Rapid Prototyping of Wireless Physical Layer Modules Using Flexible - - PowerPoint PPT Presentation

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Mar 21, 2024 196 likes •470 views

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

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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

  • Dr. Nagarajan Kandasamy

kandasamy@drexel.edu

  • Dr. Kapil Dandekar

dandekar@drexel.edu

Funded by NSF Grants CNS-0854946, CNS-0923003 & CNS-1422964

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w ¡

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So%ware ¡Defined ¡Radio ¡(SDR) ¡

Characteris6cs ¡ ¡ ¡

  • So%ware ¡implementa6on ¡ ¡
  • Hardware ¡frontends ¡ ¡

Advantages ¡

  • Easily ¡modified ¡ ¡
  • Faster ¡6me ¡to ¡market ¡

¡

Disadvantages ¡

  • Slower ¡speed ¡compared ¡to ¡ASIC ¡
  • Hard ¡to ¡achieve ¡real-­‑6me ¡opera6ons ¡

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Software Defined Communication Testbed

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Generic ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡

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Configura6on ¡Parameters ¡

Standard Encoder Rates Modulation Schemes IFFT Size

802.16 WiMAX

​1⁄2 , ​2⁄3 , ​3⁄4 , ​ 5⁄6

BPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM 128, 512, 1024, 2048 802.11n WLAN

​1⁄2 , ​2⁄3 , ​3⁄4 , ​ 5⁄6

BPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM 64 802.11a WLAN

​1⁄2 , ​2⁄3 , ​3⁄4

BPSK, 4-QAM, 16-QAM 64

[2,3,4] ¡

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

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Generic ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡

  • Fixed ¡PHY ¡implementa6on ¡
  • Fixed ¡Configura6ons ¡ ¡
  • Fixed ¡rates ¡

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¡Generic ¡ ¡Scalable ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡

  • ¡Fixed ¡ ¡Scalable ¡PHY ¡implementa6on ¡
  • ¡Fixed ¡ ¡Scalable ¡Configura6ons ¡ ¡
  • ¡Fixed ¡ ¡Scalable ¡rates ¡ ¡

Latency ¡Insensi1ve ¡Architecture ¡ ¡

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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 ¡

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8

ML605 ¡Virtex-­‑6 ¡FPGA ¡Baseband ¡

  • ¡240k ¡logic ¡cells, ¡700 ¡DSP ¡slices, ¡400 ¡

BRAMs ¡

  • ¡Gigabit ¡Ethernet ¡
  • ¡FPGA ¡Mezzanine ¡Connector ¡(FMC) ¡

Hardware ¡Pla\orm ¡

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So%ware/Hardware ¡Design ¡Flow ¡

□ ¡MATLAB ¡Script ¡Implementa6on ¡ High ¡level ¡interac6ve ¡environment ¡for ¡numerical ¡computa6on ¡and ¡ availability ¡of ¡pre-­‑built ¡communica6on ¡toolboxes. ¡ □ ¡MATLAB ¡Simulink ¡Implementa6on ¡ § Create ¡the ¡func6onal ¡equivalent ¡of ¡the ¡script ¡ § Communica6on ¡Systems ¡Toolbox ¡ □ ¡Xilinx ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ § Signal ¡processing ¡blocksets ¡ ¡ § Create ¡custom ¡IP ¡cores ¡ § Func6onality ¡crosschecked ¡with ¡Simulink ¡implementa6on ¡ ¡ □ ¡M-­‑code ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ § U6lizes ¡Mcode ¡blockset ¡ ¡ § Converts ¡m-­‑code ¡wriden ¡in ¡Xilinx’s ¡fixed ¡point ¡datatype ¡ ¡ □ ¡ModelSim ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ § Import ¡code ¡wriden ¡in ¡ModelSim ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡ § Debugging ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡simulated ¡through ¡ModelSim ¡ ¡ □ ¡V/VHDL ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ § Import ¡code ¡wriden ¡in ¡ISE ¡Design ¡Suite ¡through ¡‘Black ¡Box’ ¡ ¡ ¡ □ ¡So%ware/Hardware ¡Co-­‑Simula6on ¡ ¡ § PC ¡driven ¡interface ¡ § Shared ¡MATLAB ¡workspace ¡for ¡sourcing, ¡sinking ¡and ¡post ¡ processing ¡ ¡ □ ¡Hardware ¡Implementa6on ¡ § Microblaze ¡driven ¡experiments ¡ § On-­‑board ¡data ¡genera6on ¡and ¡valida6on ¡ ¡ ¡ ¡

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Two ¡Configura6ons ¡of ¡Coding ¡and ¡QAM ¡

  • AWGN ¡channel ¡
  • Constella6on ¡mapping ¡for: ¡
  • a. ¡ ¡ ¡ ¡4QAM ¡mod ¡1/2 ¡coding ¡rate, ¡SNR=15dB ¡
  • b. ¡ ¡16QAM ¡mod ¡3/4 ¡coding ¡rate, ¡SNR=20dB ¡

¡

  • a. ¡
  • b. ¡

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What’s ¡the ¡data ¡rate? ¡

Based ¡of ¡

  • Communica6on ¡standard ¡ ¡
  • Rates ¡implemented ¡ ¡

¡

( ____ ) ( ____ )

Data ¡Rate ¡ Bandwidth ¡

Modula6on ¡Scheme ¡ Subcarrier ¡Count ¡

128 ¡ 256 ¡ 64 ¡ ¡ 512 ¡ 1024 ¡ 4 ¡QAM ¡ 16 ¡QAM ¡ BPSK ¡ 64 ¡QAM ¡

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Conclusion ¡

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  • 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

¡ ¡

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Ques1ons? ¡ ¡

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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. ¡

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OFDM ¡Physical ¡/ ¡Baseband ¡layer ¡ ¡

  • Filter ¡stage ¡
  • Enforcing ¡BW ¡limita6ons ¡
  • Modem ¡stage ¡
  • Signal ¡condi6oning ¡ ¡
  • Most ¡diverse ¡
  • Codec ¡stage ¡
  • Frame/symbol ¡condi6oning ¡ ¡
  • Heavy ¡computa6on ¡ ¡

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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 ¡
  • ther ¡components ¡of ¡our ¡system ¡

PCIe ¡Connec6on ¡

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Data ¡Flow ¡

Ethernet ¡

Quick ¡Ethernet ¡based ¡prototyping ¡

MATLAB ¡+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡ ¡ ¡

PCIe ¡based ¡prototyping ¡ Xilinx ¡SDK/EDK+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡ ¡

PCIe ¡

On-­‑Board ¡prototyping ¡ Xilinx ¡SDK/EDK+ ¡ML605 ¡HW ¡+ ¡Radio ¡frontend ¡

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4DSP ¡FMC110 ¡

  • ¡Fast ¡DAC ¡/ ¡ADC ¡1Gsps ¡
  • ¡250 ¡MHz ¡BW ¡signals ¡
  • ¡UWB ¡applica6ons ¡

Nutaq ¡Radio420x ¡

  • ¡Frequency ¡agility ¡
  • ¡300 ¡MHz ¡– ¡3 ¡GHz ¡
  • ¡20 ¡MHz ¡BW ¡signals ¡
  • ¡Programmable ¡center ¡

frequency ¡ ¡

Hardware ¡Pla\orm ¡

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Orthogonal ¡Frequency ¡Division ¡Mul6plexing ¡(OFDM) ¡ ¡

  • Encodes ¡digital ¡data ¡unto ¡mul6ple ¡subcarrier ¡

frequencies ¡

  • Advantageous ¡against ¡inter ¡symbol ¡interference ¡& ¡

frequency ¡selec6ve ¡fading ¡

  • More ¡sensi6ve ¡to ¡frequency ¡and ¡6ming ¡offset ¡
  • Simpler ¡frequency ¡equaliza6on ¡techniques ¡

compared ¡to ¡6me ¡domain ¡

  • Can ¡increase ¡performance ¡through ¡spa6al ¡diversity ¡ ¡
  • This ¡area ¡will ¡be ¡revisited ¡later ¡
  • Baseband/Physical ¡layer ¡consists ¡of ¡components ¡

that ¡works ¡at ¡different ¡rates ¡based ¡on ¡standard ¡ being ¡implemented ¡

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Generic ¡OFDM ¡Baseband ¡Pipeline ¡ ¡

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System ¡Layout ¡

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So%ware/Hardware ¡Design ¡Flow ¡

□ ¡MATLAB ¡Script ¡Implementa6on ¡ □ ¡MATLAB ¡Simulink ¡ Implementa6on ¡ □ ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡M-­‑code ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡ModelSim ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡V/VHDL ¡-­‑> ¡SysGen ¡Implementa6on ¡ □ ¡So%ware/Hardware ¡Co-­‑Simula6on ¡ □ ¡Hardware ¡Simula6on ¡

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System ¡Layout ¡

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Stall ¡Propaga6on ¡ ¡

Stall ¡caused ¡by ¡pilo6ng ¡block ¡propaga6ng ¡backwards ¡ ¡ ¡

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So%ware ¡Defined ¡Radio ¡(SDR) ¡

  • Tradi6onal ¡radios ¡are ¡largely ¡hardware ¡based ¡ ¡
  • Physical ¡components ¡
  • More ¡difficult ¡to ¡modify ¡ ¡
  • Minimal ¡flexibility ¡ ¡
  • SDRs ¡can ¡be ¡defined ¡as ¡some ¡or ¡a ¡lot ¡of ¡

tradi6onal ¡hardware ¡layers ¡implemented ¡ through ¡so%ware ¡

¡

¡

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