Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a bandwidth efficient signalling scheme for digital communications ranging from modems to digital audio broadcast (DAB). The main difference between frequency division multiplexing (FDM) and OFDM is that in OFDM the spectra of the individual carriers mutually overlap, resulting in optimum spectrum efficiency. Nevertheless, the OFDM carriers exhibit orthogonality on a symbol interval if synthesized such that they are spaced in frequency exactly at the reciprocal of the symbol interval. The synthesis can be accomplished perfectly utilizing the discrete Fourier transform (DFT) which provides full digital implementation. One of the principal advantages of OFDM is its utility for transmission at nearly optimum performance in unequalized channels and multipath channels. Intersymbol interference (ISI) and interchannel interference (ICI) can be entirely eliminated by inserting a guard interval between symbols, whose length is made equal to or greater than the time spread of the channel. One of the disadvantages of OFDM is that the performance of the system is very sensitive to the synchronism of the receiver. Sensitivity to a time offset caused by the uncertainty in the arrival time of the OFDM symbol is much higher in multicarrier systems than in single carrier systems. Furthermore the demodulation of a signal with an offset in the carrier frequency occurred by the mismatch of the oscillators in the transmitter and receiver can cause a high bit error rate due to ICI. If the frame synchronization of the OFDM signal is not achieved correctly, the phase rotation corresponding to each subcarrier would occur and data recovery becomes impossible consequently.
In this study, an initial frame synchronization algorithm for OFDM systems has been developed. First, the performance of the guard interval detector is analyzed by deriving the probability that the detector fails to search the beginning point of the useful OFDM frame by detecting the location of the guard interval comparing the cyclic prefix signals with the OFDM signals. Then, the timing error of the guard interval detector is estimated by obtaining the period of the phase function derived from the phase differences between the demodulated data and the decided data. The simulation results for QPSK, 8-PSK, and 16-QAM systems show that the estimation error of the initial frame synchronization is sufficiently small that no decision error would occur under moderate SNR environment. Standard deviation of the estimation error is about 0.011 samples when the received SNR is 12dB. Since the proposed scheme utilizes only the cyclic prefix and the phase rotation of the demodulated data without the aid of any known signals, it can be applied not only at the beginning of data transmission but also at any instant during transmission.
직교 주파수 분할 다중 (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 모뎀에서 디지털 오디오 방송(DAB: Digital Audio Broadcast)에 이르기까지 디지털 통신에 폭 넓게 이용되고 있는 다중 반송파 방식(MCM: Multi-carrier Modulation)의 일종으로서 대역폭을 효율적으로 이용한 신호방식이다. 주파수 분할 다중화(FDM)와 다른 점은 각각의 반송파들이 주파수 스펙트럼을 중첩 사용하면서도 서로간에 직교성을 유지함으로서 스펙트럼 효율을 최적화 할 수 있다는 점인데, DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 완전한 디지털 구현이 가능하다.
OFDM의 주요한 장점 중 하나는 비등화 채널과 다중경로 채널에서도 최적화된 성능수준으로 전송가능 하다는 것인데, 심벌간 간섭(ISI:Inter symbol Interference) 및 채널간 간섭(ICI: Interchannel Interference)들을 채널의 시간확장길이와 같거나 긴 보호구간을 심벌사이에 삽입함으로써 완전히 제거할 수 있기 때문이다.
그러나, 시스템 성능이 수신기의 동기에 매우 민감하다는 점이 OFDM의 단점이다. 단일 반송파 시스템보다 다중 반송파 시스템이 심벌의 도착 시간의 불확실성에 기인한 타이밍 옵셋에 훨씬 민감하며, 송ㆍ수신기의 발진기의 부정합에 기인한 반송파의 주파수 옵셋은 복조 시에 높은 BER(bit error rate)를 유발시킨다. 또한, OFDM신호의 프레임동기가 정확하게 이루어지지 않으면 각각의 부반송파에 해당되는 위상회전이 발생하여 데이터 복구가 불가능해진다.
본 연구에서는 동기신호에 의존하지 않고, OFDM신호 자체의 특성만을 이용하여 프레임 초기동기 획득이 가능한 새로운 알고리즘을 제안하였다.
제안된 알고리즘은 2단계로 구성되는데, 우선 OFDM신호와 보호구간내의 cyclic prefix 신호의 상관성을 관찰하여 보호구간의 위치를 검출함으로써 OFDM frame의 시작점을 개략적으로 찾은 다음, 복조 데이터와 decision 데이터간의 위상차로부터 유도된 톱니파 위상함수의 주기를 찾음으로써 보호구간 검출단계의 타이밍 오차를 추정하여 프레임 동기획득을 수행하는 알고리즘이다.
제안된 프레임 초기동기 알고리즘을 AWGN 채널에서 4-QAM, 8-PSK, 16-QAM 시스템에 대하여 컴퓨터 모의실험을 통하여 성능을 확인하였다. 보호구간 검출성능은 이론적 분석과 컴퓨터 모의시험에서 만족할 만한 결과를 얻었으며, 옵셋 여유(offset margin)를 결정하기 위한 설계지표로 제공될 수 있다. 프레임 초기동기 획득에 대한 컴퓨터 모의실험결과 동기획득의 추정오차는 SNR이 12dB일 때 표준편차 $σ_d$가 약 0.011 sample로 decision 오차가 발생하지 않을 정도로 충분히 작다.
제안된 알고리즘은 동기신호 없이 단지 보호구간의 cyclic prefix 정보와 복조 데이터의 위상회전 정보만을 이용하기 때문에 전송 시작단계 뿐만 아니라 임의의 전송 시점에서도 OFDM신호의 프레임 초기동기가 가능하다.
