Design and implementation of synchronization and AGC for OFDM-based WLAN receivers

An efficient implementation of several tasks at the receiver becomes crucial in OFDM-based high-speed WLAN systems, such as automatic gain control, time and frequency synchronization and offset tracking. This paper deals with fixed point constraints and accuracy requirements for implementation of those algorithms. Also, a complete set of thresholds for the practical implementation of time and frequency synchronization sub-blocks is obtained. Moreover, a technique to mitigate the remaining frequency offset after coarse acquisition is proposed, yielding a good trade-off between performance and complexity. Finally, we propose the implementation of a simple and effective automatic gain control procedure.This work has been partially funded by Spanish government with project TIC 2002-03498 (ORISE), Telefonica I+D by the contract nº 25756, and the Chamber of Madrid Community and European Social Fund by a grant to the first author

Joint Common Phase Error and Channel Estimation for OFDM-Based WLANs in the Presence of Wiener Phase Noise and Residual Frequency Offset

In orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based wireless local area networks (WLANs), the phase noise (PHN) and a residual frequency offset (RFO) can cause the common phase error (CPE) and the inter-carrier interferences (ICI), which seriously degrade the performance of systems. In this paper, we propose a combined pilot symbol assisted and decision-directed scheme based on the least-squares (LS) and maximum-likelihood (ML) algorithms. In the proposed scheme, the CPE estimator is derived using the pilot symbols embedded in each OFDM symbol. Then, data symbols and channel response including the CPE are estimated using the CPE estimator. Simulation results present that the proposed scheme significantly improves the performance of OFDM-based WLANs

On relaxing constraints on multi-branch RF front-end for a SIMO OFDM receiver – A global system evaluation scheme

International audienceIn this article, main of the presented results are obtained by taking into account most as possible realistic working condition by the use of a global system evaluation scheme based on Agilent Technologies equipments. As presented in previous works, realistic consideration of the characteristics of transmission channel, the antenna coupling and also the channel correlation would indeed allow a fast and effective design of multiantenna wireless systems in order to obtain an important design cycle reducing. The first part presents the used global system level approach and the associated tools with some theoretical, simulated and measured results in order to validate the developed testbed radio plateform. In the second part, the three presented RF impairments are considered one by one in a Zero-IF down conversion structure and their effect on OFDM transmission performances are detailed. In the last part, after a short description of the SIMO processing that is used, the natural compensation of each RF impairment it is possible to obtained taking advantage of space diversity is presented. Results given in this part are obtained by taking into account different measured propagation channels (AWGN or fading channels) and a complete 802.11g structure

Implementación de un sistema OFDM en un dispositivo SFF SDR

En los últimos años, el desarrollo en los sistemas de comunicaciones ha tenido un gran auge debido a las mejoras en los sistemas de procesado digital de señales. Entre ellos, destacan los sistemas basados en las técnicas de modulación OFDM con un gran crecimiento y una gran presencia en diferentes medios. Las mejoras en esta técnica de transmisión de información son constantes gracias a una gran cantidad de proyectos de investigación. Por este motivo, surge el interés de llevar a la práctica una implementación hardware de un sistema de comunicación basado en OFDM. En este proyecto, se han estudiado las características de los sistemas OFDM y se ha llevado a cabo un desarrollo de un sistema OFDM en código VHDL. De este modo, además de realizar un código general de un sistema OFDM que se implementa en módulos FPGA, se ha probado un transmisor OFDM en un dispositivo concreto pensado para las telecomunicaciones radio como es el “SFF SDR DP” de Lyrtech. Así, conjuntamente al desarrollo del código, el proyecto profundiza en el estudio del dispositivo SFF SDR y el proceso necesario para configurarlo y programarlo para llevar a cabo pruebas hardware de sistemas de telecomunicaciones. Y al mismo tiempo, se ha comprobado la mejora de la eficiencia en cuanto a recursos que tiene lugar al programar estos dispositivos mediante VHDL con respecto a otras alternativas basadas en programación a alto nivel. __________________________________________________________________________________________In recent years, the development of communications systems has been boosted due to improvements in the digital signal processing. Among them there are systems based on OFDM modulation techniques with strong growth and a strong presence in different media. Improvements in the techniques of transmission have been constant through a large number of research projects. For this reason it emerges an interest to produce a hardware implementation of a communications system based on OFDM. In this project, we have studied the characteristics of OFDM systems and we have carried out a development of an OFDM system in VHDL code. Thus, in addition to a general code of an OFDM system that is implemented in FPGA modules, we tested an OFDM transmitter on a specific device designed for radio telecommunications such as the SFF SDR DP of Lyrtech. Furthermore, the project extends the study of the "SFF SDR" devices in the process needed to set up and program it to execute tests of telecommunications systems hardware. And at the same time, it has been shown the improvement in the efficiency in resources that occurs when programming these devices using VHDL.Ingeniería de Telecomunicació

Implementación de sistema MIMO mediante modulación OFDM

A lo largo de los últimos años las tecnologías de la información se han convertido en uno de los pilares de la sociedad. No obstante, a pesar del extraordinario desarrollo de éstas, las exigencias de los usuarios han ido aumentando con el paso del tiempo. Por consiguiente, estas tecnologías han evolucionado ofreciendo infinidad de servicios y elevadas tastas de transmisión. Actualmente, las comunicaciones inalámbricas desarrollan un papel fundamental en lo que a las comunicaciones se refiere. En este punto concreto entra en juego el papel de las modulaciones, siendo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una de las más interesantes en la actualidad. Si a esto se le añade el papel de las tecnologías MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) se convierte en algo más atractivo aún debido a las innumerables ventajas que estos sistemas aportan. Por este tipo de beneficios el proyecto se basa en la implementación de un sistema MIMO transmitiendo la información mediante modulación OFDM. El sistema consta de tres equipos, dos de los cuales realizan la función de transmisores. Para llevar a cabo la implementación de la parte MIMO se ha propuesto el esquema de codificación de Alamouti, gracias al cual se obtiene ganancia por diversidad que da lugar a una mejora de las prestaciones. Durante el diseño y desarrollo del sistema completo, uno de los puntos clave han sido las pruebas realizadas del mismo, desarrollando así el proceso de validación y ayudando a su vez a comprender el funcionamiento del sistema. Para ello se ha habilitado una interfaz gráfica que facilita la interacción del usuario dejando gran cantidad de parámetros a su elección. Tras la dedicación y tiempo empleado, se ha desarrollado un complejo sistema de comunicaciones capaz de transmitir cualquier archivo (imagen, sonido, video, etc.) permitiendo incluso la posibilidad de transmitir texto o caracteres en tiempo real.Ingeniería de Telecomunicació

Algoritmos en transmisión y recepción para OFDM en entornos multi-usuario

Desde su incursión en la vida de los ciudadanos de forma cotidiana, las comunicaciones móviles han ido adquiriendo cada vez más protagonismo. Lo que hace unos años era un elemento de lujo o causa de envidias, hoy es algo tan habitual como coger el autobús. Este auge en las comunicaciones móviles ha llevado consigo un aumento del número de usuarios de estos servicios, así como una mayor exigencia por parte de éstos en cuanto a velocidad de transmisión, seguridad, servicios, calidad ... Por este motivo, se han ido introduciendo nuevas redes, así como mejoras en las ya existentes. Actualmente estamos asistiendo al inicio de la implantación de las redes denominadas de tercera generación (3G). No obstante, estas redes 3G fueron de nidas a mediados de los años 90. En la actualidad nos encontramos en la de nición de lo que será la cuarta generación móvil (4G) a la que probablemente preceda una intermedia, tal vez Super 3G. Muchas son las tecnologías candidatas para esta Super 3G o para la 4G, pero es OFDM (Multiplexación por División en Frecuencias Ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una de las más prometedoras para terminar siendo la tecnología elegida, debido principalmente a la robustez que ofrece frente al multi-trayecto, la flexibilidad que proporciona por el hecho de dividir el ancho de banda en sub-portadoras que pueden ser moduladas independientemente para adaptarse a las condiciones específicas de los canales móviles y al aprovechamiento de la diversidad multi-usuario cuando se combina en OFDMA (Acceso múltiple por división en frecuencias ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Sin embargo, para que estos sistemas OFDMA sean una realidad en redes futuras como la Super 3G o la 4G, es preciso reducir la complejidad que ellos conllevan, en aspectos como la sincronización multi-usuario o la implementación de la modulación adaptativa. Esta Tesis está enfocada a reducir la complejidad de implementación para que la tecnología OFDMA pueda ser un hecho en las futuras redes inalámbricas. La sincronización en sistemas OFDMA, principalmente en escenarios ad-hoc plantea un reto importante a la hora de implementarla en este tipo de redes. Dado que existe una literatura extensa dedicada a resolver el problema de la sincronización en entornos OFDM mono-usuario, en esta Tesis se propone un procedimiento para reducir el problema de la sincronización multiusuario al caso mono-usuario, lo que permite la re-utilización de todas las técnicas propuestas en la literatura. Además de las buenas prestaciones incluso en situaciones de saturación de la red, permite un ahorro de la energía necesaria para la realización de las tareas de sincronización. Asimismo, a la vez que se resuelve la sincronización multi-usuario, también en esta Tesis se aporta un algoritmo para realizar el seguimiento de la desviación de frecuencia en sistemas tanto OFDM como OFDMA, de una forma sencilla y eficiente. Este algoritmo utiliza las sub-portadoras piloto de los símbolos, y ofrece unas prestaciones razonables, incluso cuando el número de estas sub-portadoras piloto es reducido. La modulación adaptativa u otras técnicas avanzadas de comunicaciones como MIMO (Multiple Input Multiple Output) o el conformado de haz (beamforming), que se hacen más atractivas cuando se combinan con OFDM u OFDMA, requieren de cierta realimentación hacia el transmisor por parte del receptor, además de un conocimiento del canal bastante preciso. En esta Tesis se aportan algoritmos para la compresión de esta información (que puede ser muy elevada dependiendo de la granularidad de la adaptación y la variabilidad del canal), lo que permite un mejor aprovechamiento de los recursos radio, y simpli ca la implementación de este tipo de sistemas. Se consiguen reducciones superiores a cuatro veces la tasa original, lo que implica grandes ventajas en todos los sentidos. Además, se realiza un estudio teórico sobre cómo afectan los errores en la estimación de canal en la capacidad del sistema, obteniéndose dos cotas numéricas para ésta. Gracias a estas cotas se puede concluir que las técnicas actuales de estimación de canal son su cientemente buenas como para que las pérdidas producidas por los errores en esta estimación no sean muy significativas; No obstante, estas pérdidas aumentan a medida que se incrementa la relación señal a ruido, y, por tanto, es conveniente seguir mejorando la estimación de canal si se pretende que estos sistemas trabajen a altas relaciones señal a ruido. Por último, destacar que las simulaciones llevadas a cabo para examinar las prestaciones de los algoritmos desarrollados han proporcionado datos prácticos que ayudarán al diseño e implementación de futuras redes móviles 4G.Nowadays mobile communications are common in our society. In less than two decades they have changed the way people understand personal communications. This interest is still growing and makes users (every day larger in number) ask for more and more services, speed, security and quality, at least comparable to the wired technologies. For this reason, new networks have been introduced in the scene, as well as improvements in the already existing ones. At the moment we are witnessing the beginning of the deployment of the so-called third generation networks (3G). However, these 3G networks were defined in the middle of years 90. At the present time we are in the definition of what will be the fourth mobile generation, which is called the 4G and probably an intermediate stage as Super 3G could be defined first. Many different technologies are in consideration, but OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing Division) is one of most promising candidates to end up becoming the technology to be used, due mainly to the robustness that it others to the multi-path channel, the flexibility that it provides by the fact that it divides the bandwidth into sub-carriers which can be modulated independently to adapt the signal to the specific channel conditions and to the advantage of the multi-user diversity when it is used to multiplex several users in the form of OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Nevertheless, in order for these OFDMA systems to be a reality in future networks as Super 3G or 4G, the reduction in complexity has to be considered, in aspects such as the multi-user synchronization or the implementation of the Adaptive Modulation. This doctoral Thesis is focused on reducing the implementation complexity in both multi-user synchronization and Adaptive Modulation so that OFDMA technology can be a fact in the near future radio networks. The synchronization in OFDMA systems, specially in ad-hoc scenarios, raises an important challenge at the time of implementing this technology. Since an extensive literature is devoted to solve the problem of the synchronization in single-user OFDM systems, in this Thesis we have designed and proposed a procedure to reduce the multi-user synchronization problem to the single-user case, and therefore it allows the reuse of all the already proposed techniques in the literature. The procedure exhibits a good performance even in network saturation situations, and in addition it does not incur in a high power consumption when performing the synchronization tasks. Besides, solving the multi-user synchronization problem, the Thesis also proposes an algorithm for frequency offset tracking in an efficient and simple way, for both OFDM and OFDMA systems. This algorithm uses the pilot sub-carriers scattered in each OFDM symbol, and o ers reasonable performance, even when the number of these pilot sub-carriers is small. Adaptive Modulation and other advanced techniques as MIMO (Multiple Input Multiple Output) or beamforming become more attractive when they are combined with OFDM or OFDMA. However they require certain feedback information from receiver to the transmitter, and in addition, a quite precise knowledge about channel conditions. In this Thesis several algorithms for compressing the feedback information have been developed. This feedback information can be very highly demanding (depending on the granularity of the adaptation and the variability of the channel), and therefore this compression allows a better use of the resources, and simplifies the implementation of this kind of systems. Reductions of more than four times the original flow are obtained, which implies great advantages. In addition, a theoretical study is made on how errors in channel estimation affect the channel capacity, and several upper-bounds (one of them very tight) for this effect are obtained. One of the conclusions is that the actual state of the art in channel estimation techniques is good enough to be used without too much loss; However, the loss increases as the signal to noise ratio increases, and therefore, it is suggested to continue improving channel estimation algorithms for improving performance in high signal to noise ratio scenarios. Finally, thanks to simulations and designs carried out in order to examine the performance of the developed algorithms, some practical data are provided that will help in the future design of new mobile networks as 4G

Diseño de arquitecturas eficientes basadas en dispositivos lógicos programables para técnicas de acceso al medio en comunicaciones PLC

En el trabajo propuesto en esta tesis se han estudiado, analizado y desarrollado nuevas arquitecturas para la implementación de técnicas de acceso al medio en comunicaciones PLC de banda ancha. Estas arquitecturas se han incluido como periféricos avanzados en un sistema SoC general basado en FPGAs que integra un microprocesador soft encargado de realizar la supervisión del sistema y la gestión de las transferencias de datos. Además, la arquitectura SoC general dispone de un módulo DMA que asegura el flujo de datos necesario para cada técnica de acceso al medio, permitiendo que todo el sistema opere en tiempo real, atendiendo a los requisitos del estándar de PLC de banda ancha. Para la definición de las distintas arquitecturas, se ha realizado un exhaustivo estudio de las técnicas de acceso al medio consideradas. Dentro de este estudio se ha efectuado un análisis de distintos algoritmos para su implementación, evaluándose las opciones más idóneas en cada caso. El análisis de distintas alternativas ha permitido obtener una arquitectura con un bajo consumo de recursos y que a su vez disponga de un tiempo de cómputo que permita la implementación en tiempo real. Esto se ha conseguido con el ratio de paralelismo, el cual ha permitido una reutilización a lo largo del tiempo de los recursos implicados, obteniéndose un compromiso entre tiempo de procesamiento y recursos empleados. Asimismo, dado que las arquitecturas se van a implantar sobre un dispositivo FPGA, es necesario considerar en todo este estudio el efecto de la precisión finita, ya que es determinante a la hora de obtener unas prestaciones adecuadas. Para ello, se ha tenido en especial consideración el dispositivo en el que se iba a realizar la implementación, utilizando el ancho de palabra máximo de las celdas aritméticas y de las memorias disponibles. Para la comprobación de la calidad de las arquitecturas diseñadas se han desarrollado modelos de simulación en coma flotante y en coma fija. La utilización de modelos de simulación permite realizar análisis cuantitativo del efecto de la precisión finita y a su vez comprobar que la implementación desarrollada es correcta. Tanto los modelos de simulación, como las posteriores pruebas experimentales, han sido evaluados en distintas escenarios prácticos, permitiendo una verificación precisa de los datos obtenidos y su corroboración con los resultados simulados. Los escenarios considerados han tenido en cuenta distintos tipos de canales de transmisión, incrementando el nivel de ruido y atenuación gradualmente. En el primer caso se ha empleado un canal ideal, que ha permitido realizar un estudio del efecto de la precisión finita sobre las arquitecturas propuestas. En el segundo caso se ha empleado un cable SMA como canal de transmisión. El cable SMA presenta una buena respuesta en frecuencia y por tanto se puede comparar la calidad de las arquitecturas en un sistema de transmisión completo, cuyo canal se aproxima al ideal. Por último, el tercer caso introduce un canal más agresivo formado por un cable eléctrico de doce metros. Con este canal se ha realizado una estimación del comportamiento de la técnica de acceso al medio en un canal similar al real sin el empleo de ningún módulo de estimación e igualación de canal