DVB-S2: Digital Video Broadcasting-Satellite di seconda generazione

Esecuzione della simulazione end-to-end a livello link con disturbi aggiuntivi in RF per una progettazione ottimale del ricevitore

Digital Video Broadcasting-Satellite di seconda generazione (DVB-S2) è uno standard del layer fisico che supporta le comunicazioni satellitari con velocità di trasmissione di dati elevata in presenza di disturbi della RF nello spazio fornendo le specifiche per la struttura dei frame, la codifica del canale, i sistemi di modulazione e l’efficienza spettrale. DVB-S2 è un importante aggiornamento dello standard Digital Video Broadcasting-Satellite di prima generazione (DVB-S). Lo standard DVB-S2 può supportare una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

  • Raccolta di notizie da sedi remote
  • Servizi di broadcast HDTV
  • Accesso a Internet
  • Backhauling cellulare
  • Reti governative e di difesa

Alcune caratteristiche del DVB-S2 che consentono un throughput elevato sono:

  • Correzione degli errori a valle della trasmissione sulla base dei codici di controllo di parità a bassa densità (LDPC) concatenati con i codici Bose, Chaudhuri e Hocquenghem (BCH)
  • Codifica e modulazione adattativa (ACM) sulla base delle condizioni del canale
  • 28 combinazioni di frequenze di modulazione e di codifica (MODCOD)
  • Costellazioni di segnali ottimizzate per canali lineari e non lineari
  • Modellazione dello spettro della larghezza di banda variabile che massimizza l’efficienza spettrale

Utilizzo della modellazione e della simulazione per progettare sistemi DVB-S2

La Fig. 1 mostra i componenti che devono essere modellati e simulati per progettare un sistema DVB-S2. I segnali che rappresentano un trasmettitore DVB-S2 vengono creati da un generatore di forme d’onda. I disturbi della RF tipici dei canali di comunicazione satellitare sono rappresentati da modelli matematici come il rumore gaussiano bianco additivo (AWGN) e altri. I modelli consentono agli ingegneri di esplorare i tradeoff di progettazione e testare idee nei loro progetti di ricevitori DVB-S2. MATLAB® fornisce funzioni e applicazioni che implementano queste funzionalità.

Fig. 1 - Componenti di modellazione e simulazione per la progettazione di un ricevitore DVB-S2. Il trasmettitore viene modellato mediante la generazione di forme d’onda e il canale viene modellato mediante i disturbi della RF e AWGN.

Generazione di forme d’onda DVB-S2

La generazione di forme d’onda DVB-S2 è necessaria per progettare, testare e perfezionare un ricevitore DVB-S2. Le forme d’onda DVB-S2 possono essere generate in MATLAB con dvbs2WaveformGenerator. Tra gli elementi principali delle forme d’onda DVB-S2 che aderiscono allo standard ETSI EN 302 307-1 V1.4.1 figurano i seguenti.

  • Formato del flusso di input:
    1. Flusso di trasporto: lunghezza fissa dei pacchetti per la gestione del carico utile MPEG
    2. Flusso generico: lunghezza variabile dei pacchetti per l’incapsulamento multiprotocollo (IPv4, IPv6, MPEG, ecc.)
  • Tipo di modulazione e frequenza di codifica: determinati da MODCOD per la tabella 12 di ETSI EN 302 307-1 V1.4.1
  • Fattore di “roll-off”:
    1. I fattori di “roll-off” supportati sono 0,2, 0,25 e 0,35
    2. Symbol rate calcolato come B/(1+R), dove B rappresenta la larghezza di banda del canale e R il fattore di “roll-off” del filtro di trasmissione
  • Simboli pilota: aggiunti in via opzionale al trasmettitore per il recupero della portante in corrispondenza del ricevitore

Disturbi della RF in un tipico segnale DVB-S2

I link DVB-S2 risentono di diversi disturbi della RF significativi, come eventi atmosferici, oscillatori di bassa qualità, rumore termico e Doppler a causa della velocità del satellite. In MATLAB è possibile misurare i seguenti disturbi della RF associati ai collegamenti satellitari DVB-S2.

  • Rumore di fase:
    1. Descrive la stabilità dell’oscillatore nel dominio della frequenza
    2. comm.PhaseNoise può generare rumore di fase in corrispondenza del trasmettitore o del ricevitore
  • Offset di frequenza della portante (CFO):
    1. Con i satelliti in orbita bassa, il CFO può essere pari al 20% del symbol rate, come mostrato nella Fig. 2
    2. comm.PhaseFrequencyOffset può essere utilizzato per simulare il CFO
  • Offset del clock di campionamento (SCO): Causato dal disallineamento dei clock di campionamento di trasmettitore e ricevitore
  • Rumore gaussiano bianco additivo (AWGN): awgn può essere utilizzato per generare rumore termico

Fig. 2 - Grafico degli spettri DVB-S2 trasmessi e ricevuti in MATLAB con Spectrum Analyzer, dove il segnale ricevuto è influenzato da un CFO significativo

Progettazione di ricevitori DVB-S2

A causa del significativo CFO nei link DVB-S2, gli algoritmi del ricevitore includono blocchi separati di correzione dei disturbi di frequenza coarse e fine. Il blocco di frequenza coarse viene applicato ancora prima del filtro adattato in modo tale che quest’ultimo filtri soltanto il rumore e non il segnale desiderato. Una descrizione più dettagliata della progettazione di ricevitori è disponibile nell’esempio intitolato Simulazione DVB-S2 end-to-end. La Fig. 3 mostra un tipico flusso di dati per un ricevitore DVB-S2.

Fig. 3 - Tipico flusso di dati per un ricevitore DVB-S2

La Fig. 4 mostra un diagramma della costellazione DVB-S2 dei dati ricevuti e sincronizzati per 32APSK (modulazione a spostamento di fase e ampiezza) in MATLAB. I quattro punti aggiuntivi tra i due anelli più esterni sono i simboli pilota, cerchiati in rosso. Questa costellazione viene acquisita con Es/No a 20 dB e CFO da 3 MHz, SCO da 5 ppm e larghezza di banda da 36 MHz.

Fig. 4 - Diagramma grafico della costellazione DVB-S2 dei dati ricevuti e sincronizzati per 32APSK in MATLAB con scatterplot

DVB-S2X – Un’estensione del DVB-S2

Lo standard Digital Video Broadcasting-Satellite di seconda generazione estesa (DVB-S2X) migliora il supporto fornito per le applicazioni DVB-S2 di base e migliora l’efficienza complessiva della comunicazione attraverso i collegamenti satellitari. Lo standard DVB-S2X supporta le seguenti funzioni aggiuntive:

  • Maggiore granularità delle frequenze di modulazione e di codifica, che supportano 116 MODCOD
  • Opzioni di “roll-off” del filtro ridotte per un utilizzo migliore della larghezza di banda
  • Schemi di modulazione di ordine superiore (64APSK, 128APSK, 256APSK)
  • Ulteriori opzioni di scrambling per scenari critici di interferenza co-canale dovuti a requisiti di velocità di trasmissione di dati elevata, molti canali TV e altri servizi affini
  • Modalità di rapporto segnale-rumore molto basso (VLSNR) per applicazioni mobili

La Fig. 5 mostra un diagramma della costellazione DVB-S2X dei dati ricevuti e sincronizzati per 64APSK in MATLAB. La costellazione viene acquisita con Es/No a 25 dB e CFO da 2 Mhz, SCO da 2 ppm e larghezza di banda da 36 MHz.

Fig. 5 - Diagramma della costellazione DVB-S2X dei dati ricevuti e sincronizzati per 64APSK in MATLAB con scatterplot

Il dvbs2xWaveformGenerator implementa una generazione di forme d’onda DVB-S2X conforme a ETSI EN 302 307-2. Per maggiori informazioni su DVB-S2X, vedere simulazione DVB-S2X end-to-end. Le progettazioni dei ricevitori e trasmettitori DVB-S2X seguono lo stesso workflow illustrato in precedenza per DVB-S2.

Perché DVB-S2 e DVB-S2X sono importanti?

  • DVB-S2 e DVB-S2X sono stati creati per essere utilizzati in applicazioni moderne come la trasmissione video ad alta qualità e Internet via satellite
  • DVB-S2 e DVB-S2X traggono vantaggio dai miglioramenti hardware e offrono un’alta efficienza spettrale
  • DVB-S2 è stato adottato su larga scala sin dalla sua nascita nel 2005 e continuerà probabilmente a rivestire una notevole importanza per molti anni con le funzioni aggiuntive in DVB-S2X

DVB-S2/S2X con MATLAB

MATLAB e Satellite Communications Toolbox™ includono funzionalità per progettare e testare le forme d’onda DVB-S2 e DVB-S2X e i loro ricevitori. Con MATLAB è possibile:

  • Generare forme d’onda standard DVB-S2 e DVB-S2X
  • Aggiungere disturbi della RF ai segnali DVB-S2 e DVB-S2X trasmessi
  • Progettare ricevitori ottimali per DVB-S2 e DVB-S2X
  • Progettare, testare ed eseguire simulazioni a livello di link end-to-end di sistemi DVB-S2 e DVB-S2X
  • Generare codice sorgente C/C++ portabile con MATLAB Coder™ per accelerare l’elaborazione ed incorporare algoritmi progettati in MATLAB nel codice C/C++ esistente per la distribuzione


Riferimenti software

Vedere anche: comunicazioni wireless, modello del canale, radio definita dal software, ricetrasmettitore wireless, sistema RF, Communications Toolbox, Satellite Communications Toolbox