Я пытаюсь понять, как выполняется синхронизация символов в OFDM с использованием контрольных сигналов, циклических префиксов или любого другого метода.

Я прочитал следующие ответы, которые дают некоторые объяснения, но я до сих пор не совсем понимаю.

Как демодулировать сигнал OFDM

Как оценить количество отводов, необходимое для последующих алгоритмов оценки канала?

Конкретные вопросы:

1) Как найти пилотный сигнал? Чем он отличается от обычных данных на поднесущей? Как это можно использовать для определения начала и конца символа?

2) Если я правильно понимаю ответы выше, можно использовать циклический префикс для поиска символа начала / конца, потому что он будет автоматически коррелировать с некоторой задержкой. Однако циклический префикс существует для того, чтобы «поглощать» ISI. Итак, если префикс был обработан ISI, то как эта автокорреляция может быть успешной?

Что касается вашего общего вопроса о том, как выполняется синхронизация символов в системах OFDM:

1. Одним из наиболее популярных и часто используемых методов является передача одного или нескольких контрольных символов , которые известны в приемнике. Пилот-символ является полным символом OFDM, где значение каждой поднесущей предопределено и известно в передатчике и приемнике. Это повторяется с определенной скоростью, которая зависит от того, насколько быстро изменяется канал. Принятый сигнал коррелируется с символом пилот-сигнала для обнаружения начала символа OFDM. Это также может быть использовано для оценки канала. Шмидл и Кокс ввели в [1] методику, основанную на символе пилот-сигнала, где символ пилот-сигнала имеет особую симметрию, так что символ пилот-сигнала не должен быть известен в приемнике.

2. Как отметил Джейсон R в своем комментарии, хотя это не является его первоначальным назначением, циклический префикс также может использоваться для синхронизации символов, потому что это известное повторение некоторой части принятого сигнала, которая может быть обнаружена посредством автокорреляции. Это особенно хорошо подходит для быстро меняющихся каналов, потому что время задержки может обновляться для каждого символа. Кроме того, это не добавляет дополнительных накладных расходов. Однако он более чувствителен к шуму [2] и, вероятно, также к ISI.
   Редактировать: максимальная задержка, которая может быть обнаружена этим методом, равна длине одного символа OFDM. Поэтому он подходит только для точной синхронизации.

3. Есть еще несколько «экзотических» техник. В одной из них, например, вычисляется N-DFT (N = количество поднесущих) сдвинутых во времени версий принятого сигнала. Если вы примените DFT к неправильному временному окну, полученная диаграмма созвездия будет беспорядочной. Если вы получили правильное временное окно, дигарам констелляции показывает различные точки созвездия. Это можно обнаружить, рассчитав стандартное отклонение выхода DFT. Этот метод подразумевает высокую вычислительную стоимость.

Относительно ваших конкретных вопросов

Как найти пилотный тон? Чем он отличается от обычных данных на поднесущей? Как это можно использовать для определения начала и конца символа?

Как только вы синхронизировали полученный сигнал, тоны пилот-сигнала находятся в предопределенных бинах DFT. При проектировании системы местоположение контрольных тонов в спектре фиксируется. Существуют более сложные схемы, в которых местоположение тонов пилот-сигнала изменяется по заранее определенной схеме, чтобы получить хорошее приближение канала как в частотной, так и во временной области. Контрольные сигналы не могут использоваться для синхронизации, потому что принятый сигнал должен быть синхронизирован прежде, чем вы сможете извлечь контрольные сигналы в частотной области. Предположим, что используется неправильное временное окно: ортогональность поднесущих будет потеряна, и результатом DFT будет некоторая смесь двух последовательных символов OFDM. Это нелинейный эффект, и пилотные символы не могут быть извлечены из этой смеси. Пилот-сигналы используются для оценки канала и иногда уменьшения фазового шума.
Редактирование: Как отметил Джим Клей в своих комментариях, точная синхронизация по пилот-сигналам возможна, если известно грубое значение для задержки, а остаточная задержка не превышает длину циклического префикса.

Если я правильно понимаю ответы, приведенные выше, циклический префикс можно использовать для поиска символа начала / конца, потому что он будет автоматически коррелировать с некоторой задержкой. Однако циклический префикс существует для того, чтобы «поглощать» ISI. Итак, если префикс был обработан ISI, то как эта автокорреляция может быть успешной?

Как и все методы синхронизации, этот метод будет страдать от шума и дисперсии канала и, следовательно, будет работать только до некоторой степени вышеупомянутых эффектов. Количественная , в какой степени именно она до сих пор работает, потребует некоторых тщательных исследований , которые Сомон, безусловно , уже сделано.

[1] Schmidl, TM; Кокс, округ Колумбия; , «Надежная частота и синхронизация времени для OFDM», Communications, IEEE Transactions on, vol.45, no.12, pp.1613-1621, Dec 1997

[2] ван де Бик, JJ; Санделл, М .; Borjesson, PO; "ML-оценка времени и частотного смещения в системах OFDM", Обработка сигналов, транзакции IEEE, том 45, № 7, с. 1800-1805, июль 1997 г.

How is a pilot tone found?

Местоположение контрольных сигналов в терминах поднесущих определяется протоколом сигнала. Например, в случае 802.11a поднесущими пилот-сигнала являются -21, -7, 7 и 21.

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

Он отличается тем, что приемник точно знает, что содержит пилот-сигнал. Нет никакой неопределенности, кроме шума и искажений, вызванных смещением несущей, смещением символа (синхронизации), канальными эффектами (например, многолучевым распространением) и т. Д.

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

Круговые сдвиги (иногда называемые «бочкообразными» сдвигами) приводят к сдвигам фаз в БПФ. Циклический префикс предшествует концу символа для точной цели сделать сдвиг во времени круговым сдвигом. Таким образом, когда выполняется обратное БПФ, любое временное смещение создает смещение фазы во всех каналах. Поскольку мы точно знаем, какими должны быть тоны пилот-сигнала, смещение фазы (которое соответствует смещению по времени в исходном символе) может быть обнаружено и исправлено.

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.

Опять же, это не вещь автокорреляции, это то, что обратное БПФ преобразует временной сдвиг в фазовый сдвиг, который мы можем использовать для обнаружения пилотных каналов.

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?

Без многолучевого распространения нет ISI с сигналами OFDM. Единственный ISI, о котором они должны беспокоиться, это когда есть задержанный многолучевой сигнал, который мешает первичному сигналу. Они намеренно делают циклический префикс более длинным, чем любая «нормальная» многолучевая задержка, так что почти всегда существует ценность нетронутых БПФ в нетронутых данных.

Синхронизация является важной задачей в практических системах связи, но она не имеет прямого отношения к теории OFDM.

Кадровая синхронизация

Практические системы связи (такие как IEEE 802.11 или 802.3) обмениваются так называемыми кадрами, которые состоят из нескольких полей, которые, в свою очередь, выполняют различные конкретные задачи. Как правило, первое поле кадра представляет собой так называемую преамбулу, цель которой состоит в том, чтобы

• обнаружение прибывающих кадров,
• синхронизировать приемник с передатчиком,
• выполнение автоматической коррекции усиления (AGC) на приемнике (требуется в системах беспроводной связи).

Преамбула обычно состоит из последовательности Баркера, которая представляет собой двоичный код с минимальной непиковой автокорреляцией. Этот код даже не обязательно должен быть OFDM-модулированным, но он может быть BPSK-модулированным на одной несущей в пределах доступной полосы частот. Приемник применяет согласованный фильтр к входящему потоку выборок. Если выход согласованного фильтра превышает определенный порог, очень вероятно, что он обнаружил входящую преамбулу. Поскольку непиковые коэффициенты автокорреляции кода Баркера минимальны, пик выходного сигнала согласованного фильтра предоставляет необходимую информацию для выравнивания последующих полей кадра с FFT приемника.

Тренировочная последовательность

После преамбулы следующее поле кадра обычно является своего рода обучающей последовательностью OFDM . Основное назначение обучающих последовательностей состоит в том, чтобы оценивать канальные коэффициенты отдельных поднесущих, а не синхронизацию. Некоторые протоколы также различают длинные и короткие обучающие последовательности, тогда как длинная обучающая последовательность может быть найдена непосредственно после того, как преамбула и короткие обучающие последовательности распределены в остальной части кадра. Как правило, получатель знает заранее

• положения обучающих последовательностей в кадре и
• Значения пилотных символов содержатся в обучающих последовательностях.

Поскольку коэффициенты канала могут изменяться со временем из-за мобильности узлов и препятствий в среде, они должны быть переоценены в течение так называемого времени когерентности, что достигается короткими обучающими последовательностями (то есть символами пилот-сигнала) между полезной нагрузкой OFDM символы. Время когерентности может быть аппроксимировано как обратное значение максимального доплеровского разброса. Кроме того, в некоторых протоколах обучающие последовательности передаются только на нескольких одинаково разнесенных поднесущих, в то время как все другие поднесущие между ними продолжают передачи полезной нагрузки. Это работает, поскольку коэффициенты канала соседних поднесущих коррелированы друг с другом. Ширина полосы когерентности канала с замиранием может быть оценена как обратная разброс задержки канала.

Также отметим, что в практических системах контрольные символы также могут использоваться для других целей, таких как оценка SNR отдельных поднесущих или выполнение оценки смещения несущей частоты (см. Ниже).

Циклический префикс

Основное назначение циклического префикса, вставляемого между последовательными символами OFDM, заключается в уменьшении ISI (интерсимвол-интерференция) и ICI (интерференция-интерференция), а не о синхронизации или определении начала или конца символа.

Смягчение ISI

Из-за многолучевого распространения несколько копий передаваемого сигнала поступают в приемник в разные моменты времени. Следовательно, если между последовательными символами OFDM не было защитного пространства, передаваемый символ OFDM может перекрываться с его последующим символом OFDM в приемнике, вызывая ISI. Вставка защитного пространства между последовательными символами OFDM во временной области уменьшает этот эффект. Если защитное пространство больше, чем максимальный разброс задержек канала, все многолучевые копии поступают в защитное пространство, не затрагивая последующий символ OFDM. Обратите внимание, что защитное пространство может также содержать нули для смягчения эффекта ISI. Фактически, никакой циклический префикс не требуется в защитном пространстве в любой технике цифровой связи, чтобы смягчить эффект ISI.

Смягчение ICI

В OFDM защитные пространства заполняются циклическим префиксом для поддержания ортогональности между поднесущими при условии, что множество задержанных копий поступают в приемник из-за многолучевого распространения. Если защитное пространство было фактически заполнено нулями в передатчике, несколько копий, поступающих в приемник, были бы неортогональными (то есть как-то коррелированными) друг другу, вызывая ICI.

Смещение несущей частоты (CFO) и фазовый шум

В практических системах генераторы несущей частоты передатчика и приемника обычно имеют небольшое смещение по частоте, которое вызывает фазовый сдвиг во времени. Кроме того, спектральная плотность мощности практического генератора не является идеальной дельта-функцией, что приводит к фазовому шуму. Фазовый шум вызывает постоянное изменение CFO, что приводит к изменению скорости и направления дрейфа фазы. Существуют различные методы для повторной синхронизации приемника с полученным сигналом, то есть для отслеживания фазы входящего сигнала. Эти методы могут дополнительно использовать присутствие символов пилот-сигнала в сигнале и / или применять методы слепой оценки и корреляции.

Я также поддерживаю платформу OFDM с открытым исходным кодом для программно-определяемых радиостанций, которая охватывает методы, описанные выше в коде Matlab.

Чтобы грубо суммировать превосходные ответы Дэва и Джима Клея:

Синхронизация символов состоит из двух разных задач: грубая синхронизация символов, где границы символов аппроксимируются, и точная синхронизация символов, где грубая синхронизация слегка настраивается. Часто точная синхронизация требует меньше вычислительных ресурсов, поэтому ее можно выполнять чаще, чтобы приспособиться к изменениям в канале.

Пилотные символы, которые являются специальными предопределенными символами, известными передатчику и приемнику, могут использоваться для грубой синхронизации путем поиска символа во временной области («автокорреляция»)

Фаза поднесущей должна изменяться предсказуемым образом от одного окна к другому. Например, в BPSK фаза должна быть на расстоянии 0 или пи радиан от ее ожидаемого значения от одного окна к следующему. Используя разные положения окна и тестируя несколько поднесущих (для лучшей помехоустойчивости), можно добиться грубой синхронизации символов. Это «экзотический» метод.

Циклические префиксы, которые являются продолжением символа, начинающегося с префикса в начале, могут использоваться для точной корреляции через автокорреляцию.

Пилот-сигналы являются конкретными поднесущими, которые выбираются заранее. Они несут определенный повторяющийся узор. Они используются для оценки канала и дополнительно могут использоваться для точной синхронизации.