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广电专用数字电视信号监测设备的设计讲解
广电专用数字电视信号在线监测设备的设计
常州创恒数据系统有限公司周春
摘要本文介绍了广电专用数字电视信号在线监测设备的设计方案。
本方案采用了基于TDA10024芯片的数字调谐模块和高性能单片机STC12C5410，可实时、准确地对广电数字电视信号的各种参数（误码率（BER）、调制误差率（MER）、载噪比（C/N）、信号电平等）进行监测，监测结果可通过光纤线路传输到控制中心，让运维人员足不出户，及时了解分布在全市的光节点数字电视信号的参数状态，及时解决故障。
关键词数字电视信号在线监测，TDA10024，MER，信号电平
引言
在三网融合、网络技术飞速发展的今天，光进铜退，宽带化，双向化，新一代广电基础网改造迅速推进，数字电视，因特网接入，企业专线，VOIP……增值业务蓬勃发展，广电，正在向电信级运营商大步迈进。
如何从传统的国企转变为真正的电信级运营商，面向市场，面向客户，面向服务是广电的唯一选择。
在目前情况下，广电基础网和业务网建设都有了长足进步，目前急需大力推动支撑网建设，建立强大高效的网管系统，是广电网络提高竞争力的基础所在。
但是，客观的审视一下广电网络的现状，我们不禁大吃一惊。
和广电网络的传统规划有关，广电网一直以单向传输逐级分配为发展模式，中心播出设备向下一级设备发送节目信息，而下级设备是否工作正常却一无所知。
传统的运维都需要等到客户进行投诉以后，运维人员才被动的赶赴现场进行排查，显然有很长的滞后时间，客户意见很大。
更为严重的是，有部分地区，某些法轮功分子，在小区的光节点上，撬开设备箱体，将反动节目直接插入小区总节点，造成恶劣的社会影响。
本文介绍的广电专用数字电视信号在线监测设备，很好地解决了上述问题，它实时、准确地对光节点上的数字电视信号的各种参数（误码率（BER）、调制误差率（MER）、信号电平等）进行监测，并通过光纤线路将监测结果传输到控制中心，让运维人员足不出户，及时了解分布在全市的光节点数字电视信号的参数状态，及时解决故障。
同时，设备上还具有几个监测环境量的接口，能够监测箱体的温湿度，感知箱体打开关闭等。
对非法入侵及时报警，保障广电设施的安全和电视播出安全。
一、总体方案
本设计是专门针对广电的专用数字电视信号远程监测的一款设备，其硬件部分包括前端调谐模块（数字高频头）、MCU处理模块、接口模块、电源供应模块等，设计框图如图1所示。
本设计采用STC12C5410作为主处理器，通过I2C接口与前端调谐模块进行通信，完成锁台、信号质量参数读取等工作，并将数据经过串口服务器传送到远端的监控中心，使值班人员可以及时地查看信号质量状态。
图1硬件设计框图
二、硬件设计
2.1前端调谐模块
本设计的前端调谐模块采用了LG公司的TDMPG151F数字调谐模块，调谐模块的功能是完成射频信号的接收、下变换放大、通道解码输出传输流，其功能框图如图2所示。
TDMPG151F模块的核心部分是TDA10024——DVB-C接收器（QAM解调器）芯片它主要完成下变换放大、通道解码输出传输流功能。
MCU通过I2C总线对TDA10024芯片内部功能寄存器进行读写操作，写入特定的参数即可完成各项对应的操作，如锁台、复位等。
同时，TDA10024芯片还提供了各项有关于数字电视信号质量的参数如星座图数据、误码率、载噪比等等，以供MCU读取。
TDMPG151F数字调谐模块部分硬件电路如图3所示。
图2TDMPG151F数字调谐模块功能框图
图3TDMPG151F数字调谐模块部分硬件电路
2.2MCU处理模块
MCU处理模块的主要任务是对前端调谐器进行复位、设置，读取调谐器参数，然后通过软件，计算出数字电视各频点的电平、C/N、BER、MER等各项参数。
然后通过通信模块将参数实时的传送到控制中心的服务器上进行显示、存储、分析，一旦信号出现任何异常，及时提供报警信息，有利于系统维护人员及时甚至提前发现故障，及时排除，保障数字电视系统正常运行，其硬件连接框图参考图1中MCU部分。
本设计采用宏晶STC12C5410单片机作为MCU处理模块的核心。
它除了兼容普通51单片机外，还有以下优势：
1、高速，普通单片机执行一条指令需要12个时钟周期，而STC12C5410执行多数指令只需1个时钟周期，比普通单片机快了8~12倍；
2、集成了片内32KROM和1280字节RAM，节省了扩展电路；
3、具有8路高速10位电压输入型A/D转换器，转换速度可达250KHz，8路A/D输入口对应于P1口；
4、集成了片内看门狗，使系统运行更可靠。
2.2.1基本外围电路
单片机系统的最基本外围电路是复位电路和晶振电路。
本设计复位采用上电复位电路，晶振电路采用22.1184MHz的晶体振荡器电路，如下图4所示：
图4单片机外围电路
2.2.2环境量输入电路
由于集成了片内A/D转换器，所以外部复杂的A/D转换电路就可以省略。
片内A/D转换器转换结果达到了10位，对本设计而言精度已经足够。
参考图1，P1.0、P1.1、P1.6、P1.7口设置为A/D输入口。
其中P1.0、P1.1、P1.6口作为外部3路模拟量输入，用以监测外部温湿度情况；P1.7口用于内部RFAGC电压的测量，用于计算数字电视信号电平。
3路模拟量输入均采用了运放电路进行缓冲，以减少外部输入信号对设备的干扰。
P3.6口作为外部开关量输入，用于监测广电铁箱门的开关状态。
这部分电路如图5所示。
图5环境量输入缓冲电路
2.2.3数字电视信号电平监测电路
由于调谐模块中的TDA10024芯片内部没有提供数字电视信号电平的数值的寄存器，因此就不能以通过I2C总线读取寄存器的内容的方式来获得这个结果。
但是，调谐模块的第三脚——RFAGC的输出是一个模拟电压值，如图2所示，用它来控制射频放大器的增益。
接收的射频（RF）信号经放大后就可以可得到恒定的信号电平，输入信号电平越高，RFAGC输出电压越低；反之，输入信号电平越低则RFAGC输出电压越高。
由此可见，RFAGC与输入信号电平的值是一个线性关系。
获得了RFAGC的电压值就可以估算信号电平值。
RFAGC是一个模拟信号，负载能力极差，如果直接与单片机的A/D转换脚连接，将引入极大的干扰，会大大影响调谐器的接收性能，因此，在两者之间必须加入一级缓冲电路，最佳选择就是运放。
本设计采用了高阻抗运算放大器TL082，它的输入阻抗可达1012欧，完全符合设计要求。
本部分设计电路如图6所示，TL082构建成一个同相放大电路，放大倍数为1.1倍，放大器输出信号接入单片机的
P1.7脚（A/D输入引脚）。
图6RFAGC信号放大电路
2.2.4I2C控制总线
图1中所示的I2C通信口由P1.4、P1.5口担当，以控制TDMPG151F模块和24C02存储芯片。
P3.7口用来控制TDMPG151F的复位。
2.3接口模块
本设计中，单片机都是通过串口（UART）将采集到的数字电视信号质量参数及环境参数上传给监测中心的。
有两种情况，一种是设备在广电分机房中，这时设备只要通过串口服务器直接上传数据；另一种是设备在广电设在小区的铁箱中，这时，就要靠设备自带的光纤调制解调器模块和放置在广电分机房中的机框式光纤调制解调器通过光纤把串口数据传送到广电分机房，然后再接入串口服务器再上传至监测中心。
两种连接方式如图7所示。
对于第一种情况，设备的输出接口只要选择RS232就可以了；但对于第二种情况，则输出接口必须选择光纤调制解调器接口模块。
2.3.1RS232接口
本设计采用了常用的MAXIM公司生产的MAX232CWERS232专用转换芯片来实现TTL电平至RS232电平的转换。
电路图如图8所示。
MAX232CWE采用16脚SO封装，其外围电路非常简单：
只需4个0.1uF的电容就可以了，另外在VCC脚接一个10μF和一个0.1μF的电容到地以滤掉电源纹波干扰。
详细电路图如图8所示。
图7数字电视信号在线监测设备与监测中心的连接方式
图8RS232接口电路图
2.3.2光纤调制解调器接口模块
本设计的光纤调制解调器模块必须和机框式光纤调制解调器插卡成对使用，如图7所示。
模块和插卡的电原理图是一样的，都是采用Altera公司的EPM240T100C5CPLD芯片设计的。
该芯片工作电压为+3.3V，内部有240个宏单元，85个通用I/O管脚，封装形式为100-pinTQFP。
本设计中CPLD的作用就是对串口数据信号进行CMI编码，众所周知，异步的RS232信号大部分时候属于空闲状态，信号处于全1或全0的状态，这对于光纤传输系统非常不利，使用CMI编码有以下作用：
1、信息传号密度均匀，使信息变化不引起光功率输出变化，相应保持激光二极管（LD）发热温度恒定，提高LD使用寿命；
2、避免码流中的长连“0”或长连“1”，使“1”码和“0”码的分布均匀，有利于定时信息的提取；
3、减少功率谱密度中的高、低频分量，以降低对系统带宽的要求和减小信号的基线漂移；
4、能提供一定的冗余码，有检错能力。
但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，码率的提高要小，以免占用过大的带宽；
5、使可检测的光功率较小，即提高了系统接收灵敏度等等。
由于采用了先进的CMI编码方案，市场上几乎所有的光收发模块都可以使用，需要指出的是，CPLD的输入输出接口为TTL电平，所以最好直接选择TTL接口的光收发模块进行配套使用。
此部分电路非常简单，在此不再赘述。
2.4电源供应模块
如图1所示，本设计供需要+5V、-5V、+3.3V、+1.8V和+12V五组电源：
其中供给TDMPG151F的电源有3组——+5V、+3.3V和+1.8V，由于TDMPG151F内部存在模拟电路，因此这几组电源必须采用线性电源；+12V电源是给环境传感器用的，要求较低，可采用开关电源；而-5V是给运放电路用的，运放又牵涉到RFAGC信号，因此-5V也必须用线性电源。
综合上述因素，本设计采用了开关电源模块+LDO芯片的供电方式。
主电源采用12V10W开关电源，其余正电源都采用LDO芯片稳压输出。
12V和5V之间的压差有7V，如果直接采用LDO，将会产生很大的热量，而且设备需要在无空调的铁箱子里工作，散热无法保证，这样就会极大地缩短LDO的使用寿命。
因此，本设计在12V和5V之间多加了一级开关电源，其使输出大约6.5V左右的电压，然后再使用低压差LDO——LM29150-5，使LDO的发热量降至最低，保证设备工作的稳定性。
对于-5V电压，本设计采用了intersil公司的ICL7660S芯片来实现。
本部分详细电路如图9所示。
图9电源电路图
三、软件设计
3.1数字电视信号质量参数及获取方法
衡量数字电视信号质量的参数主要包括调制误差率（MER）、载噪比（C/N）、误码率（BER）和信号电平。
信号电平的监测我们已经在2.2.3小节中介绍过了，而误码率和载噪比这些参数，TDMPG151F模块的内部寄存器都能提供，只要通过I2C总线对相应的寄存器进行访问就可以得到，这里就不再作详细叙述了。
对于调制误差率（MER），TDMPG151F模块没有直接提供相应的数据，但是，它提供了星座图数据。
下面就详细介绍调制误差率（MER）的获取。
3.1.1星座图
数字电视目前用得最多的是DVB标准，为分析方便起见，我们以DVB-C标准的有线数字电视信号为例。
DVB-C采用如图10所示的QAM调制方式，当已经过编码、压缩、复用的数字信号流，经过串/并重组方框将数字信号流分成I和Q两组，分别经过量化，达到不同的直流电平阶梯，再经滤波，I、Q两路信号经同一本振混频，但相位相差90°（Q路是Sinωt，I路是Cosωt），两路再经混合器合成一个信号发射、传输。
由此我们知道、两路数字信号I、Q相位差90°，而量化后的I路信号电平幅度按量化等级，在I轴方向有数个相应的位置，如量化8个等级则有8个位置，Q路也是如此。
这样一来，每一个数字电视信号会在一个坐标图上都有它相应的位置，这就是图11所示的星座图。
如I、Q各组量化4个等级，则有4×4=16个框的星座，量化8个等级则为64框的星座图。
图10QAM调制器
图11星座图
数字电视信号的每一个信号（称之为符号），在星座图上都有一个相应的位置，如果这个符号是理想的，那么在其方框内是一个小点，方框线即为相邻符号的分界限，也称之为“判断门限”。
数字电视信号总是伴随着广义噪声而存在，那么，它每时每刻都是叠加有噪声，因此方框中的符号不可能在其理想的框的中心，当我们用仪器测试，如果是白噪声的话，它每次的位置是不一样，但都是分布在中心的位置附近，每次都取样下来，则形成如云雾状的园点，是噪声较小，性能良好的星座图（如图12所示）。
当有一个突发入侵的脉冲信号，虽然它时间很短很短，但其幅度较大，因此使得该点的符号偏离中心很大，甚至跨过了“判断门限”到了邻近的符号框内，这就造成了误码。
3.1.2调制误差率
具有广义噪声的星座图如图12所示，我们在一个相当长的时间内进行测试，并按它的位置取样，当某一次符号点的位置与理想符号位置，在星座图的I、Q坐标分别为δI和δQ，而且取样次数为j，即1～N次。
那么我们可以得出如下公式，这就是调制误差率MER。
N
∑（I2oj+Q2oj）
j=1
MER=log（dB）（公式3-1）
N
∑（δI2oj+δQ2oj）
j=1
注：
1、Ioj、Qoj分别为星座点j理想I、Q分量；
2、Ij、Qj分别为星座点j实际I、Q分量；
3、δIoj=Ioj–Ij为某取样点和理想点在I轴上之差；
4、δQoj=Qoj–Qj为某取样点和理想点在Q轴上之差。
图12广义噪声干扰的星座图
由此可知，调制误差率MER是数字电视信号的理想符号功率与噪声功率之比取对数，其单位是dB。
如前所述，数字调谐模块TDMPG151F能实时地提供数字电视信号的星座图数据（即Ij和Qj的数值），因此可利用这些数据根据公式3-1计算出当前的调制误差率（式中的N取3000-5000）。
3.2软件流程
广电的数值电视信号共设频点70多个，计算单个频点的各种参数需要耗时60秒，如果把70多个频点都扫描一遍需耗时1个半小时左右，明显不符合实时监测这一准则，因此和广电技术部们讨论后决定将扫描的频点定为6个重要频点（分别为227M、403M、411M、530M、554M、666M），但是其他频点的数据也可以通过其他命令方式获得，这样，扫描耗时减为约6分钟，可以及时发现信号异常的情况。
由于扫描耗时较长，并且单片机必须实时与上层网管软件系统进行数据交换，因此，系统软件设计分为系统初始化、循环扫描程序和串口中断（数据传输）程序三部分。
软件流程如图13所示。
图13软件流程图
3.2.1系统初始化
系统初始化程序包括单片机对自身特殊功能寄存器（主要包括A/D转换口配置、串口配置以及片内RAM开关及初始值的配置）的设置前端数字调谐器（TDMPG151F）的复位及参数配置。
3.2.2循环扫描程序
这部分程序主要完成对六个指定频点信号参数的扫描计算工作。
主要流程包括锁定频点和计算MER、BER、C/N、信号电平值两部分。
在计算结束后，单片机将计算结果存储到片内RAM中，当单片机从串口中断程序中接收到由网管软件发来的数据传送命令时，就会从片内RAM中取出这些值，并把它们发送给网管软件。
这些值的刷新频率就是计算一个频点参数值的频率，约为6分钟/次。
3.2.3串口中断程序
在循环扫描程序运行的同时，单片机打开串口中断，用以接收来自上层网管软件通过串口服务器传送的串行数据，以实现对采集数据的上传及对设备某些参数的远程配置。
上层网管软件通过特定的通信协议和设备通信。
通信协议的帧格式如下表1所示。
表1通信协议帧格式
帧头
目的地址
源地址
版本号
命令字
数据
校验和
帧尾
0X7E
单字节
单字节
单字节
单字节
不定长
单字节
0X7E
当中断程序收到了完整无误的通信帧后，就会根据通信帧中的命令字及数据执行相应的操作，如数据的上传，系统软复位等等，对于不同的操作，系统都发送相应的返回帧来与之对应。
要注意的是，当系统在发送返回帧数据串时对网管命令是不响应的，这样可以避免程序执行时造成混乱。
网管软件发送的部分通信帧的命令字及含义如表2所示。
表2网管软件发送的部分通信帧命令字及含义
命令字
数据
含义
0x31
0x10
读命令，要求读取环境数据
0x31
0x60
读命令，要求读取6个频点的各项质量参数
0x31
0x62
读命令，要求系统软复位
0x31
0x81-0xB5
读命令，要求读取单个频点的各项质量参数及星座图坐标
0x32
0xCD+15字节
写命令，要求将设备名改为0xCD后的15字节的内容
相对应于表2，本系统的返回帧如下表所示。
命令字
数据
返回帧含义及数据格式
0x33
0x10+14字节
读响应，返回环境量数据14字节,格式如下：
0x33+0x10+温度（2字节）+湿度（2字节）+开关量（2字节）+备用（8字节）
0x33
0x60+120字节
读响应，返回6个扫描频点的质量参数共120字节，格式如下：
0x33+0x60+C/N1（4字节）+BER1（8字节）+MER1（4字节）+电平1（4字节）
+C/N2（4字节）+BER2（8字节）+MER2（4字节）+电平2（4字节）
+C/N3（4字节）+BER3（8字节）+MER3（4字节）+电平3（4字节）
+C/N4（4字节）+BER4（8字节）+MER4（4字节）+电平4（4字节）
+C/N5（4字节）+BER5（8字节）+MER5（4字节）+电平5（4字节）
+C/N6（4字节）+BER6（8字节）+MER6（4字节）+电平6（4字节）
0x33
0x62+0xAA
读响应，表示接收到复位命令并执行。
0x33
0x81-0xB5+220字节
读响应，返回该频点的质量参数20字节和100点星座图坐标200字节，格式如下：
0x33+0x81-0xB5+C/N（4字节）+BER（8字节）+MER（4字节）+电平（4字节）
+（I1，Q1）（2字节）+（I2，Q2）（2字节）+（I3，Q3）（2字节）
+……+（I99，Q99）（2字节）+（I100，Q100）（2字节）
0x34
0x32
写响应，表示数据接收有误，没有写入设备。
0x30
写响应，表示数据接收正确并已经写入设备。
结束语
数字电视信号在线监测设备是针对广电数字电视信号质量的远程监测而专门设计的。
经实践证明，本设备与广电的上层网管软件配合，可以很好地采集广电分布于各光节点的数字电视信号的各项质量参数（MER、BER、C/N和信号电平），为广电的数字电视信号维护提供了极大的方便。
参考文献
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[4]谭浩强《C程序设计》清华大学出版社1994
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[6]何立民《单片机应用技术选编》北京航空航天大学出版社1993
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