广播电视信号的自动监测系统设计

2018-04-25，

计算机测量与控制 2018年4期

，

(中国传媒大学南广学院，南京 211172)

0 引言

广播、电视都是现代重要的传媒手段，提高广播电视覆盖率是广播电视部门的一项重要任务。特别是偏远农村地区，看电视难、听广播难等问题，一直受到各级广播电视部门的高度重视。

为了解广播电视无线覆盖面积和覆盖人口，现有技术中普遍采用人工方式测量覆盖区边界场强、绘制广播电视无线覆盖效果图。例如，通过车载或者手持式场强测试仪，围绕测试点进行人工测量、记录，再人工进行统一的整理和分析。这样的场强测试仪，例如第201020571782.1号中国专利“无线广播实时监测仪”、第201020571798.2号中国专利 “便携式AM/FM广播场强监测仪”已经做了相应的公开，又如第201110005467.1号中国专利申请公开的“车载移动式多媒体广播场强覆盖路测仪”、第200410077400.9号中国专利申请公开的“数字电视路测系统”等，这些手持式或者车载式的场强测试仪，均需要测试人员在各个测试点之间进行跑动，采用移动的方式对各个地点的信号质量进行检测和记录，费时费力(通常需要在至少每个季度均进行一次监测)，而且随机性比较大[1]。

通常在同一辆车上需要配备两种不同的设备，用来监测电视和广播的信号，非常不方便，尤其是在遇到恶劣天气的情况下，这样的实地监测更加变得困难。

1 系统组成及原理

广播电视信号的自动监测系统由多个前端设备和一个处理终端及软件程序模块组成。

设置在广播电视覆盖区范围内的多个监测点上的前端设备，用于接收TV(电视)信号以及AM/FM(调幅/调频广播)信号，并进行选频和信号场强转换后结合监测点与频率值信息后发送出去；通过网络与多个前端设备连接的处理终端，接收前述前端设备发送的数据，进行监测点信号场强的分析。

其中，每个前端设备包括：天线、TV选频电路、AM/FM选频电路、TV检波电路、单片机、A/D转换器、D/A转换器以及网络收发器，如图1。

图1 前端设备组成

两组天线分别与TV选频电路、AM/FM选频电路连接，接收多个频率的广播电视信号并送入TV选频电路、AM/FM选频电路；TV选频电路、AM/FM选频电路按照单片机控制的预定方式即循环控制方式，按照时间顺序改变接收频率，使得TV选频电路、AM/FM选频电路进行频率选择，TV选频电路输出的中频信号先送入TV检波电路变换成直流信号输出，再与AM/FM选频电路直接输出的直流信号一起送入A/D转换器；A/D转换器将输入的模拟信号变成数字信号(即场强值)输出，并在单片机内加入地名和/或地名编码、频率值后送入网络收发器；单片机还输出控制指令给D/A转换器，控制两个选频电路输出新的频率信号使得该两个选频电路进行频率选择，直到所有频率信号在一个循环内被采集一次[2]。

1.1 选频电路

选频电路在单片机控制下接收需要监测的频率信号，TV选频电路输出的信号经过检波后送入A/D转换器，AM/FM选频电路输出的信号直接送入A/D转换器。TV信号频率范围为48～92 MHz、167～223 MHz、470～958 MHz，AM信号频率范围为526.5～1606.5 kHz、2.3～26.1 MHz，FM信号频率范围为87～108 MHz。

TV选频电路采用TDG-5881高频头实现，具有信号输入、AGC、VT、UHF、VH、VL、5V电源、IF接口端(引脚端)，如图2。

图2 TV高频头

各个接口端的功能如下：

信号输入——电视信号输入端；AGC——自动增益控制电压输入端；VT——调谐电压输入端。该端口加上0-33V的某一个电压值，和波段控制电压协同选择出某一个频道的信号；UHF——U波段选择控制端。该端口加上5V电压时，能接收13频道以上的高频电视信号。当不选择UHF波段时，该端口电压为0 V；VH——VH波段选择控制端。该端口加上5 V电压时，能接收6-12频道、Z8-Z37增补频道的高频电视信号。当不选择VH波段时，该端口电压为0 V；VL——VL波段选择控制端。该端口加上5 V电压时，能接收1-5频道、Z1-Z7增补频道的高频电视信号。当不选择VL波段时，该端口电压为0 V；5 V——高频头内部电路电源输入端；IF——中频输出端，输出38 MHz图像中频信号，送检波器检波；IF端是高频头唯一输出信号的端口。

AM/FM选频电路采用单片数字调谐集成电路SP2104实现，其中含有AM/FM本机振荡、缓冲、AGC、鉴频和静噪等电路，工作电压范围宽达1.8～7 V，工作电流小，当工作电压为3 V时，调频(FM)的工作电流为11 mA、调幅(AM)只有7 mA，因而功耗低，发热量小，尤其适用于低电压工作环境[3]，如图3。

图3 AM/FM选频电路

SP2104各引脚功能如下：1.射频地；2.FM射频输入；3.AM低频切换；4.混频输出；5.电源Vcc；6.AM中频输入；7.FM中频输入；8.地；9.AGC外接；10.10.7 MHz晶振；11.右声道输出；12.左声道输出；13.低通滤波器2；14.低通滤波器1；15.立体声输入；16.检波输出；17.中频；18.立体声指示；19.振荡输出；20.AM振荡；21.FM振荡；22.AM射频输入；23.射频电源；24.FM射频输出。

1.2 TV检波电路

TV检波电路将TV选频电路输出的中频信号变换成直流信号输出。

TV检波电路包括运放A1、A2、电容C、二极管VD和复位开关SW组成。A1采用高速运算放大器AD8038，能满足通频带和转换速度等要求；A2采用双通道运放LM358，内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于电压范围宽的单电源和双电源工作模式；二极管VD采用2AP10，正向电阻小，正向电流上升快，在信号较小时就可以进入大信号线性检波区[4]，如图4。

图4 TV检波电路

1.3 A/D转换器

A/D转换器将选频电路输出的模拟直流信号转换成单片机能够识别处理的数字信号。

A/D转换器采用AD1674实现，是一个逐次逼近型12位转换器，内部自带采样保持器、10 V基准电压源、时钟源以及可与微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器，如图5。

图5 A/D转换器

AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制接口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口4种类型。

逻辑控制接口有6个：12/8——数据输出位选择端。输入为高电平时，数据输出为单12位字节；输入为低电平时，数据输出为双8位字节；CS——片选信号输入端，低电平有效；R/C——读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入高电平时为读状态，输入低电平时为转换状态；在独立工作模式下，输入信号为下降沿时开始转换；CE——操作使能端；A0——位寻址/短周期转换选择输入端；STS——转换状态输出端。

其余端口分别为并行数据输出端口(DB11-DB8、DB7-DB4)、模拟端口(10 VIN、20 VIN)和供电电源端口(REFIN、REFOUT、BIPOFF为基准电压输入输出端和双极性电压调整端，VCC、VEE、VLOGIC为模拟电压输入端，AGND、DGND为接地端)。

1.4 D/A转换器

D/A转换器将单片机输出的数字信号转换成模拟信号控制选频电路选择需要监测的频率信号。

D/A转换器采用AD558实现，是一个电压输出型8位转换器，内部带有参考电压源、高速输出放大器、可实现模拟电压单极性或双极性输出，无需外加器件及微调即可与单片机8位数据总线连接，如图6。

图6 D/A转换器

AD558有控制逻辑、锁存器、DAC、参考源4个功能模块，接口电路简单。

AD558的引脚功能如下：DB0-DB7——数字量输入；CE——选择使能端，与CS共同作用；CS——片选端，与CE共同作用；VCC——供电电源(5～15 V)；GND——接地端；A(VOUT SENSE)——输出电压选择端(0～2.56V)；B(VOUT SELECT)——输出电压选择端(0～10 V)。

1.5 网络收发器

网络收发器在单片机控制下将广播电视信号场强值、监测地名和/或地名编码、频率值封装并转换格式以进行网络传输。

网络收发器采用以太网控制器DM9000A实现，单片机对DM9000A进行初始化，并将需要发送的数据按协议要求进行以太网帧封装，发送给以太网控制器DM9000A。以太网控制器DM9000A接收单片机发送的数据并通过RJ45接口(以有线的形式)连接网络以将封装好的数据传输到处理终端，如图7。

图7 网络收发器

以太网控制器DM9000A与RJ 45接口之间还设置有一网络隔离器。

还可以采用其它的网络收发器，例如基于IEEE标准的以太网控制器以实现前端设备的无线连接，通过无线方式接入互联网，从而与处理终端连接和数据交互[5]。

1.6 处理终端

处理终端采用桌上型PC、膝上型PC或者掌上PC来实现。

处理终端通过互联网远程接收前述封装好的数据，进行解包后，对每个监测点上的前端设备所发送的实时场强值、地名和/或地名编码、频率值进行存储，以及在显示屏上显示。

处理终端还包括用于对这些信号场强进行分析的场强分析模块，该场强分析模块用于对每个监测点上的前端设备所发送的实时信号场强进行分析。例如，将被测点各频率信号实测场强值与国家标准规定的可用场强值进行对比、与设计值进行对比、与满足较高质量的接收要求的场强值进行对比；实测场强值偏低可能是遮挡物的影响、偏高可能是多径干扰的影响、在被测频率发射机停播时间监测到的场强是背景噪声或同频干扰、被测频率以外的信号场强是各种干扰场强包括邻频干扰、其它发射台的杂散或带外发射干扰、非法电台干扰。

处理终端还包括一报警模块，用于基于场强分析模块的分析结果发出报警信号，例如光和/或声报警信号。

报警原因：被测点被测频率的场强值比国家标准规定的可用场强值或设计值或满足较高质量的接收要求的场强值偏低或偏高达到一定的程度，例如超出设定的容差范围，或者是监测到被测频率以外的信号场强。

报警方式：被测点场强值闪动、报警地列表闪动、“某被测点场强偏低、偏高、有其它干扰”等语音提示。

处理终端中还存储有一电子地图以及每个监测点上的前端设备的经纬度数据，处理终端在收到每个监测点上的前端设备所发送的实时场强值、地名和/或地名编码、频率值后，根据每个监测点上的前端设备的经纬度数据在所述电子地图上显示场强的强弱分布。

2 实验结果与分析

系统制作完成后在学校周围设置4个前端进行了实验，结果如下：

使用PC机接收数据、分析数据及报表处理，可在电子地图上显示监测点位置，不同范围的监测点用不同的颜色显示，将鼠标放在监测点位置上可看到监测点地点及经纬度、监测频率、监测场强等数据，在前端改变天线方向时可看到监测频率、监测场强实时变化，可以将数据按各种图表展示，可以按监测点查询数据，按时间段查询数据，可以Excel文件导出报表，报表信息有监测时间、监测地点、监测频率、监测场强，

还有报表统计、打印功能，日志功能实现了数据的操作管理，如增加、删除、修改等操作，在操作过程中将操作前数据、操作后数据、什么人操作、什么时间操作均保存在数据表里，然后通过页面展示，用户管理功能实现了权限设置，不同的人权限不一样。

实验结果表明：系统功能达到预期目标，可投入使用。