FPGA-based SISO baseband wireless channel emulator

Wireless communication systems face significant challenges due to complex propagation phenomena such as multipath fading, Doppler shifts, and Additive White Gaussian Noise (AWGN). These effects degrade signal quality, making it essential to develop robust communication systems capable of operating in real-world environments. To address this, wireless channel emulators are used to replicate the statistical properties of real channels, allowing for controlled testing and validation of communication algorithms and hardware. While software-based emulators exist, they often lack the real-time processing capabilities needed for high-bandwidth or rapidly changing channels. The main goal of this thesis is the design, implementation, and characterization of a real-time reconfigurable Single Input Single Output (SISO) baseband wireless channel emulator implemented on a AMD Zynq™ UltraScale+™ RFSoC. The implemented emulator captures the fundamental characteristics of time-varying multipath channels, facilitating comprehensive testing of communication systems under emulated real case scenarios. The experimental analysis proves alignment with the theoretical behaviour, thus validating the implemented approach. Future improvements include integrating Rician fading channels, introducing Line of Sight (LoS) components, and extending the model to support Multiple Input Multiple Output (MIMO) channels.

I sistemi di comunicazione wireless sono affetti da fenomeni di propagazione complessi, come il fading multi percorso, lo shift in frequenza del segnale in ricezione dovuto all'effetto Doppler e il rumore gaussiano bianco additivo (AWGN). Questi effetti degradano la qualità del segnale, rendendo essenziale lo sviluppo di sistemi di comunicazione robusti, capaci di operare in ambienti reali. Nelle fasi precedenti alla validazione in campo, vengono utilizzati emulatori di canale wireless per replicare le proprietà statistiche dei canali reali, consentendo lo svolgimento di test controllati per la pre-validazione dei sistemi di comunicazione. Sebbene esistano emulatori basati su software, questi mancano delle capacità di elaborazione in tempo reale necessarie per riprodurre scenari caratterizzati da elevate frequenze di variazione. L'obiettivo principale di questa tesi è la progettazione, implementazione e caratterizzazione di un emulatore di canale wireless in banda base, riconfigurabile in tempo reale, a ingresso singolo e uscita singola (SISO), realizzato su una piattaforma AMD Zynq™ UltraScale+™ RFSoC. L'emulatore implementato riproduce coerentemente le caratteristiche fondamentali del canale wireless tempo variante, a multipath variabili nel tempo, rendendo possibile lo svolgimento di test approfonditi di sistemi di comunicazione in scenari realistici emulati. L'analisi sperimentale dimostra l'allineamento con il comportamento teorico del canale wireless, validando l'efficacia dell'approccio. Miglioramenti futuri includono l'integrazione di canali con fading di Rician, ovvero l'introduzione di componenti di Line of Sight (LoS) e l'estensione del modello per supportare canali a entrate multiple e uscite multiple (MIMO).