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

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

Design and Analysis of Forward Error Control Coding and Signaling for Guaranteeing QoS in Wireless Broadcast Systems

Broadcasting systems are networks where the transmission is received by several terminals. Generally broadcast receivers are passive devices in the network, meaning that they do not interact with the transmitter. Providing a certain Quality of Service (QoS) for the receivers in heterogeneous reception environment with no feedback is not an easy task. Forward error control coding can be used for protection against transmission errors to enhance the QoS for broadcast services. For good performance in terrestrial wireless networks, diversity should be utilized. The diversity is utilized by application of interleaving together with the forward error correction codes. In this dissertation the design and analysis of forward error control and control signalling for providing QoS in wireless broadcasting systems are studied. Control signaling is used in broadcasting networks to give the receiver necessary information on how to connect to the network itself and how to receive the services that are being transmitted. Usually control signalling is considered to be transmitted through a dedicated path in the systems. Therefore, the relationship of the signaling and service data paths should be considered early in the design phase. Modeling and simulations are used in the case studies of this dissertation to study this relationship. This dissertation begins with a survey on the broadcasting environment and mechanisms for providing QoS therein. Then case studies present analysis and design of such mechanisms in real systems. The mechanisms for providing QoS considering signaling and service data paths and their relationship at the DVB-H link layer are analyzed as the first case study. In particular the performance of different service data decoding mechanisms and optimal signaling transmission parameter selection are presented. The second case study investigates the design of signaling and service data paths for the more modern DVB-T2 physical layer. Furthermore, by comparing the performances of the signaling and service data paths by simulations, configuration guidelines for the DVB-T2 physical layer signaling are given. The presented guidelines can prove useful when configuring DVB-T2 transmission networks. Finally, recommendations for the design of data and signalling paths are given based on findings from the case studies. The requirements for the signaling design should be derived from the requirements for the main services. Generally, these requirements for signaling should be more demanding as the signaling is the enabler for service reception.Siirretty Doriast

Detection and decoding algorithms of multi-antenna diversity techniques for terrestrial DVB systems

This PhD dissertation analyzes the behavior of multi-antenna diversity techniques in broadcasting scenarios of TDT (terrestrial digital television) systems and proposes a low-complexity detection and decoding design for their practical implementation. For that purpose, the transmission-reception chains of the European DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) and DVB-T2 standards have been implemented over which diversity and MIMO (multiple-input multiple-output) techniques have been assessed through Monte Carlo simulations. On one hand, the most important multi-antenna diversity techniques such as CDD (cyclic delay diversity), Alamouti code-based SFBC (space-frequency block coding) and MRC (maximum ratio combining), have been evaluated in a DVB-T system over both fixed and mobile Rayleigh and Ricean channels. With the DVB-T2 standard release, multi-antenna processing has actually been introduced in digital television systems. The distributed SFBC configuration proposed in DVB-T2 is analyzed from a performance point of view considering different propagation conditions in an SFN (single frequency network). On the other hand, error-performance and detection complexity analyses of 2x2 FRFD (full-rate full-diversity) SFBCs are carried out for last-generation DTV (digital television) systems. The use of channel coding based on LDPC (low-density parity check) codes in new standards such as DVB-T2, involves a soft-output MAP (maximum a posteriori ) detection which results in an increase of the detection complexity. In order to study the FRFD codes behavior in such a BICM (bit-interleaved coded modulation) scheme, the Golden code, which achieves the maximum coding gain, and the Sezginer-Sari code, which has a lower inherent detection complexity as an expense of sacrificing performance gain, have been chosen. Using LSD (list sphere decoder) detection, BER (bit error rate) performance and computational cost results are provided for TDT scenarios. In order to overcome the variable complexity of the LSD, LFSD (list fixed-complexity sphere decoder) detection is proposed for practical implementations. A redesign of the previously proposed LFSD algorithm for spatial multiplexing MIMO systems has been performed for FRFD SFBCs with close-to-LSD performance. Furthermore, an analysis of the number of candidates is carried out in order to maximize the eficiency of the algorithm. Due to its fixed complexity, the novel algorithm can be fully pipelined making feasible a realistic implementation in chip.Esta tesis analiza el comportamiento de las técnicas de diversidad multiantena en escenarios de radiodifusión TDT (televisión digital terrestre) y propone un diseño de baja complejidad para la detección de códigos SFBC (space-frequency block coding ) que facilita una posible implementación práctica. Para ello, se ha implementado la cadena de transmisión-recepción de los estándares europeos DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial ) y DVB-T2 como entorno de trabajo donde se han incluido y simulado diferentes técnicas de diversidad MIMO (multiple-input multiple-output ). Por un lado, se evalúan las técnicas de diversidad multiantena CDD ( cyclic delay diversity), SFBC con codi cación Alamouti y MRC (maximum ratio combining ) en escenarios fijos y móviles de canales tanto Rayleigh como Ricean para el sistema DVB-T. En DVB-T2, se analiza la tecnología multiantena propuesta por el estándar para diferentes escenarios de propagación dentro de redes SFN (single frequency network ). Por otro lado, se realiza un estudio sobre códigos FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC para su posible inclusión en futuros estándares de televisión digital. El uso de codificaciones de canal más potentes, como los códigos LDPC (low-density parity check ), implica la utilización de una detección MAP (maximum a posteriori ) con salida soft, incrementando considerablemente la complejidad de la detección. Para realizar el correspondiente análisis de complejidad y rendimiento, se han escogidos dos códigos FRFD. Por un lado, el código Golden, que ofrece la máxima ganancia de código y, por otro, el código propuesto por Sezginer y Sari, que consigue reducir la complejidad de detección a costa de perder cierta ganancia de código. Se presentan resultados basados en curvas de BER (bit error rate) y número de operaciones sobre un sistema BICM (bit-interleaved coded modulation ) equivalente a DVB-T2 en escenarios TDT utilizando una detección LSD (list sphere decoder ). Para resolver el problema de la complejidad variable del algoritmo LSD, se realiza un rediseño del ya propuesto LFSD (list fixed-complexity sphere decoder ) para técnicas de multiplexación espacial considerando la estructura de los códigos FRFD SFBC. Asimismo, se evalúa el número de candidatos que ofrece un funcionamiento más eficiente con menor coste computacional. Los resultados de simulación basados en curvas de BER muestran rendimientos cercanos al detector LSD manteniendo el número de operaciones constante. Por lo tanto, este nuevo diseño permite su eficiente y práctica implementación en dispositivos reales.Doktoretza-tesi honen gai nagusia Lurreko Telebista Digitalerako antena anitzeko dibertsitate tekniken portaera ikertzea da, hartzailerako konplexutasun baxuko algoritmoen diseinua oinarri hartuta. Horretarako, Europako DVB-T eta DVB-T2 telebista digitaleko estandarren igorle-hartzaile kateen simulagailua inplementatzeaz gain, dibertsitate eta MIMO ( multipleinput multiple-output ) algoritmoak garatu eta aztertu dira. Lehenengo helburu gisa, CDD (cyclic delay diversity ), Alamouti kodean oinarritutako SFBC (space-frequency block coding ) eta MRC (maximum ratio combining ) teknikak ebaluatu dira Rayleigh eta Ricean ingurunetan, bai komunikazio nko zein mugikorretarako. Argitaratu berri den DVB-T2 estandarrak antena anitzeko prozesaketa telebista sistema digitalean sartu duenez, teknologia honen analisia egin da maiztasun bakarreko telebista sareetarako SFN (single frequency network ). Tesiaren helburu nagusia FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC kodigoen ikerketa eta hauek telebista digitalaren estandar berrietan sartzea ahalbidetuko dituzten detekzio sistemen diseinua izan da. Kanalen kodi kazio indartsuagoak erabiltzeak, LDPC ( low-density parity check ) kodeak esaterako, MAP (maximum a posteriori ) algoritmoan oinarritutako soft irteeradun detektoreen erabilera dakar berekin, detekzioaren konplexutasuna areagotuz. Bi FRFD kode aukeratu dira errendimendu eta konplexutasun analisiak DVB-T2 bezalako BICM (bit-interleaved coded modulation ) sistemetan egiteko. Alde batetik, irabazi maximoa lortzen duen Golden kodea eta, bestetik, konplexutasun txikiagoa duen Sezginer eta Sarik proposatutako kodea erabili dira. Bit errore edo BER (bit error rate) tasan eta konputazio kostuan oinarrituta, emaitzak aurkeztu dira zerrenda dekodeatzaile esferikoa ( list sphere decoder, LSD) erabiliz. LSD-aren konplexutasun aldakorraren arazoa konpontzeko, ezpazio-multiplexazioko teknikarako LFSD (list xed-complexity sphere decoder ) algoritmoaren berdiseinua garatu da, FRFD SFBC kodeen egitura berezia kontuan hartuta. Algoritmoaren eraginkortasuna maximizatzeko kandidatuen zenbakia ebaluatzen da baita ere. LSD-en antzeko errendimendua duten BER gra ketan oinarritutako simulazio emaitzak aurkezten dira, eragiketa kopurua konstante eta LSD-arenaren baino murritzagoa mantenduz. Beraz, proposatutako diseinu eraginkorrak, FRFD SFBC antena anitzeko dibertsitatean oinarritutako eskemen inplementazioa ahalbidetu dezakete telebista digitalaren estandar berrietarako

Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems

El uso combinado de diversidad en el dominio temporal, frecuencial y espacial constituye una valiosa herramienta para mejorar la recepción de servicios de difusión móviles. Gracias a la mejora conseguida por las técnicas de diversidad es posible extender la cobertura de los servicios móviles además de reducir la infraestructura de red. La presente tesis investiga el uso de técnicas de diversidad para la provisión de servicios móviles en la familia europea de sistemas de difusión terrestres estandarizada por el prpoyecto DVB (Digital Video Broadcasting). Esto incluye la primera y segunda generación de sistemas DVB-T (Terrestrial), DVB-NGH (Handheld), y DVB-T2 (Terrestrial 2nd generation), así como el sistema de siguiente generación DVB-NGH. No obstante, el estudio llevado a cabo en la tesis es genérico y puede aplicarse a futuras evoluciones de estándares como el japonés ISDB-T o el americano ATSC. Las investigaciones realizadas dentro del contexto de DVB-T, DVB-H y DVBT2 tienen como objetivo la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles en redes terrestres. Esta Convergencia puede facilitar la introducción de servicios móviles de TB debido a la reutilización de espectro, contenido e infraestructura. De acuerdo a los resultados, la incorporación de entrelazado temporal en la capa física para diversidad temporal, y de single-input multiple-output (SIMO) para diversidad espacial, son esenciales para el rendimiento de sistemas móviles de difusión. A pesar de que las técnicas upper later FEC (UL-FEC) pueden propocionar diversidad temporal en sistemas de primera generación como DVB-T y DVB-H, requieren la transmisión de paridad adicional y no son útiles para la recepción estática. El análisis en t�ñerminos de link budjget revela que las técnicas de diversidad noson suficientes para facilitar la provision de servicios móviles en redes DVB-T y DVB-T2 planificadas para recepción fija. Sin embargo, el uso de diversidad en redes planificadas para recepción portableGozálvez Serrano, D. (2012). Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16273Palanci

Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems

[EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology in Digital Terrestrial Television (DTT) networks has the potential to increase the spectral efficiency and improve network coverage to cope with the competition of limited spectrum use (e.g., assignment of digital dividend and spectrum demands of mobile broadband), the appearance of new high data rate services (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV), and the ubiquity of the content (e.g., fixed, portable, and mobile). It is widely recognised that MIMO can provide multiple benefits such as additional receive power due to array gain, higher resilience against signal outages due to spatial diversity, and higher data rates due to the spatial multiplexing gain of the MIMO channel. These benefits can be achieved without additional transmit power nor additional bandwidth, but normally come at the expense of a higher system complexity at the transmitter and receiver ends. The final system performance gains due to the use of MIMO directly depend on physical characteristics of the propagation environment such as spatial correlation, antenna orientation, and/or power imbalances experienced at the transmit aerials. Additionally, due to complexity constraints and finite-precision arithmetic at the receivers, it is crucial for the overall system performance to carefully design specific signal processing algorithms. This dissertation focuses on transmit and received signal processing for DTT systems using MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) without feedback channel to the transmitter from the receiver terminals. At the transmitter side, this thesis presents investigations on MIMO precoding in DTT systems to overcome system degradations due to different channel conditions. At the receiver side, the focus is given on design and evaluation of practical MIMO-BICM receivers based on quantized information and its impact in both the in-chip memory size and system performance. These investigations are carried within the standardization process of DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) the handheld evolution of DVB-T2 (Terrestrial - Second Generation), and ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee - Third Generation), which incorporate MIMO-BICM as key technology to overcome the Shannon limit of single antenna communications. Nonetheless, this dissertation employs a generic approach in the design, analysis and evaluations, hence, the results and ideas can be applied to other wireless broadcast communication systems using MIMO-BICM.[ES] La tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en redes de Televisión Digital Terrestre (TDT) tiene el potencial de incrementar la eficiencia espectral y mejorar la cobertura de red para afrontar las demandas de uso del escaso espectro electromagnético (e.g., designación del dividendo digital y la demanda de espectro por parte de las redes de comunicaciones móviles), la aparición de nuevos contenidos de alta tasa de datos (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV) y la ubicuidad del contenido (e.g., fijo, portable y móvil). Es ampliamente reconocido que MIMO puede proporcionar múltiples beneficios como: potencia recibida adicional gracias a las ganancias de array, mayor robustez contra desvanecimientos de la señal gracias a la diversidad espacial y mayores tasas de transmisión gracias a la ganancia por multiplexado del canal MIMO. Estos beneficios se pueden conseguir sin incrementar la potencia transmitida ni el ancho de banda, pero normalmente se obtienen a expensas de una mayor complejidad del sistema tanto en el transmisor como en el receptor. Las ganancias de rendimiento finales debido al uso de MIMO dependen directamente de las características físicas del entorno de propagación como: la correlación entre los canales espaciales, la orientación de las antenas y/o los desbalances de potencia sufridos en las antenas transmisoras. Adicionalmente, debido a restricciones en la complejidad y aritmética de precisión finita en los receptores, es fundamental para el rendimiento global del sistema un diseño cuidadoso de algoritmos específicos de procesado de señal. Esta tesis doctoral se centra en el procesado de señal, tanto en el transmisor como en el receptor, para sistemas TDT que implementan MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sin canal de retorno hacia el transmisor desde los receptores. En el transmisor esta tesis presenta investigaciones en precoding MIMO en sistemas TDT para superar las degradaciones del sistema debidas a diferentes condiciones del canal. En el receptor se presta especial atención al diseño y evaluación de receptores prácticos MIMO-BICM basados en información cuantificada y a su impacto tanto en la memoria del chip como en el rendimiento del sistema. Estas investigaciones se llevan a cabo en el contexto de estandarización de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), la evolución portátil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), y ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporan MIMO-BICM como clave tecnológica para superar el límite de Shannon para comunicaciones con una única antena. No obstante, esta tesis doctoral emplea un método genérico tanto para el diseño, análisis y evaluación, por lo que los resultados e ideas pueden ser aplicados a otros sistemas de comunicación inalámbricos que empleen MIMO-BICM.[CA] La tecnologia de múltiples entrades i múltiples eixides (MIMO) en xarxes de Televisió Digital Terrestre (TDT) té el potencial d'incrementar l'eficiència espectral i millorar la cobertura de xarxa per a afrontar les demandes d'ús de l'escàs espectre electromagnètic (e.g., designació del dividend digital i la demanda d'espectre per part de les xarxes de comunicacions mòbils), l'aparició de nous continguts d'alta taxa de dades (e.g., ultra-high deffinition TV - UHDTV) i la ubiqüitat del contingut (e.g., fix, portàtil i mòbil). És àmpliament reconegut que MIMO pot proporcionar múltiples beneficis com: potència rebuda addicional gràcies als guanys de array, major robustesa contra esvaïments del senyal gràcies a la diversitat espacial i majors taxes de transmissió gràcies al guany per multiplexat del canal MIMO. Aquests beneficis es poden aconseguir sense incrementar la potència transmesa ni l'ample de banda, però normalment s'obtenen a costa d'una major complexitat del sistema tant en el transmissor com en el receptor. Els guanys de rendiment finals a causa de l'ús de MIMO depenen directament de les característiques físiques de l'entorn de propagació com: la correlació entre els canals espacials, l'orientació de les antenes, i/o els desequilibris de potència patits en les antenes transmissores. Addicionalment, a causa de restriccions en la complexitat i aritmètica de precisió finita en els receptors, és fonamental per al rendiment global del sistema un disseny acurat d'algorismes específics de processament de senyal. Aquesta tesi doctoral se centra en el processament de senyal tant en el transmissor com en el receptor per a sistemes TDT que implementen MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sense canal de tornada cap al transmissor des dels receptors. En el transmissor aquesta tesi presenta recerques en precoding MIMO en sistemes TDT per a superar les degradacions del sistema degudes a diferents condicions del canal. En el receptor es presta especial atenció al disseny i avaluació de receptors pràctics MIMO-BICM basats en informació quantificada i al seu impacte tant en la memòria del xip com en el rendiment del sistema. Aquestes recerques es duen a terme en el context d'estandardització de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), l'evolució portàtil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), i ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporen MIMO-BICM com a clau tecnològica per a superar el límit de Shannon per a comunicacions amb una única antena. No obstant açò, aquesta tesi doctoral empra un mètode genèric tant per al disseny, anàlisi i avaluació, per la qual cosa els resultats i idees poden ser aplicats a altres sistemes de comunicació sense fils que empren MIMO-BICM.Vargas Paredero, DE. (2016). Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66081TESISPremiad

Cloud Transmission: System Performance and Application Scenarios

[EN] Cloud Transmission (Cloud Txn) System is a flexible multi-layer system that uses spectrum overlay technology to simultaneously deliver multiple program streams with different characteristics and robustness for different services (mobile TV, HDTV and UHDTV) in one RF channel. The transmitted signal is formed by superimposing a number of independent signals at desired power levels, to form a multilayered signal. The signals of different layers can have different coding, bit rate, and robustness. For the top layer, system parameters are chosen to provide very robust transmission that can be used for high speed mobile broadcasting service to portable devices. The bit rate is traded for more powerful error correction coding and robustness so that the Signal to Noise Ratio (SNR) threshold at the receiver is a negative value in the range of -2 to -3 dB. The top layer is designed to withstand combined noise, co-channel interference and multipath distortion power levels higher than the desired signal power. The lowerlayer signal can be DVB-T2 signal or other newly designed system to deliver HDTV/UHDTV to fixed receivers. The system concept is open to technological advances that might come in the future: all new technologies, BICM/Non Uuniform-QAM, rotated constellations, Time Frequency Slicing or MIMO techniques can be implemented in the Cloud Txn lower (high data) rate layer. The main focus of this paper is to thoroughly describe the performance of this newly presented Cloud Transmission broadcasting system.This work has been financially supported in part by the University of the Basque Country UPV/EHU (UFI 11/30), by the Basque Government (IT-683- 13 and SAIOTEK), by the Spanish Ministry of Science and Innovation under the project NG-RADIATE (TEC2009-14201), and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under the project HEDYT-GBB (TEC2012- 33302

Constellation design for future communication systems: a comprehensive survey

[EN] The choice of modulation schemes is a fundamental building block of wireless communication systems. As a key component of physical layer design, they critically impact the expected communication capacity and wireless signal robustness. Their design is also critical for the successful roll-out of wireless standards that require a compromise between performance, efficiency, latency, and hardware requirements. This paper presents a survey of constellation design strategies and associated outcomes for wireless communication systems. The survey discusses their performance and complexity to address the need for some desirable properties, including consistency, channel capacity, system performance, required demapping architecture, flexibility, and independence. Existing approaches for constellation designs are investigated using appropriate metrics and categorized based on their theoretical algorithm design. Next, their application to different communication standards is analyzed in context, aiming at distilling general guidelines applicable to the wireless building block design. Finally, the survey provides a discussion on design directions for future communication system standardization processes.This work was supported in part by the Basque Government under Grant IT1234-19, in part by the PREDOC under Program PRE_2020_2_0105, and in part by the Spanish Government through the Project PHANTOM (MCIU/AEI/FEDER, UE) under Gran

Physical layer forward error correcetion in DVB-S2 networks.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2012.The rapid growth of wireless systems has shown little sign of ceasing, due to increased consumer demand for reliable interactive services. A key component of the development has centered on satellite networks, which allows provision of services in scenarios where terrestrial systems are not viable. The Digital Video Broadcasting-Satellite Second Generation (DVB-S2) standard was developed for use in satellite broadcast applications, the foremost being video broadcasting. Inherent to DVB-S2 is a powerful forward error correction (FEC) module, present in both the Physical and Data Link Layer. Improving the error correcting capability of the FEC is a natural advent in improving the quality of service of the protocol. This is more crucial in real time satellite video broadcast where retransmission of data is not viable, due to high latency. The Physical Layer error correcting capability is implemented in the form of a concatenated BCH-LDPC code. The DVB-S2 standard does not define the decoding structure for the receiver system however many powerful decoding systems have been presented in the literature; the Belief Propagation-Chase concatenated decoder being chief amongst them. The decoder utilizes the concept of soft information transfer between the Chase and Belief Propagation (BP) decoders to provide improved error correcting capability above that of the component decoders. The following dissertation is motivated by the physical layer (PL) FEC scheme, focused on the concatenated Chase-BP decoder. The aim is to generate results based on the BP-Chase decoder in a satellite channel as well as improve the error correcting capability. The BP-Chase decoder has shown to be very powerful however the current literature provides performance results only in AWGN channels. The AWGN channel however is not an accurate representation of a land-mobile satellite (LMS) channel; it does not consider the effect of shadowing, which is prevalent in satellite systems. The development of Markov chain models have allowed for better description of the characteristics of the LMS channel. The outcome being the selection of a Ku band LMS channel model. The selected LMS channel model is composed of 3 states, each generating a different degree of shadowing. The PL system has been simulated using the LMS channel and BP-Chase receiver to provide a more accurate representation of performance of a DVB-S2 network. The effect of shadowing has shown to reduce coding performance by approximately 4dB, measured over several code lengths and decoders, when compared with AWGN performance results. The second body of work aims to improve the error correcting capability of the BP-Chase decoder, concentrating on improving the LDPC decoding module performance. The LDPC system is the basis for the powerful error correcting ability of the concatenated scheme. In attempting to improve the LDPC decoder a reciprocal improvement is expected in the overall decoding performance of the concatenated decoder. There have been several schemes presented which improve BP performance. The BP-Ordered statistics decoder (OSD) was selected through a process of literary review; a novel decoding structure is presented incorporating the BP-OSD decoder into the BP-Chase structure. The result of which is the BP-OSD-Chase decoder. The decoder contains two stages of concatenation; the first stage implements the BPOSD algorithm which decodes the LDPC code and the second stage decodes the BCH code using the Chase algorithm. Simulation results of the novel decoder implementation in the DVBS2 PL show a coding gain of 0.45dB and 0.15dB versus the BP and BP-Chase decoders respectively, across both the AWGN and LMS channel

Capacity -based parameter optimization of bandwidth constrained CPM

Continuous phase modulation (CPM) is an attractive modulation choice for bandwidth limited systems due to its small side lobes, fast spectral decay and the ability to be noncoherently detected. Furthermore, the constant envelope property of CPM permits highly power efficient amplification. The design of bit-interleaved coded continuous phase modulation is characterized by the code rate, modulation order, modulation index, and pulse shape. This dissertation outlines a methodology for determining the optimal values of these parameters under bandwidth and receiver complexity constraints. The cost function used to drive the optimization is the information-theoretic minimum ratio of energy-per-bit to noise-spectral density found by evaluating the constrained channel capacity. The capacity can be reliably estimated using Monte Carlo integration. A search for optimal parameters is conducted over a range of coded CPM parameters, bandwidth efficiencies, and channels. Results are presented for a system employing a trellis-based coherent detector. To constrain complexity and allow any modulation index to be considered, a soft output differential phase detector has also been developed.;Building upon the capacity results, extrinsic information transfer (EXIT) charts are used to analyze a system that iterates between demodulation and decoding. Convergence thresholds are determined for the iterative system for different outer convolutional codes, alphabet sizes, modulation indices and constellation mappings. These are used to identify the code and modulation parameters with the best energy efficiency at different spectral efficiencies for the AWGN channel. Finally, bit error rate curves are presented to corroborate the capacity and EXIT chart designs