Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

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

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

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

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

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

Factor Graph Based Detection Schemes for Mobile Terrestrial DVB Systems with Long OFDM Blocks

This PhD dissertation analyzes the performance of second generation digital video broadcasting (DVB) systems in mobile terrestrial environments and proposes an iterative detection algorithm based on factor graphs (FG) to reduce the distortion caused by the time variation of the channel, providing error-free communication in very severe mobile conditions. The research work focuses on mobile scenarios where the intercarrier interference (ICI) is very high: high vehicular speeds when long orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) blocks are used. As a starting point, we provide the theoretical background on the main topics behind the transmission and reception of terrestrial digital television signals in mobile environments, along with a general overview of the main signal processing techniques included in last generation terrestrial DVB systems. The proposed FG-based detector design is then assessed over a simpli ed bit-interleaved coded modulation (BICM)-OFDM communication scheme for a wide variety of mobile environments. Extensive simulation results show the e ectiveness of the proposed belief propagation (BP) algorithm over the channels of interest in this research work. Moreover, assuming that low density parity-check (LDPC) codes are decoded by means of FG-based algorithms, a high-order FG is de ned in order to accomplish joint signal detection and decoding into the same FG framework, o ering a fully parallel structure very suitable when long OFDM blocks are employed. Finally, the proposed algorithms are analyzed over the physical layer of DVB-T2 speci cation. Two reception schemes are proposed which exploit the frequency and time-diversity inherent in time-varying channels with the aim of achieving a reasonable trade-o among performance, complexity and latency.Doktoretza tesi honek bigarren belaunaldiko telebista digitalaren eraginkortasuna aztertzen du eskenatoki mugikorrean, eta faktoreen grafoetan oinarritzen den hartzaile iteratibo bat proposatzen du denboran aldakorra den kanalak sortzen duen distortsioa leundu eta seinalea errorerik gabe hartzea ahalbidetzen duena. Proposatutako detektorea BICM-OFDM komunikazio eskema orokor baten gainean ebaluatu da lurreko broadcasting kanalaren baldintzak kontutan hartuz. Simulazio emaitzek algoritmo honen eraginkortasuna frogatzen dute Doppler frekuentzia handietan. Ikerketa lanaren bigarren zatian, faktoreen grafoetan oinarritutako detektorea eskema turbo zabalago baten baitan txertatu da LDPC dekodi katzaile batekin batera. Hartzaile diseinu honen abantaila nagusia da OFDM simbolo luzeetara ondo egokitzen dela. Azkenik, proposatutako algoritmoa DVB-T2 katearen baitan inplementatu da, bi hartzaile eskema proposatu direlarik seinaleak duen dibertsitate tenporal eta frekuentziala probesteko, beti ere eraginkortasunaren, konplexutasunaren eta latentziaren arteko konpromisoa mantenduz.Este trabajo de tesis analiza el rendimiento de la segunda generación de la televisión digital terreste en escenarios móviles y propone un algoritmo iterativo basado en grafos de factores para la detección de la señal y la reducción de la distorsión causada por la variación temporal del canal, permitiendo así recibir la señal libre de errores. El detector basado en grafos de factores propuesto es evaluado sobre un esquema de comunicaciones general BICM-OFDM en condiciones de transmisión propios de canales de difusión terrestres. Los resultados de simulación presentados muestran la e ciencia del algoritmo de detección propuesto en presencia de frecuencias Doppler muy altas. En una segunda parte del trabajo de investigación, el detector propuesto es incorporado a un esquema turbo junto con un decodi cador LDPC, dando lugar a un receptor iterativo que presenta características especialmente apropiadas para su implementación en sistemas OFDM con longitudes de símbolo elevadas. Por último, se analiza la implementación del algoritmo propuesto sobre la cadena de recepción de DVB-T2. Se presentan dos esquemas de recepción que explotan la diversidad temporal y frecuencial presentes en la señal afectada por canales variantes en el tiempo, consiguiendo un compromiso razonable entre rendimiento, complejidad y latencia

High mobility in OFDM based wireless communication systems

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been adopted as the transmission scheme in most of the wireless systems we use on a daily basis. It brings with it several inherent advantages that make it an ideal waveform candidate in the physical layer. However, OFDM based wireless systems are severely affected in High Mobility scenarios. In this thesis, we investigate the effects of mobility on OFDM based wireless systems and develop novel techniques to estimate the channel and compensate its effects at the receiver. Compressed Sensing (CS) based channel estimation techniques like the Rake Matching Pursuit (RMP) and the Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) are developed to estimate the channel in a precise, robust and computationally efficient manner. In addition to this, a Cognitive Framework that can detect the mobility in the channel and configure an optimal estimation scheme is also developed and tested. The Cognitive Framework ensures a computationally optimal channel estimation scheme in all channel conditions. We also demonstrate that the proposed schemes can be adapted to other wireless standards easily. Accordingly, evaluation is done for three current broadcast, broadband and cellular standards. The results show the clear benefit of the proposed schemes in enabling high mobility in OFDM based wireless communication systems.Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) wurde als Übertragungsschema in die meisten drahtlosen Systemen, die wir täglich verwenden, übernommen. Es bringt mehrere inhärente Vorteile mit sich, die es zu einem idealen Waveform-Kandidaten in der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) machen. Allerdings sind OFDM-basierte drahtlose Systeme in Szenarien mit hoher Mobilität stark beeinträchtigt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen der Mobilität auf OFDM-basierte drahtlose Systeme und entwickeln neuartige Techniken, um das Verhalten des Kanals abzuschätzen und seine Auswirkungen am Empfänger zu kompensieren. Auf Compressed Sensing (CS) basierende Kanalschätzverfahren wie das Rake Matching Pursuit (RMP) und das Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) werden entwickelt, um den Kanal präzise, robust und rechnerisch effizient abzuschätzen. Darüber hinaus wird ein Cognitive Framework entwickelt und getestet, das die Mobilität im Kanal erkennt und ein optimales Schätzungsschema konfiguriert. Das Cognitive Framework gewährleistet ein rechnerisch optimales Kanalschätzungsschema für alle möglichen Kanalbedingungen. Wir zeigen außerdem, dass die vorgeschlagenen Schemata auch leicht an andere Funkstandards angepasst werden können. Dementsprechend wird eine Evaluierung für drei aktuelle Rundfunk-, Breitband- und Mobilfunkstandards durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen den klaren Vorteil der vorgeschlagenen Schemata bei der Ermöglichung hoher Mobilität in OFDM-basierten drahtlosen Kommunikationssystemen

Design and Implementation of Belief Propagation Symbol Detectors for Wireless Intersymbol Interference Channels

In modern wireless communication systems, intersymbol interference (ISI) introduced by frequency selective fading is one of the major impairments to reliable data communication. In ISI channels, the receiver observes the superposition of multiple delayed reflections of the transmitted signal, which will result errors in the decision device. As the data rate increases, the effect of ISI becomes severe. To combat ISI, equalization is usually required for symbol detectors. The optimal maximum-likelihood sequence estimation (MLSE) based on the Viterbi algorithm (VA) may be used to estimate the transmitted sequence in the presence of the ISI. However, the computational complexity of the MLSE increases exponentially with the length of the channel impulse response (CIR). Even in channels which do not exhibit significant time dispersion, the length of the CIR will effectively increase as the sampling rate goes higher. Thus the optimal MLSE is impractical to implement in the majority of practical wireless applications. This dissertation is devoted to exploring practically implementable symbol detectors with near-optimal performance in wireless ISI channels. Particularly, we focus on the design and implementation of an iterative detector based on the belief propagation (BP) algorithm. The advantage of the BP detector is that its complexity is solely dependent on the number of nonzero coefficients in the CIR, instead of the length of the CIR. We also extend the work of BP detector design for various wireless applications. Firstly, we present a partial response BP (PRBP) symbol detector with near-optimal performance for channels which have long spanning durations but sparse multipath structure. We implement the architecture by cascading an adaptive linear equalizer (LE) with a BP detector. The channel is first partially equalized by the LE to a target impulse response (TIR) with only a few nonzero coefficients remaining. The residual ISI is then canceled by a more sophisticated BP detector. With the cascaded LE-BP structure, the symbol detector is capable to achieve a near-optimal error rate performance with acceptable implementation complexity. Moreover, we present a pipeline high-throughput implementation of the detector for channel length 30 with quadrature phase-shift keying (QPSK) modulation. The detector can achieve a maximum throughput of 206 Mb/s with an estimated core area of 3.162 mm^{2} using 90-nm technology node. At a target frequency of 515 MHz, the dynamic power is about 1.096 W. Secondly, we investigate the performance of aforementioned PRBP detector under a more generic 3G channel rather than the sparse channel. Another suboptimal partial response maximum-likelihood (PRML) detector is considered for comparison. Similar to the PRBP detector, the PRML detector also employs a hybrid two-stage scheme, in order to allow a tradeoff between performance and complexity. In simulations, we consider a slow fading environment and use the ITU-R 3G channel models. From the numerical results, it is shown that in frequency-selective fading wireless channels, the PRBP detector provides superior performance over both the traditional minimum mean squared error linear equalizer (MMSE-LE) and the PRML detector. Due to the effect of colored noise, the PRML detector in fading wireless channels is not as effective as it is in magnetic recording applications. Thirdly, we extend our work to accommodate the application of Advanced Television Systems Committee (ATSC) digital television (DTV) systems. In order to reduce error propagation caused by the traditional decision feedback equalizer (DFE) in DTV receiver, we present an adaptive decision feedback sparsening filter BP (DFSF-BP) detector, which is another form of PRBP detector. Different from the aforementioned LE-BP structure, in the DFSF-BP scheme, the BP detector is followed by a nonlinear filter called DFSF as the partial response equalizer. In the first stage, the DFSF employs a modified feedback filter which leaves the strongest post-cursor ISI taps uncorrected. As a result, a long ISI channel is equalized to a sparse channel having only a small number of nonzero taps. In the second stage, the BP detector is applied to mitigate the residual ISI. Since the channel is typically time-varying and suffers from Doppler fading, the DFSF is adapted using the least mean square (LMS) algorithm, such that the amplitude and the locations of the nonzero taps of the equalized sparse channel appear to be fixed. As such, the channel appears to be static during the second stage of equalization which consists of the BP detector. Simulation results demonstrate that the proposed scheme outperforms the traditional DFE in symbol error rate, under both static channels and dynamic ATSC channels. Finally, we study the symbol detector design for cooperative communications, which have attracted a lot of attention recently for its ability to exploit increased spatial diversity available at distributed antennas on other nodes. A system framework employing non-orthogonal amplify-and-forward half-duplex relays through ISI channels is developed. Based on the system model, we first design and implement an optimal maximum-likelihood detector based on the Viterbi algorithm. As the relay period increases, the effective CIR between the source and the destination becomes long and sparse, which makes the optimal detector impractical to implement. In order to achieve a balance between the computational complexity and performance, several sub-optimal detectors are proposed. We first present a multitrellis Viterbi algorithm (MVA) based detector which decomposes the original trellis into multiple parallel irregular sub-trellises by investigating the dependencies between the received symbols. Although MVA provides near-optimal performance, it is not straightforward to decompose the trellis for arbitrary ISI channels. Next, the decision feedback sequence estimation (DFSE) based detector and BP-based detector are proposed for cooperative ISI channels. Traditionally these two detectors are used with fixed, static channels. In our model, however, the effective channel is periodically time-varying, even when the component channels themselves are static. Consequently, we modify these two detector to account for cooperative ISI channels. Through simulations in frequency selective fading channels, we demonstrate the uncoded performance of the DFSE detector and the BP detector when compared to the optimal MLSE detector. In addition to quantifying the performance of these detectors, we also include an analysis of the implementation complexity as well as a discussion on complexity/performance tradeoffs

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)

A Novel Data-Aided Channel Estimation with Reduced Complexity for TDS-OFDM Systems

In contrast to the classical cyclic prefix (CP)-OFDM, the time domain synchronous (TDS)-OFDM employs a known pseudo noise (PN) sequence as guard interval (GI). Conventional channel estimation methods for TDS-OFDM are based on the exploitation of the PN sequence and consequently suffer from intersymbol interference (ISI). This paper proposes a novel dataaided channel estimation method which combines the channel estimates obtained from the PN sequence and, most importantly, additional channel estimates extracted from OFDM data symbols. Data-aided channel estimation is carried out using the rebuilt OFDM data symbols as virtual training sequences. In contrast to the classical turbo channel estimation, interleaving and decoding functions are not included in the feedback loop when rebuilding OFDM data symbols thereby reducing the complexity. Several improved techniques are proposed to refine the data-aided channel estimates, namely one-dimensional (1-D)/two-dimensional (2-D) moving average and Wiener filtering. Finally, the MMSE criteria is used to obtain the best combination results and an iterative process is proposed to progressively refine the estimation. Both MSE and BER simulations using specifications of the DTMB system are carried out to prove the effectiveness of the proposed algorithm even in very harsh channel conditions such as in the single frequency network (SFN) case