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(hào)的場(chǎng)消隱期（VBI）[1]指前一場(chǎng)的圖像掃描完畢，電子束從前一場(chǎng)尾部回掃到當(dāng)前場(chǎng)起始位置的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中電視不顯示圖像。目前，場(chǎng)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?cái)?shù)據(jù)。而現(xiàn)有的場(chǎng)消隱期數(shù)據(jù)傳輸電路先采用專用的行、場(chǎng)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(lái)找出疊加的數(shù)據(jù)信息。一般性的應(yīng)用，比如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的傳輸量相對(duì)比較少，因而不需要準(zhǔn)確的行數(shù)，只要不影響電視信號(hào)的正常播放即可。

本文采用一個(gè)雙極性三極管和兩級(jí)積分電路設(shè)計(jì)了一種基于正極性電視信號(hào)的場(chǎng)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(hào)疊加在場(chǎng)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(hào)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

1 場(chǎng)消隱期概述

1.1 場(chǎng)消隱信號(hào)的特點(diǎn)

我國(guó)采用PAL制電視信號(hào)，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(hào)[4]如圖 1所示。我國(guó)廣播電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：正極性的全電視信號(hào)中，各合成信號(hào)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(hào)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(chǎng)消隱期為圖1所示奇數(shù)場(chǎng)消隱信號(hào)中的第623～22行，偶數(shù)場(chǎng)消隱信號(hào)中的第311～335行。場(chǎng)消隱期期間傳送均衡脈沖和行、場(chǎng)同步信號(hào)。場(chǎng)同步信號(hào)的脈寬占2.5 TH[4]的時(shí)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(chǎng)同步信號(hào)的前后各5個(gè)均衡脈沖，即每隔半行一個(gè)，其脈寬為2.35 μs，用于消除由接收端相鄰奇偶兩場(chǎng)同步信號(hào)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(chǎng)可有效利用 16個(gè)空行，即6～22行，318～335行。

1.2 電視信號(hào)的發(fā)送、接收

我國(guó)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(duì)于正極性的全電視信號(hào)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(shí)，接收機(jī)從載波信號(hào)中解調(diào)出全電視信號(hào)，再用同步分離電路把全電視信號(hào)中的同步脈沖分離出來(lái)，并進(jìn)一步把行和場(chǎng)同步脈沖分開。然后用分離出來(lái)的場(chǎng)同步信號(hào)去控制場(chǎng)掃描振蕩器，用行同步信號(hào)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(chǎng)消隱期數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)

場(chǎng)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(wú)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(shí)分復(fù)用方法，以寄生信號(hào)的形式加載在電視信號(hào)的場(chǎng)消隱期傳播，在發(fā)送端和接收端均無(wú)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(hào)中傳播，不占用新的獨(dú)立的空中無(wú)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(jì)

由場(chǎng)消隱期數(shù)據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)可知，場(chǎng)消隱期期間除去場(chǎng)同步信號(hào)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(hào)。因此，圖1所示的6～19、318～332行，均可用來(lái)傳輸其他信息。而疊加的數(shù)據(jù)信息在場(chǎng)消隱期中均衡脈沖后，并不影響電視信號(hào)的正常播放。因此，場(chǎng)消隱期數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑恚喊l(fā)送端，找到電視信號(hào)的場(chǎng)消隱期并在其中疊加數(shù)據(jù)，再把電視信號(hào)送入調(diào)制發(fā)送電路；接收端，找到解調(diào)后電視信號(hào)的場(chǎng)消隱期并按約定的格式讀出其中的數(shù)據(jù)并通過(guò)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(hào)場(chǎng)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(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括場(chǎng)同步檢測(cè)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(chǎng)同步信號(hào)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(chǎng)同步監(jiān)測(cè)電路

監(jiān)測(cè)電路用于找到場(chǎng)同步信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，以便在場(chǎng)消隱期期間插入及檢出數(shù)據(jù)信息。正極性的電視信號(hào)同步信號(hào)電平不同于其他合成信號(hào)，同步信號(hào)要比消隱信號(hào)電平低0.3～0.4 V，比圖像信號(hào)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(hào)。再通過(guò)對(duì)分離出的同步信號(hào)積分便可得到微控制器容易辨認(rèn)的觸發(fā)信號(hào)。

場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。視頻信號(hào)從C1輸入，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)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(chǎng)同步信號(hào)是否到達(dá)。電容C1濾出視頻信號(hào)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(hào)的同步脈沖處導(dǎo)通。 R6、C2、R7、C3為兩級(jí)積分電路，對(duì)經(jīng)過(guò)三極管后的視頻信號(hào)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(hào)很窄，積分后峰值小，而場(chǎng)同步信號(hào)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(guò)雙極性三極管和兩級(jí)積分電路的視頻信號(hào)如圖4所示?？梢钥闯觯曨l信號(hào)、行同步信號(hào)和消隱信號(hào)的復(fù)合信號(hào)經(jīng)過(guò)積分電路后的電壓值在0.8～0.9 V的范圍內(nèi)，而場(chǎng)同步信號(hào)的經(jīng)過(guò)兩級(jí)積分電路后的峰值在2.2 V左右，且有大于80 μs的時(shí)間積分電壓大于2 V。因此有足夠的時(shí)間和壓差保證微控制器正確得到場(chǎng)同步信號(hào)的到達(dá)時(shí)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(hào)插入到視頻信號(hào)的場(chǎng)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(gè)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(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的損失，每個(gè)信號(hào)占用兩個(gè)通道，并在輸出端疊加在一起。監(jiān)測(cè)到場(chǎng)同步信號(hào)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(hào)。由于微控制器輸出的信號(hào)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(hào)如圖6所示。數(shù)據(jù)信號(hào)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(jì)

軟件采用C語(yǔ)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(jì)等程序。疊加數(shù)據(jù)的程序用于發(fā)送端找出電視信號(hào)的場(chǎng)同步信號(hào)并在場(chǎng)消隱期疊加數(shù)據(jù)信號(hào)。場(chǎng)同步信號(hào)到來(lái)時(shí)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(hào)中，然后采集數(shù)據(jù)，等待下一個(gè)模擬比較器的中斷。

檢出數(shù)據(jù)信號(hào)的程序用于在接收端從電視信號(hào)的場(chǎng)消隱期中檢出數(shù)據(jù)并通過(guò)串口送給PC機(jī)，獲得所需的信息。場(chǎng)同步信號(hào)到來(lái)時(shí)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(hào)中讀出數(shù)據(jù)并通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)，然后等待下一個(gè)模擬比較器中斷。

在以上兩個(gè)程序設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間）的低電平，如圖6中所示。長(zhǎng)時(shí)間的高電平使得微控制器有足夠的時(shí)間同步，固定時(shí)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(shí)間檢出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)可根據(jù)需要增加或減少，但是在同一個(gè)系統(tǒng)中它是已知值。校驗(yàn)位用于簡(jiǎn)單驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，防止在無(wú)線傳輸過(guò)程中因干擾而改變的數(shù)據(jù)被認(rèn)作正確數(shù)據(jù)來(lái)處理，這里采用奇偶校驗(yàn)法。

5 結(jié)束語(yǔ)

所實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)消隱期數(shù)據(jù)的場(chǎng)同步監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(hào)帶寬限制和微控制器本身的工作頻率限制，瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率不宜超過(guò)100 Kb/s。

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