隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起，我們再次將目光聚集到DVB-S2上。與之相關(guān)的還有DVB-S2X和DVB-RCS2等，以及最近幾年提出的5G-NTN。

本文基于MATLAB的DVB-S2端到端示例，簡述如何搭建仿真鏈路，同時重點關(guān)注如何讓進行接收機同步處理。

這個示例演示了如何測量具有恒定編碼和調(diào)制的單流數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星第二代(DVB-S2)鏈路的誤碼率(BER)和誤包率(PER)。該示例詳細(xì)描述了符號定時和載波同步策略，重點介紹了如何在高噪聲條件下估計射頻前端損傷。單流信號增加射頻前端損傷，然后將波形通過加性高斯白噪聲(AWGN)通道。

DVB-S2接收機受到輸入符號率20%左右的大載波頻率誤差和大量相位噪聲的影響。使用強大的前向糾錯(FEC)機制，如Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)和低密度奇偶校驗(LDPC)碼，使DVB-S2系統(tǒng)在每個符號的能量與噪聲功率譜密度比(Es/No)值非常低的情況下工作，接近香農(nóng)極限。

ETSI EN 302 307-1第6節(jié)表13[1]總結(jié)了不同調(diào)制方案和碼率下AWGN信道上的準(zhǔn)無差錯(QEF)性能要求。不同傳輸模式的工作范圍可以考慮為+2或-2 dB。

在整個鏈路中，載波定時同步是設(shè)計的重點和難點。

下圖總結(jié)了示例的處理流程。

圖1 DVB-S2端到端仿真模型

在接收端，經(jīng)過匹配濾波后，進行定時和載波恢復(fù)操作，恢復(fù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。為了提取PL幀，通過各種定時和載波恢復(fù)策略對失真波形進行處理以提取PL幀。載波恢復(fù)算法是導(dǎo)航輔助的。為了解碼數(shù)據(jù)幀，從PL頭中恢復(fù)物理層傳輸參數(shù)，如調(diào)制方案、碼率和FEC幀類型。為了重新生成輸入比特流，對基帶(BB)報頭進行解碼。

由于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)支持分組和連續(xù)傳輸模式，因此BB幀既可以是用戶數(shù)據(jù)包的串接，也可以是比特流。恢復(fù)BB報頭以確定傳輸模式。如果BB幀是用戶數(shù)據(jù)包的串接，則返回每個數(shù)據(jù)包的CRC (packet cyclic redundancy check)狀態(tài)和解碼位，然后測量PER和BER。

圖2顯示了同步處理過程，圖3為比特級處理過程。

圖2 DVB-S2接收機同步處理過程

圖3 DVB-S2接收機比特級處理

為了實現(xiàn)DVB-S2端到端的仿真，我們需要用到MATLAB的help文檔和function。

首先，我們需要下載DVB-S2 LDPC Parity Matrices文件，用于LDPC編解碼。

然后，我們需要對DVB-S2進行配置。

指定cfgDVBS2結(jié)構(gòu)體來定義DVB-S2傳輸配置參數(shù)。ScalingMethod屬性適用于MODCOD在[18,28]范圍內(nèi)(即僅為APSK調(diào)制方案)的情況。當(dāng)將流格式設(shè)置為“GS”時，UPL屬性適用。

接下來，我們需要設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。

DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)支持靈活的信道帶寬。使用典型的信道帶寬，如36MHz。信道帶寬可以更改。本例中實現(xiàn)的粗頻率同步算法可以跟蹤高達(dá)20%輸入符號率的載波頻率偏移。符號速率計算為B/(1+R)，其中B為信道帶寬，R為發(fā)射濾波器滾降因子。在本例中實現(xiàn)的算法可以校正采樣時鐘偏移高達(dá)10ppm。

要創(chuàng)建DVB-S2波形，使用HelperDVBS2RxInputGenerate輔助函數(shù)，并將simParams和cfgDVBS2結(jié)構(gòu)體作為輸入。該函數(shù)返回數(shù)據(jù)信號，發(fā)送和接收波形，以及接收器處理結(jié)構(gòu)體。接收到的波形受到載波頻率、定時相位偏移和相位噪聲的影響，然后通過AWGN信道。接收器處理參數(shù)結(jié)構(gòu)rxParams包括參考導(dǎo)頻字段、導(dǎo)頻索引、計數(shù)器和緩沖Buffer。繪制接收符號的星座和發(fā)射和接收波形的頻譜。

圖4 生成接收數(shù)據(jù)的星座圖

圖5 收發(fā)信號的頻譜

對于DVB-S2來說，接收機的同步過程比較復(fù)雜，也是最重要的功能部件。

接下來，配置接收參數(shù)。

在接收端，對接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行符號定時同步，然后進行幀同步。接收機算法包括粗頻和細(xì)頻損傷校正算法。載波頻率估計算法可以跟蹤輸入符號率的20%以內(nèi)的載波頻率偏移。粗頻估計以鎖頻環(huán)(FLL)的形式實現(xiàn)，將頻率偏移減小到精細(xì)頻率估計器可以跟蹤的水平。符號定時和粗頻率補償?shù)膬?yōu)選環(huán)路帶寬取決于設(shè)置。

每1476個符號重復(fù)一組36個導(dǎo)頻。粗頻率誤差估計使用了36個導(dǎo)頻符號中的34個。每個區(qū)塊使用的導(dǎo)頻數(shù)(34)與導(dǎo)頻周期(1476)之比為0.023。

圖6 粗頻偏校正后星座圖

幀同步使用PL頭。由于載波同步是數(shù)據(jù)輔助的，因此幀同步必須準(zhǔn)確地檢測到幀的起始點。在確定幀同步精度方面起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)QPSK調(diào)制幀的恢復(fù)值低于3dB時，必須在多個幀上進行幀同步以進行精確檢測。

細(xì)頻率估計可以跟蹤輸入符號率4%以內(nèi)的載波頻率偏移。精頻率估計必須處理多個導(dǎo)頻塊，以使剩余載波頻率偏移減少到相位估計算法可接受的水平。相位估計算法可以處理小于輸入符號率0.02%的剩余載波頻率誤差。只有在存在顯著相位噪聲的情況下，APSK調(diào)制方案才需要進行精細(xì)相位補償。

圖7 細(xì)頻偏校正后星座圖

我們從圖2、圖3中可以看到，為了同步接收到的數(shù)據(jù)并恢復(fù)輸入比特流，按照以下步驟一次處理一幀受信道影響的DVB-S2波形采樣數(shù)據(jù)。

應(yīng)用匹配濾波，以每個符號兩個樣本的速率輸出。

使用Gardner定時錯誤檢測器（TED），進行符號定時同步，并以符號速率輸出。Gardner TED沒有數(shù)據(jù)輔助，因此在載波同步之前執(zhí)行。

應(yīng)用幀同步來檢測幀的開始和識別導(dǎo)頻位置。

粗頻偏估計與校正。

精頻偏估計與校正。

殘留頻偏、相噪估計與補償。

解碼PL報頭并計算傳輸參數(shù)。

解調(diào)和解碼PL幀。

對BB報頭進行CRC校驗，如果校驗通過，則恢復(fù)報頭參數(shù)。

從BB幀重新生成數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包的輸入流。

圖8則是對殘留頻偏和相噪進行估計并校正后的星座圖。

圖8 殘留頻偏與相噪校正后的星座圖

從圖8中可以看出，相噪校正后的星座圖符合仿真發(fā)端的設(shè)置，16APSK調(diào)制。

在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中，16APSK調(diào)制映射星座圖如圖9所示。

圖9 16APSK星座映射

注意，在本次仿真過程中，筆者使用的MATLAB版本是R2021a。感興趣的讀者，可以使用相同版本或更高級版本，相信可以達(dá)到同樣的仿真結(jié)果。

圖10 Satellite Communications Toolbox端到端仿真

通過本示例，我們重點關(guān)注程序中使用的幾個關(guān)鍵功能函數(shù)。

圖11 本示例中使用的函數(shù)

通過這些函數(shù)，我們可以學(xué)習(xí)如何進行時頻同步、幀同步、細(xì)頻偏估計、相噪估計與補償等。

當(dāng)然，我們僅僅是通過示例來熟悉了DVB-S2的處理過程，在實際項目中，會考慮工程實現(xiàn)的具體情況。

審核編輯：劉清