Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a kind of multi-carrier modulation (MCM) schemes. OFDM allows overlapping of adjacent frequency bins called subchannels or subcarriers with orthogonality between them. It results in high spectral efficiency and the symbol period of the OFDM modulated signal is considerably long compared to single carrier schemes. In multipath fading channels, the performance of any communication system becomes better with the increased symbol period. However, with the increased symbol period, the transmission rate may decreases. To avoid this unfavorable phenomenon, the complicated equalizers are required in single carrier modulation system to compensate the distortion induced by the multipath fading channels. The OFDM communication systems can increase the symbol period without any reduction in transmission rate and adoption of complicated equalizers. Thus the performance of the OFDM system has been considered better compared to the single carrier communication systems in the multipath fading environments.
In spite of the advantages over the single carrier schemes, the previously proposed OFDM schemes for multipath fading channels revealed several problems in compensating channel distortion. The previous schemes compensate the channel distortion in time domain and result in noise enhancement and irreducible error floor. In this dissertation work, we find new compensation schemes for the OFDM signal distortion resulting from the multipath fading channels.
At first, we evaluate the OFDM signal compensation schemes for frequency nonselective fading channels. In those channels, we find that the characteristics of the signal distortion take the form of the frequency domain inter-symbol interference (ISI). Thus we propose the frequency domain equalizers to compensate the distortion. As the frequency domain equalizers, we propose the frequency domain linear equalizer (FDLE) and the frequency domain decision feedback equalizer (FDDFE). For the proposed compensation schemes, we analyze the symbol error rate (SER) and compare it with the SER results obtained from computer simulations. With the proposed methods, we can obtain improved performance results compared to the previous schemes. Especially, there exists no error floor with FDDFE.
Second, we evaluate the OFDM signal compensation schemes for frequency selective fading channels. In these channels, we find that the characteristics of signal distortion on the demodulated symbols of the OFDM signal take the form of multiplication of frequency domain characteristics of the channels. Based on the observation that the multiplicative distortion is expressed as a weighted sum of complex sinusoids, we propose a compensation scheme which adopts the linear prediction method. To avoid error propagation in the decision process, it is combined with differential detection. Computer simulation results show that the proposed scheme exhibits no irreducible error floor inherent in the previous schemes even with the high Doppler spread values.
Finally, we apply the OFDM scheme to the terrestrial broadcasting system of HDTV. We propose the structure of the OFDM system for HDTV signal transmission. The proposed OFDM system is designed to match the bandwidth and transmission rate of the US standard of HDTV transmission. The performance of the proposed system is obtained through computer simulations. With the simulation results, we can get insights on the design parameters of the OFDM system and the possibility of the OFDM system as a transmission method for the terrestrial broadcasting of HDTV.
다중 반송파 변조 방식 (multi-carrier modulation, MCM)의 일종인 직교성 주파수 분할 다중화 변조 (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)기법은 기존의 주파수 분할 다중화 기법 (FDM)에 더하여, 다중화 되는 각각의 부 채널 (subchannel) 들 사이의 신호의 직교성을 보장함으로써 사용 주파수 효율을 극대화 시키는 방법이다. 좁은 주파수 영역을 차지하는 많은 수의 부 채널들이 다중화를 통하여 하나의 신호 대역으로 전송되기 때문에 OFDM 변조된 신호는 이전의 단일 반송파 변조 방식에 비하여 상대적으로 긴 심볼 주기를 갖게 된다. 다중 경로 페이딩 채널의 경우, 신호의 심볼주기가 길어질수록 신호의 전송 성능이 좋아지는 특성을 가지고 있다. 그러나 심볼 주기를 길게 한다는 것은 전송속도가 감소된다는 것을 의미하게 되므로 무조건적인 심볼 주기의 증가는 소망스럽지 못한 결과를 가져오게 된다. 이를 피하기 위하여 단일 반송파 변조 방식에서는 복잡한 구조를 가지는 채널 등화기 (channel equalizer)를 채용하고 있다. OFDM 변조방식은 전송 속도의 감소 없이, 또한 복잡한 등화기의 채용없이 신호주기를 증가 시킬 수 있는 방식이다. 따라서 다중 경로 페이딩 채널에서의 전송 성능이 단일 반송파 방식에 비하여 우수한 것으로 평가되고 있다.
그러나 다중 경로 페이딩 채널에 적용되는 기존의 OFDM 방식은 채널에서 유기되는 신호왜곡의 보상에서 몇가지의 문제점을 안고 있다. 기존의 OFDM 방식에서 택하고 있는 신호왜곡의 보상법은 시간축상에서 이루어 지는 것이었으며 이 방식은 수신기에서의 잡음 증가 (noise enhancement)와 높은 신호대 잡음비에서의 에러 floor 또한 높은 도플러 주파수 에서의 에러 floor라는 소망스럽지 못한 결과를 가져왔다. 본 논문에서는 다중 경로 페이딩 채널에 적용되는 OFDM 신호의 왜곡에 대한 새로운 보상법을 찾음으로써 OFDM 시스템의 성능을 향상시키는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 다중 경로 페이딩 채널을 그 특성에 따라 주파수 비 선택적 페이딩 채널(frequency nonselective fading channel)과 주파수 선택적 페이딩 채널(frequency selective fading channel)의 두 부류로 나누었으며 각각의 경우에 대하여 새로운 신호 보상법을 연구 하였다. 본 논문에서 진행되어진 연구는 다음과 같이 정리될 수 있다.
첫째로 주파수 비 선택적 페이딩 채널의 경우, 복조된 OFDM 신호에 나타나는 신호왜곡의 특성이 주파수 영역에서의 신호간 간섭(frequency domain ISI) 이라는 결과를 유도하였으며 이를 보상하기 위한 방법으로서 주파수 영역 등화기 (frequency domain equalizer)를 제안 하였다. 주파수 영역 등화기로는 일반적인 단일 반송파 방식에서 사용되고 있는 등화기를 이용하였으며 본 논문에서는 주파수 영역 선형 등화기 (frequency domain linear equalizer, FDLE)와 주파수 영역 결정 귀환 등화기 (frequency domain decision feedback equalizer, FDDFE)를 사용하였다. 재안된 보상방법에 대하여는 심볼에러율(symbol error rate, SER)을 해석적으로 구하였으며 이를 컴퓨터 모의 실험을 통하여 확인하였다. 컴퓨터 모의실험 에서 얻어진 제안된 보상법의 성능을 이전의 방법과 비교한 결과, 이전 방법에 비하여 잡음증가에 대하여 향상된 성능을 얻을 수 있음을 확인 하였다. 특히 FDDFE의 경우에는 에러 floor가 전혀 나타나지 않음을 확인할 수 있었다.
둘째로 주파수 선택적 페이딩 채널의 경우에는, 복조된 OFDM 신호에 나타나는 왜곡 특성이 원 신호에 채널의 주파수 특성이 곱하여 지는 형태 (multiplicative distortion)임을 유도하였다. 또한 곱하여 지는 채널의 주파수 특성이 예측 가능한 것임을 보였다. 이러한 성질을 이용하여 복조된 OFDM 신호에 나타나는 신호왜곡값을 선형적으로 예측하여 (linear prediction)이를 신호왜곡의 보상에 이용하는 방식을 새로 제안하였다. 제안된 보상법은 차동 부호화 기법 (differential encoding)과 결합됨으로써 신호값 결정에서 발생할 수 있는 에러에 의한 에러 전파 (error propagation)를 피할 수 있도록 하였다. 제안된 보상법의 성능을 컴퓨터 모의 실험을 통하여 확인한 결과 이전의 방식들에서 나타나던, 도플러 주파수 확산의 증가에 따라 나타나던 에러 floor가 개선된 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로는 OFDM 통신방식의 응용분야로서 최근에 활발한 연구가 이루어지고 있는 HDTV 지상방송에의 적용을 위한 시스템 구성을 제안 하였다. 제안된 시스템은 미국의 HDTV 방송규격과 같은 대역폭 및 같은 전송 속도를 가지도록 설계되었다. 제안된 시스템에 대한 성능을 컴퓨터 모의실험으로 확인하였다. HDTV 지상방송에 적용하기 위한 OFDM 시스템의 구성조건을 실험결과를 통하여 확인할 수 있었으며 이를 통하여 HDTV 전송시스템으로서의 OFDM의 가능성을 확인할 수 있었다.
