[Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée...
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15 Juin 2015
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PERSWADE (1/2) 1
PERVASIVE AND SMART WIRELESS APPLICATIONS FOR THE DIGITAL ECONOMY
Préparer les étudiants à relever:► De nouveaux défis technologiques► De nouveaux problèmes d'intégration
spécifiques à l'application► Une nouvelle culture industrielle
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PERSWADE (2/2) 2
PARTENAIRES
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Problématique (1/3) 3
► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire
LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS
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Problématique (1/3) 3
► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire► Étalement de Doppler
LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS
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Problématique (3/3) 4
LE PRTOTYPAGE RAPIDE
Contrainte: Réduire le « Time-to-market »
Solution: Développer une méthode de prototypage rapide:
les plateformes radio-logicielles SDRSOFTWARE DEFINED RADIO
► Reconfigurables (à base de FPGAs)► Conception à haut niveau d’abstraction
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ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et
l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA
PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS
Présenté par:Yassine SELMI
Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT
M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS
EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT
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Démarche du projet 5
Etude de l’estimateur conjoint
Développement du modèle MATLAB/Simulink
Intégration du modèle dans une chaîne SIMO
Test et validation du modèle par SAO
Génération du canal radio
Implémentation et test de l’estimateur
12
34
56
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PRÉSENTATIONDE L’ESTIMATEUR
CONJOINT
► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
1
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Présentation de l’estimateur (1/3) 6
HYPOTHÈSES ET ALGORITHME
► Environnement macro-cellulaire► Communication uplink via un canal de Rayleigh► Communication Single-Input Multiple-Output (SIMO)
Signal reçu en bande de base à la ième antenne:
y
x
Station de base
dklmobile
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Présentation de l’estimateur (2/3) 7
HYPOTHÈSES ET MODÈLE MATHÉMATIQUE
2. Angle d’arrivée moyen:
3. Étalement angulaire
4. Étalement de Doppler
1. Intercorrélation spatio-temporelle
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Présentation de l’estimateur (3/3) 8
ADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
► Standard LTE: période symbole Ts = 10-5 secondes
► Estimateur développé sur une période symbole Ts = 60.10-5 secondes = 1/1500 secondes
► Période symbole : Ts = 10-5 secondes
► Période d’échantillonnage : Téch = 64.Ts = 64.10-5 secondes
► Nombre d’échantillons: Ns = 1024
► Durée d’observation: T = Téch.Ns = 0,65 secondes
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CONCEPTION MATÉRIELLE DE L’ESTIMATEUR
2► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
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Conception matérielle de l’estimateur (1/13) 9
OUTILS DE CONCEPTION
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Conception matérielle de l’estimateur (2/13) 10
VUE SYSTÈME
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Conception matérielle de l’estimateur (3/13) 11
LE CONTRÔLLEUR
► 3 machines à états finis► Moore vs. Mealy► Machines de Moore: les sorties ne
dépendent que de l’état courant► Synchronisation entre le contrôleur et le
Datapath
► MCode: Programmer des machines à états finis avec le langage MATLAB
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Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12
LE CONTRÔLLEUR
0
1
2
3
d_valid = true
cmp >= 799
dataCnt > = samples_num -1
d_validd_valid = false
dataCnt < samples_num-1
cmp < 799
INIT
cmp = 0dataCnt = 0we = false
en_add = falseallow = false
SYNC
cmp =cmp+1we = false
en_add = false
STORE
cmp =1dataCnt = dataCnt +1
we = trueen_add = true
FINISH
cmp =0dataCnt = 0we = false
en_add = falseallow = true
0
1
2
enable = true
dataCnt+tau> =samples_num-1
Finish_acquisition
enable = false
dataCnt+tau<samples_num-1
INIT
dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1
accu_rst = trueaccu_en = false
we = false
ACCU
dataCnt= dataCnt +1addr1 = dataCnt
addr2 = dataCnt+tauaccu_rst = falseaccu_en = true
we = false
FINISH
dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1
accu_rst = falseaccu_en = false
we = trueallow = trueAcquisition FSM xcorr FSM
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Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12
LE CONTRÔLLEUR0
1
2
enable = true
finish_calc = true
Finish_xcorr
enable = false
finish_calc = false
INIT
tryCnt = 0retry = falsewe = false
allow = false
COMPUTE
retry = falsewe = false
FINISH
tryCnt = 0we = false
retry = falseallow = true
4
STORE
tryCnt = tryCnt+1retry = false
we = true
RETRY
retry = truewe = false
tryCnt>=iteration
finish_calc
tryCnt<iteration
3
JE FSM
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Conception matérielle de l’estimateur (5/13) 13
LE DATAPATH
► Ensemble des fonctions pour manipuler le signal reçu► Unité arithmétique et logique (ALU)► 3 blocs: Acquisition + cross-correlation + new JE
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Conception matérielle de l’estimateur (6/13) 14
LE DATAPATH
CH1 SAMPLE RAM
CH2 SAMPLE RAM
CORDIC ATAN
CORDIC ATAN
X ARSINLUT
|.|
|.|
SQRT(-LOG)LUT
SQRT(-LOG)LUT
X
COS
|.| SQRT(-LOG)LUT
(.)²
CORDIC DIVIDER
X
COS
CORDIC ATAN
SIN
(.)²
SQRTLUT
ACCU
ACCU
CORDIC DIVIDER
CORDIC DIVIDER
REGR11(1)
REGR12(1)
REGR12(10
0)AC
CU CORDIC DIVIDER
NEW J E BLOCKCROSS-CORRELATION COMPUTING BLOCK
ACQUISITION BLOCK
RECEIVED SIGNAL CH1
RECEIVED SIGNAL CH2
MEAN AoA PROCESS
AS PROCESS
DS PROCESS
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Conception matérielle de l’estimateur (7/13) 15
LE DATAPATH
► Les look-up tables adresse valeur
0 cos(min)
1 ..
2 ..
4 ..
…
2N -2 ..
2N -1 cos(max)
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Conception matérielle de l’estimateur (8/13) 16
LE DATAPATH
► Optimisation des ressources
Re-Im to Complex Complex to Re-Im
10,110…0100,100…10
10110…0100100…10
Fix16
Fix16UFix3210110…
0100100…10
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Conception matérielle de l’estimateur (9/13) 17
RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE
Allocation des ressources %
Slices 507 1,03 %LUTs 298 0,15 %BRAMs 124 Kb 2,43 %Flip Flops 531 0,13 %
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Conception matérielle de l’estimateur (10/13) 18
RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE
Nombre de cycles d’horloge Temps d’exécution
Acquisition 65536x800 65536 µsCross-correlation 1023 12,78 µs
New JEMean AoA 29 0,36 µsAS 68 0,85 µsDS 76 0,95 µs
Total 52.429.996 0,65537495 secondes
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Conception matérielle de l’estimateur (11/13) 19
CONCEPTION DE LA CHAÎNE DE COMMUNICATION SIMO
Émetteur QPSK
Diagramme de constellation
► Générateur de bits pseudo-aléatoire (basé sur une structure LFSR)
► Modulateur QPSK (Look-up table)► File FIFO pour contrôler le rythme d’émission
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Conception matérielle de l’estimateur (12/13) 20
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
► Approche de conception « down-to-top »
► Exploitation des MATLAB/Simulink blocks pour tester le design au lieu de développer les testbenchs
► Exemples: Scope,
ToWorkspace, WaveScope…
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Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
Test unitaire
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Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21
TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO
Test d’intégration
![Page 29: [Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062904/5872b4561a28ab523c8b620f/html5/thumbnails/29.jpg)
IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA PLATEFORME
3► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
![Page 30: [Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062904/5872b4561a28ab523c8b620f/html5/thumbnails/30.jpg)
Implémentation dans la plateforme (1/4) 22
Station de travail
12 3
1.Nutaq MBDK Host
2.Nutaq PicoSDR 2x2
3.EB Propsim Channel Emulator
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Implémentation dans la plateforme (2/4) 23
Préparation à la co-simulation
► Mux (Tx) et Demux (Rx) I/Q ► des cartes Radio420x de Nutaq PicoSDR► Ajout des registres de contrôle► Ajout d’une mémoire SDRAM
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Implémentation dans la plateforme (3/4) 24
Génération du bitstream
► Configuration de la plateforme cible: horloge 12,5 ns
► Compilation: Perseus601x► Xilinx iMPACT: Charger le bitstream
dans la RAM de la plateforme
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Implémentation dans la plateforme (4/4) 25
Configuration de l’émulateur de canal
► Configuration (SISO/SIMO/MISO/MIMO)
► SNR► Fréquence porteuse► Covariance entre les
antennes► Fréquence de Doppler► Bilan de puissance
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CO-SIMULATIONET RÉSULTATS
4► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA
PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS
![Page 35: [Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062904/5872b4561a28ab523c8b620f/html5/thumbnails/35.jpg)
Co-simulation et résultats (1/3) 26
Hadware-in-the-loop co-simulation
► Communication GigaEthernet► Interface de débogage et de
contrôle► 10.000 boucles de Monte-Carlo
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Co-simulation et résultats (2/3) 27
Résultats
![Page 37: [Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062904/5872b4561a28ab523c8b620f/html5/thumbnails/37.jpg)
Co-simulation et résultats (2/3) 27
Résultats
![Page 38: [Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062904/5872b4561a28ab523c8b620f/html5/thumbnails/38.jpg)
Co-simulation et résultats (3/3) 28
Limites
► Bruit d’amplificateurs de puissance► Bruit de préamplificateurs micro-ondes► Bruit de phase des oscillateurs VCO► Bruit de connexion entre Nutaq PicoSDR et l’émulateur de
canal► Bilan de puissance
► Représentation des données limitées: virgule fixe► Précision limitée des fonctions implémentées avec des LUTs
Causes internes
Causes externes
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CONCLUSIONET PERSPECTIVES
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Conclusion et perspectives (1/2) 3292
Conclusion
► Modèle MATLAB de l’estimateur conjoint selon le standard LTE► Modèle embarqué avec Xilinx System Generator► SAO du design proposé► Design dans une plateforme radio logicielle► Test du fonctionnement de l’estimateur
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Conclusion et perspectives (2/2) 30
Perspectives
► Scénarios de co-simulation► Effet HF dans le modèle mathématique du signal► Étude d’autres distributions angulaires► Application réelle: Antennes intelligentes
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ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et
l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA
PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS
Présenté par:Yassine SELMI
Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT
M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS
EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT
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Annexe 1Etude de
l’estimateur conjoint
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AnnexeBENCHMARK
Angle d’arrivée moyen
Étalement angulaire
Étalement de Doppler
Two-Stage (TS)Spread-Root-MUSIC (SRM)Two-Rays (TR)New Joint Estimator (new JE)
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AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ANGLE D’ARRIVÉE MOYEN
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AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT ANGULAIRE
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AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT DE DOPPLER
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AnnexeORDRE DE COMPLEXITÉ EN TERME DU NOMBRE D’OPÉRATIONS EN VIRGULE FLOTTANTE
New JE TS SRM TR TS+TR
25 575 25 600 128 000 40 920 000 41 048 000
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AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Période symbole
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AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Nombre d’échantillons
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AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE
Période d’échantillonnage
64Ts 64Ts
Temps
Ts
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Annexe 2Design détaillé
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AnnexeDesign
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AnnexeTransmitter QPSK
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AnnexeRegistre à décalage à retroaction linéraire LFSR
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AnnexeModulateur QPSK
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AnnexeCross-correlation
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AnnexeNew JE
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AnnexeAoA process
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AnnexeAS process
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AnnexeDS process
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AnnexeChannel SIMO
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AnnexeCO-SIMULATION