Yazılım tanımlı radyo tabanlı dördün genlik modülasyonu tasarımı
Software defined radio based quadrature amplitude modulation design
Yazar: ANILCAN AYRANCI
Danışman: DR. HASAN BÜLENT YAĞCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA ; Modülatör = Modulator ; VHDL = VHDL

Özet:
Dördün genlik modülasyonu, diğer sayısal iletişim tekniklerinden farklılaşarak işaretin hem genlik hem de faz bilgisinin değişiminden faydalanan kombine bir yapı sunmaktadır. Genellikle arasında 90° faz farkı olan iki taşıyıcının modülatörden gelen I ve Q bileşenleri ile çarpılıp toplanması sonucu modüleli işaret elde edilmektedir. Yüksek hızlı veri iletiminin yanı sıra spektral verimliliğinden dolayı günümüzde sayısal televizyon, kablosuz ağ teknolojileri ve uydu iletişimi gibi birçok farklı uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır.
Haberleşme sistemleri eskiden ayrık analog bileşenler kullanılarak tasarlanmaktaydı. Analog bileşenleri tekil olarak tasarlamak ve bu bileşenlerden bir sistem ortaya çıkarmak oldukça zahmetli ve zor bir süreçti. Ayrıca, en ufak bir değişiklik ihtiyacı doğduğunda sistemde kullanılan fiziksel alt bileşen veya bileşenlerin değiştirilmesi ve değişen bileşenlere tekrar ayar yapılması hatta bazı durumlarda yeniden tasarlanması gerekliydi. Son yıllarda sayısal işaret işleme yeteneğine sahip elemanların hızlı gelişimi ve yaygınlaşması hem maliyetlerinin düşmesine hem de yazılım tanımlı radyo sistemlerinde sıkça kullanılmalarına sebep olmuştur. Günümzdeki YTR yapıları ise işlemcileri (FPGA, DSP, SOC) vasıtsayla istenilen dalga formlarını istenilen frekansta üretilmeye olanak sağlayan bir yapı haline gelmiştir. Bu yaklaşım ekipmanın hem çok yönlü olmasını hem uygun bir maliyete sahip olmasını hem de esnek ve yeniden programalanabilir bir ortam sunmasına yol açmaktadır.
Tez kapsamında dördün genlik modülasyonunun FPGA'de ara frekans seviyesinde üretilebilmesine olanak sağlayan CORDIC algoritması temelli bir modülator yapısı önerilmiştir. Ara frekans seviyesinde modüleli işaret üretmek için geleneksel yöntemler kullanıldığında çok yüksek bit sayısına sahip sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Bu durum ise kullanılması gereken sayısal-analog çeviricilerin çok yüksek çözünürlüklü olması gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Düşük çözünürlüklü üretilmeye çalışılan işaretlerin ise örnekleme frekansı anındaki geçişlerinin ani olmasından dolayı işaret kalitesinde bozulmalar ortaya çıkmakta spektral verimlilik oldukça düşmektedir. Kullanılan CORDIC algoritması yüksek bit sorununu ortaya çıkaran çarpma işlemini kaydırma ve toplama şekline indirgeyerek bahsedilen soruna çözüm niteliği sunmaktadır. Dördün genlik modülasyonu gelişimi araştırılmış önerilen kümeleşme yapıları incelenerek, yazılım tanımlı radyolarda kullanılmak üzere 16 seviyeli, Gray kodlamalı ve Tip III kümeleşme yapısına sahip dördün genlik modülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu modülatör yapısı hiçbir hazır blok ya da fikri mülkiyet çekirdeği kullanılmadan tasarlanmıştır.
MATLAB programı aracılığıyla önerilen yapının benzetimi yapılmıştır. Simulink içerisinde blok diyagramlarla tasarlanan yapının simülasyon sonuçları elde edildikten sonra tasarım aşamasına geçilmiştir. Modülator yapısı genel olarak haritalama, darbe şekillendirme ve CORDIC bloklarından oluşmaktadır. Bilgi işareti bitleri seri olarak haritalama bloğuna gelmektedir. Haritalama bloğu seri olarak gelen bitleri Tip III Gray kodlama yapısına uygun bir şekilde işleyerek I ve Q bileşenlerini üretmektedir. Haritalanmış olan I ve Q bileşenleri hem ani sıfır geçişlerinin ortadan kaldırılması hem de semboller arası girişimin oluşmaması için SRRC ve yarım bant alçak geçiren filtrelerden oluşan yapıya gelmektedir. Şekillendirilen I ve Q bileşenleri CORDIC bloğu girişlerine uygulanarak istenilen dalga formuna sahip olan modüleli işaret üretilmiştir. CORDIC bloğu pipeline yapıda oluşturuduğundan veri akışında herhangi bir kesinti olmadan işaret üretimi gerçekleştirilmiştir.
CORDIC bazlı modülatör tasarımı Modelsim programı ile doğrulandıktan sonra Xilinx firmasının AC701 geliştirme kartında gerçeklenmiştir. 6.25MHz merkez frekansına sahip olan ara frekans bileşeni DAC904U sayısal-analog dönüştürücü yardımıyla üreteilmiştir. Üretilen işaretin spektrum analizi yapılarak ve bant genişliği ölçümlenmiştir. Modüleli işaretin bağımsız bir platformda çözümlenmesi hedeflenmiştir. İşaretin demodüle edilebilmesi için USRP kitlerinden faydalanılmıştır. USRP alıcı yapısının minimum 380 MHz merkez frekanslı işareti çözümleyebildiğinden ara frekansta üretilen işaret karıştırıcı ve işaret üreteci yardımıyla bu seviyeye taşınmıştır. USRP kitleri arasındaki haberleşme, sabit ve tekil geçişlere sahip CORDIC modülatör tasarımı ve rastgele bütün geçiş olasılıklarına sahip CORDIC modülatör tasarımı olmak üzere üç farklı yapı ile test ortamı oluşturulmuştur. Hem tekil geçişli yapısı hem de rastgele geçişli yapıya sahip tasarımlar başarılı bir şekilde demodüle edilmiştir. Demodüle edilen işaretlerin kümeleşme diyagramı, göz diyagramı ve bozulma ölçümleri yapılarak ölçüm sonuçları elde edilmiş ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Tasarlanan sistemin her anlamda USRP kitleri ile oluşturulan alıcı-verici yapısından daha verimli olduğu görülmüştür.

Abstract:
Quadrature amplitude modulation differs from other digital communication techniques and utilizes a change in both amplitude and phase information of the signal. Usually, between the two carriers with a 90° phase difference multiplied by the I and Q components from the modulator and then collected, the modulated signal is obtained. It is widely used in many different applications such as digital television, wireless network technologies and satellite communication according to its high throughput data transmission and spectral effiency properties. It is also envisaged that the QAM modulation type will be used as a requirement of the WIFI 6 standard.
Communication systems were previously designed using discrete analog components. It was quite a laborious and difficult process to design the analog components individually and create a system from these components. In addition, the physical sub-components or components used in the system had to be replaced and the changing components had to be re-adjusted or even redesigned in some cases when the slightest change was needed. In recent years, the rapid development of the elements that have the ability to process digital signals has led to both the reduction of their costs and their frequent use in software-defined radio systems. The SDR structures nowadays allows to produce the desired waveforms with processing units (FPGA, DSP, SOC). This approach results in versatile, cost-effective, flexible and reconfigurable environment.
After filtering the components I and Q in the conventional quadrature amplitude modulation implementation method which is the process of multiplying and adding separately the two carriers (sine and cosine) having ninety degrees phase difference between them. At the FPGA level, this process is performed to produce the modulated signal at the intermediate frequency level, resulting in a very high bit count. This necessitates that the digital-to-analog converters to be used must be high resolution. Within the scope of the thesis, a modulator structure based on CORDIC algorithm is proposed which allows quadrature amplitude modulation to be produced the intermediate frequency level at FPGA. The signals that are produced in low-resolution are corrupted sampling frequency transitions and then spectral efficiency decreases considerably. The CORDIC algorithm provides a solution to the problem by reducing the multiplication process that causes a high bit problem to shifting and adding. CORDIC is a hardware-efficient iterative method which uses rotations to generate modulated signal. Quadrature amplitude modulation techniques was investigated and proposed constellation diagram structures were investigated. Gray coded, type III constellation diagram 16-QAM structure was used for software-defined radios. This modulator structure is designed without the use of any embedded or intellectual cores.
In general, CORDIC based QAM design consists of the information bit generator, mapping, pulse shaping and CORDIC blocks. The information bit generator module generates bits with a symbol rate of 781.25 kHz. The bits generated by the generator provides signal generation in the baseband by coefficients in the mapping unit. The mapping unit coefficients provides both phase and amplitude information of the signal. The digital up conversion design is provided not only pulse sahping but also interpolation. The digital up conversion design consists of cascade root raised pulse shaping filter and three halfband low pass filters. At each filter stage, the modulated signal is interpolated by two. Thus, the sampling of the modulated signal is up converted 16 times in filter stage. Then, the signal formed by passing through the filters formed in cascade structure comes to CORDIC block. The CORDIC block is designed twelve staged pipelined structure in order to minimize the delay and ensure the continuity of the signal. Intermediate frequency is produced with the aid of pipelined structure at 6.25 MHz.
USRP kits were used to demodulate the generated signal on an independent platform. Demodulation process was carried out with the help of modular signal mixer and signal generator produced at intermediate frequency level to 380 MHz level. Three different designs which consists of USRP-USRP design, single-transition design and random-transition design, are realized in order to compare results. Moduation error ratio, error vector magnitude percentage, magnitude error, phase error, quadrature skew error, eye diagram and IQ gain imbalance are measured. All measurements show that the transitions of the realized design are much better than the transitions of the signal generated by the USRP. In eye diagram measurements, eye height and width are directly proportional to the quality of the signal.
The proposed structure was designed with block diagrams and simulated via the MATLAB-Simulink. All sub-components are modeled in accordance with the hardware description language and the simulation process is performed in a way that is very close to the actual system. The modulator design consists of mapping, pulse shaping filter, half band lowpass filters and CORDIC blocks. Binary random number generator as information bit generator and QAM baseband modulator block as mapping unit are used. Shaping filter block is designed to be convenient spectral mask with MATLAB FDATool. The CORDIC block is also designed using a phase accumulator, front phase conversion unit and twelve iterative single CORDIC units. The mapping block produces the I and Q components by processing the bits in series in accordance with the Type III Gray Coding structure. The mapped I and Q components come to the block with the SRRC filter structure to ensure both a lower bandwidth transmission and no inter-symbol interference. After the SRRC filter, a cascade of interpolation halfband lowpass filters follows to remove the aliasing effect produced by up sampling. In addition, the half band low pass filters allows the to fit into wideband code division multiple access spectral mask requirements which has a very sharp transition. The shaped I and Q components are applied to the CORDIC block to produce a complex signal with the desired waveform. When the CORDIC block is formed in the pipeline structure, signal generation is performed without any interruption in the data flow.
CORDIC based modulator design was verified with Modelsim program and realized in Xilinx firm's AC701 development board. The intermediate frequency, which has a 6.25MHz center frequency, was produced with the aid of a digital-to-analog converter DAC904U. Spectrum analysis of the signal and the occupied bandwidth was measured. It is aimed to analyze the modulator design on an independent platform. USRP kits were used to demodulate the modulated signal. Since the USRP receiver structure can decode a minimum 380 MHz center frequency signal, the signal produced at the intermediate frequency is upconverted to this level with the mixer and the signal generator. The communication between the USRP kits, the CORDIC modulator design with fixed and single transitions and the CORDIC modulator design with all random transition possibilities have been established with three different structures. Both single-transition and random-transition designs have been successfully demodulated. Constellation diagrams, eye diagrams and impairment measurements of demodulated signal were obtained and the results were compared. The designed system was found to be more efficient than the transceiver structure created with USRP kits in every sense.