雙向CATV網(wǎng)中控制信令的傳送

關(guān)鍵詞：雙向CATV 窄帶 FFSK

有線(xiàn)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(kāi)發(fā)，如：影視點(diǎn)播、安防監控、自動(dòng)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)現的關(guān)鍵，是在同軸電纜中控制信令的可靠實(shí)現。

在CATV網(wǎng)中，由于分支較多、用戶(hù)繁雜、線(xiàn)路老化等原因，不可避免地會(huì )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(xiàn)路和傳送方案變得尤為重要。為此，我們通過(guò)長(cháng)期的試驗和實(shí)驗，研制出一成本極其低廉，性能相當可靠的工作電路和通信方案，并在實(shí)際裝機運行中使用。

1 硬件組成及原理框圖

1.1 傳輸通道

根據國際，數據信息只能在雙向CATV網(wǎng)的低端通過(guò)，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(wú)線(xiàn)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。為加強抗干擾能力，上、下行被調制的信號采用FFSK方式，速率為1.2Kb/s。

圖1 數據中心采集卡的通信線(xiàn)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。數據采集中心與控制終端的通信系統是典型的一對多的通信，控制終端數量眾多，應盡可能地設計得簡(jiǎn)單、低廉、精確；而數據采集心的采集卡則相對可靠即可。因此，在控制終端線(xiàn)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(guò)對電源的控制來(lái)實(shí)現對振蕩電路起振與否的控制。接收電路采用電視信號解調芯片TA7606，解調出音頻FFSK信號。數據采集中心的采集卡相對應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。低電壓雙變換設計產(chǎn)生了用于窄帶音頻和數據鏈路的低功耗、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(guò)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(guò)正交檢波輸出音頻范圍內的有用信號。雖然CATV網(wǎng)是有線(xiàn)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(guò)第6腳輸入的調制FFSK信號，硬件框圖如圖1所示。綜合數據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(guò)晶體振蕩產(chǎn)生的。這種設計思路將大大方便于調試、生產(chǎn)。上行信號采用窄帶是因為MC3363的接收性能極優(yōu)，同時(shí)節省頻率資源；而下行信號采用電視信號是因為成本低廉且便于調試、生產(chǎn)。圖1是數據中心采集卡的通信線(xiàn)程原理方框圖。

1.2 控制線(xiàn)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40MHz，而且W77E58的機器工作頻率只是晶體振蕩頻率的4分頻，即40MHz的頻率相當于普通MCS-51系列單片機的120MHz。由于數據處理中心的采集卡要接收及處理多個(gè)終端來(lái)的信息，快速處理數據是必需的。二是W77E58擁有2個(gè)全雙工異步串口，給采集卡與數據控制中心的數據交換提供了便利。三是W77E58片內有1KB的SRAM（采用MOVX指令），無(wú)須外擴數據存儲芯片。當然，W77E58不還有其它一些特點(diǎn)也為程序設計帶來(lái)了極大的便利：雙16位的數據指針、WatchDog定時(shí)器等。FFSK調制解調芯片采用Toshiba公司的TC35470。該芯片有極少的外部線(xiàn)程，寬電壓（2.7～5.5V）和低功耗，內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(xiàn)相連，分別為：RTM（4腳）FFSK接收解調時(shí)鐘輸出，RDT（5腳）FFSK接收解調數據輸出，TD（11腳）FFSK發(fā)送調制時(shí)鐘輸出，TRD（12腳）FFSK發(fā)送調制數據輸入，MSKE（13腳）FFSK解調允許輸出控制腳。W77E58的雙串口有各自的用途：一串口通過(guò)RS232與控制主機相連，用以數據的通信；另一串口與其它設備相連。

由于終端所在的環(huán)境千變尤化，千差萬(wàn)別，因此終端控制線(xiàn)路最關(guān)心的硬件設計是抗干擾和低功耗。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，抗干擾能力特別強，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(xiàn)路，可將電壓設計成3V，大大節省了耗電，使鋰電池供電成為可能。由于一個(gè)數據處理中心的采集卡要對應于多個(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(xiàn)相連外，還須提供一口線(xiàn)控制電源以決定窄帶晶體振蕩電路是否工作。這里因為振蕩頻率已達21.7MHz，無(wú)法通過(guò)電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現關(guān)斷。MSP430F1111剩下的8個(gè)I/O口線(xiàn)可用做一些開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出，可對一些報警信號進(jìn)行檢測，按鈕信號讀取，驅動(dòng)一些控制開(kāi)關(guān)。

2 通信信令方式

由于CATV網(wǎng)絡(luò )系統中眾多的終端用戶(hù)，采用一一“點(diǎn)名”的主從結構通信方式會(huì )使得整個(gè)通信周期太長(cháng)。同時(shí)，在該網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)中，大多通信事件的發(fā)起者應該是終端用戶(hù)而不是數據處理中心，而且在眾多用戶(hù)中，在某一時(shí)刻真正需要傳輸數據的用戶(hù)不可能很多。正因為大多通信事件的發(fā)起者是終端用戶(hù)，我們何不采用隨機信息上行的方案？考慮到以上各種因素，我們決定采用類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)集群通信的通信信令――ALOHA方式。

ALOHA信令是Motorola公司專(zhuān)為無(wú)線(xiàn)集群通信設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用戶(hù)且事件發(fā)起者為終端用戶(hù)的情況，其核心內容是隨機訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議。隨機訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議的宗旨是：

*控制解決終端用戶(hù)上行信號的碰撞問(wèn)題；

*使終端用戶(hù)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。

當然，ALOHA控制信令的內容比較復雜，我們只采用了其中基本原理，并做了一定的修改，以適用本系統的應用環(huán)境。下面介紹其實(shí)現原理。

數據采集中心一直有信號向下發(fā)送，所以FFSK信號分成三類(lèi)：

①空閑信令。該類(lèi)信號一直下行，它是一種與終端約定的協(xié)議，表示緊接著(zhù)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(cháng)度?？臻e信令本身包括空閑指令碼+時(shí)間間隔數值。時(shí)間間隔數值表示緊接著(zhù)的時(shí)間間隙的個(gè)數，它不是一個(gè)固定的數值。這個(gè)數據應該隨著(zhù)系統終端個(gè)數的多少和系統所要傳輸量數據多少進(jìn)行最優(yōu)化的設計；同時(shí)，也要隨著(zhù)采集卡收到要求信息交互的終端數的多少而變化。只有進(jìn)行這樣的變化，才能保證ALOHA隨機訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議的宗旨。根據前面硬件的設計，終端的上行信號的發(fā)射電路在平時(shí)是無(wú)電停振狀態(tài)。當它要發(fā)射信號時(shí)，應給它的起振時(shí)間約為10ms，因此這一時(shí)間間隙應包括起振時(shí)間。

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

③交互信令。給出應答信號后，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。當在交互信令的時(shí)間間隔得到上行信號時(shí)也需給出應答信號。當收到上行的結束信號時(shí)，取消該地址的交互信令。

終端所發(fā)FFSK信號分成兩類(lèi)：

①申請上行信號。終端控制板一直通過(guò)外部中斷口對數據中心采集卡的下行空閑信令進(jìn)行檢測。當它有數據需要上行時(shí)，根據下行的空閑信令所得的時(shí)刻與現在這一刻進(jìn)行比較判斷，在下一時(shí)間間隙立刻發(fā)射數據。信號發(fā)送后立刻檢測采集卡的應答信號，這一定時(shí)間內若無(wú)應答信號，則說(shuō)明剛才的上行信號沒(méi)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，數據中心得不到數據是因為有兩個(gè)或兩個(gè)以上的用戶(hù)“同搶”時(shí)隙。這樣，再一次發(fā)射信息就要采用隨機發(fā)射方式：根據本機的一隨機數據發(fā)和函數得到一單字節的隨機數，除以時(shí)間間隙數，得一隨機余數。該隨機余數即為本次申請上行信號發(fā)生所占的時(shí)間間隙。之所以要有一隨機數據的發(fā)生函數，是因為采集卡的下行空閑信令之后的時(shí)間間隙的個(gè)數有限，為了效地干擾。若還不成功，就需要根據信息的重要程度不同進(jìn)行不的處理：報警型就要重復剛才的過(guò)程，直到收到應答信號為止；一般的信息只需重復一定次數，若還不成功就可放棄。對于那些需進(jìn)一步信息交互的內容，終端單片機對采集卡的下行信號進(jìn)一步檢測，當檢測到交互信令時(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實(shí)際需要設計得與一幀申請上行信號不一樣長(cháng)。當信息交互完畢時(shí)，終端發(fā)送結束信息，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容，因此交互上行信號只有信息內容。為了數據輸送的可檢驗，數據的傳送通過(guò)CRC校驗。

采用上述通信方式，通過(guò)試驗數據傳送既快無(wú)好，即使碰了多個(gè)用戶(hù)“同搶”的情況也能將信息順利上達。

3 軟件設計

在完成硬件設計和確定通信原理后，收發(fā)軟件設計中，最主要是怎樣把握時(shí)間間隙的計算。通過(guò)時(shí)間的延遲是可以達到這樣的目的，但這樣做要實(shí)現多樣的延時(shí)，在實(shí)際試驗中既不利于實(shí)現也不準確。我們采用的方法是：對芯片T35470，通過(guò)計算FFSK接收解調時(shí)鐘輸出RTM腳的脈沖個(gè)數來(lái)達到計時(shí)的目的。因為，此腳一直產(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)送信息應起振振蕩線(xiàn)路，時(shí)間約為10ms。我們就可以通過(guò)計12個(gè)脈沖來(lái)達到延時(shí)目的。下行信號留出的每個(gè)時(shí)間間隙都應包括這12個(gè)脈沖的時(shí)間。實(shí)際上，隨機函數也是通過(guò)計RTM腳脈沖的方式來(lái)實(shí)現的，這樣也便于隨機時(shí)隙的計算。

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)現對RTM脈沖計數并實(shí)現隨機函數。采集卡和終端的通信程序流程如圖2、圖3所示。