A 140 MHz hardware channel emulator and FM directional wireless channel model for an outdoor environment

Abstract

Daha yüksek hızda haberleşme talebinin artması ile bazı haberleşme kanallarının hem doğru bir şekilde tanımlanması hem de daha doğru bir şekilde modellenmesi sinyallerin kanaldan dolayı etkilenmelerinden dolayı büyük bir önem arz etmektedir. Mesela, bir alıcıya gelen sinyallerin hangi yönden geldikleri çoklu anten sistemlerinin tasarımında büyük rol oynar. Bu tezde genel olarak kanal dinamikleri sunulmuştur. Farklı yazılımsal ve donanımsal kablosuz kanal benzetimleri, kanal modellemelerinde ve emülatörlerinde farklı yaklaşımların ne olduğu hususuna açıklık getirmek için sunulmuştur. Kanal emülatörleri günümüz kablosuz sistemlerinin performansını ölçmede gerekmektedirler. Bu tezde öncelikli olarak, yazılım tabanlı ve yönsel demetlerden oluşan bir FM kanalı modeli hafif dağlık alanlar için geliştirilmiştir. Bu yaklaşım istatistiksel ve geometrikyaklaşımları kullanarak gelen sinyalin yönünü ve gecikme zamanını hesaplamaktadır. Yazılım tabanlı bu yaklaşım için COST-259 modeli baz alındı ve fakat FM bandına uyması için değişiklikler gerçekleştirildi. Daha sonra bu araştırmada, donanımsal tabanlı bir kanal emülatörü belirlenen bir kanal tipi için önerildi ve implement edildi. Bu kanal emülatörü haberleşme sistemlerinin performansında kullanılabilir çünkü hem uzun süre boyunca zaman boyutunda filtreleme gerçekleştirebilir hem de frekans boyutundaki filtremeler gibi gereksiz miktarda bilgisayar hafızası gerektirmemektedir. Önerilen emülatör Doppler etkisini RF boyutunda gerçekleştirip, zaman boyutundaki bir sürü filtre katsayılarını kullanmadan implement ettiği için son derece basit bir yapıdadır. Bunlarla beraber emülatör, frekansı yükseltme (upconversion) ve düşürme (downconversion) işlevlerini gerektirmediğinden, bu işlevlerden dolayı meydana gelen bozulmalara da maruz kalmamaktadır. Geliştirilen emülatörün performansı tasarlanan devrelerle gözlemlenmiştir. Ölçümler sırasında emülatörün tipik bir kablosuz kanalı modellediği görülmüştür. Tüm bunlar bize gösteriyor ki bu tezde sunulan çalışmalar ile kablosuz sistem tasarlayıcıları geliştirdikleri sistemlerin performansını laboratuvar ortamında daha rahat gerçekleştirebilirler.

As the demand for higher data rates is increasing everyday, the behavior of certain channels ought to be more accurately described and modelled due to the higher sensitivity of the signal to the channel effects. For example, the knowledge of the directions from which the received signal arrives plays an important rule in the design of multiple-antennas systems. In this thesis, the general channel dynamics are studied. Several software and hardware wireless channel emulators are presented to show different approaches of modeling and emulating channels. Channel emulators are necessary for the performance assessment of the current wireless systems. In the thesis, we first present a software cluster based directional FM channel model for hilly outdoor environments. The model uses statistical and geometrical approaches to determine the time and directions from which different copies of the signal arrives. The model is based on the COST-259 model with modifications to better fit the FM band. A hardware emulator is also proposed and implemented in this research. The emulator can be used in testing the performance of communication systems on long time intervals due to the performance of filtering in time domain and avoiding the memory requirements of the frequency domain filtering. The emulator is simple due to the introduction of the Doppler effect in the RF domain, where the large number of time-domain filter coefficients are avoided. Moreover, the undesired distortions resulting from the down and up conversion of the signal taking place when the channel effects are introduced in software are avoided. The performance of the emulator is observed through the measurements performed on the developed circuits. It is observed that the channel emulator can indeed emulate a typical wireless channel. Thus, it is believed that the model and the emulator proposed in this thesis can help wireless system designers in assessing their system performance in lab environment conveniently.