基于TDQR-C005F的DVB-S/S2信號快速搜索技術(shù)研究

吳慧謙，張白愚，黃 焱，王 立

（信息工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 引言

DVB-S標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有近10年的發(fā)展，相應(yīng)的數(shù)字機(jī)頂盒等接收設(shè)備功能豐富，種類也較多，同時由其構(gòu)成前向鏈路的衛(wèi)星交互網(wǎng)[1]，在海事通信、抗震救災(zāi)、森林防火、應(yīng)急通信等領(lǐng)域也被人們廣泛應(yīng)用，取得良好的實(shí)際效益。

隨著數(shù)字電視技術(shù)、微電子技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，基于DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的第一代衛(wèi)星廣播系統(tǒng)在應(yīng)用中開始受到一些新技術(shù)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(shù)，與高階調(diào)制QPSK，8PSK，16APSK和32APSK相結(jié)合，可以工作在距離香農(nóng)極限僅0.7～1.0 dB處，充分利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的資源，還解決了DVB-S系統(tǒng)中嚴(yán)重的雨衰問題。

目前對DVB-S2信號的接收技術(shù)方面的研究還處在初級階段，而要實(shí)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(jī)頂盒主要面向于廣播電視業(yè)務(wù)，隨著DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步推廣及其承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷增多，這就要求DVB-S2接收設(shè)備不僅要具備數(shù)據(jù)接收的功能，還應(yīng)該具備一定的控制處理能力，而現(xiàn)有機(jī)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(guān)參數(shù)的功能。本文利用AT91RM9200的優(yōu)良性能，對TDQR-C005F進(jìn)行了深入的系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對寬帶范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)

一體化調(diào)諧解調(diào)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(diào)諧器芯片CX24118和解調(diào)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(jìn)入QPSK/8PSK解調(diào)芯片CX24116進(jìn)行解調(diào)和解碼，最終一體化調(diào)諧解調(diào)器輸出TS數(shù)據(jù)。

1）直下變頻衛(wèi)星調(diào)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(diào)諧芯片，適合于8PSK，DVB-S2等先進(jìn)調(diào)制系統(tǒng)，有較好的相位噪聲性能和低操作損耗。內(nèi)置該器件還有自動調(diào)諧機(jī)制，可加快校準(zhǔn)過程，縮短軟件開發(fā)時間。

2）DVB-S2解調(diào)器和FEC解碼器CX24116

基于開放的DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的基帶信號處理芯片CX24116是集解調(diào)與解碼于一體的高度集成芯片，在其內(nèi)部集成了雙8 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)制解調(diào)、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(diào)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(nèi)部關(guān)系圖如圖1所示。

2 DVB-S2信號搜索技術(shù)研究

在對TDQR-C005F內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)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(diào)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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

將對某一段頻率范圍內(nèi)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(nèi)容為：首先在設(shè)定頻段內(nèi)采用寬帶信號載波檢測技術(shù)對載波進(jìn)行搜索，得到所有寬帶信號的載波頻率和帶寬的估計(jì)值；然后根據(jù)帶寬估計(jì)值與符碼率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，在一個較小的符碼率搜索空間內(nèi)對DVB-S2信號的符碼率、編碼碼率和導(dǎo)頻狀態(tài)進(jìn)行三級搜索，從而實(shí)現(xiàn)了對DVB-S2信號包括載波頻率和信號頻道參數(shù)在內(nèi)4個接收參數(shù)的實(shí)時獲取。

2.1 載波參數(shù)搜索技術(shù)研究

通過以下3個步驟來進(jìn)行載波搜索[3]：

1）偽頻譜數(shù)據(jù)

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

2）數(shù)據(jù)預(yù)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(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和歸一化處理。

3）載波頻率和帶寬的估計(jì)

對處理后的偽頻譜設(shè)置一合適的門限，通過對正負(fù)過門限點(diǎn)以及幅值的分析計(jì)算，得出載波中心頻率和帶寬的粗估計(jì)值。

載波參數(shù)搜索的過程相當(dāng)于使用頻譜分析儀對該頻段內(nèi)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(jié)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(yīng)地址寄存器指示當(dāng)前AGC的強(qiáng)度值，信號載波附近頻點(diǎn)的AGC值要強(qiáng)于該頻段上沒有信號的頻點(diǎn)。據(jù)此，可依據(jù)頻點(diǎn)上AGC值強(qiáng)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(jìn)進(jìn)行載波掃描，同時向主機(jī)返回掃描得到的原始AGC數(shù)據(jù)，在主機(jī)端開發(fā)搜索控制軟件，主機(jī)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(qiáng)度譜圖對頻段上的信號進(jìn)行分析，將會存在以下問題：（1）相鄰載波靠得過近，導(dǎo)致主機(jī)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(jī)軟件將其當(dāng)作干擾而丟棄；（3）載波波形頂部不平坦，主機(jī)軟件在分析時會錯將其當(dāng)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(jì)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(jìn)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(jī)的AGC數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納得出處理關(guān)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(jī)軟件，得到載波的AGC譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出，經(jīng)由預(yù)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(jìn)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(shí)際位置也基本吻合。在載波掃描結(jié)束后，就得到了所有的預(yù)處理數(shù)據(jù)與載波中心頻率和帶寬的粗估計(jì)。

2.2 載波頻率和帶寬的估計(jì)

對平滑后的載波求斜率，可得到正斜率最大和負(fù)斜率最小的兩個點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的距離和DVB-S2信號的符碼率之間存在一種線性關(guān)系[4]。在研究過程中，對17顆衛(wèi)星上的DVB信號進(jìn)行測試，驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確與可靠。利用這種線性關(guān)系，可以進(jìn)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(jié)束后，就得到了設(shè)定頻段內(nèi)所有寬帶信號的載波中心頻率和信號帶寬估計(jì)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(shí)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(jìn)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(dǎo)頻插入狀態(tài)的過程。文獻(xiàn)[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(jì)的性能，但是小尺度可能引入的強(qiáng)噪聲使得其不適于低信噪比場合。文獻(xiàn)[7]利用信號的平穩(wěn)性，采用非線性變換來估計(jì)符碼率，統(tǒng)計(jì)時間長。通過以下幾個步驟來實(shí)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(yīng)寄存器，判斷載波是否為采用QPSK/8PSK調(diào)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(jì)值，由載波的帶寬乘以對應(yīng)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(jìn)，對不同帶寬信號的搜索順序也不一樣，所以，在對符碼率進(jìn)行搜索前，需要確定控制因子參數(shù)和搜索步進(jìn)大小，并設(shè)定好信號的搜索順序。

3）確定控制因子和步進(jìn)

控制因子和符碼率的搜索步進(jìn)是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和載波帶寬統(tǒng)計(jì)分析得出的結(jié)果，對于不同的帶寬，控制因子和步進(jìn)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(jié)果同實(shí)驗(yàn)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(jì)得出本系統(tǒng)的控制因子參數(shù)范圍和符碼率搜索步進(jìn)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(jìn)大小。

表1 控制因子和搜索步進(jìn)參數(shù)列表

符碼率搜索范圍為K1min×B～K1max×B（K1min，K1max分別對應(yīng)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?。┑年P(guān)系進(jìn)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(guān)系進(jìn)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(jìn)行三級搜索，與符碼率搜索同時進(jìn)行的還包括對編碼碼率和導(dǎo)頻的搜索，編碼碼率共有14種方式，導(dǎo)頻包括是/否插入2個狀態(tài)。首先，以一個步進(jìn)對符碼率進(jìn)行第一級搜索；進(jìn)入第二級搜索，在編碼碼率的第一種方式，對導(dǎo)頻的2個狀態(tài)分別搜索；進(jìn)入第三級搜索，依次對編碼碼率的其他方式和導(dǎo)頻狀態(tài)進(jìn)行搜索，對信號的頻道參數(shù)每進(jìn)行一次三級搜索，就相當(dāng)于將這些頻道參數(shù)通過AT91RM9200處理器發(fā)送到一體化調(diào)諧解調(diào)器中[8]，讀取CX24116中的鎖定標(biāo)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(jìn)繼續(xù)進(jìn)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?yàn)镈VB-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(shí)際頻率值Freqreal和符碼率值Symreal相比較，得出以下關(guān)系

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

本系統(tǒng)可對經(jīng)過本振下變頻的950～2 150 MHz頻段的信號載波進(jìn)行全波段搜索，并對DVB-S和DVB-S2兩種標(biāo)準(zhǔn)信號載波及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行快速判別搜索，進(jìn)而為兩種不同調(diào)制編碼信號的比較研究提供直觀便捷的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)載波進(jìn)行了搜索，并對相應(yīng)信號的解碼輸出流進(jìn)行了播放和數(shù)據(jù)分析。結(jié)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(guān)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(jié)果，衛(wèi)星為線型極化。圖7中黑色線框中標(biāo)注部分即為該星上的DVB-S2載波及相應(yīng)參數(shù)。

4 小結(jié)

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(guān)參數(shù)功能的TDQR-C005F進(jìn)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(jì)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(dǎo)頻狀態(tài)的三級搜索，得到信號頻道參數(shù)的精確估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于一體化調(diào)諧解調(diào)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(jié)合實(shí)際衛(wèi)星信號進(jìn)行了系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(wǎng)通信體制研究[J].電視技術(shù)，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(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：信息工程學(xué)院，2007.

[4]賈永強(qiáng).DVB-S突發(fā)信號偵察技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：信息工程學(xué)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(jì)[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(jié)構(gòu)與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.