ÇOK YÜKSEK HIZLI TÜMLEŞİK DEVRE DONANIM TANIMLAMA DİLİ KULLANILARAK KABLOSUZ HABERLEŞME SİSTEMLERİ İÇİN ÇOK TAŞIYICILI FİLTRE BANKASI TASARIMI

Abstract

Haberleşme teknolojileri, gelecek nesillere daha iyi iletişim olanakları sağlamak amacıyla özellikle son yıllarda kapasitelerini artırmaya yönelik çalışmalara yoğunluk vermiştir. Kablosuz sayısal iletişim sistemlerinin giderek yaygınlaşması ve her geçen gün artan yüksek veri hızı ve servis kalitesi talepleri, daha fazla kapasite vaadeden yeni haberleşme tekniklerinin geliştirilmesini hızlandıran çalışmaların önünü açmıştır. Günümüzde 5G olarak adlandırılan beşinci nesil haberleşme sistemleri, geleceğin teknolojisi olarak görülmekte, yüksek performansı sayesinde araştırmacıları cezbetmektedir. Özellikle Çok Taşıyıcılı Filtre Bankası (FBMC) olarak bilinen modülasyon tekniği sayesinde önceki nesillerde kullanılan Dikgen Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (OFDM) modülasyonuna kıyasla daha yüksek hız ve performans elde edilmiştir. Bu tezde yeni nesil 5G teknolojisinde kullanılan FBMC modülasyon yapısı geliştirilmiş ve karşılaştırmalı çalışmalarla performansının değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Tezde özellikle FBMC verici-alıcı tasarımındaki karmaşıklığı en çok etkileyen FFT/IFFT, filtreleme gibi blokların etkisi önemli konular olarak karşımıza çıkmaktadır. FBMC vericisi ve kullanılan prototip filtrenin tasarımında Matlab yazılımı, Modelsim programı, Simulink programına ek olarak Xilinx Vivado donanım gerçekleme programı kullanılmış, son olarak da gerçek zamanlı tasarım için Zedboard xc7z020 FPGA bordu üzerinde uygulamalar yapılmıştır. Özellikle FS-FBMC-OQAM (Frequency Spreading-FBMC-OQAM) ve geleneksel yaklaşım olarak PPN-FBMC-OQAM (Poly Phase Network FBMC-OQAM) tekniklerinin FPGA tabanlı uygulaması Verilog dili kullanılarak ayrı ayrı yapılmış ve performans, kaynak kullanımı ve güç tüketimi karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlar, FS-FBMC-OQAM sistemlerinin sahip olduğu daha yüksek hesaplama karmaşıklığının doğrudan daha yüksek kaynak kullanımına yol açmadığını, bu durumun FS-FBMC'yi FPGA üzerinde FBMC tasarımlarını uygulamak için uygun bir teknik haline getirdiğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar özellikle FBMC tekniğinin gücünü ortaya koyarken yeni nesil kablosuz haberleşme sistemleri için önemli bir teknolojiyi kullanıcılara sunmuştur.

Communication technologies have concentrated on increasing their capacities, especially in recent years, in order to provide better communication opportunities for future generations. The increasing widespread use of wireless digital communication systems and the ever-increasing demands for high data speed and service quality have increased the efforts to accelerate the development of new communication techniques that promise more capacity. The fifth generation communication systems, called 5G today, are seen as the technology of the future and attract researchers thanks to their high performance. Especially, thanks to the modulation technique known as Multi-Carrier Filter Bank (FBMC), higher speed and performance has been achieved compared to Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDM) modulation used in previous generations. In this thesis, FBMC modulation structure used in new generation 5G technology has been developed and its performance is aimed to be evaluated with comparative studies. In the thesis, the effects of blocks such as FFT/IFFT, filtering, which affect the complexity of FBMC transmitter-receiver design more, appear as important issues. In the design of the FBMC transmitter and the used prototype filter, Matlab software, Modelsim program, Simulink program and Xilinx Vivado hardware implementation program were used, and finally, applications were made on Zedboard xc7z020 FPGA board for real-time design. In particular, the FPGA-based application of FS-FBMC-OQAM (Frequency Spreading-FBMC-OQAM) and PPN-FBMC OQAM (Poly Phase Network FBMC-OQAM) techniques as the traditional approach has been made separately using Verilog language and the performance, resource usage and power consumption are comparatively given. The results show that the higher computational complexity FS-FBMC-OQAM systems have does not directly lead to higher resource utilization, making FS-FBMC a suitable technique for implementing FBMC designs on FPGA. When the results obtained showed the power of FBMC technique, it presented an important technology to the users for the new generation wireless communication systems.