输入。信号首先进入切换模块中的输入均衡处理芯片，该芯片对信号进行均衡放大并将单极性信号转换为差分信号，然后进入FPGA芯片，FPGA芯片对输入差分信号进行数据和时钟恢复并将其转换为速率为27MHz的8位并行数据，此数据随后进入FIFO存储器进行存储，FPGA内部的核心处理单元开始对数据进行分析，并按照ISO/IEC 13818和DVB ETR290标准对数据进行比较和处理，提取出码流的PID数值，分析处理完成后将结果通过I2C总线传送给CPU，CPU将此结果与用户预设数据进行比较，给出信号支持或异常的标记。如果信号异常，则会启动蜂鸣器报警，并通过控制总线将报警信息发送给上位控制计算机。系统的切换模块选用Altera公司的FPGA作为核心处理单元，根据实际的用户需求可选择不同的系列和型号。将输入输出、逻辑分析、综合运算和控制系统通过CPU内核有机结合成一个整体，保证了对重要信号得实时监测，及时报警，自动应急切换。（三）供电系统供电系统是保证整个应急切换系统长期安全工作的又一核心部分，可以直接采用在国际上知名度较高的电源生产厂家生产的产品，并采用双电源供电，这样不仅电源指标较高，可靠性和长期稳定性都可以得到保证，能够满足应急切换产品作为广播电视中心设备的要求。（四）结构工艺在电子设备的设计中，以前往往追求设备的功能是否好用，设备的各类指标是否符合国家的标准，而对设备的工艺结构方面关注的比较少。但现在情况不一样了，设备的外表、结构工艺及维护等方面是否方便，越来越多地引起了客户的注意。所以我们在设计本设备时，从一开始，就非常重视工艺结构方面的设计，同时参考国外同类产品的工艺结构设计，取得了非常好的效果。4 技术路线和研制方法本项目的研发是在充分考虑我国国情的基础上，采用大量先进技术，以网络化、自动化、智能化为总体发展目标，使产品的设计具有一定的前瞻性，能够满足未来一段时期内数字电视前端对信号监测、切换发展的需求。4.1 技术路线l 硬件开发技术控制系统由单片机和高速大规模可编程逻辑器件组成，他们都具有可编程性，可以迅速进行内部软件升级，改进逻辑功能，满足不同客户的需求。本土企业要与国外产品竞争，良好的售后服务和机动灵活的功能改进是达到客户满意的重要条件，要靠产品的个性化来赢得客户。信号监控处理系统采用分布式结构，消除瓶颈问题。每块板卡只处理一路ASI码流信号，各自独立，互不影响，任何模块发生故障都不会影响其他模块。万一出现故障，值班人员仅凭借着信号的报警状态就可以确定故障点，排除故障的时间大大缩短。采用国际先进的高速数字处理单元，虽然增加了设计难度，但是真正在单芯片上做到了对SDI和ASI信号的时钟恢复和数据恢复，提高了产品的集成度，减小了体积，增强了产品的功能。采用硬件技术直接实现对高速数字流的监测。通过多功能芯片的使用，使信号锁相、串并转换、打包分组以及信号监测皆通过硬件实现，有效地提高了检测速度，通过下载不同程序，即可实现对SDI和ASI信号的监测。采用模板匹配（Pattern Matching）技术，根据每个信号的特点给出与之匹配的参数模板，将输入的信号分析处理后与此模板进行比较，准确判断信号的状态，实现对信号进行全方位监测，提高监测精度，降低故障误报率。l 软件开发技术图4.1是网络控制软件的一个界面。图4.1（a）信号全部正常示意图图4.1（a）信号全部正常示意图图4.1（b）信号错误示意图软件开发上遵循网络化原则，采用模块化网络控制协议。纵观国外的数字电视产品，网络化控制已经成为一种标准控制方式，因此，本项目以网络控制方式为基本控制方式，同时辅以RS232串行控制方式以满足不同应用环境的需求。在网管软件中，可以添加多个设备，在一个网管软件中就能够管理所有的应急切换设备，所有码流的状态就可以一目了然。为实现与多种控制协议、网管软件的兼容，将不同的控制协议封装为一个一个的模块化（Modular）单元，并且可以按照一定的规则增加新的控制协议，既可以保证兼容性，又可以通过分级控制来保证通讯协议的安全性。采用代理服务器技术，提高网络管理水平和控制兼容性。系统的规模越来越大，控制越来越复杂，接入的控制设备也越来越多样化，随着网络技术的发展，通过网络对设备进行控制已非常普及，采用代理服务器技术可以将复杂的智能化自动切换控制交由服务器软件（Server）实现，控制协议的翻译、通讯数据的分析都交给服务器软件实现，而所有的客户端（Client）都不与设备直接联系，只是与Server交换一下信息即可，这样可以充分利用当前成熟的先进网络技术，保证客户端之间互不干扰、互不影响，即使系统部分收到攻击也可以立即采取有效简单的应急措施来解决，而不影响数字前端整体的运作。4.2 研制方法l 控制系统控制系统从功能上来分，主要分为两部分：（1）系统控制单元；（2）各种控制面板。在详细介绍上面两部分之前，我们首先了解一下控制系统的基本原理：整个控制系统以系统控制单元为核心，它接受来自控制面板和控制计算机的控制指令，将这些控制指令加以分析处理之后，转发给相应的信号监控处理系统，并把这些切换模块反馈的信息回传给控制面板和计算机等。控制面板与信号监控处理系统之间、计算机与信号监控处理系统之间，一般采用RS232标准进行通讯，如果需要长距离控制，则可以使用系统控制单元提供的RS422标准进行通讯，通讯距离可达上千米。系统控制单元与信号监控处理系统内部的单元模块则采用RS485标准进行通讯。因为系统内部的单元模块数量并不固定，随着广播电视行业的不断发展，信号监控处理系统的规模也随时有可能增大，因此采用RS485这一标准可以随时满足系统的扩容需要。控制系统除了上述传统的RS485、RS422和RS232接口以外，还有当前非常流行的RJ-45以太网接口。随着网络技术的飞速发展，网络管理和网络控制的功能越来越强大，这也同时要求作为核心设备的信号监控处理系统要具有联网功能，以便实现更高级的控制功能。（1）系统控制单元系统控制单元的原理框图见图4.2。在图4.2中，共有多个通讯CPU，由于有多种不同的外围控制面板或控制计算机，控制协议也不尽相同，为了减轻主CPU的负担，采用了多个不同的通讯接口CPU，每个通讯CPU与一路接口芯片相连。采用这种并行通讯处理方式有两个好处：1）并行处理，通讯响应速度快，各个控制面板或计算机之间不会发生总线冲突。2）安全性大大提高。接口芯片是相对易损元件，一旦某个接口芯片损坏，不会影响其他接口芯片。图4.2 系统控制单元原理框图每个通讯CPU只有在收到完整无误的通讯指令后，才向主CPU发出通讯请求，在收到主CPU的应答之后，通过并行数据总线将数据包发给主CPU，然后等待主CPU发回的应答信息。主CPU是系统控制单元的核心CPU，它处理分析来自各个通讯CPU的数据，并将相应的数据进行转发或进行存储。在系统控制单元上还有一个FPGA，采用了ALTERA公司的大规模可编程芯片EPM7128，该芯片功能较多，具有JTAG接口可以进行在线编程，并且该芯片非常成熟稳定，用它来完成系统控制单元内部的多种逻辑控制功能，它取代了一般控制电路板上的各种数字逻辑器件，使整个电路板上的元器件数量急剧减少，从而故障率大大降低，另一方面电路板的功能却得到了很大提高。为了便于随时对电路板的工作状态进行监视，板上设置了许多监视电路和信号指示灯，整个电路板的工作状态一目了然。是否正在进行通讯，电源温度是否正常，控制电缆连接是否正常等都可以通过板子边缘的指示灯情况得到了解。（2）各种控制面板智能监控应急系统的控制面板可以直观反映出当前的信号为主路信号输出还是备路信号输出或者是垫播输出，并且可以通过按键，对主路信号、备路信号及垫播信号进行切换，主路信号、备路信号或垫播信号出现错误时，可通过对应的二极管显示红色进行提示，并伴有蜂鸣器的报警。控制面板依据使用要求和切换单元数量的不同有两种类型，分别为4路和8路控制面板：1） 4路控制面板：该面板可以控制四路切换单元，见图4.3所示：图4.3 4路控制面板示意图该面板使用六个按键，从左到右分别对应着两个功能键“刷新键”、“自动/手动切换键”及四个“主/备/垫切换键”，按下任何一个按键，相应按键的指示灯被点亮。 使用“刷新键”，可及时得到主机信息及切换单元的信息；使用“自动/手动切换键”设置信号切换操作为自动切换还是手动切换；使用“主/备/垫切换键”，进行主、备路的手动切换。四个“主/备/垫切换键”上方为相应的主、备、垫信号指示灯。2） 8路控制面板：该面板可以控制8路切换单元，见图4.4：图4.4 8路控制面板示意图该面板使用十个按键，从左到右分别对应着两个功能键“刷新键”、“自动/手动切换键”及八个“主/备/垫切换键”，八个“主/备/垫切换键”上方为相应的主、备、垫信号指示灯。各个按键功能与四路控制面板相同。l 信号监控处理系统信号监控处理的功能实现过程如下，见图4.5：1）主/备路输入信号进入切换单元，输入均衡处理芯片对信号进行处理；2）经过均衡处理芯片处理过的信号进入FPGA芯片，FPGA芯片对数据进行相应的转换、分析、比较和处理，提取出码流的PID数值；3）FPGA对数据分析处理完成后，将结果通过控制总线传送给CPU，CPU将此结果与用户预设数据进行比较给出信号支持或异常的标记；4）CPU检测到信号异常，则会启动蜂鸣器报警并通过控制总线将报警信息发送给所述控制单元，所述控制单元把信息发送给上位控制计算机；5）确认信号异常后，单片机控制FPGA自动将输入从主路切换到备路。图4.5 信号处理原理框图（1）信号输入部分高频数字信号通过长电缆传输后，信号幅度会变小，抖动会变大，必须采取对输入信号进行电缆均衡，将信号恢复为标准幅度的信号，然后送入核心处理单元FPGA进行数据分析处理。因此，在信号输入端信号的恢复尤为重要。本部分在信号输入端采用了自适应电缆均衡器。自适应电缆均衡器可以直接与传输线连接，能较好地恢复由电缆造成的信号幅度及带宽的损耗。经过充分比较，最终选用美国国家半导体的CLC034 标准清/高清电视自适应电缆均衡器。该芯片的功耗较低，并设有静电释放保护功能，而且可提供模拟输入及输出，以确保串行数字视频信号(SDV)的整个传送过程不会出现讹误。CLC034是一款单芯片的集成电路，可均衡经由电缆或具有相似色散损耗特性的媒体所传送的数据。芯片速度介于143Mbps至1.485Gbps之间，可支持SMPTE 292M、SMPTE 259M和SMPTE 344M等串行数字视频接口。CLC034均衡器也可为人体模型(Human Body Model)提供超过8KV的静电释放保护。CLC034芯片还设有信号电平复原功能，可以正确处理讹误数据。在正确集成情况下，它能与其它所有系统元件(包括机箱、无源元件和PCB等)共同抵御内、外部的干扰。信号输入部分的主要技术特性如下：名 称技术特性连接器BNC输入阻抗75欧姆信号类型ASI、SDI等数据包格式188/204输入路数3电缆均衡200m Belden 8281电缆（2）信号处理部分这部分电路是整个信号监控处理系统的核心。本部分电路设计主要采用FPGA芯片，将对输入的信号进行分析，比较和处理。FPGA芯片具有实现速度快、风险小、可编程、可随时更改升级等一系列优点，目前主要的FPGA厂商有Xilinx、Altera、AMD、Lattice、Actel、Lucent及Atmel等，Altera公司生产的Cyclone系列的FPGA，具有规模覆盖范围广、布线资源丰富、时间可预测性好的优点。本电路具体选用Altera公司的FPGA芯片EP2C5，该芯片可以对信号进行深入分析和监测，例如对ASI信号可进行PAT、PMT分析，PID检测，对SDI信号可进行EAV、SAV、EDH检测以及色度亮度和内容分析，解决了传统设备只能进行简单信号有无检测的弊端。FPGA芯片首先对输入差分信号进行数据和时钟恢复并将其转换为速率为27MHz的8位并行数据，此数据随后进入FIFO存储器进行存储，FPGA内部的核心处理单元开始对数据进行分析，并按照ISO/IEC 13818和DVB ETR290 标准对数据进行比较和处理，提取出码流的PID数值，分析处理完成后将结果通过I2C总线传送给LPC932单片机，单片机将此结果与用户预设数据进行比较给出信号支持或异常的标记，如果信号异常，则会启动蜂鸣器报警并通过控制总线将报警信息发送给上位控制计算机。采用高速FPGA进行设计时，在板开发之前和开发期间对若干PCB设计问题进行考虑十分重要。其中包括：通过滤波和在PCB板上的所有器件上均匀分配足够功率来减小系统噪声；正确端结信号线，以把反射减至最小；把板上迹线之间的串扰降至最低；减小接地反弹和Vcc降低(也称为Vcc凹陷)的影响；正确匹配高速信号线上的阻抗。在设计中，通过优化引脚排列来减少串扰。信号引脚尽可能靠近接地引脚，以缩短封装内的环路长度，尤其是重要的高速I/O。经过优化PCB布局和走线，并在实践中反复探索改进，最终取得了令人满意的结果。本部分的监测参数为：ASI信号：能够按照ISO/IEC 13818和DVB ETR290 标准；SDI信号：能按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准；数字音频：按照AES/EBU标准；模拟视频：将其转换为CCIR656标准。（3）信号输出部分这一部分电路设计的关键在于输出驱动芯片的选择。输出驱动芯片要求是一种高速电缆驱动芯片，适用于SMPTE259M串行数字信号传输标准，可以驱动75传输线，传输速率高，能够控制输出端的上升和下降时间，使传输感应抖动降到最低。本系统的输出驱动芯片采用由发射极跟随器进行缓冲的高阻抗、高增益的差分输入。高输入阻抗为用户提供了与高频网络相匹配的终端特性。高共模输入范围扩展了各种应用连接的场合。具有低功率耗散，系统元件数目少的优点。信号输出部分的主要技术特性如下：名 称技术特性连接器BNC输出阻抗75欧姆信号类型ASI、SDI等数据包格式188/204输出路数2，4l 供电系统系统采用分布式供电系统，主备电源单元分别独立提供7.5V初级电压，该电压是由ACDC模块产生的，然后通过母板上的7.5V电源总线提供给输入、输出、控制等各功能电路板，在每个板子内部再进行DCDC变换，产生各自需要的5V或3.3V电压，见图4.6。图4.6电源部分示意图总电源部分的核心是一个ACDC模块，由于电源为整个系统提供动力，一旦电源发生故障，将会造成系统瘫痪，带来非常严重的后果，为了避免这种情况的发生，我们从两个方面来提高电源的可靠性：1) 采取冗余式双电源供电方式，任何一个电源都可以100%负担供电任务，不会因为一个电源发生故障造成系统瘫痪。2) 在电源模块内部，提高单位电源的可靠性，这主要是通过选用优质进口ACDC电源模块，增加电源检测电路和电压、温度报警电路来实现，使得故障在萌芽状态就被发现并加以解决。在ACDC电源模块的选择上，主要从可靠性、输出电压纹波、价格、供货期等几个因素来作为主要标准，最后选择了日本LAMBDA公司的ZWS100PF作为核心电源模块。该模块的主要技术参数如下：名 称技术参数输入电压AC110V265V 自动选择输出电压7.5V 10%耐压值3KVAC（20mA）输出电流12A在DCDC电源模块的选择上，可靠性、电源纹波、体积是我们着重考察的因素，经过长时间的分析比较，最后选定美国国家半导体公司的LM267X电源模块，该模块体积非常小，却可以提供高达3A的电流，并且指标非常出色，具体参数如下：名 称技术参数输入电压7.5V输出电压3.3V0.05V输出纹波45mV输出电流3A平均无故障时间140万小时从以上指标可以看出，该系列电源模块体积非常小巧，性能十分优异，可靠性非常高，是应急切换系统电源的理想选择。通过上述优质ACDC以及DCDC电源模块的选择和完善的外围检测和报警电路，确保了应急切换系统整机的可靠性和稳定性。l 工艺结构部分（1）设计总体柜架选择本设备总体柜架采用19吋标准铝制卡式柜架。该柜架外形尺寸符合客户使用环境（一般均安装在国际通用的19吋机柜上），外形美观、做工精细，其最大特点是组合非常灵活，面对客户需求各异的电子设备尤其适应。设备还可以如积木式以1U间距堆积，非常适合于设备扩展，为客户节约资金。（2）线路板上的元器件安装工艺本设备采用了外协加工形式，北京的清华同方生产基地及大连佳峰电子都是我们的加工伙伴。它们均拥有一流的加工设备，是专业的生产厂家，从而保证了产品质量。（3）机箱后视结构设计现国内外类似设备，绝大部分后背部都用线路板直接遮盖，使机箱前视、后视差别很大，整体风格不理想。本设备背部采用与机箱一体的铝板予以遮盖。把线路板完全置于机箱的内部，使机箱无论从任何角度看均风格一致，保证了机箱整体的完整性。（4）线路板尺寸设计方面本设备的切换单元、控制单元及电源单元各种线路板大小完全一致，便于方便地满足客户的一些特殊要求，只要改变母板上的走线，即可使各种线路板随之交叉，按要求排列，组成非常灵活。（5）设备总体组装结构工艺本设备主体由机箱、主板、母板、背板组装。其中主板包括切换单元、控制单元及电源单元，均为前向插入，垂直放置，利用烟囱效应散热，不需要额外散热风扇。主板与母板连接采用美国AMP（安普）公司2mm欧式接插件连接，母板与背板连接采用SMB端子单路插拔连接使母板走线及背板输入、输出排列非常灵活。由于母板与背板以及其它连接均为机械性连接，有源元件均在主板上，而出问题的一般都是有源元件，维护时只要更换相应的前插主线路板即可，非常方便。5 研制内容和技术关键5.1 研制内容本项目的具体研制内容如下：研究如何能够通过高速FPGA进行高频信号的采样和数据恢复，更多更准确的采集信号物理层的有效信息。研究ASI信号的切换技术，保证信号切换时减少黑场、静帧及马赛克的出现。研究如何按照ETR290标准对ASI信号进行实时检测，及时发现信号传输的异常现象。研究如何实现信号的实时EPG修改和PID修改。研究图像识别技术，实现对非法图像、非法字符的识别，完善安全监控。本项目研究开发所涉及的关键技术、所采用的技术指标： 高速数字信号处理技术，即对270M串行数字信号进行数字锁相（PLL）和数据恢复技术。信号检测技术，能够对SDI和ASI码流信号进行实时检测，对ASI信号的检测以ETR 290为标准，检测时间小于1S。高速数字信号均衡和时钟恢复技术，能够对SDI信号和ASI信号进行均衡和时钟恢复，使输出抖动小于0.2UI，对信号的输入输出指标遵循SMPTE259M国际标准和GY/T165-2000广电行业标准。网络控制技术，使产品具有网络控制和网络管理功能。5.2 技术关键l 快速的自适应反应时间本系统采用了高速的核心处理芯片FPGA，将输入输出、逻辑分析、综合运算和控制系统通过CPU内核有机结合成一个整体。系统具有快速的自适应反应时间，能够对每一路信号实时的码流监测和分析，通过鉴别信号传输过程中的变化和错误，实时给出报警信息，并及时快速进行相应的应急处理，完成监测、报警和应急切换。其处理过程为：输入信号经输入均衡处理芯片对其进行均衡放大，并将单极性信号转换为差分信号，然后进入FPGA芯片，FPGA芯片首先对输入差分信号进行数据和时钟恢复并将其转换为速率为27MHz的8位并行数据，FPGA内部的核心处理单元开始对数据进行分析，并按照ISO/IEC 13818和DVB ETR290 标准对数据进行比较和处理，提取出码流的PID数值，分析处理完成后将结果通过I2C总线传送给CPU，CPU将此结果与用户预设数据进行比较给出信号支持或异常的标记，如果信号异常，则会启动蜂鸣器报警并通过控制总线将报警信息发送给上位控制计算机，同时控制FPGA自动应急切换。l 精确的多路信号检测传统设备只能单路信号进行简单的信号有无检测，而本系统采用大规模的FPGA芯片作为核心处理单元，可同时对多路输入信号进行检测，保证信号万无一失。系统对输入的信号能够实时监测，可设定多种切换条件，除了可以检测信号有无，还对信号中断，同步信号丢失实时检测并报警，同时可以对信号中的PID值进行解析，对指定的单路、多路PID检测，并严格按照相应的信号检测标准进行检测，确保信号检测的精确性。例如：对ASI信号按照DVB ETR290标准规定的3级检错内容设计，对SDI信号能按照SMPTE259M/292M/272M和CCIR656标准进行检测等。系统还可向用户提供关于数字信号的最基本的信息，如TS流的传输速率、同步错误、TS包长度、视音频比例、PSI表的简要信息等；SDI信号的格式、传输速率等。l CPU与FPGA的低延时高速通讯本系统通过良好的逻辑设计，优秀的算法，实现CPU与FPGA的低延时高速通讯，使得系统能够及时准确的完成信号的处理和切换。l 低功耗的检测切换设计传统的检测切换系统在信号输入部分电路中采用解码芯片，在检测前首先对输入信号进行解码，并且不同的信号解码电路也不同，这种设计不但使电路设计过于繁杂，而且增加了系统的功耗。本系统使用低功耗的FPGA进行信号检测设计，取代了传统的解码芯片。输入信号经自适应电缆均衡器恢复后，无需解码直接进入FPGA芯片，信号在FPGA内部完成转换、分析、比较处理以及PID值的提取分析等一系列的检测工作，发现信号异常时，能够及时的进行自动切换。由于不使用解码芯片，既简化了电路设计，同时也使降低了系统的功耗，真正实现了低功耗的检测切换设计。6 技术创新“数字电视信号智能监控应急系统”实现了以下技术创新：l 国内首次实现了对ASI信号的实时智能检测和自动切换，可检测的PID可达63个。传统的信号应急切换主要依靠手工实现，实现方式主要有跳线方式或矩阵切换方式。在模拟电视时代，由于系统结构比较简单，信号的监看也比较容易，一台电视机或波形监视器就可以找到故障点，而在数字电视系统中，码流无法直接看到，码流正确与否通常只能依靠码流分析仪等专业仪器来实现，并且大多数码流分析仪需要与计算机配合工作，因此码流分析仪不太适用于实时寻找故障点。目前市场上的一些ASI信号切换设备只能在物理层上面检测信号的有无、通断，无法对ASI信号进行更深入的分析，当ASI信号的格式出错时或者部分节目丢失时，无法对其进行判断，以至于影响后级设备正常使用和节目的正常播出。该“数字电视信号智能监控应急系统”具有体积小，智能化程度高以及分析深入的优点，它可以安装在接收机、复用器、QAM调制器等各个环节，通过软件设定可以检测码流中断、同步错误、码流内的一个或多个节目的PID有无等，其检测的PID可多达63个，对ASI信号可以按照ETR290标准实现对第一级系统故障的检测分析报警，并且切换速度可以在0-200秒之间设定，应用非常灵活。l 首次实现了单芯片码流解析功能，使码流的基本解析可独立于码流分析仪之外进行。要实现码流信号的分析、切换功能，按照传统的方式至少需要2-3颗芯片，即信号串并转换芯片+信号分析处理芯片+切换芯片才能完成，而且信号串并转换芯片和切换芯片皆为专用芯片，世界上只有少数几家公司生产，价格昂贵，采购所受限制非常大，设计出来的电路板尺寸也较大，价格也很高，难以被国内的用户所接受。本项目由于采用了大规模FPGA技术，在单芯片内即实现了信号串并转换、信号分析处理、信号切换三大功能，在一个2U高的电路板内就可以实现信号的均衡、转换、检测、分析、切换、分配、通讯等所有功能，而且通过网管软件可以调出任意一个码流的PID列表，电路板结构如图2.10所示。由于FPGA的高度可编程性，只要烧录不同的程序，就可以分别对ASI信号和SDI信号进行处理了，非常灵活。图6.1 电路板结构框图有了码流解析这个功能，网管软件可以方便的对所有重要信号进行管理，在码流内部的节目有所变化时，还可以随着节目的调整随时改变智能应急切换器的软件配置，使用非常方便。本项目提供一种能够高效率、低成本、高速度的实现一些基本码流分析功能的产品，它是码流分析仪的很好补充，有了它的码流解析提取功能，工作人员可以对多路码流进行多环节实时监测，一旦某个信号出现异常时，可以通过码流分析仪进行深入的测试分析，找出信号的深层故障。l 创造性的实现了码流垫播功能，使码流检测、切换、垫播融为一体，大大提高了播出的安全性。在某些特殊情况下，有可能出现主备两路信号全部异常的情况，在这种情况下，智能监控应急系统