DVB-S2

Introducción a DVB-S2

Difusión de señales digitales de vídeo - Satélite de segunda generación (DVB-S2) es un estándar de capa física desarrollado para permitir comunicaciones satelitales a altas velocidades de datos en el espacio. Proporciona especificaciones para estructura de trama, codificación de canales, sistemas de modulación y eficiencia espectral. DVB-S2 es una actualización sustancial del estándar Difusión de señales digitales de vídeo - Satélite de primera generación (DVB-S). El estándar DVB-S2 ofrece soporte para 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 móviles
  • 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 tasas de modulación y 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

MATLAB® cuenta con herramientas para simular, analizar y probar sistemas y enlaces de comunicaciones satelitales que cumplen con DVB-S2.

Uso de modelización 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 comunicaciones satelitales se representan mediante modelos matemáticos tales como ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN), desplazamiento de frecuencia portadora (CFO) y desplazamiento de reloj de muestreo (SCO). Estos modelos permiten experimentar y explorar tradeoffs de diseño de receptores DVB-S2. MATLAB ofrece funciones y apps para implementar estas prestaciones.

Diagrama de bloques que muestra la arquitectura de transceptor de alto nivel de una señal DVB-S2, con un generador de formas de onda, un canal que incluye distorsiones de RF y un receptor que corrige esas distorsiones.

Figura 1. Componentes de modelización y simulación para diseñar un receptor DVB-S2 en MATLAB. 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. Se pueden generar formas de onda DVB-S2 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, y otros)
  • 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 transmisor.
  • 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 generar en MATLAB:

  • Ruido de fase: describe la estabilidad del oscilador en el dominio de la frecuencia
  • CFO:
    1. Con satélites de órbita terrestre baja, CFO puede alcanzar hasta el 20% de la tasa de símbolos, como muestra la Figura 2
    2. Se puede utilizar comm.PhaseFrequencyOffset para simular el CFO
  • SCO: provocado por la discrepancia entre el reloj de muestreo del transmisor y el del receptor
  • AWGN: se puede utilizar awgn para generar ruido térmico
Gráfica del analizador de espectros de MATLAB que muestra señales DVB-S2 transmitidas y recibidas. En el eje x aparece la frecuencia en MHz, y en el eje y se muestra la potencia en dBm. La señal recibida muestra un desplazamiento de frecuencia portadora 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 CFO significativo.

Diseño de receptores DVB-S2

Debido al alto CFO de enlaces DVB-S2, los algoritmos del receptor incluyen bloques separados de corrección fina y aproximada de la distorsión de frecuencia. El bloque Coarse Frequency se aplica incluso antes del filtrado adaptado, para que el filtro adaptado solo filtre ruido y no 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.

Diagrama de bloques de un receptor DVB-S2 en MATLAB, con múltiples lazos de sincronización.

Figura 3. Flujo de datos típico de un receptor DVB-S2 en MATLAB.

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 QPSK. La constelación se ha capturado con Es/No a 20 dB, un CFO de 3 MHz, SCO de 5 ppm y un ancho de banda de 36 MHz.

Diagramas de constelación DVB-S2 recibida y sincronizada, respectivamente, que muestran datos de carga útil 32APSK y datos piloto QPSK, rodeados por un círculo rojo para destacarlos. En ambos diagramas, la amplitud en fase aparece en el eje x, y la amplitud en cuadratura en el eje y.

Figura 4. Diagrama de constelación DVB-S2 de datos recibidos (izquierda) y sincronizados (derecha) para 32APSK en MATLAB con la función scatterplot.

DVB-S2X: extensión de DVB-S2

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

  • Mayor granularidad de la modulación y las tasas de codificación, con soporte para 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 requisitos de alta velocidad de datos, muchos canales de televisión y otros servicios próximos
  • Modo VL-SNR (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 ha capturado con Es/No a 25 dB, un CFO de 2 MHz, SCO de 2 ppm y un ancho de banda de 36 MHz.

Diagramas de constelación DVB-S2X recibida y sincronizada, respectivamente, que muestran datos de carga útil 64APSK. En ambos, la amplitud en fase aparece en el eje x, y la amplitud en cuadratura en el eje y.

Figura 5. Diagrama de constelación DVB-S2X de datos recibidos (izquierda) y sincronizados (derecha) para 64APSK en MATLAB con la función scatterplot.

La función dvbs2xWaveformGenerator implementa una generación de formas de onda DVB-S2X conforme con el 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.

Importancia de DVB-S2 y DVB-S2X

  • DVB-S2 y DVB-S2X se desarrollaron para su uso en aplicaciones modernas tales como difusión de vídeo de alta calidad e Internet por satélite
  • DVB-S2 y DVB-S2X han aprovechado las recientes mejoras en hardware y ofrecen una alta eficiencia espectral
  • DVB-S2 se ha adoptado ampliamente desde su incepción 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 formas de onda DVB-S2 y DVB-S2X, y sus receptores. Con MATLAB puede:

  • Generar formas de onda conformes con los estándares DVB-S2 y DVB-S2X
  • 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++ portátil con MATLAB Coder™ para acelerar el procesamiento e incorporar algoritmos diseñados en MATLAB en código C/C++ existente para su despliegue

Ejemplos y procedimientos

Referencias de software

También puede consultar estos temas: telecomunicaciones, desarrollo de tecnologías inalámbricas 5G, beamforming, modelo de canal, radio definida por software, transceptor inalámbrico, sistema RF, Communications Toolbox, Satellite Communications Toolbox, Generación de formas de onda inalámbricas simplificada con MATLAB, balance de enlace