Residual carrier frequency offset and symbol timing offset in narrow-band OFDM modulation

Abstract

Orthogonal frequency-division multiplexing is used as a modulation method in many wireless communications standards. It is robust against signal distortion in multipath fading channel and timing synchronization errors. With the emerge of the concept of Internet of Things, the modulation is required to work with low received signal power and discontinuous reception. Frequency synchronization needs to be accurately attained to suppress self-inflicted interference and standard requirements are met.

The OFDM modulation scheme is presented in detail and a signal model is derived to show the effect of timing and frequency synchronization errors. Three schemes for estimating these errors are implemented and studied. Simulations are carried out to compare the mean squared error of the estimators against each other and a theoretical Cramer-Rao lower bound.

Ortogonaalista taajuusjako multipleksointia käytetään modulaatiomenetelmänä monissa langattomissa tiedonsiirto standardeissa. Sen hyötynä on kyky sietää monitiehäipyvää kanavaa ja ajoitusvirheitä. Esineiden Internet asettaa modulaatio menetelmää käyttäville laitteille uusia haasteita, sillä niiden täytyy sietää alhaista vastaanotetun signaalin tehoa ja tiedonsiirto on epäjatkuvaa.

Tarkka taajuussynkronointi on välttämätöntä, jotta ei synny itse aiheutettua häiriötä ja pysytään standardin asettamissa rajoissa. Työssä esitellään OFDM modulaatiomenetelmä ja johdetaan signaalimalli kuvaamaan ajoitus- ja taajuussynkronointivirheiden vaikutus. Virheiden estimointiin kehitetään kolme eri menetelmää. Estimaattorien suorituskykyä verrataan simulointien avulla. Estimaattorien neliöllistä keskivirhettä verrataan keskenään, sekä Cramerin-Raon alarajaan.