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電視信號的實(shí)時監(jiān)測與數(shù)字化處理
摘要：基于射頻和視頻指標(biāo)的測量將模擬視頻信號數(shù)字化，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷和識別，并對異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和記錄，構(gòu)成了一套對電視信號進(jìn)行實(shí)時跟蹤監(jiān)測與管理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：電視信號 視頻指標(biāo) 監(jiān)測系統(tǒng) 數(shù)字處理
前廣播電視網(wǎng)基本上覆蓋了全國各地，廣播和電視已經(jīng)成為人民生活中不可缺少的重要部分，同時也是中央和地方政府以及科學(xué)技術(shù)、文化、衛(wèi)生等部門的主要傳媒和信息傳播工具。廣播電視網(wǎng)播出的內(nèi)容質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的正常與否，直接影響黨和政府方針政策的宣傳貫徹和社會的穩(wěn)定，同時也將影響全國各行業(yè)之間、國內(nèi)與國外之間信息的準(zhǔn)確和及時傳播。因此，利用高科技對全國廣播電視網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對于加強(qiáng)中央控制、凈化屏幕和提高接收質(zhì)量，防止異常干擾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文正是基于上述考慮，提出了對電視播放出現(xiàn)的大故障如停播、無圖像、無伴音等定性指標(biāo)和信號質(zhì)量劣變等定量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。采用數(shù)字化自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以大大提高廣播電視監(jiān)測的自動化水平，使廣播電視監(jiān)測更加準(zhǔn)確、及時、可靠，同時也可大大減輕值班和管理人員的工作量。
１ 監(jiān)測系統(tǒng)組成
本監(jiān)測系統(tǒng)可以對播出中的電視信號無圖像、無伴音以及圖像靜止報(bào)警，并且可以對射頻及視頻指標(biāo)進(jìn)行測量。系統(tǒng)原理如圖１所示。
本檢測系統(tǒng)由三部分組成：射頻指標(biāo)測量、音視頻數(shù)據(jù)檢測與處理、通信與參數(shù)設(shè)置。電視的射頻信號ＲＦ輸入后，經(jīng)過分支器，將其中一路進(jìn)行射頻指標(biāo)的測量，如圖像電平、聲音電平、載噪比等；另一路輸入到高頻頭，解調(diào)出音視頻信號，進(jìn)行后處理。音頻信號經(jīng)過Ａ／Ｄ采樣后，通過ＦＰＧＡ可以判斷伴音的有無。視頻信號在采樣后的數(shù)據(jù)處理本文將重點(diǎn)論述。系統(tǒng)使用ＭＣＵ對可編程的高頻頭和圖像采樣芯片進(jìn)行設(shè)置，將報(bào)警和處理結(jié)果上傳。
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２ 射頻指標(biāo)測量
我國的國家標(biāo)準(zhǔn)對電視信號的性能參數(shù)已做出了一系列規(guī)定。這些性能參數(shù)按照其性質(zhì)可分為兩類：一類是在射頻上測試的性能參數(shù)；另一類是在視頻上測試的性能參數(shù)。射頻指標(biāo)有圖像電平?系統(tǒng)輸出口電平?、伴音電平、載噪比、圖像載頻點(diǎn)頻偏等?１?。
圖像電平表示當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，系統(tǒng)輸出口上的圖像載波電平范圍。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)輸出口的電平為５７ｄＢμＶ～８３ｄＢμＶ，對于ＵＨＦ波段則要求為６０ｄＢμＶ～８３ｄＢμＶ。
伴音電平是指電視信號中音頻信號的載波電平。要求它比圖像電平低１７±３ｄＢμＶ。因?yàn)閳D像電平和伴音電平均用分貝表示（對數(shù)關(guān)系），所以圖像電平／伴音電平之比?Ｖ／Ａ?＝圖像電平（對數(shù)）－伴音電平（對數(shù)）。Ｖ／Ａ的范圍對鄰頻傳輸系統(tǒng)為１７±３ｄＢ。
有線電視系統(tǒng)除前端攝像機(jī)輸出信號為視頻信號外，其余部分傳輸?shù)男盘柖际歉哳l載波信號（射頻信號），通常使用載噪比這一概念。它定義為載波功率和噪聲功率之比：
C/N＝２０ｌｇ（載波電壓/噪聲電壓）
斜率是指兩頻道間載波電平差。要求相鄰兩頻道間載波電平差≤３ｄＢ?任意兩頻道間載波電平差≤８～１０ｄＢ。這個指標(biāo)可以反映全頻道內(nèi)的頻率特性。
圖像載頻點(diǎn)相對于標(biāo)準(zhǔn)載頻點(diǎn)的偏移稱為載頻點(diǎn)偏移量。如偏移過大，則會使圖像電平下降。
上述射頻指標(biāo)可以采用場強(qiáng)儀直接測量，只需在接口中加入一些通信協(xié)議即可，本文不加贅述。
３ 視音頻數(shù)據(jù)處理
在高頻頭解調(diào)出音視頻信號后，將分別進(jìn)行信號處理。
３．１ 音頻數(shù)據(jù)的處理
因?yàn)橐纛l的采樣速率可以較慢（在監(jiān)控系統(tǒng)中，一般為幾ｋＨｚ～幾十ｋＨｚ），因此可采用較便宜的串行輸出芯片進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，而在ＦＰＧＡ中再進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并作進(jìn)一步處理。這樣可以減少所使用芯片的Ｉ／Ｏ腳，進(jìn)而可以縮小ＰＣＢ的面積，還可以提高ＦＰＧＡ的使用率，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的性價比。一般而言，音頻信號只需判斷有無即可。
３．２ 視頻數(shù)據(jù)的處理
視頻的同步分離可以得到奇偶場信號，可以用該信號作為控制信號，只對奇場進(jìn)行處理。電視視頻信號經(jīng)視頻采樣芯片后，可得到（ＵＹＶＹ）形式的數(shù)字碼流ＩＰＤ，同時還有場同步信號ＩＧＰＶ、行同步信號ＩＧＰＨ以及碼流時鐘ＩＣＬＫ。它們的時序關(guān)系如圖２所示。
３．２．１ 視頻報(bào)警處理
若沒有同步信號，則可以判斷為無圖像報(bào)警。而在有同步信號的情況下，對視頻數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理可以得到圖像靜止的報(bào)警。先將一場的數(shù)據(jù)存入存儲器（共有４字節(jié)／點(diǎn)×３６０點(diǎn)／行×２４０行／場＝３４５６００字節(jié)，故需選用５１２ＫＢ ＲＡＭ），在新的一場數(shù)據(jù)到來時將其讀出并比較，同時將新一場的數(shù)據(jù)存入存儲器中。若兩場中有若干數(shù)據(jù)相同，則認(rèn)為該兩場信號沒有發(fā)生變化，即為圖像靜止報(bào)警。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)橐粓鲂盘杻H占用０．０２ｓ時間，因此沒有必要對每場都進(jìn)行比較，可以通過計(jì)時，每０．５ｓ比較一次。這可以通過在ＦＰＧＡ中設(shè)計(jì)一個計(jì)數(shù)器方便地實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)器對ＩＧＰＶ計(jì)數(shù)，每當(dāng)計(jì)數(shù)值為２５時進(jìn)行一次比較，即可得到滿意的結(jié)果。
３．２．２ 視頻指標(biāo)處理
當(dāng)用戶要求對信號質(zhì)量逐漸劣變進(jìn)行監(jiān)測時，僅僅對圖像靜止、無圖像、無伴音等的定性測量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要更好的測量手段對電視信號的視頻指標(biāo)測量。電視視頻信號指標(biāo)測試的原理是對在電視信號逆程插入的一組標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣、計(jì)算及處理。
國際無線電咨詢委員會（ＣＣＩＲ）早在１９６９年就推薦用于國際節(jié)目交換的６２５行系統(tǒng)的電視插入測試行信號，規(guī)定１７、１８（３３０、３３１）行為國際電視插入測試信號位置，供國際間的傳播、交換節(jié)目使用；１９、２０（３３２、３３３）行供各國國內(nèi)插入測試信號使用。第１７、１８行電視插入測試行如圖３?ａ?、?ｂ?所示。
測試行信號主要含如下幾種測試信號：
（１）白條方波：幅度為０．７Ｖ±７ｍＶ，作為標(biāo)準(zhǔn)電平；
（２）２Ｔ正弦方波：可用于檢查通道的高頻特性等；
（３）充填色度副載波的１０Ｔ或２０Ｔ信號：用來檢查通道的色度亮度不等性；
（４）五級階梯波：用于檢測通道的亮度非線性失真；
（５）疊加有色度副載波的階梯波信號：用于檢查由于通道亮度部分的變化引起的色度幅度和相位的失真；
（６）多波群信號：用于測量通道６ＭＨｚ帶寬的幅頻特性。
對于反映視頻信號質(zhì)量的指標(biāo)，按ＧＢ ３６５９－８３《電視視頻通道測試方法》中定義，可從逆程的１７、１８和３３０、３３１插測行中提取。通過ＤＳＰ對上述采樣數(shù)據(jù)的處理，可以得到如下各指標(biāo)：
（１）介入增益：這項(xiàng)指標(biāo)可以反映圖像的對比度、平均亮度和色飽和度；
（２）Ｋ系數(shù)Ｋｂ和Ｋｐｂ：人的視覺對不同波形的失真有不同的敏感度，這兩個Ｋ系數(shù)能把波形失真和觀眾對圖像損傷的反映聯(lián)系起來，Ｋ系數(shù)評價法就是在各種波形失真按人眼視覺特性給出不同評價的基礎(chǔ)上度量圖像損傷的一套系統(tǒng)方法；
（３）短時間波形失真：這個指標(biāo)反映２Ｔ脈沖的幅度，它能方便地識別高頻失真；
（４）亮色增益差ΔＫ：此指標(biāo)能反映圖像“摻白”量的變化及引起的色飽和度的變化；
（５）亮色時延差Δτ：當(dāng)亮色時延差Δτ較大時，會引起圖像套色；
（６）亮度非線性失真Ｄ：如果這項(xiàng)指標(biāo)過大，會造成圖像亮度不均；
（７）隨機(jī)雜波信雜比：雜波對信號的干擾十分明顯。隨機(jī)雜波在圖像上表現(xiàn)為雪花狀的干擾，使熒光屏出現(xiàn)象下雪似的圖像背景，影響圖像的清晰度；
（８）幅頻特性：幅頻特性反映６ＭＨｚ帶寬內(nèi)的頻率響應(yīng)，特別能看出傳輸通道內(nèi)頻率的衰減情況，當(dāng)高頻損失較大時，圖像的邊緣就會變得不清晰；
（９）微分相位ＤＰ和微分增益ＤＧ：ＤＰ和ＤＧ是由于亮度的變化引起色度相位和幅度的變化。它會引起色飽和度的變化，當(dāng)圖像上出現(xiàn)彩色字幕時，這種失真使彩色字幕相對于背景出現(xiàn)不正常的對比度。
本文闡述了一種可以很好地監(jiān)測電視信號定性播出質(zhì)量和定量視頻指標(biāo)的方法，可以有效地提高廣播電視監(jiān)測自動化的水平。由于電視信號在播放過程中，隨時都可能由于各種原因發(fā)生異常狀態(tài)，因此需要每時每刻對每個電視臺播出的節(jié)目進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以保證播出的廣播電視質(zhì)量和安全。
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