Design and Implementation of a Real–Time Field Programable Gate Array Based Orthogonal Frequency Division Multiplexing Transceiver

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

The communication systems are playing a major role in modern societies by connecting the people around the world. Therefore, reliable stable and dependable links are required. The excess demands for higher bitrates gave birth for the new technology in communication which is called 5G (fifth Generation). This generation promised to provide, theoretically, to transport huge data loadswith minimum delays and power requirements.Unfortunately, the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is excluded from the 5G despite its long service time and reputation. The exclusion is due to the inherited complexities and time delays of the OFDM that comes from the nature of the Fast Fourier Transform circuit and its Inverse (FFT/IFFT). These problems prevented the OFDM from further participation in the 5G as these problems contradicts the 5G foundation requirements.This thesis suggests that the OFDM can still be a qualified competitor to other suggested 5G system if the FFT/IFFT are redesigned based on a full parallel architecture. To accomplishes this parallelism, it is necessary to reinventthe FFT/IFFTfrom ground zero benefittingfrom itssymmetry and recurrence. Thus, a new algorithm which is MultiRadix FFT (MRFFT) was invented that adoptedthe adaptive radix increment in the construction of FFTrather than fixed radix. This algorithm ensures the need for only 2 stages to complete the transformationfor anynumber ofpointsusing MRFFTresulting into: it requiresthe least time to complete the transformation, least complexity, minimum fabrication space and lowest consumed power for operation. This algorithm was used to design a 16 FFT circuit andby comparingthe results against the theoretical FFT, MRFFT showed that it can operate almost exactly as the theoretical FFT. The MRFFT in this thesis operates on 100 MHz clock, 32 bits fixed point number and 16 subcarriers at the output. Therefore, MRFFT, here, operates at 51.2 Gbit/sec for the real and imaginary part with total 102.4 Gbit/sec. The other addition to the OFDM system proposed by the thesis is a new design for the QAM MODulator DEModulator (MODEM)to operate in parallel mode with minimum hardware requirements.The new design will work independently of constellation size which allows the system to increase its data rate without any added time delays.The new MODEM operates with bit rate equals to 320 Mb/sec for the real and imaginary and total bitrate equals to 640 Mbit/sec. The final parallel OFDM is tested under the effect of Additive White Gaussian Noise and the Multipath fading channel by transmitting 106 symbols over an emulated channel. The performance exceeds by all measures the currently know commercial OFDM system due the inherited speed after implementing the parallel data processing in the design. After confirming the validity of operation, the system is implemented on an FPGA card, Arty A7 35T, and used to transmit a gray scale photo.An extra contribution presented by this thesis, is the design of achannelemulator to induce the effect of areal nonlinear channel using FPGA card. All the design steps and the necessary theories and calculations are discussed thoroughly to enable any user to upgrade or modify the channel according to the project’s needs.The final design is simple, friendly to use and inexpensive which allows it to be the first choice for any channel nonlinearity test

روابط وملفات

التعريف والنوع

رقم الوثيقة

0c4836f0-3c13-49f6-a25e-c13c6145cbc3

رقم العقد

0

نوع الوسائط

Crawler

نوع المحتوى

الرسائل العلمية

صيغة المصدر

رسائل ماجيستير

نوع الملف

pdf text

أسماء الملفات

996779_1.pdf

بيانات النشر

ترجمة العنوان

تصميم وتنفيذ منظومة مرسل ومستلم منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد باستخدام مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة للعمل في الوقت الحقيقي

ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":"أحمد نجاح جبار","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"ابراهيم عبدالله مرداس","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"غدير حيدر اسكندر","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"}]

اللغة

English

المصدر والدورية

اسم المصدر

Design and Implementation of a Real–Time Field Programable Gate Array Based Orthogonal Frequency Division Multiplexing Transceiver

المحتوى والصفحات

عدد الصفحات

0

ترجمة الملخص

تلعب منظومات الاتصالات دورًا مهمًا في المجتمعات الحديثة حيث تقوم بربط الأشخاص مع بعضهم حول العالم. لذا كان من الضروري توفير خطوط اتصال ذات ثباتية واعتمادية عالية. الطلب المتزايد بزيادة معدلات الإرسال كان السبب لولادة تقنية جديدة في الاتصالات وهي الجيل الخامس. وعد هذا الجيل، نظريًا، بتوفير خطوط اتصالات ذات معدلات إرسال عالية جدًا بأقل تخيّر في الإرسال وأدنى استهلاك للطاقة. من المؤسف أن منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد قد أُستبعدت من الجيل الجديد برغم طول مدة خدمته وسمعته الجيدة. كان سبب الاستبعاد منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد هو تعقيد الدوائر والتأخير في الإرسال والتي سببها وجود دوائر محول فورير السريع ومعكوسه. هذه المشاكل هي التي منعت منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد من المشاركة المستقبلية في منظومات الجيل الخامس لأن هذه المشاكل تتعارض مع المفاهيم الأساسية للجيل الخامس. تقترح هذه الأطروحة أن منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد ما زالت مؤهلة للتنافس مع بقية التقنيات المقترحة للجيل الخامس في حال تم إعادة بناء محول فورير السريع ومعكوسه بناءً على مفاهيم المعالجة المتوازية. لتحقيق هذا الهدف كان لابد من إعادة بناء دوائر محول فورير السريع من أساساتها مستفيدين من التناظر والتكرار في عملية التحويل. لأجل هذا تم ابتكار خوارزمية جديدة أُسمتها محول فورير السريع ذو الأساسات المتكيفة والتي تعتمد على رفع الأساس بشكل متكيف بدل الاعتماد على أساس ثابت. تحتاج هذه الخوارزمية إلى مرحلتين فقط لإكمال عملية التحويل مهما كان عدد النقاط المطلوبة، وهذا أدى إلى أقل وقت ممكن لإكمال التحويل، أدنى مستوى من التعقيد، أقل احتياج لمساحة التصنيع، وأيضًا أقل مستوى للطاقة في التشغيل. استخدمت هذه الخوارزمية لبناء دائرة محول فورير ذو 16 نقطة، وبمقارنة نتائج الدائرة بنتائج المحول النظري، وُجد أنه يعمل بشكل شبه مطابق للمحول النظري. يعمل محول فورير السريع ذو الأساسات المتغير المقدم في هذه الأطروحة على تردد 100 ميغا هيرتز، وتمثيل رقمي بـ 32 بت، و16 حامل ثانوي. لذا يعمل محول فورير السريع ذو الأساسات المتغير هذا على معدل إرسال 51.2 جيجا بت بالثانية لكل من القيم الحقيقة والخيالية بمجموع كلي مقداره 102.4 جيجا بت بالثانية. الإضافة الأخرى التي تقدمها هذه الأطروحة هو تصميم جديد لمودم التحميل الاتساعي المتعامد ليعمل بشكل متوازي بأقل متطلبات عتاد. يعمل هذا التصميم الجديد بشكل منفصل عن حجم التوزيع العنقودي، مما يسمح للمنظومة بزيادة معدلات الإرسال بدون أي تأخيرات إضافية بالإرسال. يعمل هذا المودم بمعدل إرسال 320 ميغا بت بالثانية لكل من القيم الحقيقية والخيالية بمعدل كلي يصل إلى 640 ميغا بت بالثانية. تم اختبار منظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد في بيئة ضوضاء جاوس مع وجود قناة ذات خبو متعدد المسارات، وذلك بإرسال 106 رموز عبر قناة مضاهية. دلت النتائج أن أداء المنظومة الجديدة يتجاوز أداء أي منظومة معروفة لمنظومة التجميع التعامدي بتقسيم التردد، وذلك بسبب السرعة العالية المتأتية من الاعتماد على المعالجة المتوازية للبيانات في التصميم. بعد إثبات دقة عمل المنظومة المتوازية الجديدة، تم بناءها باستخدام بطاقة مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة Arty A7 35T، حيث تم إرسال صورة ذات تدرج رمادي خلال القناة وتم استلامها بشكل عملي. وكإضافة أخرى في الأطروحة، تم طرح تصميم مضاهي للقناة لاختبار التأثير اللاخطي للقناة باستخدام بطاقة مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة. كل خطوات التصميم والمعلومات النظرية المطلوبة والحسابات قد تم مناقشتها بشكل مفصل لتمكين المستخدم من تطوير أو تحوير القناة تبعًا لمتطلبات عمله. التصميم النهائي بسيط وسهل وغير مكلف مما يتيح للتصميم أن يكون الاختيار الأول لأي اختبار للاحطية القناة.

كلمات الباحثين

5G, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Fast Fourier Transform (FFT), Parallel Processing, OFDM Modem, Circuit Design, Data Transmission Rates

إشراف وإعداد

الإشراف

أحمد نجاح جبار, ابراهيم عبدالله مرداس

الإعداد

غدير حيدر اسكندر

الاقتباسات الببليوغرافية