Implementazione e caratterizzazione sperimentale di sistemi OFDM

1 
 
INTRODUZIONE 
L’elaborazione numerica dei segnali (nota come Digital Signal Processing, DSP) riveste un 
grande importanza e una indiscussa popolarità nei sistemi elettronici che ormai ci circondano 
su ogni fronte tecnologico. L’elevata potenza di calcolo a disposizione in dimensioni ridotte e 
con costi vantaggiosi permette di realizzare sistemi che offrono nuove funzionalità, 
impensabili fino a qualche decina di anni fa, oltre che soppiantare complessi circuiti 
analogici. Nell’ambito delle telecomunicazioni il DSP ha trovato un campo tecnologico su cui 
evolversi rapidamente, rivoluzionando il modo di concepire la comunicazione e la 
realizzazione stessa degli apparati di trasmissione e ricezione e accelerando lo sviluppo verso 
la direzione della software defined radio, un sistema di comunicazione, cioè, interamente 
costruito via software. 
In questo Tesi sono stati implementati sistemi di trasmissione basati su tecnica di 
modulazione OFDM, con sottoportanti modulate BPSK e M-QAM, su piattaforma DSP 
C6713DSK della Texax Instrument con successiva comunicazione Real-Time tra PC e scheda 
DSP e tra due schede DSP. 
L’OFDM è una tecnica di modulazione multi-portante che permette di raggiungere elevate 
prestazioni a costi ridotti grazie alla disponibilità di circuiteria dedicata all’elaborazione 
numerica. Tra i vantaggi principali della modulazione OFDM possiamo citare l’elevata 
efficienza spettrale, la robustezza nei confronti del fading selettivo in frequenza (dovuto 
principalmente ai cammini multipli) e dell’interferenza e la possibilità di realizzare reti a 
singola frequenza consentendo sia su supporto fisico che a onde radio. Per queste ragioni, 
l’OFDM è oggi la tecnologia maggiormente utilizzata nei sistemi di comunicazione digitali 
quali, ad esempio, Wi-Fi, DVB-T, WiMax, ADSL, ecc. e, quindi, la tecnologia considerata in 
questa tesi per l’implementazione su scheda DSP. 
La presenti tesi è argomentata come segue. 
Il Capitolo 1 descrive la scheda DSP a livello hardware fornendo una panoramica dei 
dispositivi installati e delle funzionalità messe a disposizione dell’utente. Inoltre si occupa di 
illustrare il software fornito a corredo della scheda, il suo utilizzo, e la possibilità di 
programmazione assistita mediante ambiente di lavoro integrato su PC per una veloce 
prototipazione. Si introduce la programmazione mediante codice di alto livello e in particolare 
il software Simulink di Mathworks.
2 
 
Nel Capitolo 2 è descritta la modulazione OFDM da un punto di vista puramente teorico, 
fornendo le relazioni che legano i domini temporali e frequenziali su cui fare l’elaborazione 
del segnale. Si citano inoltre degli accorgimenti mirati a migliorare la robustezza del sistema e 
facilitare l’operazione di decodifica dal lato del ricevitore. Vengono, inoltre, introdotte le 
caratteristiche principali dello standard WiMAX IEEE 802.16, come riferimento reale per il 
sistema OFDM da implementare. 
Il Capitolo 3 tratta l’implementazione di sottosistemi di telecomunicazione (trasmissione con 
modulazione tradizionale, quale la BPSK e QAM, filtraggi, ecc.). In questo modo è stato 
possibile testare le funzionalità e la capacità di calcolo del processore della scheda oltre che 
della componentistica presente sulla scheda stessa. Inoltre descrive la realizzazione del 
sistema di trasmissione OFDM con modulazione BPSK e QAM. In questa sezione si affronta 
la progettazione del trasmettitore e del ricevitore. 
Il capitolo 4 si occupa  della ricetrasmissione del sistema dati multi-portante OFDM tra due 
schede DSP C6713DSK e di mettere in evidenza le problematiche che nascono in un 
collegamento di questo tipo. 
Il processo si appoggia sia alla pura simulazione mediante PC, sia al test reale su scheda 
hardware. Questo ci permette di individuare i problemi che di volta in volta si presentano, 
analizzarli passo-passo e trovare una soluzione ingegneristica che li possa risolvere.
3 
 
Capitolo 1 
Digital Signal Processing (DSP) 
Con il termine DSP (Digital Signal Processing) o Elaborazione Numerica dei Segnali, si 
intende un qualunque processamento numerico di segnali numerici. Il sistema specializzato 
per l’elaborazione numerica di segnali digitali è chiamato con la medesima sigla DSP (Digital 
Signal Processor): si tratta di un microprocessore ottimizzato per eseguire in maniera 
estremamente efficiente e versatile operazioni matematiche e/o logiche (ad esempio sequenze 
di istruzioni ricorrenti come somme, moltiplicazioni e traslazioni) su una successione di 
numeri rappresentativi del segnale.  
I processori di segnali digitali possono essere utilizzati da diversi Hardware, infatti sono usati 
per un vasto campo di applicazioni, sia in ambito consumer che a livello industriale. 
Le caratteristiche principali sono: 
• elaborazioni real-time 
• ottimizzazione per operazioni di streaming dati 
• modeste dimensioni 
• basso consumo di potenza 
• elevate prestazioni 
• complessità ridotta al minimo 
• separazione fra memoria programmabile e memoria dati (architettura HARVARD) 
• Nessun supporto hardware per il funzionamento in Multitasking 
• ottimizzazione per algoritmi di elaborazione numerica dei segnali (FFT, filtri…) 
• Possibilità di effettuare l’ accesso diretto (DMA) alla memoria di un Host 
• Risposta indipendente alla temperatura della scheda 
Le operazioni numeriche sul segnale, anch’esso numerico,  avvengono in real-time, attraverso 
operazioni composte di tipo MAC (Multiply And Accumulate) che sono eseguite in un unico 
ciclo di clock tramite un hardware specializzato. 
Inoltre implementano speciali istruzioni dedicate denominate operazioni SIMD (Single 
Instruction, Multiple Data) per poter trattare contemporaneamente piu dati. 
I DSP sono quindi classificati a seconda dell'ampiezza e del tipo di dato che sono in grado di 
processare: si parla ad esempio di DSP a 32, 24 oppure a 16-bit; a virgola fissa o mobile.
4 
 
Ogni DSP è quindi adatto ad applicazioni specifiche: ad esempio, i DSP a 16-bit a virgola 
fissa sono impiegati per il condizionamento di segnali vocali e trovano il loro principale 
campo di applicazione nella telefonia (fissa e mobile), mentre i DSP a 32-bit in virgola 
mobile, avendo una dinamica molto superiore, sono principalmente impiegati 
nell'elaborazione di immagini e nella grafica tridimensionale. 
L’impiego dei DSP ha consentito lo sviluppo di hardware a basso costo. Pertanto li possiamo 
trovare nei telefoni cellulari, nei fax/modem, nelle unità dei dischi rigidi, nelle radio, nelle 
stampanti, negli apparecchi acustici, nei lettori MP3, nelle televisioni ad alta definizione 
(HDTV), nelle telecamere digitali, e così via.  
Tipiche applicazioni sono rappresentate da: tecnologie spaziali, medicina, commercio, 
telefonia, multimedialità e applicazioni militari. 
1.1 La scheda DSP TMS320C6713 DSK 
La scheda utilizzata nel corso della tesi, per implementare i vari modelli di elaborazione 
numerica, è un sistema DSP fornito dalla Spectrum Digital e rappresenta una piattaforma di 
sviluppo a basso costo per applicazioni basate su processori della famiglia TMS320C6000. La 
CPU DSP, prodotta dalla Texas Instrument (TI), permette di realizzare  algoritmi numerici 
con alta precisione di calcolo data la capacità di eseguire operazioni in virgola mobile 
(floating point) già in hardware. 
Il TMS320C6713 è una CPU basata su architettura avanzata (VLIW : Very Long Instruction 
word) e quindi eccellente per applicazioni multi-funzione e multi-canale (esegue fino a 8 
istruzioni da 32bit per ciclo). Lavorando a 225MHz svolge fino a 1350 milioni di operazioni 
per secondo in virgola mobile (~1300 MFLOPS) e 1800 milioni di istruzioni per secondo 
(1800 MIPS). Per avere un riferimento della capacità di calcolo a disposizione nel DSP si 
osserva che un Pentium4 a 3.2GHz arriva a circa 3000 MFLOPS. 
Usa un’architettura basata su cache a due livelli, la prima di 4K-Byte e la seconda di 256K-
Byte di cui 192 Byte utilizzati come Mapped SRAM. Possiede un elevato numero di 
periferiche integrate: due Multichannel Audio Serial Ports (McASPs), due Multichannel 
Buffered Serial Ports (McBSPs), due Inter-Integrated bus Circuit (I2C), un modulo dedicato 
al General-Purpose Input/Output (GPIO), due timers, una host-port interface (HPI), un 
generatore di clock con oscillatore PLL e una external memory interface (EMIF) capace di 
interfacciarsi alla SDRAM a 32bit e a tutte le altre periferiche.
5 
 
La ALU lavora con numeri floating-point a 32 bit di cui 24 sono bit di mantissa e i restanti 8 
di esponente permettendo di raggiungere precisioni di calcolo elevatissime oltre ad un grande 
range dinamico. 
Come si può osservare dalle Figura 1.2, la scheda C6713 DSK oltre alla CPU include anche: 
• un ADC/DAC AIC23  High-quality 24-bit stereo codec 
• 16 Mbytes di DRAM (Dynamic Random Access Memory)  
• 512 Kbytes di memoria Flash non volatile (di cui 256 Kbytes usabili nella configurazione 
di default) 
• una CPLD (Complex Programmable Logic Device) necessaria a collegare “logicamente” 
i vari dispositivi 
• Connettori standard di espansione per schede compatibili 
• Emulatore J-TAG (Joint Test Action Group) con interfaccia USB 
• 4 jack audio per ingresso microfono, line-in e uscita speaker e line-out 
• 4 LEDs e 4 switches DIP 
 
Figura 1.1 – Scheda TMS320C6713 
Inoltre, dagli schemi a blocchi di e si possono osservare tutte le connessioni fra i vari 
dispositivi della scheda.
6 
 
 
Figura 1.2 – Schema a blocchi della scheda 
Al fine di programmare la scheda si sono presi in considerazione i seguenti software di 
sviluppo: 
- Simulink di Matlab 
- Code Composer Studio (CCS) fornito del DSK della scheda 
Simulink è stato utilizzato sia per simulare ciò che si voleva implementare, sia per generare ad 
alto livello il codice da inviare al DSP attraverso il CCS.  
CCS semplifica la progettazione e l’analisi software per i DSP della famiglia TMS320 grazie 
all’alta efficienza di un compilatore C, un assemblatore ottimizzato, un debugger e software 
complementari di supporto. 
1.2  Software per la simulazione e l’implementazione dei 
modelli 
1.2.1  Simulink 
Simulink è l’ambiente di programmazione grafico associato a Matlab ed è particolarmente 
indicato per costruire schemi a blocchi di sistemi grafici lineari e non lineari e per eseguire la 
loro simulazione. 
Questo programma fornisce all’utente un ambiente grafico interattivo e una libreria molto 
ampia con lo scopo di progettare, simulare e testare una serie di sistemi tempo-varianti, 
includendo :
7 
 
- le comunicazioni 
- il signal processing 
- il video processing 
- l’image processing 
Simulink è uno tra i programmi di simulazione attualmente piø utilizzati data la sua facilità 
d’uso e le sue caratteristiche principali, tra le quali si possono ricordare: 
- estese librerie di blocchi predefiniti 
- editor grafico interattivo per l’assemblaggio dei diagrammi a blocchi 
- abilità di riarrangiare schemi complessi segmentando i modelli attraverso gerarchie di 
design di componenti 
- ricercatore di modelli per navigare, creare, configurare e cercare tutti i segnali, 
parametri, proprietà per generare il codice 
- APIs (applicazioni per la programmazione delle interfacce) che permettono la 
connessione con altri programmi di simulazione 
- blocchi di funzioni per portare gli algoritmi di Matlab all’interno di Simulink 
- diversi tipi di simulazione (normale, accelerata, accelerata rapida) per mandare in 
esecuzione la simulazione o per compilare il codice C usando risolutori fissi (fixed-
solvers) o variabili (variable-solvers) 
- debugger grafico per esaminare i risultati della simulazione 
- pieno accesso a Matlab per l’analisi e la visualizzazione dei risultati 
- tools per il riconoscimento di errori negli schemi a blocchi o nei codici. 
Simulink include una vasta libreria di funzioni che vengono spesso usate nella creazione di 
modelli in un sistema. 
Questa include: 
- blocchi dinamici di tipo continuo o discreto 
- blocchi che svolgono funzioni algebriche come somma, prodotto, ecc 
- blocchi strutturali come Mux, Switch e bus di sistema. 
L’utente può utilizzare questi blocchi oppure crearne di nuovi. 
Blocchi addizionali estendono Matlab con funzionalità specifiche per le comunicazioni, radio 
frequency, elaborazione di segnali, elaborazione video e di immagini e per altre svariate 
applicazioni. 
La scelta di tutti questi blocchi avviene attraverso il Simulink Library Browser come si può 
vedere in Figura 1.3.
8 
 
 
Figura 1.3 – Simulink Library Browser 
1.2.2  Definizione e uso di Segnali e Parametri 
Simulink offre la possibilità di controllare le proprietà sia dei segnali che dei parametri 
associati al modello che si desidera implementare. 
I segnali sono quantità tempo-varianti rappresentati da linee che connettono i diversi blocchi. 
I parametri cono coefficienti che aiutano a definire la dinamica e il comportamento del 
sistema. Entrambi possono essere specificati direttamente nel diagramma di lavoro oppure 
separatamente nel dizionario dati. 
Si possono definire le seguenti specifiche per segnali e parametri: 
- tipi di dati: single, double, con segno o senza segno, interi a  8-, 16- o 32-bit  
- dimensioni: scalari, vettori, matrici, o array a N dimensioni  
- tipi di valori: complessi o reali 
- range minimo e massimo 
- valore iniziale. 
La tipologia dei segnali può essere impostata come sample-based o frame-based, per abilitare 
l’esecuzione in maniera piø rapida delle applicazioni in Simulink e SPB (Signal Processing 
Blockset). 
Il programma offre anche la possibilità di determinare il livello delle specifiche dei segnali: se 
infatti non si scelgono determinate caratteristiche, Simulink provvede autonomamente a
9 
 
ricavarle attraverso la realizzazione dello schema a blocchi, controllando di volta in volta 
l’integrità dei dati. 
1.2.3  Testare una simulazione 
Dopo aver costruito il modello, è possibile, in tempo reale, controllarne il comportamento 
dinamico ed i risultati attraverso una serie di tools, come ad esempio risolutori  fissi (fixed-
step) o variabili (variable-step), un debugger grafico e un profiler per il modello. 
I risolutori sono algoritmi di integrazione numerica che elaborano nel tempo le dinamiche di 
sistema usando le informazioni contenute nel modello. 
Tra questi  i piø importanti sono quattro: 
- risolutori tempo-continui (per segnali analogici) 
- risolutori tempo-discreti (per i segnali digitali) 
- risolutori ibridi (per segnali misti) 
- risolutori per sistemi multi-rate di qualsiasi grandezza. 
Altri possibili elementi da settare sono i tempi di inizio e di fine simulazione, il salvataggio 
dei dati e le informazioni sull’ottimizzazione del modello. 
In Simulink troviamo anche un debugger, cioè un tool per l’analisi dei risultati e per la 
diagnosi dei comportamenti inaspettati del modello. 
Il debugger riesce a determinare i problemi presenti nel modello misurando, all’interno della 
simulazione, mediante l’utilizzo di elementi chiamati “metodi”, i risultati che si dovrebbero 
avere in quell’istante. 
I metodi sono funzioni specifiche che Simulink adotta per risolvere un modello ad ogni passo 
della simulazione; i blocchi, ad esempio, sono formati da metodi multipli. 
Questo strumento di Simulink lascia all’utente la possibilità di porre dei breakpoints nel 
modello e di controllare l’esecuzione della simulazione. Può essere lanciato da una interfaccia 
grafica (GUI) oppure dalla linea di comando di Matlab. 
L’interfaccia grafica fornisce una chiara e colorata vista dello stato di esecuzione del modello. 
Mentre questo è in esecuzione, si possono visualizzare le informazioni sugli stati dei blocchi, 
sugli ingressi e le uscite di quest’ultimi. 
Per il lancio vero e proprio del modello viene scelto di volta in volta uno tra i seguenti tipi di 
simulazione: 
- normale (di default):  simula il modello senza cambiamenti
10 
 
- accelerato: aumenta la velocità di esecuzione creando un codice obiettivo che viene 
compilato lasciando comunque la possibilità di cambiare alcuni parametri 
- accelerato rapido: simula il modello ancora piø velocemente del secondo modo ma 
offre meno spazio a cambiamenti di parametri e di solito il codice viene generato in un 
ambiente diverso da Simulink. 
1.2.4  Libreria Embedded Target  
per la piattaforma TI_TMS320C6000 DSP 
L’Embedded Target per la piattaforma TI TMS320C6000 DSP è uno strumento che integra in 
Simulink e Matlab i tools della Texas Instruments eXpressDSP. 
La libreria “Link to Code Composer Studio” per Matlab permette di sviluppare e verificare 
l’elaborazione digitale del DSP tramite la stesura di un codice generato dal “Real-Time 
Workshop (RTW)” presente in Simulink. 
Il Real-Time Workshop, partendo dallo schema a blocchi ad alto livello realizzato in 
Simulink, traduce il codice in linguaggio C e, passandolo al Code Composer Studio (CCS) (di 
cui si parlerà in dettaglio nel seguito), lo manda in esecuzione sul processore digitale di 
segnali (DSP). La compilazione vera e propria del codice binario per la CPU del DSP 
avviene, quindi, tramite l’ambiente di sviluppo chiamato CCS. 
 
Figura 1.4 - Livelli di sviluppo del codice 
Schematicamente i vari livelli di sviluppo sono collegati tra di loro come si può vedere dalla 
Figura 1.4. 
Per costruire in Simulink un progetto che andrà poi mandato in esecuzione sulla scheda, la 
prima operazione da compiere è di aggiungere al nostro sistema il tipo di scheda sul quale
11 
 
andremo poi a testare il nostro modello. In questo caso selezioniamo la C6713SDK come da 
Figura 1.5; in tal modo Simulink è in grado di settare determinati parametri dell’RTW e di 
generare codice specifico per l’hardware voluto. 
 
Figura 1.5 -  Selezione del target hardware 
Il blocco C6713DSK permette di settare i seguenti parametri illustrati in Figura 1.6. 
 
 Figura 1.6 - Parametri TI C6000 Target DSP 
Nella libreria messa a disposizione dalla TI, dopo aver scelto la famiglia di DSP che include il 
TMS320C6713 DSK, si possono scegliere i vari blocchi che descrivono ad alto livello i 
componenti della scheda come si può notare in Figura 1.7.