Digital implementation ETSI OFDM symbol synchronizer based on sliding correlation

Abstract

ÖZET Bu tez Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü (ETSI), Fiziksel Katman tarifinde açıklanan STS (Short Training Symbols - STS) sembollerini kullanarak OFDM sembol senkronizasyonunu gerçekleyen bir sayısal devrenin tasarımı, uygulanması, sınanması ve sentezlenmesi aşamalarından oluşmuştur. Tasarlanan ETSI OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Sembol Senkronizasyon devresi, Virtual Silicon Technology (VST) Standart Hücre Kütüphaneleri kullanılarak 0.13 um sayısal CMOS teknolojisinde sentezlenmiştir. Bu tezde, öncelikle OFDM ve OFDM sistemleri detaylı olarak açıklanmıştır. OFDM sistemlerinde karşılaşılan senkronizasyon problemleri sımflandırılarak, bu problemlerin çözümünde kullanılan senkronizasyon teknikleri sunulmuştur. Bunların ardından, alıcıya gelen sembollerin korelasyonuna dayalı OFDM senkronizasyon işlemini gerçekleştiren ETSI OFDM Sembol Senkronizasyon devresi önerilmiştir. Önerilen mimari, tezin uygulama bölümünde VHDL (Çok Yüksek Hızlı Entegre Devre Donanım Tanımlama Dili) kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu devre ilk önce işlevsel olarak sınanmış, ardından 0.13 um sayısal CMOS teknolojisinde sentezlenmiştir. Devrenin sentezi sonrasında,kapı düzeyinde işlevselliği yeniden test edilmiştir. Diğer haberleşme sistemlerinde olduğu gibi, senkronizasyon, OFDM sistemlerinde de çözümlenmesi gereken kritik bir sorundur. OFDM senkronizasyon hatalarına çok duyarlı bir yapıya sahiptir. Bir OFDM alıcısı, OFDM alt-taşıyıcılarmı demodüle etmeden önce, en azından iki senkronizasyon işlevini yerine getirmek zorundadır: İlki, alıcıya gelen OFDM sembol sınırlarım, bir başka deyimle OFDM sembolünün ne zaman başladığım tespit etmek zorundadır. İkincisi, alman sinyaldeki taşıyıcı frekans ofsetini ve alıcı ve verici arası saat ofsetini tahmin etmeli ve düzeltmelidir. Zira, herhangi bir ofset taşıyıcılar arası ve semboller arası girişime neden olmaktadır. vıBu çalışma, OFDM ve OFDM sistemlerindeki senkronizasyon olgularını ele almayı ve yukarıda bahsedilen ilk senkronizasyon işlevi olan, alıcıda OFDM sembollerinin saptamasını gerçekleyen bir sayısal sembol senkronizasyon devresi tasarlamayı hedeflemektedir. ETSI OFDM Sembol Senkronizasyon devresinin uygulamasında ETSI HiperLAN/2 Standardı, tüm parametreler için referans olarak alınmıştır. ETSI standardında, OFDM alıcısının örnekleme frekansı 20 MHz olmasına karşın, tasarlanan devre 50 MHz hıza kadar çalışabilmektedir. Devre, ETSI standardında örnekleme frekansında ileride meydana gelebilecek değişikliği, 50 MHz hıza kadar destekleyebilir. Jenerik olarak tasarlanan ETSI OFDM STS Sembol Senkronizasyon devresi, diğer modüllerle kolaylıkla birleştirilip, ETSI OFDM alıcılarında tüm senkronizasyonu sağlayan bloğun bir parçası olarak kullanılabilir. vn

ABSTRACT This thesis presents the design, implementation, verification and synthesis of a digital hardware, which performs OFDM symbol synchronization using short training symbols (STS) defined in European Telecommunications Standards Institute (ETSI) HiperLan/2 Physical Layer specifications. Designed ETSI OFDM Symbol Synchronizer IP was synthesized in CMOS 0.13[xm technology using Virtual Silicon Technology (VST) Standard Cell Libraries. In this thesis, we first explain OFDM and OFDM systems in detail. Synchronization problems occurring in OFDM systems are classified and techniques used to overcome these problems are presented. Then a digital ETSI OFDM Symbol Synchronizer IP, which performs OFDM symbol synchronization task based on the correlation of the received symbols, is proposed. Proposed architecture has been designed using VHDL (VHSIC Hardware Description Language) in the implementation part of the thesis. Designed IP has been verified functionally first, then synthesized in CMOS 0.13pun technology. Gate-level verification has been also performed after synthesis of the IP. Like other communication systems, synchronization is a critical problem to be solved in OFDM systems. One of the arguments against OFDM is that it is highly sensitive to synchronization errors. Before an OFDM receiver can demodulate the sub- carriers, it has to perform at least two synchronization tasks: First, it has to find out where the symbol boundaries are. Second, it has to estimate and correct the carrier frequency offset of the received signal and clock offset between transmitter and receiver because any offset introduces Inter-carrier interference QCT) and Inter-symbol interference (ISI). This work aims to review OFDM and synchronization issues in OFDM systems and to design a digital symbol synchronizer hardware that performs the detection of OFDM symbols, which is the first synchronization task mentioned above. IVETSI HiperLAN/2 standard has been used in this work as the reference for all parameters needed and used in the hardware implementation of ETSI OFDM Symbol Synchronizer. Although the needed sampling frequency of OFDM receiver is 20 MHz in the ETSI standards, the designed IP can be run up to 50 MHz. It can be easily adapted to any changes in the standard, such as the increase in speed. The generically designed ETSI OFDM STS Symbol Synchronizer IP can be integrated to other modules easily and used as part of the whole synchronizer block in ETSI OFDM receivers.