用SOC技術實現嵌入式廣播監測設備

王凱

（中國傳媒大學經濟管理學院，北京　100024）

用SOC技術實現嵌入式廣播監測設備

王凱

（中國傳媒大學經濟管理學院，北京100024）

1　引言

“西新工程”以來，我國無線廣播監測網有了長足的發展，為適應新形勢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。

目前，我國的無線廣播監測網的遙控監測站、數據采集點系統，絕大部分由通用工控機、通用Windows操作系統、通用I/O板卡、專業測量板卡四部分構成。與目前流行的嵌入式技術相比，這種結構的網絡監測系統已經顯示出系統冗余、功耗太大、板卡繁多、安裝復雜、維護困難、故障率高、可靠性差等諸多問題和不足。極少數站點引入了嵌入式系統的概念，采用了Windows XPE+嵌入式計算機主板+通用電源系統+專業測量板卡的結構，但是仍然存在系統連線多且長、可靠性和結構復雜等問題，在系統整體設計上仍然不能滿足嵌入式的要求。目前的設備系統冗余，操作系統不能裁減，沒有根據系統的要求來優化配置，冗余部分不但造成系統軟件體積龐大，而且會給系統穩定運行帶來隱患；工控機功耗太大，不滿足節約能源、低功耗、穩定性的要求；板卡眾多占用了大量的系統資源和計算機接口，計算機需要頻繁與多個設備通信，且安裝調試困難，設備板卡主要采用PCI，ISA，PC104接口方式，不支持熱插拔，如果設備板卡出現故障，就要打開機箱才能更換；系統連線眾多，維護困難，一旦有比較嚴重的故障發生，往往需要技術人員到現場解決問題，由于監測設備大部分都安裝在偏遠地區或山區，交通極不方便，使得監測網的維護成本高、工作量大。這些問題的存在已是監測網安全、有效、穩定運行的潛在隱患。

針對上述情況，根據嵌入式技術的發展和廣播監測設備的現狀，研制一種“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能劃分簡潔、維護簡單”的廣播監測遙控站、數據采集點系統勢在必行。

2　新一代嵌入式廣播監測設備

2.1特點

圖1　新一代嵌入式廣播監測設備

整個系統采用模塊化和儀器化設計的思想，系統的核心部分設計成一臺嵌入式廣播監測儀，只需將天線、電源和電話線（或網線）插入相應的插口，即可使用。取消了原來計算機外部紛繁復雜的信號連線，使得設備安裝非常方便。嵌入式廣播信號監測儀由嵌入式計算機、接收機，嵌入式多路信號測量卡，語音壓縮卡和液晶顯示屏組成，帶有完善的人—機接口。整個系統的設計思想完全體現了模塊化和小型化的發展趨勢。如圖1所示。

2.2選用高性能嵌入式計算機

嵌入計算機系統采用ETX方式，電源為國際通用型輸入為寬幅110～240V、頻率50～60Hz自適應，CPU處理器性能高、以太網適應范圍寬，I/O接口多（四個RS232、四個USB2.0），系統支持CF卡和硬盤雙系統，系統內部連線少（只有兩條硬盤連線），集成度高，采用鋁擠型外殼，散熱性能高。

2.3采用SOC技術實現多路多功能測量卡

調幅度是調幅發射機播音時最重要的技術指標。目前，調幅度監測設備采用方法有：

（1）中頻采樣濾出音頻信號，用最大音頻電平除以平均音頻電平（代替載波電平）計算出調幅度，這種方法在用單音頻檢測時是正確的，因為單音頻正弦信號的正負峰是對稱的，但是實際的音頻并非正負對稱，平均音頻電平與載波并不相等，因此計算出的調幅度是不正確的。

（2）采用功率譜來計算調幅度的方法，但是這種方法需要一段時間采樣后再做頻譜分析，計算的結果是一段時間的平均調幅度，并非瞬時調幅度。

（3）直接中頻采樣，然后用數字濾波器將音頻電平和載波電平濾出來，計算調幅度。由于要將載波電平濾出，就要設計一個截止頻率在2～3Hz的數字濾波器，通過數字信號的理論分析可以知道，即使采用第三中頻采樣，設計出的截止頻率為5Hz的數字濾波器的階數要達到100，000以上，在實際應用中這是不可能實現的。在單音頻（1kHz）測試的時候，如果設計一個截止頻率為200Hz的濾波器，階數只有幾百階，測量結果可以滿足要求，但是實際音頻信號的頻譜分布在50Hz～6kHz之間，因此，這種方法在實際應用中也是不可行的。

以上三種方法用單音頻測試時，調幅度指示正確，并且基本上和信號源沒有誤差，但在實際應用中，這三種方法計算出來的調幅度值和實際信號相比誤差大于15％。出現的情況是一會兒大，一會兒小，實際是和節目源（說話、音樂、打擊樂）的關系。本設備采用的是調幅度測量的基本原理：為保證調幅度測量結果不受信號幅度的影響，必須對接收機輸出的調幅廣播中頻信號進行增益控制。中頻信號經過AGC放大器后進行檢波，檢波后的信號一分為二經過兩個截止頻率不同的低通濾波器：一路濾出直流載波信號，另一路濾出音頻信號。經過AD采樣得到直流載波和音頻的電平大小，計算出調幅度和實際信號相比誤差小于3％。

調頻廣播的調制度測量有多種方法。如基于軟件無線電的數字解調方法和模擬下變頻數字鑒頻的方法等，這兩種方法都需要進行AD采樣，因而系統的抗干擾性和精確性都容易受到信號質量的影響。我們研究了一種新的數字解調方法，直接使用FPGA實現算法，實現數字鑒頻和解調的功能，監測調頻頻偏的變化，測量精度小于1kHz。

通常情況下，測量高頻等幅波信號的頻率時，大多是用頻率計數器直接測量，它的基本原理是將等幅正弦波信號進行放大、整形，使其轉變為脈沖信號，然后對脈沖信號進行記數。當高頻信號的幅度被調制后，尤其在深度調幅（比如100％），高頻信號在調制負峰時，幅度很小，甚至有小到零的時候，這時候的正弦波信號被放大整形后變成的脈沖信號會有脈沖丟失，因而會造成記數的不準確。為解決這一問題，測量幅度被調制的高頻載波信號的頻率時，有的用比較法，有的采用鎖相環濾除幅度調制的影響，脈沖計數法測頻。我們采用一種新型方法，現代功率譜估計的方法，測量出信號的頻譜，監測最大功率的頻譜的變化，即可監測信號的頻譜偏移，測量精度小于2Hz。

在測量板卡的設計過程中，采用最新的嵌入式技術，利用超大規模集成電路片上系統（SOC）技術，基于FPGA芯片設計了具有自主知識產權的IP核，能夠同時進行多路調幅度、調制度和頻偏的測量，同時具備數字接口卡和看門狗的功能，將所有的指標測量功能集成到超大規模集成電路來完成，大大減小接口數目和板卡的數量、體積。該卡與計算機通信采用USB接口，嵌入到計算機內部，縮小了系統的體積，極大減少了計算機負載。

2.4使用嵌入式操作系統

目前的廣播監測網遙控站、數據采集點大部分采用：系統軟件使用Windows2000 Server，Windows2000 Professional或嵌入式Windows XPE；硬件采用通用工控機或第一代嵌入式工控機+板卡方式，板卡設備采用PCI，ISA，RS232接口。由于板卡設備大部分采用PCI，ISA總線方式并且使用多塊板卡，它需要計算機供電，造成計算機負載過大、并且PCI，ISA接口是并行總線，而PCI總線的中斷必須通過計算機南橋來通知CPU這樣就容易造成計算機不穩定。當計算機開機和非正常關機時，就容易造成計算機系統崩潰。

由于廣播監測業務的需要，本系統需要強大操作系統的支持，而一般的嵌入式操作系統（如uC/ OSII，WinCE，VxWorks等）不能滿足要求，可以選擇的是Linux和Windows XP Embedded，但后者更易于開發應用軟件。

Windows XP Embedded就是Windows XP的一種有著靈活定制能力的特殊版本，其產品主要針對嵌入式系統。因為與Windows XP Professional基于完全同樣的代碼，能夠充分利用到PC工業今天已經積累起來的豐富軟硬件資源，并增加了嵌入式系統所必需的諸多特點，有助于實現一系列低發展內存占用量目標。

我們在系統中配置了Compact Flash（CF card）卡并內建一個經過裁減的Embedded XP操作系統。使用CF卡的原因是在無人值守的運行環境下，CF卡所提供的插針式接口，在可靠度、防震動及穩定度上均比一般的硬盤要好得多。

3　結束語

嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。

從目前大規模集成電路的發展水平來看：采用SOC技術基于FPGA將多路多功能廣播信號測量作在一塊集成電路芯片上，用USB接口方式和計算機通信將極大提高系統的穩定性。用嵌入式計算機+接收機+專用廣播信號測量卡+語音壓縮卡+UPS電源組成+嵌入式雙操作系統Windows XPE+應用軟件的遙控站或數據采集點系統，能很好解決上述問題，在技術上有很大進步，可以更好地為廣播監測事業服務，實現“可靠性高、低功耗、嵌入式、小型化、功能劃分簡潔、維護簡單”。

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

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