Implementación sobre FPGA y front-end Analógico de un...
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Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Implementacion sobre FPGA y front-endAnalogico de un Sistema de Comunicacion de
Radio Definida por Software (SDR): TransceptorQAM y PSK
Defensa de Tesis de Grado
Nicolas Andres Allera Mariotto
Facultad de Ingenierıa - Universidad de Buenos Aires
9 de marzo de 2020
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Resumen
I Transceptor QAM y PSKObjetivos
I Etapas del trabajo
1. Investigacion y estudioSistemas de comunicaciones, VHDL, C++, Hardware
2. Diseno e implementacionAlgoritmos, diseno digital, FPGAs
3. CaracterizacionPruebas y resultados, validacion del diseno
4. Conclusiones y cierre del trabajoTrabajos futuros
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Contenido de la presentacion IIntroduccion teorica
Sistemas de comunicacionesConstelacionesTasas de errorSincronizacion
Diseno e implementacionTransceptor - SDRHardware elegidoEmisorReceptor
Caracterizacion - ResultadosBancos de pruebasPruebas a nivel RTLPruebas con el sistema completo
Conclusiones y Trabajos futuros
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Introduccion teorica
Introduccion teorica
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Introduccion teoricaSistemas de comunicaciones
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Sistema de comunicaciones generico
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Mensajes y sımbolos
Como trabajamos con un sistema digital, los datos son binarios:
000110110011010110...
Al agrupar los bits en grupos, se obtienen mensajes:
000110110011010110...→ (00)(01)(10)(11)(00)(11)(01)(01)(10)...
=⇒
m0 = 00
m1 = 01
m2 = 10
m3 = 11
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Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Modulacion en cuadratura
I Espacio de senales bidimensional usando una unica senalportadora Φ(t) = sen(ωC · t)
I Las dos componentes del espacio de senales (I y Q) son lamisma portadora, desfasada en 90◦
x(t) = I (t) · sen(ωC t) + Q(t) · cos(ωC t)
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Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Modulacion en cuadratura
x1 = sen(ωct + α) = cos(α)sen(ωct) + sin(α)cos(ωct)
=⇒ x1 = a · sen(ωct) + b · cos(ωct)
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Introduccion teorica
Sistemas de comunicaciones
Mensajes y sımbolos
Para transmitir los mensajes selos mapea a sımbolos, que sonpuntos distinguibles en elespacio de senales:
=⇒
m0 → S0 = (S0,I ,S0,Q)
m1 → S1 = (S1,I ,S1,Q)
m2 → S2 = (S2,I ,S2,Q)
m3 → S3 = (S3,I ,S3,Q)
Constelacion: conjunto desımbolos del sistema
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Introduccion teorica
Constelaciones
Introduccion teoricaConstelaciones
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Introduccion teorica
Constelaciones
Constelaciones PSK y QAM
Constelacion 8-PSK Constelacion 4-QAM
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Introduccion teorica
Constelaciones
Regiones de decision
Regiones de decision para laconstelacion 8-PSK
Regiones de decision para laconstelacion 4-QAM
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Introduccion teorica
Tasas de error
Introduccion teoricaTasas de error
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Introduccion teorica
Tasas de error
SER y BER
I BER = SER/log2M
I La probabilidad de error de sımbolo:
Pe,i =
∫Ri
py |x(y |x i ) dy
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Introduccion teorica
Tasas de error
SER y BER
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Introduccion teorica
Tasas de error
Distorsiones del canal de comunicacion
I Canal realI Caracterısticas del canal:
1. Respuesta en frecuenciaPasabajos y pasabanda
2. RuidoSNR = Eb/N0
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Introduccion teorica
Sincronizacion
Introduccion teoricaSincronizacion
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Introduccion teorica
Sincronizacion
Sincronizaciones
I Sincronizacion de portadora: conocimiento de frecuencia yfase: demodulacion coherente
I Sincronizacion de sımbolo: conocimiento de la extensiontemporal del sımboloI Recuperacion de la frecuencia de sımbolo
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Diseno e implementacion
Diseno e implementacion
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Diseno e implementacion
Transceptor - SDR
Diseno e implementacionTransceptor - SDR
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Diseno e implementacion
Transceptor - SDR
Radio Definida por Software (SDR)
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Diseno e implementacion
Transceptor - SDR
Implementacion de una SDR en una FPGA
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Diseno e implementacion
Hardware elegido
Diseno e implementacionHardware elegido
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Diseno e implementacion
Hardware elegido
ZedBoardI Kit de desarrollo que
incluye:I SoC Xilinx Zynq-7000:
I FPGA XilinxI Procesador basado
en ARMCortexTM-A9
I Memorias RAM,conexion USB-JTAGpara programado,conexion Ethernet,conector LPC FMC,salidas de video, etc.
I Vivado Design Suite 2015.4
AD-FMCOMMS1-EBZ
I Front-End de RFI TransmisionI EmisionI Clocking
I API de Analog DevicesI Linux embebidoI Drivers sin SO
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Diseno e implementacion
Hardware elegido
Conexion con el ADC
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
256
CPACKCanal 1
Canal 2
Salidaempaquetada
Hacia el receptor
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A1
A1
A1
A1
A1
A1
A1
A1
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B1
B1
B1
B1
B1
B1
B1
B1
WFIFO
SalidaCanal 1
SalidaCanal 2
EntradaCanal 1
EntradaCanal 2
128128
128
16
16
...A1A1A1A1A0A0A0A0A0A0A0A0
...B1B1B1B1B0B0B0B0B0B0B0B0
fCLK_ADC = 245,761MHz fCLK_RECEPTOR = 50MHz
128
[...]CANAL I
CANAL Q
[...]
[...]
Desde el ADC
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Diseno e implementacion
Hardware elegido
Salida del CPACK (primeros 16 bits)
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Diseno e implementacion
Hardware elegido
Conexion con el DAC
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0
A0
B0A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
A1
B1
[...]128
UPACK
Canal 1
Canal 2
Entradaempaquetada
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A0A1
A1
A1
A1
A1
A1
A1
A1
[...]
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B0
B1
B1
B1
B1
B1
B1
B1
B1
AXI_AD9122
SalidaCanal 1
SalidaCanal 2
EntradaCanal 1
EntradaCanal 2
64
[...]64
64
64
16
16
...A1A1A1A1A0A0A0A0A0A0A0A0
...B1B1B1B1B0B0B0B0B0B0B0B0
fCLK_EMISOR = fCLK_DAC/4 = 61,44MHz fCLK_DAC = 245,761MHz
Hacia el DACCANAL I
CANAL Q
Desde el emisor
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Diseno e implementacion
Emisor
Diseno e implementacionEmisor
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Diseno e implementacion
Emisor
Emisor - bloques
I Mapeador - mapea los mensajes en sımbolosI Transforma bits en valores discretos de I y Q
I Unidad de control - controla el funcionamiento de los dosbloques anterioresI Regula la cantidad de muestras por sımboloI Determina la fuente de mensajes - sincronizacion o datos
I Conformador de pulso - genera las muestras de cada sımboloI Pulso cuadrado
Fuente de mensajes: bloques de memoria RAM que se cargan atraves del microprocesador
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Diseno e implementacion
Emisor
Constelaciones
Constelacion BPSK Constelacion 4-QAM/4-PSK
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Diseno e implementacion
Emisor
Constelaciones
Constelacion 8-PSK Constelacion 16-PSK
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Diseno e implementacion
Emisor
Parametrizaciones del emisor
I Constelacion
I Cantidad de muestras por sımbolo
I Potencia de emision (del modulo AD-FMCOMMS1-EBZ)
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Diseno e implementacion
Emisor
Emisor - diagrama en bloques (implementacion)
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Diseno e implementacion
Receptor
Diseno e implementacionReceptor
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Diseno e implementacion
Receptor
Receptor - bloques
I Muestreo - funciona con un filtro adaptado, genera unamuestra de I y Q por sımbolo
I Sincronizacion de sımbolo - genera la senal de muestreo
I Calculo y sustraccion de valor medio
I Deteccion y correccion de fase
I Deteccion de offset de fase
I Demapper - transforma muestras discretas de I y Q en bits
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Diseno e implementacion
Receptor
Diagrama en bloques (high-level)
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Diseno e implementacion
Receptor
Muestreo - Filtro adaptado a pulso cuadrado: Media Movil
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Diseno e implementacion
Receptor
Muestreo - implementacion del filtro adaptado
I Para optimizar los recursos de la FPGA, se diseno laimplementacion con un registro, un sumador-restador y unmultiplicador, considerando que:
y [k] =x [k] + x [k − 1] + · · ·+ x [k − L + 1]
L
es equivalente a:
y [k] =y [k − 1] + x [k]− x [k − L]
L
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Diseno e implementacion
Receptor
Muestreo - implementacion del filtro adaptado
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo
I Se implemento una correlacion para obtener una senalsincronizada a los cambios de sımbolo
I La correlacion se hizo con una secuencia de un pulso negativoseguido de uno positivo (correlacion por transicion)
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo - Correlacion por transicion
I Presenta picos en inicio deperıodos sin transiciones
I En perıodos sin transicionesel valor se mantiene en cero
I El pico se presenta en elmedio de cada sımbolo, yno al principio
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo - Obtencion de Sf,symbol
I Luego se eleva lacorrelacion por transicion alcuadrado y se filtra con unpasabanda sintonizado a lafrecuencia de sımbolofsymbol, para obtenerSf,symbol
I Sf,symbol es una senoidalde frecuencia fsymbolsincronizada con lossımbolos (con un delayconocido)
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo - Sf,symbol
I Si se calculan los maximos (positivos) de Sf,symbol, se puedeobtener una senal de sincronismo de sımbolo
I Solo se consideran maximos aquellos extremos locales quesuperen un umbral o threshold
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo - implementacion
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de sımbolo - implementacion
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Diseno e implementacion
Receptor
Generacion de la senal de sincronismo
I Contador de largo L
I Se genera LS , el momentodel maximo de Sf,symbol,promedio entre LS ,I y LS ,Q
I Se filtra para obtener LS ,LPI Se ajusta el inicio del
contador en L/2− LS paralograr que LS en elsiguiente ciclo resulte en elmedio de la cuenta
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Diseno e implementacion
Receptor
Generacion de la senal de sincronismo - control
I Este sistema se controlacon dos senales:I Sstable: asegura
estabilidad de LS,LPantes de cambiar el iniciode cuenta, si se mantieneigual por Nstable ciclos
I Scorrect ena: permite unamodificacion del iniciode cuenta, se enciendecada Nreaction, parapermitir que LS,LPcomience a cambiar
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Diseno e implementacion
Receptor
Regiones de decision
Constelacion BPSK Constelacion 4-QAM/4-PSK
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Diseno e implementacion
Receptor
Regiones de decision
Constelacion 8-PSK Constelacion 16-PSK
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de portadora - Deteccion y correccion defase
I La sincronizacion en frecuencia de la portadora se hace en laAD-FMCOMMS1-EBZ, y no se implementa sincronizacion enfase
I Se hace una deteccion y correccion de la fase en el sistema dela ZedBoard
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Diseno e implementacion
Receptor
Componentes del error de fase
I El error de fase total φe,Tse calcula como la suma dedos componentes:
1. φe,R : error de fasedentro de la region dedecision, se filtra paraobtener φe,R,LP
2. φe,O : error de fase deoffset
I La fase de la senalcorregida φC se calculacomo la fase detectada φDmas φe,T
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Diseno e implementacion
Receptor
Sincronizacion de portadora - deteccion del error de offsetde fase
I Basado en la deteccion de una secuencia asimetricarotacionalmente
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Diseno e implementacion
Receptor
Calculo y sustraccion del valor medio de la constelacionI Valor medio =⇒ errores al calcular φe,R
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Diseno e implementacion
Receptor
Calculo y sustraccion del valor medio de la constelacion
I Se calcula el valor medio con un filtro pasabajos abrupto y seresta de las componentes I y Q
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Diseno e implementacion
Receptor
Secuencias de sincronizacion y de datos
I Existen cuatro etapas de transmision:
(I) Primera secuencia: Alternacion continua de I y Q.(II) Segunda secuencia: Patron inmune a rotaciones
(III) Tercera secuencia: Fin de sincronizacion(IV) Envıo de datos
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Diseno e implementacion
Receptor
Parametrizaciones del receptor
I Constelacion
I Cantidad de muestras por sımbolo
I Parametro alpha del filtro pasabajos de LSI Parametro alpha del filtro pasabajos de φe,RI Parametro alpha del filtro pasabajos del threshold de
deteccion de maximos
I Coeficientes del filtro pasabanda para la recuperacion deSf,symbol
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Diseno e implementacion
Receptor
Receptor - diagrama en bloques (implementacion)
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Caracterizacion - Resultados
Caracterizacion - Resultados
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Caracterizacion - Resultados
Bancos de pruebas
Caracterizacion - ResultadosBancos de pruebas
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Caracterizacion - Resultados
Bancos de pruebas
Banco de pruebas a nivel RTL
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Caracterizacion - Resultados
Bancos de pruebas
Diseno del banco de pruebas con el sistema completo
I Memorias de carga y de registroI Calculadora de BER
I Secuencia conocida de largo 144 bits (distinta cantidad desımbolos para cada constelacion)
I Inmune a desincronizaciones del receptor
I Estimacion de SNR - Eb/N0
I En software a partir de los datos recibidosI Estimacion de la energıa de la senalI Estimacion de la varianza del ruido (decision-aided)
I Diagrama de ojo
I Adicion de AWGN por hardware
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Caracterizacion - Resultados
Bancos de pruebas
Banco de pruebas con el sistema completo
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Caracterizacion - ResultadosPruebas a nivel RTL
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Simulacion de canal de comunicaciones. 8-PSK, L = 40
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Filtro adaptado del muestreo. 8-PSK, L = 30
Eb/N0 ≈ 30dB Eb/N0 ≈ 10dB
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Correlacion por transicion. 8-PSK, L = 30
Eb/N0 ≈ 30dB Eb/N0 ≈ 10dB
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Generacion de Sf,symbol. 8-PSK, L = 40
Eb/N0 ≈ 10dB
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas a nivel RTL
Calculo del valor medio de la constelacion. 16-PSK, L = 40
Eb/N0 ≈ 10dB
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Caracterizacion - ResultadosPruebas con el sistema completo
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Curvas de BER en funcion de la SNR - BPSK
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Curvas de BER en funcion de la SNR - 4-PSK
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Curvas de BER en funcion de la SNR - 8-PSK
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Curvas de BER en funcion de la SNR - 16-PSK
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Comportamiento del sistema variando el numero demuestras. 4-PSK
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Diagrama de ojo. BPSK, L = 20, Eb/N0 = 27dB
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Diagrama de ojo. BPSK
L = 20, Eb/N0 = 22dB L = 40, Eb/N0 = 24dB
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Calculo del valor medio de la constelacion. 8− PSK ,L = 40
Entrada al receptor Senal muestreada
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Calculo del valor medio de la constelacion. 8− PSK ,L = 40
Salida del filtro pasabajos
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Calculo del valor medio de la constelacion. 8− PSK ,L = 40
Senal muestreada Senal corregida en fase
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Deteccion y correccion de la fase. 8− PSK , L = 40
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Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Deteccion y correccion de la fase. 8− PSK , L = 40
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Recuperacion de Sf,symbol. 16-PSK, L = 20
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Recuperacion de Sf,symbol. 16-PSK, L = 40
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Recuperacion de Sf,symbol. 16-PSK, L = 20
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Calculadora de BER - Correlacion. BPSK, L = 40
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Caracterizacion - Resultados
Pruebas con el sistema completo
Calculadora de BER - Correlacion. 16-PSK, L = 40
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Conclusiones y Trabajos futuros
Conclusiones y Trabajos futuros
Tesis de Grado - Transceptor QAM y PSK
Conclusiones y Trabajos futuros
Conclusiones
I Objetivos cumplidos
I Se implemento un Transceptor en hardware, y no unicamenteen simulaciones
I Se logro hacer una caracterizacion exitosa del sistema que secondice con los resultados teoricos
I El Transceptor podra ser usado en futuros trabajos del LSE
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Conclusiones y Trabajos futuros
Trabajos futuros
I Inclusion de mas constelaciones
I Modulacion de pulso
I Correccion de errores
I Mejora del algoritmo de correccion de fase
I Aplicacion de Machine Learning
I Valor medio de las muestras del ADC
I Ecualizador
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Conclusiones y Trabajos futuros
Preguntas y comentarios