隨著衛星互聯網的興起，我們再次將目光聚集到DVB-S2上。與之相關的還有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，簡述如何搭建仿真鏈路，同時重點關注如何讓進行接收機同步處理。

這個示例演示了如何測量具有恒定編碼和調制的單流數字視頻廣播衛星第二代(DVB-S2)鏈路的誤碼率(BER)和誤包率(PER)。該示例詳細描述了符號定時和載波同步策略，重點介紹了如何在高噪聲條件下估計射頻前端損傷。單流信號增加射頻前端損傷，然后將波形通過加性高斯白噪聲(AWGN)通道。

DVB-S2接收機受到輸入符號率20%左右的大載波頻率誤差和大量相位噪聲的影響。使用強大的前向糾錯(FEC)機制，如Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)和低密度奇偶校驗(LDPC)碼，使DVB-S2系統在每個符號的能量與噪聲功率譜密度比(Es/No)值非常低的情況下工作，接近香農極限。

ETSI EN 302 307-1第6節表13[1]總結了不同調制方案和碼率下AWGN信道上的準無差錯(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。

在整個鏈路中，載波定時同步是設計的重點和難點。

下圖總結了示例的處理流程。

圖1 DVB-S2端到端仿真模型

在接收端，經過匹配濾波后，進行定時和載波恢復操作，恢復傳輸的數據。為了提取PL幀，通過各種定時和載波恢復策略對失真波形進行處理以提取PL幀。載波恢復算法是導航輔助的。為了解碼數據幀，從PL頭中恢復物理層傳輸參數，如調制方案、碼率和FEC幀類型。為了重新生成輸入比特流，對基帶(BB)報頭進行解碼。

由于DVB-S2標準支持分組和連續傳輸模式，因此BB幀既可以是用戶數據包的串接，也可以是比特流。恢復BB報頭以確定傳輸模式。如果BB幀是用戶數據包的串接，則返回每個數據包的CRC (packet cyclic redundancy check)狀態和解碼位，然后測量PER和BER。

圖2顯示了同步處理過程，圖3為比特級處理過程。

圖2 DVB-S2接收機同步處理過程

圖3 DVB-S2接收機比特級處理

為了實現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DVB-S2進行配置。

指定cfgDVBS2結構體來定義DVB-S2傳輸配置參數。ScalingMethod屬性適用于MODCOD在[18,28]范圍內(即僅為APSK調制方案)的情況。當將流格式設置為“GS”時，UPL屬性適用。

接下來，我們需要設置系統仿真參數。

DVB-S2標準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。本例中實現的粗頻率同步算法可以跟蹤高達20%輸入符號率的載波頻率偏移。符號速率計算為B/(1+R)，其中B為信道帶寬，R為發射濾波器滾降因子。在本例中實現的算法可以校正采樣時鐘偏移高達10ppm。

要創建DVB-S2波形，使用HelperDVBS2RxInputGenerate輔助函數，并將simParams和cfgDVBS2結構體作為輸入。該函數返回數據信號，發送和接收波形，以及接收器處理結構體。接收到的波形受到載波頻率、定時相位偏移和相位噪聲的影響，然后通過AWGN信道。接收器處理參數結構rxParams包括參考導頻字段、導頻索引、計數器和緩沖Buffer。繪制接收符號的星座和發射和接收波形的頻譜。

圖4 生成接收數據的星座圖

圖5 收發信號的頻譜

對于DVB-S2來說，接收機的同步過程比較復雜，也是最重要的功能部件。

接下來，配置接收參數。

在接收端，對接收到的數據執行符號定時同步，然后進行幀同步。接收機算法包括粗頻和細頻損傷校正算法。載波頻率估計算法可以跟蹤輸入符號率的20%以內的載波頻率偏移。粗頻估計以鎖頻環(FLL)的形式實現，將頻率偏移減小到精細頻率估計器可以跟蹤的水平。符號定時和粗頻率補償的優選環路帶寬取決于設置。

每1476個符號重復一組36個導頻。粗頻率誤差估計使用了36個導頻符號中的34個。每個區塊使用的導頻數(34)與導頻周期(1476)之比為0.023。

圖6 粗頻偏校正后星座圖

幀同步使用PL頭。由于載波同步是數據輔助的，因此幀同步必須準確地檢測到幀的起始點。在確定幀同步精度方面起著至關重要的作用。當QPSK調制幀的恢復值低于3dB時，必須在多個幀上進行幀同步以進行精確檢測。

細頻率估計可以跟蹤輸入符號率4%以內的載波頻率偏移。精頻率估計必須處理多個導頻塊，以使剩余載波頻率偏移減少到相位估計算法可接受的水平。相位估計算法可以處理小于輸入符號率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調制方案才需要進行精細相位補償。

圖7 細頻偏校正后星座圖

我們從圖2、圖3中可以看到，為了同步接收到的數據并恢復輸入比特流，按照以下步驟一次處理一幀受信道影響的DVB-S2波形采樣數據。

應用匹配濾波，以每個符號兩個樣本的速率輸出。

使用Gardner定時錯誤檢測器（TED），進行符號定時同步，并以符號速率輸出。Gardner TED沒有數據輔助，因此在載波同步之前執行。

應用幀同步來檢測幀的開始和識別導頻位置。

粗頻偏估計與校正。

精頻偏估計與校正。

殘留頻偏、相噪估計與補償。

解碼PL報頭并計算傳輸參數。

解調和解碼PL幀。

對BB報頭進行CRC校驗，如果校驗通過，則恢復報頭參數。

從BB幀重新生成數據或數據包的輸入流。

圖8則是對殘留頻偏和相噪進行估計并校正后的星座圖。

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端的設置，16APSK調制。

在DVB-S2標準中，16APSK調制映射星座圖如圖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版本，相信可以達到同樣的仿真結果。

圖10 Satellite Communications Toolbox端到端仿真

通過本示例，我們重點關注程序中使用的幾個關鍵功能函數。

圖11 本示例中使用的函數

通過這些函數，我們可以學習如何進行時頻同步、幀同步、細頻偏估計、相噪估計與補償等。

當然，我們僅僅是通過示例來熟悉了DVB-S2的處理過程，在實際項目中，會考慮工程實現的具體情況。

審核編輯：劉清