雙向CATV網(wǎng)中控制信令的傳送

摘要：介紹基于CATV的雙向FFSK數(shù)據(jù)通信線程和軟件設(shè)計(jì)的原理、流程。該裝置實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉、性能可靠，并在實(shí)際應(yīng)用中得以成功運(yùn)用。

    關(guān)鍵詞：雙向CATV 窄帶 FFSK

有線電視網(wǎng)（CATV）是中國普及最廣的網(wǎng)絡(luò)，在已建的賓館、居民小區(qū)中絕大部分都已建成。因此利用已有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更廣泛的功能的開發(fā)，如：影視點(diǎn)播、安防監(jiān)控、自動抄表及其它的服務(wù)呼叫等，是一個(gè)值得研究的課題。這些功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，是在同軸電纜中控制信令的可靠實(shí)現(xiàn)。

在CATV網(wǎng)中，由于分支較多、用戶繁雜、線路老化等原因，不可避免地會造成大量的干擾信號的竄入。在實(shí)際的頻譜測試中，整個(gè)其帶經(jīng)常被噪波干擾抬高，因此，尋找廉價(jià)且可靠的線路和傳送方案變得尤為重要。為此，我們通過長期的試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，研制出一成本極其低廉，性能相當(dāng)可靠的工作電路和通信方案，并在實(shí)際裝機(jī)運(yùn)行中使用。

1 硬件組成及原理框圖

1.1 傳輸通道

根據(jù)國際，數(shù)據(jù)信息只能在雙向CATV網(wǎng)的低端通過，允許分布的頻率為65MHz以下。鑒于此，我們采用的通信頻率分別為：上行信號采用無線信號工作方式，頻點(diǎn)為21.7MHz，采用窄帶方式，帶寬為20kHz；下行信號采用電視信號的工作方式，中心頻率為38MHz，帶寬為8MHz。為加強(qiáng)抗干擾能力，上、下行被調(diào)制的信號采用FFSK方式，速率為1.2Kb/s。

圖1 數(shù)據(jù)中心采集卡的通信線路原理方框圖

    采用此種通信方式的另一種考慮是成本及可生產(chǎn)化。數(shù)據(jù)采集中心與控制終端的通信系統(tǒng)是典型的一對多的通信，控制終端數(shù)量眾多，應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)得簡單、低廉、精確；而數(shù)據(jù)采集心的采集卡則相對可靠即可。因此，在控制終端線路上的窄帶發(fā)射電路，為保證頻點(diǎn)精確且不漂移，舍棄LC振蕩電路采用晶體振蕩，定制晶體頻率為21.7MHz，帶寬為5kHz。通過對電源的控制來實(shí)現(xiàn)對振蕩電路起振與否的控制。接收電路采用電視信號解調(diào)芯片TA7606，解調(diào)出音頻FFSK信號。數(shù)據(jù)采集中心的采集卡相對應(yīng)的接收電路采用窄帶接收芯片MC3363。MC3363是一個(gè)由RF放大器到音頻前置放大器輸出的完整的FM窄帶接收機(jī)。低電壓雙變換設(shè)計(jì)產(chǎn)生了用于窄帶音頻和數(shù)據(jù)鏈路的低功耗、高靈敏度和優(yōu)越的圖像載波抑制功能。MC3363具有較高的靈敏度，對于12dB SINAD（信號對噪聲的先真比）的典型的輸入值為0.3μV。輸入信號先通過兩級本生振蕩器的差頻輸出到455kHz以下，然后再對信號限幅放大，最后經(jīng)過正交檢波輸出音頻范圍內(nèi)的有用信號。雖然CATV網(wǎng)是有線的，但MC3363用在此處可大大提高上行信號的靈敏度，在信噪比較低時(shí)也能接收得很好。發(fā)射電路采用電視信號的中頻電路，即采用芯片MC1374，它的工作頻率也是晶體通過第6腳輸入的調(diào)制FFSK信號，硬件框圖如圖1所示。綜合數(shù)據(jù)處理中心的采集卡和終端的控制卡，上行和下行信號發(fā)射的工作頻率都是通過晶體振蕩產(chǎn)生的。這種設(shè)計(jì)思路將大大方便于調(diào)試、生產(chǎn)。上行信號采用窄帶是因?yàn)镸C3363的接收性能極優(yōu)，同時(shí)節(jié)省頻率資源；而下行信號采用電視信號是因?yàn)槌杀镜土冶阌谡{(diào)試、生產(chǎn)。圖1是數(shù)據(jù)中心采集卡的通信線程原理方框圖。

1.2 控制線程

采集卡的主控制芯片采用華邦公司的W77E58，主要出于三方面的考慮：

一是工作頻率高，最高可達(dá)40MHz，而且W77E58的機(jī)器工作頻率只是晶體振蕩頻率的4分頻，即40MHz的頻率相當(dāng)于普通MCS-51系列單片機(jī)的120MHz。由于數(shù)據(jù)處理中心的采集卡要接收及處理多個(gè)終端來的信息，快速處理數(shù)據(jù)是必需的。二是W77E58擁有2個(gè)全雙工異步串口，給采集卡與數(shù)據(jù)控制中心的數(shù)據(jù)交換提供了便利。三是W77E58片內(nèi)有1KB的SRAM（采用MOVX指令），無須外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲芯片。當(dāng)然，W77E58不還有其它一些特點(diǎn)也為程序設(shè)計(jì)帶來了極大的便利：雙16位的數(shù)據(jù)指針、WatchDog定時(shí)器等。FFSK調(diào)制解調(diào)芯片采用Toshiba公司的TC35470。該芯片有極少的外部線程，寬電壓（2.7～5.5V）和低功耗，內(nèi)部抗電源干擾電路和抗噪聲濾波器。TC35470采用3.58MHz晶體，CPU的5根線相連，分別為：RTM（4腳）FFSK接收解調(diào)時(shí)鐘輸出，RDT（5腳）FFSK接收解調(diào)數(shù)據(jù)輸出，TD（11腳）FFSK發(fā)送調(diào)制時(shí)鐘輸出，TRD（12腳）FFSK發(fā)送調(diào)制數(shù)據(jù)輸入，MSKE（13腳）FFSK解調(diào)允許輸出控制腳。W77E58的雙串口有各自的用途：一串口通過RS232與控制主機(jī)相連，用以數(shù)據(jù)的通信；另一串口與其它設(shè)備相連。

由于終端所在的環(huán)境千變尤化，千差萬別，因此終端控制線路最關(guān)心的硬件設(shè)計(jì)是抗干擾和低功耗。為此，我們采用TI公司的MSP430系列的MSP430F1111芯片。該芯片具有ESD保護(hù)，抗干擾能力特別強(qiáng)，低電壓的工作范圍1.8～3.6V和超低功耗。它與TC35470組成終端的控制線路，可將電壓設(shè)計(jì)成3V，大大節(jié)省了耗電，使鋰電池供電成為可能。由于一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心的采集卡要對應(yīng)于多個(gè)終端，而多個(gè)終端共用一個(gè)上行通道，因此，MSP430F1111除了與TC35470的五根口線相連外，還須提供一口線控制電源以決定窄帶晶體振蕩電路是否工作。這里因?yàn)檎袷庮l率已達(dá)21.7MHz，無法通過電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。MSP430F1111剩下的8個(gè)I/O口線可用做一些開關(guān)量的輸入/輸出，可對一些報(bào)警信號進(jìn)行檢測，按鈕信號讀取，驅(qū)動一些控制開關(guān)。

2 通信信令方式

由于CATV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中眾多的終端用戶，采用一一“點(diǎn)名”的主從結(jié)構(gòu)通信方式會使得整個(gè)通信周期太長。同時(shí)，在該網(wǎng)絡(luò)用戶中，大多通信事件的發(fā)起者應(yīng)該是終端用戶而不是數(shù)據(jù)處理中心，而且在眾多用戶中，在某一時(shí)刻真正需要傳輸數(shù)據(jù)的用戶不可能很多。正因?yàn)榇蠖嗤ㄐ攀录陌l(fā)起者是終端用戶，我們何不采用隨機(jī)信息上行的方案？考慮到以上各種因素，我們決定采用類似于無線集群通信的通信信令——ALOHA方式。

ALOHA信令是Motorola公司專為無線集群通信設(shè)定的控制信道通信協(xié)議，主要是針對于一個(gè)中心控制臺對眾多的手機(jī)用戶且事件發(fā)起者為終端用戶的情況，其核心內(nèi)容是隨機(jī)訪問協(xié)議。隨機(jī)訪問協(xié)議的宗旨是：

*控制解決終端用戶上行信號的碰撞問題；

*使終端用戶的通信信息最快地上行；

*確何可靠性；

*在通信繁忙時(shí)也能保證通信有效。

當(dāng)然，ALOHA控制信令的內(nèi)容比較復(fù)雜，我們只采用了其中基本原理，并做了一定的修改，以適用本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。下面介紹其實(shí)現(xiàn)原理。

數(shù)據(jù)采集中心一直有信號向下發(fā)送，所以FFSK信號分成三類：

①空閑信令。該類信號一直下行，它是一種與終端約定的協(xié)議，表示緊接著的一段時(shí)間是采集卡接收終端初始上行信號的多個(gè)時(shí)鐘間隙。一時(shí)間間隙表示一幀終端上行信號所需的時(shí)間長度?？臻e信令本身包括空閑指令碼+時(shí)間間隔數(shù)值。時(shí)間間隔數(shù)值表示緊接著的時(shí)間間隙的個(gè)數(shù)，它不是一個(gè)固定的數(shù)值。這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該隨著系統(tǒng)終端個(gè)數(shù)的多少和系統(tǒng)所要傳輸量數(shù)據(jù)多少進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)；同時(shí)，也要隨著采集卡收到要求信息交互的終端數(shù)的多少而變化。只有進(jìn)行這樣的變化，才能保證ALOHA隨機(jī)訪問協(xié)議的宗旨。根據(jù)前面硬件的設(shè)計(jì)，終端的上行信號的發(fā)射電路在平時(shí)是無電停振狀態(tài)。當(dāng)它要發(fā)射信號時(shí)，應(yīng)給它的起振時(shí)間約為10ms，因此這一時(shí)間間隙應(yīng)包括起振時(shí)間。

②應(yīng)答信號。當(dāng)采集卡收到終端的上行信息時(shí)，立刻給出應(yīng)答信號。此應(yīng)答信號包含終端地址。

③交互信令。給出應(yīng)答信號后，采集卡還對信號進(jìn)行分析，對于需要進(jìn)一步交互的信息內(nèi)容，立刻在空閑信令及時(shí)間間隙后跟上交互信令，同時(shí)跟上一幀的時(shí)間間隙以接收上行信號。交互信令也是由兩個(gè)部分組成：交互指令碼和需交互的終端地址。當(dāng)在交互信令的時(shí)間間隔得到上行信號時(shí)也需給出應(yīng)答信號。當(dāng)收到上行的結(jié)束信號時(shí)，取消該地址的交互信令。

終端所發(fā)FFSK信號分成兩類：

①申請上行信號。終端控制板一直通過外部中斷口對數(shù)據(jù)中心采集卡的下行空閑信令進(jìn)行檢測。當(dāng)它有數(shù)據(jù)需要上行時(shí)，根據(jù)下行的空閑信令所得的時(shí)刻與現(xiàn)在這一刻進(jìn)行比較判斷，在下一時(shí)間間隙立刻發(fā)射數(shù)據(jù)。信號發(fā)送后立刻檢測采集卡的應(yīng)答信號，這一定時(shí)間內(nèi)若無應(yīng)答信號，則說明剛才的上行信號沒有被采集卡檢測到，需要再一次發(fā)送申請上行信號。一般而言，數(shù)據(jù)中心得不到數(shù)據(jù)是因?yàn)橛袃蓚€(gè)或兩個(gè)以上的用戶“同搶”時(shí)隙。這樣，再一次發(fā)射信息就要采用隨機(jī)發(fā)射方式：根據(jù)本機(jī)的一隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)和函數(shù)得到一單字節(jié)的隨機(jī)數(shù)，除以時(shí)間間隙數(shù)，得一隨機(jī)余數(shù)。該隨機(jī)余數(shù)即為本次申請上行信號發(fā)生所占的時(shí)間間隙。之所以要有一隨機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)生函數(shù)，是因?yàn)椴杉ǖ南滦锌臻e信令之后的時(shí)間間隙的個(gè)數(shù)有限，為了效地干擾。若還不成功，就需要根據(jù)信息的重要程度不同進(jìn)行不的處理：報(bào)警型就要重復(fù)剛才的過程，直到收到應(yīng)答信號為止；一般的信息只需重復(fù)一定次數(shù)，若還不成功就可放棄。對于那些需進(jìn)一步信息交互的內(nèi)容，終端單片機(jī)對采集卡的下行信號進(jìn)一步檢測，當(dāng)檢測到交互信令時(shí)，就進(jìn)行下一步的信息交互。申請上行信號由兩部分組成：終端地址和真正上行信息。

②交互行信號。檢測到交經(jīng)信令時(shí)，終端就可以發(fā)送交互的上行信號了。一幀交互上行信號可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)得與一幀申請上行信號不一樣長。當(dāng)信息交互完畢時(shí)，終端發(fā)送結(jié)束信息，以便采集卡收回該終端的交互信令時(shí)序。由于下行的交互信號中包含地址內(nèi)容，因此交互上行信號只有信息內(nèi)容。為了數(shù)據(jù)輸送的可檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)的傳送通過CRC校驗(yàn)。

采用上述通信方式，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送既快無好，即使碰了多個(gè)用戶“同搶”的情況也能將信息順利上達(dá)。

3 軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件設(shè)計(jì)和確定通信原理后，收發(fā)軟件設(shè)計(jì)中，最主要是怎樣把握時(shí)間間隙的計(jì)算。通過時(shí)間的延遲是可以達(dá)到這樣的目的，但這樣做要實(shí)現(xiàn)多樣的延時(shí)，在實(shí)際試驗(yàn)中既不利于實(shí)現(xiàn)也不準(zhǔn)確。我們采用的方法是：對芯片T35470，通過計(jì)算FFSK接收解調(diào)時(shí)鐘輸出RTM腳的脈沖個(gè)數(shù)來達(dá)到計(jì)時(shí)的目的。因?yàn)椋四_一直產(chǎn)生1.2kHz的方波，一個(gè)脈沖時(shí)間為0.83ms。比如，在終端每次發(fā)送信息應(yīng)起振振蕩線路，時(shí)間約為10ms。我們就可以通過計(jì)12個(gè)脈沖來達(dá)到延時(shí)目的。下行信號留出的每個(gè)時(shí)間間隙都應(yīng)包括這12個(gè)脈沖的時(shí)間。實(shí)際上，隨機(jī)函數(shù)也是通過計(jì)RTM腳脈沖的方式來實(shí)現(xiàn)的，這樣也便于隨機(jī)時(shí)隙的計(jì)算。

前已述及在外部中斷服務(wù)子程序中，單片同對采集卡的空閑信號一直都在采集，中斷就是由RTM腳脈沖引起的，在此服務(wù)子程序中也實(shí)現(xiàn)對RTM脈沖計(jì)數(shù)并實(shí)現(xiàn)隨機(jī)函數(shù)。采集卡和終端的通信程序流程如圖2、圖3所示。