Thực hiện hệ thống MIMO STBC trên BOARD FPGA ARRIA V

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGÔ VĂN HƠN THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO STBC TRÊN BOARD FPGA ARRIA V KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG - MẠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGÔ VĂN HƠN THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO STBC TRÊN BOARD FPGA ARRIA V KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG - MẠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Th.S ĐẶNG LÊ KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014 LỜI CẢM ƠN Được nhận nghiên cứu đề tài trình bày trước hội đồng niềm vinh hạnh lớn em Tuy gặp nhiều khó khăn trình nghiên cứu, song kinh nghiệm học mà em có sau vô quý giá Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Đặng Lê Khoa, người trực tiếp hướng dẫn dạy tận tình để em hoàn thành khóa luận Cũng xin gửi lời cảm ơn đến người bạn đồng hành suốt trình nghiên cứu, giúp có niềm vui, giảm căng thẳng lúc làm việc Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo giảng dạy kiến thức, tạo tảng để em thực đề tài Gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ người thân yêu động viên lúc khó khăn Chúc sức khỏe thành công đến tất người! T.p Hồ Chí Minh, ngày 12/07/2014 Sinh viên thực Ngô Văn Hơn MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 1.1.1 Lịch sử MIMO 11 1.1.2 Các dạng cấu hình anten thu-phát 13 1.1.3 Một số ứng dụng tiêu biểu 15 1.2 Giới thiệu MIMO 11 1.1.3.1 Chuẩn 802.11n 15 1.1.3.2 Wimax 16 1.1.3.3 Công nghệ 4G 17 Giới thiệu thiết bị FPGA 17 1.2.1 Định nghĩa FPGA 17 1.2.2 Ứng dụng FPGA 18 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ 19 2.1 Lý thuyết MIMO 19 2.1.1 Khái niệm MIMO 19 2.1.2 Các kỹ thuật phân tập 20 2.1.2.1 Phân tập thời gian 20 2.1.2.2 Phân tập tần số 22 Trang 2.1.2.3 2.1.3 Độ lợi hệ thống MIMO 23 2.1.3.1 Độ lợi Beamforming 23 2.1.3.2 Độ lợi ghép kênh không gian 23 2.1.3.3 Độ lợi phân tập 24 2.1.4 MIMO Alamounti STBC 24 2.1.5 MIMO – STBC 2x2 28 2.2 Công cụ thiết kế 31 2.2.1 Phần mềm DSP Builder 31 2.2.2 Thư viện DSP Builder 33 2.3 Phần cứng thực 36 2.3.1 Giới thiệu board Arria V GT 36 2.3.2 Các thành phần board Arria V GT 37 2.3.2.1 Thiết bị Anten 5AGTFD7K3F40I3N 37 2.3.2.2 MAX II CPLD EPM2210GF324 39 2.3.3 Phân tập không gian 22 Ứng dụng Board Test System 40 2.3.3.1 Giới thiệu Board Test System 40 2.3.3.2 Sử dụng Board Test System 41 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 47 3.1 Mô hình thiết kế 47 3.1.1 Sơ đồ khối 47 3.1.2 Bộ tạo liệu tín hiệu điều khiển 47 3.1.3 Bộ mã hóa 48 3.1.4 Bộ giải mã thuật toán Viterbi 49 3.1.5 Ánh xạ chòm 52 Trang Bộ ánh xạ chòm 52 3.1.5.2 Bộ giải ánh xạ chòm 54 3.1.6 Bộ điều chế MIMO-STBC 55 3.1.7 Bộ giải điều chế 55 3.1.8 Kênh truyền 57 3.1.9 Bộ đếm lỗi bit 57 3.2 3.1.5.1 Quy trình thiết kế FPGA 58 3.2.1 Mô tả ban đầu thiết kế 58 3.2.2 Thực thi 59 3.2.3 Quá trình nạp lập trình 62 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 64 4.1 Kết kiểm tra board phần mềm Board Test System 64 4.2 Kết đo đạt mô hình thiết kế 69 4.2.1 Bộ mã hóa kênh giải mã Viterbi 69 4.2.2 Bộ điều chế giản đồ chòm QPSK 70 4.2.3 Bộ mã hóa giải mã STBC 71 4.2.3.1 Tín hiệu sau qua mã hóa STBC 71 4.2.3.2 Tín hiệu sau qua kênh truyền 72 4.2.3.3 Tín hiệu sau giải mã STBC 73 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 75 5.1 Kết luận 75 5.2 Hướng phát triển 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT FIFO :First In First Out FPGA : Field Programmable Gate Array I : Inphase IP core : Intellectual Property Core MIMO : Multi Input Multi Output MISO : Multi Input Single Output OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing PLL : Phase Locked Loop Q : Quadrature QAM : Quadrature Amplitude Modulation QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying VHDL : Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language STBC :Space-Time Block Code Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các chuẩn không dây 12 Hình 1.2 Hệ thống SISO 13 Hình 1.3 Hệ thống MISO 14 Hình 1.4 Hệ thống SIMO 14 Hình 1.5 Hệ thống MIMO 15 Hình 2.1 Phân tập theo thời gian 21 Hình 2.2 Kỹ thuật Beamforming 23 Hình 2.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 23 Hình 2.4 Phân tập không gian cải thiện SNR 24 Hình 2.5 Symbol truyền qua anten phát 25 Hình 2.6 Hệ thống Alamouti STBC 2x1 26 Hình 2.7 Alamouti STBC với nhiều anten thu 27 Hình 2.8 Mô hình STBC 2x2 29 Hình 2.9 Mô hình STBC 2x2 29 Hình 2.10 Quy trình thiết kế DSP Builder 32 Hình 2.11 Thư viện DSP Builder 33 Hình 2.12 Hoạt động khối Signal Compiler 34 Hình 2.13 Board Anten 36 Hình 2.14 Sơ đồ kết nối Anten 39 Hình 2.15 Sơ đồ khối MAX II CPLD EPM2210 40 Hình 2.16 Giao diện Board Test System 41 Hình 2.17 Menu cấu hình 42 Hình 2.18 Tab Flash 44 Hình 2.19 Tab HSMA 44 Hình 2.20 Tab SFP/SMA/C2C 45 Hình 2.21 Tab HSMB/FMC 45 Hình 2.22 Tab SDI/Bull's Eye 46 Hình 2.23 Tab SMA 46 Hình 3.1 Mô hình thiết kế hệ thống MIMO-STBC 47 Trang Hình 3.2 Mạch tạo liệu tín hiệu điều khiển 48 Hình 3.3 Bộ mã hóa Convolutional code 49 Hình 3.4 Mô hình thuật toán Viterbi 49 Hình 3.5 Ví dụ giải mã dùng thuật toán Viterbi 50 Hình 3.6 Bộ giải mã dùng thuật toán Viterbi 51 Hình 3.7 Dạng sóng tín hiệu điều khiển khối giải mã Viterbi 51 Hình 3.8 Giản đồ chòm phép điều chế QPSK 16 QAM 53 Hình 3.9 Mạch thực phép điều chế QPSK 54 Hình 3.10 Bộ mapper nhớ FIFO 54 Hình 3.11 Mạch thực điều chế MIMO-STBC 55 Hình 3.12 Mạch thực giải điều chế MIMO-STBC 56 Hình 3.13 Mạch thiết kế chia 57 Hình 3.14 Mạch đếm lỗi bit 57 Hình 3.15 Tổ hợp logic 59 Hình 3.16 Sơ đồ gán chân 60 Hình 3.17 Sơ đồ không gian gán bên FPGA 61 Hình 3.18 Sơ đồ định tuyến 61 Hình 4.1 Cấu hình menu Flash/GPIO FPGA 64 Hình 4.2 Kết cấu hình LED, LCD thị, Switch nút nhấn 65 Hình 4.3 Kết kiểm tra đọc, ghi nhớ RAM gắn với Chip FPGA 65 Hình 4.4 Kết kiểm tra đọc, ghi nhớ RAM gắn với Chip FPGA 66 Hình 4.5 Kết thu phát loopback cổng kết nối HSMA 66 Hình 4.6 Kết thu phát loopback cổng kết nối HSMB 67 Hình 4.7 Kết kiểm tra phát cổng kết nối FMC 67 Hình 4.8 Kết kiểm tra phát Bull’s Eye 68 Hình 4.9 Kết kiểm tra thu phát qua SMA 68 Hình 4.10 Tín hiệu qua mã hóa kênh 69 Hình 4.11 Tín hiệu qua mã hóa kênh giải mã 70 Hình 4.12 Tín hiệu phần thực QPSK 70 Hình 4.13 Tín hiệu phần ảo QPSK 71 Hình 4.14 Tín hiệu trước mapper sau demapper 71 Trang Hình 4.15 Tín hiệu anten 72 Hình 4.16 Tín hiệu anten 72 Hình 4.17 Tín hiệu anten sau qua kênh truyền 73 Hình 4.18 Tín hiệu anten sau qua kênh truyền 73 Hình 4.19 So sánh tín hiệu sau giải điều chế STBC tín hiệu gốc 74 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các đặc tính Arria V GT 39 Bảng 3-1 Ý nghĩa đường tín hiệu giải mã Viterbi 52 Bảng 3-2 Dữ liệu bảng tra QPSK 53 Trang LỜI MỞ ĐẦU Trong mạng không dây trở nên phổ biến, nhu cầu người sử dụng cao vấn đề băng thông hữu hạn vấn đề quan tâm hàng đầu Các nhà nghiên cứu tập trung tìm cách để truyền nhiều bit Hz, sử dụng hiệu phổ tần hơn, tiếp cận đến tốc độ theo lý thuyết Shanon Những tiến mã hóa mã kiểm tra chẵn lẻ, mã Turbo… tiếp cận đến giới hạn Shannon với hệ thống anten phát, anten thu Và ngày nay, kỹ thuật MIMO đời mang lại nhiều hiệu nữa, đặc biệt hiệu phổ tần Đó kỹ thuật nhiều anten phát nhiều anten thu nơi truyền nơi nhận Hỗ trợ cho trình nghiên cứu, nhiều hãng giới thiết kế nhiều phần cứng board mạch Điển hình hãng Altera với sản phẩm FPGA thuộc họ Stratix, Cyclone, Arria Các board công cụ đắc lực để thiết kế hệ thống viễn thông như: mã hóa chập – giải mã Viterbi, điều chế QPAK, QAM…, hệ thống MIMO-OFDM,…Thiết bị sử dụng đề tài board FPGA Arria V GT hãng Altera Đây linh kiện có tốc độ cao chưa có nhiều nghiên cứu kể nước quốc tế Mục tiêu đề tài tìm hiểu cấu trúc cách nạp thiết kế lên board, thiết kế thử nghiệm hệ thống MIMO DSP Builder kiểm tra đánh giá hệ thống Để tài bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan - Chương giới thiệu chung hệ thống MIMO, ứng dụng thực tế, đồng thời giới thiệu phần cứng FPGA Chương 2: Bao gồm lý thuyết hệ thống MIMO nói chung MIMOSTBC nói riêng, đồng thời giới thiệu công cụ thiết kế DSP Builder Board FPGA Arria V hãng Altera Trang Chương 3: Trình bày phương pháp thiết kế mạch khối ghép khối lại với để tạo thành hệ thống thu phát MIMO hoàn chỉnh Ngoài trình bày quy trình chung để thiết kế hệ thống FPGA Chương 4: Trình bày kết mô board Arria V thông qua công cụ Board Test System, tiếp đến trình bày kết đo đạt mô hình kiểm tra hệ thống Chương 5: Tổng kết nội dung hoàn thành hướng phát triển đề tài Trang 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương trình bày vài điểm lịch sử đặc điểm, khái niệm hệ thống MIMO, chuẩn truyền thông tiêu biểu MIMO Đồng thời trình bày sơ lược trình thiết kế hệ thống phần cứng FPGA 1.1 Giới thiệu MIMO 1.1.1 Lịch sử MIMO Các hệ thống thông tin không dây nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng chống lại tượng đa đường Đối với hệ thống thông tin, chất lượng tín hiệu cải thiện cách tăng công suốt, tăng dung lượng truyền tăng băng thông Tuy nhiên công suất tăng đến mức giới hạn công suất tăng gây nhiễu cho hệ thống thông tin xung quanh việc phân bố Vì để tăng suất chất lượng người ta cậy vào kỹ thuật truyền phát xử lý tín hiệu Trong có MIMO-OFDM Ở đề tài nghiên cứu phần MIMO Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu mà không cần tăng công suất phát băng thông hệ thống Hình 1.1 mô tả chuẩn thông tin không dây IEEE tương ứng với tốc độ bit vùng phủ sóng, đố chuẩn màu đậm ứng dụng hệ thống MIMO-OFDM, điều cho thấy tầm ứng dụng lớn MIMO-OFDM Trang 11 Hình 1.1 Các chuẩn không dây Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell xin cấp sáng chế việc sử dụng đa anten hệ thống vô tuyến Năm 1985 đồng nghiệp Jack Winters Jack Salz xuất công trình MIMO dựa nghiên cứu Jack Winters Từ năm 1986 đến 1995 có nhiều báo MIMO đưa Năm 1996, làm việc trường đại học Stanford, Greg Raleigh VK jones khám phá tượng phản xạ đa đường hệ thống vô tuyến va chạm với vật tạo nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ hệ thống MIMO Từ Greg Raleigh viết báo tượng đa đường yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền Cũng năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa kiến trúc D-BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO Năm 1998, P.W.Wolniansky đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa kỹ thuật V-BLAST (VerticalBell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng phổ lần khoảng 20-40 bps/Hz Siavash M.Alamouti đưa sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng anten phát anten thu, sơ đồ đưa phương pháp áp dụng cho M anten thu để có độ lợi 2M Năm 2003, Airgo tung chip MIMO Năm 2004, IEEE lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa hệ thống MIMO kết hợp Trang 12 kỹ thuật OFDM Năm 2006, TGn đưa nháp 802.11n để thảo luận sửa chữa 1.1.2 Các dạng cấu hình anten thu-phát Các mô hình hệ thống thông tin không dây phân loại thành hệ thống gồm: SISO (Single Input Single Output) SIMO (Single Input Multiple Output) MISO (Multiple Input Single Output) MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống SISO Hình 1.2 Hệ thống SISO Hệ thống SISO hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng anten phát anten thu Máy phát máy thu có cao tần điều chế, giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng phát phát hình, kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân Wi-Fi hay Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu nhiễu xác định theo công thức Shanon: C  log (1  SNR) bit/ s/ Hz Trang 13 Hệ thống MISO Hình 1.3 Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát anten thu gọi hệ thống MISO Hệ thống cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ cải thiện lượng tín hiệu sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát vùng bao phủ Khi máy phát biết thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten phát xác định gần theo công thức: C  log (1  N SNR ) bit/ s/ Hz Hệ thống SIMO Hình 1.4 Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng anten phát nhiều anten thu gọi hệ thống SIMO Trong hệ thống máy thu lựa chọn kết hợp tín hiệu từ anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu nhiễu thông qua giải thuật beamforming MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten thu, tính theo công thức: Trang 14 C  log (1  M SNR) bit/ s/ Hz Hệ thống MIMO Hình 1.5 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO hệ thống sử dụng đa anten nơi phát nơi thu Hệ thống cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống thực Beamforming nơi phát nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền biết nơi phát thu, hệ thống cung cấp độ lợi phân tập cực cao độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trường hợp phân tập cực đại xác định theo công thức: C  log (1  M.N.SNR) bit/ s/ Hz 1.1.3 Một số ứng dụng tiêu biểu 1.1.3.1 Chuẩn 802.11n Mạng máy tính cục không dây (WLAN: wireless LAN ), gọi tắt WiFi (Wireless Fidelity) IEEE chuẩn hoá vào năm 1997 gọi 802.11 Chuẩn hoạt động dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ đạt 2Mbps Tốc độ thấp cho ứng dụng Vì vậy, IEEE phát triển chuẩn Năm 1999, chuẩn 802.11a/b chấp thuận sản phẩm thương mại đời năm 2001 Các mạng WLAN phát triển vượt bậc nhờ Trang 15 giá thành ngày giảm, tích hợp sẵn thiết bị xách tay tiện nghi cho người sử dụng truy cập mạng mà không cần dây nối Đến nay, mạng WLAN phát triển thêm nhiều chuẩn, bật 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n gần 802.11ac Trong đó, chuẩn 802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM nên tốc độ đạt 100Mbps (tối đa 600 Mbps) Wireless LAN hỗ trợ thiết lập mạng cục mà cho phép thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) thiết bị Vì vậy, mạng không diện máy tính xách tay, thiết bị hỗ trợ cá nhân (PDA), mà xuất nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, thiết bị văn phòng Thành công mạng wireless LAN thúc đẩy việc phát triển nhanh mạng máy tính với quy mô lớn có nhiều tính Mạng máy tính không dây diện rộng (Wireless MAN) nghiên cứu thử nghiệm, chuẩn 802.16 đời Sự phát triển cực nhanh cho thấy mối quan tâm giới dành cho mạng máy tính không dây cục hệ sau lớn 1.1.3.2 Wimax IEEE 802.16 gọi với tên WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) phát triển năm gần Chuẩn 802.16 công bố vào tháng 12 năm 2001, dành cho hệ thống không dây dải rộng cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint broadband wireless system) hoạt động vùng phổ tần đăng ký (licensed spectrum) từ 10 đến 66 GHz Trên thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi tốc độ cao khoảng cách lớn nhiều với số lượng lớn người dùng Một hệ thống WiMAX gồm phần trạm phát trạm thu Trạm phát giống trạm BTS mạng thông tin di động với công suất lớn phủ sóng vùng rộng tới 8000 km2 Trạm thu anten nhỏ card mạng kết nối vào thiết lập sẵn bo mạch chủ bên máy tính Các trạm phát BTS kết nối tới mạng Internet thông qua đường truyền tốc độ cao dành riêng nối tới BTS khác trạm trung chuyển đường Trang 16 truyền thẳng (line of sight) WiMAX phủ sóng đến vùng xa 1.1.3.3 Công nghệ 4G Truyền thông vô tuyến hệ thứ hệ thống di động băng rộng Với hệ thống này, thiết bị di động có khả truyền tải liệu, âm hình ảnh với chất lượng cao Đồng thời, nhà thiết kế kỳ vọng cho phép thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua công nghệ không dây khác Kỹ thuật MIMO-OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao, tránh cảICI ISI Vì vậy, kỹ thuật MIMO-OFDM công nghệ then chốt truyền thông vô tuyến hệ thứ tư (4G) 1.2 Giới thiệu thiết bị FPGA 1.2.1 Định nghĩa FPGA Field-programmable gate array (FPGA) vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng lập trình (Chữ field muốn đến khả tái lập trình “bên ngoài” người sử dụng, không phụ thuộc vào dây chuyền sản xuất phức tạp nhà máy bán dẫn) Vi mạch FPGA cấu thành từ phận: Các khối logic lập trình (logic block) Hệ thống mạch liên kết lập trình Khối vào/ra (IO Pads) Phần tử thiết kế sẵn khác DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý FPGA xem loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, so sánh FPGA với ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế thư viện logic FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu loại này, hạn chế khả thực tác vụ đặc biệt phức tạp, FPGA ưu việt chỗ tái cấu trúc lại sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản chi phí giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng Trang 17