OFDM tabanlı temel bant WIMAX fiziksel katman vericinin FPGA üzerinde gerçeklenmesi
Implementation of OFDM based WIMAX physical layer baseband transmitter on FPGA
Yazar: AHMET TANSU AKTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda internet kullanımının sabit (masa üstü bilgisayarlar), yarı gezgin (diz üstü bilgisayarlar) ve gezgin (cep telefonları ve tabletler) şebekelerde artması ile veri iletim ihtiyacı artmıştır. Bu ihtiyacın karşılanmasında dördüncü kuşak (4G) iletişim sistemlerinin gelişimi önemli çalışmaların başında gelmektedir. Bu sebeple 4G sistemlerinin üyesi olan Mikrodalga Erişim İçin Evrensel Uyumluluk (Worldwide Interoperability for Microwave Access - WIMAX) ve Uzun Vadeli Evrim (Long Term Evolution - LTE) sistemleri üzerinde yapılan çalışmalar oldukça popülerdir.
Veri iletim ihtiyacının karşılanmasındaki en önemli kısıtlardan biri ise bant genişliğidir. Yeni nesil iletişim sistemleri bu kısıtla mücadele etmek için fiziksel katman tasarımlarında bant verimliliği yüksek bir teknik olan dik frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) tekniğini kullanmışlardır. Kablosuz iletişim sistemlerinde bant verimliliğinin yanı sıra iletilen bilginin kablosuz iletim ortamındaki bozucu etkilere karşı dirençli kılması ve diğer dengeleyici tabanlı alıcı sistemlerine nazaran işlem karmaşıklığının az olması OFDM tekniğinin diğer önemli avantajlarındandır.
Yeni nesil iletişim sistemlerinde kanal koşullarına göre dinamik değişen sistem parametreleri ile toplam veri iletim hızının arttırılması hedeflenmektedir. Bu amaç doğrultusunda tasarlanan sistemlerde sistem parametrelerinin donanım müdahalesine gerek kalmadan yazılımsal olarak değiştirilmesi sistem karmaşıklığını azaltarak donanım maliyetlerini minimuma çekmiştir. Bu tasarımlar literatürde yazılım tanımlı radyolar olarak geçmektedir. 
Yazılım tanımlı radyolar Uygulamaya Özel Bütünleşik Devreler (ASIC), Sayısal Sinyal İşlemcileri (DSP) ve Sahada Programlanabilen Kapı Dizisi (FPGA) kullanılarak gerçeklenebilmektedir. FPGA' lar diğer bütünleşik devrelere nazaran donanım ihtiyaçları tasarıma bağlı oluşturulabilen bütünleşik devrelerdir. Bu sayede firma ve bütünleşik devre ailesine bağımlılığı minimumda tutarak özgün tasarımlar oluşturulabilmektedir.
FPGA üzerinde yapılan gerçekleme çalışmalarında en önemli iki tasarım kriteri ise kullanılan FPGA kaynakları ve tasarımın çalışabileceği maksimum saat darbesi frekansıdır. Tasarlanan yapının minimum kaynak kullanımı yönünde optimize edilmesi daha sonraki donanım ihtiyaçlarına yer açmak adına önemlidir.
Bu tez çalışmasında OFDM tabanlı WIMAX temel bant verici tasarımı FPGA üzerinde kaynak optimizasyonu gözetilerek gerçeklenmiştir. Tasarımda Xilinx firmasının Spartan-3 FPGA ailesine ait XC3S1000 bütünleşik devresi kullanılmıştır.  Kaynak optimizasyonu için temel bant verici bloklarında yer alan ve en çok kaynak tüketimine sebep olan kanal kodlayıcı, sembol modülasyonu ve IFFT işlem bloklarının tasarımı literatürde yer alan çalışmalar incelenerek oluşturulmuştur. 
Kanal kodlayıcı olarak minimum kaynak kullanımı ve işlem karmaşıklığı sağladığı için 1/2 oranında katlamalı kodlayıcı seçilmiştir.
Sembol modülasyonunda oluşturulması gereken I, Q bileşenleri fazla kaynak kullanımına sebep olan IEEE-754 kayan noktalı sayı kütüphanesi yerine 10 bit çözünürlükte tam sayı kütüphanesi kullanılmıştır.
IFFT işlem bloğunun oluşturulması için incelenen algoritmalarda hafifletilmiş radix-2 algoritması minimum kaynak kullanımı sebebiyle seçilmiştir.
Tasarım ilk önce IEEE 802.16-2012 standardında yer alan sistem parametreleri gözetilerek MATLAB programı üzerinde hazırlanmıştır. Tasarımın doğruluğu standartta yer alan test dataları ile kontrol edildikten sonra FPGA tasarımı Xilinx firmasının ISE yazılım geliştirme ortamında VHDL dili kullanılarak oluşturulmuştur. Oluşturulan tasarımın kaynak kullanımı 1950 dilim saklayıcı (Slice), 2998 bellek elemanı (Flip Flop - FF) ve 3101 başvuru çizelgesi (LUT) olarak elde edilmiştir. Oluşturulan tasarım Xilinx firmasının ISIM mantık analizörü ile doğrulandıktan sonra Digilent firmasının Spartan-3 kartında gerçeklenmiştir. Üretilen temel bant OFDM işareti üst dönüştürücü ve RF kartına aktarılarak sonuçlar Arnitsu 2830A frekans analizörü ve demodülatöründe doğrulanmıştır.

Abstract:
In recent years internet usage with fixed (desktop), half mobile (laptop) and mobile devices (cell phone – smart phone) increased and which brings to needs of more data traffic on communication systems. Especially 4G technologies one of the most important working field which try to overcome about this issue. Worldwide Interoperability for Microwave  Access (WIMAX) is a forum which purpose clearly figured out by its name, and Long Term Evolution (LTE) are member of 4G communication systems. Working on these technologies are very populer these days.  
One of the most important constraints about the needs of data transmission is bandwidth. 4G technologies consider about bandwidth efficiency while increasing data transmission on network. Constraint of bandwidth efficiency can be achieved by the help of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based physical layer on 4G and other communication system recently. OFDM transmissions are emerging as important modulation technique because of its capacity of ensuring high level robustness against interference on wireless communication systems. OFDM system is widely used in various high speed mobile and wireless communication systems which are 802.11 (Wi-Fi), 802.16 (WIMAX), Digital Audio Broadcasting (DAB), Digital Video Broadcasting (DVB) and LTE.
In 4G systems has adaptif system parameters in order to increase total throughput. In wireless communication channel quality is changing very rapidly. Designed transmitter and receiver systems must adopt this situation by changing system parameter dynamicly which are transmission frame length, modulation degrees (QPSK, 16 QAM, 64QAM), channel coding, antenna array usage type (diversity or spatial multiplexing) and so on. System parameters are not change quickly and easly in hardware define radio systems. Software defined radios (SDR) can change system parameter easly by changin software input unlike hardware defined radio. SDR does not need to intervention on hardware physically, its can be done by software.
SDR can be implemented by using FPGA, ASIC and DSP' s. These integrated circuits has softwarely configurable pheripherals and logic gates to implement physical layer of SDR. ASIC and DSP circuits has some communication library and ready to use peripherals to quick implementation. Communication and interaction of other integrated circuit with DSP and ASIC can be done easly Serial Peripheral Interface (SPI) and other peripheral like this. Firm which produce DSP and ASIC serve ready to use library to take FFT and correlation process. Inspite of the fact that ready to use libray and peripherals provide quick implemetation, it increase dependencies of firm and processor family. An other consideration of using DSP and ASIC is portablity of software. It also depend processor family and firm. Designed software can not easly adopt another firm processor or another processor family. Ready to use library generally designed for spesific processor family. This situation effect design consideration which is using proper integrated circuit. Unlike DSP and ASIC, FPGA software can be port another firm FPGA or different kind of FPGA family on the same firm. FPGA has important advatages over DSP and ASIC which custom designed peripherals can be define variously and not limited count.
FPGA based SDR implementation has two main design criteria which are usage of FPGA resource and maximum run time frequency. Maximizing run time frequency can be explained that try to maximize clock frequency which feeds FPGA design with properly working. Achieved maximum clock frequency effect speed of signal output of FPGA. Another consideration ise usage of FPGA resources. SDR can be design with customly with FPGA but FPGA has limitted logical resources which are mainly Slice, Flip Flops (FF), Look Up Tables (LUT), block RAMs and multiplexers. Designed software have to use less resource than limited counts. In SDR systems, decreasing resource usage become more important issue because of improving communication technology needs extra system requierments, adaptif system parameters like Multi Input Multi Output (MIMO) antenna system, beamforming and carrier aggregation.
In this thesis we implement OFDM based WIMAX physical layer baseband on Xilinx XC3S1000 FPGA with optimization of resource usage. Implemented physical layer of WIMAX has randomizer, channel coding, interleaver, symbol mapping, pilot an data sub carrier placement, pilot sub carrier randomization, preamble placement, Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) and Cyclic Prefix (CP) appending blocks. We design system according to IEEE 802.16 WIMAX standard with 1.25 MHz bandwith, 128 subcarrier, 1.4 MHz sampling frequency, 16 QAM symbol mapping, 128 IFFT and 1/8 guard symbol CP.  
Physical layer of WIMAX has some blok which consume more resource and has complicated processing. We try to design this processing block with minimum resource usage and reduced processing complexity. These block are channel coding, symbol mapping and IFFT.        
802.16 WIMAX standard define four main channel coding method which are convolutional encoder (CC), block turbo coding (BTC), convolutional turbo coding (CTC) and low density parity check (LDPC) coding. Try to figure out better resource usage search the literature for similar physical layer design. Output of research is show that BTC, CTC and LDPC coding more resistive against channel interference than convolutional coding altough these techniques more complicated and needs more FPGA resource to implementation. We prefer convolutional coding in order to design channel coding block because of lower resource usage than other complicated channel coding techniques. We use Xilinx free IP-Core module to implement 1/2 rate convolutional encoder.  
Symbol mapping another block which can be optimize for resource usage. We use 10 bit I, Q sample to implement complex sample instead of IEEE-754 floating point library. IEEE-754 32 bit floating point library has advatages over 10 bit I, Q resolution about mapping error. We use 10 bit integer library as floting point, first bit sign bit, next two bit is integer part and other seven bits floating parts. These resolution consideration is decided according to upconverter which integrated circuit take base band I, Q sample as 12 bit resolution and multiply with sine and cosine signal in order to modulate quadraturely and convert them to analog signal (DAC). We obtain resource optimization with taking into hardware limit consideration. We implement 10 bit resolution I, Q symbol mapping with using 23 Slice, 36 FF and 20 LUT.
IFFT block most important block in OFDM based physical layer systems which modulate I, Q samples with orthogonal sub carrier without using multi oscillators. FFT processing blok is defined fast implementation of Discrete Fourier Transform (DFT). Fast implementation of long DFT blocks is done by using twiddle factors mathamatical properties which are symetry and periodicity. Long DFT block can be seperated lots of two or four pointed DFT bloks. These algorithms call Cooley and Tukey algorithm which are radix-2 or radix-4. In this thesis, implemantation of FFT blocks using radix-2 lite algorithm which is done by Xilinx free FFT IP-Core modüle. Implementations resource usage is 1272 Slice, 2169 FF and 1876 LUT.
In this thesis, implementations of baseband physical layer is done with three main steps. First step, create physical layer simulation on a MATLAB program and confirm each block of physical layer with test data which is given by IEEE 802.16 standart. 
On the next step, each block is designed with VHDL hardware defining language by using Xilinx ISE development studio software and simulate on Xilinx ISIM logic analyser with test bench VHDL code to confirm each blok output with test data. Implementation of WIMAX physical layer baseband transmitter uses 1950 Slice, 2998 FF and 3103 LUT. 
After all, last step is implementation of FPGA design on Digilent Spartan-3 board. Digilent Spartan-3 board has XC3S1000 FPGA, 8 slide switches, 4 pushbuttons, 9 LEDs and 4-digit seven segment displays, serial port, VGA port and input/output pins. Implementation loaded on FPGA with using JTAG cable. One of I/O pin is used to export WIMAX frame to send upconverter IC AD9856. AD9856 upconverter has quadrature modulater which modulate singal with 21.4 MHz (Intermediate Frequency - IF) sine and cosine signal. Quadratur modulated signal converted analog signal on the same IC. After that upconverted 21.4 MHz and 1.4 MHz bandwidth signal transfer RF synthesizer in order to modulate signal RF frequency which is 300 MHz. Obtained IF and RF WIMAX frame spectrum analized with Arnitsu 2830A frequency analyser and connected to Arnitsu 2830A WIMAX demodulator to confirmate design.