广播电视信号测量、识别与转换新型系统设计

　　0    引言.

　　广播电视监测对于监控广播电视的播出情况、改善广播电视信号传输和播出质量、核查广播电视覆盖网效果、维护空中电波和网台播出秩序、严格保护并有效利用频率资源、加强广播电视事业管理等有着重要的意义。

　　现代电子技术、计算机技术、网络技术促进了各种光学、电学乃至图像等信号检测技术的迅速发展[1-10]，广播电视信号监测方法也由过去的以人为主进行监视、监听的监测手段发展为借助于各种电子仪器、设备进行自动化监测，监测设备的功能也由以前的简单、单一发展为现在的综合化、系统化、网络化。监测设备不仅应定性地检测出广播电视信号的播出情况，还应该定量地测量广播电视信号中的一些参数和指标，如载波场强、调制度、频偏等，这些参数将是评估广播电视信号发射、接收情况的重要依据。

　　1    系统方案设计.

　　1.1    系统功能.

　　本文介绍的监测系统的主要功能为：自动扫描广播电视频段，搜索广播电视信号并向监测终端输出，测量载波场强强度，并能存储广播电视信号的频率及场强，对非法信号识别并报警。因此，系统的主要功能模块将包括高频调谐模块、视音频信号识别模块、场强测量模块及包括键盘、显示、A/D、非易失存储器在内的控制系统。此外，为了方便监测设备的升级和组网，务必设计出通信接口。

　　1.2    设计方案论证.

　　1.2.1    高频调谐模块.

　　此模块的首要任务是高频调谐，以实现广播电视信号频道的选择及声音、图像信号的获取。本系统采用 PLL频率合成方式。PLL频率数字调谐系统主要由压控振荡器（VCO）、相位比较器（PD）、低通滤波器（LPF）、可编程分频器、高稳定晶体振荡器、参考分频器、中央控制器等组成。高稳定度的晶振使得本振频率稳定性极高，而且在单片机的控制下可实现频率步进扫描。目前电视机广泛采用的PLL 数字频率合成高频头集频率合成、中频放大、视频检波等功能于一体，能直接解调出电视信号和FM广播信号。

　　1.2.2    场强测量模块.

　　此模块的作用是测量广播电视载波场强，载波场强的大小是判定是否存在广播电视信号的重要依据，而且只有定量测出场强值的大小，才能保证选台时调谐到被选频道的中心频率。

　　测量载波场强的一般方法是测量中频信号的强弱，因为中频信号的频率固定，中频放大器对所有频率信号的中频信号有固定的增益，避免因放大器频率响应特性而引起的误差。由于超外差接收机具有自动增益电路（AGC），AGC电路本身是一个负反馈系统，它从放大的中频信号检波获取AGC控制电压，去控制中放和高放的增益。因此，可直接测量此反馈信号，即AGC电压的大小，来反映了场强的大小。

　　1.2.3    信号识别模块.

　　此模块的作用为：当场强测量模块检测到有较强的载波信号时是否真正存在电视信号和调频广播信号。

　　全电视信号是由图像信号和同步信号、消隐信号等一些脉冲信号组成[11]，而这些脉冲信号都有严格的周期性，例如：行同步信号的周期是64us，场同步信号的周期是20ms。因此，测量同步信号的有无，即可判定是否有全电视信号存在。
　　调频广播（FM）信号没有同步信号，但可通过测量音频输出情况来判定。当某一频率的载波信号较强，接收机的自动增益控制功能抑制了噪声信号的放大，输出的将是音频信号或静音，不管哪种情况都只包含很小的噪声成分。相反，当载波很弱时，输出端将会是放大后的噪声信号。这样，即可通过测量场强与输出信号来判定是否存在调频广播（FM）信号。

　　1.2.4    控制模块.

　　本系统的控制模块主要是包括键盘、显示、模数转换器、非易失存储器（EEPROM）在内的微控制器系统，此外还有视频信号监视器、扬声器等终端。这里需要着重考虑的是人机对话过程中显示器的选择。考虑到本系统中已有必须的电视监视器，采用视频字符叠加技术将使显示方式更加灵活。

　　键盘的选择将根据系统功能的描述，先确定按键的多少，再结合单片机剩余I/O口的多少来决定。如果I/O口的数量允许，则优先选用独立按键式；否则，可考虑采用串行接口，外接移位寄存器，理论上能扩展任意多的按键。

　　选择非易失存储器除考虑存储容量外，也需要注意I/O口的数量。在I/O口允许的情况下，选用并行方式可提高访问速度，大大减轻程序的负担。如果系统对访问速度要求不高，则采用串行方式不仅可以节省I/O口线，而且使硬件更加简洁。

　　A/D转换器的选择主要考虑精度和接口方式。本系统中需要进行A/D转换的信号有：电视载波场强，FM载波场强，FM音频值。其中载波场强要求测量精度为±1dB即可，而音频测量的精度要求更低，因此，选用8位的A/D转换器就足以满足要求。

　　为了方便地控制音量，拟采用数字电位器实现音量控制。而且，采用数字电位器还可实现静噪的功能，避免没有信号时的噪声输出。

　　关于通信接口，由于单片机内置了串行异步通信口（UART），因此只需添加TTL和RS232之间的电平转换电路即可。

　　1.3    系统框图及各部分功能.

　　根据设计方案，如图1所示。TCL2002MF为所选定的高频调谐器，是由I2C总线控制的数字化锁相环频率合成高频头，工作频率覆盖VHF Low、VHF High、UHF及FM的所有波段，能直接解调出电视（及其伴音）信号和调频广播信号，并有引脚输出电视通道的自动增益控制（AGC）信号和10.7MHz的FM中频信号。可见，TCL2002MF高频头的功能完全迎合的了设计方案的要求，非常适合本系统的使用。实际上，电视载波场强的测量就通过直接测量高频头AGC信号的大小来完成。

　　SA605D是PHILIPS设计生产的FM中频处理芯片，内置高增益的中频放大器以及自动增益控制电路，其输出引脚RSSI（Received Signal Strength Indicator）所反映的输入信号强弱范围达90dB，也就是说，本系统所能测量的FM载波场强的动态范围将达90dB。音频检测模块的作用是，先将交流的音频信号整流成直流信号，再经平均值电路得到一个反映音频信号强弱的直流信号。测出此直流信号的大小，并与设定的下限比较，即可定性地判定是否存在音频信号。同步分离模块主要用于测定同步信号的有无，来判断视频信号的有无。另外，在视频叠加模块中也需要复合同步信号。视频叠加模块的作用是，将人机对话的字符信息叠加于视频信号中，来实现在电视屏幕上显示字符的功能。此模块的核心是一片屏幕字符显示（On-ScreenDisplay）芯片uPD6464，通过串行总线与单片机接口，内置的字库包含数字、大小写字母、一些常用字符和汉字在内的256种，而且字体、颜色、背景等均有多种显示模式，这些功能使得显示丰富、复杂的内容成为可能。

　　2    关键模块的设计与实现.

　　2.1    高频调谐器的应用电路.

　　本系统选用了TCL2002MF高频头作为高频调谐模块的核心，它是由I2C总线控制的数字化锁相环频率合成高频头，工作频率覆盖VHF Low、VHF High、UHF及FM的所有波段，能直接解调出电视（及其伴音）信号和调频广播信号，并有引脚输出电视通道的自动增益控制（AGC）信号和10.7MHz的FM中频信号。如图2所示。

　　2.2    载波场强测量.

　　如上所述，高频头AGC信号的强弱，反映了载波场强的大小，故可用A/D转换器直接测出AGC信号的幅值。此外还需用标准信号发生器进行实验，以得出AGC信号幅值与场强值的数值对应关系。

　　由于TCL2002MF高频头引出了10.7MHz的FM中频信号，这样，即可用带有AGC输出的FM中频处理芯片来确定调频广播（FM）信号场强的大小。这里选用了PHILIPS设计生产的FM中频处理芯片SA605D，该芯片内置高增益的中频放大器以及自动增益控制电路，其输出引脚RSSI反映输入中频信号强弱，SA605D所能测量的FM载波场强的动态范围能达到90dB。

　　射频信号和本振信号经过混频后得到中频信号，由20脚输出，需外接中心频率为10.7MHz的带通滤波器以滤掉20脚输出的中频信号中10.7MHz以外的其他频率。如图3所示。中频信号经过放大、鉴频、滤波，即得到声音信号。SA605D的输出信号包括RSSI、AUDIO、DATA三部分内容。其中，输出信号AUDIO和DATA基本上是一样的。

　　DATA被解释为UNMUTED AUDIO，就是说，DATA引脚输出的音频信号是不可以被屏蔽的，而AUDIO引脚的输出则是可以被屏蔽的。SA605D的引脚5“MUTE IN”为低电平时即可将引脚8“AUDIO OUT”的输出屏蔽。RSSI引脚输出一个反映接收信号强弱的电压值，该引脚电压值越高，则表明接收的信号越强。

　　在本系统中，由于FM信号的混频已在TCL2002MF高频头中完成，高频头的IF引脚已经输出10.7MHz的FM中频信号，因此省去了SA605D典型应用图中的射频输入部分和本振部分，只要将高频头输出的中频信号经10.7MHz滤波器后直接接SA605D的中频输入端（引脚18）即可。另外，由于音频信号取自高频头的音频输出端，故AUDIO和DATA引脚的输出电路也可省去，只保留RSSI端的输出。RSSI信号的动态范围大约为0.2-4.7V，可直接由A/D转换器进行测量。

　　2.3    信号识别.

　　电视信号识别的一个关键内容是检测同步信号。原则上，测量行同步信号或场同步信号均可，显然场同步信号周期太大，频率太低，严重制约着测量的速度，因此这里选择测行同步信号。LM1881是专用的视频同步分离集成电路，能直接从视频信号中分离出复合同步信号、行同步信号以及场同步信号。获得行同步信号后，即可用单片机定时器对其频率进行测量.

　　由于调频广播信号没有同步信号，故识别方式与电视信号有所不同，但可通过测量场强与音频信号来判定。这种判别方法的基本原理简述如下：当某一频率的载波信号较强、信噪比较高时，接收机的自动增益控制功能抑制了噪声信号的放大，输出的噪声成分很弱；相反，当载波信号很弱时，输入端的噪声将被大幅度地放大，导致输出的噪声功率很大。由音频放大器、整流电路和平均值电路三部分组成。

　　放大的交流音频信号由整流电路整流成直流信号，再经平均值电路得到反映音频信号强弱的直流分量。测出此直流分量的大小，并与设定的下限比较，即可定性地判定是否存在音频信号。如图4所示。

　　2.4    视频字符叠加.

　　此模块的核心是一片屏幕字符显示（On-ScreenDisplay）芯片uPD6464，通过串行总线与单片机接口，内置的字库包含了数字、大小写字母、一些常用字符和汉字在内的256种，而且字体、颜色、背景等均有多种显示模式。

　　24脚VBSI是视频信号输入端，21脚VBSO是叠加后的视频信号输出端，17脚CSYIN是复合同步信号输入端，而CLK、CS、DATA，则分别是与单片机连接的时钟端、片选端、数据端。本应用电路要求输入视频信号的幅值为2VP-P，如果输入信号幅值不满足此条件，则应增加视频放大电路进行调整。由于电视信号识别模块中已采用了同步分离电路LM1881，故复合同步信号直接取自LM1881。实验发现，VBSO输出的视频信号带载能力差，而且直流分量偏大，导致显示效果不佳，因此采用了射极输出电路，不仅提高了带载能力，而且起到了减小直流分量的作用，大大改善了实际显示效果。如图5所示。

　　结束语.

　　本论文阐述的是针对便携式无线发射机而设计的广播电视信号监测系统，用来监测调频广播和电视频段的信号，监测的主要参数为载波场强和音频强度。在系统设计过程中，采用了广播电视技术发展的最新成果，并广泛使用国外优秀的大规模集成电路，如PHILIPS 生产的高性能中频处理芯片SA605D、NEC生产的屏幕字符显示芯片uPD6464等，使得本监测系统硬件简洁，性能可靠，并且大大缩短了研发周期，提高了整机性能价格比。

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　　作者简介:曹军胜(1978-),男,陕西延川人,副研究员,主要从事嵌入式系统和半导体激光器的应用研究工作。
　　基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(批准号:61006054),吉林省自然科学基金项目(项目编号:201115125)收稿日期:2013-07-08