Partially reconfigurable SDR solution on FPGA

• Main Author: Seppänen, V. (Visa)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2019
• Online Access: http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfioulu-201908312832

Abstract. Software-defined radios (SDR) have become more common in order to answer the increasing complexity of wireless communication standards. The flexibility offered by SDR technology in return makes it possible to create and implement even more complex standards so there exists a mutual evolution cycle. One of the technological opportunities pursued on SDR is changing the waveforms on the fly. The standards challenge the SDR development. Computing throughput needs to be high enough, the end product has to be energy efficient, and all of this must be accomplished as cheaply as possible. SDRs have a wide range of implementation opportunities from complete software designs to more hardware oriented with higher level software control. The extreme ends of these approaches suffer from energy dissipation and design cost issues, respectively. The compromises include application specific architectures and reconfigurable hardware. Solutions vary from software to hardware between cases and depending on the needs. This thesis concentrates on investigating partial reconfigurability on a field-programmable gate array (FPGA) in an SDR application. Based on the results, partial reconfigurability is an attractive mean to bolster SDR functionalities. Although the energy efficiency of the employed FPGA solution is inferior to using an application-specific integrated circuit (ASIC), the flexibility and cost of design set them apart. This study focuses on partial reconfiguration on Xilinx FPGA devices but it may show benefits for other devices that can utilize partial reconfiguration on their designs.Osittain uudelleenohjelmoitava ohjelmistoradio FPGA-piirillä. Tiivistelmä. Ohjelmistoradiot ovat yleistyneet entistä kehittyneempien langattomien kommunikointimenetelmien myötä ja tarpeesta vastata näiden vaatimuksiin. Samalla ohjelmistoradioiden joustavuus mahdollistaa uusien ja kompleksisempien standardien kehittämisen. Tätä voi pitää molemminpuolisena kehityssyklinä. Aaltomuotojen nopea vaihtaminen lennosta ohjelmistoradion ollessa käytössä on yksi kehityksen alla oleva teknologia. Kommunikointistandardit haastavat ohjelmistoradioiden kehityksen erilaisilla vaatimuksillaan. Esimerkiksi laskentatehon tulee olla korkea, lopputuotteen energiatehokas ja tämän tulee tapahtua mahdollisimman edullisesti. Ohjelmistoradioiden toteutukset vaihtelevat aina vahvoista ohjelmistopohjaisista arkkitehtuureista enemmän laitteistoon tukeutuviin versioihin. Ääripäissä tässä spektrissä ohjelmistoihin perustuvat toteutukset eivät ole riittävän energiatehokkaita ja laitteistoratkaisujen hinnat nousevat helposti korkealle. Keskitien ratkaisuja ovat sovelluskohtaiset arkkitehtuurit ja uudelleen ohjelmoitavat laitteistot. Implementaatiot vaihtelevat ohjelmisto-laitteisto skaalalla riippuen tarpeesta ja tilanteesta. Tämä opinnäytetyö keskittyy tutkimaan osittaista uudelleenohjelmoimista FPGA-piireillä ohjelmistoradion yhteydessä. Tulosten perusteella osittainen uudelleen ohjelmointi on houkutteleva tapa tehostaa ohjelmistoradioita. Vaikka FPGA-piirien energiatehokkuus ei ole yhtä hyvä kuin ASIC-toteutusten, niiden joustavuus ja suunnittelukustannukset ovat paremmat. Vaikka tämä työ keskittyy osittaiseen uudelleenohjelmointiin Xilinxin FPGA-piireillä, voi siitä olla hyötyä muissa tutkimuksissa ja laitteissa.