DVB-S2: Difusión de señales digitales de vídeo - Satélite de segunda generación

Optimice el diseño de receptores con simulaciones de enlace de extremo a extremo y distorsiones de RF

DVB-S2 (Difusión de señales digitales de vídeo - Satélite de segunda generación) es un estándar de capa física que admite comunicaciones satelitales de alta velocidad en presencia de distorsiones de RF en el espacio, ya que proporciona especificaciones para la estructura de trama, la codificación de canales, los sistemas de modulación y la eficiencia espectral. DVB-S2 supone una mejora sustancial del estándar de primera generación de Difusión de señales digitales de vídeo por satélite (DVB-S). El estándar DVB-S2 puede admitir una amplia variedad de aplicaciones, tales como:

  • Recopilación de noticias desde ubicaciones remotas
  • Servicios de difusión de televisión de alta definición
  • Acceso a Internet
  • Redes de retorno celulares
  • Redes gubernamentales y de defensa

Estas son algunas de las características de DVB-S2 que permiten una alta tasa de transferencia:

  • Corrección de errores sin canal de retorno basada en códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) concatenados con código BCH (Bose, Chaudhuri y Hocquenghem)
  • Codificación y modulación adaptativas (ACM) en función de las condiciones del canal
  • 28 combinaciones de modulación y tasas de codificación (MODCOD)
  • Constelaciones de señales optimizadas para canales lineales y no lineales
  • Conformación del espectro de ancho de banda variable que optimiza la eficiencia espectral

Uso de modelado y simulación para diseñar sistemas DVB-S2

La Figura 1 muestra los componentes que se deben modelar y simular para diseñar un sistema DVB-S2. Un generador de formas de onda crea señales que representan un transmisor DVB-S2. Las distorsiones de RF típicas de los canales de comunicación satelital se representan a través de modelos matemáticos tales como el ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN), entre otros. Estos modelos permiten a los ingenieros experimentar y explorar tradeoffs de diseño en sus diseños de receptores DVB-S2. MATLAB® proporciona funciones y apps para implementar estas prestaciones.

Figura 1: Componentes de modelado y simulación para diseñar un receptor DVB-S2. El transmisor se modela con generación de formas de onda y el canal se modela como distorsiones de RF junto con AWGN.

Figura 1: Componentes de modelado y simulación para diseñar un receptor DVB-S2. El transmisor se modela con generación de formas de onda y el canal se modela como distorsiones de RF junto con AWGN.

Generación de formas de onda DVB-S2

La generación de formas de onda DVB-S2 es necesaria para diseñar, probar y perfeccionar un receptor DVB-S2. Las formas de onda DVB-S2 se pueden generar en MATLAB con dvbs2WaveformGenerator. Entre los principales elementos de las formas de onda DVB-S2 que cumplen con el estándar ETSI EN 302 307-1 V1.4.1 se incluyen los siguientes:

  • Formato de secuencia de entrada:
    1. Secuencia de transporte: longitud de paquete fija para entrega de carga útil MPEG
    2. Secuencia genérica: longitud de paquete variable para encapsulamiento multiprotocolo (IPv4, IPv6, MPEG, etc.)
  • Tipo de modulación y tasa de codificación: determinados por MODCOD conforme a la Tabla 12 del estándar ETSI EN 302 307-1 V1.4.1
  • Factor de roll-off:
    1. Los factores de roll-off admitidos son 0,2, 0,25 y 0,35
    2. Tasa de símbolos calculada como B/(1+R), donde B es el ancho de banda del canal y R es el factor de roll-off del filtro de transmisión
  • Símbolos piloto: se agregan opcionalmente en el transmisor para la recuperación de la portadora en el receptor

Distorsiones de RF en una señal DVB-S2 típica

Los enlaces DVB-S2 se ven afectados por varias distorsiones de RF significativas, tales como condiciones meteorológicas, osciladores de baja calidad, ruido térmico y efecto Doppler debido a la velocidad del satélite. Las siguientes distorsiones de RF relacionadas con enlaces satelitales DVB-S2 se pueden medir en MATLAB.

  • Ruido de fase:
    1. Describe la estabilidad del oscilador en el dominio de la frecuencia.
    2. comm.PhaseNoise puede generar ruido de fase en el transmisor o el receptor
  • Desplazamiento de frecuencia portadora (CFO):
    1. En el caso de satélites de órbita terrestre baja, el CFO puede llegar al 20% de la tasa de símbolos, como muestra la Figura 2
    2. comm.PhaseFrequencyOffset se puede utilizar para simular el CFO
  • Desplazamiento de reloj de muestreo (SCO): provocado por la discrepancia entre los relojes de muestreo del transmisor y del receptor
  • Ruido blanco gaussiano aditivo: awgn se puede utilizar para generar ruido térmico
Figura 2: Gráfica de espectros DVB-S2 transmitidos y recibidos en MATLAB con Spectrum Analyzer, donde la señal recibida se ve afectada por un desplazamiento CFO significativo

Figura 2: Gráfica de espectros DVB-S2 transmitidos y recibidos en MATLAB con Spectrum Analyzer, donde la señal recibida se ve afectada por un desplazamiento CFO significativo

Diseño de receptores DVB-S2

Debido a un alto desplazamiento CFO de los enlaces DVB-S2, los algoritmos del receptor incluyen bloques separados de corrección fina y aproximada de la distorsión de frecuencia. El bloque de frecuencia aproximada se aplica incluso antes del filtrado adaptado, para que el filtro adaptado filtre solo ruido, en lugar de la señal deseada. El ejemplo de simulación de DVB-S2 de extremo a extremo ofrece una descripción más detallada del diseño de receptores. La Figura 3 muestra el flujo de datos típico de un receptor DVB-S2.

Figura 3: Flujo de datos típico de un receptor DVB-S2

Figura 3: Flujo de datos típico de un receptor DVB-S2

La Figura 4 muestra el diagrama de constelación de DVB-S2 de datos recibidos y sincronizados para 32APSK (modulación por desplazamiento de amplitud y de fase) en MATLAB. Los cuatro puntos adicionales situados entre los dos anillos exteriores y rodeados por un círculo rojo representan símbolos piloto. La constelación se captura con Es/No a 20 dB y un CFO de 3 MHz, SCO de 5 ppm y ancho de banda de 36 MHz.

Figura 4: Diagrama de constelación de DVB-S2 de datos recibidos y sincronizados para 32APSK en MATLAB con scatterplot

Figura 4: Diagrama de constelación de DVB-S2 de datos recibidos y sincronizados para 32APSK en MATLAB con scatterplot

DVB-S2X: una extensión de DVB-S2

El estándar DVB-S2X (Difusión de señales digitales de vídeo - Satélite de segunda generación extendido) ofrece mayor soporte para las aplicaciones básicas de DVB-S2 y aumenta la eficiencia general de la comunicación a través de enlaces satelitales. El estándar DVB-S2X admite estas funcionalidades adicionales:

  • Mayor granularidad de la modulación y las tasas de codificación, que admite 116 MODCOD
  • Opciones de filtro de roll-off más pequeñas para una mejor utilización del ancho de banda
  • Esquemas de modulación de orden superior (64APSK, 128APSK, 256APSK)
  • Más opciones de codificación para situaciones críticas de interferencia de canal debido a los requisitos de alta velocidad de datos, muchos canales de televisión y otros servicios próximos
  • Modo VLSNR (relación señal/ruido muy baja) para aplicaciones móviles

La Figura 5 muestra el diagrama de constelación de DVB-S2X de datos recibidos y sincronizados para 64APSK en MATLAB. La constelación se captura con Es/No a 25 dB y un CFO de 2 MHz, SCO de 2 ppm y ancho de banda de 36 MHz.

Figura 5: Diagrama de constelación de DVB-S2X de datos recibidos y sincronizados para 64APSK en MATLAB con scatterplot

Figura 5: Diagrama de constelación de DVB-S2X de datos recibidos y sincronizados para 64APSK en MATLAB con scatterplot

dvbs2xWaveformGenerator implementa una generación de formas de onda de DVB-S2X conforme al estándar ETSI EN 302 307-2. Para más información sobre DVB-S2X consulte simulación de DVB-S2X de extremo a extremo. Los diseños de receptores y transmisores DVB-S2X siguen los mismos flujos de trabajo descritos anteriormente para DVB-S2.

¿Por qué son importantes DVB-S2 y DVB-S2X?

  • DVB-S2 y DVB-S2X se establecieron para su uso en aplicaciones modernas como la transmisión de vídeo de alta calidad e Internet por satélite
  • DVB-S2 y DVB-S2X aprovechan las recientes mejoras de hardware y ofrecen una alta eficiencia espectral
  • DVB-S2 se ha adoptado ampliamente desde su aparición en 2005 y es probable que permanezca vigente por muchos años más con las características adicionales de DVB-S2X

DVB-S2/S2X con MATLAB

MATLAB y Satellite Communications Toolbox™ incluyen funcionalidades para diseñar y probar las formas de onda DVB-S2 y DVB-S2X y sus receptores. Puede utilizar MATLAB para:

  • Generar formas de onda DVB-S2 y DVB-S2X estándar
  • Agregar distorsiones de RF a las señales DVB-S2 y DVB-S2X transmitidas
  • Diseñar receptores óptimos para DVB-S2 y DVB-S2X
  • Diseñar, probar y realizar simulaciones de extremo a extremo en el nivel del enlace de sistemas DVB-S2 y DVB-S2X
  • Generar código fuente C/C++ portable con MATLAB Coder™ para acelerar el procesamiento e incorporar algoritmos diseñados en MATLAB en código C/C++ heredado para su despliegue


Referencias de software

También puede consultar estos temas: comunicaciones inalámbricas, modelo de canal, radio definida por software, transceptor inalámbrico, sistema RF, Communications Toolbox, Satellite Communications Toolbox