Próbuję zrozumieć, w jaki sposób synchronizacja symboli odbywa się w OFDM przy użyciu sygnałów pilota, cyklicznych prefiksów lub dowolnej innej techniki.

Przeczytałem następujące odpowiedzi, które zawierają pewne wyjaśnienia, ale nadal nie rozumiem tego całkowicie.

Jak demodulować sygnał OFDM

Jak oszacować liczbę dotknięć potrzebnych do kolejnych algorytmów szacowania kanału?

Szczegółowe pytania:

1) Jak znajduje się sygnał pilota? Czym różni się od zwykłych danych na podnośnym? Jak można go użyć do określenia początku i końca symbolu?

2) Jeśli poprawnie rozumiem powyższe odpowiedzi, do znalezienia symbolu start / koniec można użyć cyklicznego prefiksu, ponieważ z pewnym opóźnieniem będzie on automatycznie korelował. Jednak przedrostek cykliczny istnieje w celu „wchłonięcia” ISI. Więc jeśli prefiks został zmungowany za pomocą ISI, to w jaki sposób ta autokorelacja może być skuteczna?

Jeśli chodzi o ogólne pytanie dotyczące tego, jak odbywa się sychronizacja symboli w systemach OFDM:

1. Jedną z najpopularniejszych i najczęściej stosowanych technik jest transmisja jednego lub kilku symboli pilotujących, które są znane w odbiorniku. Symbol pilotujący jest kompletnym symbolem OFDM, w którym wartość każdej podnośnej jest wstępnie zdefiniowana i znana w nadajniku i odbiorniku. Powtarzane jest z pewną szybkością, która zależy od szybkości zmiany kanału. Odebrany sygnał jest skorelowany z symbolem pilota w celu wykrycia początku symbolu OFDM. Można go również wykorzystać do oszacowania kanału. Schmidl i Cox wprowadzili w [1] technikę opartą na symbolu pilota, w której symbol pilota ma specjalną symetrię, dzięki czemu symbol pilota nie musi być znany w odbiorniku.

2. Jak zauważył Jason R w swoim komentarzu, chociaż nie jest to jego pierwotnym celem, cykliczny prefiks może być również użyty do synchronizacji symboli, ponieważ jest to znane powtórzenie pewnej części odebranego sygnału, który można wykryć przez autokorelację. Jest to szczególnie przydatne w przypadku szybko zmieniających się kanałów, ponieważ czas opóźnienia można aktualizować dla poszczególnych symboli. Ponadto nie dodaje żadnego dodatkowego obciążenia. Jest jednak bardziej wrażliwy na hałas [2] i prawdopodobnie również na ISI.
   Edycja: Maksymalne opóźnienie, które można wykryć tą metodą to długość jednego symbolu OFDM. Dlatego nadaje się tylko do dokładnej synchronizacji.

3. Istnieje kilka bardziej „egzotycznych” technik. W jednym z nich, na przykład, obliczana jest N-DFT (N = liczba podnośnych) przesuniętych w czasie wersji odbieranego sygnału. Jeśli zastosujesz DFT do niewłaściwego okna czasowego, powstały diagram konstelacji będzie bałaganem. Jeśli masz prawidłowe okno czasowe, digaram konstelacji pokazuje wyraźne punkty konstelacji. Można to wykryć, obliczając standardowe odchylenie wyjścia DFT. Ta metoda wiąże się z wysokimi kosztami obliczeniowymi.

W odniesieniu do konkretnych pytań

Jak można znaleźć sygnał pilota? Czym różni się od zwykłych danych na podnośnym? Jak można go użyć do określenia początku i końca symbolu?

Po zsynchronizowaniu odebranego sygnału tony pilota znajdują się we wstępnie zdefiniowanych przedziałach DFT. Podczas projektowania systemu ustalona jest lokalizacja tonów pilota w widmie. Istnieją bardziej złożone schematy, w których lokalizacja tonów pilotowych zmienia się zgodnie ze wstępnie zdefiniowanym wzorem, aby uzyskać dobre przybliżenie kanału zarówno w dziedzinie częstotliwości, jak i czasu. Tony pilotowe nie mogą być użyte do synchronizacji, ponieważ odebrany sygnał musi najpierw zostać zsynchronizowany, zanim będzie można wyodrębnić tony pilotowe w dziedzinie częstotliwości. Załóżmy, że użyto niewłaściwego okna czasowego: ortogonalność podnośnych zostanie utracona, a wynikiem DFT jest pewna mieszanka dwóch kolejnych symboli OFDM. Jest to efekt nieliniowy i symboli pilotujących nie można wyodrębnić z tej mieszaniny. Sygnały pilotowe są wykorzystywane do oszacowania kanału, a czasem do ograniczenia szumów fazowych.
Edycja: Jak zauważył Jim Clay w swoich komentarzach, dokładna synchronizacja za pomocą tonów pilotowych jest możliwa, jeśli znana jest zgrubna wartość opóźnienia, a opóźnienie resztkowe nie przekracza długości cyklicznego prefiksu.

Jeśli dobrze rozumiem powyższe odpowiedzi, można użyć cyklicznego prefiksu, aby znaleźć symbol start / koniec, ponieważ będzie on automatycznie korelował z pewnym opóźnieniem. Jednak przedrostek cykliczny istnieje w celu „wchłonięcia” ISI. Więc jeśli prefiks został zmungowany za pomocą ISI, to w jaki sposób ta autokorelacja może być skuteczna?

Podobnie jak wszystkie techniki synchronizacji, ta metoda będzie cierpiała z powodu szumów i rozproszenia kanałów, a zatem będzie działać tylko do pewnego stopnia z wyżej wymienionych efektów. Określenie, w jakim stopniu dokładnie nadal działa, wymagałoby dokładnych badań, które ktoś z pewnością już zrobił.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , „Solidna synchronizacja częstotliwości i czasu dla OFDM”, Komunikacja, Transakcje IEEE, vol. 45, nr 12, s. 1613–1621, grudzień 1997 r.

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M .; Borjesson, PO; , „Szacowanie ML przesunięcia czasu i częstotliwości w systemach OFDM”, Przetwarzanie sygnałów, Transakcje IEEE, vol. 45, nr 7, str. 1800-1805, lipiec 1997

How is a pilot tone found?

Lokalizacja tonów pilotowych pod względem podnośnych jest określona przez protokół sygnałowy. Na przykład, w przypadku 802.11a podnośnymi pilotującymi są -21, -7, 7 i 21.

What makes it different than the regular data on a sub-carrier?

Różni się tym, że odbiornik dokładnie wie, co zawiera ton pilota. Nie ma innej niepewności niż szum i zniekształcenie spowodowane przesunięciem nośnej, przesunięciem symbolu (taktowania), efektami kanału (np. Wiele ścieżek) itp.

How can it be used to determine symbol starts and ends?

Przesunięcia kołowe (czasami nazywane przesunięciami „beczkowymi”) powodują przesunięcia fazowe w FFT. Cykliczny prefiks poprzedza koniec symbolu dokładnie w tym celu, aby przesunięcie czasowe było przesunięciem kołowym. Zatem, gdy wykonywane jest odwrotne FFT, każde przesunięcie czasowe spowoduje przesunięcie fazowe we wszystkich kanałach. Ponieważ wiemy dokładnie, jakie powinny być tony pilota, przesunięcie fazowe (które odpowiada przesunięciu czasowemu w oryginalnym symbolu) można wykryć i skorygować.

If I understand the answers above correctly, a cyclic prefix can be used to find the
symbol start/end because it will auto-correlate with some delay.

Ponownie, nie jest to kwestia autokorelacji, jest to, że odwrotna FFT przekształca przesunięcie czasowe w przesunięcie fazowe, które możemy wykorzystać do wykrycia kanałów pilotowych.

However, the cyclic-prefix exists in order to "absorb" ISI. So if the prefix has been
munged with ISI, then how can this auto-correlation be successful?

Bez wielu ścieżek nie ma ISI z sygnałami OFDM. Jedynym ISI, o który muszą się martwić, jest opóźniony sygnał wielościeżkowy, który zakłóca sygnał pierwotny. Celowo powodują, że cykliczny prefiks jest dłuższy niż jakiekolwiek „normalne” opóźnienie wielościeżkowe, więc prawie zawsze istnieje nienaruszona wartość nienaruszonych danych FFT.

Synchronizacja jest ważnym zadaniem w praktycznych systemach komunikacyjnych, ale nie jest bezpośrednio związana z teorią OFDM.

Synchronizacja ramek

Praktyczne systemy komunikacyjne (takie jak IEEE 802.11 lub 802.3) wymieniają tak zwane ramki, które składają się z kilku pól, które z kolei realizują różne, specyficzne zadania. Zazwyczaj pierwsze pole ramki jest tak zwaną preambułą, która ma jedynie cel

• wykrywanie nadchodzących ramek,
• synchronizacja odbiornika z nadajnikiem,
• wykonywanie automatycznej korekcji wzmocnienia (AGC) w odbiorniku (wymagane w systemach komunikacji bezprzewodowej).

Preambuła zazwyczaj składa się z sekwencji Barkera, która jest kodem binarnym z minimalną autokorelacją poza szczytem. Ten kod niekoniecznie musi być modulowany OFDM, ale może być modulowany BPSK na pojedynczej nośnej w dostępnym paśmie częstotliwości. Odbiornik stosuje dopasowany filtr do przychodzącego strumienia próbek. Jeśli wyjście dopasowanego filtra przekracza określony próg, bardzo prawdopodobne jest, że wykrył przychodzącą preambułę. Ponieważ współczynniki autokorelacji poza szczytem kodu Barkera są minimalne, szczyt wyjściowego dopasowanego filtra zapewnia informacje wymagane do wyrównania kolejnych pól ramki z FFT odbiornika.

Sekwencja treningowa

Po preambule następne pole ramki jest zwykle jakąś sekwencją treningową OFDM . Głównym celem sekwencji treningowych jest oszacowanie współczynników kanałowych poszczególnych podnośnych, a nie synchronizacja. Niektóre protokoły rozróżniają również długie i krótkie sekwencje treningowe, natomiast długą sekwencję treningową można znaleźć bezpośrednio po rozłożeniu preambuły, a krótkie sekwencje treningowe rozłożone są w pozostałej części ramki. Ogólnie odbiorca wie z góry

• pozycje sekwencji treningowych w ramce i
• wartości symboli pilota zawartych w sekwencjach treningowych.

Ponieważ współczynniki kanału mogą się zmieniać w czasie z powodu ruchliwości węzłów i przeszkód w środowisku, należy je ponownie oszacować w ramach tak zwanego czasu koherencji, który osiąga się za pomocą krótkich sekwencji szkoleniowych (tj. Symboli pilotujących) między ładunkiem OFDM symbolika. Czas koherencji można aproksymować jako odwrotność maksymalnego rozproszenia Dopplera. Ponadto, w niektórych protokołach, sekwencje treningowe są przesyłane tylko na kilku równomiernie rozmieszczonych podnośnych, podczas gdy wszystkie inne podnośne pomiędzy nimi kontynuują transmisje ładunku. Działa to, ponieważ współczynniki kanału sąsiednich podnośnych są ze sobą skorelowane. Szerokość pasma koherencji zanikającego kanału można oszacować jako odwrotność rozproszenia opóźnienia kanału.

Należy również zauważyć, że w praktycznych systemach symbole pilota mogą być również wykorzystywane do innych celów, takich jak oszacowanie SNR poszczególnych podnośnych lub wykonanie oszacowania przesunięcia częstotliwości nośnej (patrz poniżej).

Cykliczny prefiks

Głównym celem cyklicznego prefiksu wstawionego między kolejnymi symbolami OFDM jest ograniczenie ISI (interferencja między symbolami) i ICI (interferencja między nośnymi), a nie synchronizacja lub określenie początku lub końca symbolu.

Łagodzenie ISI

Ze względu na propagację wielościeżkową, wiele kopii transmitowanego przebiegu dociera do odbiornika w różnych momentach czasowych. Dlatego też, jeśli pomiędzy kolejnymi symbolami OFDM nie było przestrzeni ochronnej, transmitowany symbol OFDM może nakładać się z kolejnym symbolem OFDM w odbiorniku, powodując ISI. Wstawienie spacji między kolejnymi symbolami OFDM w dziedzinie czasu łagodzi ten efekt. Jeśli przestrzeń ochronna jest większa niż maksymalne rozproszenie opóźnienia kanału, wszystkie kopie wielościeżkowe docierają do przestrzeni ochronnej, pozostawiając niezmieniony kolejny symbol OFDM. Zauważ, że przestrzeń ochronna może również zawierać zera, aby złagodzić efekt ISI. W rzeczywistości żadna cykliczna prefiks nie jest wymagana w przestrzeni ochronnej w żadnej technice komunikacji cyfrowej, aby złagodzić efekt ISI.

Łagodzenie ICI

W OFDM spacje ochronne są wypełniane cyklicznym prefiksem w celu utrzymania ortogonalności między podnośnymi pod warunkiem, że wiele opóźnionych kopii dotrze do odbiornika z powodu propagacji wielościeżkowej. Gdyby przestrzeń ochronna była faktycznie wypełniona zerami w nadajniku, wiele kopii przybywających do odbiornika byłoby nieortogonalnych (tj. W jakiś sposób skorelowanych) ze sobą, powodując ICI.

Przesunięcie częstotliwości nośnej (CFO) i hałas fazowy

W praktycznych systemach oscylatory częstotliwości nadajnika i odbiornika mają zwykle niewielkie przesunięcie częstotliwości, co powoduje przesunięcie fazowe w czasie. Ponadto gęstość widmowa mocy praktycznego oscylatora nie jest idealną funkcją delta, co powoduje szum fazowy. Szum fazowy powoduje ciągłą zmianę dyrektora finansowego, co powoduje zmianę prędkości i kierunku dryfu fazowego. Istnieją różne techniki resynchronizacji odbiornika z odbieranym sygnałem, tj. Do śledzenia fazy sygnału przychodzącego. Techniki te mogą dodatkowo wykorzystywać obecność symboli pilotujących w sygnale i / lub stosować ślepe techniki szacowania i korelacji.

Utrzymuję również platformę OFDM typu open source dla programowych radiotelefonów, która obejmuje techniki opisane powyżej w kodzie Matlab.

Z grubsza podsumowując doskonałe odpowiedzi Deve & Jim Clay:

Synchronizacja symboli składa się z dwóch różnych zadań - zgrubnej synchronizacji symboli, w której granice symboli są przybliżone, oraz dokładnej synchronizacji symboli, w której synchronizacja zgrubna jest nieco dostosowana. Często dokładna synchronizacja jest mniej intensywna obliczeniowo i dlatego może być wykonywana częściej, aby dostosować się do zmian w kanale.

Symbole pilotujące, które są specjalnymi predefiniowanymi symbolami znanymi nadajnikowi i odbiornikowi, mogą być używane do zgrubnej synchronizacji poprzez wyszukiwanie symbolu w dziedzinie czasu („autokorelacja”)

Faza podnośnej powinna zmieniać się w przewidywalny sposób z jednego okna do drugiego. Na przykład w BPSK faza powinna znajdować się w odległości 0 lub pi radianów od oczekiwanej wartości z jednego okna do drugiego. Próbując różnych pozycji okna i testując wiele podnośnych (dla lepszej odporności na szum), można osiągnąć zgrubną synchronizację symboli. To jest „egzotyczna” metoda.

Cykliczne prefiksy, które są kontynuacją symbolu, który jest prefiksowany na początku, mogą być użyte do dokładnej korelacji poprzez autokorelację.

Dźwięki pilota to określone podnośne, które są wybierane z wyprzedzeniem. Niosą określony powtarzalny wzór. Służą do oszacowania kanału, a dodatkowo mogą służyć do dokładnej synchronizacji.