Synchronization Techniques for OFDM

FDMA, TDMA and CDMA are the well known multiplexing techniques used in wireless communication systems. While working with the wireless systems using these techniques various problems encountered are (1) multi-path fading (2) time dispersion which lead to intersymbol interference (ISI) (3) lower bit rate capacity (4) requirement of larger transmit power for high bit rate and (5) less spectral efficiency. In a typical terrestrial broadcasting, the transmitted signal arrives at the receiver using various paths of different lengths. Since multiple versions of the signal interfere with each other, it becomes difficult to extract the original information. The use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique provides better solution for the above mentioned problems. OFDM technique distributes the data over a large number of carriers that are spaced apart at precise frequencies. This spacing provides the "orthogonality", which prevents the demodulator from seeing frequencies other than their own. The benefits of OFDM are high spectral efficiency, resiliency of RF interference, and lower multi-path distortion. OFDM is a powerful modulation technique that is capable of high data rate and is able to eliminate ISI. The use of FFT technique to implement modulation and demodulation functions makes it computationally more efficient. The OFDM based wireless communication system design includes the design of OFDM transmitter, and OFDM receiver. Using MATLAB, simulation of OFDM was done with different modulation techniques using different transform techniques. The digital modulation schemes such as BPSK and QPSK were From the simulation results, it is observed that the BPSK allows the BER to be improved in a noisy channel at the cost of maximum data transmission capacity. Use of QPSK allows higher transmission capacity, but at the cost of slight increase in the probability of error. From the results, use of OFDM with QPSK is beneficial for short distance transmission link, whereas for long distance transmission link OFDM with BPSK will be preferable. Maximum likelihood Estimation method is used for the prediction of timing and frequency offsets introduced by channel.It has been shown that ML estimation method improves the performance of the system very effectively. There are several other techniques also for prediction of timing and frequency offsets of an OFDM system., but in this paper ML is main area of consideratio

Transmission OFDM pour la téléphonie cellulaire

Les communications numériques envahissent la quasi-totalité des domaines d'activités et la demande pour des systèmes de transmissions assurant des très hauts débits avec une qualité de service importante ne cesse de croître. De nombreuses applications sont apparues récemment sur la plupart des supports physiques de transmissions possibles (tant câblés que hertziens). Ceci a motivé la recherche de nouveaux modes de transmissions capables de supporter des transmissions à large bande. En effet le signal utile est perturbé par de nombreuses dégradations lors de sa transmission (pollution par du bruit et des parasites, atténuation et distorsion lors de la propagation,...). Pour cette raison, il est nécessaire de disposer de techniques de transmission efficaces combinées à des algorithmes de réception adéquats. En outre, le canal de propagation est généralement partagé entre plusieurs sources (la bande de fréquence est par exemple partagée entre les utilisateurs dans les systèmes cellulaires) ce qui nécessite des techniques d'accès multiples pour permettre plusieurs transmissions simultanées. Plusieurs techniques existent pour transmettre des données sur un canal de transmission. Celles ci peuvent être grossièrement divisées en 3 catégories: multiplexage en temps, par code ou en fréquence. Le multiplexage en temps (TDMA) est utilisé par exemple dans les systèmes de téléphonie cellulaire de 2e génération tandis que le multiplexage par code (CDMA) a été adopté pour les systèmes cellulaires de 3e génération UMTS. La 3e technique: le multiplexage fréquentiel, a été popularisée principalement par le succès des systèmes dits OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing [1]. Le principe des systèmes OFDM est d'utiliser plusieurs fréquences porteuses pour répartir un flot d'informations à transmettre à travers un canal de transmission à large bande sur plusieurs sous-canaux à bande étroite (chacun correspondant à une des fréquences). Ceci explique la dénomination de transmission multiporteuse qui est souvent utilisée pour parler des systèmes OFDM. Ce mémoire porte sur la conception des systèmes de transmission OFDM et étudie de nouveaux axes de recherche visant à améliorer leur performance et leur fiabilité. Il porte plus particulièrement sur l'un des problèmes les plus importants des systèmes OFDM: celui du facteur de crête ou PAPR: Peak to Average Power Ratio. Celui-ci est dû au fait que la transmission OFDM n'a pas la propriété d'être à enveloppe constante. En effet à cause de la modulation à l'émetteur des symboles à transmettre par la matrice d'IFFT, les symboles temporels transmis effectivement sur le canal ont un module qui n'est pas constant et varie largement. Ceci conduit à des problèmes de saturation de l'amplificateur de puissance utilisé pour amplifier le signal avant sa transmission via l'antenne émettrice. Il s'ensuit une distortion des symboles émis qui peut fortement dégrader les performances du système. Ce mémoire peut être vu comme étant formé de 2 parties qui sont interconnectées tout au long de ce document: - Conception et simulation d'un système OFDM traditionnel et adaptation de ce modèle à l'étude de la problématique mentionnée ci-dessus. Dans ce système, la structure des facteurs complexes de rotation est la même que la modulation de données QPSK. Par conséquent, on a besoin d'un canal supplémentaire pour la transmission de l'information concernant ces facteurs de rotation au récepteur. - Simulations et études des performances du système en utilisant l'approche PTS (Partial Transmit Sequences) modifiée pour diminuer la largeur de bande requise pour la transmission de l'information et du nombre de canaux utilisés. L'approche proposée change les valeurs des facteurs complexes de rotation et évite donc la transmission de l'information latérale concernant ces facteurs de rotation sur un canal supplémentaire. La structure proposée de l'approche PTS donne un bon compromis entre les performances au niveau de facteur de crête et la complexité du système. Elle permet de diminuer le rapport de PAPR de 2-3 dB dépendamment des valeurs des facteurs complexes de rotation comparativement au système OFDM-PTS classique

Timing and Frequency Synchronization in Practical OFDM Systems

Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has been adopted by many broadband wireless communication systems for the simplicity of the receiver technique to support high data rates and user mobility. However, studies also show that the advantage of OFDM over the single-carrier modulation schemes could be substantially compromised by timing or frequency estimation errors at the receiver. In this thesis we investigate the synchronization problem for practical OFDM systems using a system model generalized from the IEEE 802.11 and IEEE 802.16 standards. For preamble based synchronization schemes, which are most common in the downlink of wireless communication systems, we propose a novel timing acquisition algorithm which minimizes false alarm probability and indirectly improves correct detection probability. We then introduce a universal fractional carrier frequency offset (CFO) estimator that outperforms conventional methods at low signal to noise ratio with lower complexity. More accurate timing and frequency estimates can be obtained by our proposed frequency-domain algorithms incorporating channel knowledge. We derive four joint frequency, timing, and channel estimators with different approximations, and then propose a hybrid integer CFO estimation scheme to provide flexible performance and complexity tradeoffs. When the exact channel delay profile is unknown at the receiver, we present a successive timing estimation algorithm to solve the timing ambiguity. Both analytical and simulation results are presented to confirm the performance of the proposed methods in various realistic channel conditions. ..