基于MATLAB的DVB-S2端到端示例如何搭建仿真鏈路

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起，我們?cè)俅螌⒛抗饩奂紻VB-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(jiǎn)述如何搭建仿真鏈路，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注如何讓進(jìn)行接收機(jī)同步處理。

這個(gè)示例演示了如何測(cè)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(hào)定時(shí)和載波同步策略，重點(diǎn)介紹了如何在高噪聲條件下估計(jì)射頻前端損傷。單流信號(hào)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(jī)受到輸入符號(hào)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(qiáng)大的前向糾錯(cuò)(FEC)機(jī)制，如Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)和低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼，使DVB-S2系統(tǒng)在每個(gè)符號(hào)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(cuò)(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(gè)鏈路中，載波定時(shí)同步是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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(jìn)行定時(shí)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(shí)和載波恢復(fù)策略對(duì)失真波形進(jìn)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(duì)基帶(BB)報(bào)頭進(jìn)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?；謴?fù)BB報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)包的CRC (packet cyclic redundancy check)狀態(tài)和解碼位，然后測(cè)量PER和BER。

圖2顯示了同步處理過程，圖3為比特級(jí)處理過程。

圖2 DVB-S2接收機(jī)同步處理過程

圖3 DVB-S2接收機(jī)比特級(jí)處理

為了實(shí)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(duì)DVB-S2進(jìn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)的粗頻率同步算法可以跟蹤高達(dá)20%輸入符號(hào)率的載波頻率偏移。符號(hào)速率計(jì)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(shí)現(xiàn)的算法可以校正采樣時(shí)鐘偏移高達(dá)10ppm。

要?jiǎng)?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?cái)?shù)據(jù)信號(hào)，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(shí)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(jì)數(shù)器和緩沖Buffer。繪制接收符號(hào)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(hào)的頻譜

對(duì)于DVB-S2來說，接收機(jī)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行符號(hào)定時(shí)同步，然后進(jìn)行幀同步。接收機(jī)算法包括粗頻和細(xì)頻損傷校正算法。載波頻率估計(jì)算法可以跟蹤輸入符號(hào)率的20%以內(nèi)的載波頻率偏移。粗頻估計(jì)以鎖頻環(huán)(FLL)的形式實(shí)現(xiàn)，將頻率偏移減小到精細(xì)頻率估計(jì)器可以跟蹤的水平。符號(hào)定時(shí)和粗頻率補(bǔ)償?shù)膬?yōu)選環(huán)路帶寬取決于設(shè)置。

每1476個(gè)符號(hào)重復(fù)一組36個(gè)導(dǎo)頻。粗頻率誤差估計(jì)使用了36個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)中的34個(gè)。每個(gè)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(cè)到幀的起始點(diǎn)。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(shí)，必須在多個(gè)幀上進(jìn)行幀同步以進(jìn)行精確檢測(cè)。

細(xì)頻率估計(jì)可以跟蹤輸入符號(hào)率4%以內(nèi)的載波頻率偏移。精頻率估計(jì)必須處理多個(gè)導(dǎo)頻塊，以使剩余載波頻率偏移減少到相位估計(jì)算法可接受的水平。相位估計(jì)算法可以處理小于輸入符號(hào)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(jìn)行精細(xì)相位補(bǔ)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(gè)符號(hào)兩個(gè)樣本的速率輸出。

使用Gardner定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)器（TED），進(jìn)行符號(hào)定時(shí)同步，并以符號(hào)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(cè)幀的開始和識(shí)別導(dǎo)頻位置。

粗頻偏估計(jì)與校正。

精頻偏估計(jì)與校正。

殘留頻偏、相噪估計(jì)與補(bǔ)償。

解碼PL報(bào)頭并計(jì)算傳輸參數(shù)。

解調(diào)和解碼PL幀。

對(duì)BB報(bào)頭進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)通過，則恢復(fù)報(bào)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(duì)殘留頻偏和相噪進(jìn)行估計(jì)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(jí)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(diǎn)關(guān)注程序中使用的幾個(gè)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(jìn)行時(shí)頻同步、幀同步、細(xì)頻偏估計(jì)、相噪估計(jì)與補(bǔ)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(shí)際項(xiàng)目中，會(huì)考慮工程實(shí)現(xiàn)的具體情況。

審核編輯：劉清