基于正極性電視信號的場消隱期數據傳輸

殷希梅，張燚翾，張 抒

（1.解放軍炮兵學院 彈藥工程教研室，安徽 合肥 230031；2.解放軍炮兵學院 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，場消隱期的應用主要有電視廣播用于傳送圖文電視節目，工業上用于傳輸監控數據。而現有的場消隱期數據傳輸電路先采用專用的行、場分離電路，這種方法雖然實現了數據準確地疊加，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據信息。一般性的應用，比如監測系統，數據的傳輸量相對比較少，因而不需要準確的行數，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計了一種基于正極性電視信號的場消隱期數據傳輸電路，采用特殊的同步頭將數字信號疊加在場消隱期的空余資源中，采用奇偶校驗法有效實現數據信號傳輸的完整性和穩定性。

1 場消隱期概述

1.1 場消隱信號的特點

我國采用PAL制電視信號，規定的電視系統的視頻帶寬為6 MHz，選定每幀圖像的掃描行數為625行，正極性的全電視信號[4]如圖 1所示。我國廣播電視標準規定：正極性的全電視信號中，各合成信號的電平關系是以白電平為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，隨圖像內容變化。

場消隱期為圖1所示奇數場消隱信號中的第623～22行，偶數場消隱信號中的第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致的并行現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 電視信號的發送、接收

我國電視標準規定，圖像載波調制方式為負極性振幅調制[4]。對于正極性的全電視信號一般都要先反向為負極性，然后再調制到更高頻率的載波上，經天線輻射出去。接收時，接收機從載波信號中解調出全電視信號，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射系統“同步”。

1.3 場消隱期數據傳輸技術特點

場消隱期數據傳輸技術具有以下特點：1）以數據廣播的形式進行，發送成本與接收者的多少無關，且接收不占用通信網絡系統設備；2）運用時分復用方法，以寄生信號的形式加載在電視信號的場消隱期傳播，在發送端和接收端均無需作新的較大投資，不影響應用電視的直接播放；3）搭載在電視信號中傳播，不占用新的獨立的空中無線電資源，不增加應用電視的傳輸帶寬[3]。

2 系統設計

由場消隱期數據信號的特點可知，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。而接收端要實現準確行同步，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。而疊加的數據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，場消隱期數據傳輸的原理：發送端，找到電視信號的場消隱期并在其中疊加數據，再把電視信號送入調制發送電路；接收端，找到解調后電視信號的場消隱期并按約定的格式讀出其中的數據并通過串口送給PC機，以供進行相關的處理。正極性電視信號場消隱期數據傳輸的原理框圖如圖2所示。

3 系統硬件電路設計

硬件電路設計主要包括場同步檢測電路、圖像數據融合電路、讀數據電路和與PC機通信電路。PC機通信電路采用串口通信電路，讀數據電路只需要微控制器在找到場同步信號后按數據的幀結構采用I/O接口讀出數據。

3.1 場同步監測電路

監測電路用于找到場同步信號到達時刻，以便在場消隱期期間插入及檢出數據信息。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的觸發信號。

場監測電路如圖3所示。視頻信號從C1輸入，經過監測電路，最后到達微控制器的模擬比較器正向輸入端AIN0[6]，再與負向輸入端口AIN1[6]的設定值進行比較，判斷場同步信號是否到達。電容C1濾出視頻信號中的直流量。電阻R1、R2、R3為三極管VQ1設置合適的靜態工作點，使VQ1只在視頻信號的同步脈沖處導通。 R6、C2、R7、C3為兩級積分電路，對經過三極管后的視頻信號進行積分。電阻R4、R5用于設定比較電壓值。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，這里負向輸入端口AIN1的設定值取二者峰值的平均值。經過雙極性三極管和兩級積分電路的視頻信號如圖4所示。可以看出，視頻信號、行同步信號和消隱信號的復合信號經過積分電路后的電壓值在0.8～0.9 V的范圍內，而場同步信號的經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時期。

3.2 圖像數據融合電路

圖像數據融合電路是數據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，且每個通道有單獨的控制引腳。為了減小開關電路中視頻信號和數據信號的損失，每個信號占用兩個通道，并在輸出端疊加在一起。監測到場同步信號之后，微控制器關閉視頻通道IN1-OUT1、IN4-OUT4，打開數據通道IN2-OUT2、IN3-OUT3，疊加數據；數據疊加完畢之后，微控制器關閉數據通道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VQ2增強帶載能力，才能送至調制電路。疊加數據后的視頻信號如圖6所示。數據信號疊加在均衡脈沖后，數據信息高低電平分明，易于辨別。

4 系統軟件設計

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

檢出數據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據并通過串口送給PC機，獲得所需的信息。場同步信號到來時觸發模擬比較器中斷，單片機按照一定得幀格式從視頻信號中讀出數據并通過串口發送給PC機，然后等待下一個模擬比較器中斷。

在以上兩個程序設計當中，如何正確在接收端檢出視頻中疊加的數據是最關鍵的，為此設計了一種數據傳輸幀格式，如表1所示。

表1 數據幀的格式Tab.1 Structure of data frame

同步頭用于找到數據開始的準確位置，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確地找到數據開始位置。有了數據準確的開始位置，就可根據每一位所占的時間檢出數據。數據個數可根據需要增加或減少，但是在同一個系統中它是已知值。校驗位用于簡單驗證數據的正確性，防止在無線傳輸過程中因干擾而改變的數據被認作正確數據來處理，這里采用奇偶校驗法。

5 結束語

所實現的場消隱期數據的場同步監測電路設計節省了資源，保證了數據幀的結構確保數據信息傳輸的穩定性和完整性。由于系統使用的是簡單的奇偶校驗法，不易用于傳輸大量的數據。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，瞬時數據速率不宜超過100 Kb/s。

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[4]陳賢堯，卓歸生，張蠕年，等.彩色電視接收機原理[M].北京：高等教育出版社，1993.

[5]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998：47-51.

[6]Atmel Corporation.ATmega16 datasheet[EB/OL].[2010-01-20].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8154.pdf.

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

[8]徐愛鈞，彭秀華.KeIl Cx51 V7.0單片機高級語言編程與μVision2應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2008.