Synchronization Algorithms for OFDM Systems (IEEE802.11a, DVB-T) : Analysis, Simulation, Optimization and Implementation Aspects

Synchronisationsalgorithmen für OFDM Systeme (IEEE802.11a, DVB-T) : Analyse, Simulation, Optimierung und Implementierungsaspekte

  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) or Multi-carrier Modulation (MCM) is a digital modulation technique that supports high-rate data with sufficient robustness to radio channel impairments (especially multi-path propagation). Due to that, it is emerging as the modulation technique used for the new generation of wireless communication systems (IEEE802.11a and DVB-T). However, one of the arguments against OFDM is that it is highly sensitive to synchronization errors. This raises up the need for optimum synchronization algorithms for OFDM applications such as IEEE802.11a and DVB-T. In this thesis several synchronization algorithms are presented. We focus on the implementation aspeOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) or Multi-carrier Modulation (MCM) is a digital modulation technique that supports high-rate data with sufficient robustness to radio channel impairments (especially multi-path propagation). Due to that, it is emerging as the modulation technique used for the new generation of wireless communication systems (IEEE802.11a and DVB-T). However, one of the arguments against OFDM is that it is highly sensitive to synchronization errors. This raises up the need for optimum synchronization algorithms for OFDM applications such as IEEE802.11a and DVB-T. In this thesis several synchronization algorithms are presented. We focus on the implementation aspects of synchronization algorithms and propose optimizations which lead to well performing and robust fixed point implementations. In addition, complexity and cost needed for such a project are analyzed leading to a model for classifying different algorithms depending on cost, time-to-market, and performance. Chapter 1 is a short introduction. The use of OFDM in high data-rate communication systems is presented. In addition, the necessity of synchronization in OFDM systems opens way for the research done in the following chapters. Chapter 2 is a general overview of OFDM systems. It deals with the basics of the OFDM technique in addition to the IEEE802.11a Wireless Local Area Network (WLAN) standard and the DVB-T standard which are explained briefly. Two important synchronization problems are presented: Timing and frequency errors and their consequences. Chapter 3 gives an overview on synchronization principles of IEEE802.11a and DVB-T which will be used later in Chapter 4 and 5. The above chapters give the needed background for the research done in this thesis. In addition, the following chapters deal with the newly performed results for the two OFDM applications: IEEE802.11a and DVB-T, which include algorithmic and implementational optimizations. In chapter 4, IEEE802.11a synchronization is treated in details. This includes a fixed point implementation of an IEEE802.11a in SystemC. In addition, possible algorithmic optimizations aiming at decreasing the complexity of an IEEE802.11a synchronizer and maintaining a very well performance are presented. In chapter 5 a similar treatment for the DVB-T system is presented. A fixed point implementation is studied, as well as algorithmic optimizations for increasing the performance and robustness of the DVB-T synchronizer with the lowest cost are discussed. Cost analysis methods are presented in chapter 6. Effort and manpower for the studied algorithms are estimated. The new optimization ideas presented in the previous chapters are used to develop a new model for choosing the optimal synchronization algorithm depending on the cost, time-to-market, and performance desired. The thesis concludes in chapter 7 which is a general overview summary of the work, opening new issues for further continuing research.show moreshow less
  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing” (OFDM), oder ”Multi-carrier Modulation”(MCM) ist ein leistungsfähiges digitales Übertragungsverfahren. Es erlaubt hohe Datenraten mit ausreichendem Schutz gegen Störungen, wie sie typischerweise bei der Übertragung über drahtlose Kanäle auftreten, insbesondere bei Mehrwegeempfang durch Reflexionen im Übertragungskanal. Durch diese Eigenschaft entwickelte sich OFDM zunehmend als die Modulationstechnik, die sich für die neueste Generation digitaler drahtloser Übertragungssysteme am besten eignet (IEEE802.11a und DVB-T). Ein Nachteil beim Einsatz von OFDM besteht jedoch darin, dass diese Modulationstechnik sehr empfindlich auf Störungen bei der SynchrOrthogonal Frequency Division Multiplexing” (OFDM), oder ”Multi-carrier Modulation”(MCM) ist ein leistungsfähiges digitales Übertragungsverfahren. Es erlaubt hohe Datenraten mit ausreichendem Schutz gegen Störungen, wie sie typischerweise bei der Übertragung über drahtlose Kanäle auftreten, insbesondere bei Mehrwegeempfang durch Reflexionen im Übertragungskanal. Durch diese Eigenschaft entwickelte sich OFDM zunehmend als die Modulationstechnik, die sich für die neueste Generation digitaler drahtloser Übertragungssysteme am besten eignet (IEEE802.11a und DVB-T). Ein Nachteil beim Einsatz von OFDM besteht jedoch darin, dass diese Modulationstechnik sehr empfindlich auf Störungen bei der Synchronisation reagiert. Dies begründet eine Notwendigkeit, Synchronisationsalgorithmen für OFDM Anwendungen wie IEEE802.11a und DVB-T zu optimieren. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Algorithmen zur Synchronisation vorgestellt. Die Arbeit konzentriert sich auf Implementierungsaspekte solcher Algorithmen für IEEE802.11a und DVB-T Anwendungen. Es werden solche Optimierungsstrategien vorgeschlagen, die zu leistungsfähigen und robusten Realisierungen in Festkommaarithmetik führen. Darüber hinaus wird ein Kostenmodell entwickelt, in welches auch die Aspekte Komplexität und Kosten für die Realisierung einfließen. Weiterhin werden die verschiedenen Algorithmen klassifiziert und bezüglich Kosten (Cost), Produkteinführungszeit (Time-to-market) und Leistungsfähigkeit (Performance) in die Bewertung einbezogen. Kapitel 1 enthält eine kurze Einführung in die Theorie von OFDM zur schnellen Datenübertragung. Die Notwendigkeit von Synchronisation wird besonders herausgestellt. Kapitel 2 gibt einen generellen Überblick über OFDM Systeme. Vertiefend wird auf Besonderheiten von OFDM für den Einsatz in IEEE802.11a Systemen (WLAN) und DVB-T eingegangen. Zwei spezielle Probleme bei der Synchronisation werden vorgestellt: Fehler in der Zeit- und Frequenzschätzung und deren Konsequenzen. Kapitel 3 geht im Detail auf Prinzipien und Besonderheiten ein, die bei der Synchronisation in IEEE802.11a- und DVB-T Empfängern auftreten. Es bildet die Basis für Kapitel 4 und 5. Die nachfolgenden Kapitel beschäftigen sich mit den neuen Ergebnissen, die Optimierungen sowohl bei Algorithmen als auch bei der Implementierung für beide Applikationen (IEEE802.11a und DVB-T) zum Ergebnis haben. Kapitel 4 konzentriert sich auf Details bei der Implementierung für IEEE802.11a Systeme. Es schliesst die Realisierung einer Festkommaimplementierung mit SystemC ein. Darüber hinaus werden Ansätze aufgezeigt, wie Algorithmen optimiert werden können, wenn das Ziel die Verringerung der Komplexität ist, ohne gleichzeitige Reduktion der Leistungsfähigkeit. Kapitel 5 zeigt einen ähnlichen Ansatz für DVB-T Systeme. Auch hier wird eine Festkommaarithmetik untersucht und es werden Optimierungen der Algorithmen vorgestellt. Diese zielen zum Einen auf ein verbessertes Störverhalten, zum Anderen auf eine Implementierung bei minimalen Kosten. Kapitel 6 umfasst Methoden zur Kostenanalyse. Aufwand und Arbeitsleistung werden für die untersuchten Algorithmen geschätzt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Charbel El Hajjar
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-9125
ISBN:978-3-8167-7590-4
Series (Volume number):Forschungsberichte aus dem Lehrstuhl für Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationselektronik (3)
Advisor:Heinz Gerhäuser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2008/05/06
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2007/12/17
Release Date:2008/05/06
Tag:COCOMO; Frequency Synchronization; Post-FFT; Pre-FFT; Time Synchronization
SWD-Keyword:DVB-T; Maximum-Likelihood-Schätzung; OFDM
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 13581 $