ABSTRACT
The works presented in this report constitutes a contribution to
the design of complex integrated circuits for wireless applications, in
particular for the multi-antenna systems.
Multi-antenna systems promise very high data rate on
scattering-rich wireless channels, but an important source of performances
degradation in these systems is the frequency selectivity of the channel. To
combat the frequency selectivity of the channel, a solution achieving a good
complexity/performance trade-off is to use OFDM modulation.
The aim of this project is to study and to propose a material
description using VHDL of a multiantenna system in a MC-CDMA context. The
MC-CDMA technique corresponds to the combination between the CDMA technique and
the OFDM modulation where the data spreading takes place in the frequency
domain.
In this project, we begin by evaluating the performances of
MIMO-MC-CDMA system through an implementation on Matlab. Then, we propose a
material architecture of the system by a VHDL description of different
components for both the transmitter and the receiver. Morover, we implement
this chain on a reconfigurable material architecture based on FPGA circuits, we
provide the synthesis result at RTL level and we analyze the proposed
architecture performance in terms of complexity and timing features.
Key-words: Multi-antenna system, OFDM, MC-CDMA, VHDL, FPGA.
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GÉNÉRALE 1
Chapitre1 3
La Technique MC-CDMA 3
1. Introduction 3
2. Les composantes de base d'une chaîne de transmission
numérique 3
2.1. Le codeur et le décodeur de canal 4
2.2. La modulation/démodulation numérique 5
2.2.1. Modulation à déplacement d'amplitude ASK
(Amplitude Shift Keying) 6
2.2.2. Modulation à déplacement de phase PSK
(Phase Shift Keying) 6
2.2.3. Modulation d'amplitude en quadrature QAM (Quadrature
Amplitude Modulation) 6
3. Le canal radio-mobile 7
3.1. Effet multi-trajet d'un canal radio 7
3.2. Etalement temporel 9
3.3. Etalement fréquentiel : effet Doppler 9
3.4. Modélisation du canal à
évanouissements lents 10
4. La modulation OFDM 11
4.1. Principe de l'OFDM 11
4.2. Modulation par la Transformée de Fourier
Discrète DFT 12
4.3. Introduction de l'intervalle de garde en OFDM 12
5. Les techniques d'accès multiple 13
5.1. Accès multiple à répartition par
temps 14
5.2. Accès multiple à répartition par
fréquence 14
5.3. Accès multiple à répartition par code
14
6. La technique CDMA 14
6.1. Principe du CDMA 15
6.2. Modélisation du système CDMA 17
7. La technique CDMA associée à la modulation
multi-porteuses 17
7.1. Partie émettrice 18
7.2. Partie réceptrice 19
7.3. Les techniques de détection en MC-CDMA 20
7.3.1. Détection mono-utilisateur 21
7.3.2. Détection multi-utilisateurs 21
8. Conclusion 22
Chapitre 2 23
Multiplexage spatial dans un contexte CDMA 23
1. Introduction 23
2. Techniques de diversité 24
2.1. Diversité temporelle 24
2.2. Diversité fréquentielle 25
2.3. Diversité spatiale 25
3. Les systèmes MIMO 26
3.1. Le codage espace-temps 27
3.1.1. Les codes ST en treillis 28
3.1.2. Les codes ST en bloc 28
3.2. Multiplexage spatial 29
3.3. Les techniques de détection pour le multiplexage
spatial 29
3.3.1. Techniques de détection linéaires 30
3.3.2. Technique de détection non linéaire
à annulation successive d'interférences 31
3.4. Résultats de simulation 32
4. Association entre multiplexage spatial et la technique
MC-CDMA 35
4.1. Conception de la chaîne MIMO associée au
MC-CDMA 35
4.2. Modélisation de la chaîne de transmission
MIMO-MC-CDMA 36
4.3. Techniques d'égalisation pour la chaîne
MIMO-MC-CDMA 38
4.4. Evaluation des performances du système MIMO-MC-CDMA
39
4.4.1. Cas de la chaîne sans codage de canal 40
4.4.2. Cas de la chaîne avec codage convolutif 42
5. Conclusion 44
Chapitre 3 46
Implémentation matérielle et analyse de
performances 46
1. Introduction 46
2. Le circuit FPGA Stratix II.GX 46
3. Flot de conception adopté et environnement de
synthèse 48
4. Spécification fonctionnelle et résultats
d'implémentation 49
4.1. Architecture de la chaîne MIMO associée au
MC-CDMA 49
4.2. Architecture des blocs utilisés dans la chaîne
50
4.2.1. Bloc de modulation 256-QAM 50
4.2.2. Bloc étalement 51
4.2.3. Bloc de démultiplexage spatial V-BLAST pour 2
antennes 54
4.2.4. Bloc modulateur OFDM 55
4.2.5. Bloc démodulateur OFDM 60
4.2.6. Bloc de l'égalisation 62
4.2.7. Bloc de multiplexage spatial de 2 antennes 68
4.2.8. Bloc "désétalement + quantification" 68
4.2.9. Bloc démodulation 70
5. Optimisation et analyse de performances de la chaîne
71
6. Conclusion 75
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 76
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 78
ANNEXE 80
DES
LISTE FIGURES
FIGURE 1.1. COMPOSANTES DE BASE D'UNE CHAINE DE TRANSMISSION
4
FIGURE 1.2. CODEUR CONVOLUTIF (K=1,N=3 ET (M+1)=3) 4
FIGURE 1.3. CONSTELLATION DE LA MODULATION M-ASK 6
FIGURE 1.4. CONSTELLATION DE LA MODULATION 8-ASK 6
FIGURE 1.5. CONSTELLATION DES MODULATIONS BPSK, QPSK ET 8-PSK
7
FIGURE 1.6. CONSTELLATION DE 16-QAM UTILISANT LE CODAGE DE GREY
7
FIGURE 1.7. MODELISATION DU PHENOMENE DE TRAJETS MULTIPLES 8
FIGURE 1.8. INTRODUCTION DE L'INTERVALLE DE GARDE AU SYMBOLE OFDM
TRANSMIS 13
FIGURE 1.9. CHAINE D'EMISSION ET DE RECEPTION DU MODULATEUR OFDM
13
FIGURE 1.10. LA TECHNIQUE TDMA 14
FIGURE 1.11. LA TECHNIQUE FDMA 14
FIGURE 1.12. LA TECHNIQUE CDMA 14
FIGURE 1.13. ETALEMENT PAR SEQUENCES DIRECTES 15
FIGURE 1.14. CIRCUIT D'EMISSION POUR UN UTILISATEUR DE LA
TECHNIQUE MC-CDMA 18
FIGURE 1.15. CIRCUIT DE RECEPTION POUR UN UTILISATEUR DE LA
TECHNIQUE MC-CDMA 20
FIGURE 2.1. EMISSION DU MEME SIGNAL A DES INSTANTS SEPARES PAR LE
TEMPS DE COHERENCE DU CANAL 24
FIGURE 2.2. EMISSION DU MEME SIGNAL SUR DES FREQUENCES
DIFFERENTES 24
FIGURE 2.3. DIVERSITE SPATIALE A L'EMISSION 25
FIGURE 2.4. DIVERSITE SPATIALE A LA RECEPTION 25
FIGURE 2.5. REPRESENTATION DES DIFFERENTS TRAJETS ENTRE ANTENNES
EMETTRICES ET RECEPTRICES 26
FIGURE 2.6. SCHEMA D'ALAMOUTI POUR LE CAS DES ANTENNES EN
EMISSION 28
FIGURE 2.7. DIAGRAMME DE LA TECHNIQUE DE DEMULTIPLEXAGE V-BLAST
28
FIGURE 2.8. BLOC D'EGALISATION POUR LE MULTIPLEXAGE SPATIAL 29
FIGURE 2.9. TEB EN FONCTION DU RSB SUR UN CANAL DE RAYLEIGH.
33
FIGURE 2.10. TEB EN FONCTION DU RSB EN UTILISANT LES RECEPTEURS
ZF ET MMSE 34
FIGURE 2.11. TEB EN FONCTION DU RSB EN UTILISANT UN ALGORITHME
SIC 34
FIGURE 2.12. CHAINE D'EMISSION DE LA TECHNIQUE MIMO-MC-CDMA 36
FIGURE 2.13. CHAINE DE RECEPTION DE LA TECHNIQUE MIMO-MC-CDMA
36
FIGURE 2.14. TEB EN FONCTION DU RSB POUR LES EGALISEURS A CRITERE
ZF ET MMSE 40
FIGURE 2.15. TEB EN FONCTION DU RSB POUR DES TRANSMISSIONS A
PLEIN CHARGE 41
FIGURE 2.16. TEB EN FONCTION DU RSB POUR LES DETECTIONS
MONO-UTILISATEUR ET MULTI-UTILISATEURS 41
FIGURE 2.17. TEB EN FONCTION DU RSB POUR L'ALGORITHME SIC 42
FIGURE 2.18. EMETTEUR M IMO-MC-CDMA AVEC CODAGE DE CANAL SUIVI
D'UN ENTRELACEUR 43
FIGURE 2.19. RECEPTEUR M IM O-MC-CDMA AVEC DESENTRELACEUR SUIVI
D'UN DECODAGE DE CANAL 43
FIGURE 2.20. TEB EN FONCTION DU RSB POUR LE SYSTEME MIMO-MC-CDMA
UTILISANT UN CODAGE DE CANAL 44
FIGURE 3.1. BLOC DIAGRAMME D'UN FPGA 47
FIGURE 3.2. FLOT DE CONCEPTION DE L'OUTIL QUARTUS 48
FIGURE 3.3. CIRCUITS D'EMISSION ET DE RECEPTION IMPLEMENTES 49
FIGURE 3.4. ORGANIGRAMME DU MODULATEUR 256-QAM 51
FIGURE 3.5. ARCHITECTURE DU BLOC ETALEMENT 53
FIGURE 3.6. FHT D'ORDRE 2 53
FIGURE 3.7. SCHEMA RTL DU FHT A L'ORDRE 8 53
FIGURE 3.8. BLOC DE DEMULTIPLEXAGE V-BLAST 54
FIGURE 3.9. ORGANIGRAMME D'UN "DEMUX SPATIAL" 54
FIGURE 3.10. SCHEMA RTL DU BLOC "DEMUX SPATIAL" 54
FIGURE 3.11. ARCHITECTURE DU MODULATEUR OFDM 55
FIGURE 3.12. ARCHITECTURE DU BLOC IFFT 58
FIGURE 3.13. BLOC D'UNE IFFT A L'ORDRE 2 58
FIGURE 3.14. BLOC D'UNE IFFT A L'ORDRE 4 58
FIGURE 3.15. SCHEMA RTL D'UNE IFFT A L'ORDRE 8 59
FIGURE 3.16. ORGANIGRAMME DU BLOC DE CONVERSION P/S + 60
FIGURE 3.17. DIAGRAMME EN BLOC DU DEMODULATEUR OFDM 60
FIGURE 3.18. ORGANIGRAMME DU BLOC DE CONVERSION S/P - 61
FIGURE 3.19. ARCHITECTURE D'UNE FFT A L'ORDRE 2. 62
FIGURE 3.20. ARCHITECTURE DE L'EGALISEUR MULTI-UTILISATEURS A
CRITERE MMSE. 65
FIGURE 3.21. ARCHITECTURE DU CALCULATEUR DE VI EN
FONCTION DE HRT,I , YI ET 66
FIGURE 3.22. SCHEMA RTL DU SOUS-BLOC "MODULE VECTEUR" 66
FIGURE 3.23 SCHEMA RTL DU SOUS-BLOC "PRODUIT MATRICE_VECTEUR"
66
FIGURE 3.24. SCHEMA RTL DU SOUS-BLOC INVERSION DE MATRICE 66
FIGURE 3.25. SCHEMA RTL DU SOUS-BLOC PRODUIT SCALAIRE 67
FIGURE 3.26. DIAGRAMME DU BLOC DE MULTIPLEXEUR SPATIAL 68
FIGURE 3.27. ORGANIGRAMME D'UN MULTIPLEXEUR 68
FIGURE 3.28. SCHEMA RTL D'UN MULTIPLEXEUR SPATIAL 68
FIGURE 3.29. SCHEMA BLOC DE "DESETALEMENT + QUANTIFICATION"
69
FIGURE 3.30. ORGANIGRAMME DU QUANTIFICATEUR 256-QAM 70
FIGURE 3.31. ORGANIGRAMME DU BLOC DE DEMODULATION 71
FIGURE 3.32. CONFIGURATION DES PARAMETRES DE TIMING 73
FIGURE 3.32. RESULTAT DE SYNTHESE DE LA CHAINE D'EMISSION DU
SYSTEME MI MO-MC-CDMA 74
FIGURE 3.33. ANALYSE DE TIMING DE LA CHAINE D'EMISSION DU SYSTEME
MI MO-MC-CDMA 74
FIGURE 3.34. RESULTAT DE SYNTHESE DE LA CHAINE DE RECEPTION DU
SYSTEME M IMO-MC-CDMA 74
FIGURE 3.35. ANALYSE DE TIMING DE LA CHAINE DE RECEPTION DU
SYSTEME MIMO-MC-CDMA 75
LISTE DES TABLEAUX
ABLEAU 3.1. TABLE D'ASSIGNATION DES SYMBOLES EN FONCTION DU CODE
51
ABLEAU 3.2. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC DE
MODULATION 52
ABLEAU 3.3. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC MODULATION 52
ABLEAU 3.4. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC DE
ETALEMENT 53
ABLEAU 3.5. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC FHT 8 54
ABLEAU 3.6. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC DE
DEMULTIPLEXAGE V-BLAST 55
ABLEAU 3.7. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC DE DEMULTIPLEXAGE
V-BLAST 55
ABLEAU 3.8. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC IFFT
58
ABLEAU 3.9. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC IFFT 59
ABLEAU 3.10. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC P/S + 59
ABLEAU 3.11. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC S/P - 61
ABLEAU 3.12. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC FFT
62
ABLEAU 3.13. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC IFFT 62
ABLEAU 3.14. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC CALCULATEUR UTILISE
POUR LE BLOC EGALISEUR 67
ABLEAU 3.15. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC
EGALISEUR MULTI-UTILISATEURS 67
ABLEAU 3.16. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC
MULTIPLEXEUR SPATIAL 69
ABLEAU 3.17. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC-BLOC CALCULATEUR
UTILISE POUR LE BLOC MULTIPLEXEUR SPATIAL 69
ABLEAU 3.19. RESULTAT DE
SYNTHESE DU BLOC-BLOC CALCULATEUR UTILISE POUR LE BLOC QUANTIFICATEUR
70
ABLEAU 3.20. TABLE DES PARAMETRES ENTREES/SORTIES DU BLOC
DEMODULATION 71
ABLEAU 3.21. RESULTAT DE SYNTHESE DU BLOC-BLOC CALCULATEUR
UTILISE POUR LE BLOC DEMODULATION 71
LISTE DES ABREVIATIONS
Dans ce rapport, plusieurs abréviations sont
utilisées. On les rappelle maintenant et on donne leurs
significations :
ALM Adaptive Logic Module
ASK Amplitude Shift Keying
BBAG Bruit Blanc Additif Gaussien
BLAST Bell Labs Layered Space-Time
BPSK Binary Phase Shift Keying
CDMA Code Division Multiple Access
D-BLAST Diagonal Bell Labs Layered Space-Time
DFT Discret Fourier Transform
DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access
DSP Digital Signal Processing
FDMA Frequency Division Multiple Access
FFT Fast Fourier Transform
FH-CDMA Frequency Hopping Code Division Multiple Access
FHT Fast Hadamard Transform
FPGA Field Programmable Gate Array
IDFT Inverse Discret Fourier Transform
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
IFHT Inverse Fast Hadamard Transform
IP Intellectual Property
LUT Look-U p Table
MC-CDMA Multi-Carrier Code Division Multiple Access
MIMO Multiple Input Multiple Output
MMSE Minimal Mean Square Error
MUD Multi-User Detection
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex
PIC Parallel Interference Cancellation
PLL Phase Looked Loop
PSK Phase Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RAM Random Access Memory
RIF Réponse Impulsionnelle Finie
RII Réponse Impulsionnelle Infinie
RSB Rapport Signal à Bruit
RTL Register Transfer Level
SIC Successive Interference Cancellation
SNR Signal to Noise Ratio
ST Space-Time
SUD Single User Detection
TDMA Time Division Multiple Access
TEB Taux d'Erreur Binaire
V-BLAST Vertical Bell Labs Layered Space-Time
VHDL Very high speed integrated circuit Hardware Description
Language
ZF Zero Forcing
LISTE DES NOTATIONS
On regroupe ci-dessous les principales notations utilisées
dans les différents chapitres du rapport.
(.)T Transposition
(.)† ou (.)* Transconjugaison
(.)-1 Inversion
|
Norme euclidienne du vecteur x
|
Trace(X) Trace de la matrice X
IM Identitée de taille M
Produit de Kronecker
Re(.) Partie réelle
Im(.) Partie Imaginaire
1
2
| 
