Orthogonal Pseudo-Random Sequence Enabled Cognitive and Emergency Communications

With the ever-increasing demands for the broadband mobile communications, it is becoming more and more difficult to accommodate all existing and emerging wireless services and applications due to the limited communication resources particularly radio spectrum. In addition, system parameters of wireless communications often need to be adapted due to the variation of channel characteristics and user demands. Cognitive communication is emerged as an effective technique, particularly to improve the utilization rate of limited communication resources adaptively according to the change in its operating conditions and requirements. To handle these challenges efficiently and reliably in cognitive radio scenario, cyclic prefix (CP) of the OFDM system is precoded in this thesis using pseudo-random sequence. This signaling link can effectively carry transmission parameters and system adaptation information. In first part of the thesis, mutual interference minimization and transmission power adaptation enabled by the additional signaling link are also investigated. In order to make use of this precoded cyclic prefix (PCP) signaling link, an efficient demodulation scheme is needed to reduce the implementation complexity. Therefore, a low complexity signaling demodulator along with a multipath combining technique to further improve the performance in real communication scenario like in multipath channel is proposed in the thesis. The final aspect of this thesis is the investigation of a robust communication system using digital television (DTV) transmitter identification watermark signal which is also a modulated pseudo-random sequence. The previous study on PCP signaling is thus extended to an emergency communication system using DTV watermark. It is found that watermark based communication system is more robust than the DTV broadcasting and can reach a much wider coverage with significantly increased network reliability, which is suitable for national emergency situations

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

Constant False Alarm Rate (CFAR) detection based estimators with applications to sparse wireless channels

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2006Includes bibliographical references (leaves: 87-89)Text in English; Abstract: Turkish and Englishx, 94 leavesWe provide Constant False Alarm Rate (CFAR) based thresholding methods for training based channel impulse response (CIR) estimation algorithms for communication systems which utilize a periodically transmitted training sequence within a continuous stream of information symbols. After obtaining the CIR estimation by using known methods in the literature, there are estimation errors which causes performance loss at equalizers. The channel estimation error can be seen as .noise. on CIR estimations and CFAR based thresholding methods, which are used in radar systems to decide the presence of a target, can effectively overcome this problem. CFAR based methods are based on determining threshold values which are computed by distribution of channel noise. We provide exact and approximate distribution of channel noise appear at CIR estimate schemes. We applied Cell Averaging-CFAR (CA-CFAR) and Order Statistic-CFAR (OSCFAR) methods on the CIR estimations. The performance of the CFAR estimators are then compared by their Least Square error in the channel estimates. The Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) performance of the decision feedback equalizers (DFE), of which the tap values are calculated based on the CFAR estimators, are also provided

Kokeellinen taajuusmuunnin DVB-T -lähettimeen

Kiinnostus digitaalisen televisiolähetteen vastaanottamiseen matkaviestimillä on lisääntynyt viime vuosina. Euroopalaista DVB-T -digitaalitelevisiostandardia viimeistellessä perustettiin ad-hoc ryhmä DVB-X tutkimaan, miten standardia voitaisiin muuttaa, jotta liikkuva vastaanotto olisi mahdollista. Samaan aikaan langattomien lähiverkkojen käyttö on lisääntynyt huomattavasti, joten viestintäviranomaiset ovat varanneet uusia taajuuskaistoja mikroaaltotaajuuksilta näiden käyttöön. Koska uuden sukupolven langattomien lähiverkkojen standardi HiperLAN/2 ja digitaalitelevisiostandardi DVB-T käyttävät samankaltaista OFDM-lähetystekniikkaa, yhdistämällä lähiverkkojen kaupalliset RF osat ja DVB-T lähete on mahdollista toteuttaa mikroaaltotaajuuksilla toimiva digitaalitelevisiolähetin. Diplomityössä esitetään ratkaisu, jossa UHF-taajuuksinen digitaalitelevisiolähete nostetaan taajuusmuuntimella 5,8 GHz ISM-kaistalle. Jotta muuntimen kriittisten osien sekä taajuusmuunnoksen ongelmat voitaisiin ratkoa, työssä esitetään lyhyt kertaus DVB-T -tekniikan tärkeimpiin alueisiin. Läpikäymällä viimeaikaisia radioaaltojen etenemismallien mittauskampanjoita alan kirjallisuudesta sekä vastaanottoalueen kartoistus, todetaan linkkibudjettilaskelmalla, että tarvittava lähetysteho on noin 10 W EIRP. Koska vastaanottoalue on kapea, lähetinantenni vahvistaa signaalia 20 dB. Tällöin DVB-T -lähettimen vaatimuksiin kuuluva lineaarinen vahvistin toteutetaan käyttämällä ylimitoitettua 1 W tehovahvistinta 10 dB alle sen maksimitehon. Työssä käsitellään myös muita tapoja linearisoida tehovahvistin, jotta backoff:n käyttö voidaan perustella. Jotta rakennetun taajuusmuuntimen suorituskykyä voitaisiin arvioida, diplomityön loppupuolella esitellään eri mittausmenetelmiä sekä VTT:n Otadigi-lähettimen signaalin voimakkuuden mittauksen tulokset. Mittaustuloksien avulla voidaan myös arvioida, millainen taajuusmuunnin on järkevä toteuttaa

EXTRINSIC CHANNEL-LIKE FINGERPRINT EMBEDDING FOR TRANSMITTER AUTHENTICATION IN WIRELESS SYSTEMS

We present a physical-layer fingerprint-embedding scheme for wireless signals, focusing on multiple input multiple output (MIMO) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmissions, where the fingerprint signal conveys a low capacity communication suitable for authenticating the transmission and further facilitating secure communications. Our system strives to embed the fingerprint message into the noise subspace of the channel estimates obtained by the receiver, using a number of signal spreading techniques. When side information of channel state is known and leveraged by the transmitter, the performance of the fingerprint embedding can be improved. When channel state information is not known, blind spreading techniques are applied. The fingerprint message is only visible to aware receivers who explicitly preform detection of the signal, but is invisible to receivers employing typical channel equalization. A taxonomy of overlay designs is discussed and these designs are explored through experiment using time-varying channel-state information (CSI) recorded from IEEE802.16e Mobile WiMax base stations. The performance of the fingerprint signal as received by a WiMax subscriber is demonstrated using CSI measurements derived from the downlink signal. Detection performance for the digital fingerprint message in time-varying channel conditions is also presented via simulation

Advanced constellation and demapper schemes for next generation digital terrestrial television broadcasting systems

206 p.Esta tesis presenta un nuevo tipo de constelaciones llamadas no uniformes. Estos esquemas presentan una eficacia de hasta 1,8 dB superior a las utilizadas en los últimos sistemas de comunicaciones de televisión digital terrestre y son extrapolables a cualquier otro sistema de comunicaciones (satélite, móvil, cable¿). Además, este trabajo contribuye al diseño de constelaciones con una nueva metodología que reduce el tiempo de optimización de días/horas (metodologías actuales) a horas/minutos con la misma eficiencia. Todas las constelaciones diseñadas se testean bajo una plataforma creada en esta tesis que simula el estándar de radiodifusión terrestre más avanzado hasta la fecha (ATSC 3.0) bajo condiciones reales de funcionamiento.Por otro lado, para disminuir la latencia de decodificación de estas constelaciones esta tesis propone dos técnicas de detección/demapeo. Una es para constelaciones no uniformes de dos dimensiones la cual disminuye hasta en un 99,7% la complejidad del demapeo sin empeorar el funcionamiento del sistema. La segunda técnica de detección se centra en las constelaciones no uniformes de una dimensión y presenta hasta un 87,5% de reducción de la complejidad del receptor sin pérdidas en el rendimiento.Por último, este trabajo expone un completo estado del arte sobre tipos de constelaciones, modelos de sistema, y diseño/demapeo de constelaciones. Este estudio es el primero realizado en este campo

Cooperating broadcast and cellular conditional access system for digital television

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The lack of interoperability between Pay‐TV service providers and a horizontally integrated business transaction model have compromised the competition in the Pay‐TV market. In addition, the lack of interactivity with customers has resulted in high churn rate and improper security measures have contributed into considerable business loss. These issues are the main cause of high operational costs and subscription fees in the Pay‐TV systems. This paper presents a novel end‐to‐end system architecture for Pay‐TV systems cooperating mobile and broadcasting technologies. It provides a cost‐effective, scalable, dynamic and secure access control mechanism supporting converged services and new business opportunities in Pay‐TV systems. It enhances interactivity, security and potentially reduces customer attrition and operational cost. In this platform, service providers can effectively interact with their customers, personalise their services and adopt appropriate security measures. It breaks up the rigid relationship between a viewer and set‐top box as imposed by traditional conditional access systems, thus, a viewer can fully enjoy his entitlements via an arbitrary set‐top box. Having thoroughly considered state‐of‐the‐art technologies currently being used across the world, the thesis highlights novel use cases and presents the full design and implementation aspects of the system. The design section is enriched by providing possible security structures supported thereby. A business collaboration structure is proposed, followed by a reference model for implementing the system. Finally, the security architectures are analysed to propose the best architecture on the basis of security, complexity and set‐top box production cost criteria

Investigation of coding and equalization for the digital HDTV terrestrial broadcast channel

Includes bibliographical references (p. 241-248).Supported by the Advanced Telecommunications Research Program.Julien J. Nicolas