可視對講系統(tǒng)的載波調制和頻分復用技術

蘇慶雄，張澤旺，黃建峰

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院,福建廈門361024; 2.廈門狄耐克電子科技有限公司,福建廈門361006)

可視對講系統(tǒng)的載波調制和頻分復用技術

蘇慶雄1，張澤旺1，黃建峰2

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院,福建廈門361024; 2.廈門狄耐克電子科技有限公司,福建廈門361006)

為了解決傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng)的視頻和音頻信號易受干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性差和聯網復雜等問題，提出用振幅平衡調制、頻率調制和FSK（Frequency Shift Key）調制等方法，分別將可視對講系統(tǒng)的視頻、音頻和數據等信號調制到不同的高頻載波.并利用以專用載波濾波器為基礎的頻分復用網絡，實現了可視對講系統(tǒng)的直流電源、圖像載波、語音載波、數據載波等信號在一條同軸線上遠距離雙向傳輸，提高了圖像畫質、語音音質和系統(tǒng)的可靠性，并應用于樓宇可視對講系統(tǒng)產品中，運行結果表明，可視圖像的畫質和對講語音的音質均優(yōu)于傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng).

可視對講；載波調制；頻分復用；雙向傳輸；載波濾波器

在傳統(tǒng)的可視對講系統(tǒng)中,視頻、音頻和數據等信號是以基帶形式傳輸的,至少需要四組傳輸線,聯網布線非常復雜；視頻和音頻基帶信號容易受到各類干擾；經遠距離傳輸及多級中繼放大后使圖像的畫質變差和語音的音質下降,并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了解決直接傳輸基帶信號所固有的問題,人們開展將載波調制和頻分復用技術應用于視頻監(jiān)控的研究［1－5］,實現在一條傳輸線上單向傳輸視頻和數據信號.文獻 ［6］研究了一種基于載波調制的兩線制可視對講系統(tǒng),先將數據信號調制到低于音頻頻率的載波 (即頻率小于200 Hz),再與語音、圖像信號復合后調制到高頻載波.但是,數據載波調制信號的頻譜和語音信號頻譜 (電話音質200～3 400 Hz)都會與圖像信號頻譜 (0～6 MHz)明顯重疊,無法實現頻率復用和解復用.此外,二線制傳輸線對射頻信號的衰減影響很大,不能用于長距離傳輸.本文將可視對講系統(tǒng)的視頻、音頻、數據等基帶信號,以不同的調制方式調制到各自的高頻載波,采用基于專用載波濾波器的頻分復用網絡,實現在一條同軸電纜上的遠距離雙向傳輸,并將該系統(tǒng)應用于樓宇可視對講系統(tǒng)中,產品的穩(wěn)定性好,可靠性高,聚網、布線簡單,節(jié)省了成本.

1 可視對講系統(tǒng)的載波調制

1.1 系統(tǒng)組成

基于載波調制和頻分復用技術的可視對講系統(tǒng)由主機模組、分機模組和傳輸分配網絡等組成,主機模組和每個分機模組都有各自的載波調制解調電路及頻分復用網絡.將可視對講系統(tǒng)所涉及的視頻、音頻和數據等信號的頻譜,分別搬移到不同的高頻載波,即基帶信號的載波調制,以射頻信號傳輸替代基帶信號傳輸［5－9］.根據各路載波調制信號的特點設置頻譜分布,使各路載波的頻譜之間相互錯開而不重疊.利用以載波濾波器為基礎的頻分復用和解復用網絡,結合使用信號電源混合電路,在單根同軸電纜線上獲得直流電源和射頻載波調制信號上、下行雙向無擾傳輸通道.當載波調制信號送達接收端后,再通過解調電路還原視頻、音頻和數據信號.可視對講系統(tǒng)的具體結構見圖1.

圖1 基于載波調制和頻分復用技術的可視對講系統(tǒng)Fig.1 The visual talking system based on carrier modulation and frequency division multiplexing

1.2 基帶信號的載波調制

載波調制方式的選擇要與所傳輸信號的具體頻譜特點相適應,本文對視頻、音頻和數據等信號分別采用振幅平衡調制、頻率調制和FSK調制等調制方式.

1)圖像視頻信號的振幅平衡調制 對圖像視頻信號采用振幅平衡調制,也稱為抑制載波雙邊帶調制.由于圖像視頻信號的頻帶較寬,采用振幅平衡調制比用頻率調制方式占用頻帶資源小.假設圖像視頻信號為uV(t)＝UVmcos(2πFVt),其載波信號為uc1(t)＝Uc1mcos(2πf1t),則圖像視頻的振幅平衡調制信號電壓為：

2)語音音頻信號的頻率調制 語音音頻信號的頻譜帶寬較窄,采用調頻方式,抗干擾性強、傳輸距離遠,而且對振幅平衡調制的圖像載波調制信號的相互干擾較小.假設語音音頻信號為uA(t)＝UAmcos(2πFAt),其載波信號為uc2(t)＝Uc2mcos(2πf2t),則語音音頻的頻率調制信號電壓為：

一般語音信號的最高頻率為FSmax＝15 kHz,若調頻指數mf＝5,則語音載波調制信號的帶寬B2＝2(mf＋1)FAmax＝180 kHz,比圖像視頻調制信號的帶寬小得多.

3)數據信號的FSK調制 數據信號只有高、低電平兩種狀態(tài),采用FSK調制方式［4］,抗干擾性強、可靠性高,而且對圖像的振幅平衡調制信號和語音的頻率調制信號的干擾都比較小.數據信號可以表示為：

式中：αk為二進制碼元,αk＝1出現的概率為P,αk＝0出現的概率為1－P；T為二進制碼元的持續(xù)時間；g(t)為基帶信號的時間波形.數據信號的FSK調制信號的電壓表達式為：

一般f′3與f3非常接近,在極限情況下Δf＝f′3－f3,最小帶寬B3min＝3Δf＝3/T.

因為數據信號需要雙向傳輸,主機和分機各產生一個FSK調制信號.所以在傳輸分配網絡中有兩個電壓表達式如式 (4)所示,而鍵控頻率不同的兩個FSK調制信號分別用u3(t)和u4(t)表示.

4)可視對講系統(tǒng)的復合載波調制信號 將可視對講系統(tǒng)的視頻、音頻和數據等的載波調制信號復合,根據式 (1)、式 (2)、式 (4)可得到在傳輸網絡中的復合載波調制信號電壓表達式為：

式中：f1、f2、f3(f′3)、f4(f′4)的取值必須相互錯開；圖像載波調制信號的幅度U1m應大于語音載波調制信號的幅度U2m.

1.3 載波頻率的選擇

為了實現各路載波調制信號的復用和解復用 (即接收端的分路),載波頻率的選擇要遵循以下原則：1)各路載波調制信號的頻譜不能重疊,最好有合理的頻譜間隔,以利于各路載波的頻率復用和解復用；2)符合電磁兼容的相關規(guī)定,各載波之間不能產生交調干擾,所使用的載波頻率不能干擾廣播電視信號、調頻電臺信號等；3)具有可實現性和成本優(yōu)勢.

2 載波調制解調電路與頻分復用網絡

2.1 主機模組

可視對講系統(tǒng)主機模組的載波調制解調電路和頻分復用網絡如圖2所示.圖像視頻信號的載波調制由圖像振幅平衡調制電路完成.視頻信號先與語音調頻信號 (6.5 MHz副載波)進行一次頻率復用［6］,形成頻帶寬度約為6.6 MHz的復合信號.然后將此復合信號送至圖像振幅平衡調制電路,調制為抑制載波雙邊帶調幅波,其頻帶寬度約13.2 MHz.以五階巴特沃茲濾波器作為圖像載波的載波濾波器,實現與其他載波的二次頻率復用,同時將圖像的抑制載波雙邊帶調幅信號濾波成為殘留邊帶調幅波 (簡稱載波1),其帶寬也相應減小到7.3 MHz左右.巴特沃茲濾波器具有帶內波動小的特點,可以獲得較理想的視頻信號頻率特性和殘留邊帶調幅波的頻率特性.

圖2 主機的載波調制解調和頻分復用網絡Fig.2 Carrier modulation/demodulation and frequency division multiplexing of host module

主機語音信號在主機頻率調制電路中以頻率調制方式調制到6.5 MHz副載波 (簡稱副載波),副載波頻率與視頻信號的頻譜 (0～6 MHz)錯開而不會重疊.語音信號頻譜范圍是50～15 000 Hz,最大調制頻偏為50 kHz,語音調頻信號的帶寬約為130 kHz.而由分機發(fā)送來的語音調頻信號 (載波2)以陶瓷帶通濾波器作為載波濾波器,實現與其他載波的分路,對其他載波的抑制比大于25 dB.載波2送到分機語音解調 (鑒頻)電路,解調出分機的語音信號,經放大后由揚聲器發(fā)出分機的對講聲音.

主機的數據 (按鍵、RFID門禁、報警握手等)信號在FSK調制電路中調制為頻移鍵控信號 (載波3),以三階切比雪夫濾波器1為載波濾波器［1］,實現與其他載波的復用.而由分機發(fā)送來的數據FSK調制信號 (載波4),以三階切比雪夫濾波器2為載波濾波器,經載波分路后送到主機FSK解調電路,解調出分機的數據信號,并送主機控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作.

2.2 分機模組

可視對講系統(tǒng)分機的載波調制解調和頻分復用網絡如圖3所示.在分機模組中,圖像載波調制信號以聲表面波濾波器作為載波濾波器,實現與其他載波的分路.聲表面波濾波器具有相對帶寬較寬、矩形系數較理想和帶內波動較小等特點,是頻譜較寬的圖像載波調制信號最為理想的濾波器,對帶外載波的抑制比可達40 dB以上.圖像載波調制信號(載波1)送到圖像視頻同步解調電路,解調出圖像視頻信號和主機語音調頻信號 (即6.5 MHz副載波),并在顯示屏組件重現監(jiān)視圖像.

圖3 分機的載波調制解調和頻分復用Fig.3 Carrier modulation/demodulation and frequency division multiplexing of branch module

主機語音調頻信號經6.5 MHz帶通濾波器濾除視頻信號和其他噪聲,送主機語音解調 (鑒頻)電路,解調出主機的語音信號,放大后由揚聲器發(fā)出主機的對講聲音.而分機的語音信號 (頻譜也是50～15 000 Hz),在分機語音頻率調制電路中調制為調頻信號 (載波2),其最大調制頻偏為75 kHz,語音調頻信號的帶寬為180 kHz；以陶瓷帶通濾波器作為載波2的濾波器,實現與其他載波的復用.

分機數據 (按鍵、自動報警等)信號的載波調制與主機相類似,在FSK調制電路中調制為頻移鍵控信號 (載波4),以三階切比雪夫濾波器2作為載波濾波器,實現與其他載波的復用.而由主機發(fā)送來的數據FSK調制信號 (載波3)則以三階切比雪夫濾波器1作為載波濾波器,經分路后在分機FSK解調電路中解調出主機的數據信號,并送分機控制系統(tǒng)執(zhí)行相應動作.

2.3 傳輸分配網絡

傳輸分配網絡如圖4所示,由信號電源混合電路、用戶分配網絡、傳輸主干線和傳輸支線等組成.傳輸主干線采用對射頻信號衰減較小的同軸電纜,特性阻抗為75 Ω,與信號電源混合電路、用戶分配網絡之間為不平衡連接,需要滿足傳輸線的阻抗匹配要求.信號電源混合電路將系統(tǒng)直流電源和各路載波調制信號復合到傳輸主干線,送達主機或分機的頻分復用網絡后再進行載波調制信號與電源的分離.傳輸支線兼容同軸電纜或二線制傳輸線,但采用二線制傳輸線容易折彎、便于入戶布線.用戶分配網絡具有雙向傳輸載波調制信號的功能和阻抗變換功能,不僅要將傳輸主干線的各路載波調制信號和直流電源分配給各傳輸支線,而且要進行不平衡到平衡的阻抗變換,即將同軸線的不平衡連接變換成二線制的平衡連接.

圖4 傳輸分配網絡框圖Fig.4 Transmitting and division networks

3 實驗結果

對式 (6)中的載波頻率選取分別為：f1＝38.9 MHz,f2＝10.7 MHz,f3＝20 MHz(f′3＝20.1 MHz),f4＝26 MHz (f′4＝26.1 MHz),測得復合載波調制信號的頻譜如圖5所示.各載波頻譜之間相互錯開而且有較大間隔,沒有產生交調干擾頻譜.

圖5 各路載波調制信號頻譜Fig.5 Spectum of carrier modulation signals

視頻、音頻和數據等測試信號波形分別如圖6(a)、(b)、(c)所示,上方為發(fā)送端的信號波形,下方為經過載波調制、傳輸分配網絡和載波解調的信號波形.圖像視頻信號的傳輸帶寬可達到6 MHz,相當于電視廣播級水平,優(yōu)于傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng)的傳輸帶寬3 MHz；語音信號的失真度小于3%,頻率覆蓋范圍50～15 000 Hz,達到調頻廣播的音質水平,也優(yōu)于傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng)的音頻200～3 400 Hz；數據信號傳輸效果良好,信號波形穩(wěn)定,僅波形的上下沿有輕微變緩,但不影響數據信號是高電平或低電平的邏輯判斷.

圖6 視頻、音頻和數據信號波形Fig.6 Signals of video，audio and data

本文研究的載波調制及頻分復用網絡的傳輸距離達到1 500 m以上,遠大于傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng)的傳輸距離 (小于300 m),可應用于樓宇可視對講、社區(qū)安防,也可以用于海關、銀行的監(jiān)視報警等領域.實際應用于廈門狄耐克電子科技有限公司樓宇,其可視對講系統(tǒng)的傳輸圖像如圖7(a)、(b)所示,圖7(a)和圖7(b)分別為經過可視對講系統(tǒng)的載波調制、傳輸和解調后的多功能視頻測試圖和監(jiān)視圖像,接收端的圖像畫質與發(fā)送端的圖像畫質沒有明顯差異.

圖7 樓宇傳輸圖像Fig.7 Transmitted picture

4 結論

本文提出的可視對講系統(tǒng),其視頻、音頻和數據信號,分別采用振幅平衡調制、頻率調制和FSK調制,利用巴特沃茲濾波器、切比雪夫濾波器、聲表面波濾波器和陶瓷濾波器等多種載波濾波器組合而成的頻分復用網絡,較好地解決了圖像載波、語音載波和數據載波的頻分復用和解復用；結合信號電源混合電路和分離電路,以及用戶分配網絡,實現了在一條同軸電纜遠距離雙向傳輸直流電源、圖像載波、語音載波、數據載波等信號.在廈門狄耐克電子科技有限公司實際應用于樓宇可視對講系統(tǒng)產品,產品運行效果表明,可視圖像的畫質和對講語音的音質均優(yōu)于傳統(tǒng)可視對講系統(tǒng),產品的穩(wěn)定性好、可靠性高,聯網和布線簡單,節(jié)省了線材和施工成本.

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Research of Carrier Modulation and Frequency Division Multiplexing for a Visual-Talking System

SU Qing-xiong1，ZHANG Ze-wang1，HUANG Jian-feng2
（1.School of Optoelectronics＆Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Dnake Electronics and Technology Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China）

To solve the problems that the signals of video and audio for classical visual-talking system were easily interfered，and there were low stability and complex networks，it was proposed that the video，audio and digital signals of a visual-talking system were modulated on the high frequency carriers，separately in the ways of amplitude modulating，frequency modulating and frequency shift key modulating.And the networks of frequency division multiplexing based on professional filters were used.It was realized that DC power，picture carrier，sound carrier and data carrier are transmitted in one coaxial wire with double-directions for a long distance.The qualities of picture and sound，and the reliability of system，were also improved.That was actually applied in the visual-talking system of building，and the results showed that the qualities of visual image and talking voice were better than the traditional visual-talking system.

visual-talking；carrier modulation；frequency division multiplexing；transmitting in doubledirections；carrier filter

TN76;TN914

A

1673－4432（2015）05－0046－06

（責任編輯 雨 松）

2015－04－09

2015－05－27

廈門理工學院高層次人才項目 (YKJ1004R)；廈門理工學院校企合作項目 (HX14010)；福建省教育廳科技項目 (JA14244)

蘇慶雄 (1962－),男,高級工程師,碩士,研究方向為電路與系統(tǒng)、電磁兼容.E-mail：suqing xiong＠xmut.edu.cn