一种基于单线传输的可视对讲系统的制作方法

本实用新型属于信号传输
技术领域：
，特别涉及一种楼宇可视对讲系统中的信号传输技术。
背景技术：
：在传统的可视对讲系统中，视频、音频和数据等信号是以基带形式传输的，至少需要四组传输线才能实现，联网布线非常复杂；其次，视频和音频基带信号容易受各类电器、电网交流声等干扰；再次，经长距离传输及多级中继放大后使图像的画质变差和语音的音质下降，并影响系统的稳定性。为了解决直接传输基带信号所固有的问题，人们开展将载波调制和频分复用技术应用于视频监控的研究(见文献1-3)，实现在一条传输线上单向传输视频和数据信号。文献4先将数据信号调制到低于音频频率的载波(即频率小于200Hz)，再与语音、图像信号进行复合后调制到高频载波。但是，数据载波调制信号的频谱和语音信号频谱(电话音质200Hz-3.4kHz)都会与图像信号频谱(0-6MHz)明显重叠，无法实现频率复用和解复用；此外，二线制传输线对射频信号的衰减很大，不能用于长距离传输。文献列表：文献1，刘绒侠，王恒运.单路视频与多路数据复用传输系统的研究[J].西北工业大学学报，2008.02文献2，翟建芳，吕建平.基于频分复用的视频安全通信研究[J].安防科技，2008.10文献3，李瑜芳，张河海.免电源线安防监控传输系统的设计与制作[J].福建工程学院学报，2008.06文献4，李宏，杜永贵.两线制可视对讲系统的研究[J].安防科技，2009.12文献5，汪光华，智能安防——视频监控全面解析与实例分析[M]P.190-192.机械工业出版社，2012.8技术实现要素：本实用新型的目的，在于提供一种基于单线传输的可视对讲系统，其抗干扰性强，稳定性佳。为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：一种基于单线传输的可视对讲系统，包括主机模组、数个分机模组和传输分配网络，其中，主机模组包括主机载波调制解调电路及分别与之连接的摄像组件、主机麦克风、主机扬声器和主机控制系统，以及与主机载波调制解调电路双向通信的主机载波频分复用网络，分机模组包括分机载波调制解调电路及分别与之连接的显示屏组件、分机扬声器、分机麦克风和分机控制系统，以及与分机载波调制解调电路双向通信的分机载波频分复用网络，传输分配网络包括信号电源混合电路和用户分配网络，信号电源混合电路与主机模块中的主机载波频分复用网络建立通信连接，用户分配网络通过传输支线与各分机模组中的分机载波频分复用网络建立通信连接，而信号电源混合电路与用户分配网络之间通过传输主干线进行通信。上述主机载波调制解调电路包括频分复用电路、图像振幅平衡调制电路、主机语音频率调制电路、分级语音解调电路和第一数据FSK调制解调电路，主机载波频分复用网络包括巴特沃兹滤波器、第一陶瓷带通滤波器、第一切比雪夫滤波器、第二切比雪夫滤波器和主机载波复合与分路电路，主机控制系统分别连接主机语音频率调制电路、分机语音解调电路、第一数据FSK调制解调电路、图像振幅平衡调制电路和主机载波复合与分路电路，频分复用电路的输入端分别连接摄像组件、主机麦克风和主机语音频率调制电路的输出端，频分复用电路的输出端连接图像振幅平衡调制电路，而主机语音频率调制电路的输入端连接主机麦克风；图像振幅平衡调制电路的输出端连接巴特沃兹滤波器的输入端，巴特沃兹滤波器的输出端连接主机载波复合与分路电路；主机载波复合与分路电路还分别连接第一陶瓷带通滤波器的输入端、第一切比雪夫滤波器的输入端和第二切比雪夫滤波器的输入端，第一陶瓷带通滤波器的输出端经由分机语音解调电路连接主机扬声器，第一、第二切比雪夫滤波器与第一数据FSK调制解调电路进行双向通信，第一数据FSK调制解调电路与主机控制系统进行双向通信；主机模组通过主机载波复合与分路电路与传输分配网络连接。上述巴特沃兹滤波器采用五阶巴特沃兹滤波器。上述第一切比雪夫滤波器和第二切比雪夫滤波器均采用三阶切比雪夫滤波器。上述分机载波频分复用网络包括分机载波复合与分路电路、声表面波滤波器、第二陶瓷带通滤波器、第三切比雪夫滤波器、第四切比雪夫滤波器、6.5MHz带通滤波电路、图像视频同步解调电路、主机语音解调电路、分机语音频率调制电路和第二数据FSK调制解调电路，分机模组通过分机载波复合与分路电路与传输分配网络连接，分机载波复合与分路电路连接声表面波滤波器的输入端，声表面波滤波器的输出端连接图像视频同步解调电路的输入端，而图像视频同步解调电路的输出端连接显示屏组件，图像视频同步解调电路的输出端还经由6.5MHz带通滤波电路连接主机语音解调电路的输入端，主机语音解调电路的输出端连接分机扬声器；分机麦克风连接分机语音频率调制电路的输入端，分机语音频率调制电路的输出端经由第二陶瓷带通滤波器连接分机载波与复合分路电路；分机控制系统分别连接图像视频同步解调电路、主机语音解调电路、分机语音频率解调电路和分机载波复合与分路电路，分机控制系统还与第二数据FSK调制解调电路进行双向通信，第二数据FSK调制解调电路与第三、第四切比雪夫滤波器进行双向通信，第三切比雪夫滤波器的输入端和第四切比雪夫滤波器的输出端均连接分机载波与复合分路电路。上述第三切比雪夫滤波器和第四切比雪夫滤波器均采用三阶切比雪夫滤波器。上述传输主干线采用同轴电缆，与信号电源混合电路、用户分配网络之间为不平衡连接。上述传输支线兼容同轴电缆或二线制传输线。采用上述方案后，本实用新型针对传统可视对讲系统的视频和音频信号易受干扰、系统稳定性差和联网复杂等缺点，提出用振幅平衡调制、频率调制和FSK(FrequencyShiftKey)调制等方法，分别将可视对讲系统的视频、音频和数据等信号，以不同的调制方式调制到不同的高频载波；利用基于专用载波滤波器的频分复用网络，实现了可视对讲系统的直流电源、图像载波、语音载波、数据载波等信号在一条同轴电缆上远距离双向传输；图像画质、语音音质和系统的可靠性也得到提高，并应用于楼宇可视对讲系统产品。附图说明图1是本实用新型的整体架构图；图2是本实用新型中主机模组的连接框图；图3是本实用新型中分机模组的连接框图；图4是本实用新型中传输分配网络的连接框图；图5是复合载波调制信号频谱图；图6是载波调制解调前后的波形图；其中，(a)是视频信号的波形图，(b)是音频信号的波形图，(c)是数据信号的波形图；图7是传输图像。具体实施方式以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。如图1所示，本实用新型提供一种基于单线传输的可视对讲系统，包括主机模组、数个分机模组和传输分配网络，下面分别介绍。主机模组包括摄像组件、主机麦克风、主机扬声器、主机控制系统、主机载波调制解调电路和主机载波频分复用网络，配合图2所示，其中，主机载波调制解调电路包括频分复用电路、图像振幅平衡调制电路、主机语音频率调制电路、分级语音解调电路和第一数据FSK调制解调电路，主机载波频分复用网络包括巴特沃兹滤波器、第一陶瓷带通滤波器、第一切比雪夫滤波器、第二切比雪夫滤波器和主机载波复合与分路电路，主机控制系统分别连接主机语音频率调制电路、分机语音解调电路、第一数据FSK调制解调电路、图像振幅平衡调制电路和主机载波复合与分路电路，频分复用电路的输入端分别连接摄像组件、主机麦克风和主机语音频率调制电路的输出端，频分复用电路的输出端连接图像振幅平衡调制电路，而主机语音频率调制电路的输入端连接主机麦克风；图像振幅平衡调制电路的输出端连接巴特沃兹滤波器的输入端，巴特沃兹滤波器的输出端连接主机载波复合与分路电路；主机载波复合与分路电路还分别连接第一陶瓷带通滤波器的输入端、第一切比雪夫滤波器的输入端和第二切比雪夫滤波器的输入端，第一陶瓷带通滤波器的输出端经由分机语音解调电路连接主机扬声器，第一、第二切比雪夫滤波器与第一数据FSK调制解调电路进行双向通信，第一数据FSK调制解调电路与主机控制系统进行双向通信；主机模组通过主机载波复合与分路电路与传输分配网络连接。图像视频信号的载波调制由图像振幅平衡调制电路完成。摄像组件传输的视频信号先与语音调频信号(6.5MHz副载波)进行一次频率复用，形成频带宽度约为6.6MHz的复合信号，然后将此复合信号送至图像振幅平衡调制电路，调制为抑制载波双边带调幅波，其频带宽度约为13.2MHz。以五阶巴特沃兹滤波器作为图像载波的载波滤波器，实现与其它载波的二次频率复用，同时将图像的抑制载波双边带调幅信号滤波成为残留边带调幅波(简称载波1)，其带宽也相应减小到7.3MHz左右。巴特沃兹滤波器具有带内波动小的特点，可以获得较理想的视频信号频率特性和残留边带调幅波的频率特性。主机麦克风传输的对讲语音信号在主机频率调制电路中以频率调制方式调制到6.5MHz副载波(简称副载波)，载波频率大于视频信号的最高频率(6MHz)，不会与视频信号的频谱重叠，与图像视频信号进行第一次频率复用。语音信号频谱范围是50Hz-15kHz，最大调制频偏为50kHz，语音调频信号的带宽约为130kHz。而由分机发送来的语音调频信号(载波2)以陶瓷带通滤波器作为载波滤波器，实现与其它载波的分路，对其它载波的抑制比大于25dB。载波2送到分机语音解调(鉴频)电路，解调出分机的语音信号，经放大后由主机扬声器发出分机的对讲声音。主机控制系统的数据(按键、RFID门禁、报警握手等)信号在第一数据FSK调制解调电路中调制为频移键控信号(载波3)，以三阶切比雪夫滤波器1为载波滤波器，实现与其它载波的复用。主机按键控制信号、RFID门禁信号与报警握手信号在单片机的控制下实现双工工作和报警握手信号的优先权。而由分机发送来的数据FSK调制信号(载波4)，以三阶切比雪夫滤波器2为载波滤波器，经载波分路后送到第一数据FSK调制解调电路，解调出分机的数据信号，并送主机控制系统执行相应的动作。如图3所示，分机模组包括分机载波频分复用网络、分机载波调制解调电路、显示屏组件、分机扬声器、分机麦克风和分机控制系统，其中，分机载波频分复用网络包括分机载波复合与分路电路、声表面波滤波器、第二陶瓷带通滤波器、第三切比雪夫滤波器、第四切比雪夫滤波器、6.5MHz带通滤波电路、图像视频同步解调电路、主机语音解调电路、分机语音频率调制电路和第二数据FSK调制解调电路，分机模组通过分机载波复合与分路电路与传输分配网络连接，分机载波复合与分路电路连接声表面波滤波器的输入端，声表面波滤波器的输出端连接图像视频同步解调电路的输入端，而图像视频同步解调电路的输出端连接显示屏组件，图像视频同步解调电路的输出端还经由6.5MHz带通滤波电路连接主机语音解调电路的输入端，主机语音解调电路的输出端连接分机扬声器；分机麦克风连接分机语音频率调制电路的输入端，分机语音频率调制电路的输出端经由第二陶瓷带通滤波器连接分机载波与复合分路电路；分机控制系统分别连接图像视频同步解调电路、主机语音解调电路、分机语音频率解调电路和分机载波复合与分路电路，分机控制系统还与第二数据FSK调制解调电路进行双向通信，第二数据FSK调制解调电路与第三、第四切比雪夫滤波器进行双向通信，第三切比雪夫滤波器的输入端和第四切比雪夫滤波器的输出端均连接分机载波与复合分路电路。在分机模组中，图像载波调制信号以声表面波滤波器作为载波滤波器，实现与其它载波的分路。声表面波滤波器具有相对带宽较宽、矩形系数较理想和带内波动较小等特点，是频谱较宽的图像载波调制信号最为理想的滤波器，对带外载波的抑制比可达40dB以上。分路出来的图像载波调制信号(载波1)在图像视频同步解调电路中解调出图像视频信号和主机语音调频信号(即6.5MHz副载波)，图像视频信号送到显示屏组件重现监视图像。主机语音调频信号经6.5MHz带通滤波器滤除视频信号和其它噪声，送主机语音解调(鉴频)电路，解调出主机的语音信号，放大后由分机扬声器发出主机的对讲声音。而分机的语音信号(频谱也是50Hz-15kHz)，在分机语音频率调制电路中以频率调制方式调制为调频信号(载波2)，其最大调制频偏为75kHz，语音调频信号的带宽约为180kHz。以陶瓷带通滤波器作为载波2的滤波器，实现与其它载波的复用。分机数据(按键、自动报警等)信号的载波调制与主机相类似，在第二数据FSK调制解调电路中调制为频移键控信号(载波4)，以三阶切比雪夫滤波器2作为载波滤波器，实现与其它载波的复用。分机按键数据信号与自动报警数据信号在单片机的控制下实现双工工作和自动报警数据信号的优先权。而由主机发送来的数据FSK调制信号(载波3)则以三阶切比雪夫滤波器1作为载波滤波器，经分路后在第二数据FSK调制解调电路中解调出主机的数据信号，并送分机控制系统执行相应动作。如图4所示，传输分配网络包括信号电源混合电路和用户分配网络，其中，信号电源混合电路与主机载波频分复用网络建立通信连接，用户分配网络通过传输支线与各分机模组中的分机载波频分复用网络建立通信连接，而信号电源混合电路与用户分配网络之间通过传输主干线进行通信；所述传输主干线采用对射频载波信号衰减较小的同轴电缆，特性阻抗为75Ω，与信号电源混合电路、用户分配网络之间为不平衡连接，需要满足传输线的阻抗匹配要求。信号电源混合电路将系统直流电源和各路载波调制信号复合到传输主干线，到达主机或分机的载波频分复用网络后再进行载波调制信号与电源的分离；传输支线兼容同轴电缆或二线制传输线，但采用二线制传输线容易折弯、便于入户布线。二线传输线是平衡传输线，一般采用RVV2x0.5型多股线材。用户分配网络具有双向传输载波调制信号的功能和阻抗变换功能，不仅要将传输主干线的各路载波调制信号和直流电源分配给各传输支线，而且要进行不平衡到平衡的阻抗变换，即将同轴线的不平衡连接变换成二线制的平衡连接。本实用新型的整体架构如图1所示，可以看到，本实用新型包含有主机模组、分机模组和传输分配网络，主机模组和各个分机模组都有各自的载波调制解调电路和载波频分复用网络，将可视对讲系统所涉及的视频、音频和数据等信号的频谱，分别搬移到不同的高频载波，即基带信号的载波调制，以射频信号传输替代基带信号传输(见文献4-5)。根据各路载波调制信号的特点设置频谱分布，使各路载波的频谱之间相互错开而不重叠。利用以载波滤波器为基础的频分复用和解复用网络，结合使用信号电源混合电路，在单根同轴电缆线上获得直流电源和射频载波调制信号上、下行双向无扰传输通道。当载波调制信号送达接收端后，再通过载波解调电路还原视频、音频和数据信号。本实用新型在应用过程中，需要实现对基带信号的载波调制，载波调制方式的选择要与所传输信号的具体频谱特点相适应，避免各路载波信号之间引起交调干扰，本实施例对视频、音频和数据等信号分别采用振幅平衡调制、频率调制和FSK调制等调制方式，以下详细说明。(1)图像视频信号的振幅平衡调制对图像视频信号采用振幅平衡调制，也称为抑制载波双边带调制。由于图像视频信号的频带较宽，采用振幅平衡调制比用频率调制方式占用频带资源小。假设图像视频信号为uV(t)＝UVmcos2πFVt、其载波信号为uc1(t)＝Uc1mcos2πf1t，UVm表示图像信号振幅，FV表示图像信号频率，t表示时间，Uc1m表示图像载波信号振幅，f1表示图像载波信号频率，则图像视频的振幅平衡调制信号电压为：u1(t)＝U1m[cos2π(f1+FV)t+cos2π(f1-FV)t](1)式中，U1m表示图像载波调制信号的振幅，其计算公式是A为电路决定的系数。一般视频信号的最高频率FVmax＝6MHz，则图像振幅平衡调制信号的频带宽度B1＝2FVmax＝12MHz，显然占用较大的频带资源。如果调制解调等电路的带内波动较大，还会影响视频信号的频率特性。因此，在频分复用网络中用一个五阶巴特沃兹滤波器将图像振幅平衡调制信号滤波成为残留边带调幅波。(2)语音音频信号的频率调制语音音频信号的频谱带宽较窄，适宜采用调频方式，占用频带资源较小，抗干扰性强、传输距离远；而且语音的频率调制有别于图像视频信号的振幅平衡调制，也可以减小对图像载波调制信号的干扰。假设语音音频信号为uA(t)＝UAmcos2πFAt、其载波信号为uc2(t)＝Uc2mcos2πf2t，UAm表示语音信号振幅，FA表示语音信号频率，Uc2m表示语音载波信号振幅，f2表示语音载波信号频率，则语音音频的频率调制信号电压为：u2(t)＝U2mcos(2πf2t+mfsin2πFAt)(2)式中，mf表示调频指数，U2m表示语音载波调制信号的振幅。一般语音信号的最高频率为FAmax＝15MHz，若调频指数mf＝5，则语音载波调制信号的带宽为B2＝2(mf+1)FAmax＝180kHz，比图像视频调制信号的带宽小得多。(3)数据信号的FSK调制数据信号只有高、低电平二种状态，采用FSK调制方式，抗干扰性强、可靠性高，而且对图像的振幅平衡调制信号和语音的频率调制信号的干扰都比较小。数据信号可以表示为：S(t)=Σkαkg(t-kT)---(3)]]>式中，αk为二进制码元，αk＝1出现的概率为P，αk＝0出现的概率为1-P，T为二进制码元的持续时间。数据信号的FSK调制信号的电压表达式为：u3(t)=Σkαkg(t-kT)cos2πf3t+Σkαk‾g(t-kT)cos2πf3′t---(4)]]>式中，为αk的反码，f3和f′3分别是FSK调制的二个键控频率。FSK调制信号带宽为：B3=f3′-f3+2Δf=f3′-f3+2T---(5)]]>一般f′3与f3非常接近，在极限情况下Δf＝f′3-f3，最小带宽B3min＝3Δf＝3/T。因为数据信号需要双向传输，主机和分机各产生一个FSK调制信号。所以在传输分配网络中有二个电压表达式如式(4)所示、而键控频率不同的两个FSK调制信号，分别用u3(t)和u4(t)表示。(4)可视对讲系统的复合载波调制信号将可视对讲系统的视频、音频和数据等的载波调制信号复合，根据式(1)、(2)、(4)可得到在传输网络中的复合载波调制信号电压表达式为：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)]]>为了使图像载波调制信号不受干扰，图像载波调制信号的幅度应大于语音载波调制信号的幅度15-20dB。为了实现各路载波调制信号的复用和解复用，载波频率的选择要遵循以下原则：(1)各路载波调制信号的频谱不能重叠，最好有合理的频谱间隔，以利于各路载波的频率复用和解复用(即接收端的分路)。(2)符合电磁兼容的相关规定，各载波之间不能产生交调干扰；图像振幅平衡调制信号不能干扰广播电视信号，语音频率调制信号不能干扰调频广播信号，数据FSK调制信号也不能干扰其它无线通信信号。(3)具有可实现性和成本优势，尽量以市面上通用的电子元器件构成载波调制解调电路和频分复用网络的载波滤波器，以减少定制新的专用元器件而增加成本。通过具体的试验来验证本实用新型的有益效果，应用于楼宇可视对讲系统，对式(6)中的载波频率选取为f1＝38.9MHz、f2＝10.7MHz、f3＝20MHz(f‘3＝20.1MHz)、f4＝26MHz(f’4＝26.1MHz)，在传输分配网络上测得复合载波调制信号频谱如图5所示。各载波频谱之间相互错开而且有较大间隔，没有产生交调干扰频谱。视频、音频和数据信号经过载波调制解调前后的波形分别如图6(a)、(b)、(c)所示，上方为发送端的信号波形，下方为经过载波调制、传输分配网络和载波解调的信号波形。图像视频信号的传输带宽可达5MHz，到达电视广播级水平，明显高于传统可视对讲系统；语音信号的失真度小于3％，其频率覆盖范围50Hz-15kHz，达到调频广播的音质水平，也明显优于传统可视对讲系统；数据信号传输稳定、可靠，在测试过程中没有出现误码情况。在没有中继放大的情况下系统传输距离达到1500m以上，远大于传统可视对讲系统传输视频基带信号的距离(小于300m)，而且只要图像载波调制信号在接收端的场强不小于60dBV，接收端的图像画质与发送端的图像画质接近。实际应用与楼宇可视对讲系统的传输图像如图7所示，图7为经过可视对讲系统的载波调制、传输和解调后的多功能视频测试图。以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。当前第1页1 2 3