基于正极性电视信号的场消隐期数据传输

殷希梅，张燚翾，张 抒

（1.解放军炮兵学院 弹药工程教研室，安徽 合肥 230031；2.解放军炮兵学院 信息化弹药研究所，安徽 合肥230031）

电视信号的场消隐期（VBI）[1]指前一场的图像扫描完毕，电子束从前一场尾部回扫到当前场起始位置的过程，在这个过程中电视不显示图像。目前，场消隐期的应用主要有电视广播用于传送图文电视节目，工业上用于传输监控数据。而现有的场消隐期数据传输电路先采用专用的行、场分离电路，这种方法虽然实现了数据准确地叠加，但成本偏高，并且在接收端需要同样的电路来找出叠加的数据信息。一般性的应用，比如监测系统，数据的传输量相对比较少，因而不需要准确的行数，只要不影响电视信号的正常播放即可。

本文采用一个双极性三极管和两级积分电路设计了一种基于正极性电视信号的场消隐期数据传输电路，采用特殊的同步头将数字信号叠加在场消隐期的空余资源中，采用奇偶校验法有效实现数据信号传输的完整性和稳定性。

1 场消隐期概述

1.1 场消隐信号的特点

我国采用PAL制电视信号，规定的电视系统的视频带宽为6 MHz，选定每帧图像的扫描行数为625行，正极性的全电视信号[4]如图 1所示。我国广播电视标准规定：正极性的全电视信号中，各合成信号的电平关系是以白电平为100%，黑电平（即消隐电平）为25%，同步信号电平为0，其他亮度的电平介于25%～100%之间，随图像内容变化。

场消隐期为图1所示奇数场消隐信号中的第623～22行，偶数场消隐信号中的第311～335行。场消隐期期间传送均衡脉冲和行、场同步信号。场同步信号的脉宽占2.5 TH[4]的时间，即图1中所示1～2.5行，312.5～315行，其中每隔半行有一开槽脉冲，其宽度为4.7 μs。场同步信号的前后各5个均衡脉冲，即每隔半行一个，其脉宽为2.35 μs，用于消除由接收端相邻奇偶两场同步信号积分波形的差别而导致的并行现象和垂直分辨率的降低。除去7.5TH资源的槽、齿脉冲和前后均衡脉冲，每场可有效利用 16个空行，即6～22行，318～335行。

1.2 电视信号的发送、接收

我国电视标准规定，图像载波调制方式为负极性振幅调制[4]。对于正极性的全电视信号一般都要先反向为负极性，然后再调制到更高频率的载波上，经天线辐射出去。接收时，接收机从载波信号中解调出全电视信号，再用同步分离电路把全电视信号中的同步脉冲分离出来，并进一步把行和场同步脉冲分开。然后用分离出来的场同步信号去控制场扫描振荡器，用行同步信号去控制行扫描振荡电路，从而使接收和电视发射系统“同步”。

1.3 场消隐期数据传输技术特点

场消隐期数据传输技术具有以下特点：1）以数据广播的形式进行，发送成本与接收者的多少无关，且接收不占用通信网络系统设备；2）运用时分复用方法，以寄生信号的形式加载在电视信号的场消隐期传播，在发送端和接收端均无需作新的较大投资，不影响应用电视的直接播放；3）搭载在电视信号中传播，不占用新的独立的空中无线电资源，不增加应用电视的传输带宽[3]。

2 系统设计

由场消隐期数据信号的特点可知，场消隐期期间除去场同步信号和均衡脉冲，即图1所示的6～22、318～335行，除了行同步脉冲之外不传送任何其他的信息。而接收端要实现准确行同步，最多只需3行的行同步信号。因此，图1所示的6～19、318～332行，均可用来传输其他信息。而叠加的数据信息在场消隐期中均衡脉冲后，并不影响电视信号的正常播放。因此，场消隐期数据传输的原理：发送端，找到电视信号的场消隐期并在其中叠加数据，再把电视信号送入调制发送电路；接收端，找到解调后电视信号的场消隐期并按约定的格式读出其中的数据并通过串口送给PC机，以供进行相关的处理。正极性电视信号场消隐期数据传输的原理框图如图2所示。

3 系统硬件电路设计

硬件电路设计主要包括场同步检测电路、图像数据融合电路、读数据电路和与PC机通信电路。PC机通信电路采用串口通信电路，读数据电路只需要微控制器在找到场同步信号后按数据的帧结构采用I/O接口读出数据。

3.1 场同步监测电路

监测电路用于找到场同步信号到达时刻，以便在场消隐期期间插入及检出数据信息。正极性的电视信号同步信号电平不同于其他合成信号，同步信号要比消隐信号电平低0.3～0.4 V，比图像信号低0.4 V以上，因此利用双极性三极管的开关特性[5]即可分离出同步信号。再通过对分离出的同步信号积分便可得到微控制器容易辨认的触发信号。

场监测电路如图3所示。视频信号从C1输入，经过监测电路，最后到达微控制器的模拟比较器正向输入端AIN0[6]，再与负向输入端口AIN1[6]的设定值进行比较，判断场同步信号是否到达。电容C1滤出视频信号中的直流量。电阻R1、R2、R3为三极管VQ1设置合适的静态工作点，使VQ1只在视频信号的同步脉冲处导通。 R6、C2、R7、C3为两级积分电路，对经过三极管后的视频信号进行积分。电阻R4、R5用于设定比较电压值。由于行同步脉冲信号很窄，积分后峰值小，而场同步信号脉冲宽，积分后的峰值大，这里负向输入端口AIN1的设定值取二者峰值的平均值。经过双极性三极管和两级积分电路的视频信号如图4所示。可以看出，视频信号、行同步信号和消隐信号的复合信号经过积分电路后的电压值在0.8～0.9 V的范围内，而场同步信号的经过两级积分电路后的峰值在2.2 V左右，且有大于80 μs的时间积分电压大于2 V。因此有足够的时间和压差保证微控制器正确得到场同步信号的到达时期。

3.2 图像数据融合电路

图像数据融合电路是数据信号插入到视频信号的场逆程，电路如图5所示。MAX4066[7]是宽电压范围、低阻抗、带宽大于100 MHz的4通道的模拟开关，且每个通道有单独的控制引脚。为了减小开关电路中视频信号和数据信号的损失，每个信号占用两个通道，并在输出端叠加在一起。监测到场同步信号之后，微控制器关闭视频通道IN1-OUT1、IN4-OUT4，打开数据通道IN2-OUT2、IN3-OUT3，叠加数据；数据叠加完毕之后，微控制器关闭数据通道IN2-OUT2、IN3-OUT3，打开视频通道IN1-OUT1、IN4-OUT4，传输视频信号。由于微控制器输出的信号带载能力差，需要经VQ2增强带载能力，才能送至调制电路。叠加数据后的视频信号如图6所示。数据信号叠加在均衡脉冲后，数据信息高低电平分明，易于辨别。

4 系统软件设计

软件采用C语言[8]编写，主要包括叠加、检出数据以及数据帧的格式设计等程序。叠加数据的程序用于发送端找出电视信号的场同步信号并在场消隐期叠加数据信号。场同步信号到来时触发模拟比较器中断，单片机把采集到的数据按照一定的帧格式叠加到视频信号中，然后采集数据，等待下一个模拟比较器的中断。

检出数据信号的程序用于在接收端从电视信号的场消隐期中检出数据并通过串口送给PC机，获得所需的信息。场同步信号到来时触发模拟比较器中断，单片机按照一定得帧格式从视频信号中读出数据并通过串口发送给PC机，然后等待下一个模拟比较器中断。

在以上两个程序设计当中，如何正确在接收端检出视频中叠加的数据是最关键的，为此设计了一种数据传输帧格式，如表1所示。

表1 数据帧的格式Tab.1 Structure of data frame

同步头用于找到数据开始的准确位置，这里采用约100 μs的高电平+精确10 μs（固定时间）的低电平，如图6中所示。长时间的高电平使得微控制器有足够的时间同步，固定时间的低电平准确地找到数据开始位置。有了数据准确的开始位置，就可根据每一位所占的时间检出数据。数据个数可根据需要增加或减少，但是在同一个系统中它是已知值。校验位用于简单验证数据的正确性，防止在无线传输过程中因干扰而改变的数据被认作正确数据来处理，这里采用奇偶校验法。

5 结束语

所实现的场消隐期数据的场同步监测电路设计节省了资源，保证了数据帧的结构确保数据信息传输的稳定性和完整性。由于系统使用的是简单的奇偶校验法，不易用于传输大量的数据。另外由于受视频信号带宽限制和微控制器本身的工作频率限制，瞬时数据速率不宜超过100 Kb/s。

[1]李嘉席，王宏丽，王红.电视逆程数据广播的原理与应用[J].河北师范大学学报：自然科学版，2003，27（5）:480-483.

LI Jia-xi，WANG Hong-li，WANG Hong.The principle and application of the TV backward data[J].Broadcasting Journal of Hebei Normal University：Natural Science Edition，2003，27（5）:480-483.

[2]蒋仲雄，严国萍.利用电视信号场消隐期的数据传输[J].电视技术，2000（2）：29-31.

JIANG Zhong-xiong，YAN Guo-ping.Data transmission using TV vertical blanking intervals[J].Video Engineering，2000（2）：29-31.

[3]陆毅.基于场消隐期传输技术的监控系统研究[J].中国有线电视，2007（5）：432-435.

LU Yi.Research on closed circuit television monitoring system based on VBI transmission[J].China Cable Television，2007（5）：432-435.

[4]陈贤尧，卓归生，张蠕年，等.彩色电视接收机原理[M].北京：高等教育出版社，1993.

[5]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998：47-51.

[6]Atmel Corporation.ATmega16 datasheet[EB/OL].[2010-01-20].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8154.pdf.

[7]Maxim Corporation.MAX4066 data-sheet[EB/OL].[2010-01-20].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4066-MAX4066A.pdf.

[8]徐爱钧，彭秀华.KeIl Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2008.