DVB-S2 : Digital Video Broadcasting-Satellite-Second Generation

Le Digital Video Broadcasting-Satellite-Second Generation (DVB-S2) est une norme de couche physique qui supporte les communications satellite à haut débit en présence d'imperfections RF dans l'espace. DVB-S2 propose des spécifications pour la structure des trames, le codage du canal, les systèmes de modulation et l'efficacité spectrale. DVB-S2 est une amélioration importante de la norme Digital Video Broadcasting-Satellite (DVB-S) de première génération. La norme DVB-S2 peut supporter de nombreuses applications, par exemple :

• La collecte d'informations à partir de sites distants
• Les services de diffusion HDTV
• L'accès à Internet
• Le backhaul cellulaire
• Les réseaux de communications des gouvernements et de la défense

Voici quelques caractéristiques de DVB-S2 qui vous permettent de bénéficier d'un haut débit :

• La correction d'erreurs sans circuit de retour basée sur des codes de parité à faible densité (LDPC) concaténés à des codes BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)
• La technique ACM (Adaptive Coding and Modulation) basée sur les conditions du canal
• 28 combinaisons de modulations et de taux de codage (MODCOD)
• Les constellations de signaux optimisées pour les canaux linéaires et non linéaires
• La mise en forme variable du spectre de la bande passante variable qui maximise l'efficacité spectrale

Utiliser la modélisation et la simulation pour concevoir des systèmes DVB-S2

La Figure 1 ci-dessous montre les composants à modéliser et à simuler afin de concevoir un système DVB-S2. Les signaux qui représentent un émetteur DVB-S2 sont créés par un générateur de formes d'onde. Les imperfections RF inhérentes aux canaux de communication par satellite sont représentées par des modèles mathématiques comme, entre autres, le bruit additif blanc gaussien (AWGN). Les modèles permettent aux ingénieurs d'étudier les compromis de design et de tester de nouvelles idées dans leurs designs de récepteurs DVB-S2. MATLAB^® propose des fonctions et des applications pour implémenter ces fonctionnalités.

Génération de formes d'onde DVB-S2

La génération de formes d'onde est nécessaire pour concevoir, tester et améliorer les récepteurs DVB-S2. Vous pouvez générer des formes d'onde DVB-S2 dans MATLAB avec dvbs2WaveformGenerator. Les principaux composants des formes d'onde DVB-S2 qui respectent les normes ETSI EN 302 307-1 V1.4.1 incluent les éléments suivants.

• Format du flux d'entrée :
  1. Flux de transport - Longueur de paquet fixe pour la livraison de payloads MPEG
  2. Flux générique - Longueur de paquet variable pour l'encapsulation de plusieurs protocoles (IPv4, Ipv6, MPEG, etc.)

• Type de modulation et taux de codage : déterminé par le MODCOD en référence au tableau 12 de la norme ETSI EN 302 307-1 V1.4.1
• Facteur de roll-off :
  1. Les facteurs de roll-off supportés sont 0,2, 0,25 et 0,35
  2. Le taux de symbole calculé par la formule B/(1+R), où B est la bande passante du canal et R est le facteur de roll-off du filtre de transmission

• Symboles pilotes : facultatifs, ajoutés à l'émetteur pour la récupération de la porteuse sur le récepteur

Imperfections RF dans un signal DVB-S2 typique

Les liaisons DVB-S2 subissent plusieurs imperfections RF importantes, par exemple les conditions météorologiques, les oscillateurs de mauvaise qualité, le bruit thermique et les effets Doppler dus à la vitesse des satellites. Les imperfections RF, ci-dessous, sont associées aux liaisons satellite DVB-S2 et peuvent être mesurées dans MATLAB.

• Bruit de phase :
  1. Décrit la stabilité de l'oscillateur dans le domaine fréquentiel
  2. comm.PhaseNoise peut générer du bruit de phase au niveau de l'émetteur ou du récepteur

• Offset de la fréquence porteuse (CFO, Carrier Frequency Offset) :
  1. Avec des satellites en orbite terrestre basse, le CFO peut représenter jusqu'à 20 % du taux de symbole, comme illustré sur la Figure 2
  2. Vous pouvez utiliser comm.PhaseFrequencyOffset pour simuler le CFO

• Offset de l'horloge d'échantillonnage (SCO, Sampling Clock Offset) : résultat d'un décalage entre les horloges d'échantillonnage de l'émetteur et du récepteur
• Bruit blanc additif gaussien (AWGN) : l'AWGN peut être utilisé pour générer du bruit thermique

Design du récepteur DVB-S2

En raison d'un important CFO dans les liaisons DVB-S2, les algorithmes du récepteur comprennent des blocs distincts pour la correction grossière et fine des imperfections de fréquences. Le bloc de correction grossière en fréquence est appliqué avant les filtres adaptatifs, de sorte qu'ils ne filtrent que le bruit et non le signal désiré. Vous trouverez une description plus détaillée du design du récepteur dans l'exemple intitulé End-to-end DVB-S2 simulation. La Figure 3 illustre un dataflow typique pour un récepteur DVB-S2.

La Figure 4 illustre un diagramme de constellation DVB-S2 des données reçues et synchronisées pour le 32APSK (Amplitude Phase Shift Keying) dans MATLAB. Les quatre points supplémentaires entre les deux anneaux les plus éloignés du centre sont des symboles pilotes, entourés en rouge. Cette constellation a été capturée avec un Es/No de 20 dB, un CFO de 3 MHz, un SCO de 5 ppm et une bande passante de 36 MHz.

DVB-S2X, une extension de DVB-S2

La norme Digital Video Broadcasting-Satellite-Second Generation Extended (DVB-S2X) améliore le support proposé pour les applications DVB-S2 de base et augmente l'efficacité globale des communications par liaison satellite. La norme DVB-S2X supporte les fonctionnalités supplémentaires suivantes :

• Une meilleure granularité des modulations et des taux de codage, qui supporte 116 MODCOD
• Des options de roll-off de filtre plus petits pour une meilleure utilisation de la bande passante
• Des schémas de modulation d'ordre plus élevé (64APSK, 128APSK, 256APSK)
• Davantage d'options de brouillage pour des scénarios critiques d'interférences co-canal dues aux exigences du haut débit, aux nombreuses chaînes de télévision et aux autres services voisins
• Mode rapport signal à bruit très faible (VLSNR) pour les applications mobiles

La Figure 5 illustre un diagramme de constellation DVB-S2X de données reçues et synchronisées pour le 64APSK dans MATLAB. Cette constellation a été capturée avec un Es/No de 25 dB, un CFO de 2 MHz, un SCO de 2 ppm et une bande passante de 36 MHz.

Le dvbs2xWaveformGenerator implémente un générateur de formes d'onde DVB-S2X, conforme à la norme ETSI EN 302 307-2. Pour plus d'informations concernant DVB-S2X, consultez la End-to-end DVB-S2X simulation. Les designs du récepteur et de l'émetteur DVB-S2X suivent les mêmes workflows que ceux du DVB-S2, décrits précédemment.

En quoi les normes DVB-S2 et DVB-S2X sont-elles importantes ?

• Les normes DVB-S2 et DVB-S2X ont été instaurées pour les applications modernes comme la diffusion de vidéos de haute qualité et la connexion à Internet par satellite
• Ces normes tirent parti des récentes améliorations du hardware pour offrir une efficacité spectrale élevée
• DVB-S2 a été largement adopté depuis son avènement en 2005, et devrait rester pertinent pendant de nombreuses années avec les fonctionnalités supplémentaires de DVB-S2X

DVB-S2/S2X avec MATLAB

MATLAB et Satellite Communications Toolbox™ comprennent des fonctionnalités pour concevoir et tester des formes d'onde DVB-S2 et DVB-S2X et leurs récepteurs associés. Vous pouvez utiliser MATLAB pour :

• Générer des formes d'onde DVB-S2 et DVB-S2X standard
• Ajouter des imperfections RF aux signaux DVB-S2 et DVB-S2X transmis
• Concevoir des récepteurs optimaux pour DVB-S2 et DVB-S2X
• Concevoir, tester et effectuer des simulations de bout en bout au niveau liaison des systèmes DVB-S2 et DVB-S2X
• Générer du code source C/C++ portable avec MATLAB Coder™ pour accélérer le traitement et intégrer des algorithmes conçus dans MATLAB à du code C/C++ existant pour le déploiement