РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ РАДИОПРИЁМНОГО ТРАКТА DVB S2 В СРЕДЕ MATLAB

DEVELOPMENT AND VERIFICATION OF A SIMULATION MODEL OF A DVB S2 RADIO RECEIVING PATH IN THE MATLAB ENVIRONMENT

Volokh Egor Maksimovich

Student, Department of Radio Electronics and Telecommunication Systems, Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

АННОТАЦИЯ

В статье представлена имитационная модель радиоприёмного тракта спутниковой системы связи стандарта DVB‑S2, реализованная в среде MATLAB. Модель включает в себя LDPC‑кодирование, скремблирование, QPSK‑модуляцию, аддитивный белый гауссов шум (AWGN), демодуляцию с мягкими решениями (LLR) и итеративное LDPC‑декодирование.

ABSTRACT

This article presents a simulation model of the radio reception path of a DVB-S2 satellite communication system, implemented in the MATLAB environ-ment. The model includes LDPC coding, scrambling, QPSK modulation, additive white Gaussian noise (AWGN), soft-decision demodulation (LLR), and iterative LDPC decoding.

Ключевые слова: DVB‑S2, спутниковая связь, LDPC, QPSK, имитационное моделирование, MATLAB, BER, EVM, MER.

Keywords: DVB S2, satellite communications, LDPC, QPSK, simulation modeling, MATLAB, BER, EVM, MER.

Введение

Стандарт DVB‑S2 (Digital Video Broadcasting – Satellite, Second Generation) является одним из наиболее эффективных решений для спутниковой передачи цифрового телевидения и широкополосного доступа. Благодаря использованию LDPC‑кодов (Low‑Density Parity‑Check) и адаптивных схем модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK) он позволяет достичь пропускной способности, близкой к теоретическому пределу Шеннона [1].

Проектирование реальных приёмопередающих трактов DVB‑S2 требует многократных экспериментальных проверок, что на начальных этапах нецелесообразно. Альтернативой является имитационное моделирование в среде MATLAB, предоставляющей средства для генерации сигналов, моделирования каналов связи, помехоустойчивого кодирования и статистического анализа ошибок [2].

Цель данной работы — разработка и верификация базовой имитационной модели радиоприёмного тракта DVB‑S2 (QPSK, LDPC со скоростью 1/2, AWGN) с последующей оценкой её корректности по метрикам: коэффициент битовых ошибок (BER), величина вектора ошибки (EVM) и коэффициент ошибок модуляции (MER). Верифицированная модель может служить основой для исследования более сложных сценариев (многолучевое распространение, фазовый шум, нелинейные искажения) в рамках подготовки дипломной работы.

1. Описание имитационной модели

Разработанная модель реализована в виде набора скриптов и функций MATLAB (R2025a). Общая структурная схема приведена на рис. 1.

Рисуноок 1. Структурная модель DVB-S2

Модель включает три основных блока: передатчик, канал связи и приёмник.

Передающий тракт

Передающий тракт начинается с генератора случайных бит, который формирует информационную последовательность длиной 32400 бит, что соответствует нормальному кадру DVB‑S2 для скорости кодирования 1/2. Далее эти биты поступают на LDPC‑кодер, который использует матрицу проверки на чётность. Кодирование выполняется с помощью встроенной функции ldpcEncode, в результате чего длина кодового слова увеличивается до 64800 бит. Для устранения длинных серий одинаковых бит и обеспечения равномерного спектра сигнала предусмотрен опциональный скремблер на основе объекта comm.Scrambler с полиномом [1 0 0 0 0 0 1] и начальным состоянием [0 0 0 0 0 1]. Завершает передающий тракт QPSK‑модулятор, который преобразует биты в комплексные символы; при этом используется фазовый сдвиг π/4 и битовый режим входа. В результате формируется последовательность комплексных отсчётов, готовая для передачи через моделируемый канал связи.

Модель канала

В текущей реализации используется аддитивный белый гауссов шум (AWGN). Отношение сигнал/шум задаётся на уровне символов (SNR) и пересчитывается из требуемого значения Eb/N0 по формуле (1):

        ,                         (1)

где R = 0.5 – скорость кода; 

m = 2 – число бит на символ для QPSK.

Добавление шума выполняется функцией awgn (..., 'measured').

Приёмный тракт

Приёмный тракт выполняет обратные преобразования для восстановления исходной информации из искажённого сигнала. Сначала принятый сигнал обрабатывается демодулятором, реализующим мягкие решения (LLR). Для QPSK разработана специальная функция, которая для каждого комплексного символа вычисляет расстояния до четырёх точек созвездия с серым кодированием и по ним формирует логарифмы отношения правдоподобия для двух битов. Полученные LLR поступают на LDPC‑декодер (ldpcDecode), который выполняет итеративное декодирование по алгоритму распространения доверия с максимальным числом итераций 50. Если в передатчике использовался скремблер, то на выходе декодера применяется дескремблер (comm.Descrambler), восстанавливающий исходную битовую последовательность. На заключительном этапе анализируется качество приёма: рассчитывается битовая вероятность ошибки (BER) с помощью функции biterr, а также метрики EVM и MER.

EVM определяется как среднеквадратичное отклонение принятых символов от идеальных точек созвездия, нормированное на среднюю мощность, а MER вычисляется по формуле (2).

                                               ,                            (2)

Таким образом, эти расчёты позволяют количественно оценить помехоустойчивость системы при заданных условиях канала.

2. Методика эксперимента

Для верификации модели был проведён эксперимент при SNR = 10 дБ. Параметры моделирования:

– модуляция: QPSK;

– скорость LDPC‑кода: ½;

– длина информационного блока: 32400 бит;

– максимальное число итераций LDPC: 50;

– количество переданных кадров: 1 (для предварительной проверки; в дальнейшем планируется накопление статистики до 100 ошибок).

Контрольные метрики: BER, EVM (%), MER (дБ). Дополнительно построены созвездия переданного и принятого сигналов, гистограмма LLR и карта ошибок.

Для оценки энергетического выигрыша от кодирования использованы теоретические кривые BER для некодированной QPSK и известные пороговые значения DVB‑S2 для LDPC R=1/2 (согласно спецификации ETSI EN 302 307, требуемое Eb/N0​ для BER = 10^-5 составляет около 1.5 дБ).

3. Результаты моделирования и их обсуждение

Базовый эксперимент (SNR = 10 дБ)

В ходе выполнения скрипта получены следующие результаты:

– BER = 0 (0 ошибок на 32400 переданных бит);

– EVM = 31.5%;

– MER = 10.03 дБ.

Рисунок 2. Принятое созвездие

Созвездие принятого сигнала на рис. 2. показывает размытие точек вокруг идеальных позиций, характерное для AWGN при SNR = 10 дБ, однако все символы остаются в пределах своих решающих областей, что объясняет нулевую битовую ошибку.

Рисунок 3. Гистограмма LLR

Таким образом, гистограмма LLR на рис. 3 имеет два пика, соответствующих битам с высокой достоверностью, что свидетельствует о корректной работе демодулятора мягких решений.

Сравнение с теоретическими кривыми

Согласно спецификации [3], для достижения BER = 10−5 кодированной системе достаточно Eb/N0≈1.5 дБ, тогда как некодированной QPSK требуется около 9.6 дБ. Таким образом, энергетический выигрыш составляет ~8.1 дБ.

Рисунок 4. Зависимость BER от SNR

На рис. 4 представлены теоретические зависимости BER от Eb/N0 для некодированной QPSK и для системы DVB‑S2 с LDPC (R=1/2).

Проведённый эксперимент при:

SNR = 10 дБ соответствует Eb/N0=10 дБ (поскольку для QPSK и R=1/2 поправка равна 0 дБ). При таком значении теоретический BER для кодированной системы должен быть исчезающе малым (<10−7), что согласуется с полученным BER = 0.

Оценка EVM и MER

Значения EVM = 31.5% и MER = 10.03 дБ соответствуют качеству сигнала, при котором ещё возможно безошибочное декодирование для QPSK. Для спутниковых систем связи обычно требуются MER не менее 6–8 дБ для QPSK [4]; полученный запас (около 2 дБ) подтверждает надёжность работы модели.

Заключение

Разработана и верифицирована имитационная модель радиоприёмного тракта DVB‑S2 (QPSK, LDPC R=1/2, AWGN) в среде MATLAB. Экспериментально подтверждено, что при SNR = 10 дБ система обеспечивает нулевую вероятность битовой ошибки, а значения EVM и MER соответствуют ожидаемому качеству канала. Сопоставление с теоретическими кривыми показало, что модель воспроизводит энергетический выигрыш LDPC‑кодирования около 8 дБ.

Практическая значимость работы заключается в создании базового инструмента для исследования влияния реальных факторов спутникового канала (многолучевое распространение, фазовый шум, нелинейные искажения усилителей) на помехоустойчивость DVB‑S2. На основе представленной модели возможна дальнейшая оптимизация параметров приёмного тракта (выбор скорости кода, схемы модуляции, алгоритмов синхронизации).

Область дальнейших исследований будет проводиться по следующим направлениям:

– реализация моделей каналов с замираниями (Rayleigh, Rician);

– учёт фазового шума и частотного сдвига;

– нелинейная модель усилителя мощности (Rapp);

– расширение на модуляции 8PSK и 16APSK;

– автоматизированный sweep по Eb/N0​ для построения полной кривой BER.

Список литературы:

1. ETSI EN 302 307-1 V1.4.1 (2014-11). Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB‑S2).
2. MATLAB Communications Toolbox User’s Guide. The MathWorks, Inc., Natick, MA, 2024.
3. Morello A., Mignone V. DVB‑S2: The second generation standard for satellite broad‑band services / A. Morello, V. Mignone // Proceedings of the IEEE, 2006, vol. 94, no. 1, pp. 210–227.
4. Shirlen S. MER: A new way to measure digital signal quality / S. Shirlen // Broadcast Engineering, 2003.