Sincronização de quadro e frequência para OFDM no padrão IEEE 802.15.4g : algoritmos e implementação em hardware

Orientadores: Renato da Rocha Lopes, Eduardo Rodrigues de LimaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O objetivo deste trabalho é propor métodos de sincronização de quadro e de frequência de portadora para a camada física MR-OFDM do padrão IEEE 802.15.4g, começando pela pesquisa de algoritmos, passando pelas etapas de modelagem e simulação em alto nível, e finalmente implementando e avaliando os métodos propostos em hardware. A sincronização de quadro é o processo responsável por detectar o início do dado transmitido, ou seja, a primeira amostra válida do sinal de interesse. No caso de sistemas OFDM, onde o sinal transmitido é composto por um ou mais símbolos OFDM (cada símbolo sendo composto por uma quantidade fixa de amostras), o objetivo é detectar a borda ou janelamento de tais símbolos OFDM, ou seja, onde começa e termina cada um deles. A sincronização de frequência, por sua vez, consiste em estimar e compensar o erro de frequência de portadora, causado principalmente pelo descasamento dos osciladores do transmissor e do receptor. Com base em estudos preliminares, selecionamos o algoritmo de Minn para a detecção de quadro. Para a correção de erro de frequência, dividimos o processo em duas etapas, como é geralmente proposto na literatura: primeiro, o erro de frequência fracionário é estimado no domínio do tempo durante a detecção de quadro e compensado via rotação de sinal; após a conversão do domínio do tempo para o domínio da frequência, o erro de frequência inteiro é estimado e compensado utilizando um novo e simples algoritmo que será proposto e detalhado neste trabalho. Os algoritmos propostos foram implementados em hardware e uma plataforma de verificação baseada em FPGA foi criada para avaliar o seu desempenho. Os módulos implementados são parte de um projeto que está sendo desenvolvido no Instituto de Pesquisa Eldorado (Campinas) que tem como objetivo implementar em ASIC um transceptor compatível com o padrão IEEE 802.15.4gAbstract: The objective of this work is proposing methods of frame and frequency synchronization for the MR-OFDM PHY of IEEE 802.15.4g standard, starting with the research of state-of-the-art algorithms, passing through modeling, high-level simulations, and finally implementing and evaluating the proposed methods in hardware. Frame synchronization is the process responsible for detecting the beginning of transmitted data and, in the case of OFDM systems, the border of each OFDM symbol, while frequency synchronization consists of estimating and compensating the Carrier Frequency Offset (CFO) caused mainly by a mismatch between the transmitter and receiver oscillators. Based on the initial studies, we selected Minn¿s algorithm for frame detection. For the CFO correction, we split the process into two steps, as commonly proposed in the literature: first, the Fractional CFO is estimated in the time domain during the frame detection and compensated via signal rotation; after the conversion from time to frequency domain, the Integer CFO is estimated and compensated with a novel and simple algorithm that will be detailed in this work. The proposed algorithms were implemented in hardware and inserted in an FPGA-based verification platform for performance measurement. The implemented modules are part of a project that is under development at Eldorado Research Institute (Campinas) and aims to implement in ASIC a transceiver compliant to the IEEE 802.15.4g standardMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestra em Engenharia Elétric

Integer frequency offset recovery in OFDM transmissions over selective channels

Carrier frequency offset (CFO) in OFDM systems is normally estimated in two steps. The fractional part of the CFO is recovered first and the remaining ambiguity is subsequently resolved by detecting the integer frequency offset (IFO). Conventional IFO recovery algorithms for OFDM signals are sensitive to multipath distortions as they are derived without explicitly taking into account the frequency selectivity of the transmission channel. In this paper, we propose a novel scheme in which the channel response and IFO are jointly estimated using a maximum likelihood (ML) approach. In doing so we exploit one or more pilot blocks placed at the beginning of the frame and carrying known symbols. Since the complexity of the resulting ML algorithm may be relatively large, we also suggest suboptimal solutions unifying various earlier proposals. Computer simulations are used to demonstrate the superiority of the proposed schemes over existing alternatives. It is shown that excellent performance can be achieved with affordable complexity even in the presence of highly dispersive channels