El creciente avance de las telecomunicaciones durante estos últimos años, ha despertado el interés de muchos investigadores en conseguir más y mejores técnicas que permitan establecer comunicaciones inalámbricas robustas y que a su vez, soporten grandes flujos de información a alta velocidad. No obstante, la utilización de un canal inalámbrico para el envío y recepción de señales, introduce efectos indeseados tales como interferencia y ruido, debido a que entre el emisor y el receptor se interponen diferentes agentes que se comportan de aletoriamente. Es así como se han desarrollado métodos que han despertado gran interés entre los investigadores, debido a la obtención de resultados sorprendentes. Entre estos métodos destacan el algoritmo MAP y los códigos LDPC. El primero puede ser utilizado tanto en el aspecto de la ecualización de señales o en la decodificación de señales, mientras que el segundo se utiliza específicamente para codificar y decodificar señales. De este modo, el objetivo principal de esta memoria es unir estos dos algoritmos para que trabajen de forma iterativa, utilizando la información proporcionada por el ecualizador para mejorar el proceso de decodificación y a su vez, realizar el proceso de ecualización utilizando la información del decodificador. A este sistema retroalimentado se le llama Esquema Turbo. Además, se plantea el algoritmo para lenguajes no binarios. Para realizar este trabajo, primeramente se hizo un desglose de un sistema de comunicaciones actual, reconociendo cada uno de los bloques componentes, analizando su funcionamiento teórico, introduciendo modificaciones según corresponda y a partir de este análisis obtiene un diagrama de bloques que resume el funcionamiento general del algoritmo propuesto. Seguidamente se realizan pruebas a pequeña escala, utilizando un modelo de canal TDL Gaussiano de tres derivaciones, capaz de emular el comportamiento de una señal bajo interferencia y ruido, con el objetivo de demostrar el correcto funcionamiento del algoritmo y su convergencia, para posteriormente someter el esquema a transmisiones de grandes bloques de información, midiendo su desempeño bajo distintos escenarios y estudiando la tasa de símbolos errados (SER) variando la razón señal ruido (SNR). Los resultados obtenidos de esta investigación dicen que este algoritmo es capaz de lograr una corrección completa en señales pequeñas, incluso bajo condiciones en que de SNR se reduce hasta 5 dB para 7 iteraciones. Sin embargo, al momento de enviar bloques de información de tamaño mucho mayor (105 símbolos), el algoritmo presenta un piso de SNR de 10 dB, ya que al aumentarlo por sobre ese valor no se lograba mejoramiento de decodificación, debido a que se utilizó un esquema de codificación de bloques con matrices pequeñas. Esto se explica justamente porque la elaboración de matrices de codificación para códigos LDPC no binarios, para bloques grandes de información, es un tema de investigación que no se encuentra resuelto hasta la fecha.

Como resultado del constante aumento del tráfico de información, en los últimos años la industria de las telecomunicaciones ha evolucionado de manera vertiginosa. Este hecho exige el diseño de nuevos transceptores de comunicaciones digitales que permitan aumentar la velocidad de procesamiento. Este incremento de velocidad en combinación con las limitaciones del ancho de banda del canal de comunicaciones, exacerban los efectos de la interferencia inter-símbolo (Intersymbol Interference - ISI). Para compensar este efecto se requiere implementar en el receptor potentes esquemas de ecualización. El ecualizador realimentado por decisiones (Decison Feedback Equalizer - DFE) representa una de técnicas de ecualización más utilizadas en la industria. El DFE se caracteriza por tener una buena relación entre desempeño y complejidad. Desafortunadamente, su aplicación en sistemas de alta velocidad ha sido limitada debido a la elevada complejidad que aparece cuando se utilizan técnicas de procesamiento en paralelo como resultado de la existencia de lazos realimentados. En particular, la complejidad de las técnicas existentes incrementa exponencialmente con la memoria del canal. Esto lleva a restringir el uso de este tipo de ecualizadores para una ISI moderada. La presente Tesis propone un nuevo esquema de ecualización iterativo de complejidad reducida para receptores de alta velocidad. El nuevo ecualizador directo asistido por decisiones (Decision FeedForward Equalizer - DFFE) permite obtener un rendimiento similar al DFE pero con una arquitectura paralelizable cuya complejidad aumenta cuadráticamente con la memoria del canal. Para canales con gran ISI, esto se traduce en una drástica reducción de la complejidad en comparación con el DFE. La idea central detrás del DFFE, es la iteración de decisiones tentativas para mejorar la precisión de la estimación de la ISI. Para investigar el desempeño del nuevo receptor se desarrolla un estudio teórico y se lo verifica por exhaustivas simulaciones en computadora. Como una segunda contribución de la Tesis se presenta un detallado análisis de complejidad del procesamiento y además se realiza la implementación en FPGA del DFFE en paralelo. Este estudio permite demostrar los importantes beneficios que tiene utilizar una arquitectura de implementación directa (forward) y además verificar experimentalmente el desempeño del DFFE. Todas estas ventajas convierten al DFFE en una excelente opción para receptores de sistemas de comunicaciones digitales de alta velocidad. / As a result of the steady increase in data traffic, the telecommunications industry has evolved dramatically in recent years. In this context, new digital communications transceivers that outperform processing speed are required. This speed increase combined with the limitations of the bandwidth communications channel exacerbate the impacts of the intersymbol interference (ISI). In order to compensate for this effect, it is necessary to implement efficient receiver equalization schemes. The decision feedback equalizer (DFE) is one of the most popular equalization techniques in industry, featuring a good relationship between performance and complexity. Unfortunately, its use in high speed systems has been limited due to the high complexity reached when processing techniques are used in parallel as a result of the existence of feedback loops. In particular, the complexity of the existing techniques increases exponentially with the channel memory, leading to a restriction in the use of such equalizers for moderate ISI. This Thesis proposes a new scheme of reduced complexity iterative equalization for high-speed receivers. The new Decision FeedForward Equalizer (DFFE) allows for a similar performance to the DFE but with a parallelizable architecture whose complexity increases quadratically with the channel memory. For channels with large ISI, this results in a drastic reduction in complexity compared to the DFE. The main feature of the DFFE is the iteration of tentative decisions to improve the accuracy of the ISI estimation. With the purpose of investigating the performance of the new receiver, a theoretical study is developed and the DFFE is verified by extensive computer simulations. The second contribution of the present Thesis is a detailed analysis of processing complexity and the implementation in FPGA of parallel DFFE. This study allows to demonstrate the important benefits of using a forward implementation architecture and verify experimentally the performance of DFFE. All these advantages make the DFFE an excellent choice for system receivers of digital high-speed communications.

Esta tesis tiene como objetivo final la propuesta de un protocolo de acceso al medio imbricado con los parámetros de nivel físico que dan soporte a dicho protocolo. Puesto que la propuesta se basa en un esquema TDMA, se eligen como base del análisis los sistemas de segunda generación GSM, TETRA y DECT, a partir de los cuales se extrapolan determinados parámetros a fin de sintonizarlos con los sistemas de tercera generación en su especificación TDMA. Se evalúan dichos sistemas a nivel físico sobre diferentes modelos de canal de propagación y distintas técnicas de compensación implementadas en el receptor: ecualizadores implementados sobre filtros transversales y antenas adaptativas. Además, se implementan y evalúan algoritmos de ecualización sencillos como LMS o RLS y más complejos como algoritmos bidireccionales sobre ecualizadores DFE. La elección de una u otra opción condicionará fuertemente el diseño del protocolo de acceso propuesto en el subnivel MAC. / This thesis has as final aim the proposal of a medium access protocol (MAC) closely related to the physical layer parameters that support such protocol. As the proposal is based on a TDMA scheme, three representative systems belonging to the second generation of mobile communication systems have been chosen: GSM, TETRA and DECT, which are employed to extract some parameters in order to tune them with the third generation systems in its TDMA specification. Such systems are evaluated at physical layer over different propagation channel models with several compensation techniques implemented on the receiver. As well, equalizers based on digital filters and adaptive antennas are utilized. The equalization algorithms evaluated include from the simplest ones like LMS or RLS to bidirectional algorithms over DFE structure. Choosing one or another option will strongly condition the design of the proposed access protocol within the MAC sublayer.

[ES] Los sistemas de audio han experimentado un gran desarrollo en los últimos años gracias al aumento de dispositivos con procesadores de alto rendimiento capaces de realizar un procesamiento cada vez más eficiente. Además, las comunicaciones inalámbricas permiten a los dispositivos de una red estar ubicados en diferentes lugares sin limitaciones físicas. La combinación de estas tecnologías ha dado lugar a la aparición de las redes de sensores acústicos (ASN). Una ASN está compuesta por nodos equipados con transductores de audio, como micrófonos o altavoces. En el caso de la monitorización acústica del campo, sólo es necesario incorporar sensores acústicos a los nodos ASN. Sin embargo, en el caso de las aplicaciones de control, los nodos deben interactuar con el campo acústico a través de altavoces. La ASN puede implementarse mediante dispositivos de bajo coste, como Raspberry Pi o dispositivos móviles, capaces de gestionar varios micrófonos y altavoces y de ofrecer una buena capacidad de cálculo. Además, estos dispositivos pueden comunicarse mediante conexiones inalámbricas, como Wi-Fi o Bluetooth. Por lo tanto, en esta tesis, se propone una ASN compuesta por dispositivos móviles conectados a altavoces inalámbricos mediante un enlace Bluetooth. Además, el problema de la sincronización entre los dispositivos de una ASN es uno de los principales retos a abordar, ya que el rendimiento del procesamiento de audio es muy sensible a la falta de sincronismo. Por lo tanto, también se lleva a cabo un análisis del problema de sincronización entre dispositivos conectados a altavoces inalámbricos en una ASN. En este sentido, una de las principales aportaciones es el análisis de la latencia de audio cuando los nodos acústicos de la ASN están formados por dispositivos móviles que se comunican altavoces mediante enlaces Bluetooth. Una segunda contribución significativa de esta tesis es la implementación de un método para sincronizar los diferentes dispositivos de una ASN, junto con un estudio de sus limitaciones. Por último, se ha introducido el método propuesto para implementar aplicaciones de zonas sonoras personales (PSZ). Por lo tanto, la implementación y el análisis del rendimiento de diferentes aplicaciones de audio sobre una ASN compuesta por dispositivos móviles y altavoces inalámbricos es también una contribución significativa en el área de las ASN. Cuando el entorno acústico afecta negativamente a la percepción de la señal de audio emitida por los altavoces de la ASN, se uti­lizan técnicas de ecualización para mejorar la percepción de la señal de audio. Para ello, en esta tesis se implementa un sistema de ecualización inteligente. Para ello, se emplean algoritmos psicoacústicos para implementar un procesamiento inteligente basado en el sis­tema auditivo humano capaz de adaptarse a los cambios del entorno. Por ello, otra contribución importante de esta tesis es el análisis del enmas­caramiento espectral entre dos sonidos complejos. Este análisis permitirá calcular el umbral de enmascaramiento de un sonido con más precisión que los métodos utilizados actualmente. Este método se utiliza para implementar una aplicación de ecualización perceptiva que pretende mejorar la percepción de la señal de audio en presencia de un ruido ambien­tal. Para ello, esta tesis propone dos algoritmos de ecualización diferentes: 1) la pre-ecualización de la señal de audio para que se perciba por encima del umbral de enmascaramiento del ruido ambiental y 2) diseñar un con­trol de ruido ambiental perceptivo en los sistemas de ecualización activa de ruido (ANE), para que el nivel de ruido ambiental percibido esté por debajo del umbral de enmascaramiento de la señal de audio. Por lo tanto, la ultima aportación de esta tesis es la implementación de una aplicación de ecualización perceptiva con los dos diferentes algorit­mos de ecualización embebidos y el análisis de su rendimiento a través del banco de pruebas realizado en el laboratorio GTAC-iTEAM. / [CA] El sistemes de so han experimentat un gran desenvolupament en els últims anys gràcies a l'augment de dispositius amb processadors d'alt rendiment capaços de realitzar un processament d'àudio cada vegada més eficient. D'altra banda, l'expansió de les comunicacions inalàmbriques ha permès implementar xarxes en les quals els dispositius poden estar situats a difer­ents llocs sense limitacions físiques. La combinació d'aquestes tecnologies ha donat lloc a l'aparició de les xarxes de sensors acústics (ASN). Una ASN està composta per nodes equipats amb transductors d'àudio, com micr`ofons o altaveus. En el cas del monitoratge del camp acústic, només cal incorporar sensors acústics als nodes de l'ASN. No obstant això, en el cas de les aplicacions de control, els nodes han d'interactuar amb el camp acústic a través d'altaveus. Una ASN pot implementar-se mitjant¿cant dispositius de baix cost, com ara Raspberry Pi o dispositius mòbils, capaços de gestionar di­versos micròfons i altaveus i d'oferir una bona capacitat computacional. A més, aquests dispositius poden comunicar-se a través de connexions inalàmbriques, com Wi-Fi o Bluetooth. Per això, en aquesta tesi es proposa una ASN composta per dispositius mòbils connectats a altaveus inalàmbrics a través d'un enllaç Bluetooth. El problema de la sincronització entre els dispositius d'una ASN és un dels principals reptes a abordar ja que el rendiment del processament d'àudio és molt sensible a la falta de sincronisme. Per tant, també es duu a terme una anàlisi profunda del problema de la sincronització entre els dispositius comercials connectats als altaveus inalàmbrics en una ASN. En aquest sentit, una de les principals contribucions és l'anàlisi de la latència d'àudio quan els nodes acústics en l'ASN estan compostos per dispositius mòbils que es comuniquen amb els altaveus corresponents mitjançant enllaços Bluetooth. Una segona contribuciò sig­nificativa d'aquesta tesi és la implementació d'un mètode per sincronitzar els diferents dispositius d'una ASN, juntament amb un estudi de les seves limitacions. Finalment, s'ha introduït el mètode proposat per implemen­tar aplicacions de zones de so personal. Per tant, la implementació i l'anàlisi del rendiment de diferents aplicacions d'àudio sobre una ASN composta per dispositius mòbils i al­taveus inalàmbrics és també una contribució significativa a l'àrea de les ASN. Quan l'entorn acústic afecta negativament a la percepció del senyal d'àudio emesa pels altaveus de l'ASN, es fan servir tècniques d'equalització per a millorar la percepció del senyal d'àudio. En consequència, en aquesta tesi s'implementa un sistema d'equalització intel·ligent. Per això, s'utilitzen algoritmes psicoacústics per implementar un processament intel·ligent basat en el sistema audi­tiu humà capaç d'adaptar-se als canvis de l'entorn. Per aquest motiu, una altra contribució important d'aquesta tesi és l'anàlisi de l'emmascarament espectral entre dos sons complexos. Aquesta anàlisi permetrà calcular el llindar d'emmascarament d'un so sobre amb més precisió que els mètodes utilitzats actualment. Aquest mètode s'utilitza per a imple­mentar una aplicació d'equalització perceptual que pretén millorar la per­cepció del senyal d'àudio en presència d'un soroll ambiental. Per això, aquesta tesi proposa dos algoritmes d'equalització diferents: 1) la pree­qualització del senyal d'àudio perquè es percebi per damunt del llindar d'emmascarament del soroll ambiental i 2) dissenyar un control de soroll ambiental perceptiu en els sistemes d'equalització activa de soroll (ANE) de manera que el nivell de soroll ambiental percebut estiga per davall del llindar d'emmascarament del senyal d'àudio. Per tant, l'última aportació d'aquesta tesi és la implementació d'una aplicació d'equalització perceptiva amb els dos algoritmes d'equalització embeguts i l'anàlisi del seu rendiment a través del banc de proves realitzat al laboratori GTAC-iTEAM. / [EN] Audio systems have been extensively developed in recent years thanks to the increase of devices with high-performance processors able to per­form more efficient processing. In addition, wireless communications allow devices in a network to be located in different places without physical limitations. The combination of these technologies has led to the emergence of Acoustic Sensor Networks (ASN). An ASN is com­posed of nodes equipped with audio transducers, such as microphones or speakers. In the case of acoustic field monitoring, only acoustic sensors need to be incorporated into the ASN nodes. However, in the case of control applications, the nodes must interact with the acoustic field through loudspeakers. ASN can be implemented through low-cost devices, such as Rasp­berry Pi or mobile devices, capable of managing multiple mi­crophones and loudspeakers and offering good computational capacity. In addition, these devices can communicate through wireless connections, such as Wi-Fi or Bluetooth. Therefore, in this dissertation, an ASN composed of mobile devices connected to wireless speak­ers through a Bluetooth link is proposed. Additionally, the problem of syn­chronization between the devices in an ASN is one of the main challenges to be addressed since the audio processing performance is very sensitive to the lack of synchronism. Therefore, an analysis of the synchroniza­tion problem between devices connected to wireless speakers in an ASN is also carried out. In this regard, one of the main contributions is the analysis of the audio latency of mobile devices when the acoustic nodes in the ASN are comprised of mobile devices communicating with the corresponding loudspeakers through Bluetooth links. A second significant contribution of this dissertation is the implementation of a method to synchronize the different devices of an ASN, together with a study of its limitations. Finally, the proposed method has been introduced in order to implement personal sound zones (PSZ) applications. Therefore, the imple­mentation and analysis of the performance of different audio applications over an ASN composed of mobile devices and wireless speakers is also a significant contribution in the area of ASN. In cases where the acoustic environment negatively affects the percep­tion of the audio signal emitted by the ASN loudspeakers, equalization techniques are used with the objective of enhancing the perception thresh­old of the audio signal. For this purpose, a smart equalization system is implemented in this dissertation. In this regard, psychoacous­tic algorithms are employed to implement a smart processing based on the human hearing system capable of adapting to changes in the envi­ronment. Therefore, another important contribution of this thesis focuses on the analysis of the spectral masking between two complex sounds. This analysis will allow to calculate the masking threshold of one sound over the other in a more accurate way than the currently used methods. This method is used to implement a perceptual equalization application that aims to improve the perception threshold of the audio signal in presence of ambient noise. To this end, this thesis proposes two different equalization algorithms: 1) pre-equalizing the audio signal so that it is perceived above the ambient noise masking threshold and 2) designing a perceptual control of ambient noise in active noise equalization (ANE) systems, so that the perceived ambient noise level is below the masking threshold of the audio signal. Therefore, the last contribution of this dissertation is the imple­mentation of a perceptual equalization application with the two different embedded equalization algorithms and the analysis of their performance through the testbed carried out in the GTAC-iTEAM laboratory. / This work has received financial support of the following projects: • SSPRESING: Smart Sound Processing for the Digital Living (Reference: TEC2015-67387-C4-1-R. Entity: Ministerio de Economia y Empresa. Spain). • FPI: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores (Reference: BES-2016-077899. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). DANCE: Dynamic Acoustic Networks for Changing Environments (Reference: RTI2018-098085-B-C41-AR. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). • DNOISE: Distributed Network of Active Noise Equalizers for Multi-User Sound Control (Reference: H2020-FETOPEN-4-2016-2017. Entity: I+D Colaborativa competitiva. Comisión de las comunidades europea). / Estreder Campos, J. (2022). Smart Sound Control in Acoustic Sensor Networks: a Perceptual Perspective [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181597 / TESIS