基于正極性電視信號的場消隱期數(shù)據(jù)傳輸

殷希梅，張燚翾，張 抒

（1.解放軍炮兵學(xué)院 彈藥工程教研室，安徽 合肥 230031；2.解放軍炮兵學(xué)院 信息化彈藥研究所，安徽 合肥230031）

電視信號的場消隱期（VBI）[1]指前一場的圖像掃描完畢，電子束從前一場尾部回掃到當(dāng)前場起始位置的過程，在這個過程中電視不顯示圖像。目前，場消隱期的應(yīng)用主要有電視廣播用于傳送圖文電視節(jié)目，工業(yè)上用于傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)。而現(xiàn)有的場消隱期數(shù)據(jù)傳輸電路先采用專用的行、場分離電路，這種方法雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地疊加，但成本偏高，并且在接收端需要同樣的電路來找出疊加的數(shù)據(jù)信息。一般性的應(yīng)用，比如監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的傳輸量相對比較少，因而不需要準(zhǔn)確的行數(shù)，只要不影響電視信號的正常播放即可。

本文采用一個雙極性三極管和兩級積分電路設(shè)計了一種基于正極性電視信號的場消隱期數(shù)據(jù)傳輸電路，采用特殊的同步頭將數(shù)字信號疊加在場消隱期的空余資源中，采用奇偶校驗(yàn)法有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

1 場消隱期概述

1.1 場消隱信號的特點(diǎn)

我國采用PAL制電視信號，規(guī)定的電視系統(tǒng)的視頻帶寬為6 MHz，選定每幀圖像的掃描行數(shù)為625行，正極性的全電視信號[4]如圖 1所示。我國廣播電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：正極性的全電視信號中，各合成信號的電平關(guān)系是以白電平為100%，黑電平（即消隱電平）為25%，同步信號電平為0，其他亮度的電平介于25%～100%之間，隨圖像內(nèi)容變化。

場消隱期為圖1所示奇數(shù)場消隱信號中的第623～22行，偶數(shù)場消隱信號中的第311～335行。場消隱期期間傳送均衡脈沖和行、場同步信號。場同步信號的脈寬占2.5 TH[4]的時間，即圖1中所示1～2.5行，312.5～315行，其中每隔半行有一開槽脈沖，其寬度為4.7 μs。場同步信號的前后各5個均衡脈沖，即每隔半行一個，其脈寬為2.35 μs，用于消除由接收端相鄰奇偶兩場同步信號積分波形的差別而導(dǎo)致的并行現(xiàn)象和垂直分辨率的降低。除去7.5TH資源的槽、齒脈沖和前后均衡脈沖，每場可有效利用 16個空行，即6～22行，318～335行。

1.2 電視信號的發(fā)送、接收

我國電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，圖像載波調(diào)制方式為負(fù)極性振幅調(diào)制[4]。對于正極性的全電視信號一般都要先反向?yàn)樨?fù)極性，然后再調(diào)制到更高頻率的載波上，經(jīng)天線輻射出去。接收時，接收機(jī)從載波信號中解調(diào)出全電視信號，再用同步分離電路把全電視信號中的同步脈沖分離出來，并進(jìn)一步把行和場同步脈沖分開。然后用分離出來的場同步信號去控制場掃描振蕩器，用行同步信號去控制行掃描振蕩電路，從而使接收和電視發(fā)射系統(tǒng)“同步”。

1.3 場消隱期數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)

場消隱期數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1）以數(shù)據(jù)廣播的形式進(jìn)行，發(fā)送成本與接收者的多少無關(guān)，且接收不占用通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備；2）運(yùn)用時分復(fù)用方法，以寄生信號的形式加載在電視信號的場消隱期傳播，在發(fā)送端和接收端均無需作新的較大投資，不影響應(yīng)用電視的直接播放；3）搭載在電視信號中傳播，不占用新的獨(dú)立的空中無線電資源，不增加應(yīng)用電視的傳輸帶寬[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

由場消隱期數(shù)據(jù)信號的特點(diǎn)可知，場消隱期期間除去場同步信號和均衡脈沖，即圖1所示的6～22、318～335行，除了行同步脈沖之外不傳送任何其他的信息。而接收端要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確行同步，最多只需3行的行同步信號。因此，圖1所示的6～19、318～332行，均可用來傳輸其他信息。而疊加的數(shù)據(jù)信息在場消隱期中均衡脈沖后，并不影響電視信號的正常播放。因此，場消隱期數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑恚喊l(fā)送端，找到電視信號的場消隱期并在其中疊加數(shù)據(jù)，再把電視信號送入調(diào)制發(fā)送電路；接收端，找到解調(diào)后電視信號的場消隱期并按約定的格式讀出其中的數(shù)據(jù)并通過串口送給PC機(jī)，以供進(jìn)行相關(guān)的處理。正極性電視信號場消隱期數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砜驁D如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要包括場同步檢測電路、圖像數(shù)據(jù)融合電路、讀數(shù)據(jù)電路和與PC機(jī)通信電路。PC機(jī)通信電路采用串口通信電路，讀數(shù)據(jù)電路只需要微控制器在找到場同步信號后按數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)采用I/O接口讀出數(shù)據(jù)。

3.1 場同步監(jiān)測電路

監(jiān)測電路用于找到場同步信號到達(dá)時刻，以便在場消隱期期間插入及檢出數(shù)據(jù)信息。正極性的電視信號同步信號電平不同于其他合成信號，同步信號要比消隱信號電平低0.3～0.4 V，比圖像信號低0.4 V以上，因此利用雙極性三極管的開關(guān)特性[5]即可分離出同步信號。再通過對分離出的同步信號積分便可得到微控制器容易辨認(rèn)的觸發(fā)信號。

場監(jiān)測電路如圖3所示。視頻信號從C1輸入，經(jīng)過監(jiān)測電路，最后到達(dá)微控制器的模擬比較器正向輸入端AIN0[6]，再與負(fù)向輸入端口AIN1[6]的設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷場同步信號是否到達(dá)。電容C1濾出視頻信號中的直流量。電阻R1、R2、R3為三極管VQ1設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使VQ1只在視頻信號的同步脈沖處導(dǎo)通。 R6、C2、R7、C3為兩級積分電路，對經(jīng)過三極管后的視頻信號進(jìn)行積分。電阻R4、R5用于設(shè)定比較電壓值。由于行同步脈沖信號很窄，積分后峰值小，而場同步信號脈沖寬，積分后的峰值大，這里負(fù)向輸入端口AIN1的設(shè)定值取二者峰值的平均值。經(jīng)過雙極性三極管和兩級積分電路的視頻信號如圖4所示?？梢钥闯?，視頻信號、行同步信號和消隱信號的復(fù)合信號經(jīng)過積分電路后的電壓值在0.8～0.9 V的范圍內(nèi)，而場同步信號的經(jīng)過兩級積分電路后的峰值在2.2 V左右，且有大于80 μs的時間積分電壓大于2 V。因此有足夠的時間和壓差保證微控制器正確得到場同步信號的到達(dá)時期。

3.2 圖像數(shù)據(jù)融合電路

圖像數(shù)據(jù)融合電路是數(shù)據(jù)信號插入到視頻信號的場逆程，電路如圖5所示。MAX4066[7]是寬電壓范圍、低阻抗、帶寬大于100 MHz的4通道的模擬開關(guān)，且每個通道有單獨(dú)的控制引腳。為了減小開關(guān)電路中視頻信號和數(shù)據(jù)信號的損失，每個信號占用兩個通道，并在輸出端疊加在一起。監(jiān)測到場同步信號之后，微控制器關(guān)閉視頻通道IN1-OUT1、IN4-OUT4，打開數(shù)據(jù)通道IN2-OUT2、IN3-OUT3，疊加數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)疊加完畢之后，微控制器關(guān)閉數(shù)據(jù)通道IN2-OUT2、IN3-OUT3，打開視頻通道IN1-OUT1、IN4-OUT4，傳輸視頻信號。由于微控制器輸出的信號帶載能力差，需要經(jīng)VQ2增強(qiáng)帶載能力，才能送至調(diào)制電路。疊加數(shù)據(jù)后的視頻信號如圖6所示。數(shù)據(jù)信號疊加在均衡脈沖后，數(shù)據(jù)信息高低電平分明，易于辨別。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用C語言[8]編寫，主要包括疊加、檢出數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)幀的格式設(shè)計等程序。疊加數(shù)據(jù)的程序用于發(fā)送端找出電視信號的場同步信號并在場消隱期疊加數(shù)據(jù)信號。場同步信號到來時觸發(fā)模擬比較器中斷，單片機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)按照一定的幀格式疊加到視頻信號中，然后采集數(shù)據(jù)，等待下一個模擬比較器的中斷。

檢出數(shù)據(jù)信號的程序用于在接收端從電視信號的場消隱期中檢出數(shù)據(jù)并通過串口送給PC機(jī)，獲得所需的信息。場同步信號到來時觸發(fā)模擬比較器中斷，單片機(jī)按照一定得幀格式從視頻信號中讀出數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給PC機(jī)，然后等待下一個模擬比較器中斷。

在以上兩個程序設(shè)計當(dāng)中，如何正確在接收端檢出視頻中疊加的數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的，為此設(shè)計了一種數(shù)據(jù)傳輸幀格式，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀的格式Tab.1 Structure of data frame

同步頭用于找到數(shù)據(jù)開始的準(zhǔn)確位置，這里采用約100 μs的高電平+精確10 μs（固定時間）的低電平，如圖6中所示。長時間的高電平使得微控制器有足夠的時間同步，固定時間的低電平準(zhǔn)確地找到數(shù)據(jù)開始位置。有了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的開始位置，就可根據(jù)每一位所占的時間檢出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)個數(shù)可根據(jù)需要增加或減少，但是在同一個系統(tǒng)中它是已知值。校驗(yàn)位用于簡單驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，防止在無線傳輸過程中因干擾而改變的數(shù)據(jù)被認(rèn)作正確數(shù)據(jù)來處理，這里采用奇偶校驗(yàn)法。

5 結(jié)束語

所實(shí)現(xiàn)的場消隱期數(shù)據(jù)的場同步監(jiān)測電路設(shè)計節(jié)省了資源，保證了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。由于系統(tǒng)使用的是簡單的奇偶校驗(yàn)法，不易用于傳輸大量的數(shù)據(jù)。另外由于受視頻信號帶寬限制和微控制器本身的工作頻率限制，瞬時數(shù)據(jù)速率不宜超過100 Kb/s。

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[7]Maxim Corporation.MAX4066 data-sheet[EB/OL].[2010-01-20].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4066-MAX4066A.pdf.

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