PALMYRE une plate-forme de développement et d'évaluation de systèmes radioélectriques

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1 PALMYRE une plate-forme de développement et d'évaluation de systèmes radioélectriques Eric MARTIN, Philippe COUSSY LESTER Université de Bretagne Sud

2 Plan Evolution des communications mobiles La plate-forme de prototypage PALMYRE Expériences Conclusion 2

3 Evolution des communications mobiles Services & applications, standards, algorithmes et contraintes matérielles

4 Evolution des applications 4G Performances 2 Gb/s 500 Kb/S 50 Kb/S 2G PACS/DECT/PHS IS-95/GSM/PDC 3G UMTS - MBS Radiologicielle 1G APMS/R2000/JTAC Voix + données + multimédia + réseau ad-hoc 4

5 Evolution des algorithmes Algorithmes de codage et de multiplexage TDMA, CDMA, W-CDMA, DS-CDMA, TD-SCDMA... Codages canal Viterbi, Reed-Solomon, Turbo-code, LDPC Multi-standards Loi de Shannon Complexité (log) 1G 2G 2.5G 3G Loi de Moore Capacité des Batteries

6 Les contraintes de conception des systèmes Algorithme Complexité des traitements : du mono au multidimensionnel Flexibilité du paramétrage des algorithmes : standards, protocôles, Performances Augmentation des débits Diminution du rapport signal/bruit : qualité de traitement Architecture Augmentation de la puissance de calcul Augmentation de la mémorisation Augmentation de la flexibilité & de l évolutivité Augmentation de la consommation 6

7 Complexité et simulation des cas rares Aide à la conception des systèmes Plates-formes de prototypage Simulation / Plate-forme logicielle Outil dédié au traitement du signal (MATLAB ) Bibliothèque de composants algorithmes paramétrables Grappe de PC Emulation & Intégration / Plate-forme matérielle Mer de FPGA... Carte DSP et FPGA Outils de CAO Raffinement virgule flottante -> fixe Compilation / Synthèse de composants matériels Génération d interfaces / driver 7

8 La plate-forme PALMYRE

9 Le contexte Projet CPER du R3T «réseau régional de recherche en télécommunications» Partenaires : Collaborations : Thomson, CNES, Comsis, Sundance, SACET, France Telecom, Turbo-concept, Wolt Objectifs : Plateforme ouverte pour la simulation temps réel d applications prénormatives en télécommunication Chaînes algorithmiques Outils CAO spécialisés Ressources matérielles Caractérisation des canaux de communication 9

10 Les points abordés Entrée numérique Sortie numérique Chaîne numérique émission Chaîne numérique réception 3 Emetteur Hyperfréquence Récepteur Hyperfréquence 1 Canal de transmission 2 Nouvelles architectures MC-CDMA Combineur ondes mm Bibliothèque commune de composants Telecom Techniques MIMO 10

11 1- Les hyperfréquences Conception des fonctions analogiques Rx et Tx Transposition en fréquence, Filtrage, Amplification, Antennes, Automatisation et calibrage Plate-forme 4x4 (simplex) RF ( Ghz) FI de 20 à 55 Mhz (45 Mhz BP 19Mhz) Rx : -85dBm (SNR > 7 db) à -30dB Tx : 8dBm à 20 dbm (IMD > 28dBm)... Connexion RF / Numérique CAN connecté à un IP au bus SDB FI de 45MHz, sous échantillonné en train de données à 36MHz id. FI numérique à 9MHz. 11

12 2- Le canal de transmission Quelle chaîne de traitement pour quel canal? 12

13 2- Le canal de transmission Etude des différents phénomènes de propagation en vue de l utilisation de techniques multi-capteurs (MIMO) Aide aux développements de nouvelles formes d onde Aide aux développements de chaînes de traitement Création d une base de données de mesures de propagation : Bandes de fréquence : HF, VHF, UHF et SHF, Environnements divers (indoor, outdoor) Développement de modèles pour la prédiction des performances des systèmes de communications MIMO 13

14 3- La plateforme numériques Les contraintes applicatives Puissances de calcul : DSP 1 Gops, FPGA 1 Gops Communications : 1 Gbit/s Plate-forme matérielle Sundance Carte mère Cartes filles : DSP C62 (Texas Instrument) DSP C67 (Texas Instrument) FPGA Virtex 1000E (Xilinx) Matrice d interconnexion Liens point à point Com Port (CP, jusqu à 20 Mo/sec) Sundance Digital Bus (SDB, jusqu à 200 Mo/sec) 14

15 3- Le flot de conception Spécification de haut niveau Exploration architecturale Partitionnement HW/SW Automatiser le flot de conception Compilation sur DSP + API de communication Synthèse de haut niveau et des communications Réutiliser des composants algorithmiques 15

16 3- Le flot de conception HW/SW Matlab, C Spécification fonctionnelle Partitionnement Manuel par «profiling» Sw Code composer Compilation + Synthèse HLS GAUT Bibliothèque de communication Edition des liens Synthèse logique ISE/Foundation Hw 16

17 3- La synthèse de haut-niveau Entrée : Spécification algorithmique en SystemC, VHDL hls Sortie : Architecture VHDL RTL (IEEE 1076) Unité de traitement, unité mémoire, unité de communication LIS Banc de test VHDL Contraintes de conception Période d itération Ressources de calcul Période d horloge Architecture mémoire Diagramme d entrée / sortie 17

18 3- La synthèse de haut-niveau SystemC / VHDL 18

19 3- La synthèse de haut-niveau Wrapper de type LIS Latency Insensitive System Mot de commande Non vide Pop Mémoire de commande Processeur de Processeur de Synchronisation Enable Clock Architecture générée par GAUT Clock enable Adresse de commande Non plein Push HW SW SW Protocole - FIFO - Com Port - SDB Protocol converter Req(i) Data(i) Ack(i) GALS/LIS interface & Comm Unit Internal buses Memory Unit Controller Data Path 19

20 3- Synthèse du prototype Code Code C/C++ C/C++ Algo. CP / SDB Code VHDL/ SystemC Algo. 20

21 Exemple d utiulisation

22 Données reçues Exemple d un récepteur DVB-DSNG Architecture fonctionnelle en C Synchro Viterbi de-interleaving RS decoding Image MPEG2 Compilateur (Code Composer) Synthèse hautniveau (GAUT) (+ ISE) Compilateur (Code Composer) HLS (GAUT) (+ ISE) Sw (DSP) Hw (FPGA) Sw (DSP) Hw (FPGA) Architecture matérielle 22

23 Exemple d un récepteur DVB-DSNG Synchronisation et entrelacement : logiciel : C62 DSP Décodeurs Viterbi et Reed Solomon : Matériel : Virtex-1000E FPGA 4 liens SDB Débit obtenu 26 Mbps (limité par le bloc de synchronisation utilisation du DSP C64 pour des débits plus élevés 23

24 Décodeur de Viterbi Paramètres fonctionnelles : nombre d états, débit Nombre d état Débit (Mbps) Temps de synthèse(s) Nombre d éléments logiques Standard DVB-DSNG : débit : 1.5 à 72 Mbps, décodeur de Viterbi 64 états Number of logic elements Throughput (Mbps) Estimation de la relation débit - complexité 24

25 Décodeur de Viterbi Si Sq UCom UT UM UC M0 M1 M2 M3 Décodeur de Viterbi 64 états Fenêtre = 40 Unité de traitement Slices (51 % Virtex 3200E) Fréquence max 64 MHz Unité de communication FSM PS Slices 3002 (+18%) 25 (+0,1%) Fréquence max 81 MHz 113 MHz 25

26 Décodage Reed Solomon Paramètres fonctionnels : nombre de symboles d entrée, nombre de symbole de donnée, débit Number of logic elements RS(207, 187, 10): ATSC RS(255,239,8): IEEE RS(255,223,16): CCSDS RS(255,205,10): IESS308 RS(255,205,16): ADSL2 RS(204,188,8): DVB-T RS(204,188,8): DVB-C DVB-S Throughput (Mbps) > 26 Mbps 26

27 Décodage Reed Solomon Standard DVB-DSNG : 1.5 à 72 Mbps, décodeur RS (204/188) 6000 Number of logic elements Throughput (Mbps) Estimation de la relation débit - complexité 27

28 Décodage Reed Solomon Découpage du décodeur Reed-Solomon en sous-modules : Syndrome_non_nul Decodeur_fail r(x) Calcul des 16 syndromes Si Calcul des polynômes σ(x)&ω(x) σ(x) deg σ Calcul des racines de σ(x) α 204-i ω(x) Calcul de la valeur des erreurs i E i Correction des erreurs rcor(x) Modules hardware GAUT Module software 1- Analyse de la complexité de chaque bloc algorithmique 2- Analyse de la cadence de traitement maximale / fusion de blocs 3- Mise en œuvre pipeline 28

29 Bus Bus Décodage Reed Solomon 16 syndromes Protocole 204 octets 9 coefficients σ(x) Protocole Calcul 9 coefficients ω(x) des req/ack Berlekamp- degré_σ(x) req/ack syndromes Massey Protocole req/ack clk reset Protocole req/ack 8 val_racines 8 pos_racines decoder_fail nb_racine clk clk S-non-nul CHIEN + correction reset reset Protocole req/ack Cadence maximale de traitement : ns en cadence 40 Mb/s 29

30 Décodage Reed Solomon Syndromes B.M. Chien+Valeur Total Cadence ns (débit = 40 Mbits/s pour F = 100 MHz) Nombre d opérateurs 8 bits (GF : Dans le corps de Galois) MacGF MultGF InvGF Eqmux Focnc_di_inc Mémorisation Registres Bancs mémoire (17/17/1) (3) (205/204/9) 7 Communication (Slices) FSM / PS 623 / / / / 36 30

31 Les projets en cours Décodeur Code espace-temps à décision souple Modem MIMO compatible mono/multi-porteuse Modem multi-porteuse MC-CDMA Enrichissent la bibliothèque 31

32 Conclusions Une plateforme pour le prototypage «pré-normatif» Mesures temps réel Mise au point d algorithmes et chaînes algorithmiques Ouverte et accessible! L hétérogénéïté Carte RF-analogique / Numérique Peu d effort spécifique Matériel / Logiciel Chaîne complète de synthèse / compilation / interfaces Nouvelle approche système par l exploration architecturale Harmonisation des cadences Qualité des communications (paramètres algorithmiques) vs intégration Enrichissement d une bibliothèque d IP algorithmiques 32

33 Thank you for attention! Plateforme PALMYRE GAUT Tool is "free downloadable" LESTER

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