Recentemente, o Brasil adotou o padrão SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) para transmissão de TV digital. Este utiliza o CODEC (codificador e decodificador) de vídeo H.264/AVC, que é considerado o estado-da-arte no contexto de compressão de vídeo digital. Esta transição para o SBTVD requer o desenvolvimento de tecnologia para transmissão, recepção e decodificação de sinais, assim, o projeto Rede H.264 SBTVD foi iniciado e tem como um dos objetivos a produção de componentes de hardware para construção de um set-top box SoC (System on Chip) compatível com o SBTVD. No sentido de produzir IPs (Intellectual Property) para codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC, várias arquiteturas de hardware vêm sendo desenvolvidas no âmbito do projeto. Assim, o objetivo deste trabalho consiste na realização da implementação física em ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) de algumas destas arquiteturas de hardware para decodificação de vídeo H.264/AVC, entre elas as arquiteturas parser e decodificação de entropia, predição intra-quadro e, por fim, quantização e transformadas inversas, que juntas formam uma versão funcional de um decodificador de vídeo H.264 chamado de decodificador intra-only. Além destas, também foi fisicamente implementada uma arquitetura para o módulo filtro redutor de efeito de bloco e arquiteturas para os perfis Main e High de um compensador de movimentos. Nesta dissertação de mestrado, é apresentada a metodologia de implementação standard-cells (ASIC) utilizada, assim como uma descrição detalhada de cada passo executado para se chegar ao leiaute de cada uma das arquiteturas. Também são apresentados os resultados das implementações e realizadas algumas comparações com outras implementações de arquiteturas descritas na literatura. A implementação do filtro possui 43,9K portas lógicas (equivalent-gates), 42mW de potência e possui a menor quantidade de memória interna, 12,375KB SRAM, quando comparada com outras implementações para a mesma resolução de vídeo, 1920x1080@30fps. As implementações para os perfis Main e High do compensador de movimento apresentam a melhor relação entre a quantidade de ciclos de relógio necessária para interpolar um macrobloco (MB), 304 ciclos/MB, e a quantidade de equivalent-gates de cada implementação, 98K e 102K, respectivamente. Já a implementação do decodificador H.264 intra-only possui 5KB SRAM, 11,4mW de potência e apresenta a menor quantidade de equivalent-gates, 150K, comparado com outras implementações de decodificadores H.264 com características similares. / Recently Brazil has adopted the SBTVD (Brazilian Digital Television System) for digital TV transmission. It uses the H.264/AVC video CODEC (coder and decoder), which is considered the state of the art in the context of digital video compression. This transition to the SBTVD standard requires the development of technology for transmitting, receiving and decoding signals, so a project called Rede H.264 was initiated with the objective of producing cutting edge hardware components to build a set-top box SoC (System on Chip) compatible with the SBTVD. In order to produce IPs (Intellectual Property) for encoding and decoding digital video according to the H.264/AVC standard, many hardware architectures have been developed under the project. Therefore, the objective of this work is to carry out the physical implementation flow for ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) in some of these hardware architectures for H.264/AVC video decoding, including the architectures parser and entropy decoding, intra-prediction and inverse quantization and transforms, which together compound a working version of an H.264 video decoder called intra-only. Besides these architectures, it is also physically implemented an architecture for a deblocking filter module and architectures for motion compensation according the Main and High profiles. This master thesis presents the standard-cells (ASIC) implementation as well as a detailed description of each step necessary to outcome the layouts of each of the architecture. It also presents the results of the implementations and comparisons with other works in the literature. The implementation of the filter has 43.9K gates (equivalent-gates), 42mW of power consumption and it demands the least amount of internal memory, 12.375KB SRAM, when compared with other implementations for the same video resolution, 1920x1080@30fps. The implementations for the Main and High profiles of the motion compensator have the best relationship between the amount of required clock cycles to interpolate a macroblock (MB), 304 cycles/MB, and the equivalent-gate count of each implementation, 98K and 102K, respectively. Also, the implementation of the H.264 intra-only decoder has 5KB SRAM, 11.4 mW of power consumption and it has the least equivalent-gate count, 150K, compared with other implementations of H.264 decoders which have similar features.

Esta dissertação de mestrado apresenta um novo esquema de controle de taxa hierárquico – HRC – para o padrão MVC – extensão para vídeos de múltiplas vistas do padrão H.264 – com objetivo de melhorar o aproveitamento da largura de banda oferecida por um canal entregando o vídeo comprimido com a melhor qualidade possível. Este esquema de controle de taxa hierárquico foi concebido para controlar de forma conjunta os níveis de quadro e de unidades básicas (BU). O esquema proposto explora a correlação existente entre as distribuições das taxas de bits em quadros vizinhos para predizer de forma eficiente o comportamento dos futuras bitrates através da aplicação de um controle preditivo baseado em modelos – MPC – que define uma ação de controle apropriada sobre as ações de adaptação do parâmetro de quantização (QP). Para prover um ajuste em granularidade fina, o QP é adicionalmente adaptado internamente para cada quadro por um processo de decisão de Markov (MDP) implementado em nível de BU capaz de considerar mapas com Regiões de Interesse (RoI). Um retorno acoplado aos dois níveis supracitados é realizado para garantir a consistência do sistema. Aprendizagem por Reforço é utilizada para atualizar os parâmetros do Controle Preditivo baseado em Modelos e do processo de decisão de Markov. Resultados experimentais mostram a superioridade da utilização do esquema de controle proposto, comparado às soluções estado-da-arte, tanto em termos de precisão na alocação de bits quanto na otimização da razão taxa-distorção, entregando um vídeo de maior qualidade visual nos níveis de quadros e de BUs. / This master thesis presents a novel Hierarchical Rate Control – HRC – for the Multiview Video Coding standard targeting an increased bandwidth usage and high video quality. The HRC is designed to jointly address the rate control at both framelevel and Basic Unit (BU)-level. This scheme is able to exploit the bitrate distribution correlation with neighboring frames to efficiently predict the future bitrate behavior by employing a Model Predictive Control that defines a proper control action through QP (Quantization Parameter) adaptation. To provide a fine-grained tuning, the QP is further adapted within each frame by a Markov Decision Process implemented at BU-level able to take into consideration a map of the Regions of Interest. A coupled frame/BU-level feedback is performed in order to guarantee the system consistency. A Reinforcement Learning method is responsible for updating the Model Predictive Control and the Markov Decision Process parameters. Experimental results show the superiority of the Hierarchical Rate Control compared to state-of-the-art solutions, in terms of bitrate allocation accuracy and rate-distortion, while delivering smooth video quality at both frame and Basic Unit levels.

[pt] Os métodos de amortecimento exponencial, apesar de originalmente proposto nos anos 60, continuam em pleno uso nos dias de hoje. Neste trabalho apresentamos um método novo para previsão de séries temporais com ou sem sazonalidade utilizando as teorias de amortecimento exponencial e análise harmônica. Assume-se que a série seja composta por uma tendência secular (constante, linear ou quadrática) e seus parâmetros são atualizados seqüencialmente pelo procedimento de amortecimento direto. Já a parte sazonal é tratada separadamente através da técnica de análise harmônica, conforme sugerida por Harrison, 1964. Dessa forma, o método proposto se apresenta como uma alternativa ao método de Souza & Epprecht, (1983) ; tendo como principal vantagem a rotina de estimação inicial dos parâmetros que no método de Souza & Epprecht produz estimadores tendenciosos em alguns casos. / [en] The method of exponential smoothing, although originally propesed during the 60´s, still continues in use up to today. In this thesis we present a new forecasting method for time series / with and/or without seasonality, applying the theory of exponential smoothing and harmonic analysis. It is assume that the series is composed of secular trend (constant, linear or quadratic) and a seasonal part. The trend parameters are sequentially using direct smoothing procedure. The seasonal part of the process is treated / separately through the technic of harmonica analysis according to Harrison´s suggestion, (1964). In this way, the proposed method can be viewed as an alternative to that of Souza & Epprecht, (1983), which has, as the most important advantage, the routine of initial estimation of the parameters, which in Souza & Epprecht method produces, in some cases, biased estimators.

[pt] Esta dissertação enfoca a combinação de duas conhecidas e eficazes tecnologias usadas em muitas redes de comunicação atuais, as técnicas de transmissão Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). Sistemas MIMO-OFDM unem as vantagens conhecidas da comunicação MIMO, como altas taxas de dados e ampliação da confiabilidade do link, com as características marcantes da transmissão OFDM, como comunicação livre de interferência entre símbolos e a equalização simples no domínio da frequência. Este trabalho apresenta em detalhes a modelagem de sinais do sistema MIMO-OFDM e o processamento adequado no receptor para realizar detecções desacopladas dos sub-símbolos OFDM. Além disso, estratégias de seleção de antenas são propostas para aumentar o desempenho do sistema, explorando cenários em que o transmissor ou receptor está equipado com mais antenas do que o número de cadeias de radiofrequência (RF). Esses procedimentos são baseados em métricas específicas propostas para cada cenário. A avaliação de desempenho inclui sistemas equipados com técnicas de equalização linear e sistemas com pré-codificadores, como Zero-Forcing (ZF) e Minimum Mean Square Error (MMSE). Os resultados de simulação evidenciam que as estratégias de seleção da antena resultam em uma melhoria significativa no desempenho do sistema. / [en] This thesis focuses on the combination of two well-known effective technologies used in many of today s communication networks, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple-Input Multiple- Output (MIMO). It unites the well-known advantages of MIMO communication, such as high data rates and improved link reliability to the characteristics of OFDM, known as intersymbol-interference-free communication and simple frequency-domain equalization. This work presents in detail the signal modelling of MIMO-OFDM system and the adequate processing at the receiver to perform decoupled detections per OFDM subsymbol. In addition, antenna selection strategies are proposed to increase system performance by exploiting some scenarios when the transmitter or receiver is equipped with more antennas than the number of radiofrequency (RF) chains. These procedures are based on the specific metric for the current scenario. The performance of the system is evaluated employing linear equalization or precoding techniques, such as Zero-Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE). Simulation results evidence that antenna selection strategies result in significant system performance improvement.

[pt] Códigos turbo são uma técnica de correção de erro eficiente que vem sendo proposta em diversos padrões de comunicações atuais. Esta técnica apresenta um desempenho que se aproxima dos limites teóricos estabelecidos na Teoria de Codificação. A razão para o excelente desempenho deste tipo de código baseia-se em dois fatores: uma estrutura de codificação composta por codificadores concatenados e uma estrutura de decodificação iterativa. Neste trabalho é realizada uma revisão da literatura onde a decodificação turbo é discutida segundo duas abordagens: uma que baseia-se na estrutura dos codificadores empregados e outra baseada na moderna teoria de grafos- fatores. O desempenho destes códigos é avaliado através de simulações. São considerados fatores como a estrutura dos codificadores, o tipo de modulação empregada, o algoritmo de decodificação utilizado, entre outros. / [en] Turbo codes are an efficient error correcting technique that has been proposed for many communications standards. This technique achieves a performance that is near the theoretical limits established by Information Theory. The reason for this excellent performance of turbo codes relies on two aspects: a coding structure that is composed by concatenated encoders and an iterative decoding procedure. In the literature, two approaches for turbo decoding are presented: one that is based on the encoder structure and another that is built around the factor graphs theory. Both approaches are discussed in this work. Performance evaluation for these codes are obtained through simulations. Some aspects such as encoder structure, modulation scheme and decoding algorithm are considered and evaluated. Also codes derived from turbo codes by puncturing and shortening have been studied in this work.

[pt] Esta dissertação enfoca o enlace direto de sistemas MIMO multiusuário com pré-codificação onde a estação base e os terminais dos usuários possuem múltiplas antenas mas transmitem e recebem, respectivamente, símbolos de informação através de subconjuntos selecionados de seus conjuntos de antenas. O trabalho considera sistemas que utilizam técnicas de précodificação linear como Zero Forcing (ZF) e Minimum Mean Square Error (MMSE). Expressões gerais que descrevem os sistemas e relacionam a energia gasta na transmissão com a energia disponível para a detecção em cada usuário são apresentadas. Com base nestas relações, um procedimento para seleção de antenas na transmissão é proposto visando a minimização da probabilidade de erro. Um algoritmo de busca não exaustiva denominado ITES (Iterative Search) foi desenvolvido e testado e mostrou-se capaz de, com apenas uma pequena fração do esforço computacional, fornecer um desempenho próximo ao da seleção ótima, que demanda uma busca exaustiva. A seleção de antenas na recepção é também efetuada usando um critério de otimização semelhante. O caso geral da seleção conjunta de antenas na transmissão e na recepção contempla a combinação de ambas estratégias, resultando na redução da complexidade tanto na estação base, quanto nos terminais dos usuários. Os resultados de desempenho em termos da taxa de erro de bit, obtidos por meio de simulações e abordagem semianalítica, são apresentados para diferentes cenários. / [en] This thesis focuses on the downlink of a multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems where the Base Station (BS) and the users stations (UEs) transmit and receive information symbols, respectively, by selected subset of their antennas. The performance of the system is evaluated employing linear precoding techniques as Zero Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE). A general model to describe the system and expressions that relate the energy spent in transmission with the energy available for detection at each user are presented. A transmit antenna selection procedure is proposed aiming at the minimization of the detection error probability. A suboptimal search algorithm, called ITES (Iterative Search), able to deliver a performance close to the one resulting from the optimal exhaustive search selection is also proposed. The receive antenna selection is also performed using a similar optimization criterion. Joint antennas selection at the transmitter and receiver contemplates the efficient combination of both strategies, leading to a complexity reduction in BS and UEs. BER performance results, obtained via simulation and semi-analytical approaches, are presented for different scenarios.

[pt] Os códigos IRA (Irregular Repeat-Accumulate) são uma classe de códigos criada com o objetivo de permitir codificação em tempo linear garantindo comunicação robusta a taxas próximas à capacidade do canal. Eles foram introduzidas por Jin, Khandekar and McEliece em 2000. O artigo no qual foram apresentados provou que os códigos IRA alcançavam a capacidade do canal de apagamento e mostravam desempenho cmparável ao dos códigos Turbo no canal AWGN (Additive White Gaussian Noise). Os desenvolvimentos teóricos por trás dos códigos IRA vieram da busca pelos primeiros códigos LDPC (Low Density Parity Check), ou códigos em grafos, que atingiriam a capacidade do canal AWGN. Os códigos LDPC - propostos originalmente por Robert Gallager em 1963 - se tornaram objeto de grande interesse nas últimas décadas após um longo período de ostracismo desde sua concepção, desenvolvendo seu potencial para codificação de canal em aplicações tão diversas quanto comunicações por satélite, redes sem fio e streaming via IP, bem como codificação distribuída de fonte. O objetivo desta dissertação é a avaliação dos códigos IRA e os efeitos de diferentes métodos de construção de grafos em seu desempenho. O uso das muitas variações do algoritmo PEG (Progressive Edge-Growth) foi testado em simulações no canal AWGN. / [en] Irregular Repeat-Accumulate codes are motivated by the challenge of providing a class of codes that use linear-time encoding and decoding while communicating reliably at rates close to channel capacity. They were introduced by Hui Jin, Khandekar and McEliece in 2000, their article proves that IRA codes achieve channel capacity for the binary erasure channel and exhibit remarkably good performance on the AWGN channel. The theoretical developments supporting IRA codes stem from the efforts ar the development of capacity achieving Low-Density Parity-Check codes. LDPC codes were first proposed by Robert Gallager in 1963 and became the subject of intense research during the past decade after being dormant for a long period since its conception. Efforts by many researchers have developed its potential for channel coding in applications as diverse as satellite communications, wireless networks and streaming over IP, as well as studies on its usage in Distributed Source Coding. The goal of this dissertation is the evaluation of IRA codes and the effects of different graph construction methods in its performance. The use of the many variations of the Progressive Edge-Growth algorithm with IRA codes was tested in simulations on the AWGN channel.

[pt] Esta dissertação propõe algoritmos para codificações de voz a taxas médias em torno de 1,2 Kb/s. Um esquema de quantização vetorial preditiva chaveada com desempenho superior aos esquemas previamente descritos na literatura é proposto e avaliado em canal com ou sem ruído. Detectores eficientes de período fundamental e de sons oclusivos e fricativos são examinados e adaptados ao codificador proposto. Técnicas de exitação a baixas taxas de bits são investigadas a fim de reproduzir uma boa qualidade de voz decodificada. O modelo de exitação mista em multi-bandas com três sub-bandas é adotado para codificar os quadros sonoros. Para os quadros surdos são empregadas técnicas de modelagem e síntese de sinais fricativos e oclusivos, capazes de oferecer qualidade de voz satisfatória, reduzindo a taxa de bits destes quadros para apenas 0,4 Kb/s. Técnicas de pós-filtragem para reduzir o ruído de codificação e melhorar a qualidade de voz reconstruída são também examinadas e comparadas em uma mesma plataforma. Para reduzir o nível de ruído ambiente são ainda analisados métodos de supressão de ruído. Finalmente, o codificador proposto é comparado ao padrão norte-americano Mixed Excitation Linear Prediction (MELP), por meios de teste de comparação do tipo A/B. Os testes realizados indicam que o sistema proposto, operando a 1,2 Kb/s, apresenta qualidade de voz ligeiramente superior ao MELP, operando a 2,4 Kb/s. Para situações de transcodificação, o codificador proposto também apresenta desempenho superior ao MELP. / [en] This dissertation presents algorithms to encode at an avarage bit rate of 1.2 Kb/s. A novel switched-predictive vector quantiser technique that outperforms previously reported schemes is proposed and assessed under noise-free and noisy channels. Efficient detectors for the pitch period and fricative and stop sounds are examined and adapted to the proposed coder. Low bit rate excitation methods are investigated in order to reproduce rather high quality speech. A mixed multiband excitation approach with three sub-bands is employed to encode voiced frames. For unvoiced frames, fricatives and stops modelling and synthesis techniques are used. This approach has shown to provide high quality synthesised speech, whilts it reduces the bit rate to only 0.4 Kb/s for unvoiced frames. To reduce coding noise and improve decoded speech, post- filtering techniques are analysed and compared on the same plataform. To reduce background noise, noise suppression methods are also examined. Finally, the propose coder is evaluated against the North American Mixed Prediction (MELP) coder, through A/B comparison tests. Assessment results have shown that the proposed system, operating at 1.2 Kb/s, slightly outperformed the MELP coder, operating at 2.4 Kb/s. For tandem connection situations, the proposed algorithm has presented a superior performance than the MELP coder. / [es] Esta disertación propone algoritmos para codificaciones de voz a tasas medias en torno de 1,2 Kb/s. Se propone un esquema de cuantización vectorial predictiva, con desempeño superior a los esquemas previamente descritos en la literatura. Este esquema se evalúa en canal con o sin ruido. Se examinan detectores eficientes de período fundamental y de sueños oclusivos y fricativos se adaptan al codificador propuesto. Técnicas de exitación a bajas tasas de bits son investigadas a fin de reproducir una boa calidad de voz decodificada. Se adopta el modelo de exitación mixta en multi-bandas con tres sub-bandas para codificar los cuadros sonoros. Para los cuadros surdos se emplean técnicas de modelación y síntesis de señales fricativos y oclusivos, capaces de ofrecer calidad de voz satisfactoria, reduciendo la tasa de bits de estos cuadros para apenas 0,4 Kb/s. También se examinan y se comparan las técnicas de pós-filtragen para reducir el ruido de codificación y mejorar la calidad de voz reconstruída. Para reducir el nível de ruído ambiente se analizan métodos de supresión de ruido. Finalmente, el codificador propuesto se compara al padrón norteamericano Mixed Excitation Lineal Prediction (MELP), por medio de pruebas de comparación del tipo LA/B. Las pruebas realizadas indican que el sistema propuesto, operando a 1,2 Kb/s, presenta calidad de voz ligeramente superior al MELP, operando a 2,4 Kb/s. Para situaciones de transcodificación, el codificador propuesto también presenta desempeño superior al MELP.

[pt] IoT refere-se a um sistema de dispositivos de computação inter-relacionados que visa transferir dados através de uma rede sem exigir interação humanohumano ou humano-para-computador. Esses sistemas de comunicação modernos, exigem restrições de baixo consumo de energia e baixa complexidade no receptor. Nesse sentido, o conversor analógico-digital representa um gargalo para o desenvolvimento das aplicações dessas novas tecnologias, pois apresenta alto consumo de energia devido à sua alta resolução. A pesquisa realizada em relação aos conversores analógico-digitais com quantização grosseira mostrou que esses dispositivos são promissores para o projeto de futuros sistemas de comunicação. Para equilibrar a perda de informações, devido à quantização grosseira, a resolução no tempo é aumentada através da superamostragem. Esta tese considera um sistema com quantização de 1 bit e superamostragem no receptor com um canal de downlink MIMO multiusuário com banda ilimitada e apresenta, como principal contribuição, a nova modulação de cruzamento de zeros que implica que a informação é transmitida no instante de tempo zero-crossings. Este método é usado para a pré-codificação temporal através da otimização do design da forma de onda para dois pré-codificadores diferentes, a maximização temporal da distância mínima até o limiar de decisão com forçamento a zero espacial e a pré-codificação MMSE no espácio-temporal. Os resultados da simulação mostram que a abordagem de cruzamento de zeros proposta supera o estado da arte em termos da taxa de erro de bits para os dois pré-codificadores estudados. Além disso, essa nova modulação reduz a complexidade computacional, permite dispositivos de complexidade muito baixa e economiza recursos de banda em comparação com o método mais avançado. Análises adicionais mostram que a abordagem do cruzamento de zeros é benéfica em comparação com o método mais avançado em termos de maior distância mínima até o limiar de decisão e menor MSE para sistemas com limitações de banda. Além disso, foi desenvolvido um esquema de mapeamento de bits para modulação de cruzamento por zero, semelhante à codificação de Gray para reduzir ainda mais a taxa de erro de bits. / [en] The IoT refers to a system of interrelated computing devises which aims to transfer data over a network without requiring human-to-human or humanto- computer interaction. This Modern communication systems demand restrictions of low energy consumption and low complexity in the receiver. In this sense, the analog-to-digital converter represents a bottleneck for the development of the applications of these new technologies since it has a high energy consumption due to its high resolution. The research carried out concerning to the analog-to-digital converters with coarse quantization has shown that such devices are promising for the design of future communication systems. To balance the loss of information, due to the coarse quantization, the resolution in time is increased through oversampling. This thesis considers a system with 1-bit quantization and oversampling at the receiver with a bandlimited multiuser MIMO downlink channel and introduces, as the main contribution, the novel zero-crossing modulation which implies that the information is conveyed within the time instant of the zero-crossings. This method is used for the temporal precoding through the waveform design optimization for two different precoders, the temporal maximization of the minimum distance to the decision threshold with spatial zero forcing and the space-time MMSE precoding. The simulation results show that the proposed zero-crossing approach outperforms the state-of-theart in terms of the bit error rate for both precoders studied. In addition, this novel modulation reduces the computational complexity, allows very low complexity devices and saves band resources in comparison to the state-ofthe- art method. Additional analyses show that the zero-crossing approach is beneficial in comparison to the state-of-the-art method in terms of greater minimum distance to the decision threshold and lower MSE for systems with band limitations. Moreover, it was devised a bit-mapping scheme for zero-crossing modulation, similar to Gray-coding to further reduce the bit error rate.