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 tecnologia de multiples entradas y multiples salidas (MIMO) en redes de Television 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 electromagnetico (e.g., designacion del dividendo digital y la demanda de espectro por parte de las redes de comunicaciones moviles), la aparicion 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 movil). Es ampliamente reconocido que MIMO puede proporcionar multiples beneficios como: potencia recibida adicional gracias a las ganancias de array, mayor robustez contra desvanecimientos de la senal gracias a la diversidad espacial y mayores tasas de transmision 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 caracteristicas fisicas del entorno de propagacion como: la correlacion entre los canales espaciales, la orientacion de las antenas y/o los desbalances de potencia sufridos en las antenas transmisoras. Adicionalmente, debido a restricciones en la complejidad y aritmetica de precision finita en los receptores, es fundamental para el rendimiento global del sistema un diseno cuidadoso de algoritmos especificos de procesado de senal. Esta tesis doctoral se centra en el procesado de senal, 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 atencion al diseno y evaluacion de receptores practicos MIMO-BICM basados en informacion 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 estandarizacion de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), la evolucion portatil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), y ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporan MIMO-BICM como clave tecnologica para superar el limite de Shannon para comunicaciones con una unica antena. No obstante, esta tesis doctoral emplea un metodo generico tanto para el diseno, analisis y evaluacion, por lo que los resultados e ideas pueden ser aplicados a otros sistemas de comunicacion inalambricos que empleen MIMO-BICM. [CAT] La tecnologia de multiples entrades i multiples eixides (MIMO) en xarxes de Televisio Digital Terrestre (TDT) te el potencial d'incrementar l'eficiencia espectral i millorar la cobertura de xarxa per a afrontar les demandes d'us de l'escas espectre electromagnetic (e.g., designacio del dividend digital i la demanda d'espectre per part de les xarxes de comunicacions mobils), l'aparicio de nous continguts d'alta taxa de dades (e.g., ultra-high deffinition TV - UHDTV) i la ubiquitat del contingut (e.g., fix, portatil i mobil). Es ampliament reconegut que MIMO pot proporcionar multiples beneficis com: potencia rebuda addicional gracies als guanys de array, major robustesa contra esvaiments del senyal gracies a la diversitat espacial i majors taxes de transmissio gracies al guany per multiplexat del canal MIMO. Aquests beneficis es poden aconseguir sense incrementar la potencia transmesa ni l'ample de banda, pero 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'us de MIMO depenen directament de les caracteristiques fisiques de l'entorn de propagacio com: la correlacio entre els canals espacials, l'orientacio de les antenes, i/o els desequilibris de potencia patits en les antenes transmissores. Addicionalment, a causa de restriccions en la complexitat i aritmetica de precisio finita en els receptors, es fonamental per al rendiment global del sistema un disseny acurat d'algorismes especifics 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 atencio al disseny i avaluacio de receptors practics MIMO-BICM basats en informacio quantificada i al seu impacte tant en la memoria del xip com en el rendiment del sistema. Aquestes recerques es duen a terme en el context d'estandarditzacio de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), l'evolucio portatil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), i ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporen MIMO-BICM com a clau tecnologica per a superar el limit de Shannon per a comunicacions amb una unica antena. No obstant aco, aquesta tesi doctoral empra un metode generic tant per al disseny, analisi i avaluacio, per la qual cosa els resultats i idees poden ser aplicats a altres sistemes de comunicacio sense fils que empren MIMO-BICM.