廣播電視信號的自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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(中國傳媒大學(xué) 南廣學(xué)院，南京 211172)

0 引言

廣播、電視都是現(xiàn)代重要的傳媒手段，提高廣播電視覆蓋率是廣播電視部門的一項重要任務(wù)。特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，看電視難、聽廣播難等問題，一直受到各級廣播電視部門的高度重視。

為了解廣播電視無線覆蓋面積和覆蓋人口，現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用人工方式測量覆蓋區(qū)邊界場強(qiáng)、繪制廣播電視無線覆蓋效果圖。例如，通過車載或者手持式場強(qiáng)測試儀，圍繞測試點進(jìn)行人工測量、記錄，再人工進(jìn)行統(tǒng)一的整理和分析。這樣的場強(qiáng)測試儀，例如第201020571782.1號中國專利“無線廣播實時監(jiān)測儀”、第201020571798.2號中國專利 “便攜式AM/FM廣播場強(qiáng)監(jiān)測儀”已經(jīng)做了相應(yīng)的公開，又如第201110005467.1號中國專利申請公開的“車載移動式多媒體廣播場強(qiáng)覆蓋路測儀”、第200410077400.9號中國專利申請公開的“數(shù)字電視路測系統(tǒng)”等，這些手持式或者車載式的場強(qiáng)測試儀，均需要測試人員在各個測試點之間進(jìn)行跑動，采用移動的方式對各個地點的信號質(zhì)量進(jìn)行檢測和記錄，費時費力(通常需要在至少每個季度均進(jìn)行一次監(jiān)測)，而且隨機(jī)性比較大[1]。

通常在同一輛車上需要配備兩種不同的設(shè)備，用來監(jiān)測電視和廣播的信號，非常不方便，尤其是在遇到惡劣天氣的情況下，這樣的實地監(jiān)測更加變得困難。

1 系統(tǒng)組成及原理

廣播電視信號的自動監(jiān)測系統(tǒng)由多個前端設(shè)備和一個處理終端及軟件程序模塊組成。

設(shè)置在廣播電視覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的多個監(jiān)測點上的前端設(shè)備，用于接收TV(電視)信號以及AM/FM(調(diào)幅/調(diào)頻廣播)信號，并進(jìn)行選頻和信號場強(qiáng)轉(zhuǎn)換后結(jié)合監(jiān)測點與頻率值信息后發(fā)送出去；通過網(wǎng)絡(luò)與多個前端設(shè)備連接的處理終端，接收前述前端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測點信號場強(qiáng)的分析。

其中，每個前端設(shè)備包括：天線、TV選頻電路、AM/FM選頻電路、TV檢波電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器以及網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，如圖1。

圖1 前端設(shè)備組成

兩組天線分別與TV選頻電路、AM/FM選頻電路連接，接收多個頻率的廣播電視信號并送入TV選頻電路、AM/FM選頻電路；TV選頻電路、AM/FM選頻電路按照單片機(jī)控制的預(yù)定方式即循環(huán)控制方式，按照時間順序改變接收頻率，使得TV選頻電路、AM/FM選頻電路進(jìn)行頻率選擇，TV選頻電路輸出的中頻信號先送入TV檢波電路變換成直流信號輸出，再與AM/FM選頻電路直接輸出的直流信號一起送入A/D轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號變成數(shù)字信號(即場強(qiáng)值)輸出，并在單片機(jī)內(nèi)加入地名和/或地名編碼、頻率值后送入網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器；單片機(jī)還輸出控制指令給D/A轉(zhuǎn)換器，控制兩個選頻電路輸出新的頻率信號使得該兩個選頻電路進(jìn)行頻率選擇，直到所有頻率信號在一個循環(huán)內(nèi)被采集一次[2]。

1.1 選頻電路

選頻電路在單片機(jī)控制下接收需要監(jiān)測的頻率信號，TV選頻電路輸出的信號經(jīng)過檢波后送入A/D轉(zhuǎn)換器，AM/FM選頻電路輸出的信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器。TV信號頻率范圍為48～92 MHz、167～223 MHz、470～958 MHz，AM信號頻率范圍為526.5～1606.5 kHz、2.3～26.1 MHz，F(xiàn)M信號頻率范圍為87～108 MHz。

TV選頻電路采用TDG-5881高頻頭實現(xiàn)，具有信號輸入、AGC、VT、UHF、VH、VL、5V電源、IF接口端(引腳端)，如圖2。

圖2 TV高頻頭

各個接口端的功能如下：

信號輸入——電視信號輸入端；AGC——自動增益控制電壓輸入端；VT——調(diào)諧電壓輸入端。該端口加上0-33V的某一個電壓值，和波段控制電壓協(xié)同選擇出某一個頻道的信號；UHF——U波段選擇控制端。該端口加上5V電壓時，能接收13頻道以上的高頻電視信號。當(dāng)不選擇UHF波段時，該端口電壓為0 V；VH——VH波段選擇控制端。該端口加上5 V電壓時，能接收6-12頻道、Z8-Z37增補頻道的高頻電視信號。當(dāng)不選擇VH波段時，該端口電壓為0 V；VL——VL波段選擇控制端。該端口加上5 V電壓時，能接收1-5頻道、Z1-Z7增補頻道的高頻電視信號。當(dāng)不選擇VL波段時，該端口電壓為0 V；5 V——高頻頭內(nèi)部電路電源輸入端；IF——中頻輸出端，輸出38 MHz圖像中頻信號，送檢波器檢波；IF端是高頻頭唯一輸出信號的端口。

AM/FM選頻電路采用單片數(shù)字調(diào)諧集成電路SP2104實現(xiàn)，其中含有AM/FM本機(jī)振蕩、緩沖、AGC、鑒頻和靜噪等電路，工作電壓范圍寬達(dá)1.8～7 V，工作電流小，當(dāng)工作電壓為3 V時，調(diào)頻(FM)的工作電流為11 mA、調(diào)幅(AM)只有7 mA，因而功耗低，發(fā)熱量小，尤其適用于低電壓工作環(huán)境[3]，如圖3。

圖3 AM/FM選頻電路

SP2104各引腳功能如下：1.射頻地；2.FM射頻輸入；3.AM低頻切換；4.混頻輸出；5.電源Vcc；6.AM中頻輸入；7.FM中頻輸入；8.地；9.AGC外接；10.10.7 MHz晶振；11.右聲道輸出；12.左聲道輸出；13.低通濾波器2；14.低通濾波器1；15.立體聲輸入；16.檢波輸出；17.中頻；18.立體聲指示；19.振蕩輸出；20.AM振蕩；21.FM振蕩；22.AM射頻輸入；23.射頻電源；24.FM射頻輸出。

1.2 TV檢波電路

TV檢波電路將TV選頻電路輸出的中頻信號變換成直流信號輸出。

TV檢波電路包括運放A1、A2、電容C、二極管VD和復(fù)位開關(guān)SW組成。A1采用高速運算放大器AD8038，能滿足通頻帶和轉(zhuǎn)換速度等要求；A2采用雙通道運放LM358，內(nèi)部有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適用于電壓范圍寬的單電源和雙電源工作模式；二極管VD采用2AP10，正向電阻小，正向電流上升快，在信號較小時就可以進(jìn)入大信號線性檢波區(qū)[4]，如圖4。

圖4 TV檢波電路

1.3 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器將選頻電路輸出的模擬直流信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識別處理的數(shù)字信號。

A/D轉(zhuǎn)換器采用AD1674實現(xiàn)，是一個逐次逼近型12位轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部自帶采樣保持器、10 V基準(zhǔn)電壓源、時鐘源以及可與微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器，如圖5。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換器

AD1674的引腳按功能可分為邏輯控制接口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號輸入端口和電源端口4種類型。

邏輯控制接口有6個：12/8——數(shù)據(jù)輸出位選擇端。輸入為高電平時，數(shù)據(jù)輸出為單12位字節(jié)；輸入為低電平時，數(shù)據(jù)輸出為雙8位字節(jié)；CS——片選信號輸入端，低電平有效；R/C——讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端。在完全控制模式下，輸入高電平時為讀狀態(tài)，輸入低電平時為轉(zhuǎn)換狀態(tài)；在獨立工作模式下，輸入信號為下降沿時開始轉(zhuǎn)換；CE——操作使能端；A0——位尋址/短周期轉(zhuǎn)換選擇輸入端；STS——轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端。

其余端口分別為并行數(shù)據(jù)輸出端口(DB11-DB8、DB7-DB4)、模擬端口(10 VIN、20 VIN)和供電電源端口(REFIN、REFOUT、BIPOFF為基準(zhǔn)電壓輸入輸出端和雙極性電壓調(diào)整端，VCC、VEE、VLOGIC為模擬電壓輸入端，AGND、DGND為接地端)。

1.4 D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號控制選頻電路選擇需要監(jiān)測的頻率信號。

D/A轉(zhuǎn)換器采用AD558實現(xiàn)，是一個電壓輸出型8位轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶有參考電壓源、高速輸出放大器、可實現(xiàn)模擬電壓單極性或雙極性輸出，無需外加器件及微調(diào)即可與單片機(jī)8位數(shù)據(jù)總線連接，如圖6。

圖6 D/A轉(zhuǎn)換器

AD558有控制邏輯、鎖存器、DAC、參考源4個功能模塊，接口電路簡單。

AD558的引腳功能如下：DB0-DB7——數(shù)字量輸入；CE——選擇使能端，與CS共同作用；CS——片選端，與CE共同作用；VCC——供電電源(5～15 V)；GND——接地端；A(VOUT SENSE)——輸出電壓選擇端(0～2.56V)；B(VOUT SELECT)——輸出電壓選擇端(0～10 V)。

1.5 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器

網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器在單片機(jī)控制下將廣播電視信號場強(qiáng)值、監(jiān)測地名和/或地名編碼、頻率值封裝并轉(zhuǎn)換格式以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器采用以太網(wǎng)控制器DM9000A實現(xiàn)，單片機(jī)對DM9000A進(jìn)行初始化，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按協(xié)議要求進(jìn)行以太網(wǎng)幀封裝，發(fā)送給以太網(wǎng)控制器DM9000A。以太網(wǎng)控制器DM9000A接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過RJ45接口(以有線的形式)連接網(wǎng)絡(luò)以將封裝好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚斫K端，如圖7。

圖7 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器

以太網(wǎng)控制器DM9000A與RJ 45接口之間還設(shè)置有一網(wǎng)絡(luò)隔離器。

還可以采用其它的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，例如基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器以實現(xiàn)前端設(shè)備的無線連接，通過無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)，從而與處理終端連接和數(shù)據(jù)交互[5]。

1.6 處理終端

處理終端采用桌上型PC、膝上型PC或者掌上PC來實現(xiàn)。

處理終端通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程接收前述封裝好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解包后，對每個監(jiān)測點上的前端設(shè)備所發(fā)送的實時場強(qiáng)值、地名和/或地名編碼、頻率值進(jìn)行存儲，以及在顯示屏上顯示。

處理終端還包括用于對這些信號場強(qiáng)進(jìn)行分析的場強(qiáng)分析模塊，該場強(qiáng)分析模塊用于對每個監(jiān)測點上的前端設(shè)備所發(fā)送的實時信號場強(qiáng)進(jìn)行分析。例如，將被測點各頻率信號實測場強(qiáng)值與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可用場強(qiáng)值進(jìn)行對比、與設(shè)計值進(jìn)行對比、與滿足較高質(zhì)量的接收要求的場強(qiáng)值進(jìn)行對比；實測場強(qiáng)值偏低可能是遮擋物的影響、偏高可能是多徑干擾的影響、在被測頻率發(fā)射機(jī)停播時間監(jiān)測到的場強(qiáng)是背景噪聲或同頻干擾、被測頻率以外的信號場強(qiáng)是各種干擾場強(qiáng)包括鄰頻干擾、其它發(fā)射臺的雜散或帶外發(fā)射干擾、非法電臺干擾。

處理終端還包括一報警模塊，用于基于場強(qiáng)分析模塊的分析結(jié)果發(fā)出報警信號，例如光和/或聲報警信號。

報警原因：被測點被測頻率的場強(qiáng)值比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可用場強(qiáng)值或設(shè)計值或滿足較高質(zhì)量的接收要求的場強(qiáng)值偏低或偏高達(dá)到一定的程度，例如超出設(shè)定的容差范圍，或者是監(jiān)測到被測頻率以外的信號場強(qiáng)。

報警方式：被測點場強(qiáng)值閃動、報警地列表閃動、“某被測點場強(qiáng)偏低、偏高、有其它干擾”等語音提示。

處理終端中還存儲有一電子地圖以及每個監(jiān)測點上的前端設(shè)備的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，處理終端在收到每個監(jiān)測點上的前端設(shè)備所發(fā)送的實時場強(qiáng)值、地名和/或地名編碼、頻率值后，根據(jù)每個監(jiān)測點上的前端設(shè)備的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)在所述電子地圖上顯示場強(qiáng)的強(qiáng)弱分布。

2 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)制作完成后在學(xué)校周圍設(shè)置4個前端進(jìn)行了實驗，結(jié)果如下：

使用PC機(jī)接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)及報表處理，可在電子地圖上顯示監(jiān)測點位置，不同范圍的監(jiān)測點用不同的顏色顯示，將鼠標(biāo)放在監(jiān)測點位置上可看到監(jiān)測點地點及經(jīng)緯度、監(jiān)測頻率、監(jiān)測場強(qiáng)等數(shù)據(jù)，在前端改變天線方向時可看到監(jiān)測頻率、監(jiān)測場強(qiáng)實時變化，可以將數(shù)據(jù)按各種圖表展示，可以按監(jiān)測點查詢數(shù)據(jù)，按時間段查詢數(shù)據(jù)，可以Excel文件導(dǎo)出報表，報表信息有監(jiān)測時間、監(jiān)測地點、監(jiān)測頻率、監(jiān)測場強(qiáng)，

還有報表統(tǒng)計、打印功能，日志功能實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的操作管理，如增加、刪除、修改等操作，在操作過程中將操作前數(shù)據(jù)、操作后數(shù)據(jù)、什么人操作、什么時間操作均保存在數(shù)據(jù)表里，然后通過頁面展示，用戶管理功能實現(xiàn)了權(quán)限設(shè)置，不同的人權(quán)限不一樣。

實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可投入使用。

3 結(jié)論

廣播電視信號的自動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，能同時測量電視信號場強(qiáng)和廣播信號場強(qiáng)，改變了傳統(tǒng)的人工外出收測方式，運行正常，數(shù)據(jù)精確，方便快捷，穩(wěn)定可靠，省時省力，具有很高的推廣價值。

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