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

Channel Estimation Architectures for Mobile Reception in Emerging DVB Standards

Throughout this work, channel estimation techniques have been analyzed and proposed for moderate and very high mobility DVB (digital video broadcasting) receivers, focusing on the DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2) framework and the forthcoming DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) standard. Mobility support is one of the key features of these DVB specifications, which try to deal with the challenge of enabling HDTV (high definition television) delivery at high vehicular speed. In high-mobility scenarios, the channel response varies within an OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) block and the subcarriers are no longer orthogonal, which leads to the so-called ICI (inter-carrier interference), making the system performance drop severely. Therefore, in order to successfully decode the transmitted data, ICI-aware detectors are necessary and accurate CSI (channel state information), including the ICI terms, is required at the receiver. With the aim of reducing the number of parameters required for such channel estimation while ensuring accurate CSI, BEM (basis expansion model) techniques have been analyzed and proposed for the high-mobility DVB-T2 scenario. A suitable clustered pilot structure has been proposed and its performance has been compared to the pilot patterns proposed in the standard. Different reception schemes that effectively cancel ICI in combination with BEM channel estimation have been proposed, including a Turbo scheme that includes a BP (belief propagation) based ICI canceler, a soft-input decision-directed BEM channel estimator and the LDPC (low-density parity check) decoder. Numerical results have been presented for the most common channel models, showing that the proposed receiver schemes allow good reception, even in receivers with extremely high mobility (up to 0.5 of normalized Doppler frequency).Doktoretza tesi honetan, hainbat kanal estimazio teknika ezberdin aztertu eta proposatu dira mugikortasun ertain eta handiko DVB (Digital Video Broadcasting) hartzaileentzat, bigarren belaunaldiko Lurreko Telebista Digitalean DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) eta hurrengo DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) estandarretan oinarrututa. Mugikortasuna bigarren belaunaldiko telebista estandarrean funtsezko ezaugarri bat da, HDTV (high definition television) zerbitzuak abiadura handiko hartzaileetan ahalbidetzeko erronkari aurre egiteko nahian. Baldintza horietan, kanala OFDM (ortogonalak maiztasun-zatiketa multiplexing ) sinbolo baten barruan aldatzen da, eta subportadorak jada ez dira ortogonalak, ICI-a (inter-carrier interference) sortuz, eta sistemaren errendimendua hondatuz. Beraz, transmititutako datuak behar bezala deskodeatzeko, ICI-a ekiditeko gai diren detektagailuak eta CSI-a (channel state information) zehatza, ICI osagaiak barne, ezinbestekoak egiten dira hartzailean. Kanalaren estimazio horretarako beharrezkoak diren parametro kopurua murrizteko eta aldi berean CSI zehatza bermatzeko, BEM (basis expansion model) teknika aztertu eta proposatu da ICI kanala identifikatzeko mugikortasun handiko DVB-T2 eszenatokitan. Horrez gain, pilotu egitura egokia proposatu da, estandarrean proposatutako pilotu ereduekin alderatuz BEM estimazioan oinarritua. ICI-a baliogabetzen duten hartzaile sistema ezberdin proposatu dira, Turbo sistema barne, non BP (belief propagation) detektagailua, soft BEM estimazioa eta LDPC (low-density parity check ) deskodetzailea uztartzen diren. Ohiko kanal ereduak erabilita, simulazio emaitzak aurkeztu dira, proposatutako hartzaile sistemak mugikortasun handiko kasuetan harrera ona dutela erakutsiz, 0.5 Doppler maiztasun normalizaturaino.Esta tesis doctoral analiza y propone diferentes técnicas de estimación de canal para receptores DVB (Digital Video Broadcasting) con movilidad moderada y alta, centrándose en el estándar de segunda generación DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) y en el próximó estándar DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld ). La movilidad es una de las principales claves de estas especificaciones, que tratan de lidiar con el reto de permitir la recepción de señal HDTV (high definition television) en receptores móviles. En escenarios de alta movilidad, la respuesta del canal varía dentro de un símbolo OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing ) y las subportadoras ya no son ortogonales, lo que genera la llamada ICI (inter-carrier interference), deteriorando el rendimiento de los receptores severamente. Por lo tanto, con el fin de decodificar correctamente los datos transmitidos, detectores capaces de suprimir la ICI y una precisa CSI (channel state information), incluyendo los términos de ICI, son necesarios en el receptor. Con el objetivo de reducir el número de parámetros necesarios para dicha estimación de canal, y al mismo tiempo garantizar una CSI precisa, la técnica de estimación BEM (basis expansion model) ha sido analizada y propuesta para identificar el canal con ICI en receptores DVB-T2 de alta movilidad. Además se ha propuesto una estructura de pilotos basada en clústers, comparando su rendimiento con los patrones de pilotos establecidos en el estándar. Se han propuesto diferentes sistemas de recepción que cancelan ICI en combinación con la estimación BEM, incluyendo un esquema Turbo que incluye un detector BP (belief propagation), un estimador BEM soft y un decodificador LDPC (low-density parity check). Se han presentado resultados numéricos para los modelos de canal más comunes, demostrando que los sistemas de recepción propuestos permiten la decodificación correcta de la señal incluso en receptores con movilidad muy alta (hasta 0,5 de frecuencia de Doppler normalizada)

MIMO signal processing in offset-QAM based filter bank multicarrier systems

Next-generation communication systems have to comply with very strict requirements for increased flexibility in heterogeneous environments, high spectral efficiency, and agility of carrier aggregation. This fact motivates research in advanced multicarrier modulation (MCM) schemes, such as filter bank-based multicarrier (FBMC) modulation. This paper focuses on the offset quadrature amplitude modulation (OQAM)-based FBMC variant, known as FBMC/OQAM, which presents outstanding spectral efficiency and confinement in a number of channels and applications. Its special nature, however, generates a number of new signal processing challenges that are not present in other MCM schemes, notably, in orthogonal-frequency-division multiplexing (OFDM). In multiple-input multiple-output (MIMO) architectures, which are expected to play a primary role in future communication systems, these challenges are intensified, creating new interesting research problems and calling for new ideas and methods that are adapted to the particularities of the MIMO-FBMC/OQAM system. The goal of this paper is to focus on these signal processing problems and provide a concise yet comprehensive overview of the recent advances in this area. Open problems and associated directions for future research are also discussed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Insights and approaches for low-complexity 5G small-cell base-station design for indoor dense networks

This paper investigates low-complexity approaches to small-cell base-station (SBS) design, suitable for future 5G millimeter-wave (mmWave) indoor deployments. Using large-scale antenna systems and high-bandwidth spectrum, such SBS can theoretically achieve the anticipated future data bandwidth demand of 10000 fold in the next 20 years. We look to exploit small cell distances to simplify SBS design, particularly considering dense indoor installations. We compare theoretical results, based on a link budget analysis, with the system simulation of a densely deployed indoor network using appropriate mmWave channel propagation conditions. The frequency diverse bands of 28 and 72 GHz of the mmWave spectrum are assumed in the analysis. We investigate the performance of low-complexity approaches using a minimal number of antennas at the base station and the user equipment. Using the appropriate power consumption models and the state-of-the-art sub-component power usage, we determine the total power consumption and the energy efficiency of such systems. With mmWave being typified nonline-of-sight communication, we further investigate and propose the use of direct sequence spread spectrum as a means to overcome this, and discuss the use of multipath detection and combining as a suitable mechanism to maximize link reliability

Efficient Fast-Convolution-Based Waveform Processing for 5G Physical Layer

This paper investigates the application of fast-convolution (FC) filtering schemes for flexible and effective waveform generation and processing in the fifth generation (5G) systems. FC-based filtering is presented as a generic multimode waveform processing engine while, following the progress of 5G new radio standardization in the Third-Generation Partnership Project, the main focus is on efficient generation and processing of subband-filtered cyclic prefix orthogonal frequency-division multiplexing (CP-OFDM) signals. First, a matrix model for analyzing FC filter processing responses is presented and used for designing optimized multiplexing of filtered groups of CP-OFDM physical resource blocks (PRBs) in a spectrally well-localized manner, i.e., with narrow guardbands. Subband filtering is able to suppress interference leakage between adjacent subbands, thus supporting independent waveform parametrization and different numerologies for different groups of PRBs, as well as asynchronous multiuser operation in uplink. These are central ingredients in the 5G waveform developments, particularly at sub-6-GHz bands. The FC filter optimization criterion is passband error vector magnitude minimization subject to a given subband band-limitation constraint. Optimized designs with different guardband widths, PRB group sizes, and essential design parameters are compared in terms of interference levels and implementation complexity. Finally, extensive coded 5G radio link simulation results are presented to compare the proposed approach with other subband-filtered CP-OFDM schemes and time-domain windowing methods, considering cases with different numerologies or asynchronous transmissions in adjacent subbands. Also the feasibility of using independent transmitter and receiver processing for CP-OFDM spectrum control is demonstrated

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

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