一種基于單線傳輸的可視對講系統的制作方法

本實用新型屬于信號傳輸
技術領域：
，特別涉及一種樓宇可視對講系統中的信號傳輸技術。
背景技術：
：在傳統的可視對講系統中，視頻、音頻和數據等信號是以基帶形式傳輸的，至少需要四組傳輸線才能實現，聯網布線非常復雜；其次，視頻和音頻基帶信號容易受各類電器、電網交流聲等干擾；再次，經長距離傳輸及多級中繼放大后使圖像的畫質變差和語音的音質下降，并影響系統的穩定性。為了解決直接傳輸基帶信號所固有的問題，人們開展將載波調制和頻分復用技術應用于視頻監控的研究(見文獻1-3)，實現在一條傳輸線上單向傳輸視頻和數據信號。文獻4先將數據信號調制到低于音頻頻率的載波(即頻率小于200Hz)，再與語音、圖像信號進行復合后調制到高頻載波。但是，數據載波調制信號的頻譜和語音信號頻譜(電話音質200Hz-3.4kHz)都會與圖像信號頻譜(0-6MHz)明顯重疊，無法實現頻率復用和解復用；此外，二線制傳輸線對射頻信號的衰減很大，不能用于長距離傳輸。文獻列表：文獻1，劉絨俠，王恒運.單路視頻與多路數據復用傳輸系統的研究[J].西北工業大學學報，2008.02文獻2，翟建芳，呂建平.基于頻分復用的視頻安全通信研究[J].安防科技，2008.10文獻3，李瑜芳，張河海.免電源線安防監控傳輸系統的設計與制作[J].福建工程學院學報，2008.06文獻4，李宏，杜永貴.兩線制可視對講系統的研究[J].安防科技，2009.12文獻5，汪光華，智能安防——視頻監控全面解析與實例分析[M]P.190-192.機械工業出版社，2012.8技術實現要素：本實用新型的目的，在于提供一種基于單線傳輸的可視對講系統，其抗干擾性強，穩定性佳。為了達成上述目的，本實用新型的解決方案是：一種基于單線傳輸的可視對講系統，包括主機模組、數個分機模組和傳輸分配網絡，其中，主機模組包括主機載波調制解調電路及分別與之連接的攝像組件、主機麥克風、主機揚聲器和主機控制系統，以及與主機載波調制解調電路雙向通信的主機載波頻分復用網絡，分機模組包括分機載波調制解調電路及分別與之連接的顯示屏組件、分機揚聲器、分機麥克風和分機控制系統，以及與分機載波調制解調電路雙向通信的分機載波頻分復用網絡，傳輸分配網絡包括信號電源混合電路和用戶分配網絡，信號電源混合電路與主機模塊中的主機載波頻分復用網絡建立通信連接，用戶分配網絡通過傳輸支線與各分機模組中的分機載波頻分復用網絡建立通信連接，而信號電源混合電路與用戶分配網絡之間通過傳輸主干線進行通信。上述主機載波調制解調電路包括頻分復用電路、圖像振幅平衡調制電路、主機語音頻率調制電路、分級語音解調電路和第一數據FSK調制解調電路，主機載波頻分復用網絡包括巴特沃茲濾波器、第一陶瓷帶通濾波器、第一切比雪夫濾波器、第二切比雪夫濾波器和主機載波復合與分路電路，主機控制系統分別連接主機語音頻率調制電路、分機語音解調電路、第一數據FSK調制解調電路、圖像振幅平衡調制電路和主機載波復合與分路電路，頻分復用電路的輸入端分別連接攝像組件、主機麥克風和主機語音頻率調制電路的輸出端，頻分復用電路的輸出端連接圖像振幅平衡調制電路，而主機語音頻率調制電路的輸入端連接主機麥克風；圖像振幅平衡調制電路的輸出端連接巴特沃茲濾波器的輸入端，巴特沃茲濾波器的輸出端連接主機載波復合與分路電路；主機載波復合與分路電路還分別連接第一陶瓷帶通濾波器的輸入端、第一切比雪夫濾波器的輸入端和第二切比雪夫濾波器的輸入端，第一陶瓷帶通濾波器的輸出端經由分機語音解調電路連接主機揚聲器，第一、第二切比雪夫濾波器與第一數據FSK調制解調電路進行雙向通信，第一數據FSK調制解調電路與主機控制系統進行雙向通信；主機模組通過主機載波復合與分路電路與傳輸分配網絡連接。上述巴特沃茲濾波器采用五階巴特沃茲濾波器。上述第一切比雪夫濾波器和第二切比雪夫濾波器均采用三階切比雪夫濾波器。上述分機載波頻分復用網絡包括分機載波復合與分路電路、聲表面波濾波器、第二陶瓷帶通濾波器、第三切比雪夫濾波器、第四切比雪夫濾波器、6.5MHz帶通濾波電路、圖像視頻同步解調電路、主機語音解調電路、分機語音頻率調制電路和第二數據FSK調制解調電路，分機模組通過分機載波復合與分路電路與傳輸分配網絡連接，分機載波復合與分路電路連接聲表面波濾波器的輸入端，聲表面波濾波器的輸出端連接圖像視頻同步解調電路的輸入端，而圖像視頻同步解調電路的輸出端連接顯示屏組件，圖像視頻同步解調電路的輸出端還經由6.5MHz帶通濾波電路連接主機語音解調電路的輸入端，主機語音解調電路的輸出端連接分機揚聲器；分機麥克風連接分機語音頻率調制電路的輸入端，分機語音頻率調制電路的輸出端經由第二陶瓷帶通濾波器連接分機載波與復合分路電路；分機控制系統分別連接圖像視頻同步解調電路、主機語音解調電路、分機語音頻率解調電路和分機載波復合與分路電路，分機控制系統還與第二數據FSK調制解調電路進行雙向通信，第二數據FSK調制解調電路與第三、第四切比雪夫濾波器進行雙向通信，第三切比雪夫濾波器的輸入端和第四切比雪夫濾波器的輸出端均連接分機載波與復合分路電路。上述第三切比雪夫濾波器和第四切比雪夫濾波器均采用三階切比雪夫濾波器。上述傳輸主干線采用同軸電纜，與信號電源混合電路、用戶分配網絡之間為不平衡連接。上述傳輸支線兼容同軸電纜或二線制傳輸線。采用上述方案后，本實用新型針對傳統可視對講系統的視頻和音頻信號易受干擾、系統穩定性差和聯網復雜等缺點，提出用振幅平衡調制、頻率調制和FSK(FrequencyShiftKey)調制等方法，分別將可視對講系統的視頻、音頻和數據等信號，以不同的調制方式調制到不同的高頻載波；利用基于專用載波濾波器的頻分復用網絡，實現了可視對講系統的直流電源、圖像載波、語音載波、數據載波等信號在一條同軸電纜上遠距離雙向傳輸；圖像畫質、語音音質和系統的可靠性也得到提高，并應用于樓宇可視對講系統產品。附圖說明圖1是本實用新型的整體架構圖；圖2是本實用新型中主機模組的連接框圖；圖3是本實用新型中分機模組的連接框圖；圖4是本實用新型中傳輸分配網絡的連接框圖；圖5是復合載波調制信號頻譜圖；圖6是載波調制解調前后的波形圖；其中，(a)是視頻信號的波形圖，(b)是音頻信號的波形圖，(c)是數據信號的波形圖；圖7是傳輸圖像。具體實施方式以下將結合附圖，對本實用新型的技術方案進行詳細說明。如圖1所示，本實用新型提供一種基于單線傳輸的可視對講系統，包括主機模組、數個分機模組和傳輸分配網絡，下面分別介紹。主機模組包括攝像組件、主機麥克風、主機揚聲器、主機控制系統、主機載波調制解調電路和主機載波頻分復用網絡，配合圖2所示，其中，主機載波調制解調電路包括頻分復用電路、圖像振幅平衡調制電路、主機語音頻率調制電路、分級語音解調電路和第一數據FSK調制解調電路，主機載波頻分復用網絡包括巴特沃茲濾波器、第一陶瓷帶通濾波器、第一切比雪夫濾波器、第二切比雪夫濾波器和主機載波復合與分路電路，主機控制系統分別連接主機語音頻率調制電路、分機語音解調電路、第一數據FSK調制解調電路、圖像振幅平衡調制電路和主機載波復合與分路電路，頻分復用電路的輸入端分別連接攝像組件、主機麥克風和主機語音頻率調制電路的輸出端，頻分復用電路的輸出端連接圖像振幅平衡調制電路，而主機語音頻率調制電路的輸入端連接主機麥克風；圖像振幅平衡調制電路的輸出端連接巴特沃茲濾波器的輸入端，巴特沃茲濾波器的輸出端連接主機載波復合與分路電路；主機載波復合與分路電路還分別連接第一陶瓷帶通濾波器的輸入端、第一切比雪夫濾波器的輸入端和第二切比雪夫濾波器的輸入端，第一陶瓷帶通濾波器的輸出端經由分機語音解調電路連接主機揚聲器，第一、第二切比雪夫濾波器與第一數據FSK調制解調電路進行雙向通信，第一數據FSK調制解調電路與主機控制系統進行雙向通信；主機模組通過主機載波復合與分路電路與傳輸分配網絡連接。圖像視頻信號的載波調制由圖像振幅平衡調制電路完成。攝像組件傳輸的視頻信號先與語音調頻信號(6.5MHz副載波)進行一次頻率復用，形成頻帶寬度約為6.6MHz的復合信號，然后將此復合信號送至圖像振幅平衡調制電路，調制為抑制載波雙邊帶調幅波，其頻帶寬度約為13.2MHz。以五階巴特沃茲濾波器作為圖像載波的載波濾波器，實現與其它載波的二次頻率復用，同時將圖像的抑制載波雙邊帶調幅信號濾波成為殘留邊帶調幅波(簡稱載波1)，其帶寬也相應減小到7.3MHz左右。巴特沃茲濾波器具有帶內波動小的特點，可以獲得較理想的視頻信號頻率特性和殘留邊帶調幅波的頻率特性。主機麥克風傳輸的對講語音信號在主機頻率調制電路中以頻率調制方式調制到6.5MHz副載波(簡稱副載波)，載波頻率大于視頻信號的最高頻率(6MHz)，不會與視頻信號的頻譜重疊，與圖像視頻信號進行第一次頻率復用。語音信號頻譜范圍是50Hz-15kHz，最大調制頻偏為50kHz，語音調頻信號的帶寬約為130kHz。而由分機發送來的語音調頻信號(載波2)以陶瓷帶通濾波器作為載波濾波器，實現與其它載波的分路，對其它載波的抑制比大于25dB。載波2送到分機語音解調(鑒頻)電路，解調出分機的語音信號，經放大后由主機揚聲器發出分機的對講聲音。主機控制系統的數據(按鍵、RFID門禁、報警握手等)信號在第一數據FSK調制解調電路中調制為頻移鍵控信號(載波3)，以三階切比雪夫濾波器1為載波濾波器，實現與其它載波的復用。主機按鍵控制信號、RFID門禁信號與報警握手信號在單片機的控制下實現雙工工作和報警握手信號的優先權。而由分機發送來的數據FSK調制信號(載波4)，以三階切比雪夫濾波器2為載波濾波器，經載波分路后送到第一數據FSK調制解調電路，解調出分機的數據信號，并送主機控制系統執行相應的動作。如圖3所示，分機模組包括分機載波頻分復用網絡、分機載波調制解調電路、顯示屏組件、分機揚聲器、分機麥克風和分機控制系統，其中，分機載波頻分復用網絡包括分機載波復合與分路電路、聲表面波濾波器、第二陶瓷帶通濾波器、第三切比雪夫濾波器、第四切比雪夫濾波器、6.5MHz帶通濾波電路、圖像視頻同步解調電路、主機語音解調電路、分機語音頻率調制電路和第二數據FSK調制解調電路，分機模組通過分機載波復合與分路電路與傳輸分配網絡連接，分機載波復合與分路電路連接聲表面波濾波器的輸入端，聲表面波濾波器的輸出端連接圖像視頻同步解調電路的輸入端，而圖像視頻同步解調電路的輸出端連接顯示屏組件，圖像視頻同步解調電路的輸出端還經由6.5MHz帶通濾波電路連接主機語音解調電路的輸入端，主機語音解調電路的輸出端連接分機揚聲器；分機麥克風連接分機語音頻率調制電路的輸入端，分機語音頻率調制電路的輸出端經由第二陶瓷帶通濾波器連接分機載波與復合分路電路；分機控制系統分別連接圖像視頻同步解調電路、主機語音解調電路、分機語音頻率解調電路和分機載波復合與分路電路，分機控制系統還與第二數據FSK調制解調電路進行雙向通信，第二數據FSK調制解調電路與第三、第四切比雪夫濾波器進行雙向通信，第三切比雪夫濾波器的輸入端和第四切比雪夫濾波器的輸出端均連接分機載波與復合分路電路。在分機模組中，圖像載波調制信號以聲表面波濾波器作為載波濾波器，實現與其它載波的分路。聲表面波濾波器具有相對帶寬較寬、矩形系數較理想和帶內波動較小等特點，是頻譜較寬的圖像載波調制信號最為理想的濾波器，對帶外載波的抑制比可達40dB以上。分路出來的圖像載波調制信號(載波1)在圖像視頻同步解調電路中解調出圖像視頻信號和主機語音調頻信號(即6.5MHz副載波)，圖像視頻信號送到顯示屏組件重現監視圖像。主機語音調頻信號經6.5MHz帶通濾波器濾除視頻信號和其它噪聲，送主機語音解調(鑒頻)電路，解調出主機的語音信號，放大后由分機揚聲器發出主機的對講聲音。而分機的語音信號(頻譜也是50Hz-15kHz)，在分機語音頻率調制電路中以頻率調制方式調制為調頻信號(載波2)，其最大調制頻偏為75kHz，語音調頻信號的帶寬約為180kHz。以陶瓷帶通濾波器作為載波2的濾波器，實現與其它載波的復用。分機數據(按鍵、自動報警等)信號的載波調制與主機相類似，在第二數據FSK調制解調電路中調制為頻移鍵控信號(載波4)，以三階切比雪夫濾波器2作為載波濾波器，實現與其它載波的復用。分機按鍵數據信號與自動報警數據信號在單片機的控制下實現雙工工作和自動報警數據信號的優先權。而由主機發送來的數據FSK調制信號(載波3)則以三階切比雪夫濾波器1作為載波濾波器，經分路后在第二數據FSK調制解調電路中解調出主機的數據信號，并送分機控制系統執行相應動作。如圖4所示，傳輸分配網絡包括信號電源混合電路和用戶分配網絡，其中，信號電源混合電路與主機載波頻分復用網絡建立通信連接，用戶分配網絡通過傳輸支線與各分機模組中的分機載波頻分復用網絡建立通信連接，而信號電源混合電路與用戶分配網絡之間通過傳輸主干線進行通信；所述傳輸主干線采用對射頻載波信號衰減較小的同軸電纜，特性阻抗為75Ω，與信號電源混合電路、用戶分配網絡之間為不平衡連接，需要滿足傳輸線的阻抗匹配要求。信號電源混合電路將系統直流電源和各路載波調制信號復合到傳輸主干線，到達主機或分機的載波頻分復用網絡后再進行載波調制信號與電源的分離；傳輸支線兼容同軸電纜或二線制傳輸線，但采用二線制傳輸線容易折彎、便于入戶布線。二線傳輸線是平衡傳輸線，一般采用RVV2x0.5型多股線材。用戶分配網絡具有雙向傳輸載波調制信號的功能和阻抗變換功能，不僅要將傳輸主干線的各路載波調制信號和直流電源分配給各傳輸支線，而且要進行不平衡到平衡的阻抗變換，即將同軸線的不平衡連接變換成二線制的平衡連接。本實用新型的整體架構如圖1所示，可以看到，本實用新型包含有主機模組、分機模組和傳輸分配網絡，主機模組和各個分機模組都有各自的載波調制解調電路和載波頻分復用網絡，將可視對講系統所涉及的視頻、音頻和數據等信號的頻譜，分別搬移到不同的高頻載波，即基帶信號的載波調制，以射頻信號傳輸替代基帶信號傳輸(見文獻4-5)。根據各路載波調制信號的特點設置頻譜分布，使各路載波的頻譜之間相互錯開而不重疊。利用以載波濾波器為基礎的頻分復用和解復用網絡，結合使用信號電源混合電路，在單根同軸電纜線上獲得直流電源和射頻載波調制信號上、下行雙向無擾傳輸通道。當載波調制信號送達接收端后，再通過載波解調電路還原視頻、音頻和數據信號。本實用新型在應用過程中，需要實現對基帶信號的載波調制，載波調制方式的選擇要與所傳輸信號的具體頻譜特點相適應，避免各路載波信號之間引起交調干擾，本實施例對視頻、音頻和數據等信號分別采用振幅平衡調制、頻率調制和FSK調制等調制方式，以下詳細說明。(1)圖像視頻信號的振幅平衡調制對圖像視頻信號采用振幅平衡調制，也稱為抑制載波雙邊帶調制。由于圖像視頻信號的頻帶較寬，采用振幅平衡調制比用頻率調制方式占用頻帶資源小。假設圖像視頻信號為uV(t)＝UVmcos2πFVt、其載波信號為uc1(t)＝Uc1mcos2πf1t，UVm表示圖像信號振幅，FV表示圖像信號頻率，t表示時間，Uc1m表示圖像載波信號振幅，f1表示圖像載波信號頻率，則圖像視頻的振幅平衡調制信號電壓為：u1(t)＝U1m[cos2π(f1+FV)t+cos2π(f1-FV)t](1)式中，U1m表示圖像載波調制信號的振幅，其計算公式是A為電路決定的系數。一般視頻信號的最高頻率FVmax＝6MHz，則圖像振幅平衡調制信號的頻帶寬度B1＝2FVmax＝12MHz，顯然占用較大的頻帶資源。如果調制解調等電路的帶內波動較大，還會影響視頻信號的頻率特性。因此，在頻分復用網絡中用一個五階巴特沃茲濾波器將圖像振幅平衡調制信號濾波成為殘留邊帶調幅波。(2)語音音頻信號的頻率調制語音音頻信號的頻譜帶寬較窄，適宜采用調頻方式，占用頻帶資源較小，抗干擾性強、傳輸距離遠；而且語音的頻率調制有別于圖像視頻信號的振幅平衡調制，也可以減小對圖像載波調制信號的干擾。假設語音音頻信號為uA(t)＝UAmcos2πFAt、其載波信號為uc2(t)＝Uc2mcos2πf2t，UAm表示語音信號振幅，FA表示語音信號頻率，Uc2m表示語音載波信號振幅，f2表示語音載波信號頻率，則語音音頻的頻率調制信號電壓為：u2(t)＝U2mcos(2πf2t+mfsin2πFAt)(2)式中，mf表示調頻指數，U2m表示語音載波調制信號的振幅。一般語音信號的最高頻率為FAmax＝15MHz，若調頻指數mf＝5，則語音載波調制信號的帶寬為B2＝2(mf+1)FAmax＝180kHz，比圖像視頻調制信號的帶寬小得多。(3)數據信號的FSK調制數據信號只有高、低電平二種狀態，采用FSK調制方式，抗干擾性強、可靠性高，而且對圖像的振幅平衡調制信號和語音的頻率調制信號的干擾都比較小。數據信號可以表示為：S(t)=Σkαkg(t-kT)---(3)]]>式中，αk為二進制碼元，αk＝1出現的概率為P，αk＝0出現的概率為1-P，T為二進制碼元的持續時間。數據信號的FSK調制信號的電壓表達式為：u3(t)=Σkαkg(t-kT)cos2πf3t+Σkαk‾g(t-kT)cos2πf3′t---(4)]]>式中，為αk的反碼，f3和f′3分別是FSK調制的二個鍵控頻率。FSK調制信號帶寬為：B3=f3′-f3+2Δf=f3′-f3+2T---(5)]]>一般f′3與f3非常接近，在極限情況下Δf＝f′3-f3，最小帶寬B3min＝3Δf＝3/T。因為數據信號需要雙向傳輸，主機和分機各產生一個FSK調制信號。所以在傳輸分配網絡中有二個電壓表達式如式(4)所示、而鍵控頻率不同的兩個FSK調制信號，分別用u3(t)和u4(t)表示。(4)可視對講系統的復合載波調制信號將可視對講系統的視頻、音頻和數據等的載波調制信號復合，根據式(1)、(2)、(4)可得到在傳輸網絡中的復合載波調制信號電壓表達式為：u(t)=u1(t)+u2(t)+u3(t)+u4(t)=U1m[cos2π(f1+FV)t+cos2π(f1-FV)t]+U2mcos(2πf2t+mfsin2πFAt)+Σkαkg(t-kT)cos2πf3t+Σkαk‾g(t-kT)cos2πf3′t+Σjαjg(t-jT)cos2πf4t+Σjαj‾g(t-jT)cos2πf4′t---(6)]]>為了使圖像載波調制信號不受干擾，圖像載波調制信號的幅度應大于語音載波調制信號的幅度15-20dB。為了實現各路載波調制信號的復用和解復用，載波頻率的選擇要遵循以下原則：(1)各路載波調制信號的頻譜不能重疊，最好有合理的頻譜間隔，以利于各路載波的頻率復用和解復用(即接收端的分路)。(2)符合電磁兼容的相關規定，各載波之間不能產生交調干擾；圖像振幅平衡調制信號不能干擾廣播電視信號，語音頻率調制信號不能干擾調頻廣播信號，數據FSK調制信號也不能干擾其它無線通信信號。(3)具有可實現性和成本優勢，盡量以市面上通用的電子元器件構成載波調制解調電路和頻分復用網絡的載波濾波器，以減少定制新的專用元器件而增加成本。通過具體的試驗來驗證本實用新型的有益效果，應用于樓宇可視對講系統，對式(6)中的載波頻率選取為f1＝38.9MHz、f2＝10.7MHz、f3＝20MHz(f‘3＝20.1MHz)、f4＝26MHz(f’4＝26.1MHz)，在傳輸分配網絡上測得復合載波調制信號頻譜如圖5所示。各載波頻譜之間相互錯開而且有較大間隔，沒有產生交調干擾頻譜。視頻、音頻和數據信號經過載波調制解調前后的波形分別如圖6(a)、(b)、(c)所示，上方為發送端的信號波形，下方為經過載波調制、傳輸分配網絡和載波解調的信號波形。圖像視頻信號的傳輸帶寬可達5MHz，到達電視廣播級水平，明顯高于傳統可視對講系統；語音信號的失真度小于3％，其頻率覆蓋范圍50Hz-15kHz，達到調頻廣播的音質水平，也明顯優于傳統可視對講系統；數據信號傳輸穩定、可靠，在測試過程中沒有出現誤碼情況。在沒有中繼放大的情況下系統傳輸距離達到1500m以上，遠大于傳統可視對講系統傳輸視頻基帶信號的距離(小于300m)，而且只要圖像載波調制信號在接收端的場強不小于60dBV，接收端的圖像畫質與發送端的圖像畫質接近。實際應用與樓宇可視對講系統的傳輸圖像如圖7所示，圖7為經過可視對講系統的載波調制、傳輸和解調后的多功能視頻測試圖。以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內。當前第1頁1 2 3