可视对讲系统的载波调制和频分复用技术

苏庆雄，张泽旺，黄建峰

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院,福建厦门361024; 2.厦门狄耐克电子科技有限公司,福建厦门361006)

可视对讲系统的载波调制和频分复用技术

苏庆雄1，张泽旺1，黄建峰2

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院,福建厦门361024; 2.厦门狄耐克电子科技有限公司,福建厦门361006)

为了解决传统可视对讲系统的视频和音频信号易受干扰、系统稳定性差和联网复杂等问题，提出用振幅平衡调制、频率调制和FSK（Frequency Shift Key）调制等方法，分别将可视对讲系统的视频、音频和数据等信号调制到不同的高频载波.并利用以专用载波滤波器为基础的频分复用网络，实现了可视对讲系统的直流电源、图像载波、语音载波、数据载波等信号在一条同轴线上远距离双向传输，提高了图像画质、语音音质和系统的可靠性，并应用于楼宇可视对讲系统产品中，运行结果表明，可视图像的画质和对讲语音的音质均优于传统可视对讲系统.

可视对讲；载波调制；频分复用；双向传输；载波滤波器

在传统的可视对讲系统中,视频、音频和数据等信号是以基带形式传输的,至少需要四组传输线,联网布线非常复杂；视频和音频基带信号容易受到各类干扰；经远距离传输及多级中继放大后使图像的画质变差和语音的音质下降,并影响系统的稳定性.为了解决直接传输基带信号所固有的问题,人们开展将载波调制和频分复用技术应用于视频监控的研究［1－5］,实现在一条传输线上单向传输视频和数据信号.文献 ［6］研究了一种基于载波调制的两线制可视对讲系统,先将数据信号调制到低于音频频率的载波 (即频率小于200 Hz),再与语音、图像信号复合后调制到高频载波.但是,数据载波调制信号的频谱和语音信号频谱 (电话音质200～3 400 Hz)都会与图像信号频谱 (0～6 MHz)明显重叠,无法实现频率复用和解复用.此外,二线制传输线对射频信号的衰减影响很大,不能用于长距离传输.本文将可视对讲系统的视频、音频、数据等基带信号,以不同的调制方式调制到各自的高频载波,采用基于专用载波滤波器的频分复用网络,实现在一条同轴电缆上的远距离双向传输,并将该系统应用于楼宇可视对讲系统中,产品的稳定性好,可靠性高,聚网、布线简单,节省了成本.

1 可视对讲系统的载波调制

1.1 系统组成

基于载波调制和频分复用技术的可视对讲系统由主机模组、分机模组和传输分配网络等组成,主机模组和每个分机模组都有各自的载波调制解调电路及频分复用网络.将可视对讲系统所涉及的视频、音频和数据等信号的频谱,分别搬移到不同的高频载波,即基带信号的载波调制,以射频信号传输替代基带信号传输［5－9］.根据各路载波调制信号的特点设置频谱分布,使各路载波的频谱之间相互错开而不重叠.利用以载波滤波器为基础的频分复用和解复用网络,结合使用信号电源混合电路,在单根同轴电缆线上获得直流电源和射频载波调制信号上、下行双向无扰传输通道.当载波调制信号送达接收端后,再通过解调电路还原视频、音频和数据信号.可视对讲系统的具体结构见图1.

图1 基于载波调制和频分复用技术的可视对讲系统Fig.1 The visual talking system based on carrier modulation and frequency division multiplexing

1.2 基带信号的载波调制

载波调制方式的选择要与所传输信号的具体频谱特点相适应,本文对视频、音频和数据等信号分别采用振幅平衡调制、频率调制和FSK调制等调制方式.

1)图像视频信号的振幅平衡调制 对图像视频信号采用振幅平衡调制,也称为抑制载波双边带调制.由于图像视频信号的频带较宽,采用振幅平衡调制比用频率调制方式占用频带资源小.假设图像视频信号为uV(t)＝UVmcos(2πFVt),其载波信号为uc1(t)＝Uc1mcos(2πf1t),则图像视频的振幅平衡调制信号电压为：

2)语音音频信号的频率调制 语音音频信号的频谱带宽较窄,采用调频方式,抗干扰性强、传输距离远,而且对振幅平衡调制的图像载波调制信号的相互干扰较小.假设语音音频信号为uA(t)＝UAmcos(2πFAt),其载波信号为uc2(t)＝Uc2mcos(2πf2t),则语音音频的频率调制信号电压为：

一般语音信号的最高频率为FSmax＝15 kHz,若调频指数mf＝5,则语音载波调制信号的带宽B2＝2(mf＋1)FAmax＝180 kHz,比图像视频调制信号的带宽小得多.

3)数据信号的FSK调制 数据信号只有高、低电平两种状态,采用FSK调制方式［4］,抗干扰性强、可靠性高,而且对图像的振幅平衡调制信号和语音的频率调制信号的干扰都比较小.数据信号可以表示为：

式中：αk为二进制码元,αk＝1出现的概率为P,αk＝0出现的概率为1－P；T为二进制码元的持续时间；g(t)为基带信号的时间波形.数据信号的FSK调制信号的电压表达式为：

一般f′3与f3非常接近,在极限情况下Δf＝f′3－f3,最小带宽B3min＝3Δf＝3/T.

因为数据信号需要双向传输,主机和分机各产生一个FSK调制信号.所以在传输分配网络中有两个电压表达式如式 (4)所示,而键控频率不同的两个FSK调制信号分别用u3(t)和u4(t)表示.

4)可视对讲系统的复合载波调制信号 将可视对讲系统的视频、音频和数据等的载波调制信号复合,根据式 (1)、式 (2)、式 (4)可得到在传输网络中的复合载波调制信号电压表达式为：

式中：f1、f2、f3(f′3)、f4(f′4)的取值必须相互错开；图像载波调制信号的幅度U1m应大于语音载波调制信号的幅度U2m.

1.3 载波频率的选择

为了实现各路载波调制信号的复用和解复用 (即接收端的分路),载波频率的选择要遵循以下原则：1)各路载波调制信号的频谱不能重叠,最好有合理的频谱间隔,以利于各路载波的频率复用和解复用；2)符合电磁兼容的相关规定,各载波之间不能产生交调干扰,所使用的载波频率不能干扰广播电视信号、调频电台信号等；3)具有可实现性和成本优势.

2 载波调制解调电路与频分复用网络

2.1 主机模组

可视对讲系统主机模组的载波调制解调电路和频分复用网络如图2所示.图像视频信号的载波调制由图像振幅平衡调制电路完成.视频信号先与语音调频信号 (6.5 MHz副载波)进行一次频率复用［6］,形成频带宽度约为6.6 MHz的复合信号.然后将此复合信号送至图像振幅平衡调制电路,调制为抑制载波双边带调幅波,其频带宽度约13.2 MHz.以五阶巴特沃兹滤波器作为图像载波的载波滤波器,实现与其他载波的二次频率复用,同时将图像的抑制载波双边带调幅信号滤波成为残留边带调幅波 (简称载波1),其带宽也相应减小到7.3 MHz左右.巴特沃兹滤波器具有带内波动小的特点,可以获得较理想的视频信号频率特性和残留边带调幅波的频率特性.

图2 主机的载波调制解调和频分复用网络Fig.2 Carrier modulation/demodulation and frequency division multiplexing of host module

主机语音信号在主机频率调制电路中以频率调制方式调制到6.5 MHz副载波 (简称副载波),副载波频率与视频信号的频谱 (0～6 MHz)错开而不会重叠.语音信号频谱范围是50～15 000 Hz,最大调制频偏为50 kHz,语音调频信号的带宽约为130 kHz.而由分机发送来的语音调频信号 (载波2)以陶瓷带通滤波器作为载波滤波器,实现与其他载波的分路,对其他载波的抑制比大于25 dB.载波2送到分机语音解调 (鉴频)电路,解调出分机的语音信号,经放大后由扬声器发出分机的对讲声音.

主机的数据 (按键、RFID门禁、报警握手等)信号在FSK调制电路中调制为频移键控信号 (载波3),以三阶切比雪夫滤波器1为载波滤波器［1］,实现与其他载波的复用.而由分机发送来的数据FSK调制信号 (载波4),以三阶切比雪夫滤波器2为载波滤波器,经载波分路后送到主机FSK解调电路,解调出分机的数据信号,并送主机控制系统执行相应的动作.

2.2 分机模组

可视对讲系统分机的载波调制解调和频分复用网络如图3所示.在分机模组中,图像载波调制信号以声表面波滤波器作为载波滤波器,实现与其他载波的分路.声表面波滤波器具有相对带宽较宽、矩形系数较理想和带内波动较小等特点,是频谱较宽的图像载波调制信号最为理想的滤波器,对带外载波的抑制比可达40 dB以上.图像载波调制信号(载波1)送到图像视频同步解调电路,解调出图像视频信号和主机语音调频信号 (即6.5 MHz副载波),并在显示屏组件重现监视图像.

图3 分机的载波调制解调和频分复用Fig.3 Carrier modulation/demodulation and frequency division multiplexing of branch module

主机语音调频信号经6.5 MHz带通滤波器滤除视频信号和其他噪声,送主机语音解调 (鉴频)电路,解调出主机的语音信号,放大后由扬声器发出主机的对讲声音.而分机的语音信号 (频谱也是50～15 000 Hz),在分机语音频率调制电路中调制为调频信号 (载波2),其最大调制频偏为75 kHz,语音调频信号的带宽为180 kHz；以陶瓷带通滤波器作为载波2的滤波器,实现与其他载波的复用.

分机数据 (按键、自动报警等)信号的载波调制与主机相类似,在FSK调制电路中调制为频移键控信号 (载波4),以三阶切比雪夫滤波器2作为载波滤波器,实现与其他载波的复用.而由主机发送来的数据FSK调制信号 (载波3)则以三阶切比雪夫滤波器1作为载波滤波器,经分路后在分机FSK解调电路中解调出主机的数据信号,并送分机控制系统执行相应动作.

2.3 传输分配网络

传输分配网络如图4所示,由信号电源混合电路、用户分配网络、传输主干线和传输支线等组成.传输主干线采用对射频信号衰减较小的同轴电缆,特性阻抗为75 Ω,与信号电源混合电路、用户分配网络之间为不平衡连接,需要满足传输线的阻抗匹配要求.信号电源混合电路将系统直流电源和各路载波调制信号复合到传输主干线,送达主机或分机的频分复用网络后再进行载波调制信号与电源的分离.传输支线兼容同轴电缆或二线制传输线,但采用二线制传输线容易折弯、便于入户布线.用户分配网络具有双向传输载波调制信号的功能和阻抗变换功能,不仅要将传输主干线的各路载波调制信号和直流电源分配给各传输支线,而且要进行不平衡到平衡的阻抗变换,即将同轴线的不平衡连接变换成二线制的平衡连接.

图4 传输分配网络框图Fig.4 Transmitting and division networks

3 实验结果

对式 (6)中的载波频率选取分别为：f1＝38.9 MHz,f2＝10.7 MHz,f3＝20 MHz(f′3＝20.1 MHz),f4＝26 MHz (f′4＝26.1 MHz),测得复合载波调制信号的频谱如图5所示.各载波频谱之间相互错开而且有较大间隔,没有产生交调干扰频谱.

图5 各路载波调制信号频谱Fig.5 Spectum of carrier modulation signals

视频、音频和数据等测试信号波形分别如图6(a)、(b)、(c)所示,上方为发送端的信号波形,下方为经过载波调制、传输分配网络和载波解调的信号波形.图像视频信号的传输带宽可达到6 MHz,相当于电视广播级水平,优于传统可视对讲系统的传输带宽3 MHz；语音信号的失真度小于3%,频率覆盖范围50～15 000 Hz,达到调频广播的音质水平,也优于传统可视对讲系统的音频200～3 400 Hz；数据信号传输效果良好,信号波形稳定,仅波形的上下沿有轻微变缓,但不影响数据信号是高电平或低电平的逻辑判断.

图6 视频、音频和数据信号波形Fig.6 Signals of video，audio and data

本文研究的载波调制及频分复用网络的传输距离达到1 500 m以上,远大于传统可视对讲系统的传输距离 (小于300 m),可应用于楼宇可视对讲、社区安防,也可以用于海关、银行的监视报警等领域.实际应用于厦门狄耐克电子科技有限公司楼宇,其可视对讲系统的传输图像如图7(a)、(b)所示,图7(a)和图7(b)分别为经过可视对讲系统的载波调制、传输和解调后的多功能视频测试图和监视图像,接收端的图像画质与发送端的图像画质没有明显差异.

图7 楼宇传输图像Fig.7 Transmitted picture

4 结论

本文提出的可视对讲系统,其视频、音频和数据信号,分别采用振幅平衡调制、频率调制和FSK调制,利用巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、声表面波滤波器和陶瓷滤波器等多种载波滤波器组合而成的频分复用网络,较好地解决了图像载波、语音载波和数据载波的频分复用和解复用；结合信号电源混合电路和分离电路,以及用户分配网络,实现了在一条同轴电缆远距离双向传输直流电源、图像载波、语音载波、数据载波等信号.在厦门狄耐克电子科技有限公司实际应用于楼宇可视对讲系统产品,产品运行效果表明,可视图像的画质和对讲语音的音质均优于传统可视对讲系统,产品的稳定性好、可靠性高,联网和布线简单,节省了线材和施工成本.

［1］刘绒侠，王恒运.单路视频与多路数据复用传输系统的研究 ［J］.西北工业大学学报，2008，28（1）：90-93.

［2］胡子英.智能小区安全防范系统设计 ［J］.河北建筑工程学院学报，2014，32（2）：78-81.

［3］翟建芳，吕建平.基于频分复用的视频安全通信研究 ［J］.安防科技，2008，10（1）：9-12.

［4］吕岗，薛元生.电力线载波通信技术在楼宇智能监控中的应用 ［J］.苏州大学学报：工科版，2006，26（6）：27-30.

［5］李瑜芳，张河海.免电源线安防监控传输系统的设计与制作 ［J］.福建工程学院学报，2008，6（3）：295-298.

［6］李宏，杜永贵.两线制可视对讲系统的研究 ［J］.安防科技，2009，11（12）：7-9.

［7］汪光华.智能安防：视频监控全面解析与实例分析 ［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［8］邹振华，田敏，索世昌，等.基于ARM-Linux的无线音视频对讲系统 ［J］.现代电子技术，2014，37（7）：18-20.

［9］刘国英.基于Wi-Fi的可视对讲系统设计 ［D］.广州：广州工业大学，2013.

Research of Carrier Modulation and Frequency Division Multiplexing for a Visual-Talking System

SU Qing-xiong1，ZHANG Ze-wang1，HUANG Jian-feng2
（1.School of Optoelectronics＆Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Dnake Electronics and Technology Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China）

To solve the problems that the signals of video and audio for classical visual-talking system were easily interfered，and there were low stability and complex networks，it was proposed that the video，audio and digital signals of a visual-talking system were modulated on the high frequency carriers，separately in the ways of amplitude modulating，frequency modulating and frequency shift key modulating.And the networks of frequency division multiplexing based on professional filters were used.It was realized that DC power，picture carrier，sound carrier and data carrier are transmitted in one coaxial wire with double-directions for a long distance.The qualities of picture and sound，and the reliability of system，were also improved.That was actually applied in the visual-talking system of building，and the results showed that the qualities of visual image and talking voice were better than the traditional visual-talking system.

visual-talking；carrier modulation；frequency division multiplexing；transmitting in doubledirections；carrier filter

TN76;TN914

A

1673－4432（2015）05－0046－06

（责任编辑 雨 松）

2015－04－09

2015－05－27

厦门理工学院高层次人才项目 (YKJ1004R)；厦门理工学院校企合作项目 (HX14010)；福建省教育厅科技项目 (JA14244)

苏庆雄 (1962－),男,高级工程师,硕士,研究方向为电路与系统、电磁兼容.E-mail：suqing xiong＠xmut.edu.cn