GNU Radioを用いた

地上波デジタルテレビジョン放送向け

1seg OFDM受信機の開発及び性能評価

琉球大学大学院理工学研究科情報工学専攻

ファイヤー和田研究室

宮野　智法

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

研究背景 様々な無線通信方式

専用ハードウェアが必要

ソフトウェア無線 A/D変換後のDSPをソフトウェアにより実装 柔軟な無線通信 低コスト

GNU Radio ソフトウェア無線開発用ライブラリ 汎用計算機上で実装可能

ISDB-T HDTVモード：高品質，固定通信用 1segモード:低品質，軽い計算処理，移動体通信

GNU Radioを用いてISDB-T方式の1segモードに対応したOFDM受信機の開発及び性能評価を研究目的としている

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

GNU Radio Architecture

Python App

SWIG

C++ DSPTuner

A/D

FPGA DSP

SoftwareHardware

ハードウェアはEttus Research社によって販売されている USRPシリーズを使用

使用プログラミング言語はPythonとC++ ソフトウェアはLinux，Mac OS X，Windows，Net BSDに対応

GNU Radio Programming

C++

C++

C++

C++

Python Controller

Python Connection

Python➔ パラメータ設定➔ DSP同士の接続➔ 動作の実行，停止

C++➔計算速度を要する処理　 （DSP，I/O等）

Source

Sink

スケジューラ

C++

FIFO

C++

スケジューラ

FIFO

C++

FIFO

C++

● 各々のC++はマルチスレッドによって並列に処理される．● 指定したデータ数分がFIFOに蓄積されると， 次のC++へと渡される．

● FIFOが小さいほどリアルタイム処理できる． ただし，CPU使用率が増加する．

USRP2 & TVRX

FPGA Xilinx Spartan 3-2000

ADC Dual 100Msps 14-bit

DAC Dual 400Msps 16-bit

SRAM 1MByte

Interface 2Gbps Serial Interface

Minimum Frequency 50MHz

Maximum Frequency 860MHz

Bandwidth 6MHz

Noise Figure 8dB

Minimum Gain 0

Maximum Gain 95

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

OFDM受信機の全体構成

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

低域通過フィルタ

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

低域通過フィルタ概要

LPFINPUT OUTPUT

ベースバンド信号周波数帯域幅：6MHz 周波数帯域幅：430KHz

周波数帯域幅の制限HDTV の周波数帯域幅6MHz1segの周波数帯域幅430KHz

作成した低域通過フィルタ

パラメータ

ゲイン １

通過帯域 225KHz

阻止帯域 270KHz

通過帯域リップル 0.1

阻止帯域減衰度 100

タップ数 351

●Remez法により作成●430KHzの帯域幅を通すような設計

USRP2から受信したスペクトラム

●USRP2から受信したデータをGNU Radioのスペクトラムアナライザーで見た様子

●どの周波数帯でも一様な大きさ

低域通過フィルタを通した後のスペクトラム

●0Hzを中心とした約430KHzの帯域幅を抽出

リサンプラ

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

リサンプラ概要

RSMPINPUT

αOUTPUT

サンプリング周波数：(4M+α)Hz サンプリング周波数：1.0158MHz

サンプリング周波数誤差

サンプリング周波数を(4M+α)Hzから1.0158MHzに変換1.0158MHz = 1024pt(FFTサイズ) / 1008μs(有効シンボル長)αはサンプリング周波数誤差検知からのフィードバック値

３通りのサンプリング周波数誤差

誤差 > 0

誤差 = 0

誤差 < 0

ポリフェーズフィルタ

C-2u

D

C0C-uC-2u Cu C2u

C0 Cu C2uC-uC-2u

C1 Cu+1 C2u+1C-u+1C-2u+1

C2 Cu+2 C2u+2C-u+2C-2u+2

D D D D

Cu-3 C2u-3 C3u-3C-2u-3C-3u-3

Cu-2 C2u-2 C3u-2C-2u-2C-3u-2

Cu-1 C2u-1 C3u-1C-2u-1C-3u-1

デロテータ

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

デロテータの概要

DEROTINPUT

βOUTPUT

キャリア周波数誤差

中心キャリア周波数：992+βHz 中心キャリア周波数：992Hz

中心キャリア周波数を(992+β)Hzから992Hzに変換

992Hz = 1 / 1008μs(有効シンボル長) = 430KHz（周波数帯域幅） / 433（サブキャリア数）

βはキャリア周波数同期からのフィードバック値

デロテータの構成

1.アキュムレータにより入力されたキャリア周波数誤差を保持

2.アキュムレータから得たキャリア周波数誤差から複素信号を出力

3.入力信号と複素信号を乗算

exp(j2πfo)

INPUT OUTPUT

ROM

Carrier Frequency Error

シンボル同期ブロック

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

シンボル同期の概要

SSYNCINPUTOUTPUT

シンボル同期によりFFT窓位置を決定キャリア周波数誤差の検知サンプリング周波数誤差の検知

βα

サンプリング周波数誤差

キャリア周波数誤差

サンプリング周波数誤差補正キャリア周波数誤差補正シンボル位置補正

SSYNCの構成

１シンボル遅延 | |2 Σ

Σ| |2+

conj

X

|2|2 sqrt

-findmin

hold

PPS

NPS

X

- Σ Q成分 holdPPS

NPSX

conj

conj

Σ

Σ

Q成分 Z--32

Z--32

INPUT OUTPUT

β

α

hold

GI相関を利用したシンボル同期

GI GI

GI GI

コピー

GI長 有効シンボル長

シンボル長

受信信号

遅延信号

time

有効シンボル長 GI長 シンボル長

1008 μsec 126 μsec 1134 μsec

1024 pt/sym 128 pt/sym 1152 pt/sym

ガードインターバル相関

As kε=∑i=0

NP−1

{∣r kεi ∣2∣r kεiNPD∣

2 }−2∣∑i=0

NP−1

r kεiNPD⋅r＊kεi ∣

GIは有効シンボル長の後半部と同じであるため，強い相関となる．1024点毎に相関が取れていることを左図より確認できる．

キャリア周波数誤差検知

キャリア周波数誤差 = +20%

サンプリング周波数誤差 = +200ppm

サンプリング周波数誤差検知

キャリア周波数誤差 = +20%

サンプリング周波数誤差 = +200ppm

FFT(Fast Fourier Transform)

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

FFT概要

FFTINPUT OUTPUT

時間軸上信号1024点入力

周波数軸上信号433点出力

X k =∑n=0

N−1

x n⋅WNnk

∵WN=e− j2π /N ,k=0,1,,N−1

X k = ∑n=0

N /4−1

{x n− jk x nN /4−1k x nN /2 jk x n3N /4 }⋅WNnk

計算量：O(N2)

計算量：O(N log N)

DFT

FFT

複素信号データの並べ替え

frequency

power

0 216 1024788

ALL 0

216-216 0

●出力した1024点を図のようにならべ変える●サブキャリア433を出力●FFTで扱ってた信号を，送信側で指定した周波数の並びに戻す

FFTの出力結果

●QPSK信号とパイロット信号●FFT窓位置が正確ではないため位相誤差が発生

OFDM受信機の全体構成

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

等化器の構成

周波数方向補間

SP抽出

SP生成(PRBS)

÷時間方向

補間

÷INPUT OUTPUT

y(i,j) : 受信信号， x(i,j) : 送信信号， 伝送路特性：H(i,j)， 付加雑音：n(i,j)

y(i,j) = x(i,j) ・ H(i,j) + n(i,j) ← H(i,j)が分かればx(i,j)を求められる

伝送路特性H(i,j)を推定

OFDMセグメント構成

time

freq

ue

nc

y●○は送信データ●●はSP●縦１列が１送信シンボル●時間方向は線形補間●周波数方向は窓関数で補間

等化器の出力結果

●QPSK信号とパイロット信号●位相補正できてることを確認

OFDM受信機の全体構成

Source LPF

FFT EQ DEMOD Sink

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Sampling Frequency Error

SYNC

復調ブロック

実部 虚部 QPSK信号 ビット値

正 正 (1+1j)/√2 00

正 負 (1-1j)/√2 01

負 正 (-1+1j)/√2 11

負 負 (-1-1j)/√2 10

SPは除去上の表に従ってビット値を出力

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

評価対象の受信側構成

DEROTRSMP SSYNC

Carrier Frequency Error

Source FFT

EQ DEMOD Sink

入力データ

出力データ

Sampling Frequency Error

送信側及びチャネル構成

SP生成(PRBS)

QPSK生成 Reorder IFFT GI付加

MRF付加Resampler

4M/1.0158MResampler

(1M+CLKD)/1M

比較データ

入力データ

＋

雑音

キャリア周波数誤差検知（ノイズ無し）

-40%〜+40%まで検知成功±50%のときは検知失敗

サンプリング周波数誤差検知（ノイズ無し）

-1400ppm〜+1400ppmまで検知成功-1600ppm以下 or +1600ppm以上にて検知失敗

AWGNで両周波数誤差無し

● CNR00dB〜04dB　→　ガードインターバル検知失敗● CNR05dB〜07dB　→　ガードインターバル誤検知● CNR08dB〜14dB　→　理論値より1dB悪化● CNR15dB〜　　　 →　BER=1e-06基準でエラーフリー

MRF=+40%のときのCLKD検知

●CNRが高くなるにつれて検知幅が拡大●CNR=08dBでサンプリング周波数誤差検知-1000ppm〜+800ppm

MRF=-40%のときのCLKD検知

●CNRが高くなるにつれて検知幅が拡大●CNR=08dBでサンプリング周波数誤差検知-800ppm〜+800ppm

計算速度評価

●CNR 16 dB, キャリア周波数誤差 +20 %, サンプリング周波数誤差 +200 ppm●１シンボルあたりの平均合計時間：2.50428 ms●同期回路で約90%の処理時間

Contents

1.序論

2.GNU Radio

3.1seg OFDM受信機のアーキテクチャ

4.性能評価

5.結論

結論本研究では，GNU Radioを用いてISDB-T方式の1segモードに対応したOFDM受信機の開発及び性能評価を行った．

✔ 雑音無し● キャリア周波数誤差検知限界は-40%〜+40%● サンプリング周波数誤差検知限界は-1400ppm〜+1400ppm

✔ 雑音有り，キャリア周波数誤差とサンプリング周波数誤差無し● CNR00dB〜04dB　→　ガードインターバル検知失敗● CNR05dB〜07dB　→　ガードインターバル誤検知● CNR08dB〜14dB　→　理論値より1dB悪化● CNR15dB〜　　　 →　BER=1e-06基準でエラーフリー

✔ 雑音，キャリア周波数誤差，サンプリング周波数誤差有り● CNR=8dB，キャリア周波数誤差±40%，サンプリング周波数誤差

±800ppmでの悪条件で通信可

✔ 計算速度評価● １シンボルあたりの平均処理時間2.5ms● 内訳としてシンボル同期80%，リサンプラを加えると90%占有

今後の課題

1.計算時間の短縮● アルゴリズムの見直し● 性能の高い汎用計算機● 並列処理（SIMD，GPGPU，PS3）

2.未実装部の開発● CRD● TMCCデコーダ

3.OFDM後の処理● 誤り訂正● 音声・画像等の復号化(H.264，MPEG)

Thank you for your attention!

Extra Slide

Python コード例

sine wavesource

(350Hz)

sine wavesource

(440Hz)

audio sink

インタポレーション

元の信号

追加信号

time

am

pli

tud

e

デシメーション

元の信号

消失信号

time

am

pli

tud

e

リサンプラのフィルタ

パラメータ

タップ数 11

サブフィルタ 128

合計 1408

比較的設計の容易なRaised Cosine Filterにより作成

テスト用に生成したコサイン波

ゲイン １

キャリア周波数 1/7MHz

サンプリング周波数 4MHz

５８pt

リサンプラ後のコサイン波

１５pt

●想定したサンプリングレート：1.0158MHz/4MHz = 0.25395●実際のサンプリングレート：15pt/58pt = 0.25862●大体想定通りに動作していることを確認●実際の細かい性能の確認は後述

OFDMスペクトラム

433点サブキャリア

frequency

power

基数4のバタフライ演算1, 1, 1, 1

1, -j, 1, j

1, -1, 1, -1

1, j, 1, -j

W1

W2

W3

x(0) X(0)

X(1)

X(2)

X(3)

x(1)

x(2)

x(3)

●４点FFT（４のべき乗データ数でしか扱えない）●3回の複素乗算と４回の複素加減算により複素乗算１回分の計算を削減●このバタフライ演算を用いて1024点FFTを実装

1024点FFTアーキテクチャ

R4

ROM

1024

ROM

1024

R4

ROM

1024

R4

ROM

1024

R4

ROM

1024

R4

1024

256repeat 256repeat 256repeat 256repeat 256repeat

ROM

1024

ROMB

it Reve

rsal

log41024=5より、４点FFTで処理するための５段階の直列構成

Bit Reversal : X(k0+4k

1+8k

2+16k

3+63k

4) → X(k

4+4k

3+8k

2+16k

1+63k

0)

等化器概要

EQINPUT OUTPUT

振幅補正位相補正

位相

振幅変動位相回転

PRBS（SP生成）

D D D D D D D D D D D

＋

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

●SPは既知の信号●生成多項式：g(x) = x11 + x9 + 1●初期値：11100110110

Wi

周波数補間フィルタ

パラメータ

フィルタ Raised Cosine Filter

タップ数 36