Low-cost implementation techniques for generic square and cross M-QAM constellations

• Main Author: Fernandes, Diogo
• Other Authors: Ribeiro, Moises Vidal
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Juiz de Fora 2016
• Subjects: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA; Modulação em amplitude e quadratura M-ária; Comunicações digitais de dados; Arranjo de portas programável em campo; M-ary quadrature amplitude modulation; Digital data communication; Field programmable gate array
• Online Access: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/1555

Submitted by Renata Lopes ([e-mail]) on 2016-05-17T12:37:21Z No. of bitstreams: 1 diogofernandes.pdf: 2723080 bytes, checksum: 27ac16e618618f1cb4c4dc6394956f80 (MD5) === Approved for entry into archive by Adriana Oliveira ([e-mail]) on 2016-06-28T14:08:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 diogofernandes.pdf: 2723080 bytes, checksum: 27ac16e618618f1cb4c4dc6394956f80 (MD5) === Made available in DSpace on 2016-06-28T14:08:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 diogofernandes.pdf: 2723080 bytes, checksum: 27ac16e618618f1cb4c4dc6394956f80 (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 === CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico === Este trabalho tem como objetivo apresentar técnicas com complexidade computacional reduzida para implementação em hardware do modulador de amplitude em quadratura M-ária (M-ary quadrature amplitude modulation - M-QAM) de elevada ordem, que pode ser viável para sistemas banda larga. As técnicas propostas abrangem as constelações M-QAM quadradas e cruzadas (número par e ímpar de bits), a regra de decisão abrupta (hard decison rule), derivação de constelações M-QAM de baixa ordem das de elevada ordem. A análise de desempenho em termos de taxa de bits errados (bit error rate - BER) é realizada quando os símbolos M-QAM são corrompidos por ruído Gaussiano branco aditivo (additive white Gaussian noise - AWGN) e ruído Gaussiano impulsivo aditivo (additive impulsive Gaussian noise - AIGN). Os resultados de desempenho da taxa de bits errados mostram que a perda de desempenho das técnicas propostas é, em média, inferior a 1 dB, o que é um resultado surpreendente. Além disso, a implementação das técnicas propostas em arranjo de portas programáveis em campo (field programmable gate array - FPGA) é descrita e analisada. Os resultados obtidos com as implementações em dispositivo FPGA mostram que as técnicas propostas podem reduzir consideravelmente a utilização de recursos de hardware se comparadas com as técnicas presentes na literatura. Uma melhoria notável em termos de redução da utilização de recursos de hardware é conseguida através da utilização da técnica de modulação M-QAM genérica em comparação com a técnica de regra de decisão heurística (heuristic decision rule - HDR) aprimorada e uma técnica previamente concebida, a tà c cnica HDR. Com base nas análises apresentadas, a técnica HDR aprimorada é menos complexa do que a técnica HDR. Finalmente, os resultados numéricos mostram que a técnica de modulação M-QAM genérica pode ser oito vezes mais rápida do que as outras duas técnicas apresentadas, quando um grande número de símbolos M-QAM (p. ex., > 1000) são transmitidos consecutivamente. === This work aims at introducing techniques with reduced computational complexity for hardware implementation of high order M-ary quadrature amplitude modulation (MQAM) which may be feasible for broadband communication systems. The proposed techniques cover both square and cross M-QAM constellations (even and odd number of bits), hard decision rule, derivation of low-order M-QAM constellations from high order ones. Performance analyses, in terms of bit error rate (BER) is carried out when the M-QAM symbols are corrupted by either additive white Gaussian noise (AWGN) or additive impulsive Gaussian noise (AIGN). The bit error rate performance results show that the performance loss of the proposed techniques is, on average, less than 1 dB, which is a remarkable result. Additionally, the implementation of the proposed techniques in field programmable gate array (FPGA) device is described and outlined. The results based on FPGA show that the proposed techniques can considerably reduce hardware resource utilization. A remarkable improvement in terms of hardware resource utilization reduction is achieved by using the generic M-QAM technique in comparison with the enhanced heuristic decision rule (HDR) technique and a previously designed technique, the HDR technique. Based on the analyses performed, the enhanced HDR technique is less complex than the HDR technique. Finally, the numerical results show that the generic M-QAM technique can be eight times faster than the other two techniques when a large number of M-QAM symbols (e.g., > 1000) are consecutively transmitted.