分(fēn)布式數字電視信号監測系統設計與實現

鄭新源 楊小紅 國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院
浙江省有線數字電視網絡技術重點實驗室
 

摘要：爲了(le)滿足有效實時(shí)的(de)監控有線電視HFC網絡指标，本文提出了(le)基于嵌入式分(fēn)布式有線數字電視信号監測系統的(de)應用(yòng)方案。該方案把監測設備分(fēn)布在HFC網絡需要監測的(de)節點上，監測節點測量的(de)數據通(tōng)過IP網絡回傳到中心機房(fáng)，從而達到有效、實時(shí)分(fēn)析判斷HFC網絡運行質量的(de)目的(de)。文中闡述了(le)基于嵌入式分(fēn)布式有線數字電視信号監測系統的(de)設計和(hé)實現方法。
關鍵詞：分(fēn)布式；嵌入式；實時(shí)；節點
The Design and Realinzation of Distributed Monitoring System of CATV’s Signal
Xinyuan Zheng， Xiaohong Yang
Zhejiang Province BC&TV Technology Co.,Ltd.
Zhejiang Province CATV Network Technology Key Laboratory
Abstract: In order to meet real-time monitoring of the effective index of CATV HFC networks，In this paper, based on embedded distributed digital cable TV signal monitoring system applications。The program of monitoring devices distributed in the HFC network nodes need to be monitored, monitoring node measurement data through the IP network back to the engine room, so as to achieve effective, real-time analysis to determine the HFC network operation quality. This paper describes an embedded distributed based on digital cable TV signal monitoring system design and implementation。
Key words：Distributed；Embedded；Realinzation；Node
1、前言
　　我國于2005年頒布了(le)HFC網絡管理(lǐ)系統的(de)國家标準GBT 20030-2005，符合标準的(de)傳統網管或監測模式主要是針對(duì)1550主幹光(guāng)發設備或1310骨幹光(guāng)發設備監測，若延伸到HFC分(fēn)配網絡，可(kě)以對(duì)單、雙向網絡中的(de)光(guāng)工作站、光(guāng)接收機進行監控，監測的(de)是傳輸設備的(de)性能指标，在網管軟件中集中呈現所有的(de)網管信息，這(zhè)種網絡管理(lǐ)方式，可(kě)以對(duì)主要HFC網絡設備傳輸信号指标進行監測，對(duì)于探索監測HFC網絡網元節點設備的(de)運行狀态指标起到了(le)積極的(de)指導作用(yòng)。然而國标HFC網絡管理(lǐ)系統監測指标的(de)範圍局限于光(guāng)功率、電平等設備運行指标，對(duì)于C/N、MER等網絡信号指标的(de)監測顯得(de)無能爲力，因而無法準确對(duì)于網絡故障的(de)原因做(zuò)進一步的(de)深層分(fēn)析以及網絡信号質量分(fēn)析。
　　有鑒于此，我們設計研發一種布置在有線電視網絡各端點的(de)分(fēn)布式在線網絡監測設備，可(kě)以實現從有線電視前端到用(yòng)戶端的(de)網絡多(duō)點監測，通(tōng)過它來(lái)實時(shí)或準實時(shí)采集包含設備運行指标和(hé)信号指标的(de)一系列指标，可(kě)以監測的(de)指标包括有線數字電視信号、有線模拟電視信号甚至有線調頻(pín)廣播信号的(de)主要技術質量指标，這(zhè)些指标信息經過IP網絡回傳到中心機房(fáng)，利用(yòng)網管軟件呈現指标及其告警信息、智能分(fēn)析指标數據，并通(tōng)過專家知識庫來(lái)有效評價被監測區(qū)域的(de)有線電視網絡信号質量，從而達到有效、實時(shí)分(fēn)析HFC運行質量。
2、系統網絡拓撲結構介紹
　　分(fēn)布式有線數字電視信号監測系統的(de)網絡拓撲結構框圖如圖1所示。

 

圖1
 

　　該系統由ZBL9901A遠(yuǎn)端監測設備、局域網或GPRS網、監測中心服務器等組成。ZBL9901A遠(yuǎn)端監測設備可(kě)根據需要設置在有線電視網絡中的(de)前端、光(guāng)節點、放大(dà)節點、用(yòng)戶端等任意節點，分(fēn)析處理(lǐ)采集的(de)射頻(pín)信号，然後将獲得(de)的(de)數據通(tōng)過局域網或GPRS網傳送給監測中心服務器。監測中心服務器進一步分(fēn)析處理(lǐ)獲得(de)的(de)數據，以圖形或報表形式輸出監測結果。該監測系統能實現實時(shí)測量某節點、定時(shí)輪詢測量所有節點、出現故障實時(shí)報警等功能。
　　單個(gè)監測設備的(de)工作鏈路圖如圖2
 

圖2

　　由圖2可(kě)知，本系統主要包括信号采集模塊、以太網管模塊及上位機。
3、遠(yuǎn)端監測設備設計與實現
　　遠(yuǎn)端監測設備由信号采集模塊、以太網管模塊兩部分(fēn)組成。
　　3.1、信号采集模塊
　　信号采集模塊采集輸入的(de)射頻(pín)信号并加以分(fēn)析處理(lǐ)，得(de)到有線電視數字信号的(de)功率電平、MER、BER指标，模拟信号的(de)圖像電平、伴音(yīn)電平、載噪比指标，通(tōng)過串口将數據傳給以太網管模塊。電路設計框圖如圖3所示：

圖3

　　CPU（通(tōng)過GPIO）控制高(gāo)/中頻(pín)衰減或者和(hé)補償模塊使測試的(de)電平穩定在一定範圍之内，以滿足高(gāo)頻(pín)頭所要求的(de)輸入電平線性範圍。然後測量該頻(pín)道的(de)電平值（通(tōng)過A/D）或者MER/BER值（通(tōng)過IIC與高(gāo)頻(pín)頭通(tōng)訊），将相關數據存儲于EEPROM中（另一組IIC通(tōng)道）。最後與以太網管模塊通(tōng)訊，将相關數據上傳（通(tōng)過串口聯系網管模塊）。
信号采集模塊相關性能參數實現如下(xià)：
　　1）模拟頻(pín)道：圖像電平範圍：50 dBμV～120dBμV；
　　伴音(yīn)電平範圍：50 dBμV～120dBμV；
　　載噪比（C/N）範圍：30～60dB；
　　2）數字頻(pín)道：調制誤碼率MER: 21dB～35dB；
　　比特誤碼率BER: 1E-3～1E-9；
　　功率電平範圍：50 dBμV～120dBμV；
3.2、以太網管模塊
　　以太網管模塊的(de)控制器采用(yòng)三星公司的(de)S3C44b0，以此控制器搭建嵌入式開發平台；操作系統采用(yòng)uclinux，系統自帶TCP/IP協議(yì)。
　　以太網管模塊硬件結構框圖如圖4所示。

圖4
 

　　網管模塊通(tōng)過RS232接口和(hé)信号采集模塊進行數據通(tōng)信，将采集到的(de)數據進行處理(lǐ)并根據需要通(tōng)過TCP/IP上傳給上位機。
4、系統軟件設計
　　系統軟件設計包括下(xià)位機軟件設計和(hé)上位機軟件設計兩部分(fēn)。
4.1、下(xià)位機軟件設計
4.1.1）、信号采集模塊軟件設計
　　信号采集模塊主要功能是測量有線電視信号的(de)參數指标，有電平測量、MER、BER和(hé)C/N等參數的(de)測量，同時(shí)需要具備斜率測量、掃描測量、頻(pín)譜測量模塊。作爲信号傳輸質量參數指标我們最關心的(de)還(hái)是電平測量（模拟頻(pín)道的(de)圖像電平、伴音(yīn)電平，數字頻(pín)道的(de)功率電平）和(hé)MER測量。
　　1）電平測量程序流程圖和(hé)設計
　　函數定義：
　　U8 l_Get_Level(const LevelTest_Struct *l_inParam,S16 *data)；
　　typedef struct {
　　　　　　U8 l_Mode; //l_Mode=8表示是載噪比測試
　　　　　　U8 l_Amp; //隻有在測試MER的(de)時(shí)候,小信号打開運放1打開,0關閉
　　　　　　U32 chFreq;
　　　　　　}LevelTest_Struct;
　　變量mode爲1表示按照(zhào)模拟頻(pín)道測試；變量mode爲2表示按照(zhào)數字頻(pín)道測試；
　　變量mode爲3表示按照(zhào)單頻(pín)率測試；變量mode爲8表示是載噪比測試；測試的(de)結果保存在S16 *data結構體中；返回結果：如果當前測試成功，那麽返回1；如果當前測試失敗，那麽返回0。圖5是一個(gè)測量中頻(pín)衰減20db的(de)電平測量流程圖。

 

圖5

2）MER測量流程圖
.　　函數定義：unsigned char fConstellation(unsigned int mChan)；
　　輸入變量mChan表示要測試的(de)頻(pín)道值。
　　測試的(de)結果放置在如下(xià)的(de)一個(gè)結構體中：
　　struct Constellation{
　　　　　　　　　float mBer；
　　　　　　　　　float mMer；
　　　　　　　　　unsigned char mState
　　}m_Constellation
　　變量mBer表示當前頻(pín)道的(de)BER值；mMer表示當前頻(pín)道的(de)MER值；mState表示要輸出的(de)星座圖。測試成功，函數返回1；測試失敗，函數返回0。圖6是MER測量的(de)流程圖。

 

圖6

4.1.2)、網管模塊軟件設計
　　以太網管模塊是信号采集模塊和(hé)上位機網管軟件之間的(de)連接器，相當與一個(gè)協議(yì)轉換器，同時(shí)能夠對(duì)信号采集模塊數據進行一些特殊處理(lǐ)并上報給上位機的(de)網管軟件。圖7是網管模塊軟件開發的(de)模型。采用(yòng)uclinux作爲嵌入式操作系統，在這(zhè)個(gè)基礎上進行應用(yòng)軟件開發。

圖7

與網管軟件通(tōng)信的(de)數據協議(yì)格式如表1所示：
 

表1

　　網管模塊可(kě)實現數據信息處理(lǐ)、數據格式轉換功能。數據信息處理(lǐ)包括根據需要将數據分(fēn)組安表1協議(yì)打包、通(tōng)過數據對(duì)比分(fēn)析确認是否需要主動發包報警等内容。數據格式轉換實現串口數據轉換成符合TCP/IP協議(yì)的(de)以太網數據格式，以滿足遠(yuǎn)距離傳輸的(de)要求。軟件流程圖如圖8所示。

 

圖8

4.2、系統網管軟件功能設計
　　針對(duì)電視信号監測和(hé)設備管理(lǐ)監測的(de)特點，設計網絡管理(lǐ)系統，其功能模型如圖9所示。

 

圖9

　　根據需求分(fēn)析軟件需要實現實時(shí)測量、定時(shí)輪詢、實時(shí)報警、專家分(fēn)析、報表輸出等功能。
4.2.1、實時(shí)測量
　　實時(shí)測量主要由四部分(fēn)功能組成，包括實時(shí)單頻(pín)道測量、實時(shí)斜率測量、實時(shí)頻(pín)譜掃描、實時(shí)全頻(pín)道測量，以滿足不同的(de)測量需要。
4.2.1.1、實時(shí)單頻(pín)道測量
　　在實時(shí)單頻(pín)道測量又分(fēn)爲模拟頻(pín)道測量和(hé)數字頻(pín)道測量。模拟頻(pín)道監測參數爲圖像載波電平、伴音(yīn)電平、C/N；數字頻(pín)道監測參數爲功率電平、MER、BER。圖10是模拟頻(pín)道的(de)實時(shí)單頻(pín)道電平測量顯示界面。
 

圖10

4.2.1.2、實時(shí)斜率測量
　　通(tōng)過對(duì)抽樣頻(pín)道的(de)電平（模拟頻(pín)道：圖像載波電平；數字頻(pín)道：功率電平）測量分(fēn)析，得(de)到有線電視信号的(de)電平對(duì)應頻(pín)率的(de)變化(huà)特性，簡稱斜率特性。抽樣頻(pín)道的(de)抽樣數量以及頻(pín)道分(fēn)布特性可(kě)由用(yòng)戶任意選擇。圖11是實時(shí)斜率測量功能顯示界面。

圖11
 

4.2.1.3、實時(shí)頻(pín)譜掃描
　　該項功能可(kě)以針對(duì)某段特定頻(pín)率範圍内的(de)頻(pín)譜特性進行掃描，掃描頻(pín)率起始、截止點可(kě) 任意設定，掃描點的(de)步進頻(pín)率可(kě)選擇。
4.2.1.4、實時(shí)全頻(pín)道掃描
　　實時(shí)全頻(pín)道掃描，可(kě)以将有線電視網絡中傳輸的(de)所有頻(pín)道電平（模拟頻(pín)道：圖像電平；數字頻(pín)道：功率電平）取出，形成直觀的(de)折線圖。
4.2.2、定時(shí)輪詢：
　　通(tōng)過軟件設置輪詢時(shí)間間隔，定期将網絡中所有監測點的(de)監測數據從遠(yuǎn)端監測設備中讀取并保存到數據庫中，以供專家分(fēn)析系統使用(yòng)。設置輪詢周期界面如圖12所示。

圖12

4.2.3、實時(shí)報警：
　　實時(shí)報警包括有線電視信号異常報警，非法信号侵入報警等。有線電視傳輸頻(pín)道信号參數的(de)報警門限可(kě)根據網絡維護要求在線更新。如圖13是某頻(pín)道的(de)BER狀态值偏低的(de)報警信息界面。

 

圖13
 

4.2.4、專家分(fēn)析系統
　　專家分(fēn)析系統是對(duì)采集的(de)數據進行分(fēn)析，借助于軟件系統客觀評價系統的(de)指标。基本分(fēn)析功能要求主要包括：
　　4.2.4.1運行指标趨勢分(fēn)析：指标趨勢分(fēn)析是指針對(duì)某個(gè)監測點指标，在多(duō)個(gè)時(shí)間段不斷采集到指标信息後，可(kě)以通(tōng)過表格、圖形化(huà)的(de)方式查詢或自動監測到某一指标的(de)變化(huà)趨勢，一旦超出事先設定的(de)門限，即刻發出告警信息；另一方面，當某一階段的(de)指标趨勢确定後，可(kě)以事先對(duì)下(xià)一個(gè)階段的(de)指标信号提前做(zuò)預測和(hé)預警，爲及時(shí)排除那部分(fēn)設備故障隐患提供條件，從而達到預先防範信号中斷、停播、劣播的(de)目的(de)。這(zhè)些指标可(kě)以是：信号電平、C/N、MER、BER等。如圖14是某監測點的(de)MER指标曆史數據對(duì)比圖。

 

圖14

　　4.2.4.2網絡傳輸指标劣化(huà)趨勢分(fēn)析：是指針對(duì)某個(gè)傳輸通(tōng)道的(de)多(duō)個(gè)監測點（前端——光(guāng)節點——放大(dà)節點——用(yòng)戶端各節點）指标，在同一時(shí)間點采集指标信息，進行對(duì)比分(fēn)析，實現實時(shí)告警和(hé)趨勢預警功能。
　　4.2.4.3信号停播率分(fēn)析：當HFC網絡設備故障導緻信号中斷後，可(kě)以自動采集到停播時(shí)間段範圍，并統計出較爲準确的(de)網絡信号停播率。
4.2.5、報表輸出
　　根據國标GY/T166-2000 有線電視廣播系統運行維護規程，結合實際工作需要，我們提供了(le)多(duō)種數據報表輸出。典型報表表頭如表2所示。
 

表2
 

5、系統特點
　　5.1、全局性。傳統數字電視監測系統一般都設置在前端機房(fáng)，隻監測前端機房(fáng)的(de)播出信号，價格昂貴，很難廣泛使用(yòng)。傳統HFC網管系統隻監測裝有應答(dá)器的(de)有源設備。分(fēn)布式數字電視信号監測系統的(de)數據采集點可(kě)設置在HFC網絡的(de)任意位置，有射頻(pín)信号傳輸的(de)地方，都可(kě)以監測。
　　5.2、專業性。分(fēn)布式數字電視信号監測系統監測的(de)是射頻(pín)傳輸信号的(de)性能指标，而不僅是網絡設備的(de)工作狀态。
　　5.3、可(kě)擴展性。分(fēn)布式數字電視信号監測系統軟件采用(yòng)模塊化(huà)設計，支持遠(yuǎn)端監測設備的(de)增添擴容，可(kě)在線升級遠(yuǎn)端監測設備的(de)軟件版本。
　　5.4、便利性。監測中心與監測點之間的(de)通(tōng)信線路能夠根據實際情況靈活選用(yòng)，有以太網絡覆蓋的(de)地方使用(yòng)以太網絡，沒有以太網絡覆蓋的(de)地方可(kě)用(yòng)GPRS網絡進行通(tōng)信。
　　5.5、實用(yòng)性。通(tōng)過專家分(fēn)析系統可(kě)獲得(de)當前網絡指标情況、曆史網絡指标劣化(huà)情況、預測未來(lái)網絡指标劣化(huà)趨勢。使用(yòng)報表輸出模塊，可(kě)自動獲得(de)日、周、月(yuè)、年報表，省去了(le)人(rén)工實網測量、記錄、彙總等工作，節省大(dà)量人(rén)工成本。

6、結束語
　　該項目獲得(de)2009年國家廣電總局科技創新一等獎。
目前，該分(fēn)布式數字電視信号監測系統已進入應用(yòng)推廣階段，已在杭州數字電視公司、餘杭數字電視公司、蕭山數字電視公司等進行實際網絡監測應用(yòng)。随著(zhe)對(duì)廣電網絡穩定性、安全性要求的(de)不斷提高(gāo)，分(fēn)布式數字電視信号監測系統必将會得(de)到越來(lái)越廣泛的(de)應用(yòng)。

參考文獻
[1]李岩,榮盤祥.基于S3C44BOX嵌入式uCLinux系統原理(lǐ)及應用(yòng)［M］.北(běi)京:清華大(dà)學出版社,2005.
[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.HFC網絡設備管理(lǐ)規範［S］.2005.
[3]易維善 HFC《寬帶網的(de)接入方案考慮和(hé)網絡改造體會》 [期刊論文] -中國有線電視2002(05)
[4] 王學龍編著，嵌入式Linux系統設計與應用(yòng), 清華大(dà)學出版社，北(běi)京，2001.8.
[5] 彭曉明(míng)，王堅，餘海涵編著，Linux網絡服務器配置與管理(lǐ)，人(rén)民郵電出版社，2000.9.