吳慧謙，張白愚，黃 焱，王 立

（信息工程大學 信息工程學院，河南 鄭州 450002）

0 引言

DVB-S標準已經有近10年的發(fā)展，相應的數(shù)字機頂盒等接收設備功能豐富，種類也較多，同時由其構成前向鏈路的衛(wèi)星交互網[1]，在海事通信、抗震救災、森林防火、應急通信等領域也被人們廣泛應用，取得良好的實際效益。

隨著數(shù)字電視技術、微電子技術、視頻壓縮技術的不斷發(fā)展，基于DVB-S標準的第一代衛(wèi)星廣播系統(tǒng)在應用中開始受到一些新技術的挑戰(zhàn)。對此，DVB組織在2004年提出了新一代衛(wèi)星廣播系統(tǒng)DVB-S2[2]。DVB-S2采用基于LDPC碼與BCH碼級聯(lián)的前向糾錯編碼技術，與高階調制QPSK，8PSK，16APSK和32APSK相結合，可以工作在距離香農極限僅0.7～1.0 dB處，充分利用衛(wèi)星轉發(fā)器的資源，還解決了DVB-S系統(tǒng)中嚴重的雨衰問題。

目前對DVB-S2信號的接收技術方面的研究還處在初級階段，而要實現(xiàn)對DVB-S2突發(fā)信號的檢測識別和接收，就必須首先在接收的大量信號中快速搜索到需要的DVB-S2突發(fā)信號。市場上的DVB-S2數(shù)字機頂盒主要面向于廣播電視業(yè)務，隨著DVB-S2標準的進一步推廣及其承載的數(shù)據(jù)業(yè)務不斷增多，這就要求DVB-S2接收設備不僅要具備數(shù)據(jù)接收的功能，還應該具備一定的控制處理能力，而現(xiàn)有機頂盒滿足不了這些要求。TDQR-C005F不具有自動搜索載波信號及其相關參數(shù)的功能。本文利用AT91RM9200的優(yōu)良性能，對TDQR-C005F進行了深入的系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了對寬帶范圍內DVB-S和DVB-S2信號的自動跟蹤和解析，極大方便了研究工作。

1 TDQR-C005F結構

一體化調諧解調器TDQR-C005F是系統(tǒng)前端接收模塊的核心器件，主要由直下變頻調諧器芯片CX24118和解調解碼芯片CX24116組成。CX24118A芯片將射頻信號下變頻為零中頻基帶信號，基帶信號進入QPSK/8PSK解調芯片CX24116進行解調和解碼，最終一體化調諧解調器輸出TS數(shù)據(jù)。

1）直下變頻衛(wèi)星調諧器CX24118

CX24118是科勝訊公司的一款將L波段信號下變頻為零中頻基帶信號的調諧芯片，適合于8PSK，DVB-S2等先進調制系統(tǒng)，有較好的相位噪聲性能和低操作損耗。內置該器件還有自動調諧機制，可加快校準過程，縮短軟件開發(fā)時間。

2）DVB-S2解調器和FEC解碼器CX24116

基于開放的DVB-S2標準的基帶信號處理芯片CX24116是集解調與解碼于一體的高度集成芯片，在其內部集成了雙8 bit的模數(shù)轉換器、I2C總線控制接口、單路數(shù)字AGC、平方根奈奎斯特濾波器、高階調制解調、LDPC譯碼以及BCH譯碼等電路，CX24116上的片上微控制器用于快速信號采集、Es/No評估和系統(tǒng)監(jiān)視。符合DiSEqC2.x的解調器也集成了信噪比和誤碼率監(jiān)視器，用于信道性能測量。CX24116內部關系圖如圖1所示。

2 DVB-S2信號搜索技術研究

在對TDQR-C005F內部結構特性進行深入研究和分析的基礎上，提出了一種針對DVB-S2信號的自動搜索方案。平臺硬件由調諧器TDQR-C005F以及嵌入式芯片AT91RM9200組成整個系統(tǒng)控制核心的控制板，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

將對某一段頻率范圍內的DVB-S2信號搜索過程分為載波參數(shù)搜索和信號頻道參數(shù)搜索2個步驟。方案的具體內容為：首先在設定頻段內采用寬帶信號載波檢測技術對載波進行搜索，得到所有寬帶信號的載波頻率和帶寬的估計值；然后根據(jù)帶寬估計值與符碼率的經驗關系，在一個較小的符碼率搜索空間內對DVB-S2信號的符碼率、編碼碼率和導頻狀態(tài)進行三級搜索，從而實現(xiàn)了對DVB-S2信號包括載波頻率和信號頻道參數(shù)在內4個接收參數(shù)的實時獲取。

2.1 載波參數(shù)搜索技術研究

通過以下3個步驟來進行載波搜索[3]：

1）偽頻譜數(shù)據(jù)

通過對一體化調諧解調器按一定的步長依次設置測試頻率值并讀取其信號強度指示寄存器，可以獲得設定頻段內的信號偽頻譜數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)預處理

為了減小信號載波波形頂部的不平坦，降低后續(xù)處理誤判的概率，可以對預處理數(shù)據(jù)進行平滑和歸一化處理。

3）載波頻率和帶寬的估計

對處理后的偽頻譜設置一合適的門限，通過對正負過門限點以及幅值的分析計算，得出載波中心頻率和帶寬的粗估計值。

載波參數(shù)搜索的過程相當于使用頻譜分析儀對該頻段內寬帶信號分析的過程，雖然使用TDQR-C005F無法得到頻譜分析儀掃頻得到的結果，但是可以借鑒這種掃頻的方式，本文通過以下3個步驟來獲取信號的載波參數(shù)：

1）信號的AGC數(shù)據(jù)獲取

CX24116中相應地址寄存器指示當前AGC的強度值，信號載波附近頻點的AGC值要強于該頻段上沒有信號的頻點。據(jù)此，可依據(jù)頻點上AGC值強度反映載波位置。

對某衛(wèi)星L頻段上950～1 750 MHz的信號按照125 kHz步進進行載波掃描，同時向主機返回掃描得到的原始AGC數(shù)據(jù)，在主機端開發(fā)搜索控制軟件，主機軟件根據(jù)得到的數(shù)據(jù)畫出載波的AGC譜圖，如圖3所示。

2）信號AGC數(shù)據(jù)的平滑和歸一化處理

由圖3可以看出，如果采用原始AGC強度譜圖對頻段上的信號進行分析，將會存在以下問題：（1）相鄰載波靠得過近，導致主機軟件無法將它們正確分開；（2）載波中心位置有毛刺出現(xiàn)，以致主機軟件將其當作干擾而丟棄；（3）載波波形頂部不平坦，主機軟件在分析時會錯將其當作多個載波來處理；（4）載波幅度相對較小，使得載波的帶寬粗估計值過小，致使下一步對信號的頻道參數(shù)搜索時間加長，甚至無法鎖定載波。為了降低后續(xù)處理誤判的概率，需要對原始數(shù)據(jù)進行平滑和歸一化處理，通過對17顆衛(wèi)星上DVB信號回傳給主機的AGC數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計歸納得出處理關系式為

式中：AGC0表示原始AGC數(shù)據(jù)，AGC1表示處理后的數(shù)據(jù)。

3）軟件處理

將處理后數(shù)據(jù)交由主機軟件，得到載波的AGC譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出，經由預處理后的AGC數(shù)據(jù)獲得的載波譜圖對載波的反映效果要明顯好于圖3，與公布的該衛(wèi)星載波參數(shù)進一步比對后，發(fā)現(xiàn)該譜圖上搜索到的載波與其在星上的實際位置也基本吻合。在載波掃描結束后，就得到了所有的預處理數(shù)據(jù)與載波中心頻率和帶寬的粗估計。

2.2 載波頻率和帶寬的估計

對平滑后的載波求斜率，可得到正斜率最大和負斜率最小的兩個點，兩點之間的距離和DVB-S2信號的符碼率之間存在一種線性關系[4]。在研究過程中，對17顆衛(wèi)星上的DVB信號進行測試，驗證了上述結論的正確與可靠。利用這種線性關系，可以進一步將信號頻道參數(shù)搜索中的符碼率搜索空間降到一個較小的范圍，加快對符碼率的搜索速度。在寬帶信號載波搜索結束后，就得到了設定頻段內所有寬帶信號的載波中心頻率和信號帶寬估計值。

3 信號頻道參數(shù)搜索

在寬帶信號載波搜索完畢后，就得到了所有寬帶信號的中心頻率和帶寬，為了實現(xiàn)對DVB-S2信號的正確接收，還需要對信號的頻道參數(shù)進行搜索。所以，在寬帶信號載波搜索完畢后，系統(tǒng)接收前端就開始對所有載波信號逐個分析，判斷該載波是否為DVB-S2信號。DVB-S2信號頻道參數(shù)搜索的過程是分析某個載波是否為DVB-S2信號并確定該信號的符碼率、編碼碼率和導頻插入狀態(tài)的過程。文獻[5-6]通過綜合利用多個尺度的小波變換，相對其他方法改善了符碼率估計的性能，但是小尺度可能引入的強噪聲使得其不適于低信噪比場合。文獻[7]利用信號的平穩(wěn)性，采用非線性變換來估計符碼率，統(tǒng)計時間長。通過以下幾個步驟來實現(xiàn)信號的頻道參數(shù)搜索：

1）信號類型判斷

讀取CX24116中相應寄存器，判斷載波是否為采用QPSK/8PSK調制的DVB信號。

2）符碼率搜索方案確定

以載波的中心頻率作為信號下行頻率的估計值，由載波的帶寬乘以對應的控制因子給出信號符碼率的搜索范圍，然后根據(jù)信號帶寬大小來確定符碼率的搜索步進，對不同帶寬信號的搜索順序也不一樣，所以，在對符碼率進行搜索前，需要確定控制因子參數(shù)和搜索步進大小，并設定好信號的搜索順序。

3）確定控制因子和步進

控制因子和符碼率的搜索步進是在大量實驗的基礎上，對實驗結果和載波帶寬統(tǒng)計分析得出的結果，對于不同的帶寬，控制因子和步進大小也不同。

對17顆衛(wèi)星的2個極化950～2 150 MHz頻段范圍上的DVB信號分別搜索，將搜索結果同實驗室現(xiàn)有的接收處理系統(tǒng)得到的參數(shù)作比對，依據(jù)信號帶寬的不同，統(tǒng)計得出本系統(tǒng)的控制因子參數(shù)范圍和符碼率搜索步進檔次，如表1所示。其中，K1表示搜索DVB-S2信號時的控制因子參數(shù)，W1表示符碼率的搜索步進大小。

表1 控制因子和搜索步進參數(shù)列表

符碼率搜索范圍為K1min×B～K1max×B（K1min，K1max分別對應控制因子的最小和最大值），對于大帶寬信號（10 MHz以上信號），符碼率從K1max×B開始按Sym=K1max×B-W1（Sym表示符碼率大小）的關系進行搜索，直至超出K1min×B；小帶寬信號符碼率則從K1min×B開始按Sym=K1min×B-W1的關系進行搜索，直至超出K1max×B。

DVB-S2信號只有在其頻道參數(shù)都確定時才能被鎖定，因此，在確定好符碼率的搜索方案后，需要對信號的頻道參數(shù)進行三級搜索，與符碼率搜索同時進行的還包括對編碼碼率和導頻的搜索，編碼碼率共有14種方式，導頻包括是/否插入2個狀態(tài)。首先，以一個步進對符碼率進行第一級搜索；進入第二級搜索，在編碼碼率的第一種方式，對導頻的2個狀態(tài)分別搜索；進入第三級搜索，依次對編碼碼率的其他方式和導頻狀態(tài)進行搜索，對信號的頻道參數(shù)每進行一次三級搜索，就相當于將這些頻道參數(shù)通過AT91RM9200處理器發(fā)送到一體化調諧解調器中[8]，讀取CX24116中的鎖定標志寄存器，判定信號是否鎖定。在搜索的過程中如果信號被鎖定，就停止搜索工作，否則按步進繼續(xù)進行下去，直至超出符碼率的搜索范圍。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，信號初步鎖定時，載波的頻率偏移值Freqoff、符碼率偏移值Symoff并不為0，這主要是因為DVB-S2信號的符碼率都可能有一個較寬的鎖定范圍，而此時搜索出來的值剛好是臨界值，因此，需要根據(jù)載波的頻率和符碼率偏移值修正信號的下行頻率和符碼率的大小，以便得到精確的DVB-S2信號頻道參數(shù)。將搜索出的頻率值Freq和符碼率值Sym，與信號的實際頻率值Freqreal和符碼率值Symreal相比較，得出以下關系

按照上述關系對信號的載波頻率和符碼率進行修正。信號頻道參數(shù)搜索完成后，讀取CX24116中相應寄存器獲取信號的品質因數(shù)。由于讀取到的SNR范圍在0～250間，為了信號強度比較的方便，進行歸一化處理，得到信號品質因數(shù)的歸一化曲線如圖5所示。

本系統(tǒng)可對經過本振下變頻的950～2 150 MHz頻段的信號載波進行全波段搜索，并對DVB-S和DVB-S2兩種標準信號載波及相關參數(shù)進行快速判別搜索，進而為兩種不同調制編碼信號的比較研究提供直觀便捷的實際數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試中對亞太地區(qū)上空18顆衛(wèi)星的兩種標準載波進行了搜索，并對相應信號的解碼輸出流進行了播放和數(shù)據(jù)分析。結果表明，對其上310個DVB-S信號和其中6顆衛(wèi)星上的10個DVB-S2信號都可做到正確接收，與相關資料公布的數(shù)據(jù)相符。圖6和圖7分別是對亞洲三號（105.5°E）下行載波中的信號載波和DVB-S以及DVB-S2信號的搜索結果，衛(wèi)星為線型極化。圖7中黑色線框中標注部分即為該星上的DVB-S2載波及相應參數(shù)。

4 小結

本文創(chuàng)新性地使用AT91RM9200作為控制板，對不具有自動搜索載波信號及其相關參數(shù)功能的TDQR-C005F進行了系統(tǒng)開發(fā)。針對衛(wèi)星上的DVB-S/S2信號，提出了基于TDQR-C005F的載波頻率和帶寬參數(shù)的精確估計方法。為了接收其中的DVB-S2突發(fā)信號，通過信號類型的判斷，以及對符碼率、編碼碼率和導頻狀態(tài)的三級搜索，得到信號頻道參數(shù)的精確估計，實現(xiàn)了基于一體化調諧解調器的DVB-S以及DVB-S2信號接收參數(shù)快速檢測識別的算法，并結合實際衛(wèi)星信號進行了系統(tǒng)工程實驗。實驗數(shù)據(jù)表明，算法和系統(tǒng)能有效地解決對DVB-S/S2突發(fā)信號檢測識別的要求。

[1]楊華，黃焱.DVB-RCS衛(wèi)星交互網通信體制研究[J].電視技術，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]黃焱.DVB-S突發(fā)信號檢測接收技術研究與實現(xiàn)[D].鄭州：信息工程學院，2007.

[4]賈永強.DVB-S突發(fā)信號偵察技術研究與實現(xiàn)[D].鄭州：信息工程學院，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]歐鑫.基于多種小波基的MPSK信號符號速率估計[J].信號處理，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]馬忠梅，徐英慧，葉勇建，等.AT91系列ARM核微控制器結構與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.