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dvb-s2x接收机关键技术研究

DVB-S2X接收机关键技术研究

作者：蒋舒娜西安电子科技大学

学位级别：硕士

卫星数字电视广播系统在超高清视频等传输需求的推动下正朝着大容量、高频谱效率的方向发展。新一代卫星数字电视广播标准dvb-s2x应运而生,新的物理层技术使得dvb-s2x接收机面临极大的设计挑战。强噪声、大频偏、相位噪声、非线性失真... 详细信息

卫星数字电视广播系统在超高清视频等传输需求的推动下正朝着大容量、高频谱效率的方向发展。新一代卫星数字电视广播标准dvb-s2x应运而生,新的物理层技术使得dvb-s2x接收机面临极大的设计挑战。强噪声、大频偏、相位噪声、非线性失真等因素均增加了接收机正确解调的难度;另外,标准支持的可变帧头格式、多种调制方式也对接收机实现提出了更高要求。本文针对适用于dvb-s2x系统抗强噪声和大频偏的通用帧同步、适应多调制方式的大纠偏范围载波恢复以及适用于高阶APsK的低复杂度软解映射等关键技术展开研究,主要研究成果如下:其一,研究卫星信道下抗强噪声和大频偏的可靠帧同步技术。首先,分析已报道的适用于dvb-s2系统的帧同步算法,通过复杂度和适用范围分析,得出其优缺点;其次,在传统后验累加帧同步算法基础上,提出了一种改进帧同步算法。所提算法避免非相干相关值的干扰项参与生成帧判决变量,并利用相关值的相位信息实现能量归一化,既提高了检测的可靠性,又解决了采用门限判决法时门限值设置依赖信道环境的问题。仿真表明,所提算法不仅在实现复杂度和性能上取得了一个良好的折中,同时解决了其对信道环境敏感的问题。最后,基于该改进算法提出一种适用于dvb-s2x系统可变帧头格式的帧同步实现方案,并基于卫星信道环境仿真验证其有效性。其二,研究卫星信道下适应多种调制方式的大纠偏范围载波恢复技术。研究分析几种典型频率估计器在估计范围、估计精度、实现复杂度等方面的性能表现,进而提出一种适用于dvb-s2x系统多调制方式的数据辅助载波恢复方案,将载波恢复过程分为频率粗恢复、频率细恢复及相位恢复三个过程,并通过理论推导确定频率粗/细恢复需要达到的性能指标。基于卫星信道环境的仿真表明该方案具有纠偏范围大、收敛速度快及适应多种调制方式等优点。其三,研究低复杂度的高阶APsK软解映射技术。分析已有APsK解映射算法复杂度和适用范围等,并在基于查找表的解映射算法基础上,提出一种通用APsK软解映射算法,该算法通过扩大分区及结合硬判决域的方式进一步减少硬件资源的使用。针对现有软解映射技术应用于非规则APsK时存在实现复杂度高及需要估计信噪比等问题,提出一种适用于非规则APsK的软解映射算法。仿真结果表明,结合硬判决域基于查找表的APsK软解映射算法在提供近最优性能的同时进一步缩减各类硬件资源的使用数量;适用于非规则APsK的软解映射算法性能上虽稍有损失,但实现复杂度从O(2)降至O(m),对资源受限的接收机实现具有重要指导意义。

关键词： dvb-s2x 帧同步载波恢复软解映射

一种dvb-s2x标准16APsK软解调优化算法

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中国科学院大学学报（中英文） 2021年第5期38卷 660-665页

作者：张厦姜泉江梁广余金培中国科学院微小卫星创新研究院上海201203 中国科学院大学北京100049

dvb-s2x标准在dvb-s2标准的基础上增加多种高阶APsK(amplitude phase shift keying)调制方式,其中16APsK调制增加8+8APsK星座图。主要分析16APsK星座图的特点,并提出一种新的软解调优化算法。该算法与LLR算法和Max-log-MAP算法相比,计... 详细信息

dvb-s2x标准在dvb-s2标准的基础上增加多种高阶APsK(amplitude phase shift keying)调制方式,其中16APsK调制增加8+8APsK星座图。主要分析16APsK星座图的特点,并提出一种新的软解调优化算法。该算法与LLR算法和Max-log-MAP算法相比,计算复杂度显著降低。仿真结果表明,优化算法性能损失小,在工程应用中具有较好的实用性。

关键词： dvb-s2x 8+8APsK LDPC 软解调

兼容dvb-s2x标准的全速率高速LDPC译码器设计与FPGA实现

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兼容DVB-S2X标准的全速率高速LDPC译码器设计与FPGA实现

作者：安宁西安电子科技大学

学位级别：硕士

2014年,欧洲数字电视广播组织正式发布了第二代数字电视广播卫星标准（Digital Video Broadcasting-satellite second Generation,dvb-s2）的扩展标准dvb-s2x（Digital Video Broadcasting-satellite second Generation Extension）。dvb-s2x比dvb-s2有着更高的频谱效率、更大的接入速率并能够提供更加丰富的服务。因为dvb-s2中BCH+LDPC（Low Density Parity Check,低密度奇偶校验）级联码性能优越,dvb-s2x依旧采用了该前向纠错方案,但是在dvb-s2中原有的LDPC码基础上增加了种类更多的LDPC码。结合更为高阶的APsK（Amplitude Phase shift Keying,幅度相移键控）调制方式——最高可达256APsK,dvb-s2x中的编码调制类型更加丰富,适合在不同的应用场景下提供最佳服务。dvb-s2x相对于dvb-s2在最高传输效率方面提升了50%,这就要求LDPC译码器支持更大的吞吐量。本文提出了一种新型结构的LDPC译码器,在不增加译码器并行度的基础上,以较小的硬件消耗,使得吞吐量相对于原来的译码器提高了一倍左右,而且设计的LDPC译码器不仅支持dvb-s2x标准,还兼容dvb-s2、dvb-T2、dvb-C2中所有的码长和码率,具有一定的通用性。论文的主要工作包括:首先,论文分析了dvb-s2x标准中的LDPC码以及M-APsK调制,通过对比对数域置信传播算法、归一化最小和算法等LDPC译码算法和APsK软解映射算法的性能和复杂度,确定了适合dvb-s2x标准的LDPC译码算法——归一化最小和算法和APsK软解映射算法——MAx-LOG-MAP算法在实现复杂度和性能方面可以取得很好的折中。其次,根据dvb-s2x中LDPC码校验矩阵的特点,重点设计并基于FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）实现了一种部分并行结构的兼容多标准的高吞吐量LDPC译码器,其新颖之处在于:（1）设计了一种新型的译码器结构,在只增加一个桶形移位模块和部分存储器资源的情况下,避免了校验节点更新和变量节点更新的时间冲突,译码过程中一次迭代所需的时间为原结构的一半,从而使得译码器的吞吐量提高了一倍左右;（2）进一步的,论文通过对译码器中资源消耗较多的桶形移位模块进行优化设计,采用分级流水处理的方式,避免了该模块成为译码器的速度瓶颈,使得译码器最高综合时钟可达297.3 MHz,在译码迭代次数30次时,部分码率最高吞吐量依然可以达到1 Gbps;（3）通过共用译码器的参数控制模块,实现了多标准的全兼容。最后,基于VHDL语言对LDPC译码器进行了硬件FPGA实现,并使用Modelsim、IsE软件完成了代码仿真与综合,基于VC707已经完成的57种LDPC码的下载测试结果表明,设计的LDPC译码器可以完全支持dvb-s2、dvb-T2、dvb-C2、dvb-s2x标准。

关键词： dvb-s2x LDPC 归一化最小和算法 APsK 吞吐量 FPGA

并行dvb-s2x调制器关键技术研究及FPGA实现

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并行DVB-S2X调制器关键技术研究及FPGA实现

作者：郭子梁西安电子科技大学

学位级别：硕士

第二代数字卫星广播标准(Digital Video Broadcasting satellite second Generation,dvb-s2)和第二代数字卫星广播拓展标准(Digital Video Broadcasting satellite second Generation Extensions,dvb-s2x)广泛应用于现代生活当中。一方面,世界上越来越多的国家普及了4K、8K超高清电视;另一方面,许多商业公司制作出了具有良好性能的卫星调制解调产品。本文研究了近年来调制系统中一些关键技术的发展现状,对比了国内和国外商用调制解调产品的性能,发现国内调制解调产品性能相比国外仍然存在巨大差距,包括符号率低、调制阶数低以及不支持自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)功能。本文基于该现状,设计并实现了一种高符号率、高调制阶数、支持ACM功能的并行dvb-s2x调制器,主要工作如下:第一,由于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)可以稳定提供的时钟速率有限,要实现高符号率指标,需要采用并行设计方法。本文对调制器系统中各个模块进行了并行化设计,调制器输出采用四路符号并行,每个时钟输出四个物理层帧符号,提高了整个调制器系统速率,低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)编码后的系统吞吐率最高可以达到6.193Gbps,组帧后的符号率最高可以达到800Msps;为了解决国内调制解调产品普遍不支持高阶调制方式的问题,本文设计的并行调制器除了支持dvb-s2标准的所有调制方式外,还支持64幅度相移键控(Amplitude and Phase shift Keying,APsK)和256APsK两种高阶调制方式,有效提高系统频谱效率,最高频谱效率可达8bit/s/Hz;为了解决国内调制解调产品普遍不支持ACM功能的问题,本文设计的并行调制器在不同调制信息数据到来时会采用不同的数据处理方式,对不同帧长、码率和调制方式的数据进行自适应。第二,为了验证设计的正确性,本文对并行调制器系统进行功能仿真和软件测试。首先,对系统进行功能仿真验证模块功能正确性;然后,使用MATLAB和Vivado仿真平台验证输出数据和ACM功能正确性;最后,使用高通量卫星(High-Throughput satellite,HTs)系统硬件测试平台对调制器进行下载测试,测试结果表明:本文实现的并行调制器支持的最高符号率可以达到800Msps;发射信号有清晰的星座点以及较好的误差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM),说明并行调制器具有较好的调制性能。

关键词： dvb-s2x 并行调制器 ACM FPGA

面向dvb-s2x标准的多模式帧同步技术与FPGA实现

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面向DVB-S2X标准的多模式帧同步技术与FPGA实现

作者：梁鑫飞西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,卫星通信技术朝着高通量、终端小型化和移动化方向快速发展,新一代dvb-s2x标准因具有带宽利用率高、信道频带宽、传输信息量大和传输能力强等优势而得到广泛关注。dvb-s2x标准能支持多种调制编码方式、甚低信噪比模式和超帧模式... 详细信息

近年来,卫星通信技术朝着高通量、终端小型化和移动化方向快速发展,新一代dvb-s2x标准因具有带宽利用率高、信道频带宽、传输信息量大和传输能力强等优势而得到广泛关注。dvb-s2x标准能支持多种调制编码方式、甚低信噪比模式和超帧模式,从而可以满足高通量卫星和小型移动终端的传输需求。对于不同应用场景,dvb-s2x标准定义了支持连续系统的标准帧结构和支持突发系统的超帧结构,针对这两种不同结构,本文研究适用于连续系统和突发系统的帧同步算法及其FPGA设计与实现,主要研究内容如下:其一,研究适用于dvb-s2x连续系统的帧同步技术。首先将现有算法分为利用固定序列的帧同步算法和利用dvb-s2x标准帧整个帧头可变序列的帧同步算法,并分析算法实现原理和优缺点,然后在整个帧头序列的基础上,提出了两种改进算法。所提算法一是通过优化能量校正项,可以改善相关峰值波动较大的缺点,提高检测性能,所提算法二是加权帧同步算法,可以在系统频偏较小的情况下获得更好的性能。仿真结果表明,所提算法在相同信道环境下能够以较低的实现复杂度获得更好的检测性能。面向高通量卫星通信系统,本文采用基于整个帧头的加权检测算法,设计并行帧同步硬件实现方案,详细介绍各模块实现原理,并采用动态门限结合多峰值判决的峰值检测方法,可以有效提高算法的检测概率。其二,研究突发系统帧同步算法。根据是否利用同步序列,本文分别从数据辅助的帧同步算法和非数据辅助的帧同步算法展开介绍,然后在差分相关算法的基础上提出一种加权差分相关检测算法。该算法充分利用硬判决复杂度低的特性,可以在原有相关算法的基础上,进一步提高相关峰值。仿真结果表明:所提算法在同步序列长度不同的情况下,均可以有效提升算法检测性能。基于加权差分相关的方式,本文设计并完成一种可配置的帧同步硬件实现方案,可以根据系统参数,配置同步序列长度(16～1024)和内容,使帧同步模块具有一定的通用性。同步序列长度不同,所占资源也不同,实现最小化资源占用率。综合分析表明,该模块最高可支持系统时钟频率为200MHz。

关键词： dvb-s2x 帧同步甚低信噪比超帧 FPGA

兼容dvb-s2x标准的全码率BCH编译码器设计与FPGA实现

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兼容DVB-S2X标准的全码率BCH编译码器设计与FPGA实现

作者：杨翠西安电子科技大学

学位级别：硕士

欧洲电信标准化协会（ETsI）于2014年正式发布了欧洲数字电视卫星广播第二代标准的扩展标准（Digital Video Broadcasting satellite-2nd Generation Extension,dvb-s2x）。dvb-s2x比dvb-s2（Digital Video Broadcasting satellite-2nd Generation）有着更高的频谱效率、更大的接入速率并能够提供更加丰富的服务。因为dvb-s2中BCH（Bose Chaudhuri Hocquenghem）+LDPC（Low Density Parity Check）级联码性能优越,dvb-s2x依旧采用了该前向纠错方案,但增加了更多的编码调制方式,在编码方面不仅增加了32400的码长,还增加了许多新的码率。dvb-s2x在兼容dvb-s2中21种码率的基础上又增加了31种新的BCH码率,提高灵活性的同时也增加了编译码器的实现复杂度。考虑到多模芯片的发展趋势,本文设计了一种兼容dvb-T2/C2/s2/s2x标准的可配置BCH编码器与译码器,主要工作包括:首先,论文介绍了BCH码的理论基础以及BCH码的编译码原理,然后着重分析了BCH译码算法,包括硬判决译码算法和软判决译码算法。硬判决译码算法主要研究了基于BM（Berlekamp-Massey）迭代的译码算法以及其改进的迭代译码算法;软判决译码算法主要研究了Chase译码算法和一种基于最不可靠位置（Least Reliability Position,LRP）的软判决译码算法,并在这两种译码算法的基础上提出了一种改进的软判决译码算法,改进的算法在译码性能和实现复杂度取得折中,可以在只增加一个错误位置估计模块的基础上使译码性能比硬判决译码增加0.2~0.4dB的编码增益。其次,就我们所知,首次设计了一种可配置的BCH编码器和译码器,设计兼容dvb-T2/C2/s2/s2x多标准中全部BCH码率,并具有以下特点:（1）设计可配置串行BCH编码器,支持上述多标准中全部BCH码率,最高综合时钟可达497.07MHz;（2）设计BCH译码器基本运算电路——有限域乘法器,将通用乘法器分两步进行,加快了处理速度,并将不同有限域上的乘法器进行重构,节约了硬件资源;（3）采用流水方式实现,三个主要的计算模块伴随式计算、求解关键方程和钱搜索之间采用流水的方式进行传递;（4）伴随式计算模块和Chien搜索模块分别设计了串行和并行处理,并对并行伴随式计算进行优化,使得8倍并行计算的硬件资源只是串行计算的两倍;（5）求解关键方程模块采用siBM迭代算法,并将每次迭代过程中的三个乘法运算分步进行,复用乘法器,使乘法器个数降到原来的1/3,节约了硬件资源;（6）所设计译码器最高综合时钟达328.715MHz,采用可配置设计,支持全部码率。最后,基于VHDL语言对BCH编译码器进行了FPGA硬件实现,使用Modelsim、IsE软件完成了代码仿真与综合,并在xilinx Virtex-7 xC7Vx485T FPGA芯片上进行下载测试,测试结果表明BCH码能够有效降低LDPC码的错误平层,使误比特率有效下降到1010-以下,达到级联码的纠错效果,且设计的BCH编译码器可以完全支持dvb-T2、dvb-C2、dvb-s2、dvb-s2x标准。

关键词： dvb-s2x BCH siBM算法软判决译码 FPGA

面向dvb-s2x接收机系统的同步技术研究

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面向DVB-S2X接收机系统的同步技术研究

作者：张旭朋郑州大学

学位级别：硕士

随着卫星通信业务需求的不断增加,数字卫星电视广播系统正朝着高频谱利用率,高传输速率等方向发展。dvb-s2x(Digital Video Broadcasting-satellite-second Generation Extensions)标准作为最新一代的数字卫星广播标准,具有更强的数据... 详细信息

随着卫星通信业务需求的不断增加,数字卫星电视广播系统正朝着高频谱利用率,高传输速率等方向发展。dvb-s2x(Digital Video Broadcasting-satellite-second Generation Extensions)标准作为最新一代的数字卫星广播标准,具有更强的数据纠错能力,更高的频谱利用效率以及更高的灵活性,自问世以来就受到国际社会的广泛关注。由于国内市场起步较晚,在此领域的竞争力略有不足,dvb-s2x系统接收机相关技术依然存在较多问题。本文针对dvb-s2x系统接收机同步技术展开研究,具体研究内容和成果如下:针对dvb-s2x系统如何在大频偏和强噪声信道环境下实现可靠帧同步问题,本文提出一种适用于dvb-s2x系统的帧同步算法。该算法使用能量归一化处理,解决了接收信号能量影响帧同步检测判决阈值的问题。仿真结果表明,在大频偏和低信噪比情况下,该算法具有较好的帧同步检测能力,计算复杂度略有增加。针对dvb-s2x系统中多调制方式下的抗大频偏和强噪声的前向载波恢复问题,本文提出一种改进的载波参数估计解耦合算法。该算法通过得到的解耦合因子实现对频偏和相偏的并行估计,同时通过去相位折叠模块解决了信号相位模糊对参数估计带来估计误差的问题。仿真结果表明,提出的解耦合算法适用于不同类型的调制方式,在大频偏和强噪声环境中性能良好。对比同类算法,本文算法的相偏估计具有更强的抗频偏能力,频偏估计具有更大的频偏估计范围。针对 dvb-s2x 系统高阶 APsK(Amplitude Phase shift Keying)信号锁相载波恢复问题,本文首先提出一种适用于高阶APsK调制的锁相载波同步算法。该算法通过对高阶APsK信号进行星座降阶,简化了鉴相误差提取过程,大幅降低了计算复杂度。然后本文联合帧同步算法、前向解耦合载波参数估计算法和锁相载波同步算法设计出了 dvb-s2x系统接收机整体同步结构流程。最后仿真结果表明,针对不同APsK信号,本文锁相载波同步算法能有效对信号频偏进行准确跟踪。

关键词： dvb-s2x 帧同步载波同步锁相环参数估计

基于dvb-s2x的无人机高通量数传关键技术研究

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基于DVB-S2X的无人机高通量数传关键技术研究

作者：曹述强国防科技大学

学位级别：硕士

无人机集群是小型无人机应用和发展的重要方向。由数量众多的小型无人机协同组网、互相配合,形成的整体效能高的无人机蜂群,可以依托数量优势完成对敌侦察、空中突防等任务。在执行侦察等任务中,无人机蜂群获取高清图像信息并传回指挥中... 详细信息

无人机集群是小型无人机应用和发展的重要方向。由数量众多的小型无人机协同组网、互相配合,形成的整体效能高的无人机蜂群,可以依托数量优势完成对敌侦察、空中突防等任务。在执行侦察等任务中,无人机蜂群获取高清图像信息并传回指挥中心,对数据传输链路提出较高的要求,高通量数据传输技术成为亟待解决的问题。本文提出借鉴dvb-s2x标准,在无人机蜂群中实现低代价高通量的数据发送和接收系统,解决高通量数据传输问题。围绕这一研究目标,本文解决的关键技术问题包括:***-s2x数据发送端原理及实现。本文研究了dvb-s2x系统框架,分析高效编码及高阶调制原理。用生成多项式构造出BCH码,根据稀疏校验矩阵推导出LDPC编码,并对星座映射原理、成型滤波及正交调制进行详细研究,将dvb-s2x标准的关键技术转化成在工程上可实现的算法。***-s2x信号解调译码技术。在数据接收端,本文设计了dvb-s2x接收系统,重点分析BCH和LDPC校验纠错原理,推导出用LLR BP算法对LDPC进行译码的过程,演算BM迭代译码算法实现BCH译码的过程。基于目前的LLR软判决方法,提出适用于所有星座图的的解映射算法。***-s2x高通量数据传输系统性能分析。试验结果表明:相同的信道条件下,同一调制方式在不同码率时,传输误码率相近,而越低阶的调制方式,误码率越低。编译码器的码率越低,纠错能力越强;码率越高,纠错能力越弱。交织技术可以提高传输系统的纠错能力,在受到突发干扰的情况下降低误码率。

关键词： dvb-s2x 高通量数传 BCH+LDPC 解调技术

面向宽带dvb-s2x调制器的预失真算法研究

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面向宽带DVB-S2X调制器的预失真算法研究

作者：赵文元西安电子科技大学

学位级别：硕士

卫星通信在日益增长的网络、业务、高速数据传输的需求下不断朝大带宽、高频谱效率的方向发展。新一代数字电视广播标准dvb-s2x的提出,给卫星通信系统带来了更多的挑战。卫星信道中的行波管放大器(Traveling-Wave Tube Amplifier,TWTA)... 详细信息

卫星通信在日益增长的网络、业务、高速数据传输的需求下不断朝大带宽、高频谱效率的方向发展。新一代数字电视广播标准dvb-s2x的提出,给卫星通信系统带来了更多的挑战。卫星信道中的行波管放大器(Traveling-Wave Tube Amplifier,TWTA)产生了强非线性和记忆效应,dvb-s2x系统在发射机的预补偿和接收机处的后补偿可以使系统的非线性失真得到更好的恢复。本文针对dvb-s2x卫星系统中的TWTA非线性失真,主要集中精力研究发射机侧的数字预失真技术。根据其应用场景,主要针对单载波场景及多载波场景进行预失真算法研究,本文的研究成果如下:(1)研究dvb-s2x系统中的TWTA特性,并探索链路功率回退的评估方案。首先对标准中给出的TWTA特性曲线进行拟合,给出适用于dvb-s2x系统的非线性特性函数;其次,对非线性信道中的失真成分展开分析,并在相关文献的基础上对非线性信道的噪声方差进行计算;最后,综合所量化的非线性失真,提出了非线性失真条件下的功率回退半仿真评估方案,通过对系统误比特率(Bit Error Ratio,BER)的仿真,验证了其正确性。该评估方案展现了比传统的计算链路总回退方法更小的时间复杂度,可广泛用于预失真算法补偿性能的评估。(2)研究dvb-s2x系统单载波场景中的预失真算法。首先对预失真算法的评价指标展开叙述,并列举了几种关键指标用于后文算法性能评估;其次,介绍了比较主流的学习结构和预失真收敛算法;然后对已有的dvb-s2标准中的静态预失真和动态预失真算法进行仿真,并将其扩展到dvb-s2x系统;最后,针对以上算法的资源占用率和性能提升上的不足,本文设计了一种基于记忆多项式模型的间接递归最小二乘(Recursive Least squares,RLs)预失真算法。仿真对比后,该算法对比已有预失真算法在资源占用率和性能中都取得了较好的优化效果。(3)研究dvb-s2x系统多载波场景中的预失真算法。首先对多载波系统进行建模,分析了卫星转发器的输入输出成分,得到三阶交调项的表达式;然后实现了基于记忆多项式模型的直接结构预失真方法,分别包括独立预失真和联合预失真;仿真结果表明了直接结构预失真的性能优于间接结构的性能,而联合预失真器虽有更高的实现复杂度,但其性能优于独立预失真器。本文实现的多载波预失真技术将在dvb-s2x系统中有重要的指导意义。

关键词： dvb-s2x 数字预失真单载波多载波链路性能总回退