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Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services
221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of
the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of
dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital
systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the
broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities
reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of
other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services
are not very spectrum-efficient.
Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the
mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will
probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile
data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over
two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period.
Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is
going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system.
The main objective of this work is to present several technical solutions that
answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the
spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high
quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical
solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum
for both stationary and mobile services.
The first contributions of this scientific work are closely related to the study of
the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of
the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to
maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and
equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization
solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing
techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’
performance.
An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel
conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source.
Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing
the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is
presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver
and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes.
Finally, another major contribution of this work is the presentation of the
Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution
for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive
theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency,
whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and
presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong
candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a
principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una
serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la
digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los
caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los
consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de
radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado
la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual.
Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no
se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente
variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de
servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es
más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming
para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta
definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de
radiodifusión de nueva generación.
El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den
respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales
cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que
demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas
palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más
eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles.
La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la
recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un
completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales
variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la
capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y
ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más
implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo
algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales
condiciones.
Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de
los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una
fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores
actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en
códigos FEC muy robustos.
Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la
presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para
la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado
confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico
valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c
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