desempenho de algoritmos para estimação de parâmetros de sincronização em sistemas ofdm

105 Pages·2006·1.07 MB·Portuguese

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
JOÃO TERÊNCIO DIAS
DESEMPENHO DE ALGORITMOS PARA ESTIMAÇÃO DE
PARÂMETROS DE SINCRONIZAÇÃO EM SISTEMAS OFDM
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de
Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de
Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof Ernesto Leite Pinto – DC.
Co-orientador: Maj. Juraci Ferreira Galdino – DC
Rio de Janeiro
2006
1
c2006
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270
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orientador (es).
D 538 Dias, João Terêncio
Desempenho de algoritmos de estimação de parâmetros de
sincronização em sistemas OFDM / João Terêncio Dias. – Rio
de Janeiro : Instituto Militar de Engenharia, 2006.
105 p. : il., graf., tab.
Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de Engenharia –
Rio de Janeiro, 2006.
1. Comunicação digital. 2. Sincronização de sistemas OFDM
3. Algoritmos, desempenho.
CDD 621.382

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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
JOÃO TERÊNCIO DIAS
DESEMPENHO DE ALGORITMOS DE ESTIMAÇÃO DE PARÂMETROS DE
SINCRONIZAÇÃO EM SISTEMAS OFDM
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do
Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do titulo de Mestre em
Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Ernesto Leite Pinto – DC.
Co-orientador: Maj. Juraci Ferreira Galdino – DC.
Aprovada em 03 de abril de 2006 pela seguinte Banca Examinadora:
______________________________________________________________
Prof. Ernesto Leite Pinto – D.C. do IME – Presidente
______________________________________________________________
Maj. Juraci Ferreira Galdino – D.C. do IME
______________________________________________________________
Maj. Alberto Gaspar Guimarães – D.C. do IME
______________________________________________________________
Prof. Pedro Henrique Gouvea Coelho – D.C. da UERJ
Rio de Janeiro
2006
3
A Deus, a Santa Clara, a minha mãe Maria Úrsula,
aos meus irmãos e a minha filha Emily.
4
AGRADECIMENTOS
Deixo meus agradecimentos a todos aqueles que indiretamente ou diretamente
contribuíram para a confecção deste trabalho, em especial:
Ao professor Ernesto por sua orientação, dedicação e todos os conhecimentos
transmitidos.
Ao major Galdino pela sua colaboração e orientação.
Aos demais professores do Departamento de Engenharia Elétrica do IME pelo incentivo e
conhecimentos ministrados.
Aos companheiros e amigos do Laboratório de Comunicações Digitais que me apoiaram
nos momentos difíceis, dentre os quais gostaria de destacar o major Dirceu pelas valiosas
contribuições na busca de correções e otimizações nos algoritmos implementados.
Ao IME e a FAETEC, pelo fornecimento dos meios necessários para que este trabalho
pudesse ser realizado com sucesso.
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SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.......................................................................................................8
LISTA DE TABELAS..............................................................................................................15
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS.........................................................................16
LISTA DE SIGLAS..................................................................................................................17
1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................21
2 DESCRIÇÃO DA TÉCNICA OFDM.......................................................................23
2.1 Fundamentos...................................................................................................................23
2.2 Modelo do sistema..........................................................................................................25
2.2.1 Modulador de demodulador OFDM................................................................................26
2.3 Determinação dos parâmetros.........................................................................................28
3 SINCRONIZAÇÃO EM SISTEMAS OFDM...........................................................31
3.1 Sensibilidade do sinal OFDM a falhas de sincronização................................................31
3.2 Sincronização de início de símbolo OFDM....................................................................32
3.3 Sincronização de freqüência de portadora......................................................................33
3.4 Sincronização de intervalo de amostragem.....................................................................34
4 DESCRIÇÃO DOS ALGORITMOS DE SINCRONIZAÇÃO................................36
4.1 Estimação de parâmetros de sincronização no domínio de tempo..................................36
4.1.1 Estimação de início de símbolo......................................................................................37
4.1.2 Estimação de desvio de freqüência.................................................................................47
4.2 Estimação de Parâmetros de sincronização no domínio da freqüência......... .................49
4.2.1 Estimação de início de símbolo......................................................................................50
4.2.2 Estimação de desvio de freqüência.................................................................................51
6
5 AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DOS ALGORITMOS DE SINCRONIZAÇÃO
5.1 Descrição do método de avaliação..................................................................................54
5.1.1 Modelo de canal utilizado...............................................................................................56
5.2 Desempenho em canais AWGN.....................................................................................57
5.2.1 Média do erro da estimação............................................................................................65
5.2.2 Erro médio quadrático da estimação...............................................................................69
5.2.3 Taxa de erro de bit...........................................................................................................71
5.3 Desempenho em canais WSSUS.....................................................................................75
5.3.1 Média do erro da estimação............................................................................................81
5.3.2 Erro médio quadrático da estimação...............................................................................83
5.3.3 Taxa de erro de bit.......................................................... ................................................87
5.4 Complexidade computacional.........................................................................................90
6 CONCLUSÃO...............................................................................................................94
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................97
8 APÊNDICES................................................................................................................100
8.1 Testes de validação do Simulador OFDM em canais AWGN......................................101
8.2 Testes de validação do Simulador OFDM sujeito ao modelo de canal WSSUS
adotado..........................................................................................................................102
7
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG.2.1 Características de um sinal OFDM, nos domínios do tempo e da freqüência..........24
FIG.2.2 Canal seletivo em freqüência com sub-canais planos...............................................25
FIG.2.3 Diagrama em blocos simplificado do sistema de comunicação investigado. ..........25
FIG.2.4 Diagrama em blocos do modulador OFDM..............................................................26
FIG.2.5 Diagrama em blocos do demodulador OFDM..........................................................27
FIG.3.1 Cenário de estimação de início de símbolo considerando o retardo do canal............32
FIG.3.2 Efeito do desvio na freqüência de amostragem sobre as sub-portadoras OFDM......34
FIG.4.1 Estrutura do preâmbulo do algoritmo A...................................................................37
FIG.4.2 Curva de correlação do algoritmo A com a unidade de tempo dada pelo intervalo de
amostragem...............................................................................................................38
FIG.4.3 Detalhe do platô do algoritmo A...............................................................................39
FIG.4.4 Simetria da curva de correlação do algoritmo A.......................................................40
FIG.4.5 Curva de correlação do algoritmo C com a unidade de tempo dada pelo intervalo de
amostragem...............................................................................................................40
FIG.4.6 Estrutura do preâmbulo do algoritmo D...................................................................41
FIG.4.7 Curva de correlação do algoritmo D com a unidade de tempo dada pelo intervalo de
8
amostragem...............................................................................................................42
FIG.4.8 Estrutura do preâmbulo do algoritmo E....................................................................43
FIG.4.9 Função de correlação típica do algoritmo E ............................................................44
FIG.4.10 Estrutura do preâmbulo do algoritmo F...................................................................45
FIG.4.11 Curva de correlação do algoritmo F.........................................................................45
FIG.4.12 Estrutura do preâmbulo do algoritmo G...................................................................46
FIG.4.13 Curva de correlação do algoritmo G.........................................................................47
FIG.4.14 Fase do sinal recebido, com os sub-símbolos elevados à quarta potência, sem erro
de sincronização da janela da FFT e com atraso de um sub-símbolo na sincronização
da janela da FFT........................................................................................................51
FIG.4.15 Fase do sinal recebido, com os sub-símbolos elevados à quarta potência, quando há
desvio de freqüência quando temos um desvio de 1 ppm na freqüência da
portadora..................................................................................................................52
FIG.5.1 Diagrama em blocos do Sistema OFDM com algoritmos de sincronização que
operam no domínio do tempo..................................................................................54
FIG.5.2 Estrutura do bloco transmitido..................................................................................55
FIG.5.3 (a) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do algoritmo A em
canal AWGN. (b) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do
algoritmo B em canal AWGN..................................................................................58
9
FIG.5.4 (a) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do algoritmo C em
canal AWGN. (b) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do
algoritmo G em canal AWGN.................................................................................59
FIG.5.5 (a) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do algoritmo D em
canal AWGN. (b) Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do
algoritmo E em canal AWGN.................................................................................60
FIG.5.6 Histogramas dos erros das estimações de início de símbolo do algoritmo F em canal
AWGN.....................................................................................................................61
FIG.5.7 (a) Histogramas dos erros das estimações de desvio de freqüência do algoritmo A
em canal AWGN. (b) Histogramas dos erros das estimações de desvio de freqüência
do algoritmo D em canal AWGN.............................................................................62
FIG.5.8 (a) Histogramas dos erros das estimações de desvio de freqüência do algoritmo E
em canal AWGN. (b) Histogramas dos erros das estimações de desvio de freqüência
do algoritmo F em canal AWGN.............................................................................63
FIG.5.9 Histogramas dos erros das estimações de desvio de freqüência do algoritmo G em
canal AWGN.............................................................................................................64
FIG.5.10 Média do erro de estimação de início de símbolo, normalizada em relação ao
período de amostragem X Eb/No, para N=256 e Ng= 32, em canal AWGN..........65
10