TELKOM NIKA , Vol.12, No .3, Septembe r 2014, pp. 7 33~740   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i3.103    733      Re cei v ed Ma rch 9, 2 014;  Re vised July   25, 2014; Accepted Augu st  10, 2014   Diversity Combining Using Maxima Ratio Combining  for All Modulation Mode      Yusuf Kurni a w a n* 1 , An d y es Fourma n D.A. Sudirja 2   Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing, Sch o o l  of Electrical E ngi neer in g and  Informatics  Institut T e khnol ogi  Ba nd ung, Band un g,  Indo nesi a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :  y u s u fk@stei.i t b.ac.id 1 , and yes.sudir j a@ ya hoo.com 2      A b st r a ct  The destruction caused  by channel  can be seen  by  the  existence of Amplitude and Phase Shift.  By usin g the 6  W a ys Diversity  Co mbi n i ng  me thod (6 A n te n n a s/Rece ivers),  it is ex pect ed t hat the d i srupti o n   cause d  by A m plitu de  and  Ph ase Sh ift can  be su ppr esse d  as s m al l as  possi ble. In  a dditi on, by  usi n g   diversity c o mb inin g  mod u le,  w e  w ill g e t a  l a rge  SN R  o u tput w h ich  h a s  a v a lu e s u m  of SNR  of e a c h   diversity path. T he  des ig n  of Diversi ty co mb inin g  mo dul e b egi ns w i th MAT L AB functio n a l d e sig n  as  a  big   picture of  the w hole  syste m . Subse q u ently, it  w ill  be made the  har dw ar e b a sed  on th e M A TLAB functio nal.   This architectu ral desi gn that  w ill be the cornerston e in th e MATLAB  bit precisio n man u facturin g. The n   MAT L AB bit  p r ecisio n w i l l  b e  d e sig n e d  as  the fo un datio n of th e V HDL  des ign.  Diver sity co mbi n i n g  t h e   output mod u le  me ets the st andards sp ecifie d  by the DVB consorti u m .  In the har dw are (F PGA) test result s   of divers ity co mb ini ng, th e  maxi mu m w o rki n g frequ enc y  is  44.5 6  MH z   w h ich  has  s how n that is  qu alifi ed  w i th the stan da rd sa mp li ng c l o ck (9.14 2  MH z). T h is des ig n  also  ne eds  4%  of total F P GA  Cyclon e II 4 84I 8   combi natio na l units w h ich is  249 9 units a n d  it needs al s o  3% of total reg i ster of F P GA  Cyclon e II 484 I8  w h ich is 172 0 register u n its.    Ke y w ords : MRC, selectiv e combi n in g, diver s ity comb in ing,  OFDM     1. Introduc tion   Rapi d growth  deman d of  so ciety to the ele c troni c  device  gives high luxu ry  cau s e d   improvem ent  in device technolo g y. One  of its impa ct s is  Digital  T e levisio n  (DT V ).There a r e  so  many types of DTV  s u c h   as   DVB-H,  DV B-S and so  fo rth, yet one  o f  the mo st su ccessful  DTV  is  DVB-T (Digit al Video Broad ca sting T e rrestri a l) . DVB-T is a standard of terrestri a l digi tal  television  whi c h is  static an d its re ceiver   and tran smitt e r are stea dy or not moving .  DVB-T  uses OF DM (Ort hogo nal F r e quen cy  Division Multipl e xing) te ch niqu e. Thi s   modulatio n t e ch niqu e u s es  multi  sub - ca rri er whic h is o r thog o nal b e twe e n  ea ch  othe r. Thi s   OFDM meth o d  allows ea ch sub c a rrie r  to be ov erlap ped to each other with out  any interfere n ce   both Inter Symbol Interference (ISI) an d  ICI (Inter Carrier Interference)[1].   DVB-T utilize s  an equ alization modul e  that  is located betwe en the input of Cha nnel   De cod e r a n d  the output o f  FFT. The Equali z ation  m odule i s  u s ed  to comp en sate the ch an nel   noise from b o th noise  cau s ed by amplit ude and p h a s e noi se. The  module that comm only used  to comp en sat e  these n o ise s  is  Diversity Combi n ing m odule. In the  comm on u s e  there i s  only 2   ways dive rsit y but in fact, it is not enou gh to  redu ce  the noise bot h AWG N  and  Rayleigh Noi s e  and  6  ways  Diversity (Re c e i ved Anten n a )  i s  the  hig h e s t nu mbe r   of  Antenna  so t he  re ceived  d a ta   are still correl ated between  one and a not her.       2. Div e rsit y   Co mbining  This  cha p ter  discu s ses a b out gene ral  a l gorithm of  Di versity Co mbi n ing.  Thi s  mo dule is  use d  to comb ine (o r sel e cti ng) the SNR  of re ceive r s in orde r to get  the better SNR o u tput.    2.1  Maxima Ra tio Combining   In Maxima Ratio Combi n i ng methods, t he data output of each  F FT will be co-phased  due to the influence of phase shift  Θ  beca u se of ch annel s that is multiplied b y  the weighting  ∝ i =a i .e -j θ  with  amplitude a i .  Without co-p hasi ng, ea ch  bran ch i s  not  summe d coh e rently that st ill  contai ns d a m aged d a ta du e to fading. As explain ed in  [2].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 3, September 20 14:  73 3 – 740   734       Figure 1.  Linier  Com b iner Dive rsity Combi n ing       In Figure 1 T he tran smitte d signal  s(t)  whi c h ha s interferen ce s from Cha nnel  R i  e j Θ i  will  be multiplied  with co mplex  amplitude  ∝ i  = a i  e -j θ   So will be get the com b ined SNR  With r = e -j θ .  This eq uation  can be  simpli fied usin g Ca uchy Sch w a r t z  Method.   We get that  γΣ  will be     γΣ   ∑     ∑   (1)         ̅         With   ̅   is the  mean S N R from e a ch receiver. From a bove eq uatio n, we  ca n ge t the   SNR gai n of combi ned S N R com p a r ed  with mean S NR fro m  ea ch receiver i s  M value. As has  been expl ain ed in [2] to get BER from common M R C will be used  an equ ation        2    (2)       In  this case we will assume  t hat used  channel will  be i.i.d  Rayleigh Fading P a ths. S N R per bit  per path  γ i  ha s an expo nen tial PDS with mean SNR p e r bit   ̅ .          /  (3)     And for SNR  per bit for co mbined S NR    has PDF.       !   /  (4)     In the end, we can get the error  probabil i ty for BPSK  mode will be       ∑  1      (5)     Equ. 1 Error Probability (Pb)  Equation in BPSK mode. With          (6)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Diversity Co m b ining Usi n g Maxim a  Ra tio Com b ining  for All Modulation Mode  (Yusuf Kurni a wan )   735 In the bel ow  grap h, BER  grap h  whi c h i s   cre a ted from created DVB s y s t em to tes t  the  MRC mod u le  is represent ed with  col o red graph  and  the BER g r a ph come s fro m  theory  (Pb )  is  rep r e s ente d  with “Bla ck” g r aph.   In Figure 2, it  can  be o b se rved that the  MRC BER g r aph from cre a ted DVB  system ha s  a very  simila r BER g r ap h  with BER fro m  theo ry. So   that the  cre a ted  DVB System is valid to  test   the MRC mo deled  and it  can  be u s e d   to test othe r  method s too  (Sele c tive Co mbining, Eq u a l  Gain Combini ng, etc).           Figure 2.  MRC BER, from desi gne d system (col or one) VS theo ry (Pb) with L  is numbe r of  diversity path       2.2 Normalize d   MRC  In the pape r [3], it adopts a metho d  of MRC i n  gene ral b u t with addi tion of  comp en satio n  of am plitu de noi se  ch annel. It ex plain s  a  me thod  which  descri bed  th a t   conve n tional   MRC fou nd t hat go od fo r  pro c e ssi ng i n  QAM m odul a t ion both  QA M 16  an d QA M64  mode. In equ ation co nvent ional  MRC ou tput of MRC i s           (7)     With W is the  weightin g fro m  the estimat ed ch ann el wi th the below  equatio n     W =  , , ,    (8)     And Y is the Fast Fou r ie r Tran sfo r m (F FT) outp u t with     k = 0, Λ , N-1  (9)    While at MRC algo rithm, it has a different we ightin g  with Weighti ng in the con v entional MRC  with     ,    (10 )     It  can be ob served  th at  in conve n tional  MRC,  there i s  un comp en sa ted amplitu d e  |H| 2  that  sho w n  in belo w  equ ation     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 3, September 20 14:  73 3 – 740   736       (11 )   Y =  H X    With  X  is tran smitted data     Z(k) =  H H  H X  (12 )   Z(k) = |H| 2   X    It can  be  observed that the output of  the conventional MRC  still l eaves |H| 2.  Us ing MRC   method that  propo se d by this paper [3], the value of |H| 2  is eliminate d  or redu ce d  by  norm a lization  using    which  is equal with  |H| 2 . With the  same equati on as the MRC, it can   be derived th at the total  value of SNR     on this pape r has a simila r combi ned S NR with the   conve n tional MRC.       2.3  Selectiv e Combining (SC)  In SC-type systems [2], it pro c e s ses  on ly one  of the diversity bran che s . Spe c ifically, in  its conventio nal form, th e  SC combin er ch ooses  the  bra n ch with   the high est S NR. In  additi on,  sin c e the out put of the SC com b ine r  i s  equ al  to the sign al on  only one of the high est SNR  bran ch, the sum of the individual bra n ch  signal s is n o t requi red li ke  in MRC a nd  EGC.         Figure 3.  Selective Co mbining  Diag ram       For M bran ch  diversity, the CDF of com b ining SNR  γΣ  is given by    P  γΣ  = p( γΣ <  γ ) =  p(m a x [ γ 1,  γ 2,…,  γ M]<  γ )   (13 )     We obtai n the pdf of  γΣ  by differentiatin g  P  γΣ ( γ ) rela tiv e  to  γ  and the outage p r obability  by evaluating  P  γΣ ( γ ) at  γ =  γ 0. Assu m e  that  we h a v e M b r an ch es  with u n correlated  Rayle i gh  fading amplit ude s  r i . The instantane o u s SNR on the  i th  branch  is therefore  given by  γ i =  .   Definin g  the  averag e SNR  on the  i th  branch a s    γ i  the SNR distribution will be  expone ntial:    p( γ i ) =  /  (14 )     The outage probability for a target  γ 0 on  the  i th  branch in Rayleigh  fading is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Diversity Co m b ining Usi n g Maxim a  Ra tio Com b ining  for All Modulation Mode  (Yusuf Kurni a wan )   737 Pout ( γ 0 ) =  1- /  (15 )     The outage probability of the se l e ction combiner for target  γ 0 is th en     Pout( γ 0 ) =  ∏  γ i γ 0  ∏ 1 /   (16 )     Relative to  γ 0  yields the pd f for  γΣ :    P  γΣ  =  [1- / ] M- 1 /  (17 )     We see that the avera ge S NR of the  co mbine r  in i.i.d Rayleigh fadi ng is    =  γ  γdγ    =   1   / γ   =  ̅ ∑   (18 )     Thus, the av erag e SNR g a in increa se s with  M but not linearly.  The high er a m ount of  diversity the highe r SNR o u tput we get [5].      2.4  Equal Gain Combining  A simpler te chniqu e like M RC i s  equal -gain co mbini ng whi c h co-pha se s the si gnal s on  each branch  and then  co mbine s  t hem  with equ al weighting  α i  =  e - θ i . The SNR of the combi ned  output, assu ming equ al n o ise PSD  N0  in each bra n ch is given by [6]    ∑    (19 )       3.  Proposed  Div e rsit y  Combining Meth od      To obtain the  best BER ou tput, we can n o t just use o n e  method of Diversity Co mbining.  In QPSK and BPSK modul ation method,  using M RC  method i s  the best m e thod com pared  wi th  other  metho d s . It is  due  to the M R C  can  provide t he g r eate s t  value of th e  combi ned  S NR  comp ared to others. While  for QAM 16 and QAM  64  modulatio n, using the M R C method i s   no   longe r effecti v e beca u se it offers SNR gain  with  out any improvem ent in  amplitude shift  comp en satio n . For the Q A M method,  bothQAM16  and QAM6 4 ,  the best m e thod is to  use  Selective Co mbining m e th od. This i s  b e ca use this  method h a s t he large s t instantaneo us S N R  and it  can  repair p h a s e  shift (su c h  a s  M R C) an d  amplitu de  shift that a r e  not on  the   MRC  method.       By obse r ving  these imp r o v ements, thi s   p ape r p r ov ides  a met h od of  weig hting that  combi n e s  two or mo re m e thod s of  Di versity Comb in ing. In thi s   case, it will  take 3  weighting  methods by  combining the  MRC method that  has the  best BER for  BPSK/QPSK modulation  and  Selective Co mbining fo r  QAM modul a t ion. The third method i s   Normali z e M RC  whi c h h a s   a   good BER val ue at any modulation mo d e  even it is  not the best in every modul a t ion method [7].  The  weig htin g is  ba sed  o n  the valu e o f  SNR fo r sp ecific BE R to  each meth o d  [8].For   example i n   QPSK modul ation mode i n  BER  2x10 -4 , It has  been s i mulated for BER graph in  Figure 5.  Usi ng  MRC  method,  we  g e t SNR 7 d B f o r BE R 2x1 0 -4 . For S e lective Co mbining Method  [9], It can be see n  that req u ired S NR i s  11 dB and for NMRC, it needs 2 6  dB SNR.        7dB = 2.238 7    Whe r ea s for  SC method (11dB) it is si mila r with 3.5 48 linea r SNR and requi red linea r  SNR for Normalize d  M RC (2 6dB) a s  m u ch  a s   19.95 3. By doin g   weighting, f r om  the BE R g r a ph,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 3, September 20 14:  73 3 – 740   738 it is obtained that the probabilit y of using the M R C output is  cl oser to the transmitted data  comp ared wit h  SC it is because MR C BER < S C BER < N ormaliz ed MRC BER     1        (20 )    1   2.2387 2.2387 3 . 548 1 9 . 953    0 .913      And weig htin g for No rmali z e MRC     1           (22 )    1   19 .953 2. 2387 3 .548 1 9 . 953    0 .2248       With the  re su lts of thi s   wei ghting, the  val ue of th e de modulato r   of each meth od  is  use d   to get a better approximati on instea d of only usi ng o ne spe c ific di versity com b ining metho d . If  the de mod u la tor o u tput of   use d  two m e thod s h a s a  same val ue th en the  o u tput  of d e mod u la tor  in Figure 4 is equ al to this value. B y  using  this  method, it is expected to  get the hig her  probability of getting the same out put as  the transmitted data.   In the other hand, because in QPSK modulat ion it doesn’t have amplitude noi se then it  not need s a n  amplitude  compen sato r  as in QA M 1 6  and QAM6 4 .In QAM modulation, with out  amplitude  co mpen sato r, e a ch  point in t he con s tellati on will  be ov erlap p ing. T h erefo r e o ppo site  than Figu re 5 ,  instead of h a ving the  be st SNR, MRC  has the  worst  SNR.   Figure 5  sho w s that p r o c essed  data  u s ing  only  1  method i s   no t enou gh to   handl e all  modulatio n mode s. For the further simulation,  Compa r i s on  of constell ation betwee n  the   prop osed me thod and an o t her pap er  sh own that con s tellation u s in g prop osed  method is b e tter  than usi ng pa per in [3].          Figure 4.  The 6 way Di versity Com b i n ing with  Wei ghting Probability Combini n g    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Diversity Co m b ining Usi n g Maxim a  Ra tio Com b ining  for All Modulation Mode  (Yusuf Kurni a wan )   739     Figure 5.  BER Graph of MRC, SC and NM R for  QPSK modul ation      4. FPGA  Simulation   Becau s e  thi s   new meth od  use s   3 m e tho d s  at o n ce,  th en it n eed s to  be  sm art to  remove  the do ubled   module  which  the mo dule  that can  be  sh ared  for 2 m o dule s  o r  m o re. Figu re  8 gi ves  the illustration for the shared modules. Each  method (MRC, NM RC and  SC)  [10] use phase  comp en sato r. Therefo r e, the re sulted v a lue of  pha se comp en sat o r ca n be distributed to ea ch  method to be  pro c e s sed furthermo re in e a ch p a rt se pa rately.           Figure 6.  Signal Tap  si mulation       Figure 6   sho w s a  sim u lati on u s in g  CY CLO N E II FP GA u s ing  Sig nal T ap  software  from   QUAT RUS h a ve had th e  same  output  with the o u tp ut of MATLAB. It can be  sho w n th at the  simila rities b e t ween th e out put of MATL AB, MODEL S IM and Simulation in h a rdwa re (FPGA )  so  that it can be analyzed that the archite c t u re wh ich ha s bee n create d  is co rre ct a nd have a go od  desi gn. Be sid e s the  de sign ed a r chitectu re fulfilled  the  expectatio n , it is be ca use there  is  no jitte r  or delay com b ination a l affecting in the  data pro c e s sing in 1 cl o ck. While the  simulation a l so  sho w s that hard w a r e able  to calculate  in t he high speed mo de  whi c h ha s 4 times faste r  (81  MHz) samplin g rate than th e stand ard  sp eed in ETSI (9.142 MHz).      5.  FPGA Te st S cenario   To comp rehe nd the true  condition  as i n  nature,  it ne eds to  de sign  the testing  scen ario   due to the ro bustn ess of o u r mod u le in the real te st field.      7dB 11  d B 26  dB Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 3, September 20 14:  73 3 – 740   740   Figure 7.  FPGA Test Scen ario       To obtai n th e de sired  si mulation  re sults it is   ne cessary th at p r ope r te sting  system i s   desi gne d (Fi gure  7 )   so t hat the  outp u t of the  FPGA can  rep r ese n t the  ou tput of a  Div e rsity  Combi n ing [1 1] module in the real  DVB system.    At first, VHDL co de  will b e  do wnloa d e d  to the Cy cl one II FPGA  module f r om  Personal  Comp uter (P C). Besi des  VHDL T op of Diversity Co mbining mo d u le, It is download ed also  2  ROM of data  that contain d a ta from the out put of the FFT and o u tp ut Chan nel Resp on se.   After that the data of FFT  o u tput and  Ch annel  Re spo n se  will be i n clud ed in the  input of   Digital to An a l og Conve r ter (DA C ) th at a m ende d the  origin al digita l sign al into  a n  anal og  sign al.  FPGA output  will be fed b a ck into the  Signal Tap  i s  one of the fe ature s  of the  softwa r e Q u a r tus   to get  results  back f r om  FP GA  output loop. The data  from thes e  T ap signal will be  dumped and  the outcom e  woul d be che c ked in a c cordan ce with th e desi r ed  con s tellation o r  n o t.      6. Conclu sion   This p ape r shows that we  need n o t to use o n ly one  method of di versity co mbi n ing for  spe c ific mo d u lation mod e . It gives an explanation  th at we need to con s ide r  the output of other  method s eve n   they don’t have the  best BER  o u tput (su c h  as Sele ctive Combini ng and  Normali z ed  MRC in BPSK/QPSK modulation).T he  proposed method  gives  a breakthrough in  Diversity Co mbining I s su e. It solved a probl em of  M RC that o n ly gives go od p e rform a n c e o n ly in   modulation BPSK and QPSK.       Referen ces   [1]  Unio n EB. ET SI EN 300 74 4 V1.6.1.  Europ e a n  Standar d.  20 09.   [2] Proakis  JG.  Digital C o mmun i c ation ov er F adin g  Cha n n e ls .  Wille y .     [3]  Ning M. A Simple and Effective Post -F FT  Beam formin g  T e chn i qu e. Chi n a.  IEEE.  2007.   [4]  El-Dea n SG. Performanc e  Of S w itche d  D i versit y  W i th P o st- Exam ini n g  Selecti on In  Cdma S y stem.   Ubiq uito us Co mp utin g an d C o mmunic a tio n  Journ a l . 20 10.   [5]  Lio u mpas AS. Adaptiv e Gene ralize d  Se l e ctio n Comb ini ng ( A -GSC) Recei v ers.  IEEE.  2008.   [6] Goldsmith  A.  Wireless Co mmu n ic ations . C a mbrid ge U n iv ersit y  Press. 2 005.    [7]  Kee Bo ng So ng. A Lo w   C o mpl e xit y  S p a c e- Frequenc y BICM MIMO-OFDM Sy stem for nex t -   Generati on W L ANs.  IEEE.  2003.   [8]  El-Dea n S. Per f ormance of S w itc h e d  Divers i t y   w i th P o st Examini ng s e lecti on in  CDMA s ystem.  IEEE.  200 3.  [9]  Martin V. C l ar k. Adaptiv e F r equ enc y-D o ma in Eq ua lizati o n  an d Div ersit y  Comb ini n g  fo r Broad ba nd   W i reless Com m unic a tions.  IEEE,  2002; 20( 2).  [10]  Shifen Ou. Improve d  a Pr iori SN R Estima tion for Sp eech E nha nce m ent Incorp or ating S peec h   Distortio n C o mpon ent.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a l  of Electric al  Eng i ne.  20 13 ; 11(9):  53 59- 536 4.  [11]  Jian bin  Xue.  T r ansmissi on P e rfo rmanc e R e search  of Di git a l Mo du latio n   Sign als  in AW GN Cha n n e l.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2013; 1 1 (2): 9 91-9 97.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.