Les travaux présentés dans ce document, qui ont été réalisés dans le cadre du projet SIMPAA 2, font donc référence à l'étude de faisabilité et à la création de l'architecture de la partie numérique du simulateur matériel de canaux de propagation MIMO bidirectionnels. 6 Le canal de propagation radio en passant par les caractéristiques de réponse impulsionnelle à simuler afin que vous connaissiez les paramètres utiles à la simulation du canal.
Caractérisation du canal de propagation
A partir de la réponse impulsionnelle (x, τ), à une position donnée x, le retard τ peut être considéré comme une variable aléatoire avec une densité de probabilité de la forme [6]. Bande de cohérence : Dans le domaine fréquentiel, la bande de cohérence Bc d'un canal donne une mesure de la similarité de la réponse fréquentielle H(f) du canal.
Modèles de canaux de propagation
C'est pourquoi nous souhaitons développer un simulateur matériel permettant de reproduire des réponses impulsionnelles réalistes de l'appareil reproducteur. On peut trouver deux catégories pour les modèles statistiques, selon que l'on considère ou non l'hypothèse du canal comme « stationnaire au sens large et à diffuseurs non corrélés ».
Etat de l’art des simulateurs de canaux MIMO
Il s'agit d'un simulateur de canal entièrement bidirectionnel qui fournit des modèles de canaux réels et prend en charge une bande passante de canal de 40 MHz [53]. Multicanal et évolutif, il prend en charge la simulation de canal de toutes les normes de communication et modèles de canal connus à partir de la 2G.
Conclusion
Après avoir introduit le canal de propagation, la conception du simulateur matériel de propagation peut être décrite en termes généraux. Après avoir décrit les principaux phénomènes de propagation, quelques modèles pour alimenter le simulateur, ainsi que quelques simulateurs matériels existants, nous détaillerons la conception du simulateur matériel de canal de propagation MIMO.
Cahier des charges du simulateur matériel
En fonction de la gamme de fréquences (UMTS ou WLAN) et de l'environnement de propagation, les réponses impulsionnelles ou fréquentielles de chaque canal SISO sont chargées dans la mémoire du bloc « Channel Models » de la figure 2.1 du simulateur matériel MIMO. A partir de la figure 1.9, si l'on considère un moment fixe, on isole le profil de réponse impulsionnelle.
Plate-forme de prototypage
Une autre méthode pour trouver le taux de rafraîchissement consiste à calculer la fonction d'autocorrélation de la réponse impulsionnelle par rapport à la variable temporelle. Le temps de cohérence, tel que défini dans le chapitre précédent, peut alors être la valeur prise à 90% de la valeur maximale du module de cette fonction d'autocorrélation. Ce temps de cohérence peut être le temps de rafraîchissement Tr, inverse de la fréquence de rafraîchissement que l'on souhaite obtenir.
Pour information, sur la figure 2.9 nous montrons l'évolution des composants programmables de la famille Virtex de Xilinx en termes de nombre de tranches qu'ils contiennent. La solution choisie implémente un ensemble d'outils de développement de la société Xilinx, appelé.
XtremeDSP Development Kit-IV Functional Diagram
Elle est également notamment connectée à deux bancs mémoire et au troisième FPGA de la carte, le Virtex-II [66], spécifiquement dédié aux signaux d'horloge. Comme nous l'avons vu dans la description de la carte, le composant FPGA programmable Virtex-II XC2V80 est spécifiquement dédié au traitement d'horloge. Pour diviser par deux la fréquence du signal d'horloge provenant du quartz, nous utilisons IP DCM (Digital Clock Manager) fourni par Xilinx et intégré dans Virtex-4.
Ce composant, spécifiquement dédié au traitement d'horloge, permet entre autres de diviser ou multiplier la fréquence d'un signal d'horloge par un nombre prédéterminé (qui sera indiqué dans les paramètres génériques du programme VHDL). Pour le cas de l'UMTS, pour lequel nous avons choisi une fréquence d'échantillonnage de 40 MHz, il suffit de diviser par 2,5 la fréquence du signal d'horloge issu du quartz en utilisant le DCM IP.
Conclusion
48 Simulateur d'extension matérielle D'après la documentation de la carte [67], on note que les deux horloges programmables et l'oscillateur à cristal en option sont directement connectés au Virtex-4, tandis que l'oscillateur à cristal 100 MHz et le port d'horloge externe sont connectés au Virtex. -II horloge dédiée. Nous pouvons alors choisir d'utiliser un oscillateur à cristal de 100 MHz comme source d'horloge à notre disposition, ce qui sera non seulement plus précis que la génération de l'horloge à l'aide d'un générateur de fréquence, mais facilitera également la synchronisation entre la fréquence d'échantillonnage utilisée par le convertisseurs et le bloc numérique de fréquence d'horloge. Dans notre exemple, le signal d'horloge est simplement divisé par 2 pour synchroniser les convertisseurs à 50 MHz.
Selon l'architecture choisie, soit les réponses impulsionnelles seront alors chargées sous forme de coefficients de filtre FIR, soit les réponses fréquentielles seront multipliées par les échantillons de transformée de Fourier du signal d'entrée, en sortie du bloc FFT. L'approche fréquentielle de la partie numérique du simulateur matériel de propagation est détaillée dans ce chapitre.
Description des différents blocs de la chaîne fréquentielle
IFFT
N YITN YRT
Le calcul de la FFT donne donc : 3.13) L'opérateur FFT effectue donc une transformation de Fourier au facteur ∆t le plus proche. Si le vecteur x ∈ R, on voit que les éléments de sortie de la transformée de Fourier présentent une symétrie hermitienne par rapport à l'indice N2 (correspondant à la fréquence de Nyquist). La matrice WI de l'algorithme IFFT est donc la valeur complexe conjuguée de la matrice W de l'algorithme FFT.
Dans le bloc Xilinx FFT/IFFT, les éléments de la matrice utilisée (W ou WI) sont quantifiés sur un certain nombre de bits. Au lieu de la matrice W indiquée par la relation (3.15), un bloc Xilinx FFT/IFFT utilise une « matrice quantifiée » Wq.
N YINXR
Mise en œuvre de la chaîne dans le domaine fréquentiel
Après avoir détaillé théoriquement chacun des blocs qui composent la chaîne numérique dans le domaine fréquentiel, nous pouvons aborder la mise en œuvre pratique de cette même chaîne. Puisque le bloc numérique effectue la convolution de deux gaussiennes dans le domaine temporel ou la multiplication de deux gaussiennes de fréquence, la sortie y(t) sera également une gaussienne. Ainsi chaque paramètre gaussien est déterminé et on peut procéder au test des différents blocs qui composent la chaîne dans le domaine fréquentiel.
La fréquence quantifiée GaussianH(l∆f) représente à son tour le profil de réponse en fréquence stocké dans le bloc mémoire. Nous utilisons ces valeurs de signaux théoriques pour vérifier les valeurs fournies par la chaîne implémentée dans le FPGA Virtex-4 avec les outils Xilinx.
N YRT
Comme expliqué précédemment, le module Xilinx FFT accepte, en entrée, des échantillons uniquement dans un nombre fini de bits pairs ou 24 bits. On choisit alors d'appliquer des valeurs 16 bits à l'entrée du module Xilinx FFT afin de conserver la précision du convertisseur.
N YITNXR
Conclusion
Après avoir rappelé le fonctionnement du module FFT et le raccordement à la transformée de Fourier, cette approche du travail numérique dans le domaine fréquentiel a montré l'évolution du signal à travers les différents éléments qui le composent, comme le module FFT et le multiplicateur complexe, entre autres. Il est donc intéressant de s’orienter vers une solution où la latence est plus faible en utilisant une approche temporelle du travail numérique, comme nous le verrons dans le prochain chapitre. Dans l'environnement « indoor », les réponses impulsionnelles sont courtes, de l'ordre de plusieurs centaines de nanosecondes (voir Tableau 2.2), ce qui peut être incompatible avec le retard des modules FFT et IFFT.
Ainsi, la partie numérique du simulateur de canal pour ces environnements intérieurs peut être réalisée dans le domaine temporel avec des opérations de convolution. L'approche temporelle de la partie numérique du simulateur de propagation matériel est détaillée dans ce chapitre.
Description des différents blocs de la chaîne temporelle
Le produit convolutionnel de signaux continus est traduit numériquement avec un filtre FIR. Ainsi, dans le pire des cas d’environnement intérieur du tableau 2.2, la longueur du filtre N FIR est de 64 points. Puisque nous souhaitons rafraîchir les coefficients du filtre numérique avec la période définie au chapitre 2, nous avons développé notre propre filtre FIR.
Le bloc mémoire de la figure 4.2 est utilisé pour stocker les profils de réponse impulsionnelle qui serviront à alimenter les coefficients du filtre FIR. Si nous avons besoin de quatre profils de réponse impulsionnelle, nous ajoutons un mot à chaque profil pour indiquer le filtre FIR de destination du profil, car nous verrons plus tard que différents blocs mémoire sont utilisés pour charger un profil dans un filtre.
Mise en œuvre de la chaîne dans le domaine temporel
4.5 – Tension de sortie de la chaîne temporelle en échelle linéaire et logarithmique. Les figures 4.6 et 4.7 montrent le pourcentage d'erreur relatif et le rapport signal/bruit en dB du signal de sortie de la chaîne temporelle. L'erreur peut être beaucoup plus importante, mais uniquement pour de petites valeurs de tension de sortie.
De plus, pour de faibles valeurs de la tension du signal de sortie, l'erreur relative calculée pour chaque échantillon peut atteindre -100%, et donc les valeurs globales de l'erreur relative et du SNR des signaux de sortie, avant et après la finale troncature, sont également calculés avec les relations (3.90) et (3.91). La différence de temps entre la valeur maximale du signal d'entrée et la valeur maximale du signal de sortie est la somme de la latence de l'architecture numérique et de la moyenne de la réponse impulsionnelle mh.
Solution de substitution de l’approche fréquentielle
Le processus de chargement des coefficients est similaire à celui du filtre FIR 64, sauf qu'il y a deux zones mémoire à remplir, mais elles fonctionnent de la même manière. Lors du chargement d'un profil, vous devez au préalable connaître le profil utilisé par le filtre FIR grâce à la valeur de l'adresse de lecture 'addr_r'. Les figures 4.14 et 4.15 montrent l'erreur relative en pourcentage et le rapport signal/bruit en dB du signal de sortie de la chaîne temporelle.
L'erreur peut être beaucoup plus importante, mais uniquement pour de petites valeurs de la tension du signal de sortie lorsque le signal de sortie est proche de 0. Pour ce test, le signal d'entrée et les 32 coefficients sont choisis de la même manière à des fins de simulation uniquement.
Conclusion
Cette solution permet également de pallier le manque de précision de la solution fréquentielle présentée dans le chapitre précédent. Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre du projet régional SIMPAA 2, a porté sur l'étude de faisabilité de la partie numérique d'un simulateur matériel pour canaux de propagation MIMO. Pour cette approche, la quantification du signal d'entrée et la réponse impulsionnelle d'un canal SISO, le filtre numérique et la troncature finale introduisent une approximation du signal de sortie.
Après échantillonnage nous avons une bande inférieure [fs - (B+d), fs - d] et une bande supérieure [fs+d,fs+ (B+d)] autour de la fréquence f0. 107 4.12 Détail de l'architecture de chargement des profils de réponse impulsionnelle.107 4.13 Tension de sortie de toute la chaîne avec le filtre FIR 512 à 32 coefficients.109 4.14 Erreur relative du signal de sortie de la chaîne de distribution.