Implementation of a Combined OFDM-Demodulation and WCDMA-Equalization Module

For a dual-mode baseband receiver for the OFDMWireless LAN andWCDMA standards, integration of the demodulation and equalization tasks on a dedicated hardware module has been investigated. For OFDM demodulation, an FFT algorithm based on cascaded twiddle factor decomposition has been selected. This type of algorithm combines high spatial and temporal regularity in the FFT data-flow graphs with a minimal number of computations. A frequency-domain algorithm based on a circulant channel approximation has been selected for WCDMA equalization. It has good performance, low hardware complexity and a low number of computations. Its main advantage is the reuse of the FFT kernel, which contributes to the integration of both tasks. The demodulation and equalization module has been described at the register transfer level with the in-house developed Arx language. The core of the module is a pipelined radix-23 butterfly combined with a complex multiplier and complex divider. The module has an area of 0.447 mm2 in 0.18 ¿m technology and a power consumption of 10.6 mW. The proposed module compares favorably with solutions reported in literature

Hardware implementation of multiple-input multiple-output transceiver for wireless communication

This dissertation proposes an efficient hardware implementation scheme for iterative multi-input multi-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) transceiver. The transmitter incorporates linear precoder designed with instantaneous channel state information (CSI). The receiver implements MMSE-IC (minimum mean square error interference cancelation) detector, channel estimator, low-density parity-check (LDPC) decoder and other supporting modules. The proposed implementation uses QR decomposition (QRD) of complex-valued matrices with four co-ordinate rotation digital computer (CORDIC) cores and back substitution to achieve the best tradeoff between resource and throughput. The MIMO system is used in field test and the results indicate that the instantaneous CSI varies very fast in practices and the performance of linear precoder designed with instantaneous CSI is limited. Instead, statistic CSI had to be used. This dissertation also proposes a higher-rank principle Kronecker model (PKM). That exploits the statistic CSI to simulate the fading channels. The PKM is constructed by decomposing the channel correlation matrices with the higher-order singular value decomposition (HOSVD) method. The proposed PKM-HOSVD model is validated by extensive field experiments conducted for 4-by-4 MIMO systems in both indoor and outdoor environments. The results confirm that the statistic CSI varies slowly and the PKM-HOSVD will be helpful in the design of linear precoders. --Abstract, page iv

FPGA IMPLEMENTATION OF A REALTIME CYCLOSTATIONARY FEATURE DETECTOR FOR OFDM SIGNALS

The demand for wireless connectivity has prompted regulatory authorities in the United States to investigate spectrum sharing of the DSRC band with U-NII operators. However, DSRC operation has public safety implications, and moreover, time-critical requirements due to the vehicular nature of its application. The field of cognitive radio has identified several sensing techniques for the identification of licensed operators in a given band. This thesis explores cyclostationary detection techniques for primary users. A method will be identified for the detection of the 802.11p OFDM modulation used for DSRC communications. A test statistic will be given that is invariant to the signal noise covariance to allow simple and robust operation. Finally, the detection algorithm will be implemented in FPGA digital logic in order to demonstrate the methods ability to be employed in a commercial radio chipset with minimum resource requirements, yet still provide real-time detection

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

An FPGA implementation of OFDM transceiver for LTE applications

The paper presents a real-time transceiver using an Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) signaling scheme. The transceiver is implemented on a Field- Programmable Gate Array (FPGA) through Xilinx System Generator for DSP and includes all the blocks needed for the transmission path of OFDM. The transmitter frame can be reconfigured for different pilot and data schemes. In the receiver, time-domain synchronization is achieved thr ough a joint maximum likelihood (ML) symbol arrival-time and carrier frequency offset (CFO) estimator through the redundant information contained in the cyclic prefix (CP). A least-squares channel estimation retrieves the channel state information and a simple zero-forcing scheme has been implemented for channel equalization. Results show that a rough implementation of the signal path can be impleme nted by using only Xilinx System Generator for DSP

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

A Hardware-Efficient and Reconfigurable UFMC Transmitter Architecture With its FPGA Prototype

[EN] Universal-filtered multicarrier (UFMC) is one of the potential candidates for 5G multicarrier waveforms due to its several attractive features such as suppressed out-of-band radiation to the nearby sub-band. However, the hardware realization of UFMC systems is limited by a large number of arithmetic units for inverse fast Fourier transform (IFFT) and pulse shaping filters. In this letter, we propose an architecture that presents a refreshing approach toward designing a low-complexity architecture for the baseband UFMC transmitter with Dolph-Chebyshev filter. Compared to the read-only-memory (ROM)-based state-of-the-art, the proposed architecture requires less number of ROM locations and has the flexibility to externally select the inverse discrete Fourier transform (IDFT)-size, number of sub-bands, and number of subcarriers in a sub-band. Moreover, we implement the proposed architecture on a commercially available Virtex-5 field-programmable gate array (FPGA) device for testing and analyzing the baseband UFMC signal. Finally, the XILINX post-route results are found comparable with MATLAB simulations.Kumar, V.; Mukherjee, M.; Lloret, J. (2020). A Hardware-Efficient and Reconfigurable UFMC Transmitter Architecture With its FPGA Prototype. IEEE Embedded Systems Letters. 12(4):109-112. https://doi.org/10.1109/LES.2019.296185010911212

Sincronização de quadro e frequência para OFDM no padrão IEEE 802.15.4g : algoritmos e implementação em hardware

Orientadores: Renato da Rocha Lopes, Eduardo Rodrigues de LimaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O objetivo deste trabalho é propor métodos de sincronização de quadro e de frequência de portadora para a camada física MR-OFDM do padrão IEEE 802.15.4g, começando pela pesquisa de algoritmos, passando pelas etapas de modelagem e simulação em alto nível, e finalmente implementando e avaliando os métodos propostos em hardware. A sincronização de quadro é o processo responsável por detectar o início do dado transmitido, ou seja, a primeira amostra válida do sinal de interesse. No caso de sistemas OFDM, onde o sinal transmitido é composto por um ou mais símbolos OFDM (cada símbolo sendo composto por uma quantidade fixa de amostras), o objetivo é detectar a borda ou janelamento de tais símbolos OFDM, ou seja, onde começa e termina cada um deles. A sincronização de frequência, por sua vez, consiste em estimar e compensar o erro de frequência de portadora, causado principalmente pelo descasamento dos osciladores do transmissor e do receptor. Com base em estudos preliminares, selecionamos o algoritmo de Minn para a detecção de quadro. Para a correção de erro de frequência, dividimos o processo em duas etapas, como é geralmente proposto na literatura: primeiro, o erro de frequência fracionário é estimado no domínio do tempo durante a detecção de quadro e compensado via rotação de sinal; após a conversão do domínio do tempo para o domínio da frequência, o erro de frequência inteiro é estimado e compensado utilizando um novo e simples algoritmo que será proposto e detalhado neste trabalho. Os algoritmos propostos foram implementados em hardware e uma plataforma de verificação baseada em FPGA foi criada para avaliar o seu desempenho. Os módulos implementados são parte de um projeto que está sendo desenvolvido no Instituto de Pesquisa Eldorado (Campinas) que tem como objetivo implementar em ASIC um transceptor compatível com o padrão IEEE 802.15.4gAbstract: The objective of this work is proposing methods of frame and frequency synchronization for the MR-OFDM PHY of IEEE 802.15.4g standard, starting with the research of state-of-the-art algorithms, passing through modeling, high-level simulations, and finally implementing and evaluating the proposed methods in hardware. Frame synchronization is the process responsible for detecting the beginning of transmitted data and, in the case of OFDM systems, the border of each OFDM symbol, while frequency synchronization consists of estimating and compensating the Carrier Frequency Offset (CFO) caused mainly by a mismatch between the transmitter and receiver oscillators. Based on the initial studies, we selected Minn¿s algorithm for frame detection. For the CFO correction, we split the process into two steps, as commonly proposed in the literature: first, the Fractional CFO is estimated in the time domain during the frame detection and compensated via signal rotation; after the conversion from time to frequency domain, the Integer CFO is estimated and compensated with a novel and simple algorithm that will be detailed in this work. The proposed algorithms were implemented in hardware and inserted in an FPGA-based verification platform for performance measurement. The implemented modules are part of a project that is under development at Eldorado Research Institute (Campinas) and aims to implement in ASIC a transceiver compliant to the IEEE 802.15.4g standardMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestra em Engenharia Elétric