SUPERVISOR
Rasoul Dehghani,Mohmmad javad Omidi
رسول دهقانی (استاد راهنما) محمدجواد امیدی (استاد مشاور)
STUDENT
Kianoosh Keshavarz
کیانوش کشاورز
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
GFDM implementation and introducing a suitable structure for zeroforcing receiver
Multicarrier modulation systems play an important role in digital and especially in wireless communication due to their robustness against channel multipath fading effects and thus they are still the first option for new generations of wireless communications. With the growing use of the Internet of Things machine to machine communications and the importance of issues such as cognitive radio and energy harvesting, there are new requirements for wireless communication systems. Amongtheserequirementwecareferto low out of band radiation for opportunistic access to the spectrum and low sensitivity to time and frequency offset to workioftynchronizatioin orderto saveenergy. GFDM as a multicarrier modulation by applying frequency domain filter to subcarriers reduces out of band radiation, applying of non-rectangular filters in frequency domain causes lost of orthogonality and increase the self interference of subcarriers. The zeroforcing receiver compensates this interference by employing inverse transmitter filter which reduces system sensitivity to frequency offset due to lack of orthogonality constraint. There is no zeroforcing receiver for subsymbols with even number because it leads to Fourier transform with odd number of points and thus the optimal DFT/IDFT based implementation structure can not be employed. In this thesis we propose a method in which by applying some changes in the DFT/IDFT structure it will be possible to use large Fourier transform with power of two despite odd number of subsymbols. This method makes it possible to implement the structure by using FFT algorithm which leads to reduction of resources and also results in consistency between GFDM and SC_FDMA structures. litting of one GFDM symbol into several time subsymbols brings about the need for larger Fourier transform. To avoid degradation of the signal SQNR we have to increase the size of the Fourier transform which leads to increase of the word length and thus the required resources for implementation is doubled. Applying appropriate scaling to each Fourier transform stage we can prevent each word from overflowing and underflowing and hence keep the signal SQNR at desirable level with shorter word length. Determination of the word length and optimal scaling method is related to the algorithm of floating-point to fixed-point conversion that takes a lot of design time. The use of automated methods therefore helps to significantly speed up the design and find the optimal word length and scaling method. In this thesis, by using the capabilty of the MATLAB software to automatically convert the floating-point to fixed-point format we can achieve the optimal word length and proper scaling factor for the GFDM modulator with LTE standard parameters. The effect of scaling on the system performance and required resources are discussed. Applying fixed scaleing with 16-bit word length causes 48% reduction in the number of slice LUTs, block RAMs and registers, and a 75% reduction in the number of DSP blocks compared to 32-bit implementation, while increases the out of band emission by 30%. Finally, the accuracy of scaling is verified in practice by implementing the hardware in System Generator and putting ZedBoard hardware with Zynq7020 chip in the Simulink loop. Keywords: GFDM, FPGA, ZeroForcing, Scaling
سیستمهای مدولاسیون چندحاملی بهخاطر مقاومت در برابر اثرات چندمسیره کانال نقش مهمی در مخابرات دیجیتال به ویژه مخابرات بیسیم ایفا میکنند و همچنان گزینه اول برای نسلهای جدید مخابرات بیسیم بهحساب میآیند. با گسترش روز افزون کاربردهای اینترنت اشیا و ارتباط ماشین با ماشین و اهمیت یافتن موضوعاتی چون رادیوشناختگرها و برداشتگرهای انرژی ملزومات جدیدی برای سیستمهای مخابرات بیسیم بهوجود آمده است. از جمله این ملزومات میتوان به انتشار خارج باند پایین برای دسترسی فرصتطلبانه به طیف و حساسیت اندک به جابجایی زمانی و فرکانسی برای کار در همزمانی نرم بهمنظور ذخیره انرژی اشاره کرد. GFDM به عنوان یک مدولاسیون چندحاملی با اعمال فیلتر حوزه فرکانسی به زیرحاملها انتشار خارج باند را کاهش میدهد، اعمال فیلترهای غیر مستطیلی در حوزه فرکانس موجب از بین رفتن تعامد بین زیرحاملها و افزایش تداخل خودی زیرحاملها میشود. گیرنده ZeroForcing با اعمال فیلتر معکوس فرستنده این تداخلها را جبران میکند درنتیجه بهخاطر نبود قید تعامد حساسیت سیستم به جابجایی فرکانسی کاهش مییابد. وجود نداشتن گیرنده ZF برای تعداد زوج از زیرسمبلها سبب ناکارآمدی بهینهترین ساختار پیادهسازی مبنای DFT/IDFT به خاطر بهوجود آمدن تبدیل فوریههایی با تعداد نقاط فرد شده است، در این پایاننامه با اعمال تغییراتی به ساختار DFT/IDFT راهکاری ارائه میدهیم که با وجود فرد بودن تعداد زیرسمبلها تبدیل فوریههای با اندازه بزرگ توانی از دو باشند، در نتیجه قابلیت پیادهسازی توسط الگوریتم FFT را خواهند داشت که علاوه بر کاهش مصرف منابع موجب تطابق ساختار GFDM و SC_FDMA میشود. تقسیم شدن یک سمبل GFDM به چندین زیرسمبل زمانی موجب نیاز به تبدیل فوریههای بزرگتر میشود، با بزرگ شدن اندازه تبدیل فوریه برای حفظ SQNR سیگنال باید طول کلمه پیادهسازی افزایش یابد که با توجه به بزرگ شدن اندازه تبدیل فوریه موجب تاثیر مضاعفی بر افزایش مصرف منابع میشود. اعمال مقیاس مناسب به هر طبقه تبدیل فوریه با جلوگیری از سرریز و پاریز میتواند در طول کلمههای کمتر SQNR سیگنال را در حد مطلوبی نگه دارد. تعیین طول کلمه و روش مقیاس بهینه از جملهی بحثهای تبدیل الگوریتم ممیز شناور به ممیزثابت است که وقت زیادی از طراحی را به خود اختصاص میدهد و استفاده از روشهای خودکار کمک شایانی به سرعت بخشیدن به طراحی و یافتن بهینهترین طول کلمه و روش مقیاس میکند. در این پایاننامه با استفاده از افزونه تبدیل خودکار ممیزشناور به ممیز ثابت متلب برای بدست آوردن طول کلمه و مقیاس بهینه برای مدولاتور GFDM با پارامترهای استاندارد LTE، تأثیر مقیاس بر عملکرد سیستم و حجم منابع مصرفی را بررسی خواهیم کرد، برای مثال اعمال مقیاس ثابت با طول کلمه 16 بیتی سبب 48% کاهش در تعداد جداول جستجو، بلوکهای حافظه و ثباتها و 75% کاهش در تعداد بلوکهای DSP نسبت به پیادهسازی 32 بیتی میشود درحالیکه موجب 30% افزایش انتشار خارج باند میگردد. در نهایت با پیادهسازی سختافزار توسط System Generator و قرار دادن سختافزار برد ZedBoard با تراشه Zynq7020 در حلقه سیمولینک صحت اثر مقیاس را در عمل مورد آزمایش قرار میدهیم. کلمات کلیدی: 1- GFDM 2-گیرنده وادارکننده صفر 3-مقیاس 4-FPGA 5-مدولاسیون چندحاملی6-System Generator