用SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備

王凱

（中國(guó)傳媒大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京　100024）

用SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備

王凱

（中國(guó)傳媒大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京100024）

1　引言

“西新工程”以來(lái)，我國(guó)無(wú)線廣播監(jiān)測(cè)網(wǎng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，為適應(yīng)新形勢(shì)下廣播電視安全播出的需要，建立健全廣播電視信息安全保障體系作出了巨大貢獻(xiàn)。

目前，我國(guó)的無(wú)線廣播監(jiān)測(cè)網(wǎng)的遙控監(jiān)測(cè)站、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)系統(tǒng)，絕大部分由通用工控機(jī)、通用Windows操作系統(tǒng)、通用I/O板卡、專(zhuān)業(yè)測(cè)量板卡四部分構(gòu)成。與目前流行的嵌入式技術(shù)相比，這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)顯示出系統(tǒng)冗余、功耗太大、板卡繁多、安裝復(fù)雜、維護(hù)困難、故障率高、可靠性差等諸多問(wèn)題和不足。極少數(shù)站點(diǎn)引入了嵌入式系統(tǒng)的概念，采用了Windows XPE+嵌入式計(jì)算機(jī)主板+通用電源系統(tǒng)+專(zhuān)業(yè)測(cè)量板卡的結(jié)構(gòu)，但是仍然存在系統(tǒng)連線多且長(zhǎng)、可靠性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上仍然不能滿足嵌入式的要求。目前的設(shè)備系統(tǒng)冗余，操作系統(tǒng)不能裁減，沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)優(yōu)化配置，冗余部分不但造成系統(tǒng)軟件體積龐大，而且會(huì)給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患；工控機(jī)功耗太大，不滿足節(jié)約能源、低功耗、穩(wěn)定性的要求；板卡眾多占用了大量的系統(tǒng)資源和計(jì)算機(jī)接口，計(jì)算機(jī)需要頻繁與多個(gè)設(shè)備通信，且安裝調(diào)試?yán)щy，設(shè)備板卡主要采用PCI，ISA，PC104接口方式，不支持熱插拔，如果設(shè)備板卡出現(xiàn)故障，就要打開(kāi)機(jī)箱才能更換；系統(tǒng)連線眾多，維護(hù)困難，一旦有比較嚴(yán)重的故障發(fā)生，往往需要技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題，由于監(jiān)測(cè)設(shè)備大部分都安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)，交通極不方便，使得監(jiān)測(cè)網(wǎng)的維護(hù)成本高、工作量大。這些問(wèn)題的存在已是監(jiān)測(cè)網(wǎng)安全、有效、穩(wěn)定運(yùn)行的潛在隱患。

針對(duì)上述情況，根據(jù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展和廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀，研制一種“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能劃分簡(jiǎn)潔、維護(hù)簡(jiǎn)單”的廣播監(jiān)測(cè)遙控站、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

2　新一代嵌入式廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.1特點(diǎn)

圖1　新一代嵌入式廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化和儀器化設(shè)計(jì)的思想，系統(tǒng)的核心部分設(shè)計(jì)成一臺(tái)嵌入式廣播監(jiān)測(cè)儀，只需將天線、電源和電話線（或網(wǎng)線）插入相應(yīng)的插口，即可使用。取消了原來(lái)計(jì)算機(jī)外部紛繁復(fù)雜的信號(hào)連線，使得設(shè)備安裝非常方便。嵌入式廣播信號(hào)監(jiān)測(cè)儀由嵌入式計(jì)算機(jī)、接收機(jī)，嵌入式多路信號(hào)測(cè)量卡，語(yǔ)音壓縮卡和液晶顯示屏組成，帶有完善的人—機(jī)接口。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想完全體現(xiàn)了模塊化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)。如圖1所示。

2.2選用高性能嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用ETX方式，電源為國(guó)際通用型輸入為寬幅110～240V、頻率50～60Hz自適應(yīng)，CPU處理器性能高、以太網(wǎng)適應(yīng)范圍寬，I/O接口多（四個(gè)RS232、四個(gè)USB2.0），系統(tǒng)支持CF卡和硬盤(pán)雙系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部連線少（只有兩條硬盤(pán)連線），集成度高，采用鋁擠型外殼，散熱性能高。

2.3采用SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路多功能測(cè)量卡

調(diào)幅度是調(diào)幅發(fā)射機(jī)播音時(shí)最重要的技術(shù)指標(biāo)。目前，調(diào)幅度監(jiān)測(cè)設(shè)備采用方法有：

（1）中頻采樣濾出音頻信號(hào)，用最大音頻電平除以平均音頻電平（代替載波電平）計(jì)算出調(diào)幅度，這種方法在用單音頻檢測(cè)時(shí)是正確的，因?yàn)閱我纛l正弦信號(hào)的正負(fù)峰是對(duì)稱的，但是實(shí)際的音頻并非正負(fù)對(duì)稱，平均音頻電平與載波并不相等，因此計(jì)算出的調(diào)幅度是不正確的。

（2）采用功率譜來(lái)計(jì)算調(diào)幅度的方法，但是這種方法需要一段時(shí)間采樣后再做頻譜分析，計(jì)算的結(jié)果是一段時(shí)間的平均調(diào)幅度，并非瞬時(shí)調(diào)幅度。

（3）直接中頻采樣，然后用數(shù)字濾波器將音頻電平和載波電平濾出來(lái)，計(jì)算調(diào)幅度。由于要將載波電平濾出，就要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率在2～3Hz的數(shù)字濾波器，通過(guò)數(shù)字信號(hào)的理論分析可以知道，即使采用第三中頻采樣，設(shè)計(jì)出的截止頻率為5Hz的數(shù)字濾波器的階數(shù)要達(dá)到100，000以上，在實(shí)際應(yīng)用中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。在單音頻（1kHz）測(cè)試的時(shí)候，如果設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為200Hz的濾波器，階數(shù)只有幾百階，測(cè)量結(jié)果可以滿足要求，但是實(shí)際音頻信號(hào)的頻譜分布在50Hz～6kHz之間，因此，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中也是不可行的。

以上三種方法用單音頻測(cè)試時(shí)，調(diào)幅度指示正確，并且基本上和信號(hào)源沒(méi)有誤差，但在實(shí)際應(yīng)用中，這三種方法計(jì)算出來(lái)的調(diào)幅度值和實(shí)際信號(hào)相比誤差大于15％。出現(xiàn)的情況是一會(huì)兒大，一會(huì)兒小，實(shí)際是和節(jié)目源（說(shuō)話、音樂(lè)、打擊樂(lè)）的關(guān)系。本設(shè)備采用的是調(diào)幅度測(cè)量的基本原理：為保證調(diào)幅度測(cè)量結(jié)果不受信號(hào)幅度的影響，必須對(duì)接收機(jī)輸出的調(diào)幅廣播中頻信號(hào)進(jìn)行增益控制。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)AGC放大器后進(jìn)行檢波，檢波后的信號(hào)一分為二經(jīng)過(guò)兩個(gè)截止頻率不同的低通濾波器：一路濾出直流載波信號(hào)，另一路濾出音頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)AD采樣得到直流載波和音頻的電平大小，計(jì)算出調(diào)幅度和實(shí)際信號(hào)相比誤差小于3％。

調(diào)頻廣播的調(diào)制度測(cè)量有多種方法。如基于軟件無(wú)線電的數(shù)字解調(diào)方法和模擬下變頻數(shù)字鑒頻的方法等，這兩種方法都需要進(jìn)行AD采樣，因而系統(tǒng)的抗干擾性和精確性都容易受到信號(hào)質(zhì)量的影響。我們研究了一種新的數(shù)字解調(diào)方法，直接使用FPGA實(shí)現(xiàn)算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒頻和解調(diào)的功能，監(jiān)測(cè)調(diào)頻頻偏的變化，測(cè)量精度小于1kHz。

通常情況下，測(cè)量高頻等幅波信號(hào)的頻率時(shí)，大多是用頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)量，它的基本原理是將等幅正弦波信號(hào)進(jìn)行放大、整形，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，然后對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)。當(dāng)高頻信號(hào)的幅度被調(diào)制后，尤其在深度調(diào)幅（比如100％），高頻信號(hào)在調(diào)制負(fù)峰時(shí)，幅度很小，甚至有小到零的時(shí)候，這時(shí)候的正弦波信號(hào)被放大整形后變成的脈沖信號(hào)會(huì)有脈沖丟失，因而會(huì)造成記數(shù)的不準(zhǔn)確。為解決這一問(wèn)題，測(cè)量幅度被調(diào)制的高頻載波信號(hào)的頻率時(shí)，有的用比較法，有的采用鎖相環(huán)濾除幅度調(diào)制的影響，脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)頻。我們采用一種新型方法，現(xiàn)代功率譜估計(jì)的方法，測(cè)量出信號(hào)的頻譜，監(jiān)測(cè)最大功率的頻譜的變化，即可監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻譜偏移，測(cè)量精度小于2Hz。

在測(cè)量板卡的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用最新的嵌入式技術(shù)，利用超大規(guī)模集成電路片上系統(tǒng)（SOC）技術(shù)，基于FPGA芯片設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP核，能夠同時(shí)進(jìn)行多路調(diào)幅度、調(diào)制度和頻偏的測(cè)量，同時(shí)具備數(shù)字接口卡和看門(mén)狗的功能，將所有的指標(biāo)測(cè)量功能集成到超大規(guī)模集成電路來(lái)完成，大大減小接口數(shù)目和板卡的數(shù)量、體積。該卡與計(jì)算機(jī)通信采用USB接口，嵌入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，縮小了系統(tǒng)的體積，極大減少了計(jì)算機(jī)負(fù)載。

2.4使用嵌入式操作系統(tǒng)

目前的廣播監(jiān)測(cè)網(wǎng)遙控站、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)大部分采用：系統(tǒng)軟件使用Windows2000 Server，Windows2000 Professional或嵌入式Windows XPE；硬件采用通用工控機(jī)或第一代嵌入式工控機(jī)+板卡方式，板卡設(shè)備采用PCI，ISA，RS232接口。由于板卡設(shè)備大部分采用PCI，ISA總線方式并且使用多塊板卡，它需要計(jì)算機(jī)供電，造成計(jì)算機(jī)負(fù)載過(guò)大、并且PCI，ISA接口是并行總線，而PCI總線的中斷必須通過(guò)計(jì)算機(jī)南橋來(lái)通知CPU這樣就容易造成計(jì)算機(jī)不穩(wěn)定。當(dāng)計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)和非正常關(guān)機(jī)時(shí)，就容易造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰。

由于廣播監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需要，本系統(tǒng)需要強(qiáng)大操作系統(tǒng)的支持，而一般的嵌入式操作系統(tǒng)（如uC/ OSII，WinCE，VxWorks等）不能滿足要求，可以選擇的是Linux和Windows XP Embedded，但后者更易于開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。

Windows XP Embedded就是Windows XP的一種有著靈活定制能力的特殊版本，其產(chǎn)品主要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)。因?yàn)榕cWindows XP Professional基于完全同樣的代碼，能夠充分利用到PC工業(yè)今天已經(jīng)積累起來(lái)的豐富軟硬件資源，并增加了嵌入式系統(tǒng)所必需的諸多特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)一系列低發(fā)展內(nèi)存占用量目標(biāo)。

我們?cè)谙到y(tǒng)中配置了Compact Flash（CF card）卡并內(nèi)建一個(gè)經(jīng)過(guò)裁減的Embedded XP操作系統(tǒng)。使用CF卡的原因是在無(wú)人值守的運(yùn)行環(huán)境下，CF卡所提供的插針式接口，在可靠度、防震動(dòng)及穩(wěn)定度上均比一般的硬盤(pán)要好得多。

3　結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。

從目前大規(guī)模集成電路的發(fā)展水平來(lái)看：采用SOC技術(shù)基于FPGA將多路多功能廣播信號(hào)測(cè)量作在一塊集成電路芯片上，用USB接口方式和計(jì)算機(jī)通信將極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。用嵌入式計(jì)算機(jī)+接收機(jī)+專(zhuān)用廣播信號(hào)測(cè)量卡+語(yǔ)音壓縮卡+UPS電源組成+嵌入式雙操作系統(tǒng)Windows XPE+應(yīng)用軟件的遙控站或數(shù)據(jù)采集點(diǎn)系統(tǒng)，能很好解決上述問(wèn)題，在技術(shù)上有很大進(jìn)步，可以更好地為廣播監(jiān)測(cè)事業(yè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能劃分簡(jiǎn)潔、維護(hù)簡(jiǎn)單”。

Develop the Embedded Broadcast Monitoring Equipment by SOC （System on a Chip） Technology

Wang Kai
（Communication University of China，Beijing，100024）