Estimation Techniques for OFDM with application to Digital Video Broadcasting Standards

La tesi discute tre tra le principali operazioni svolte da un ricevitore per segnali OFDM: i) sincronizzazione di simbolo e di frequenza, ii) stima di canale e iii) demodulazione del segnale. Dal momento che la modulazione OFDM è adottata in molti sistemi diversi, ognuno dei quali fa fronte agli stessi problemi con tecniche caratteristiche, gli argomenti proposti assumono un carattere molto generale. In questo lavoro, perciò, si tratteranno alcune tecniche OFDM applicate agli standard di diffusione terrestre della televisione digitale. La radiodiffusione terrestre della TV digitale ha come standard più diffuso in ambito mondiale il DVB-T. Il sistema è basato sulla trasmissione di un flusso audio/video della famiglia MPEG-2, mediante modulazione OFDM. Recentemente, nel Marzo 2006, il desiderio di migliorare la qualità del servizio, e migliorare la potenza del sistema televisivo hanno stimolato il gruppo DVB a studiare delle nuove opzioni per il miglioramento dello standard DVB-T. Nel 2007 è iniziata l’opera di standardizzazione del nuovo sistema. Dopo due anni, nel 2009, è stato pubblicato lo standard del sistema DVB-T di nuova generazione, che ha preso il nome di DVB-T2. Test sul campo hanno dimostrato che la nuova tecnologia, ancora basata su OFDM, può garantire un incremento di capacità del 30% in più rispetto al sistema precedente. I primi a trasmettere secondo la modalità DVB-T2 sono state alcune reti inglesi. Tuttavia, benché BBC, ITV1 e Channel 4, trasmettessero già in DVB-T2 su uno o due canali, nell’Ottobre 2010, l’emittente televisiva italiana Europa 7 ha lanciato il suo bouquet di 12 canali che trasmettono con tecnologia DVB-T2, divenendo di fatto il primo broadcaster al mondo a trasmettere esclusivamente in DVB-T2. Nel Novembre 2010, i 14 paesi componenti la comunità dei paesi Sud-Africani ha selezionato DVB-T2 come standard di diffusione televisivo della regione. La comunità prevede di operare lo switch-over digitale indicativamente nel Dicembre 2013. Come già abbiamo detto, entrambi gli standard DVB-T hanno scelto OFDM come schema di modulazione. Infatti, il largo utilizzo dell’OFDM si deve alla sua praticità di utilizzo, dovuta alla possibilità di realizzare modulatori e demodulatori a ridotta complessità. Le operazioni di demodulazione e modulazione sono realizzate rispettivamente tramite Trasformata di Fourier (FFT) e la sua operazione inversa (IFFT). FFT e IFFT sono entrambe realizzate mediante lo stesso algoritmo che è ottimizzato per operare su blocchi di campioni di lunghezza pari alle potenze di due, per esempio 2048 e 8096. Comunque, per permettere la realizzazione di procedure semplici di equalizzazione e quindi evitare l’interferenza tra simboli successivi, un Intervallo di Guardia (GI) deve essere trasmesso prima del blocco OFDM. Il GI riduce l’efficienza di trasmissione, in quanto è subito scartato dal ricevitore. La prima parte di questa tesi propone una struttura per il ricevitore che permetta di usare il GI per migliorare la decodifica dei dati. Le prestazioni di questa struttura sono analizzate confrontandola con altre due strutture in uno dei possibili scenari per il DVB-T2. Successivamente, è anche valutato l’impatto dei codici LDPC sulle prestazioni della struttura proposta. La seconda parte della tesi si concentra sulla stima di canale, che in molti casi rappresenta la base per le tecniche di elaborazione di segnale utilizzate nella ricezione di un segnale OFDM generico. In particolare noi consideriamo la stima di canale per sistemi OFDM che utilizzano delle portanti note al ricevitore. La trasmissione di simboli pilota in un sottoinsieme di portanti in un sistema OFDM permette di ottenere una efficiente stima di canale Least Square (LS) al ricevitore. Per questi sistemi la stima di canale è realizzata prima sulle portanti pilota, e successivamente interpolata nel tempo e in frequenza. In questo lavoro si propone di migliorare la stima LS sulle portanti filtrando la stima di canale con dei filtri adattativi. L’operazione di filtraggio è realizzata prima tra simboli OFDM successivi e poi tra portanti di un medesimo simbolo, in modo da sfruttare le correlazioni tra i diversi campioni stimati e ridurre così il livello di rumore. Si sono considerati diverse tecniche adattative per permettere ai filtri di seguire le condizioni di tempo-varianza del canale. Sono state applicate le teorie sui filtri least mean square e Kalman, per progettare filtri a risposta impulsiva limitata o infinita. Lo scopo degli algoritmi adattativi sviluppati è di ottenere delle strutture semplici, in grado di operare su simboli OFDM di grandi dimensioni, e con ricevitori con limitate risorse in termini di potenza di calcolo e memoria. Comunque, mentre molte tecniche considerano un singolo filtro per operare nel dominio della frequenza, cioé dopo l’interpolazione temporale, questa tesi propone l’utilizzo innovativo di più filtri che tengano in considerazione le diverse statistiche di correlazione tra le stime ottenute sulle portanti pilota e quelle ottenute tramite interpolazione temporale. In altre parole, si è proposto di progettare in parallelo più filtri adattativi, ognuno che operi su un sottoinsieme indipendente di portanti. L’idea è quella di sfruttare il fatto che le stime ottenute per interpolazione temporale hanno un’affidabilità diversa rispetto alle stime ottenute con il metodo LS, e quindi pesando le correlazioni in modo appropriato, al momento della procedura di filtraggio adattativo, è possibile un miglioramento delle prestazioni di stima. I risultati sono riportati con riferimento agli standard DVB-T e DVB-T2, dimostrando che la tecnica proposta è competitiva, o addirittura migliore, rispetto alle tecniche utilizzate in precedenza, permettendo una riduzione sostanziale della complessità di calcolo. Sebbene i risultati siano presentati con riferimento agli standard televisivi, queste tecniche possono essere applicate a qualsiasi sitema che utilizzi una modulazione OFDM con portanti pilota note al ricevitore. L’ultima parte della tesi si occupa di sincronizzazione del segnale DVB-T2. Lo standard DVB-T2 definisce un simbolo specifico, detto simbolo P1, per facilitare l’acqusizione iniziale del segnale e la sincronizzazione. In questa parte della tesi si rivisita la tecnica di sincronizzazione basata su correlazione delle parti ridondanti del segnale ricevuto, definita nelle linee guida dello standard. Dopodiché si mostra che essa fallisce quando certe configurazioni reali di canale si presentano, per esempio nel caso di canale caratteristico di una single-frequency network (SFN). Perciò, prima si propone una versione modificata della tecnica base che sfrutti meglio la correlazione del segnale, successivamente si ricava l’espressione analitica della funzione di massima verosimiglianza (ML) per la sincronizzazione di tempo e frequenza. Sfortunatamente non è possibile trovare una forma analitica dello stimatore ML che massimizza la funzione di massima verosimiglianza, perciò è stato introdotto uno schema semplificato che considera la stima ML solo del tempo (MLT), lasciando la stima dell’offset di frequenza ad uno stimatore sub-ottimo. Gli schemi proposti sono confrontati con soluzioni pre-esistenti sia con canali selettivi in frequenza che non. I risultati mostrano che sia la tecnica ML, che la tecnica MLT, sono in grado di raggiungere una corretta sincronizzazione con una probabilità maggiore del 99%. Infine, l’ultimo capitolo raccoglie i risultati di tutte le simulazioni delle tecniche trattate nei capitoli precedenti.