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

Analysis, characterization and optimization of the energy efficiency on softwarized mobile platforms

Mención Internacional en el título de doctorLa inminente 5ª generación de sistemas móviles (5G) está a punto de revolucionar la industria, trayendo una nueva arquitectura orientada a los nuevos mercados verticales y servicios. Debido a esto, el 5G Infrastructure Public Private Partnership (5G-PPP) ha especificado una lista de Indicadores de Rendimiento Clave (KPI) que todo sistema 5G tiene que soportar, por ejemplo incrementar por 1000 el volumen de datos, de 10 a 100 veces m´as dispositivos conectados o consumos energéticos 10 veces inferiores. Con el fin de conseguir estos requisitos, se espera expandir los despligues actuales usando mas Puntos de Acceso (PoA) incrementando así su densidad con múltiples tecnologías inalámbricas. Esta estrategia de despliegue masivo tiene una contrapartida en la eficiencia energética, generando un conflicto con el KPI de reducir por 10 el consumo energético. En este contexto, la comunidad investigadora ha propuesto nuevos paradigmas para alcanzar los requisitos impuestos para los sistemas 5G, siendo materializados en tecnologías como Redes Definidas por Software (SDN) y Virtualización de Funciones de Red (NFV). Estos nuevos paradigmas son el primer paso hacia la softwarización de los despliegues móviles, incorporando nuevos grados de flexibilidad y reconfigurabilidad de la Red de Acceso Radio (RAN). En esta tesis, presentamos primero un análisis detallado y caracterización de las redes móviles softwarizadas. Consideramos el software como la base de la nueva generación de redes celulares y, por lo tanto, analizaremos y caracterizaremos el impacto en la eficiencia energética de estos sistemas. La primera meta de este trabajo es caracterizar las plataformas software disponibles para Radios Definidas por Software (SDR), centrándonos en las dos soluciones principales de código abierto: OpenAirInterface (OAI) y srsLTE. Como resultado, proveemos una metodología para analizar y caracterizar el rendimiento de estas soluciones en función del uso de la CPU, rendimiento de red, compatibilidad y extensibilidad de dicho software. Una vez hemos entendido qué rendimiento podemos esperar de este tipo de soluciones, estudiamos un prototipo SDR construido con aceleración hardware, que emplea una plataformas basada en FPGA. Este prototipo está diseñado para incluir capacidad de ser consciente de la energía, permiento al sistema ser reconfigurado para minimizar la huella energética cuando sea posible. Con el fin de validar el diseño de nuestro sistema, más tarde presentamos una plataforma para caracterizar la energía que será empleada para medir experimentalmente el consumo energético de dispositivos reales. En nuestro enfoque, realizamos dos tipos de análisis: a pequeña escala de tiempo y a gran escala de tiempo. Por lo tanto, para validar nuestro entorno de medidas, caracterizamos a través de análisis numérico los algoritmos para la Adaptación de la Tasa (RA) en IEEE 802.11, para entonces comparar nuestros resultados teóricos con los experimentales. A continuación extendemos nuestro análisis a la plataforma SDR acelerada por hardware previamente mencionada. Nuestros resultados experimentales muestran que nuestra sistema puede en efecto reducir la huella energética reconfigurando el despligue del sistema. Entonces, la escala de tiempos es elevada y presentamos los esquemas para Recursos bajo Demanda (RoD) en despliegues de red ultra-densos. Esta estrategia está basada en apagar/encender dinámicamente los elementos que forman la red con el fin de reducir el total del consumo energético. Por lo tanto, presentamos un modelo analítico en dos sabores, un modelo exacto que predice el comportamiento del sistema con precisión pero con un alto coste computacional y uno simplificado que es más ligero en complejidad mientras que mantiene la precisión. Nuestros resultados muestran que estos esquemas pueden efectivamente mejorar la eficiencia energética de los despliegues y mantener la Calidad de Servicio (QoS). Con el fin de probar la plausibilidad de los esquemas RoD, presentamos un plataforma softwarizada que sigue el paradigma SDN, OFTEN (OpenFlow framework for Traffic Engineering in mobile Network with energy awareness). Nuestro diseño está basado en OpenFlow con funcionalidades para hacerlo consciente de la energía. Finalmente, un prototipo real con esta plataforma es presentando, probando así la plausibilidad de los RoD en despligues reales.The upcoming 5th Generation of mobile systems (5G) is about to revolutionize the industry, bringing a new architecture oriented to new vertical markets and services. Due to this, the 5G-PPP has specified a list of Key Performance Indicator (KPI) that 5G systems need to support e.g. increasing the 1000 times higher data volume, 10 to 100 times more connected devices or 10 times lower power consumption. In order to achieve these requirements, it is expected to expand the current deployments using more Points of Attachment (PoA) by increasing their density and by using multiple wireless technologies. This massive deployment strategy triggers a side effect in the energy efficiency though, generating a conflict with the “10 times lower power consumption” KPI. In this context, the research community has proposed novel paradigms to achieve the imposed requirements for 5G systems, being materialized in technologies such as Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). These new paradigms are the first step to softwarize the mobile network deployments, enabling new degrees of flexibility and reconfigurability of the Radio Access Network (RAN). In this thesis, we first present a detailed analysis and characterization of softwarized mobile networking. We consider software as a basis for the next generation of cellular networks and hence, we analyze and characterize the impact on the energy efficiency of these systems. The first goal of this work is to characterize the available software platforms for Software Defined Radio (SDR), focusing on the two main open source solutions: OAI and srsLTE. As result, we provide a methodology to analyze and characterize the performance of these solutions in terms of CPU usage, network performance, compatibility and extensibility of the software. Once we have understood the expected performance for such platformsc, we study an SDR prototype built with hardware acceleration, that employs a FPGA based platform. This prototype is designed to include energy-awareness capabilites, allowing the system to be reconfigured to minimize the energy footprint when possible. In order to validate our system design, we later present an energy characterization platform that we will employ to experimentally measure the energy consumption of real devices. In our approach, we perform two kind of analysis: at short time scale and large time scale. Thus, to validate our approach in short time scale and the energy framework, we have characterized though numerical analysis the Rate Adaptation (RA) algorithms in IEEE 802.11, and then compare our theoretical results to the obtained ones through experimentation. Next we extend our analysis to the hardware accelerated SDR prototype previously mentioned. Our experimental results show that our system can indeed reduce the energy footprint reconfiguring the system deployment. Then, the time scale of our analysis is elevated and we present Resource-on-Demand (RoD) schemes for ultradense network deployments. This strategy is based on dynamically switch on/off the elements that form the network to reduce the overall energy consumption. Hence, we present a analytic model in two flavors, an exact model that accurately predicts the system behaviour but high computational cost and a simplified one that is lighter in complexity while keeping the accuracy. Our results show that these schemes can effectively enhance the energy efficiency of the deployments and mantaining the Quality of Service (QoS). In order to prove the feasibility of RoD, we present a softwarized platform that follows the SDN paradigm, the OFTEN (Open Flow framework for Traffic Engineering in mobile Networks with energy awareness) framework. Our design is based on OpenFlow with energy-awareness functionalities. Finally, a real prototype of this framework is presented, proving the feasibility of the RoD in real deployments.FP7-CROWD (2013-2015) CROWD (Connectivity management for eneRgy Optimised Wireless Dense networks).-- H2020-Flex5GWare (2015-2017) Flex5GWare (Flexible and efficient hardware/software platforms for 5G network elements and devices).Programa de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Gramaglia , Marco.- Secretario: José Nuñez.- Vocal: Fabrizio Giulian

Receptores de rádio-frequência melhorados e disruptivos

This Ph.D. mainly addresses the reception part of a radio front end, focusing on Radio Frequency (RF) sampling architectures. These are considered to be the most promising future candidates to get better performance in terms of bandwidth and agility, following the well-known Software-Defined Radio (SDR) concept. The study considers the usage of an RF receiver in a standalone operation, i.e., used for receiving unknown data at the antenna, and when used as observation path for Power Amplifier (PA) linearization via Digital Predistortion (DPD), since nowadays this represents a mandatory technique to increase overall system’s performance. Firstly, commercial available RF Analog-Digital-Converters (ADCs) are studied and characterized to understand their limitations when used in DPD scenarios. A method for characterization and digital post-compensation to improve performance is proposed and evaluated. Secondly, an innovative FPGA-based RF single-bit pulsed converter based on Pulse Width Modulation (PWM) is addressed targeting frequency agility, high analog input bandwidth, and system integration, taking profit of an FPGA-based implementation. The latter was optimized based on PWM theoretical behavior maximizing Signal-to-Noise-Ratio (SNR) and bandwidth. The optimized receiver, was afterwards evaluated in a 5G C-RAN architecture and as a feedback loop for DPD. Finally, a brief study regarding DPD feedback loops in the scope of multiantenna transmitters is presented. This Ph.D. contributes with several advances to the state-of-the-art of SDR receiver, and to the so-called SDR DPD concept.Este doutoramento endereça principalmente a componente de receção de um transcetor de rádio-frequência (RF), focando-se em arquiteturas de receção de amostragem em RF. Estas são assim consideradas como sendo as mais promissoras para o futuro, em termos de desempenho, largura de banda e agilidade, de acordo com o conhecido conceito de Rádios Definidos por Software (SDR). O estudo considera o uso dos recetores de RF em modo standalone, i.e., recebendo dados desconhecidos provenientes da antena, e também quando usados como caminho de observação para aplicação de linearização de amplificadores de potência (PAs) via pré-distorção digital (DPD), pois atualmente esta é uma técnica fundamental para aumentar o desempenho geral do sistema. Em primeiro lugar, os conversores analógico-digital de RF são estudados e caracterizados para perceber as suas limitações quando usados em cenários de DPD. Um método de caracterização e pós compensação digital é proposto para obter melhorias de desempenho. Em segundo lugar, um novo recetor pulsado de um bit baseado em Modulação de Largura de Pulso (PWM) e implementado em Agregado de Células Lógicas Programáveis (FPGA) é endereçado, visando agilidade em frequência, largura de banda analógica e integração de sistema, tirando proveito da implementação em FPGA. Este recetor foi otimizado com base no modelo comportamental teórico da modulação PWM, maximizando a relação sinalruído (SNR) e a largura de banda. O recetor otimizado foi posteriormente avaliado num cenário 5G de uma arquitetura C-RAN e também num cenário em que serve de caminho de observação para DPD. Finalmente, um breve estudo relativo a caminhos de observação de DPD no contexto de transmissores multi-antena é também apresentado. Este doutoramento contribui com vários avanços no estado da arte de recetores SDR e no conceito de SDR DPD.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

GNSS array-based acquisition: theory and implementation

This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2

Demo abstract : FPGA-based implementation of a flexible FFT dedicated to LTE standard

International audienceField Programmable Gate Array (FPGA) technology is expected to play a key role in the development of Software Defined Radio platforms. To reduce design time required when targeting such a technology, high-level synthesis tools can be used. These tools are available in current FPGA CAD tools. In this demo, we will present the design of a FFT component for Long Term Evolution standard and its implementation on a Xilinx Virtex 6 based ML605 board. Our flexible FFT can support FFT sizes among 128, 256, 512, 1024, 1536 and 2048 to compute OFDM symbols. The FFT is specified at a high-level (i.e. in C language). Both dynamic partial reconfiguration and run-time configuration based on input control signals of the flexible FFT will be shown. These two approaches provide interesting tradeoff between reconfiguration time and area