用SOC技术实现嵌入式广播监测设备

王凯

（中国传媒大学经济管理学院，北京　100024）

用SOC技术实现嵌入式广播监测设备

王凯

（中国传媒大学经济管理学院，北京100024）

1　引言

“西新工程”以来，我国无线广播监测网有了长足的发展，为适应新形势下广播电视安全播出的需要，建立健全广播电视信息安全保障体系作出了巨大贡献。

目前，我国的无线广播监测网的遥控监测站、数据采集点系统，绝大部分由通用工控机、通用Windows操作系统、通用I/O板卡、专业测量板卡四部分构成。与目前流行的嵌入式技术相比，这种结构的网络监测系统已经显示出系统冗余、功耗太大、板卡繁多、安装复杂、维护困难、故障率高、可靠性差等诸多问题和不足。极少数站点引入了嵌入式系统的概念，采用了Windows XPE+嵌入式计算机主板+通用电源系统+专业测量板卡的结构，但是仍然存在系统连线多且长、可靠性和结构复杂等问题，在系统整体设计上仍然不能满足嵌入式的要求。目前的设备系统冗余，操作系统不能裁减，没有根据系统的要求来优化配置，冗余部分不但造成系统软件体积庞大，而且会给系统稳定运行带来隐患；工控机功耗太大，不满足节约能源、低功耗、稳定性的要求；板卡众多占用了大量的系统资源和计算机接口，计算机需要频繁与多个设备通信，且安装调试困难，设备板卡主要采用PCI，ISA，PC104接口方式，不支持热插拔，如果设备板卡出现故障，就要打开机箱才能更换；系统连线众多，维护困难，一旦有比较严重的故障发生，往往需要技术人员到现场解决问题，由于监测设备大部分都安装在偏远地区或山区，交通极不方便，使得监测网的维护成本高、工作量大。这些问题的存在已是监测网安全、有效、稳定运行的潜在隐患。

针对上述情况，根据嵌入式技术的发展和广播监测设备的现状，研制一种“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能划分简洁、维护简单”的广播监测遥控站、数据采集点系统势在必行。

2　新一代嵌入式广播监测设备

2.1特点

图1　新一代嵌入式广播监测设备

整个系统采用模块化和仪器化设计的思想，系统的核心部分设计成一台嵌入式广播监测仪，只需将天线、电源和电话线（或网线）插入相应的插口，即可使用。取消了原来计算机外部纷繁复杂的信号连线，使得设备安装非常方便。嵌入式广播信号监测仪由嵌入式计算机、接收机，嵌入式多路信号测量卡，语音压缩卡和液晶显示屏组成，带有完善的人—机接口。整个系统的设计思想完全体现了模块化和小型化的发展趋势。如图1所示。

2.2选用高性能嵌入式计算机

嵌入计算机系统采用ETX方式，电源为国际通用型输入为宽幅110～240V、频率50～60Hz自适应，CPU处理器性能高、以太网适应范围宽，I/O接口多（四个RS232、四个USB2.0），系统支持CF卡和硬盘双系统，系统内部连线少（只有两条硬盘连线），集成度高，采用铝挤型外壳，散热性能高。

2.3采用SOC技术实现多路多功能测量卡

调幅度是调幅发射机播音时最重要的技术指标。目前，调幅度监测设备采用方法有：

（1）中频采样滤出音频信号，用最大音频电平除以平均音频电平（代替载波电平）计算出调幅度，这种方法在用单音频检测时是正确的，因为单音频正弦信号的正负峰是对称的，但是实际的音频并非正负对称，平均音频电平与载波并不相等，因此计算出的调幅度是不正确的。

（2）采用功率谱来计算调幅度的方法，但是这种方法需要一段时间采样后再做频谱分析，计算的结果是一段时间的平均调幅度，并非瞬时调幅度。

（3）直接中频采样，然后用数字滤波器将音频电平和载波电平滤出来，计算调幅度。由于要将载波电平滤出，就要设计一个截止频率在2～3Hz的数字滤波器，通过数字信号的理论分析可以知道，即使采用第三中频采样，设计出的截止频率为5Hz的数字滤波器的阶数要达到100，000以上，在实际应用中这是不可能实现的。在单音频（1kHz）测试的时候，如果设计一个截止频率为200Hz的滤波器，阶数只有几百阶，测量结果可以满足要求，但是实际音频信号的频谱分布在50Hz～6kHz之间，因此，这种方法在实际应用中也是不可行的。

以上三种方法用单音频测试时，调幅度指示正确，并且基本上和信号源没有误差，但在实际应用中，这三种方法计算出来的调幅度值和实际信号相比误差大于15％。出现的情况是一会儿大，一会儿小，实际是和节目源（说话、音乐、打击乐）的关系。本设备采用的是调幅度测量的基本原理：为保证调幅度测量结果不受信号幅度的影响，必须对接收机输出的调幅广播中频信号进行增益控制。中频信号经过AGC放大器后进行检波，检波后的信号一分为二经过两个截止频率不同的低通滤波器：一路滤出直流载波信号，另一路滤出音频信号。经过AD采样得到直流载波和音频的电平大小，计算出调幅度和实际信号相比误差小于3％。

调频广播的调制度测量有多种方法。如基于软件无线电的数字解调方法和模拟下变频数字鉴频的方法等，这两种方法都需要进行AD采样，因而系统的抗干扰性和精确性都容易受到信号质量的影响。我们研究了一种新的数字解调方法，直接使用FPGA实现算法，实现数字鉴频和解调的功能，监测调频频偏的变化，测量精度小于1kHz。

通常情况下，测量高频等幅波信号的频率时，大多是用频率计数器直接测量，它的基本原理是将等幅正弦波信号进行放大、整形，使其转变为脉冲信号，然后对脉冲信号进行记数。当高频信号的幅度被调制后，尤其在深度调幅（比如100％），高频信号在调制负峰时，幅度很小，甚至有小到零的时候，这时候的正弦波信号被放大整形后变成的脉冲信号会有脉冲丢失，因而会造成记数的不准确。为解决这一问题，测量幅度被调制的高频载波信号的频率时，有的用比较法，有的采用锁相环滤除幅度调制的影响，脉冲计数法测频。我们采用一种新型方法，现代功率谱估计的方法，测量出信号的频谱，监测最大功率的频谱的变化，即可监测信号的频谱偏移，测量精度小于2Hz。

在测量板卡的设计过程中，采用最新的嵌入式技术，利用超大规模集成电路片上系统（SOC）技术，基于FPGA芯片设计了具有自主知识产权的IP核，能够同时进行多路调幅度、调制度和频偏的测量，同时具备数字接口卡和看门狗的功能，将所有的指标测量功能集成到超大规模集成电路来完成，大大减小接口数目和板卡的数量、体积。该卡与计算机通信采用USB接口，嵌入到计算机内部，缩小了系统的体积，极大减少了计算机负载。

2.4使用嵌入式操作系统

目前的广播监测网遥控站、数据采集点大部分采用：系统软件使用Windows2000 Server，Windows2000 Professional或嵌入式Windows XPE；硬件采用通用工控机或第一代嵌入式工控机+板卡方式，板卡设备采用PCI，ISA，RS232接口。由于板卡设备大部分采用PCI，ISA总线方式并且使用多块板卡，它需要计算机供电，造成计算机负载过大、并且PCI，ISA接口是并行总线，而PCI总线的中断必须通过计算机南桥来通知CPU这样就容易造成计算机不稳定。当计算机开机和非正常关机时，就容易造成计算机系统崩溃。

由于广播监测业务的需要，本系统需要强大操作系统的支持，而一般的嵌入式操作系统（如uC/ OSII，WinCE，VxWorks等）不能满足要求，可以选择的是Linux和Windows XP Embedded，但后者更易于开发应用软件。

Windows XP Embedded就是Windows XP的一种有着灵活定制能力的特殊版本，其产品主要针对嵌入式系统。因为与Windows XP Professional基于完全同样的代码，能够充分利用到PC工业今天已经积累起来的丰富软硬件资源，并增加了嵌入式系统所必需的诸多特点，有助于实现一系列低发展内存占用量目标。

我们在系统中配置了Compact Flash（CF card）卡并内建一个经过裁减的Embedded XP操作系统。使用CF卡的原因是在无人值守的运行环境下，CF卡所提供的插针式接口，在可靠度、防震动及稳定度上均比一般的硬盘要好得多。

3　结束语

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

从目前大规模集成电路的发展水平来看：采用SOC技术基于FPGA将多路多功能广播信号测量作在一块集成电路芯片上，用USB接口方式和计算机通信将极大提高系统的稳定性。用嵌入式计算机+接收机+专用广播信号测量卡+语音压缩卡+UPS电源组成+嵌入式双操作系统Windows XPE+应用软件的遥控站或数据采集点系统，能很好解决上述问题，在技术上有很大进步，可以更好地为广播监测事业服务，实现“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能划分简洁、维护简单”。

Develop the Embedded Broadcast Monitoring Equipment by SOC （System on a Chip） Technology

Wang Kai
（Communication University of China，Beijing，100024）