廣播電視信號測量、識別與轉換新型系統設計-藏刊網

0 引言.

廣播電視監測對于監控廣播電視的播出情況、改善廣播電視信號傳輸和播出質量、核查廣播電視覆蓋網效果、維護空中電波和網臺播出秩序、嚴格保護并有效利用頻率資源、加強廣播電視事業管理等有著重要的意義。

現代電子技術、計算機技術、網絡技術促進了各種光學、電學乃至圖像等信號檢測技術的迅速發展[1-10]，廣播電視信號監測方法也由過去的以人為主進行監視、監聽的監測手段發展為借助于各種電子儀器、設備進行自動化監測，監測設備的功能也由以前的簡單、單一發展為現在的綜合化、系統化、網絡化。監測設備不僅應定性地檢測出廣播電視信號的播出情況，還應該定量地測量廣播電視信號中的一些參數和指標，如載波場強、調制度、頻偏等，這些參數將是評估廣播電視信號發射、接收情況的重要依據。

1 系統方案設計.

1.1 系統功能.

本文介紹的監測系統的主要功能為：自動掃描廣播電視頻段，搜索廣播電視信號并向監測終端輸出，測量載波場強強度，并能存儲廣播電視信號的頻率及場強，對非法信號識別并報警。因此，系統的主要功能模塊將包括高頻調諧模塊、視音頻信號識別模塊、場強測量模塊及包括鍵盤、顯示、A/D、非易失存儲器在內的控制系統。此外，為了方便監測設備的升級和組網，務必設計出通信接口。

1.2 設計方案論證.

1.2.1 高頻調諧模塊.

此模塊的首要任務是高頻調諧，以實現廣播電視信號頻道的選擇及聲音、圖像信號的獲取。本系統采用 PLL頻率合成方式。PLL頻率數字調諧系統主要由壓控振蕩器（VCO）、相位比較器（PD）、低通濾波器（LPF）、可編程分頻器、高穩定晶體振蕩器、參考分頻器、中央控制器等組成。高穩定度的晶振使得本振頻率穩定性極高，而且在單片機的控制下可實現頻率步進掃描。目前電視機廣泛采用的PLL 數字頻率合成高頻頭集頻率合成、中頻放大、視頻檢波等功能于一體，能直接解調出電視信號和FM廣播信號。

1.2.2 場強測量模塊.

此模塊的作用是測量廣播電視載波場強，載波場強的大小是判定是否存在廣播電視信號的重要依據，而且只有定量測出場強值的大小，才能保證選臺時調諧到被選頻道的中心頻率。

測量載波場強的一般方法是測量中頻信號的強弱，因為中頻信號的頻率固定，中頻放大器對所有頻率信號的中頻信號有固定的增益，避免因放大器頻率響應特性而引起的誤差。由于超外差接收機具有自動增益電路（AGC），AGC電路本身是一個負反饋系統，它從放大的中頻信號檢波獲取AGC控制電壓，去控制中放和高放的增益。因此，可直接測量此反饋信號，即AGC電壓的大小，來反映了場強的大小。

1.2.3 信號識別模塊.

此模塊的作用為：當場強測量模塊檢測到有較強的載波信號時是否真正存在電視信號和調頻廣播信號。

全電視信號是由圖像信號和同步信號、消隱信號等一些脈沖信號組成[11]，而這些脈沖信號都有嚴格的周期性，例如：行同步信號的周期是64us，場同步信號的周期是20ms。因此，測量同步信號的有無，即可判定是否有全電視信號存在。
調頻廣播（FM）信號沒有同步信號，但可通過測量音頻輸出情況來判定。當某一頻率的載波信號較強，接收機的自動增益控制功能抑制了噪聲信號的放大，輸出的將是音頻信號或靜音，不管哪種情況都只包含很小的噪聲成分。相反，當載波很弱時，輸出端將會是放大后的噪聲信號。這樣，即可通過測量場強與輸出信號來判定是否存在調頻廣播（FM）信號。

1.2.4 控制模塊.

本系統的控制模塊主要是包括鍵盤、顯示、模數轉換器、非易失存儲器（EEPROM）在內的微控制器系統，此外還有視頻信號監視器、揚聲器等終端。這里需要著重考慮的是人機對話過程中顯示器的選擇?？紤]到本系統中已有必須的電視監視器，采用視頻字符疊加技術將使顯示方式更加靈活。

鍵盤的選擇將根據系統功能的描述，先確定按鍵的多少，再結合單片機剩余I/O口的多少來決定。如果I/O口的數量允許，則優先選用獨立按鍵式；否則，可考慮采用串行接口，外接移位寄存器，理論上能擴展任意多的按鍵。

選擇非易失存儲器除考慮存儲容量外，也需要注意I/O口的數量。在I/O口允許的情況下，選用并行方式可提高訪問速度，大大減輕程序的負擔。如果系統對訪問速度要求不高，則采用串行方式不僅可以節省I/O口線，而且使硬件更加簡潔。

A/D轉換器的選擇主要考慮精度和接口方式。本系統中需要進行A/D轉換的信號有：電視載波場強，FM載波場強，FM音頻值。其中載波場強要求測量精度為±1dB即可，而音頻測量的精度要求更低，因此，選用8位的A/D轉換器就足以滿足要求。

為了方便地控制音量，擬采用數字電位器實現音量控制。而且，采用數字電位器還可實現靜噪的功能，避免沒有信號時的噪聲輸出。

關于通信接口，由于單片機內置了串行異步通信口（UART），因此只需添加TTL和RS232之間的電平轉換電路即可。

1.3 系統框圖及各部分功能.

根據設計方案，如圖1所示。TCL2002MF為所選定的高頻調諧器，是由I2C總線控制的數字化鎖相環頻率合成高頻頭，工作頻率覆蓋VHF Low、VHF High、UHF及FM的所有波段，能直接解調出電視（及其伴音）信號和調頻廣播信號，并有引腳輸出電視通道的自動增益控制（AGC）信號和10.7MHz的FM中頻信號?？梢?，TCL2002MF高頻頭的功能完全迎合的了設計方案的要求，非常適合本系統的使用。實際上，電視載波場強的測量就通過直接測量高頻頭AGC信號的大小來完成。

SA605D是PHILIPS設計生產的FM中頻處理芯片，內置高增益的中頻放大器以及自動增益控制電路，其輸出引腳RSSI（Received Signal Strength Indicator）所反映的輸入信號強弱范圍達90dB，也就是說，本系統所能測量的FM載波場強的動態范圍將達90dB。音頻檢測模塊的作用是，先將交流的音頻信號整流成直流信號，再經平均值電路得到一個反映音頻信號強弱的直流信號。測出此直流信號的大小，并與設定的下限比較，即可定性地判定是否存在音頻信號。同步分離模塊主要用于測定同步信號的有無，來判斷視頻信號的有無。另外，在視頻疊加模塊中也需要復合同步信號。視頻疊加模塊的作用是，將人機對話的字符信息疊加于視頻信號中，來實現在電視屏幕上顯示字符的功能。此模塊的核心是一片屏幕字符顯示（On-ScreenDisplay）芯片uPD6464，通過串行總線與單片機接口，內置的字庫包含數字、大小寫字母、一些常用字符和漢字在內的256種，而且字體、顏色、背景等均有多種顯示模式，這些功能使得顯示豐富、復雜的內容成為可能。

2 關鍵模塊的設計與實現.

2.1 高頻調諧器的應用電路.

本系統選用了TCL2002MF高頻頭作為高頻調諧模塊的核心，它是由I2C總線控制的數字化鎖相環頻率合成高頻頭，工作頻率覆蓋VHF Low、VHF High、UHF及FM的所有波段，能直接解調出電視（及其伴音）信號和調頻廣播信號，并有引腳輸出電視通道的自動增益控制（AGC）信號和10.7MHz的FM中頻信號。如圖2所示。

2.2 載波場強測量.

如上所述，高頻頭AGC信號的強弱，反映了載波場強的大小，故可用A/D轉換器直接測出AGC信號的幅值。此外還需用標準信號發生器進行實驗，以得出AGC信號幅值與場強值的數值對應關系。

由于TCL2002MF高頻頭引出了10.7MHz的FM中頻信號，這樣，即可用帶有AGC輸出的FM中頻處理芯片來確定調頻廣播（FM）信號場強的大小。這里選用了PHILIPS設計生產的FM中頻處理芯片SA605D，該芯片內置高增益的中頻放大器以及自動增益控制電路，其輸出引腳RSSI反映輸入中頻信號強弱，SA605D所能測量的FM載波場強的動態范圍能達到90dB。

射頻信號和本振信號經過混頻后得到中頻信號，由20腳輸出，需外接中心頻率為10.7MHz的帶通濾波器以濾掉20腳輸出的中頻信號中10.7MHz以外的其他頻率。如圖3所示。中頻信號經過放大、鑒頻、濾波，即得到聲音信號。SA605D的輸出信號包括RSSI、AUDIO、DATA三部分內容。其中，輸出信號AUDIO和DATA基本上是一樣的。

DATA被解釋為UNMUTED AUDIO，就是說，DATA引腳輸出的音頻信號是不可以被屏蔽的，而AUDIO引腳的輸出則是可以被屏蔽的。SA605D的引腳5“MUTE IN”為低電平時即可將引腳8“AUDIO OUT”的輸出屏蔽。RSSI引腳輸出一個反映接收信號強弱的電壓值，該引腳電壓值越高，則表明接收的信號越強。

在本系統中，由于FM信號的混頻已在TCL2002MF高頻頭中完成，高頻頭的IF引腳已經輸出10.7MHz的FM中頻信號，因此省去了SA605D典型應用圖中的射頻輸入部分和本振部分，只要將高頻頭輸出的中頻信號經10.7MHz濾波器后直接接SA605D的中頻輸入端（引腳18）即可。另外，由于音頻信號取自高頻頭的音頻輸出端，故AUDIO和DATA引腳的輸出電路也可省去，只保留RSSI端的輸出。RSSI信號的動態范圍大約為0.2-4.7V，可直接由A/D轉換器進行測量。

2.3 信號識別.

電視信號識別的一個關鍵內容是檢測同步信號。原則上，測量行同步信號或場同步信號均可，顯然場同步信號周期太大，頻率太低，嚴重制約著測量的速度，因此這里選擇測行同步信號。LM1881是專用的視頻同步分離集成電路，能直接從視頻信號中分離出復合同步信號、行同步信號以及場同步信號。獲得行同步信號后，即可用單片機定時器對其頻率進行測量.

由于調頻廣播信號沒有同步信號，故識別方式與電視信號有所不同，但可通過測量場強與音頻信號來判定。這種判別方法的基本原理簡述如下：當某一頻率的載波信號較強、信噪比較高時，接收機的自動增益控制功能抑制了噪聲信號的放大，輸出的噪聲成分很弱；相反，當載波信號很弱時，輸入端的噪聲將被大幅度地放大，導致輸出的噪聲功率很大。由音頻放大器、整流電路和平均值電路三部分組成。

放大的交流音頻信號由整流電路整流成直流信號，再經平均值電路得到反映音頻信號強弱的直流分量。測出此直流分量的大小，并與設定的下限比較，即可定性地判定是否存在音頻信號。如圖4所示。

2.4 視頻字符疊加.

此模塊的核心是一片屏幕字符顯示（On-ScreenDisplay）芯片uPD6464，通過串行總線與單片機接口，內置的字庫包含了數字、大小寫字母、一些常用字符和漢字在內的256種，而且字體、顏色、背景等均有多種顯示模式。

24腳VBSI是視頻信號輸入端，21腳VBSO是疊加后的視頻信號輸出端，17腳CSYIN是復合同步信號輸入端，而CLK、CS、DATA，則分別是與單片機連接的時鐘端、片選端、數據端。本應用電路要求輸入視頻信號的幅值為2VP-P，如果輸入信號幅值不滿足此條件，則應增加視頻放大電路進行調整。由于電視信號識別模塊中已采用了同步分離電路LM1881，故復合同步信號直接取自LM1881。實驗發現，VBSO輸出的視頻信號帶載能力差，而且直流分量偏大，導致顯示效果不佳，因此采用了射極輸出電路，不僅提高了帶載能力，而且起到了減小直流分量的作用，大大改善了實際顯示效果。如圖5所示。

結束語.

本論文闡述的是針對便攜式無線發射機而設計的廣播電視信號監測系統，用來監測調頻廣播和電視頻段的信號，監測的主要參數為載波場強和音頻強度。在系統設計過程中，采用了廣播電視技術發展的最新成果，并廣泛使用國外優秀的大規模集成電路，如PHILIPS 生產的高性能中頻處理芯片SA605D、NEC生產的屏幕字符顯示芯片uPD6464等，使得本監測系統硬件簡潔，性能可靠，并且大大縮短了研發周期，提高了整機性能價格比。

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