卫星数字机的自动搜索功能

数字化作为一场全世界范围的新技术革命，是广播电视发展的必然趋势。模拟向数字过渡有两种方式：一是通过数字接收机（数字电视机顶盒―――STB）使现有的模拟电视机能够接收到数字节目；二是直接采取数字电视接收机。我国计划在2015年关闭模拟电视传输。由于我国目前的国情―――全国现有4亿多台模拟电视机，使得数字接收机，尤其是卫星数字接收机的市场前景可观。卫星数字接收机的设计制造过程中，成本和功能用户满意度是两个需要考虑的因素，成本是指数字接收机产品的开发成本和生产成本，功能用户满意度指产品对特定用户的可用性，下面结合这两个因素，探讨卫星数字接收机节目自动搜索方案的设计。

自动搜索的原理

在数字信号传输中，卫星上的转发器接收地面发射站发来的14GHz或6GHz的微弱的上行电视信号，经频率变换（一次变频、二次变频）为不同的下行频率12GHz或4GHz，再由技术处理放大到一定功率向地球发射，由卫星电视接收设备接收。数字卫星接收机作为卫星接收设备使用。

1、节目接收过程中必备基本参数介绍

中心频率：每一路音视频和数据通道都是由一个卫星转发器进行接收处理然后再传输的，每一个转发器所发射的信号都有一个中心频率及一个特定的带宽，所以要收看一个转发器的节目首先需要知道中心频率参数。

极化方式：极化通常是指与电波传播方向垂直的平面内，瞬时电场矢量的方向。在极化波中，以地平线为准，当极化方向与地面平行时，称为水平极化。当极化方向与地面垂直时，称为垂直极化，采用不同的极化方式，用来传输不同的电视节目，利用其相互隔离度可以扩大卫星传输容量。所以要收看一个转发器的节目还需要知道极化的方向参数。

符号率：节目通过卫星转发器传送的方式有两种：SCPC（单路单载波，一套节目一个载波），和MCPC（多路单载波，多套节目一个载波），节目越多，载波带宽就越大，要求数字卫星接收机的处理速度就越高，所以接收节目时必须知道数据处理速度即符号率参数MSps（Mega Symbols per second）。

设置以上参数，信号接收下来后，数字卫星接收机调谐器将卫星中频信号转换为IQ信号，QPSK解调器将IQ信号转换为TS传输流（打包的数据流），经过解复用、MPEG-2解压缩、音视频编码，输出模拟音视频信号，在这个过程中需要节目的视频流识别码VID（Video Identification），音频流识别码AID（Audio Identification）和时钟基准信号识别码PCR（Program Clock Reference）来定位要解码的数据流。

整个的数字卫星接收机处理过程如图1，旁边的标注表示处理过程所需要的参数。

2、节目自动搜索

有了节目接收的概念后，节目自动搜索就很好理解。节目自动搜索顾名思义，就是把指定卫星上的所有节目都搜下来，把节目信息存放在数字接收机的数据库中，方便以后观看。自动搜索分两个步骤，首先，找到卫星上的所有转发器信息（中频信号，符号率和极化方向）输入存储器数据库，其次，针对找到的每个转发器分析码流，将转发器上载波的一个或多个节目相应接收信息（VID，AID，PCR，节目名称等）存入存储器数据库（如flash等）。

自动搜索问题分析

找到转发器，就可以分析码流，所以确定转发器的参数信息是关键，转发器的主要参数有中频频率、符号率、极化方式，所以搜索空间可以表示为三元向量空间（X，Y，Z），X代表中频频率，取值范围是转发器的可能频率分布范围950MHz-1450MHz（对于C频段而言），Y代表符号率，取值范围是1Mbits-45Mbits，Z代表极化方向，取值只有两个值，可以用0表示水平极化，1表示垂直极化，因此，在数字上搜索空间的大小，即搜索次数为M=X×Y×Z=（500E6）×（44E6）×2=4.4E16（次），其中E代表以10为底的幂。

这么大的搜索次数对于一般的数字卫星接收机而言，理论上通过软件代码的循环迭代探测，可以实现对转发器的搜索任务，但是在实际过程中，每一次迭代都经历调谐器初始化，参数设置，搜索，根据信号返回结果的过程，虽然每次迭代花费的时间不多（只有几毫秒），但是多次这样的迭代花费的时间将使用户无法忍受，因此并不可行。

方案分析

针对以上的问题，下面列出节目自动搜索方案设计的几个目标，针对这几个目标，给出两个方案，分析这两个方案对目标的支持情况以及各自的优缺点。

1、自动搜索的目标：

（1）能对所有数字卫星进行自动搜索

（2）对卫星上的转发器情况及时更新

（3）对转发器上的节目情况及时更新

（4）合理的界面操作响应时间

（5）减低开发成本和生产成本

2、方案分析

（1）方案A：假的自动搜索（假盲扫）

数字卫星接收机在出厂时，因为卫星、转发器信息相对稳定，所以可以将当前所有卫星的转发器信息入存储器数据库，在使用过程中，根据天线的朝向，由用户选择卫星，自动搜索功能实际上实现该卫星的存储器数据库中的转发器信息更新（更新每个转发器上包含的频道信息），同时另外提供菜单接口，实现增加、删除卫星，增加、删除转发器的功能。该方案在增加转发器时需要用户输入转发器的参数值（中频频率―――实际是输入下行频率，中频频率由本振频率减下行频率并取绝对值得到，符号率，极化方向），这种设计在逻辑上可以保证实现前三个目标，但是由于把功能做到三个模块中（自动搜索，增加删除卫星，增加删除转发器），操作起来十分不方便；同时要求输入参数信息使得用户要有数字卫星接收机的专业知识，对用户要求高，不利于产品的普及；在时间上自动搜索只对数据库中一个卫星已有的几十个转发器（有的卫星更少）做更新操作，在界面操作响应时间上更新速度快。该方案的特点是使用普通的调谐器硬件，无需增加额外的硬件成本，但由于对用户的专业知识水平有一定要求，不利于产品在广大农村地区的推广。

（2）方案B：真正的自动搜索（真盲扫）

所谓真盲扫指卫星的转发器信息完全由自动搜索得到，自动搜索完全用软件实现搜索时间过长，考虑到自动搜索过程任务的重复性，所以可以由附加硬件实现相应的功能，减少每次探测的时间，从而减少总的搜索时间，目前市上也有相应的配件新产品（如ZARLINK公司的ZL10036调谐器），这种调谐器上的附加硬件可以实现指定中频频率，极化方式的转发器搜索，符号率的范围搜索由硬件加速实现，所以软件处理的时间次数就变为X×Z，在中频频率搜索过程中，一些技术可以减少搜索时间和界面操作的复杂度。

首先，为了使产品更加易于使用，在用户自动搜索操作中不出现星的概念，在软件中将所有的转发器信息统一组织，在设计上就要有所考虑，由于不同卫星的转发器频谱有可能重合，不同星上可能有相同参数值的转发器（编者注：在使用极轴天线而非切换开关接收多星时，这种问题尤为突出），这些转发器原先由所属星的不同来区分，现在由于没有星的概念，对于有相同参数值（中频频率，符号率，极化方向）的转发器，可以通过转发器的第一个节目名称来判断是否是相同的转发器（节目名称对应着电视台，不可能相同），如果不相同，就把新搜索到的转发器存入存储器数据库，如果节目名称也相同，就可以判定一个转发器，于是就只做节目更新操作，不增加转发器。

其次，如果对每一个中频频率作一次搜索，那么步长为1个频率单位，但因为步长小，所以盲扫时间长，于是通过增大搜索步长来减少搜索次数，从而加快搜索时间，问题是步长改多大，才能保证既能加快搜索速度，又能保证不漏掉转发器，这里介绍一种动态变步长计算方法，该方法能最大限度地跨步向前搜索，同时保证不会遗漏转发器。

分析转发器的频谱分布，可以发现它们之间有一定的间隔（如图2），并且频谱间隔长度固定，这个特征可以作为设计步长的依据，同时由于转发器传送方式不同（SCPC―――单路单载波，一套节目一个载波，MCPC―――多路单载波，多套节目一个载波），不同的转发器占用的频宽不一定相同（MCPC方式占用的频宽更大），步长算法的设计思路如下：

①当没有找到转发器时，以最小间距为步长搜索下一频率；

②当找到转发器时（返回转发器的近似中心频率），最初想法是直接跳到下一个转发器可能中心频率点做探测，但是目前只知道当前转发器的中心频率和频宽（可以由找到的当前转发器的符号率换算得到），于是选择将下一个搜索点放在两个转发器频段间隔的中间（当然可以考虑放在频谱间隔的右边，但考虑到在频带边缘，不利判断信号的有无，于是选择放在中间）。

下面是利用步长决定下一探测频点的计算公式：

if no freq found，new freq y = last freq x + 2/3 Rsmin（i.e. Channel Spacing）

if freq found，new freq y = center freq of x + 2/3 Rs（found）/2 + 2/3 Rsmin/2

公式中x表示原先的频率，y表示下一步准备探测的频率，（2/3 Rsmin）表示转发器频谱间隔（用最小符号率Rsmin换算得到，最小符号率 Rsmin表示转发器的频宽最小也要比转发器频谱之间的间隔大，最小符号率换算成频宽约等于频谱间隔，设置最小符号率可以减少调谐器的单次搜索时间，同时可以利用到该公式中），“2/3Rs（found）”表示当前找到的信道带宽（用当前转发器符号率Rs（found）换算得到，Rs（found）表示当前找到的转发器符号率），其中符号率和频宽的换算关系可参考数字多电平调制利用率的相关数据，QPSK调制方式理论值为2（bit/s）/Hz，实际值为1.416（bit/s）/Hz，则一个单位符号率占用的频率宽为1/1.416，近似等于0.7，在运算公式中用2/3近似0.7，主要是从运算速度角度考虑（乘2等于一个移位操作，减少运算时间）。

在实际工程中，采用ZARLINK公司的ZL10036调谐器，在数字卫星接收机上编程实现自动搜索功能，对亚洲二号卫星的自动搜索大约需要20分钟，并且不漏台，搜索时间对于用户而言还是可以接受的，除了采用比普通调谐器昂贵的调谐器，增加了生产成本外，这种方案能实现自动搜索的所有目标，能实现对卫星的自动全盲扫，操作界面简单，对用户没有专业知识的要求，利于产品的普及。

综上所述，方案B虽然在硬件上成本增加，但由于真盲扫搜索的操作简洁性，并且不需要数字卫星接收机的专业知识，方便我国广大农村地区用户的使用，从而更加具有市场前景，方案A用户操作要求高，但由于选用普通的调谐器（如SHARP-180调谐器），生产成本相对降低，在某些情况下，也是可以作为一种备选的设计方案。

编后话：本文从理论层面探讨了更好、更快实现盲扫的多种途径，其结论对相关厂商的产品改进有着相当大的启示作用。“判断盲扫结果与已有数据是否是一个转发器”这是一个很好的设想，但遗憾的是，国内很多数字机生产商在编制软件时都未考虑到这一点，也就导致了很多盲扫机“扫一次100个频道，扫两次200个频道”的状况的出现。加之接收机软件往往只支持一个个删除频道，众多的重复频道无疑为用户进行频道管理带来了极大的麻烦。同时，盲扫方案B充分利用了华罗庚先生提出的“优化统筹原理”，先扫描高符号率节目（速度比扫低符号率节目快），之后就可以排除更多的“已占用频段”，从而使速度相对较慢的低符号率搜索只在一个小得多的优化区段内进行，大大缩短了总搜索时间。截至目前，已有ZARLINK等几家调谐器制造商推出了支持优化盲扫的调谐器，这无疑是一件可喜的事情。