卫星接收机盲扫机理分析

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卫星数字接收机的盲扫机理分析
卫星数字接收机的盲扫功能是非常有用的，在无法预知卫星信号的频率、符号率、前向纠错离的收缩率等一系列参数的情况下，具备盲扫功能的接收机可以自动搜索到未知的信号参数，是非常方便和实用的功能。普通的免费机加上这项功能之后，对于产品是一种功能上的升级。有了这个功能，可以经常对卫星上的信号放一个扫描，发现新的信号，及时更新参数，信号的搜索会变得非常方便，同时也非常有趣。配置盲扫功能的接收机，不仅可以扫描免费开放的一些信号，同时也可以检测一些加密传输信号，可以帮助我们更好的了解到这些信号的相关参数。
如何打开接收机的盲扫选项，在此前的很多文章中已经有很多的讨论和论述，在此不多讲，笔者下面仅仅就接收机如何找到卫星信号参数，实现盲扫功能的一些原理谈谈自己的一些观点。
QPSK的调制解调和盲扫的原理
卫星接收机实现正确解调所需要的信号参数包括下面几项：极化方式、下行频率、符号率和前向纠错系数（卷积码的收缩率）等，其中的极化方式在线性化传输中无非是水平极化和垂直极化两种，接收机内部的CPU和控制电路配合就可以实现两种极化倒换和接收，比较容易实现，也很容易理解，不会构成盲扫的门槛。接收部分的解调电路和CPU配合需要识别和解出的参数主要是三项：下行频率、符号率和纠向错系数。
这三个参数的识别和解码是在QPSK解调的部分完成的，目前经常用到的一些芯片，如STV0399、MT312C、ZL10312等都可以实现上述参数的盲扫。现在生产的接收机比较倾向于使用板载的高频头，可以比较方便在接收机的线路板看到这些芯片。其它采用一体化高频头的机器，芯片位于高频头内，需要解体高频头才可以看到芯片。
本文在前半部分先对于上面提到的三个参数的盲扫机理做分析和讨论，后关部分将结合STV0399芯片对具体的集成电路芯片做一些探讨。
1、下行频率的盲扫
卫星传输中采用的调制方式是QPSK，采用这种方式是和卫星传输距离远、信号衰减大、传输环境恶劣的传输特点相对应的，QPSK的调制和解调。
QPSK采用的是相干解调方式，和发送端基本就是一个相逆的过程。简单的说就是用和发送端频率、相位完全相同的载波与接收到的已调制信相乘，得到相应的I、Q信号。所谓相同，不仅包括了频率一致，而且要求本地载波的相位也要一致，否则得到的I、Q信号就会出现误码或者严重时会出现解码失败的现象，直接导致后面的MPEG解码部分无法工作。在解调的过程中，CPU通过12C总线控制压控振荡器电路通过与载波信号的比较，可以得到完全相同的载波。
现在常见的接收机大都采用一次变频的方式，称为“零中频”，这种方式有别于原来的二次变步模式，经过高频头降频之后的第一中频信号直接输入到QPSK解调电路，所以能够实现正确解调的压控振荡器所产生的频率就严格地等于第一中频信号的输入频率，由此也就可以得到接收信号的下行频率。以C波段常用的5150MHz本振的高频头来说，下行频率=5150MHz-VCO频率。Ku频段或者采用其它本振频率的LNB，其算法与此是类似的，这也是在盲扫时需要正确设置本振频率的原因。当然，假如本振频率设置错误，或者本振的频率不是特别准确，盲扫仍然可以得到下行频率参数，只是有点偏差而已，整个频率锁定的过程还是相同的。影响接收机正确锁定频率的参数中，主要是压控振荡器的频率准确和频率稳定度，还有就是LNB的本振频率的准确度和稳定度，当下行频率存在某个固定的误差时，可以调整LNB的本振频率，以消除这个误差。
2、符号率的盲扫
在谈符号率的盲扫之前，有必要先对DVB-S的数据帖的格式加以说明。在DVB-S中，视频和音频数据经过压缩之后，被分割成以188个字节为数据包长度的数据，这就是DVB-S的传输流或者称为TS流。为了对数据传输中的错误进行校正，要对数据进行里德-所罗门编码，每个数据包中加入了16个字节的纠错数据，形成所谓的RS（204、188）的数据包。

TS流的格式是非常常见的，我们在网络上找到的很多HDTV信号就是以TS流的格式编码的，其文件的后缀往往是tp或者ts。网络文件的TS流的格式与卫星传输中略有不同，在帖格式、纠错方式等方面有所不一样，但是这种把数据进行分割、纠错和打包传输的思想方法是一致的。网络上的TS流格式有很多的检测软件可以分析，可以参考其它的一些相关文章。
为了让接收端正确识别传输流的数据结构，传输的数据每个数据包的第一个字节处都会设置为同步字节：47H（十六进制）。为了传输的需要，同步字节需要每8个数据包作一次数据反转，同步数据中的数据“0”变成“1”，而“1”变成“0”，即有原来的47H变成B8H。当收到一个数据是47H时，接收机就可以认为是一个数据帖的开始，否则就抛弃掉接收的数据，等待下一个字节的数据，直到找到同步字节为止才开始后面的纠错和解码。
上述数据传输流的帖结构就是锁定传输码流符号率的关键，当传输流的速度确定之后，每个数据包所占用的时间就确定了，接收机内部的CPU控制解码芯片，改变搜索同步字节时间间隔的长短，来确定正确的时间间隔。当CPU设定了正确的时间间隔之后，可以解出正确的同步字节47H，并且每8个数据帖之后，同步字节都会发生反转，由47H转变为B8H。只有这种状态才是正确的确定了码流速率的一种状态，解调电路才会发出同步锁定的指示，结合前面部分载波锁定的检测，联合发出锁定的信号。同时，CPU也就不再进行搜索，否则CPU会发出指令，改变搜索，否则CPU会发现指令，改变搜索时间的长短，知道确认锁定为止。
需要说明的是，我们经常见到的符号率并不完全是信号的数据库，它还包含了纠错的一些数据开销等，以比较常见的4.43MS/s为例，他的数据率=4.43MS/s×2×188÷204×3÷4=6.12Mbps，其中的几个系数的意义如下：
（1）“2”：采用QPSK的调制方式，每一个调制后的符号率都可以携带2比特的数据。
（2）“188/204”：传输流的帖结构中，为了纠错，在204个字节中，包含了16个字节的纠错数据，占用了一部分带宽，需要剔除。
（3）“3/4”：是因为采用了3/4的卷积编码，也就是常说的FEC，如1/2，2/3，5/6，7/8等，计算时，需要乘以相应的系数。这个计算机所得的最终结果6.12Mbps才是真正的卫星电视的数据率，这其中一般包含了5Mbps的视频，128kbps的电视音频，不少的信号还会加入一些广播音频等其它格式的数据。
按照上面的算法，CPU可以最终锁定卫星信号的符号率。当接收机的时钟不 稳定或者不是非常准确的时候，会发生锁定的编码码率与实际的码流速率有所借偏差的现象。从另外的一个角度来说，编码端的速率也并不是完全恒定的，它会根据输入的信号的改变有所变化，所以有时候不同的接收机会找不同的码流速率，这属于一个比较正常的现象。
3、前向纠错收缩率的盲扫
前向纠错收缩率和卷积编码的卷积长度有关，限于篇幅，在此无法作更多的介绍，但是卷积码是一种性能非常优秀的纠错编码，可以在编码效率和纠错性能方面得到一个很好的均衡。这种编码方法进入实际应用领域最大的一个障碍就是它的解码比较复杂，难于实现，而维特比博士当年提出的译码方法使得它可以最终应用到实际的领域中，这种译码的方法也被称为了维特比译码。维特比译码现在在很多的地方得到了很广泛的应用，这很大程度上归功于维特比博士的功劳，据说维特比先生现在就供职于CDMA通信巨头高通公司。
卷积码的收缩率共有一下的几种：1/2，2/3，3/4，5/6，7/8，所以对于它的盲扫可以采用逐个列举的方法，相对要简单一些。
在确定了某个收缩率之后，按照此数值对传输的数据流做维特比译码然后与重新按照相同收缩率卷积编码的码流进行比较和计算，确定码流的误码率。当假设的收缩率正确时，译所得的码流的误码率就会很小，可以认为是锁定了正确的收缩率。反之，误码率很高，译码和重新编码的两个数据流完全不同的时候，就可以认为选择的收缩率参数是错误的，需要重新选择新的参数，然后开始新一轮的译码、编码、延时比对的过程，直到找到一个误码率很小的值。

对于卷积码收缩率的搜索需要增加一个重新编码计算的电路，所以需要增加一块内核，同时对于编码计算的能力要高很多，所以早期的芯片比较难于完成。不过随着新的解码芯片的出现，集成度有了很大的提高，实现这样的功能也就比较容易了。
盲扫在STV0399上面的实现
实现盲扫的接收机中，都会有STV0399、MT312C、ZL10312等芯片中的一种，这些芯片是具体来完成盲扫和解调功能的芯片，下面就以STV0399为例，对于相关的电路做一个简单的介绍。
STV0399是意法半导体公司推出的在一片CMOS芯片中集成了零中频调谐器、多标准解调模块和前向纠错模块多个功能的集成电路，它推出得比较早，功能上也比较齐全，所以应用的范围还是很广泛的。对于这种将频率合成器、混频器、解调等多个模块集成在一起的一个单一芯片，一般称为硅片高频头。这种芯片对简化产品的设计、降低成本有着非常显著的意义。
STV0399的结构，它主要包含了下面的几个模块：
1、射频输入部分
射频输入部分的作用是对输入的中频信号提供一个可控制的增益，而这个部分所产生的AGC信号也会成为信号强度的指示，通过计算，把它的变化转换成对数来表示，就可以在接收机的面板或者显示器上面实现OSD显示。
2、本振部分
本振部分以27MHz的晶振为基准，产生216-343MHz的振荡信号，然后倍频4倍或5倍，这部分最终输出的频率经过运算就是盲扫得到的下行频率值。
3、混频、滤波和信号AGC
在这里产生I、Q信号，并且使用滚降系数为0.20或者0.35的平方根升余弦滤波器消除掉带外噪声。
4、定时恢复和载波恢复
STV0399的定时恢复和载波恢复是通过两个可编程的数字相环实现的，当载波和时钟都锁定的时候，后面的前向纠错电路才会开始工作。
定时和载波恢复电路工作所要求的信号质量并不高，当接收信号的信噪比大于1dB时，载波就可以锁定，QPSK的相干解调就开始了，可以得出下行的频率参数。当信噪比大于2dB时，时钟就可以恢复，可以对符号计数，并且得出符号率参数。
接收机盲扫时，一般以6MHz的步长来搜索可能存在的载波，这种搜索的过程可能会出现重复锁定或者丢失某个信号的情况，这和信号的强度、捕捉范围参数有关系。
中间的信号处于两个步进值的搜索范围中间，无法被任何一个点上的搜索所捕获，所以就被丢失了。两者的捕获范围都比较大，造成了重复锁定，在盲扫上看到的结果就是经常会扫描到一些重复的频道。
5、前向纠错
前向纠错部分可以实现里德-所罗门和维特比译码，并且按照前面提到的方法找到正确的前向纠错率。
具有盲扫功能的接收机可以为我们寻找未知参数的信号带来很大的方便，是一个非常有用的工具，所以很多的接收机都具有这个功能。正如当年从黑白电视机转向彩色电视机的过程一样，盲扫这个功能并不是非常神秘的，它的实现依靠的还是芯片组强大的计算机能力和芯片制造技术的进步。在接收机上增加一个盲扫功能的成本并不是非常高的，很多的接收机都可以实现。所以笔者相信，随着相关技术的不断进步与发展，具有这个方便功能的接收机将会在更大的范围里为广大用户所了解并使用