Rapid Prototyping of Wireless Physical Layer Modules Using Flexible Software/Hardware Design Flow James Chacko jjc652@drexel.edu Cem Sahin cs486@drexel.edu Doug Pfeil dsp36@drexel.edu wireless.ece.drexel.edu Dr. Nagarajan Kandasamy kandasamy@drexel.edu Dr. Kapil Dandekar Funded by NSF Grants dandekar@drexel.edu CNS-0854946, CNS-0923003 & CNS-1422964
So%ware ¡Defined ¡Radio ¡(SDR) ¡ Characteris6cs ¡ ¡ ¡ • So%ware ¡implementa6on ¡ ¡ • Hardware ¡frontends ¡ ¡ Advantages ¡ S oftware • Easily ¡modified ¡ ¡ D efined • Faster ¡6me ¡to ¡market ¡ C ommunication ¡ Testbed Disadvantages ¡ Slower ¡speed ¡compared ¡to ¡ASIC ¡ • Hard ¡to ¡achieve ¡real-‑6me ¡opera6ons ¡ • 2 w ¡ wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Generic ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡ 3 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Configura6on ¡Parameters ¡ [2,3,4] ¡ Standard Encoder Rates Modulation Schemes IFFT Size BPSK, 4-QAM, 128, 512, 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 802.16 WiMAX 5 ⁄ 6 16-QAM, 64-QAM 1024, 2048 BPSK, 4-QAM, 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 802.11n WLAN 64 5 ⁄ 6 16-QAM, 64-QAM BPSK, 4-QAM, 802.11a WLAN 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 64 16-QAM Pipeline Stage Parameters Encoder Coding rate, Polynomial Modulation Modulation scheme, Data mapping value Piloting Pilot position, Pilot value, Symbol size IFFT Symbol size, Guard prefix 4 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Generic ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡ • Fixed ¡PHY ¡implementa6on ¡ • Fixed ¡Configura6ons ¡ ¡ • Fixed ¡rates ¡ 5 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
¡Generic ¡ ¡Scalable ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡ Latency ¡Insensi1ve ¡Architecture ¡ ¡ • ¡ Fixed ¡ ¡Scalable ¡PHY ¡implementa6on ¡ • ¡ Fixed ¡ ¡Scalable ¡Configura6ons ¡ ¡ • ¡ Fixed ¡ ¡Scalable ¡rates ¡ ¡ 6 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
So%ware ¡Defined ¡Communica6on ¡ Testbed [1] ¡ • So%ware ¡interface ¡driven ¡flexible ¡ hardware ¡implementa6on ¡ • So%ware ¡flexibility ¡ ¡ • Hardware ¡speeds ¡ • Rapid ¡prototyping ¡ ¡ • OFDM ¡based ¡comm. ¡standards ¡ • Varia6ons ¡within ¡comm. ¡standards ¡ • Run6me ¡adaptable ¡ ¡ ¡ wireless.ece.drexel.edu/sdc ¡ 7 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Hardware ¡Pla\orm ¡ ML605 ¡Virtex-‑6 ¡FPGA ¡Baseband ¡ • ¡ 240k ¡logic ¡cells, ¡700 ¡DSP ¡slices, ¡400 ¡ BRAMs ¡ • ¡Gigabit ¡Ethernet ¡ • ¡FPGA ¡Mezzanine ¡Connector ¡(FMC) ¡ 8 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
So%ware/Hardware ¡Design ¡Flow ¡ □ ¡M-‑code ¡-‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡MATLAB ¡Script ¡Implementa6on ¡ □ ¡ModelSim ¡-‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡MATLAB ¡Simulink ¡Implementa6on ¡ □ ¡So%ware/Hardware ¡Co-‑Simula6on ¡ ¡ □ ¡Hardware ¡Implementa6on ¡ □ ¡Xilinx ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡V/VHDL ¡-‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ § Import ¡code ¡wriden ¡in ¡ModelSim ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡ § U6lizes ¡Mcode ¡blockset ¡ ¡ § Signal ¡processing ¡blocksets ¡ ¡ § PC ¡driven ¡interface ¡ § Create ¡the ¡func6onal ¡equivalent ¡of ¡the ¡script ¡ § Microblaze ¡driven ¡experiments ¡ High ¡level ¡interac6ve ¡environment ¡for ¡numerical ¡computa6on ¡and ¡ § Import ¡code ¡wriden ¡in ¡ISE ¡Design ¡Suite ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡ § Shared ¡MATLAB ¡workspace ¡for ¡sourcing, ¡sinking ¡and ¡post ¡ ¡ § On-‑board ¡data ¡genera6on ¡and ¡valida6on ¡ ¡ § Debugging ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡simulated ¡through ¡ModelSim ¡ § Converts ¡m-‑code ¡wriden ¡in ¡Xilinx’s ¡fixed ¡point ¡datatype ¡ § Create ¡custom ¡IP ¡cores ¡ § Communica6on ¡Systems ¡Toolbox ¡ availability ¡of ¡pre-‑built ¡communica6on ¡toolboxes. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ § Func6onality ¡crosschecked ¡with ¡Simulink ¡implementa6on ¡ ¡ ¡ processing ¡ ¡ 9 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Two ¡Configura6ons ¡of ¡Coding ¡and ¡QAM ¡ b. ¡ a. ¡ AWGN ¡channel ¡ • Constella6on ¡mapping ¡for: ¡ • a. ¡ ¡ ¡ ¡4QAM ¡mod ¡1/2 ¡coding ¡rate, ¡SNR=15dB ¡ b. ¡ ¡16QAM ¡mod ¡3/4 ¡coding ¡rate, ¡SNR=20dB ¡ ¡ 10 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
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What’s ¡the ¡data ¡rate? ¡ Based ¡of ¡ Communica6on ¡standard ¡ ¡ • Rates ¡implemented ¡ ¡ • Data ¡Rate ¡ ¡ BPSK ¡ 64 ¡ ¡ ( ____ ) ( ____ ) 4 ¡QAM ¡ 128 ¡ Modula6on ¡Scheme ¡ Subcarrier ¡Count ¡ 256 ¡ 16 ¡QAM ¡ 512 ¡ 64 ¡QAM ¡ 1024 ¡ Bandwidth ¡ 12 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Conclusion ¡ • Built ¡So%ware ¡Defined ¡Communica6on ¡Testbed ¡(SDC) ¡ • Described ¡SDC’s ¡step ¡by ¡step ¡design ¡approach ¡ realizing ¡PHY ¡so%ware ¡implementa6on ¡into ¡hardware ¡ ¡ • SDC ¡provides ¡flexibility ¡and ¡real-‑6me ¡speeds ¡with ¡its ¡ so%ware ¡interfaced ¡hardware ¡implementa6on ¡ wireless.ece.drexel.edu/sdc ¡ ¡ 13 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Ques1ons? ¡ ¡ 14 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
References ¡ • [1] ¡Chacko, ¡James; ¡Sahin, ¡Cem; ¡Nguyen, ¡Danh; ¡Pfeil, ¡Doug; ¡Kandasamy, ¡Nagarajan; ¡ Dandekar, ¡Kapil, ¡"FPGA-‑based ¡latency-‑insensi6ve ¡OFDM ¡pipeline ¡for ¡wireless ¡research," ¡ High ¡Performance ¡Extreme ¡Compu6ng ¡Conference ¡(HPEC), ¡2014 ¡IEEE ¡, ¡vol., ¡no., ¡pp.1,6, ¡ 9-‑11 ¡Sept. ¡2014 ¡ • [2] ¡ECMA-‑368: ¡Standard:High ¡rate ¡ultra ¡wideband ¡PHY ¡and ¡MAC ¡standard ¡ • [3] ¡IEEE ¡802.16: ¡2009 ¡standard ¡for ¡local ¡& ¡metropolitan ¡area ¡networks ¡part ¡16: ¡Air ¡ interface ¡for ¡broadband ¡wireless ¡access ¡systems. ¡ ¡ • [4] ¡IEEE ¡802.11: ¡standard ¡for ¡wireless ¡lan ¡medium ¡access ¡control ¡(mac) ¡& ¡physical ¡layer ¡ (phy) ¡specifica6ons, ¡2012. ¡ 15 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
OFDM ¡Physical ¡/ ¡Baseband ¡layer ¡ ¡ • Filter ¡stage ¡ • Enforcing ¡BW ¡limita6ons ¡ • Modem ¡stage ¡ • Signal ¡condi6oning ¡ ¡ • Most ¡diverse ¡ • Codec ¡stage ¡ • Frame/symbol ¡condi6oning ¡ ¡ • Heavy ¡computa6on ¡ ¡ 16 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
PCIe ¡Connec6on ¡ Gen ¡1 ¡x8 ¡PCIe ¡connec6on ¡provides ¡the ¡fastest ¡data ¡link ¡ • Based ¡on ¡Microso%’s ¡Speedy ¡PCI ¡Express ¡design ¡ • Provides ¡DMA ¡into ¡FPGA ¡RAM ¡ • Measured ¡write ¡max ¡BW: ¡~1.425 ¡GB/s ¡ • Measured ¡read ¡max ¡BW: ¡~1.2 ¡GB/s ¡ • S6ll ¡in ¡development: ¡Currently ¡being ¡integrated ¡with ¡ other ¡components ¡of ¡our ¡system ¡ 17 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Data ¡Flow ¡ Quick ¡Ethernet ¡based ¡prototyping ¡ PCIe ¡based ¡prototyping ¡ On-‑Board ¡prototyping ¡ MATLAB ¡+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡ Xilinx ¡SDK/EDK+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡ Xilinx ¡SDK/EDK+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡ ¡ ¡ ¡ Ethernet ¡ PCIe ¡ 18 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
Hardware ¡Pla\orm ¡ Nutaq ¡Radio420x ¡ 4DSP ¡FMC110 ¡ • ¡Frequency ¡agility ¡ • ¡Fast ¡DAC ¡/ ¡ADC ¡1Gsps ¡ • ¡300 ¡MHz ¡– ¡3 ¡GHz ¡ • ¡250 ¡MHz ¡BW ¡signals ¡ • ¡20 ¡MHz ¡BW ¡signals ¡ • ¡UWB ¡applica6ons ¡ • ¡Programmable ¡center ¡ frequency ¡ ¡ 19 wireless.ece.drexel.edu/sdc Drexel Wireless Systems Laboratory
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