Improved Multiplierless Architecture for Header Detection in DVB-S2 Standard

International audienceOne of the first processing steps in a DVB-S2 signal receiver is the detection of frame's header. Recently, an architecture using only the phase information of the received samples was proposed. In this paper several optimization in algo-rithm/architecture are proposed, leading to better performance and reduced hardware complexity. For an SNR of-3 dB, the probability of miss detection of the header detector is reduced from 0.7 down to 0.52 for a constant false alarm probability of 10 −6

Метод розпізнавання сигналів стандартів DVB-S2 та DVB-S2X на основі ефективного декодування поля PLHEADER

The number of electronic devices is constantly increasing. This results in strict requirements for noise protection and sensitivity of new communication devices. Currently, there is a wide range of methods used to implement communication devices with a high level of noise protection based on algorithms for efficient demodulation and decoding. One of the main parts of the process of receiving a digital signal is to determine which signal is coming to the input of the receiver. This process is reduced to scanning frequencies and detecting signal parameters and is an important component of digital radio communication systems. Signal detection provides further correct processing and interpretation of the received information. The article considers the signals transmitted according to the DVB-S2 standard and its extended DVB-S2X revision. Both versions of the standard have almost the same structure at the physical layer. The similarity of the physical layer signals leads, for example, to the fact that if the frequency setting is incorrect, the DVB-S2 receiver can receive a signal of the DVB-S2X standard. In this case, it is not possible to ensure proper processing of the transmitted information. The development of an effective method for detecting the revision and decoding of service information of the physical layer of the DVB-S2/S2X standard solves this problem and expands the possibilities of designing new digital electronics and communication systems with high noise resistance. This paper presents a detector that allows you to determine to which revision the transmitted signal belongs and to determine the parameters of the frame. The detector consists of frame synchronization system, the demodulator and the PLSCODE field decoder. The formulas for calculating the bits of the PLSCODE field and decoding the service information for the DVB-S2 and DVB-S2X broadband notification standards, respectively, are proposed. The software model of the described method is developed. Experimental calculations of the ROC curve and the miss detection probability of the signal-to-noise ratio were performed. The obtained simulation results show the effectiveness of the proposed detection method even at negative signal-to-noise ratios.Количество радиоэлектронных устройств постоянно увеличивается. Это приводит к жестким требованиям для новых устройств связи по защите от шумов и повышения чувствительности. В настоящее время существует широкий спектр методов, которые используются для реализации устройств связи с высоким уровнем помехоустойчивости на основе алгоритмов эффективной демодуляции и декодирования. Одной из основных частей процесса приема цифрового сигнала является определение того, какой сигнал поступает на вход приемника. Этот процесс сводится к сканированию частот и соответственно к детектированию параметров сигналов и является важной составляющей систем цифровой радиосвязи. Детектирование сигнала обеспечивает дальнейшую правильную обработку и интерпретацию принятой информации. В статье рассмотрены сигналы, которые передаются согласно стандарту DVB-S2 и его расширенной ревизии DVB-S2X. Обе версии стандарта имеют почти одинаковую структуру на физическом уровне. Сходство сигналов физического уровня приводит, например, к тому, что при неверной настройке частоты приемника DVB-S2, может приниматься сигнал стандарта DVB-S2X. В таком случае невозможно обеспечить правильную обработку передаваемой информации. Разработка эффективного метода обнаружения ревизии и декодирования служебной информации физического уровня стандарта DVB-S2/S2X решает данную проблему и расширяет возможности проектирования новой цифровой электроники и систем связи с высокой устойчивостью к шумам. В данной работе представлен детектор, позволяющий определить, к какой ревизии принадлежит переданный сигнал и определить параметры фрейма. Детектор состоит из систем кадровой синхронизации, демодулятора и декодера поля PLSCODE. Предложены формулы расчета бит поля PLSCODE и декодирование служебной информации соответственно для стандартов широкополосного оповещения DVB-S2 и DVB-S2X. Разработана программная модель описанного метода. Выполнены экспериментальные расчеты ROC кривой и вероятности пропуска от соотношения сигнал/шум. Полученные результаты моделирования показывают эффективность предлагаемого метода детектирования даже при отрицательных соотношениях сигнал/шум.Кількість радіоелектронних пристроїв постійно збільшується. Це призводить до жорстких вимог щодо захищеності від шумів та чутливості нових пристроїв зв’язку. Нині існує широкий спектр методів, які використовуються для реалізації пристроїв зв'язку з високим рівнем завадостійкості на основі алгоритмів ефективної демодуляції та декодування. Однією з основних частин процесу прийому цифрового сигналу є визначення того, який саме сигнал поступає на вхід приймача. Цей процес зводиться до сканування частот і відповідно до детектування параметрів сигналів та є важливою складовою систем цифрового радіозв’язку. Детектування сигналу забезпечує подальшу правильну обробку та інтерпретацію прийнятої інформації. В статті розглянуті сигнали, які передаються згідно стандарту DVB-S2 і його розширеної ревізії DVB-S2X. Обидві версії стандарту мають майже однакову структуру на фізичному рівні. Подібність сигналів фізичного рівня призводить, наприклад, до того, що при невірному налаштуванні частоти, приймачем DVB-S2 може прийматися сигнал стандарту DVB-S2X. В такому випадку неможливо забезпечити правильну обробку переданої інформації. Розробка ефективного методу виявлення ревізії та декодування службової інформації фізичного рівня DVB-S2/S2X стандарту вирішує дану проблему і розширює можливості проектування нової цифрової електроніки та систем зв'язку з високою стійкістю до шумів. В даній роботі представлено детектор, який дозволяє визначити до якої ревізії належить переданий сигнал та визначити параметри фрейму. Детектор складається із систем кадрової синхронізації, демодулятора та декодера поля PLSCODE. Запропоновано формули розрахунку біт поля PLSCODE і декодування службової інформації відповідно для стандартів широкосмугового оповіщення DVB-S2 та DVB-S2X. Розроблено програмну модель описаного методу. Виконано експериментальні розрахунки ROC кривої та ймовірності пропуску від співвідношення сигнал/шум. Отримані результати моделювання показують ефективність запропонованого методу детектування навіть при негативних співвідношеннях сигнал/шум

Modem design for DVB-S2

The Need of providing high quality video transmission services like Direct-To-Home services was becoming a hot topic in the area of wireless communication. This imposes a huge demand in terms of high data rate and high quality of service in satellite video transmission inflicting strict constraints on the power and bandwidth efficiencies of the Physical Layer (PHY-layer) wireless communication systems. Much more extensive research was going on to fulfil these requirements. DVB-S2 standard was one among them. DVB-S2 standard is a 2003 version under the DVB project. In this, channel capacity has been achieved by employing LDPC codes as inner encoder and BCH codes as outer encoder. Which will meet the demands of channel capacity to near shannon limit. The total system of Channel encoder with BCH+LDPC coding, efficent mapping schemes of PSK and APSK, efficient transmission design techniques like Interleaving,Physica Layer Framing and Pulse shaping ,and a robust receiver synchronization block which will gives to hightly reliable communication over a noisy channel. In this thesis, main focus is on the implementation of modulator, demodulator,Channel Encoder and Decoder techniques as independent modules in particular for each transmitter block suitable demodulator block which is identified in the DVB-S2 standard will be designed and verified using the numerous simulations.Throughout the whole thesis wherever possible, all the subblock equations have been optimized and the key equations taken from various standard papers for implementation have been given in more understandable format. By using Berlekamp-Massey algorithm for BCH Decoding and standard BCH Encoding process, the perfomance of BCH codes was analyzed using SNR vs BER graph. For the case of LDPC codes message passing algorithm was used for decoding and standard encoding used , the performance of same is analyzed with SNR vs BER graph. The performance of PSK, APSK modulation schemes are analyzed using SNR vs BER graph simulations with an optimized way of demapping. The Efficient Transmitter Design Techniques listed in the standard i.e Interleaver, Physical Layer Framing and Pulse shaping are analyzed with SNR vs BER graph by taking QPSK mapping scheme. In Receiver Synchronization, each synchronization block have been implemented independently with BPSK/QPSK mapping schemes and analyzed with SNR vs BER performance. Results of all subblocks have been verified using the standard documen

Ефективна демодуляція та ідентифікація сигналів із фазовою маніпуляцією у каналах із несприятливими умовами радіоприймання

Круглик О. С. Ефективна демодуляція та ідентифікація сигналів із фазовою маніпуляцією у каналах із несприятливими умовами радіоприймання. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка» (17 - Електроніка та телекомунікації). Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Розвиток цифрового зв'язку породжує необхідність розробки високошвидкісних, ресурсномістких систем телекомунікаційних систем і більш ефективних методів використання частотного ресурсу. Новітні технології зв’язку із розширенням сфери їх використання одночасно із новими можливостями та перевагами, ускладнюють завдання синхронізації та подальшої обробки даних приймачем. Крім того, в каналах з несприятливими умовами радіоприймання, для яких характерна швидка зміна параметрів сигналу внаслідок часового розсіювання і допплерівського розширення спектра сигналів та невідомими характеристики каналу передачі, виникають ситуації, коли більшість модемів не дозволяють забезпечити якісний прийом сигналу. Тому ключовим завданням на шляху створення нових систем цифрового радіозв’язку є розробка більш ефективних та більш стійких до несприятливих умов приймання методів цифрової синхронізації. При цьому головну роль відіграють системи із використанням фазової маніпуляції сигналу, які є найбільш поширеними та, відповідно, найбільш практично важливими. В дисертаційній роботі розкрито поняття несприятливих умов радіоприймання, які найбільше характерні для приймання сигналу в так званій «третій точці» прийому в завданнях кооперативної ретрансляції та радіомоніторингу. Розглянуто основні технології мультиплексування при передаванні сигналів на фізичному рівні в безпровідному цифровому зв’язку та показано залежність вибору методу синхронізації від схеми мультиплексування, що використовується в конкретній системі зв’язку. Розглянуто спосіб ефективного використання частотного ресурсу за рахунок використання технології Carrier-in-Carrier. Проведено короткий аналіз та опис відомих способів передавання та розділення сигналів із суми за технологією Carrier-in-Carrier. Проведено аналітичний огляд популярних методів ідентифікації та демодуляції сигналів із фазовою маніпуляцією, а також обґрунтовано необхідність досліджень та розробки нових алгоритмів ідентифікації і синхронізації для закриття потреб в сучасних сферах використання безпровідного зв’язку. Запропоновано гібридний метод демодуляції сигналів, який поєднує алгоритми прямого оцінювання параметрів сигналу (feedforward) з подальшою синхронізацією параметрів за схемами зі зворотним зв'язком (feedback). Початкова оцінка зміщення частоти-носія, фази та часової затримки сигналу виконується по відомому пілот-сигналу. Потім отримані оцінки застосовуються для ініціалізації схем зі зворотним зв’язком для миттєвого входу у режим стеження. Проведено розрахунок оптимальних параметрів петлевих фільтрів для підсистем фазо-частотної та часової синхронізації. Виконано порівнювальне моделювання відомих традиційних методів демодуляції та гібридного методу на прикладі сигналів з фазовою маніпуляцією, таких як QPSK, 8PSK, 16APSK та 32APSK. Отримані результати підтверджують, що в умовах швидкої зміни параметрів сигналу гібридний алгоритм забезпечує мінімальне значення бітової похибки в залежності від SNR у порівнянні з традиційними методами, які засновані окремо на схемах синхронізації feedback або feedforward. Запропоноване гібридне поєднання алгоритмів feedback і feedforward дозволило застосовувати алгоритми зі зворотним зв’язком до сигналів з пакетним режимом передавання даних. Розглянутий підхід до синхронізації можна також використовувати для сигналів із іншими видами фазової маніпуляції. Досліджено сучасні алгоритми фреймової синхронізації для стандарту супутникового зв'язку DVB-S2. Робота підсистеми фреймової синхронізації з великими зміщеннями частоти-носія сигналу є основною перевагою різницевих методів обчислення кореляції над класичним розрахунком крос-кореляції. Використання різницевих методів дає можливість відмовитись від початкової оцінки зміщення частоти-носія і пришвидшити реєстрацію модему зв’язку. Запропоновано алгоритм із адаптивним порогом, який засновано на використанні різницевої кореляції сигналів. Особливістю представленого методу є те, що зі зміною рівня вхідного сигналу поріг для прийняття рішення також змінюється адаптивно, що дозволяє відмовитися на даній стадії обробки сигналу від системи автоматичного регулювання потужності. Проведено порівняльне моделювання запропонованого методу фреймової синхронізації із відомими методами, які засновані на обчисленні різницевої кореляції, результати отриманих характеристик ймовірності пропуску від співвідношення сигнал/шум показали перевагу запропонованого алгоритму над відомими методами. Також розглянуті шляхи щодо практичної реалізації даного алгоритму на елементній базі FPGA. Зокрема, був використаний апроксимуючий метод для розрахунку модуля комплексного числа, імплементація якого легко виконується на логічних елементах кристала FPGA без втрати швидкодії алгоритму в цілому. Введено новий підхід до демодуляції сигналів на основі методів корпускулярної фільтрації. Корпускулярна (або багаточасткова, particle) фільтрація є ефективним засобом вирішення нелінійних та негаусівських задач теорії статистичного оцінювання. Основним принципом корпускулярної фільтрації є апроксимація розподілу невідомих параметрів за допомогою дискретного набору корпускул та пов'язаних з ними вагових коефіцієнтів. Сформульовано модель простору станів сигналу спостереження з урахуванням динаміки оновлення параметрів каналу. Проведено порівняльний аналіз із відомими методами демодуляції на прикладі сигналів із фазовою маніпуляцією. Показано, що при достатній кількості корпускул, ефективність демодуляції, а саме забезпечення мінімальної бітової похибки (BER), може бути покращена шляхом застосування методів корпускулярної фільтрації при низьких співвідношеннях сигнал/шум на фоні негаусівського шуму. Розроблено метод детектування версії стандарту DVB-S2/S2X із використанням запропонованих методів синхронізації і декодування службової інформації фізичного рівня. Обидві версії стандарту мають майже однакову структуру на фізичному рівні. Подібність сигналів фізичного рівня призводить, наприклад, до того, що при невірному налаштуванні частоти, приймачем DVB-S2 може прийматися сигнал стандарту DVB-S2X. Детектор складається із систем кадрової синхронізації, демодулятора і декодера поля PLSCODE. Запропоновано формули розрахунку біт поля PLSCODE і декодування службової інформації відповідно для стандартів широкосмугового оповіщення DVB-S2 та DVB-S2X. Представлений детектор дозволяє визначити до якої ревізії належить переданий сигнал та визначити параметри фрейму. Розроблено програмну модель описаного методу. Виконано експериментальні розрахунки ROC кривої та ймовірності пропуску від співвідношення сигнал/шум. Отримані результати моделювання показують високу ефективність запропонованого методу детектування навіть при негативних співвідношеннях сигнал/шум. Також в роботі пропонується метод ідентифікації сигналів, які передаються за технологією Carrier-in-Carrier із використанням QPSK модуляції. Метод базується на розрахунку кумулянтів четвертого порядку для виявлення змін в формі сигнального сузір’я, які характерні для сигналів типу Carrier-in-Carrier. Відповідно до методології робочих характеристик приймача (ROC) знайдено порогове значення для правила прийняття рішень. Встановлено, що запропонований метод забезпечує коректне виявлення суми сигналів QPSK для широкого діапазону співвідношень сигнал/шум, різних амплітуд сигналів із суми, а також для різних смуг пропускання змішаних сигналів. Отримані результати свідчать про високу ефективність запропонованого методу виявлення. Також показана перевага запропонованого методу виявлення перед методом «радіусів».Kruhlyk O. S. Efficient demodulation and identification of signals with phase manipulation in channels with unfavorable radio reception conditions. - Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for Doctor’s of Philosophy degree by specialty 172 "Telecommunications and radio engineering" (17 - Electronics and telecommunications). National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. The development of digital communication creates the need to develop highspeed, resource-intensive telecommunication systems and more efficient methods of using frequency resources. The latest communication technologies with the expansion of the scope of their use at the same time with new opportunities and advantages complicate the tasks of synchronization and further processing of data by the receiver. In addition, in channels with unfavorable radio reception conditions, which are characterized by a rapid change in signal parameters due to time dispersion and Doppler broadening of the signal spectrum and unknown characteristics of the transmission channel, situations arise when most modems do not allow to ensure high-quality signal reception. Therefore, a key task in the way of creating new digital radio communication systems is the development of more efficient and more resistant to unfavorable reception conditions of digital synchronization methods. At the same time, the main role is played by systems using phase manipulation of the signal, which are the most common and, accordingly, the most practically important. The concept of unfavorable radio reception conditions, which are most characteristic for signal reception at the so-called "third point" of reception in the tasks of cooperative relaying and radio monitoring is revealed in the dissertation. The basic technologies of multiplexing during the transmission of signals at the physical level in wireless digital communication are considered and the dependence of the choice of the synchronization method on the multiplexing scheme used in a specific communication system is shown. The method of efficient use of the frequency resource due to the use of "Carrier-in-Carrier" technology is considered. A brief analysis and description of known methods of transmission and separation of sum signals using Carrier-in-Carrier technology is carried out. An analytical review of popular methods of identification and demodulation of signals with phase manipulation was conducted, as well as the need for research and development of new identification and synchronization algorithms to meet the needs of modern areas of wireless communication was substantiated. A hybrid method of signal demodulation is proposed, which combines algorithms for direct estimation of signal parameters (feedforward) with further synchronization of parameters according to schemes with feedback. The initial estimation of the offset of the carrier frequency, phase and time delay of the signal is performed on a known unique word. The obtained estimates are then used to initialize the feedback circuits to instantly enter tracking mode. The optimal parameters of loop filters for phasefrequency and time synchronization subsystems were calculated. A comparative simulation of well-known traditional demodulation methods and the hybrid method is performed on the example of signals with phase manipulation, such as QPSK, 8PSK, 16APSK and 32APSK. The obtained results confirm that in conditions of rapid changes in signal parameters, the hybrid algorithm provides the minimum value of the bit error depending on the SNR in comparison with traditional methods, which are based separately on feedback or feedforward synchronization schemes. The proposed hybrid combination of feedback and feedforward algorithms made it possible to apply feedback algorithms to signals with a packet data transmission mode. The considered approach to synchronization can also be used for signals with other types of phase manipulation. Modern frame synchronization algorithms for the DVB-S2 satellite communication standard have been studied. The operation of the frame synchronization subsystem with large carrier frequency offsets of the signal is the main advantage of the differential correlation calculation methods over the classical cross-correlation calculation. The use of differential methods makes it possible to abandon the initial estimate of the carrier frequency offset and speed up the registration of the communication modem. An algorithm with an adaptive threshold is proposed, which is based on the use of differential signal correlation. A feature of the presented method is that with a change in the level of the input signal, the threshold for making a decision also changes adaptively, which allows to abandon the system of automatic power regulation at this stage of signal processing. Comparative modeling of the proposed method of frame synchronization with known methods based on the calculation of differential correlation was carried out, the results of the obtained characteristics of the probability of omission from the signal/noise ratio showed the advantage of the proposed algorithm over known methods. Ways of practical implementation of this algorithm on the FPGA element base are also considered. In particular, an approximating method was used to calculate the module of a complex number, the implementation of which is easily performed on the logic elements of the FPGA crystal without losing the speed of the algorithm as a whole. A new approach to signal demodulation based on particle filtering methods is introduced. Corpuscular (or multi-particle, particle) filtering is an effective means of solving nonlinear and non-Gaussian problems of the theory of statistical evaluation. The main principle of corpuscular filtering is the approximation of the distribution of unknown parameters using a discrete set of particles and their associated weighting factors. A model of the state space of the observation signal is formulated, taking into account the dynamics of updating channel parameters. A comparative analysis with well-known demodulation methods was carried out on the example of signals with phase manipulation. It is shown that with a sufficient number of corpuscles, the demodulation efficiency, namely ensuring the minimum bit error (BER), can be improved by applying corpuscular filtering methods at low signal-to-noise ratios against a background of non-Gaussian noise. A method of detecting the version of the DVB-S2/S2X standard has been developed using the proposed methods of synchronization and decoding of service information of the physical level. Both versions of the standard have almost the same structure at the physical level. The similarity of the signals of the physical level leads, for example, to the fact that if the frequency is incorrectly set, the DVB-S2 receiver can receive a signal of the DVB-S2X standard. The detector consists of frame synchronization systems, a demodulator and a PLSCODE field decoder. The formulas for calculating the PLSCODE bit field and decoding the service information, respectively, are proposed for the DVB-S2 and DVB-S2X broadband notification standards. The presented detector allows to determine to which revision the transmitted signal belongs and to determine the parameters of the frame. A software model of the described method has been developed. Experimental calculations of the ROC curve and the miss detection probability from the signal/noise ratio were performed. The obtained simulation results show the high efficiency of the proposed detection method even with negative signal to noise ratios. Also, the paper proposes a method of identifying signals that are transmitted using Carrier-to-Carrier technology using QPSK modulation. The method is based on the calculation of fourth-order cumulants to detect changes in the shape of the signal constellation, which are characteristic of Carrier-in-Carrier signals. According to the receiver operating characteristic (ROC) methodology, a threshold value for the decision rule is found. It was established that the proposed method provides correct detection of the sum of QPSK signals for a wide range of signal-to-noise ratios, different amplitudes of signals from the sum, and also for different bandwidths of mixed signals. The obtained results indicate the high efficiency of the proposed detection method. The advantage of the proposed detection method over the "radius" method is also shown

Applications of MATLAB in Science and Engineering

The book consists of 24 chapters illustrating a wide range of areas where MATLAB tools are applied. These areas include mathematics, physics, chemistry and chemical engineering, mechanical engineering, biological (molecular biology) and medical sciences, communication and control systems, digital signal, image and video processing, system modeling and simulation. Many interesting problems have been included throughout the book, and its contents will be beneficial for students and professionals in wide areas of interest

Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications