分布式数字电视信号监测系统设计与实现

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浙江省有线数字电视网络技术重点实验室
 

摘要：为了满足有效实时的监控有线电视HFC网络指标，本文提出了基于嵌入式分布式有线数字电视信号监测系统的应用方案。该方案把监测设备分布在HFC网络需要监测的节点上，监测节点测量的数据通过IP网络回传到中心机房，从而达到有效、实时分析判断HFC网络运行质量的目的。文中阐述了基于嵌入式分布式有线数字电视信号监测系统的设计和实现方法。
关键词：分布式；嵌入式；实时；节点
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
　　我国于2005年颁布了HFC网络管理系统的国家标准GBT 20030-2005，符合标准的传统网管或监测模式主要是针对1550主干光发设备或1310骨干光发设备监测，若延伸到HFC分配网络，可以对单、双向网络中的光工作站、光接收机进行监控，监测的是传输设备的性能指标，在网管软件中集中呈现所有的网管信息，这种网络管理方式，可以对主要HFC网络设备传输信号指标进行监测，对于探索监测HFC网络网元节点设备的运行状态指标起到了积极的指导作用。然而国标HFC网络管理系统监测指标的范围局限于光功率、电平等设备运行指标，对于C/N、MER等网络信号指标的监测显得无能为力，因而无法准确对于网络故障的原因做进一步的深层分析以及网络信号质量分析。
　　有鉴于此，我们设计研发一种布置在有线电视网络各端点的分布式在线网络监测设备，可以实现从有线电视前端到用户端的网络多点监测，通过它来实时或准实时采集包含设备运行指标和信号指标的一系列指标，可以监测的指标包括有线数字电视信号、有线模拟电视信号甚至有线调频广播信号的主要技术质量指标，这些指标信息经过IP网络回传到中心机房，利用网管软件呈现指标及其告警信息、智能分析指标数据，并通过专家知识库来有效评价被监测区域的有线电视网络信号质量，从而达到有效、实时分析HFC运行质量。
2、系统网络拓扑结构介绍
　　分布式有线数字电视信号监测系统的网络拓扑结构框图如图1所示。

 

图1
 

　　该系统由ZBL9901A远端监测设备、局域网或GPRS网、监测中心服务器等组成。ZBL9901A远端监测设备可根据需要设置在有线电视网络中的前端、光节点、放大节点、用户端等任意节点，分析处理采集的射频信号，然后将获得的数据通过局域网或GPRS网传送给监测中心服务器。监测中心服务器进一步分析处理获得的数据，以图形或报表形式输出监测结果。该监测系统能实现实时测量某节点、定时轮询测量所有节点、出现故障实时报警等功能。
　　单个监测设备的工作链路图如图2
 

图2

　　由图2可知，本系统主要包括信号采集模块、以太网管模块及上位机。
3、远端监测设备设计与实现
　　远端监测设备由信号采集模块、以太网管模块两部分组成。
　　3.1、信号采集模块
　　信号采集模块采集输入的射频信号并加以分析处理，得到有线电视数字信号的功率电平、MER、BER指标，模拟信号的图像电平、伴音电平、载噪比指标，通过串口将数据传给以太网管模块。电路设计框图如图3所示：

图3

　　CPU（通过GPIO）控制高/中频衰减或者和补偿模块使测试的电平稳定在一定范围之内，以满足高频头所要求的输入电平线性范围。然后测量该频道的电平值（通过A/D）或者MER/BER值（通过IIC与高频头通讯），将相关数据存储于EEPROM中（另一组IIC通道）。最后与以太网管模块通讯，将相关数据上传（通过串口联系网管模块）。
信号采集模块相关性能参数实现如下：
　　1）模拟频道：图像电平范围：50 dBμV～120dBμV；
　　伴音电平范围：50 dBμV～120dBμV；
　　载噪比（C/N）范围：30～60dB；
　　2）数字频道：调制误码率MER: 21dB～35dB；
　　比特误码率BER: 1E-3～1E-9；
　　功率电平范围：50 dBμV～120dBμV；
3.2、以太网管模块
　　以太网管模块的控制器采用三星公司的S3C44b0，以此控制器搭建嵌入式开发平台；操作系统采用uclinux，系统自带TCP/IP协议。
　　以太网管模块硬件结构框图如图4所示。

图4
 

　　网管模块通过RS232接口和信号采集模块进行数据通信，将采集到的数据进行处理并根据需要通过TCP/IP上传给上位机。
4、系统软件设计
　　系统软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计两部分。
4.1、下位机软件设计
4.1.1）、信号采集模块软件设计
　　信号采集模块主要功能是测量有线电视信号的参数指标，有电平测量、MER、BER和C/N等参数的测量，同时需要具备斜率测量、扫描测量、频谱测量模块。作为信号传输质量参数指标我们最关心的还是电平测量（模拟频道的图像电平、伴音电平，数字频道的功率电平）和MER测量。
　　1）电平测量程序流程图和设计
　　函数定义：
　　U8 l_Get_Level(const LevelTest_Struct *l_inParam,S16 *data)；
　　typedef struct {
　　　　　　U8 l_Mode; //l_Mode=8表示是载噪比测试
　　　　　　U8 l_Amp; //只有在测试MER的时候,小信号打开运放1打开,0关闭
　　　　　　U32 chFreq;
　　　　　　}LevelTest_Struct;
　　变量mode为1表示按照模拟频道测试；变量mode为2表示按照数字频道测试；
　　变量mode为3表示按照单频率测试；变量mode为8表示是载噪比测试；测试的结果保存在S16 *data结构体中；返回结果：如果当前测试成功，那么返回1；如果当前测试失败，那么返回0。图5是一个测量中频衰减20db的电平测量流程图。

 

图5

2）MER测量流程图
.　　函数定义：unsigned char fConstellation(unsigned int mChan)；
　　输入变量mChan表示要测试的频道值。
　　测试的结果放置在如下的一个结构体中：
　　struct Constellation{
　　　　　　　　　float mBer；
　　　　　　　　　float mMer；
　　　　　　　　　unsigned char mState
　　}m_Constellation
　　变量mBer表示当前频道的BER值；mMer表示当前频道的MER值；mState表示要输出的星座图。测试成功，函数返回1；测试失败，函数返回0。图6是MER测量的流程图。

 

图6

4.1.2)、网管模块软件设计
　　以太网管模块是信号采集模块和上位机网管软件之间的连接器，相当与一个协议转换器，同时能够对信号采集模块数据进行一些特殊处理并上报给上位机的网管软件。图7是网管模块软件开发的模型。采用uclinux作为嵌入式操作系统，在这个基础上进行应用软件开发。

图7

与网管软件通信的数据协议格式如表1所示：
 

表1

　　网管模块可实现数据信息处理、数据格式转换功能。数据信息处理包括根据需要将数据分组安表1协议打包、通过数据对比分析确认是否需要主动发包报警等内容。数据格式转换实现串口数据转换成符合TCP/IP协议的以太网数据格式，以满足远距离传输的要求。软件流程图如图8所示。

 

图8

4.2、系统网管软件功能设计
　　针对电视信号监测和设备管理监测的特点，设计网络管理系统，其功能模型如图9所示。

 

图9

　　根据需求分析软件需要实现实时测量、定时轮询、实时报警、专家分析、报表输出等功能。
4.2.1、实时测量
　　实时测量主要由四部分功能组成，包括实时单频道测量、实时斜率测量、实时频谱扫描、实时全频道测量，以满足不同的测量需要。
4.2.1.1、实时单频道测量
　　在实时单频道测量又分为模拟频道测量和数字频道测量。模拟频道监测参数为图像载波电平、伴音电平、C/N；数字频道监测参数为功率电平、MER、BER。图10是模拟频道的实时单频道电平测量显示界面。
 

图10

4.2.1.2、实时斜率测量
　　通过对抽样频道的电平（模拟频道：图像载波电平；数字频道：功率电平）测量分析，得到有线电视信号的电平对应频率的变化特性，简称斜率特性。抽样频道的抽样数量以及频道分布特性可由用户任意选择。图11是实时斜率测量功能显示界面。

图11
 

4.2.1.3、实时频谱扫描
　　该项功能可以针对某段特定频率范围内的频谱特性进行扫描，扫描频率起始、截止点可 任意设定，扫描点的步进频率可选择。
4.2.1.4、实时全频道扫描
　　实时全频道扫描，可以将有线电视网络中传输的所有频道电平（模拟频道：图像电平；数字频道：功率电平）取出，形成直观的折线图。
4.2.2、定时轮询：
　　通过软件设置轮询时间间隔，定期将网络中所有监测点的监测数据从远端监测设备中读取并保存到数据库中，以供专家分析系统使用。设置轮询周期界面如图12所示。

图12

4.2.3、实时报警：
　　实时报警包括有线电视信号异常报警，非法信号侵入报警等。有线电视传输频道信号参数的报警门限可根据网络维护要求在线更新。如图13是某频道的BER状态值偏低的报警信息界面。

 

图13
 

4.2.4、专家分析系统
　　专家分析系统是对采集的数据进行分析，借助于软件系统客观评价系统的指标。基本分析功能要求主要包括：
　　4.2.4.1运行指标趋势分析：指标趋势分析是指针对某个监测点指标，在多个时间段不断采集到指标信息后，可以通过表格、图形化的方式查询或自动监测到某一指标的变化趋势，一旦超出事先设定的门限，即刻发出告警信息；另一方面，当某一阶段的指标趋势确定后，可以事先对下一个阶段的指标信号提前做预测和预警，为及时排除那部分设备故障隐患提供条件，从而达到预先防范信号中断、停播、劣播的目的。这些指标可以是：信号电平、C/N、MER、BER等。如图14是某监测点的MER指标历史数据对比图。

 

图14

　　4.2.4.2网络传输指标劣化趋势分析：是指针对某个传输通道的多个监测点（前端——光节点——放大节点——用户端各节点）指标，在同一时间点采集指标信息，进行对比分析，实现实时告警和趋势预警功能。
　　4.2.4.3信号停播率分析：当HFC网络设备故障导致信号中断后，可以自动采集到停播时间段范围，并统计出较为准确的网络信号停播率。
4.2.5、报表输出
　　根据国标GY/T166-2000 有线电视广播系统运行维护规程，结合实际工作需要，我们提供了多种数据报表输出。典型报表表头如表2所示。
 

表2
 

5、系统特点
　　5.1、全局性。传统数字电视监测系统一般都设置在前端机房，只监测前端机房的播出信号，价格昂贵，很难广泛使用。传统HFC网管系统只监测装有应答器的有源设备。分布式数字电视信号监测系统的数据采集点可设置在HFC网络的任意位置，有射频信号传输的地方，都可以监测。
　　5.2、专业性。分布式数字电视信号监测系统监测的是射频传输信号的性能指标，而不仅是网络设备的工作状态。
　　5.3、可扩展性。分布式数字电视信号监测系统软件采用模块化设计，支持远端监测设备的增添扩容，可在线升级远端监测设备的软件版本。
　　5.4、便利性。监测中心与监测点之间的通信线路能够根据实际情况灵活选用，有以太网络覆盖的地方使用以太网络，没有以太网络覆盖的地方可用GPRS网络进行通信。
　　5.5、实用性。通过专家分析系统可获得当前网络指标情况、历史网络指标劣化情况、预测未来网络指标劣化趋势。使用报表输出模块，可自动获得日、周、月、年报表，省去了人工实网测量、记录、汇总等工作，节省大量人工成本。

6、结束语
　　该项目获得2009年国家广电总局科技创新一等奖。
目前，该分布式数字电视信号监测系统已进入应用推广阶段，已在杭州数字电视公司、余杭数字电视公司、萧山数字电视公司等进行实际网络监测应用。随着对广电网络稳定性、安全性要求的不断提高，分布式数字电视信号监测系统必将会得到越来越广泛的应用。

参考文献
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