Decodificador convolucional de Viterbi com soft-decision e bit interleaver

Abstract

In this work we design and implement a Viterbi convolutional decoder with Soft- Decision and bit interleaving for digital communication systems based upon quadrature amplitude modulation. This decoder is part of researches of a Sistema Brasileiro de Televisão Digital subsystem, called “Modulação Inovadora” developed integrally in the Centro de Pesquisa em Tecnologias Wireless (CPTW) of Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). The Sistema Brasileiro de Televisão Digital was established by the Nº4. 901 Brazilian government decree of November 27th of 2003. Since PUCRS got the “Modulação Inovadora” project incumbency, the CPTW’s R&D crew decided to use just cutting edge techniques to compose the most advanced and reliable modulator as possible. In this way was decided to use Soft-Decision as the mode of operation of the Viterbi decoding and that’s the reason why this work treat about this theme. It is important to say that is very difficult or almost impossible find references (books about wireless technologies or scientific and technical papers) that show or indicate the way for the practical implementation of a Viterbi decoder with these specific high performance characteristics. This implementation just was possible by the inferences made over academic papers published by world respected publications as the IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers), hypothesis tests in laboratory and practical experiments. All that work was made inside the Laboratório de Sistemas Wireless (LSW) of CPTW during the master degree entailed to the “Modulação Inovadora” project. The research results were very important for the fast and successful subsequent developments in the CPTW, as the ISDB-T modulator and demodulator. The ISDB-T system is the Japanese broadcast digital television system that Brazil adopted as the Brazilian terrestrial digital television broadcast standard. The CPTW got the “Desenvolvimento de Moduladores para Broadcast de Sinais de TV Digital” project development incumbency with the contract “Concessão de Colaboração Financeira Não- Reembolsável No. 06. 2. 1194. 1. 4” signed with the Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES). In this contract the CPTW assumed the compromise of developing one ISDB-T modulator over an field programmable gate array (FPGA) platform to be later converted to an dedicated integrated circuit (ASIC). To do so all the concepts and knowledge obtained in these work was decisive important to develop the ISDB-T modulator and one validation test ISDB-T demodulator.

Esta dissertação versa sobre a análise, o projeto e a implementação de um decodificador convolucional de Viterbi com Soft-Decision precedido por bit interleaving, visando a aplicação em sistemas de comunicação digital com modulação M-QAM. O decodificador implementado é parte do processo de desenvolvimento do sub-sistema de “Modulação inovadora” do Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), instituído pelo decreto Nº4. 901, de 27 de novembro de 2003. O subsistema “Modulação inovadora” foi desenvolvido no Centro de Pesquisas em Tecnologias Wireless (CPTW) da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). Tendo a PUCRS recebido do governo brasileiro a incumbência do desenvolvimento do subsistema de “Modulação inovadora”, a equipe de P&D do CPTW decidiu que o codificador de canal do sistema em desenvolvimento deveria incluir Soft-Decision em conjunto com bit-interleaving, para efeito de maximizar o desempenho operacional do sistema. Esta é, portanto, a razão da escolha do tema desta dissertação. É interessante aqui observar a dificuldade de se encontrar, para não dizer a inexistência de literatura (tanto em livros quanto em publicações acadêmicas) indicando diretivas efetivas que auxiliem na implementação prática deste decodificador. Esta implementação só foi possível a partir de inferências sobre textos acadêmicos publicados em veículos conceituados como o IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engeneers), e a partir de experimentação prática e de testes de hipóteses em laboratório, trabalho este executado durante as atividades de pesquisa no Laboratório de Sistemas Wireless (LSW) do CPTW, vinculado a este mestrado. Os resultados obtidos a partir do desenvolvimento destes estudos foram, também, de vital importância para o rápido e bem sucedido desenvolvimento do projeto do codificador e decodificador de canal do sistema ISDB-T. O sistema ISDB-T, japonês, foi o sistema escolhido pelo governo brasileiro para ser o sistema de televisão digital aberta adotado no Brasil. O CPTW da PUCRS recebeu do governo a incumbência de desenvolver o projeto “Desenvolvimento de Moduladores para Broadcast de Sinais de TV Digital” através do contrato “Concessão de Colaboração Financeira Não-Reembolsável No. 06. 2. 1194. 1. 4” com o Banco Nacional de Desenvolvimento do Econômico e Social (BNDES), projeto este que prevê a concepção e execução de um modulador ISDB-T em lógica programável, para posterior conversão em um chip dedicado. A construção deste modulador implica necessariamente na construção de um demodulador, para efeito de validação do projeto, tendo sido, desta forma, utilizados todos os conceitos, conhecimentos e resultados obtidos a partir do trabalho de pesquisa que originou esta dissertação.