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電視信號的實時監測與數字化處理
摘要：基于射頻和視頻指標的測量將模擬視頻信號數字化，對采樣數據進行處理、判斷和識別，并對異常狀態進行報警和記錄，構成了一套對電視信號進行實時跟蹤監測與管理系統。關鍵詞：電視信號 視頻指標 監測系統 數字處理
前廣播電視網基本上覆蓋了全國各地，廣播和電視已經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技術、文化、衛生等部門的主要傳媒和信息傳播工具。廣播電視網播出的內容質量和網絡運行的正常與否，直接影響黨和政府方針政策的宣傳貫徹和社會的穩定，同時也將影響全國各行業之間、國內與國外之間信息的準確和及時傳播。因此，利用高科技對全國廣播電視網的技術指標進行實時監測，對于加強中央控制、凈化屏幕和提高接收質量，防止異常干擾具有重要的現實意義。本文正是基于上述考慮，提出了對電視播放出現的大故障如停播、無圖像、無伴音等定性指標和信號質量劣變等定量指標進行實時監測。采用數字化自動監測系統，可以大大提高廣播電視監測的自動化水平，使廣播電視監測更加準確、及時、可靠，同時也可大大減輕值班和管理人員的工作量。
１ 監測系統組成
本監測系統可以對播出中的電視信號無圖像、無伴音以及圖像靜止報警，并且可以對射頻及視頻指標進行測量。系統原理如圖１所示。
本檢測系統由三部分組成：射頻指標測量、音視頻數據檢測與處理、通信與參數設置。電視的射頻信號ＲＦ輸入后，經過分支器，將其中一路進行射頻指標的測量，如圖像電平、聲音電平、載噪比等；另一路輸入到高頻頭，解調出音視頻信號，進行后處理。音頻信號經過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據處理本文將重點論述。系統使用ＭＣＵ對可編程的高頻頭和圖像采樣芯片進行設置，將報警和處理結果上傳。
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２ 射頻指標測量
我國的國家標準對電視信號的性能參數已做出了一系列規定。這些性能參數按照其性質可分為兩類：一類是在射頻上測試的性能參數；另一類是在視頻上測試的性能參數。射頻指標有圖像電平?系統輸出口電平?、伴音電平、載噪比、圖像載頻點頻偏等?１?。
圖像電平表示當系統正常工作時，系統輸出口上的圖像載波電平范圍。我國標準規定，系統輸出口的電平為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。因為圖像電平和伴音電平均用分貝表示（對數關系），所以圖像電平／伴音電平之比?Ｖ／Ａ?＝圖像電平（對數）－伴音電平（對數）。Ｖ／Ａ的范圍對鄰頻傳輸系統為１７±３ｄＢ。
有線電視系統除前端攝像機輸出信號為視頻信號外，其余部分傳輸的信號都是高頻載波信號（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。這個指標可以反映全頻道內的頻率特性。
圖像載頻點相對于標準載頻點的偏移稱為載頻點偏移量。如偏移過大，則會使圖像電平下降。
上述射頻指標可以采用場強儀直接測量，只需在接口中加入一些通信協議即可，本文不加贅述。
３ 視音頻數據處理
在高頻頭解調出音視頻信號后，將分別進行信號處理。
３．１ 音頻數據的處理
因為音頻的采樣速率可以較慢（在監控系統中，一般為幾ｋＨｚ～幾十ｋＨｚ），因此可采用較便宜的串行輸出芯片進行Ａ／Ｄ轉換，而在ＦＰＧＡ中再進行串并轉換，并作進一步處理。這樣可以減少所使用芯片的Ｉ／Ｏ腳，進而可以縮小ＰＣＢ的面積，還可以提高ＦＰＧＡ的使用率，增強系統的抗干擾能力，提高系統的性價比。一般而言，音頻信號只需判斷有無即可。
３．２ 視頻數據的處理
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，只對奇場進行處理。電視視頻信號經視頻采樣芯片后，可得到（ＵＹＶＹ）形式的數字碼流ＩＰＤ，同時還有場同步信號ＩＧＰＶ、行同步信號ＩＧＰＨ以及碼流時鐘ＩＣＬＫ。它們的時序關系如圖２所示。
３．２．１ 視頻報警處理
若沒有同步信號，則可以判斷為無圖像報警。而在有同步信號的情況下，對視頻數據的進一步處理可以得到圖像靜止的報警。先將一場的數據存入存儲器（共有４字節／點×３６０點／行×２４０行／場＝３４５６００字節，故需選用５１２ＫＢ ＲＡＭ），在新的一場數據到來時將其讀出并比較，同時將新一場的數據存入存儲器中。若兩場中有若干數據相同，則認為該兩場信號沒有發生變化，即為圖像靜止報警。在實際應用中，因為一場信號僅占用０．０２ｓ時間，因此沒有必要對每場都進行比較，可以通過計時，每０．５ｓ比較一次。這可以通過在ＦＰＧＡ中設計一個計數器方便地實現。本系統采用計數器對ＩＧＰＶ計數，每當計數值為２５時進行一次比較，即可得到滿意的結果。
３．２．２ 視頻指標處理
當用戶要求對信號質量逐漸劣變進行監測時，僅僅對圖像靜止、無圖像、無伴音等的定性測量是遠遠不夠的，需要更好的測量手段對電視信號的視頻指標測量。電視視頻信號指標測試的原理是對在電視信號逆程插入的一組標準信號進行采樣、計算及處理。
國際無線電咨詢委員會（ＣＣＩＲ）早在１９６９年就推薦用于國際節目交換的６２５行系統的電視插入測試行信號，規定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、交換節目使用；１９、２０（３３２、３３３）行供各國國內插入測試信號使用。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，作為標準電平；
（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量的指標，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對上述采樣數據的處理，可以得到如下各指標：
（１）介入增益：這項指標可以反映圖像的對比度、平均亮度和色飽和度；
（２）Ｋ系數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系數能把波形失真和觀眾對圖像損傷的反映聯系起來，Ｋ系數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上度量圖像損傷的一套系統方法；
（３）短時間波形失真：這個指標反映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：如果這項指標過大，會造成圖像亮度不均；
（７）隨機雜波信雜比：雜波對信號的干擾十分明顯。隨機雜波在圖像上表現為雪花狀的干擾，使熒光屏出現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帶寬內的頻率響應，特別能看出傳輸通道內頻率的衰減情況，當高頻損失較大時，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，當圖像上出現彩色字幕時，這種失真使彩色字幕相對于背景出現不正常的對比度。
本文闡述了一種可以很好地監測電視信號定性播出質量和定量視頻指標的方法，可以有效地提高廣播電視監測自動化的水平。由于電視信號在播放過程中，隨時都可能由于各種原因發生異常狀態，因此需要每時每刻對每個電視臺播出的節目進行跟蹤監測，以保證播出的廣播電視質量和安全。
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