Εργαστήριο Ενσωματωμένων Επικοινωνιακών Συστημάτων

Πρόγραμμα "ΑΚΜΩΝ"

Έργο "Ανάπτυξη Συστημάτων Αεροπορικών και Δορυφορικών Επικοινωνιών - ΑΣΑΔΕ"

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ	ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ	ΕΥΡΩΠΑΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ

Πειραματικά Αποτελέσματα

Η συνολική εργαστηριακή υποδομή που αποκτήθηκε στο πλαίσιο του έργου ΑΣΑΔΕ αφορά τη μελέτη, σχεδίαση και ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακών συστημάτων με ιδιαίτερη έμφαση στις δορυφορικές και αεροπορικές εφαρμογές. Ο εξοπλισμός επιτρέπει την “φυσική” σύνδεση ενός πομπού με έναν “απομακρυσμένο” δέκτη μέσω ενός καναλιού το οποίο εισάγει διαφόρων τύπων παραμορφώσεις στο μεταδιδόμενο σήμα. Η υλοποίηση αυτή βασίζεται σε εξειδικευμένα τηλεπικοινωνιακά όργανα των οποίων οι λειτουργίες ελέγχονται από αντίστοιχα υπολογιστικά συστήματα. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η βασική εργαστηριακή υποδομή και η διασύνδεση των διαφόρων συσκευών-οργάνων.

Στην πλευρά του πομπού, η εργαστηριακή υποδομή επιτρέπει τη δημιουργία σήματος με τρεις διαφορετικούς τρόπους:

1. Από το σύστημα εκπομπής τεχνολογίας DVB-S2 της εταιρίας Newtec, στο οποίο τα ψηφιακά δεδομένα είτε παράγονται εσωτερικά μέσω μιας ψευδοτυχαίας γεννήτριας (PRBS), είτε λαμβάνονται μέσω εξωτερικής σύνδεσης από μια υπολογιστική μονάδα. Στη συνέχεια τα δεδομένα διαμορφώνονται ανάλογα με τον επιθυμητό τύπο διαμόρφωσης και κωδικοποίησης και ακολούθως μεταφέρονται στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων (IF, 70 MHz) για να μεταδοθούν. Το σύστημα αυτό επιτρέπει τη δημιουργία σήματος αναφοράς DVB-S2.

2. Από ένα υπολογιστικό σύστημα το οποίο με τη χρήση πλατφόρμας Software Radio και λογισμικό που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου, παράγει ζωνοπερατό σήμα DVB-S2 σε ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων IF, εφαρμόζοντας παράλληλα σε αυτό και πηγές θορύβου που χαρακτηρίζουν το δορυφορικό κανάλι, όπως μη-γραμμικότητες, φασικό θόρυβο κ.α.

3. Από ειδική γεννήτρια σημάτων (Vector Signal Generator) η οποία προγραμματίζεται ανάλογα και μπορεί να παράγει σήμα βασικής ζώνης το οποίο μετατοπίζεται στη συχνότητα με τη χρήση ειδικών μικτών. Το σήμα στην έξοδο της γεννήτριας μπορεί να εκτείνεται είτε στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων (IF) είτε στην L-Band.

Σύμφωνα με το σχήμα, η φυσική σύνδεση (κανάλι) μεταξύ πομπού και δέκτη μπορεί να γίνει με τρεις διαφορετικούς τρόπους:

1. Tο αναλογικό σήμα ενδιάμεσης συχνότητας (IF), που λαμβάνεται από ένα εκ των παραπάνω συστημάτων μετάδοσης, συνδέεται απευθείας στην είσοδο της διάταξης του DVB-S2 δέκτη, με χρήση των απαραίτητων εξασθενητών.

2. Tο αναλογικό σήμα ενδιάμεσης συχνότητας (IF), που λαμβάνεται από ένα εκ των παραπάνω συστημάτων μετάδοσης, εισάγεται στην είσοδο ενός μετατροπέα συχνότητας (Up Converter) ο οποίος μεταφέρει το σήμα IF στην περιοχή L-Band (950-2150 MHz). Στη συνέχεια το μετατοπισμένο ως προς τη συχνότητα σήμα διέρχεται από βαθμίδα αθροιστή/συνδυαστή (Combiner) μέσω του οποίου προστίθεται θόρυβος στο εισερχόμενο σήμα. Ο θόρυβος εισάγεται με τη χρήση του οργάνου SMU200A της Rohde & Sschwarz. Κατόπιν, χρησιμοποιείται μια επιπλέον μονάδα μετατροπής συχνότητας (Down Converter) που μεταφέρει το θορυβώδες σήμα στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων (IF), πριν οδηγηθεί στις βαθμίδες επεξεργασίας του DVB-S2 δέκτη. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνεται η ελεγχόμενη εισαγωγή θορύβου στο μεταδιδόμενο σήμα DVB-S2, που δίνει τη δυνατότητα επαλήθευσης και εκτίμησης της απόδοσης του υπό ανάπτυξη δέκτη.

3. Tο αναλογικό σήμα που παράγεται στην έξοδο του οργάνου δημιουργίας σήματος (Vector Signal Generator, των εταιριών Agilent ή Rohde & Sschwarz ) και το οποίο εκτείνεται στην L-Band, εισάγεται στην είσοδο ενός μετατροπέα συχνοτήτων (Down Converter) όπου μεταφέρεται στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων (IF), πριν εισαχθεί στον DVB-S2 δέκτη.

Στην άλλη άκρη της τηλεπικοινωνιακής ζεύξης, ο δέκτης λαμβάνει το σήμα από το κανάλι. Η συνολική διάταξη του δέκτη αναπτύχθηκε σε ειδική πλατφόρμα Software Radio της εταιρίας Sundance, που αποτελείται από μετατροπείς σήματος αναλογικό/ψηφιακό (ADC), κυκλώματα επαναδιαμορφούμενης λογικής (FPGA) και ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων (DSP). Το εισερχόμενο σήμα αρχικά ψηφιοποιείται από το μετατροπέα ΑDC (SMT390) με διακριτότητα 12 bits και συχνότητα δειγματοληψίας μέχρι 210 MSamples/s. Μετά τη βαθμίδα ψηφιοποίησης, οι υπόλοιπες βαθμίδες επεξεργασίας του σήματος υλοποιούνται στα διαθέσιμα κυκλώματα της πλατφόρμας (FPGA-DSP). Ειδικότερα, η υλοποίηση του συστήματος του δέκτη αποτελείται από τις επιμέρους διατάξεις:

• Διάταξη υποβιβασμού συχνότητας στην περιοχή της βασικής ζώνης. Στη διάταξη αυτή περιλαμβάνεται βαθμίδα AGC και ψηφιακού NCO.

• Διάταξη συγχρονισμού, η οποία εκτελεί λειτουργίες αναγνώρισης και εκτίμησης των παραμέτρων συγχρονισμού του εισερχόμενου σήματος DVB-S2.

• Διάταξη αποδιαμορφωτή σήματος QPSK, 8-PSK, 16-APSK, σύμφωνα με τις προδιαγραφές τhς τεχνολογίας DVB-S2.

• Διάταξη αποκωδικοποίησης LDPC και BCH για έλεγχο λαθών (FEC) με βάση τους ρυθμούς κωδικοποίησης που προβλέπει η τεχνολογία DVB-S2.

Παράλληλα με την παραπάνω διάταξη του δέκτη, χρησιμοποιείται και η συσκευή MXA N9020A (VSA – Vector Signal Analyzer) για την ανάλυση του μεταδιδόμενου σήματος. Το σύστημα αυτό μπορεί να εκτελεί βασικές λειτουργίες δεκτών, όπως μέτρηση παραμόρφωσης, συγχρονισμό και τέλος αποδιαμόρφωση με παράλληλη δυνατότητα προβολής όλων των παραπάνω χαρακτηριστικών σε πραγματικό χρόνο (π.χ. διάγραμμα αστερισμού λαμβανόμενων συμβόλων). Το όργανο αυτό μπορεί να αναλύει σε πραγματικό χρόνο σήμα ενδιάμεσης συχνότητας (IF) ή σήμα στην περιοχή L-Band.

Επίσης στο ίδιο επίπεδο γίνεται χρήση και του συστήματος NI (National Instruments) PXI-5660 (RFSA – RF Signal Analyzer) που δίνει τη δυνατότητα ανάλυσης και απεικόνισης του λαμβανόμενου σήματος σε πολλαπλά επίπεδα (χρόνου, συχνότητας, I/Q διαγράμματος αστερισμού-ματιού). Όλες οι λειτουργίες του οργάνου βασίζονται σε εφαρμογές στο περιβάλλον LABVIEW και οι οποίες μπορούν να μεταβληθούν και να προσαρμοστούν στις εκάστοτε ανάγκες της υπό μελέτη διάταξης. Επίσης μέσω του ίδιου περιβάλλοντος δίνεται και η δυνατότητα ανάπτυξης νέων μετρητικών εφαρμογών. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι αυτά που διαφοροποιούν το συγκεκριμένο όργανο μετρήσεων από τη προηγούμενή συσκευή MXA N9020A. Τέλος το σύστημα NI PXI-5660 είναι σε θέση να χειρίζεται σήμα ενδιάμεσης συχνότητας (IF) καθώς και σήμα στην περιοχή L-Band.

Στη συνέχεια παρουσιάζονται επιμέρους πειραματικά αποτελέσματα για τις διαφορετικές τεχνικές μετάδοσης της τεχνολογίας DVB-S2.

DVB-S2 Διαμόρφωση QPSK

Στο video QPSK.avi⁽¹⁾ απεικονίζεται η λειτουργία συγχρονισμού του DVB-S2 δέκτη κατά τη λήψη πλαισίων με διαμόρφωση QPSK κατά την οποία πραγματοποιούνται οι παρακάτω διαδικασίες:

1. Συγχρονισμός συμβόλου για την ακριβή εκτίμηση του ρυθμού μετάδοσης.

2. Συγχρονισμός πλαισίου για την εκτίμηση των ορίων του μεταδιδόμενου πλαισίου.

3. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα πρώτης τάξης (Coarse Carrier Recovery).

4. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα δεύτερης τάξης (Fine Carrier Recovery) για την ανάκτηση του σήματος βασικής ζώνης.

5. Συγχρονισμός φάσης φορέα πρώτης τάξης (Coarse Phase Recovery), για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας στο λαμβανόμενο σήμα.

6. Αυτόματη ρύθμιση κέρδους (Automatic Gain Control) του ανακτηθέντος σήματος για την βέλτιστη μετατροπή των λαμβανομένων συμβόλων στα αντίστοιχα bit πληροφορίας από τον QPSK αποδιαμορφωτή.

7. Συγχρονισμός φάσης φορέα δεύτερης τάξης (Fine Phase Recovery) για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος φάσης φορέα.

Τα σύμβολα που προκύπτουν στο τέλος της παραπάνω διαδικασίας αντιστοιχούν σε αυτά που εισέρχονται στον αποδιαμορφωτή QPSK της επόμενης βαθμίδας επεξεργασίας του δέκτη. Στο video VSA_QPSK.avi⁽¹⁾ παρουσιάζεται η αντίστοιχη διαδικασία στον αναλυτή MXA-VSA.

DVB-S2 Διαμόρφωση 8-PSK

Στο video 8PSK.avi⁽¹⁾ απεικονίζεται η λειτουργία συγχρονισμού του DVB-S2 δέκτη κατά τη λήψη πλαισίων με διαμόρφωση 8PSK κατά την οποία πραγματοποιούνται οι παρακάτω διαδικασίες:

1. Συγχρονισμός συμβόλου για την ακριβή εκτίμηση του ρυθμού μετάδοσης.

2. Συγχρονισμός πλαισίου για την εκτίμηση των ορίων του μεταδιδόμενου πλαισίου.

3. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα πρώτης τάξης (Coarse Carrier Recovery).

4. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα δεύτερης τάξης (Fine Carrier Recovery) για την ανάκτηση του αντίστοιχου σήματος βασικής ζώνης.

5. Συγχρονισμός φάσης φορέα πρώτης τάξης (Coarse Phase Recovery), για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας στο λαμβανόμενο σήμα.

6. Αυτόματη ρύθμιση κέρδους (Automatic Gain Control) του ανακτηθέντος σήματος για την βέλτιστη μετατροπή των λαμβανομένων συμβόλων στα αντίστοιχα bit πληροφορίας από τον 8PSK αποδιαμορφωτή.

7. Συγχρονισμός φάσης φορέα δεύτερης τάξης (Fine Phase Recovery) για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος φάσης φορέα.

Τα σύμβολα που προκύπτουν στο τέλος της παραπάνω διαδικασίας αντιστοιχούν σε αυτά που εισέρχονται στον αποδιαμορφωτή 8PSK της επόμενης βαθμίδας επεξεργασίας του δέκτη. Στο video VSA_8PSK.avi⁽¹⁾ παρουσιάζεται η αντίστοιχη διαδικασία στον αναλυτή MXA-VSA.

DVB-S2 Διαμόρφωση 16APSK

Στο video 16APSK.avi⁽¹⁾ απεικονίζεται η λειτουργία συγχρονισμού του DVB-S2 δέκτη κατά τη λήψη πλαισίων με διαμόρφωση 16APSK και κατά την οποία πραγματοποιούνται οι παρακάτω διαδικασίες:

1. Συγχρονισμός συμβόλου για την ακριβή εκτίμηση του ρυθμού μετάδοσης του πομπού.

2. Συγχρονισμός πλαισίου για την εκτίμηση των ορίων του μεταδιδόμενου πλαισίου.

3. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα πρώτης τάξης (Coarse Carrier Recovery).

4. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα δεύτερης τάξης (Fine Carrier Recovery) για την ακριβή μετατόπιση του φορέα μετάδοσης και την ανάκτηση του αντίστοιχου σήματος βασικής ζώνης.

5. Συγχρονισμός φάσης φορέα πρώτης τάξης (Coarse Phase Recovery), για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας στο λαμβανόμενο σήμα.

6. Αυτόματη ρύθμιση κέρδους (Automatic Gain Control) του ανακτηθέντος σήματος για την βέλτιστη μετατροπή των λαμβανομένων συμβόλων στα αντίστοιχα bit πληροφορίας από τον 16APSK αποδιαμορφωτή.

7. Συγχρονισμός φάσης φορέα δεύτερης τάξης (Fine Phase Recovery) για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος φάσης φορέα.

Τα σύμβολα που προκύπτουν στο τέλος της παραπάνω διαδικασίας αντιστοιχούν σε αυτά που εισέρχονται στον αποδιαμορφωτή 16APSK της επόμενης βαθμίδας επεξεργασίας του δέκτη. Στο video VSA_16APSK.avi⁽¹⁾ παρουσιάζεται η αντίστοιχη διαδικασία στον αναλυτή MXA-VSA.

DVB-S2 Διαμόρφωση QPSK με AGC και CC-CR

Στο video QPSK_AGC.avi⁽¹⁾ απεικονίζεται η λειτουργία αυτόματου ελέγχου του κέρδους του σήματος εισόδου στις διατάξεις του DVB-S2 δέκτη καθώς και της αρχικής ανάκτησης συχνότητας φορέα μαζί αυτή του συγχρονισμού κατά τη λήψη πλαισίων με διαμόρφωση QPSK. Στο video AGC_Newtec_DC.avi⁽¹⁾ απεικονίζεται η αντίστοιχη λειτουργία ελέγχου του κέρδους στον ενισχυτή του Newtec Down-converter. Στη λειτουργία αυτόματου ελέγχου πραγματοποιούνται οι παρακάτω διαδικασίες:

1. Αυτόματος έλεγχος της ισχύος του σήματος εισόδου (Coarse Automatic Gain Control) στο A/D μετατροπέα του δέκτη με ρύθμιση του κέρδους του εξωτερικού μετατροπέα συχνότητας Newtec NTC/2142 Down-Converter μέσω GbE Ethernet διεπαφής.

2. Αρχική ανάκτηση συχνότητας φορέα μετάδοσης (Coarse-Coarse Carrier Recovery).

3. Συγχρονισμός συμβόλου για την ακριβή εκτίμηση του ρυθμού μετάδοσης του πομπού.

4. Συγχρονισμός πλαισίου για την εκτίμηση των ορίων του μεταδιδόμενου πλαισίου.

5. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα πρώτης τάξης (Coarse Carrier Recovery).

6. Συγχρονισμός συχνότητας φορέα δεύτερης τάξης (Fine Carrier Recovery) για την ανάκτηση του αντίστοιχου σήματος βασικής ζώνης.

7. Συγχρονισμός φάσης φορέα πρώτης τάξης (Coarse Phase Recovery), για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος συχνότητας στο λαμβανόμενο σήμα.

8. Αυτόματη ρύθμιση κέρδους (Automatic Gain Control) του ανακτηθέντος σήματος για την βέλτιστη μετατροπή των λαμβανομένων συμβόλων στα αντίστοιχα bit πληροφορίας από τον QPSK αποδιαμορφωτή.

9. Συγχρονισμός φάσης φορέα δεύτερης τάξης (Fine Phase Recovery) για την εξάλειψη του παραμένοντος σφάλματος φάσης φορέα.

(1) Για την αναπαραγωγή των videos χρειάζεται η εγκατάσταση του αποκωδικοποιητή TechSmith Screen Capture Codec, που μπορεί να γίνει με την εκτέλεση του προγράμματος Tscc.exe