基于TDQR-C005F的DVB-S/S2信号快速搜索技术研究

吴慧谦，张白愚，黄 焱，王 立

（信息工程大学 信息工程学院，河南 郑州 450002）

0 引言

DVB-S标准已经有近10年的发展，相应的数字机顶盒等接收设备功能丰富，种类也较多，同时由其构成前向链路的卫星交互网[1]，在海事通信、抗震救灾、森林防火、应急通信等领域也被人们广泛应用，取得良好的实际效益。

随着数字电视技术、微电子技术、视频压缩技术的不断发展，基于DVB-S标准的第一代卫星广播系统在应用中开始受到一些新技术的挑战。对此，DVB组织在2004年提出了新一代卫星广播系统DVB-S2[2]。DVB-S2采用基于LDPC码与BCH码级联的前向纠错编码技术，与高阶调制QPSK，8PSK，16APSK和32APSK相结合，可以工作在距离香农极限仅0.7～1.0 dB处，充分利用卫星转发器的资源，还解决了DVB-S系统中严重的雨衰问题。

目前对DVB-S2信号的接收技术方面的研究还处在初级阶段，而要实现对DVB-S2突发信号的检测识别和接收，就必须首先在接收的大量信号中快速搜索到需要的DVB-S2突发信号。市场上的DVB-S2数字机顶盒主要面向于广播电视业务，随着DVB-S2标准的进一步推广及其承载的数据业务不断增多，这就要求DVB-S2接收设备不仅要具备数据接收的功能，还应该具备一定的控制处理能力，而现有机顶盒满足不了这些要求。TDQR-C005F不具有自动搜索载波信号及其相关参数的功能。本文利用AT91RM9200的优良性能，对TDQR-C005F进行了深入的系统开发，实现了对宽带范围内DVB-S和DVB-S2信号的自动跟踪和解析，极大方便了研究工作。

1 TDQR-C005F结构

一体化调谐解调器TDQR-C005F是系统前端接收模块的核心器件，主要由直下变频调谐器芯片CX24118和解调解码芯片CX24116组成。CX24118A芯片将射频信号下变频为零中频基带信号，基带信号进入QPSK/8PSK解调芯片CX24116进行解调和解码，最终一体化调谐解调器输出TS数据。

1）直下变频卫星调谐器CX24118

CX24118是科胜讯公司的一款将L波段信号下变频为零中频基带信号的调谐芯片，适合于8PSK，DVB-S2等先进调制系统，有较好的相位噪声性能和低操作损耗。内置该器件还有自动调谐机制，可加快校准过程，缩短软件开发时间。

2）DVB-S2解调器和FEC解码器CX24116

基于开放的DVB-S2标准的基带信号处理芯片CX24116是集解调与解码于一体的高度集成芯片，在其内部集成了双8 bit的模数转换器、I2C总线控制接口、单路数字AGC、平方根奈奎斯特滤波器、高阶调制解调、LDPC译码以及BCH译码等电路，CX24116上的片上微控制器用于快速信号采集、Es/No评估和系统监视。符合DiSEqC2.x的解调器也集成了信噪比和误码率监视器，用于信道性能测量。CX24116内部关系图如图1所示。

2 DVB-S2信号搜索技术研究

在对TDQR-C005F内部结构特性进行深入研究和分析的基础上，提出了一种针对DVB-S2信号的自动搜索方案。平台硬件由调谐器TDQR-C005F以及嵌入式芯片AT91RM9200组成整个系统控制核心的控制板，系统结构框图如图2所示。

将对某一段频率范围内的DVB-S2信号搜索过程分为载波参数搜索和信号频道参数搜索2个步骤。方案的具体内容为：首先在设定频段内采用宽带信号载波检测技术对载波进行搜索，得到所有宽带信号的载波频率和带宽的估计值；然后根据带宽估计值与符码率的经验关系，在一个较小的符码率搜索空间内对DVB-S2信号的符码率、编码码率和导频状态进行三级搜索，从而实现了对DVB-S2信号包括载波频率和信号频道参数在内4个接收参数的实时获取。

2.1 载波参数搜索技术研究

通过以下3个步骤来进行载波搜索[3]：

1）伪频谱数据

通过对一体化调谐解调器按一定的步长依次设置测试频率值并读取其信号强度指示寄存器，可以获得设定频段内的信号伪频谱数据。

2）数据预处理

为了减小信号载波波形顶部的不平坦，降低后续处理误判的概率，可以对预处理数据进行平滑和归一化处理。

3）载波频率和带宽的估计

对处理后的伪频谱设置一合适的门限，通过对正负过门限点以及幅值的分析计算，得出载波中心频率和带宽的粗估计值。

载波参数搜索的过程相当于使用频谱分析仪对该频段内宽带信号分析的过程，虽然使用TDQR-C005F无法得到频谱分析仪扫频得到的结果，但是可以借鉴这种扫频的方式，本文通过以下3个步骤来获取信号的载波参数：

1）信号的AGC数据获取

CX24116中相应地址寄存器指示当前AGC的强度值，信号载波附近频点的AGC值要强于该频段上没有信号的频点。据此，可依据频点上AGC值强度反映载波位置。

对某卫星L频段上950～1 750 MHz的信号按照125 kHz步进进行载波扫描，同时向主机返回扫描得到的原始AGC数据，在主机端开发搜索控制软件，主机软件根据得到的数据画出载波的AGC谱图，如图3所示。

2）信号AGC数据的平滑和归一化处理

由图3可以看出，如果采用原始AGC强度谱图对频段上的信号进行分析，将会存在以下问题：（1）相邻载波靠得过近，导致主机软件无法将它们正确分开；（2）载波中心位置有毛刺出现，以致主机软件将其当作干扰而丢弃；（3）载波波形顶部不平坦，主机软件在分析时会错将其当作多个载波来处理；（4）载波幅度相对较小，使得载波的带宽粗估计值过小，致使下一步对信号的频道参数搜索时间加长，甚至无法锁定载波。为了降低后续处理误判的概率，需要对原始数据进行平滑和归一化处理，通过对17颗卫星上DVB信号回传给主机的AGC数据进行统计归纳得出处理关系式为

式中：AGC0表示原始AGC数据，AGC1表示处理后的数据。

3）软件处理

将处理后数据交由主机软件，得到载波的AGC谱图如图4所示。

由图4可以看出，经由预处理后的AGC数据获得的载波谱图对载波的反映效果要明显好于图3，与公布的该卫星载波参数进一步比对后，发现该谱图上搜索到的载波与其在星上的实际位置也基本吻合。在载波扫描结束后，就得到了所有的预处理数据与载波中心频率和带宽的粗估计。

2.2 载波频率和带宽的估计

对平滑后的载波求斜率，可得到正斜率最大和负斜率最小的两个点，两点之间的距离和DVB-S2信号的符码率之间存在一种线性关系[4]。在研究过程中，对17颗卫星上的DVB信号进行测试，验证了上述结论的正确与可靠。利用这种线性关系，可以进一步将信号频道参数搜索中的符码率搜索空间降到一个较小的范围，加快对符码率的搜索速度。在宽带信号载波搜索结束后，就得到了设定频段内所有宽带信号的载波中心频率和信号带宽估计值。

3 信号频道参数搜索

在宽带信号载波搜索完毕后，就得到了所有宽带信号的中心频率和带宽，为了实现对DVB-S2信号的正确接收，还需要对信号的频道参数进行搜索。所以，在宽带信号载波搜索完毕后，系统接收前端就开始对所有载波信号逐个分析，判断该载波是否为DVB-S2信号。DVB-S2信号频道参数搜索的过程是分析某个载波是否为DVB-S2信号并确定该信号的符码率、编码码率和导频插入状态的过程。文献[5-6]通过综合利用多个尺度的小波变换，相对其他方法改善了符码率估计的性能，但是小尺度可能引入的强噪声使得其不适于低信噪比场合。文献[7]利用信号的平稳性，采用非线性变换来估计符码率，统计时间长。通过以下几个步骤来实现信号的频道参数搜索：

1）信号类型判断

读取CX24116中相应寄存器，判断载波是否为采用QPSK/8PSK调制的DVB信号。

2）符码率搜索方案确定

以载波的中心频率作为信号下行频率的估计值，由载波的带宽乘以对应的控制因子给出信号符码率的搜索范围，然后根据信号带宽大小来确定符码率的搜索步进，对不同带宽信号的搜索顺序也不一样，所以，在对符码率进行搜索前，需要确定控制因子参数和搜索步进大小，并设定好信号的搜索顺序。

3）确定控制因子和步进

控制因子和符码率的搜索步进是在大量实验的基础上，对实验结果和载波带宽统计分析得出的结果，对于不同的带宽，控制因子和步进大小也不同。

对17颗卫星的2个极化950～2 150 MHz频段范围上的DVB信号分别搜索，将搜索结果同实验室现有的接收处理系统得到的参数作比对，依据信号带宽的不同，统计得出本系统的控制因子参数范围和符码率搜索步进档次，如表1所示。其中，K1表示搜索DVB-S2信号时的控制因子参数，W1表示符码率的搜索步进大小。

表1 控制因子和搜索步进参数列表

符码率搜索范围为K1min×B～K1max×B（K1min，K1max分别对应控制因子的最小和最大值），对于大带宽信号（10 MHz以上信号），符码率从K1max×B开始按Sym=K1max×B-W1（Sym表示符码率大小）的关系进行搜索，直至超出K1min×B；小带宽信号符码率则从K1min×B开始按Sym=K1min×B-W1的关系进行搜索，直至超出K1max×B。

DVB-S2信号只有在其频道参数都确定时才能被锁定，因此，在确定好符码率的搜索方案后，需要对信号的频道参数进行三级搜索，与符码率搜索同时进行的还包括对编码码率和导频的搜索，编码码率共有14种方式，导频包括是/否插入2个状态。首先，以一个步进对符码率进行第一级搜索；进入第二级搜索，在编码码率的第一种方式，对导频的2个状态分别搜索；进入第三级搜索，依次对编码码率的其他方式和导频状态进行搜索，对信号的频道参数每进行一次三级搜索，就相当于将这些频道参数通过AT91RM9200处理器发送到一体化调谐解调器中[8]，读取CX24116中的锁定标志寄存器，判定信号是否锁定。在搜索的过程中如果信号被锁定，就停止搜索工作，否则按步进继续进行下去，直至超出符码率的搜索范围。

在研究过程中发现，信号初步锁定时，载波的频率偏移值Freqoff、符码率偏移值Symoff并不为0，这主要是因为DVB-S2信号的符码率都可能有一个较宽的锁定范围，而此时搜索出来的值刚好是临界值，因此，需要根据载波的频率和符码率偏移值修正信号的下行频率和符码率的大小，以便得到精确的DVB-S2信号频道参数。将搜索出的频率值Freq和符码率值Sym，与信号的实际频率值Freqreal和符码率值Symreal相比较，得出以下关系

按照上述关系对信号的载波频率和符码率进行修正。信号频道参数搜索完成后，读取CX24116中相应寄存器获取信号的品质因数。由于读取到的SNR范围在0～250间，为了信号强度比较的方便，进行归一化处理，得到信号品质因数的归一化曲线如图5所示。

本系统可对经过本振下变频的950～2 150 MHz频段的信号载波进行全波段搜索，并对DVB-S和DVB-S2两种标准信号载波及相关参数进行快速判别搜索，进而为两种不同调制编码信号的比较研究提供直观便捷的实际数据。系统测试中对亚太地区上空18颗卫星的两种标准载波进行了搜索，并对相应信号的解码输出流进行了播放和数据分析。结果表明，对其上310个DVB-S信号和其中6颗卫星上的10个DVB-S2信号都可做到正确接收，与相关资料公布的数据相符。图6和图7分别是对亚洲三号（105.5°E）下行载波中的信号载波和DVB-S以及DVB-S2信号的搜索结果，卫星为线型极化。图7中黑色线框中标注部分即为该星上的DVB-S2载波及相应参数。

4 小结

本文创新性地使用AT91RM9200作为控制板，对不具有自动搜索载波信号及其相关参数功能的TDQR-C005F进行了系统开发。针对卫星上的DVB-S/S2信号，提出了基于TDQR-C005F的载波频率和带宽参数的精确估计方法。为了接收其中的DVB-S2突发信号，通过信号类型的判断，以及对符码率、编码码率和导频状态的三级搜索，得到信号频道参数的精确估计，实现了基于一体化调谐解调器的DVB-S以及DVB-S2信号接收参数快速检测识别的算法，并结合实际卫星信号进行了系统工程实验。实验数据表明，算法和系统能有效地解决对DVB-S/S2突发信号检测识别的要求。

[1]杨华，黄焱.DVB-RCS卫星交互网通信体制研究[J].电视技术，2010，34（9）：10-12.

[2]ETSI EN 302 307，Second generation framing structure,channel coding and modulation systems for broadcasting,interactive services，news gathering and other broadband satellite applications[S].2009.

[3]黄焱.DVB-S突发信号检测接收技术研究与实现[D].郑州：信息工程学院，2007.

[4]贾永强.DVB-S突发信号侦察技术研究与实现[D].郑州：信息工程学院，2006.

[5]CHAN Y T，PLEWS J W，HO K C.Symbol rate estimation by the wavelet transform[C]//Proc.International Symposium on Circuits and Systems.[S.l.]：IEEE Press，1997：177-180.

[6]欧鑫.基于多种小波基的MPSK信号符号速率估计[J].信号处理，2009，25（3）：469-471.

[7]MAZET L，LOUBATON P.Cyclic correlation based symbol rate estimation[C]//Proc.IEEE Conference on Signals，Systems and Computers.Pacific Grove，CA，USA：IEEE Press，1999，2：1008-1012.

[8]马忠梅，徐英慧，叶勇建，等.AT91系列ARM核微控制器结构与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.