In this thesis, a blind symbol timing synchronization algorithm based on cyclic prefix for OFDM systems in multipath fading channels is proposed. It finds the starting point of symbol timing for using appropriate weights which are designed from channel delay spread characteristics. In multipath fading channels, the conventional ML (maximum likelihood) algorithm estimate is biased and has a large variance due to the effect of channel delay spread. The proposed exponential weighting methods not only solve the above problems but also improve the accuracy of symbol timing. Particularly, the proposed method does not require the information of SNR and channel length. From computer simulation results, the proposed method outperforms the other conventional algorithms and is also robust against the effect of multipath fading channels.

Nowadays the technologies of communication are widely developing due to the huge requirements in the world, such as asymmetric digital subscriber line (ADSL), wireless fidelity (Wi-Fi), and high definition television (HDTV). We are seeking for high performance and quality communication schemes. The scheme of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) catches everyone's eyes due to the advantages of the OFDM. Not only high bit rate in the long haul transmission but also reconfigurable network is the charming contention, and the penalties are reduced by the cyclic prefix which can reduce the inter-symbol interference (ISI). In this thesis, I will introduce the demand for optical fiber communications, then, interpret the motivation and the organizations in a nutshell. Next, the theoretical studies will be discussed, including mathematical formulations and basic theories of one tap equalizer, a cyclic prefix, a training symbol synchronization, and a discrete multitone (DMT) modulation. In addition, the experimental setups are successfully constructed and used for verifying the impact of one tap equalizer and the training symbol synchronization. Also, the performance of the systems are measured. Finally, the thesis is concluded.

In this thesis, we considered the problem of frame synchronization and channel estimation in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems. Since framing error may cause severe ISI and may disturb the orthogonality of the subcarriers, frame synchronization must be accomplished at the OFDM receiver. Furthermore, the effects of channel must be compensated to obtain the symbols accurately. We investigated several frame synchronization algorithms including a maximum likelihood (ML) synchronizer which relies on the periodicity induced in the OFDM structure, and a robust synchronizer which uses a special training symbol. These algorithms are evaluated in AWGN and Rayleigh fading multipath channels and performances are compared in terms of percentage of ISI-free synchronization, mean squared error and symbol error rate. The IEEE 802.11a framework is used to compare these algorithms with the standard system which utilizes training symbols dedicated for synchronization. It is shown that an adjustment for the frame start estimates must be done to avoid the effects of the channel delay spread. It is also pointed that ideal synchronization is not necessary unless symbol boundaries are detected inside an ISI-free region and the error aroused in ISI-free synchronization can be compensated by applying channel estimation and equalization regarding the same symbol boundaries.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis describes the design and implementation of a software based QPSK demodulator with a demodulation speed of 100 Mbps. The objective of the thesis was to identify a topology for the QPSK demodulator that would allow for high data rates and the design of the synchronization algorithms for carrier and symbol recovery. The QPSK demodulator was implemented on an Altera Stratix II field programmable gate array (FPGA), which does complex I and Q sampling on a down converted 720 MHz QPSK signal. The I and Q down converted baseband signals are sent through matched filters which are implemented with discrete components to maximize the signal to noise ratio of the received rectangular baseband pulses. A 1 GSPS direct digital synthesizer (DDS) is used to generate the synchronous clock for the analog to digital converters which samples the matched filter outputs. The demodulator uses two samples per symbol to demodulate the QPSK signal. A dual locking system is implemented to have a wide pre-locking filter for symbol synchronization and a narrow band post-lock filter to minimize the loop noise. A symbol lock detection algorithm decides when the symbol recovery loop is locked and switches between the loop filters. A second 1 GSPS DDS output is mixed with a local oscillator to generate the 1.44 GHz LO signal for the quadrature down conversion. The carrier recovery loop uses a numerically controlled oscillator inside the FPGA for initial carrier acquisition which allows for very wide locking bandwidth. After lock is achieved, the external carrier recovery loop takes over and removes any frequency offset in the complex baseband signal by changing the frequency of the DDS. A QPSK modulator was also developed to provide a QPSK signal with known data. The modulator can generate any constellation diagram up to 256 points. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis bespreek die ontwerp en implementasie van ’n sagteware gebaseerde QPSK demodulator met ’n demodulasie spoed van 100 Mbps. Die doelstelling is om ’n topologie te identifiseer vir ’n QPSK demodulator wat ’n hoë datatempo sal toelaat en ook om sinkronisasie algoritmes te ontwikkel vir draer en simbool herkenning. Die QPSK demodulator is geïmplimenteer op ’n Stratix II FPGA van Altera wat kompleks basisband monstering doen op infase en kwadratuur basisband seine. Die basisband seine word gegenereer van ’n 720 MHz QPSK sein met ’n kwadratuur menger wiese uittrees deur puls passende filters gestuur word om die sein tot ruis verhouding te maksimeer. ’n Een gigamonster per sekonde direk digitale sintetiseerder (DDS) is gebruik om die klok vir die analoog na digitaal omsetters te genereer vir sinkrone monstering van die pulse passende filter uittrees. Die demodulator gebruik twee monsters per simbool om ’n QPSK sein te demoduleer. ’n Tweevoudige sluit algoritme word gebruik vir die simbool sinkronisasie waar ’n wyeband filter die inisiële sluit funksie verrig en dan word daar oorgeslaan na ’n nouband filter vir fase volging wat die ruis in die terugvoerlus verminder. Daar is ’n simbool sluit detektor wat identifiseer wanneer die simbool beheerlus gesluit is en selekteer dan die gepaste filter. ’n Tweede DDS en ’n sintetiseerder se uittrees word gemeng om ’n 1.44 GHz draer te genereer vir kohurente frekwensie translasie in die kwadratuur menger. Die draer sinkronisasie gebruik ’n numeries beheerbare ossilator vir die inisiële frekwensie en fase sluit wat baie vinnig geimplenteer kan word omdat dit alles in sagteware binne in die FPGA gebeur. Na die interne draer beheerlus gesluit is, neem die eksterne beheerlus oor om enige fase of frekwensie afsette in die kompleks basisband seine van die kwadratuur menger te verwyder deur die frekwensie van die draer DDS te beheer. ’n QPSK modulator is ook ontwikkel om verwysings data te genereer. Enige konstelasie vorm tot 256 punte kan geimplementeer word.

Approved for public release, distribution is unlimited / Synchronization of orthogonal frequency-division multiplexed (OFDM) signals is significantly more difficult than synchronization of a single-carrier system. The recently approved IEEE Standard 802.11g specifies a packet-based OFDM system that provides a basis for the discussion of OFDM synchronization in a packet-based environment. Algorithms that synchronize the receiver carrier demodulation frequency and phase, the data frame, the OFDM symbol timing, and the data symbol timing are discussed and analyzed in an AWGN channel. System View simulation is used to implement the frame and carrier frequency synchronization algorithms, where the performance of these algorithms is analyzed and they are shown to be useful detection algorithms for Standard 802.11g signal reception. / Lieutenant Commander, United States Navy

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.