Σχεδίαση και Υλοποίηση Ψηφιακού Πομποδέκτη OFDM σε FPGA

Abstract

Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, κατασκευάστηκε κύκλωμα FPGA που υλοποιεί ένα πλήρες τηλεπικοινωνιακό σύστημα OFDM (πομποδέκτης). Η περιγραφή του κυκλώματος έγινε με τη γλώσσα VHDL.

Τα τεχνικά του χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν : Real-Time λειτουργία σε simplex τρόπο μετάδοσης (Simplex TX ή Simplex RX). Πλήρως επεκτάσιμη αρχιτεκτονική με κατανομή των τηλεπικοινωνιακών λειτουργιών σε κυκλωματικές βαθμίδες (modules). Ανάπτυξη εσωτερικής διεπαφής επικοινωνίας μεταξύ των βαθμίδων. Δυνατότητα καθορισμού πλήθους subcarrier (μεγέθους FFT) και μήκους του κυκλικού προθέματος. Δυνατότητα επιλογής ξεχωριστής διαμόρφωσης ανά subcarrier (QAM4, QAM16, QAM64). Παραμετροποιήσιμη αρχιτεκτονική με υλοποίηση συστήματος διανομής και συγχρονισμού παραμέτρων.

Η αλυσίδα πομπού περιλαμβάνει τα στάδια: χειρισμός δεδομένων εισόδου, σειριακό-σε- {παράλληλο}, διαμόρφωση κατά QAM, εισαγωγή training συμβόλων, μετασχηματισμός IFFT (διαμόρφωση κατά OFDM), εισαγωγή κυκλικού προθέματος.

Στην αλυσίδα του δέκτη δόθηκε μεγάλη έμφαση στα στάδια του συγχρονισμό στο χρόνο και στη συχνότητα (αλγόριθμος Schmidl & Cox / Bhargava), καθώς και στη διαδικασία της αριθμητικής προσέγγισης στοιχειωδών συναρτήσεων : Μέθοδος του S. Rajan κ.α για προσέγγιση της arctan, Μέθοδος του Tang για προσέγγιση των cos/sin (που χρησιμοποιούνται στα στάδια της εκτίμησης και αντιστάθμισης ολίσθησης συχνότητας, αντίστοιχα). Τα υπόλοιπα στάδια της αλυσίδας του δέκτη είναι : αφαίρεση κυκλικού προθέματος, μετασχηματισμός FFT (αποδιαμόρφωση κατά OFDM), εκτίμηση καναλιού (αλγορίθμος LS), αποδιαμόρφωση κατά QAM, παράλληλο-σε-σειριακό, χειρισμός δεδομένων εξόδου.

Υλοποίηση πλήρους μοντέλου του συστήματος OFDM σε περιβάλλον MATLAB για το λειτουργικό και αριθμητικό έλεγχο του κυκλώματος.

Διενέργεια μαζικών προσομοιώσεων μετάδοσης μέσα από στοχαστικά μοντέλα καναλιών (AWGN, Multipath), για την τηλεπικοινωνιακή αποτίμηση του συστήματος.

In the context of this work, an FPGA circuit was constructed, implementing a full telecommunication OFDM system (tranceiver). The circuit description was made with the VHDL language.

The key technical feautures include: Real-Time operation in simplex transmission mode (SimplexTX, Simplex RX). Fully expandable architecture, with the implementation of the various telecommunication functions as discrete circuit modules. Adjustable number of subcarriers (and accordingly FFT size) and length of cyclic preox. Capability to select di?erent modulation schema per subcarrier (QAM4, QAM16, QAM64). Parametrized architecture with the implementation of a parameter distribution and synchronization system.

The transmitter chain stages are: input data maniputation, serial-to-parallel, QAM modulation, training symbols insertion, IFFT transform (OFDM modulation), cyclic prefix insertion.

In the receiver chain, great emphasis was given to the timing and frequency synchronization stages (Schmidl & Cox / Bhargava algorithm), as well as to the realization of arithmetic approximation of elementary functions: S. Rajan’s method for arctan approximation and Tang’s method for cos/sin approximation (that were used for the frequency o?set estimation and compensation stages, corespondingly). The rest of the receiver stages are: cyclic preox removal, FFT transform (OFDM demodulation), channel estimation (LS algorithm), QAM demodulation, parallel-to-serial, output data manipulation.

Implementation of the entire OFDM system as a MATLAB model, for the functional and arithmetical evaluation of the circuit.

Massive transmission simulations, through stochastic channel models (AWGN, Multipath), for the evaluation of the telecommunication performance of the system.