Ich versuche zu verstehen, wie die Symbolsynchronisation in OFDM mithilfe von Pilottönen, zyklischen Präfixen oder einer anderen Technik durchgeführt wird.

Ich habe die folgenden Antworten gelesen, die einige Erklärungen liefern, aber ich verstehe sie immer noch nicht ganz.

Demodulieren eines OFDM-Signals

Wie kann die Anzahl der für nachfolgende Kanalschätzungsalgorithmen erforderlichen Abgriffe geschätzt werden?

Spezifische Fragen:

1) Wie wird ein Pilotton gefunden? Was unterscheidet es von den regulären Daten eines Sub-Carriers? Wie kann es verwendet werden, um den Beginn und das Ende von Symbolen zu bestimmen?

2) Wenn ich die obigen Antworten richtig verstehe, kann ein zyklisches Präfix verwendet werden, um den Start / das Ende des Symbols zu finden, da es mit einer gewissen Verzögerung automatisch korreliert. Das zyklische Präfix existiert jedoch, um ISI zu "absorbieren". Wenn das Präfix mit ISI munged wurde, wie kann diese Autokorrelation dann erfolgreich sein?

In Bezug auf Ihre allgemeine Frage, wie die Symbolsynchronisation in OFDM-Systemen durchgeführt wird:

1. Eine der beliebtesten und am häufigsten verwendeten Techniken ist die Übertragung eines oder mehrerer Pilotsymbole , die im Empfänger bekannt sind. Ein Pilotsymbol ist ein vollständiges OFDM-Symbol, bei dem der Wert jedes Unterträgers im Sender und Empfänger vordefiniert und bekannt ist. Es wird mit einer bestimmten Rate wiederholt, die davon abhängt, wie schnell sich der Kanal ändert. Das empfangene Signal wird mit dem Pilotsymbol korreliert, um den Start des OFDM-Symbols zu erkennen. Es kann auch zur Kanalschätzung verwendet werden. Schmidl und Cox haben in [1] eine auf Pilotsymbolen basierende Technik eingeführt, bei der das Pilotsymbol eine spezielle Symmetrie aufweist, so dass das Pilotsymbol beim Empfänger nicht bekannt sein muss.

2. Wie Jason R in seinem Kommentar bemerkt hat, kann das zyklische Präfix, obwohl es nicht sein ursprünglicher Zweck ist, auch für die Symbolsynchronisation verwendet werden, da es eine bekannte Wiederholung eines Teils des empfangenen Signals ist, die durch Autokorrelation erkannt werden kann. Es ist besonders gut für sich schnell ändernde Kanäle geeignet, da die Verzögerungszeit pro Symbol aktualisiert werden kann. Zusätzlich wird kein zusätzlicher Overhead hinzugefügt. Es ist jedoch empfindlicher gegenüber Rauschen [2] und vermutlich auch gegenüber ISI.
   Bearbeiten: Die maximale Verzögerung, die mit dieser Methode erkannt werden kann, ist die Länge eines OFDM-Symbols. Es ist daher nur für die Feinsynchronisation geeignet.

3. Es gibt einige "exotischere" Techniken. In einem dieser Fälle wird beispielsweise die N-DFT (N = Anzahl der Unterträger) von zeitversetzten Versionen des empfangenen Signals berechnet. Wenn Sie die DFT auf das falsche Zeitfenster anwenden, ist das resultierende Konstellationsdiagramm ein Chaos. Wenn Sie das richtige Zeitfenster haben, zeigt das Konstallations-Digaram unterschiedliche Konstellationspunkte. Dies kann durch Berechnung der Standardabweichung des DFT-Ausgangs erkannt werden. Diese Methode impliziert einen hohen Rechenaufwand.

In Bezug auf Sie spezifische Fragen

Wie wird ein Pilotton gefunden? Was unterscheidet es von den regulären Daten eines Sub-Carriers? Wie kann es verwendet werden, um den Beginn und das Ende von Symbolen zu bestimmen?

Sobald Sie das empfangene Signal synchronisiert haben, befinden sich die Pilottöne in vordefinierten Bins der DFT. Beim Entwurf des Systems wird die Position der Pilottöne im Spektrum festgelegt. Es gibt komplexere Schemata, bei denen sich die Position der Pilottöne in einem vordefinierten Muster ändert, um eine gute Annäherung des Kanals sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich zu erhalten. Pilottöne können nicht für die Synchronisation verwendet werden, da das empfangene Signal zuerst synchronisiert werden muss, bevor Sie die Pilottöne überhaupt im Frequenzbereich extrahieren können. Angenommen, ein falsches Zeitfenster wird verwendet: Die Orthogonalität von Unterträgern geht verloren und das Ergebnis der DFT ist eine Mischung aus zwei aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen. Dies ist ein nichtlinearer Effekt und die Pilotsymbole können nicht aus dieser Mischung extrahiert werden. Pilottöne werden zur Kanalschätzung und manchmal zur Minderung des Phasenrauschens verwendet.
Bearbeiten: Wie Jim Clay in seinen Kommentaren ausgeführt hat, ist eine feine Synchronisation durch Pilottöne möglich, wenn ein Grobwert für die Verzögerung bekannt ist und die Restverzögerung die Länge des zyklischen Präfix nicht überschreitet.

Wenn ich die obigen Antworten richtig verstehe, kann ein zyklisches Präfix verwendet werden, um den Start / das Ende des Symbols zu finden, da es mit einer gewissen Verzögerung automatisch korreliert. Das zyklische Präfix existiert jedoch, um ISI zu "absorbieren". Wenn das Präfix mit ISI munged wurde, wie kann diese Autokorrelation dann erfolgreich sein?

Wie alle Synchronisationstechniken leidet dieses Verfahren unter Rauschen und Kanalstreuung und funktioniert folglich nur bis zu einem gewissen Grad der zuvor genannten Effekte. Um zu quantifizieren, inwieweit genau es noch funktioniert, wäre eine gründliche Untersuchung erforderlich, die sicherlich schon jemand durchgeführt hat.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , "Robuste Frequenz- und Zeitsynchronisation für OFDM", Communications, IEEE Transactions on, Band 45, Nr. 12, S. 1613-1621, Dezember 1997

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M.; Borjesson, PO; , "ML-Schätzung des Zeit- und Frequenzversatzes in OFDM-Systemen", Signal Processing, IEEE Transactions on, Band 45, Nr. 7, S. 1800-1805, Juli 1997

How is a pilot tone found?

Die Position von Pilottönen in Bezug auf Unterträger wird durch das Signalprotokoll definiert. Im Fall von 802.11a sind die Pilotunterträger beispielsweise -21, -7, 7 und 21.

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

Es unterscheidet sich darin, dass der Empfänger genau weiß, was der Pilotton enthält. Es gibt keine andere Unsicherheit als Rauschen und Verzerrung, die durch Trägerversatz, Symbolversatz (Timing-Versatz), Kanaleffekte (z. B. Mehrweg) usw. verursacht werden.

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

Kreisverschiebungen (manchmal als "Barrel" -Verschiebungen bezeichnet) erzeugen Phasenversätze in FFTs. Das zyklische Präfix steht vor dem Ende des Symbols, um eine Zeitverschiebung zu einer Kreisverschiebung zu machen. Wenn also die inverse FFT durchgeführt wird, erzeugt jeder Zeitversatz einen Phasenversatz in allen Kanälen. Da wir genau wissen, wie die Pilottöne sein sollen, kann der Phasenversatz (der einem Zeitversatz im ursprünglichen Symbol entspricht) erkannt und korrigiert werden.

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.

Auch hier handelt es sich nicht um eine Autokorrelationssache, sondern darum, dass die inverse FFT die Zeitverschiebung in eine Phasenverschiebung umwandelt, die wir mithilfe der Pilotkanäle erkennen können.

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?

Ohne Mehrweg gibt es keine ISI mit OFDM-Signalen. Der einzige ISI, über den sie sich Sorgen machen müssen, ist, wenn ein verzögertes Mehrwegesignal vorliegt, das das Primärsignal stört. Sie machen das zyklische Präfix absichtlich länger als jede "normale" Mehrwegverzögerung, so dass fast immer eine intakte FFT an unverfälschten Daten vorhanden ist.

Die Synchronisation ist eine wichtige Aufgabe in praktischen Kommunikationssystemen, steht jedoch nicht in direktem Zusammenhang mit der OFDM-Theorie.

Frame-Synchronisation

Praktische Kommunikationssysteme (wie IEEE 802.11 oder 802.3) tauschen sogenannte Frames aus, die aus mehreren Feldern bestehen, die wiederum unterschiedliche, spezifische Aufgaben erfüllen. Typischerweise ist das erste Feld eines Rahmens eine sogenannte Präambel, die nur den Zweck hat

• Erkennen ankommender Frames,
• Synchronisieren des Empfängers mit dem Sender,
• Durchführen einer automatischen Verstärkungskorrektur (AGC) am Empfänger (erforderlich in drahtlosen Kommunikationssystemen).

Die Präambel besteht typischerweise aus einer Barker-Sequenz, bei der es sich um einen Binärcode mit minimaler Autokorrelation außerhalb der Spitzenzeiten handelt. Dieser Code muss nicht unbedingt OFDM-moduliert sein, sondern kann auf einem einzelnen Träger innerhalb des verfügbaren Frequenzbandes BPSK-moduliert sein. Der Empfänger wendet einen angepassten Filter auf den eingehenden Probenstrom an. Wenn die Ausgabe des angepassten Filters einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine eingehende Präambel erkannt wurde. Da die Off-Peak-Autokorrelationskoeffizienten des Barker-Codes minimal sind, liefert die Spitze des Ausgangs des angepassten Filters die erforderlichen Informationen, um die nachfolgenden Felder des Rahmens an der FFT des Empfängers auszurichten.

Trainingssequenz

Nach der Präambel ist das nächste Feld eines Rahmens typischerweise eine Art OFDM- Trainingssequenz . Der Hauptzweck von Trainingssequenzen besteht darin , die Kanalkoeffizienten einzelner Unterträger zu schätzen , nicht die Synchronisation. Einige Protokolle unterscheiden auch zwischen langen und kurzen Trainingssequenzen, während eine lange Trainingssequenz direkt nach der Verteilung der Präambel und der kurzen Trainingssequenzen im Rest des Rahmens gefunden werden kann. Im Allgemeinen weiß der Empfänger im Voraus

• die Positionen der Trainingssequenzen im Rahmen und
• die Werte der Pilotsymbole in den Trainingssequenzen.

Da sich die Kanalkoeffizienten aufgrund der Mobilität von Knoten und Hindernissen in der Umgebung im Laufe der Zeit ändern können, müssen sie innerhalb der sogenannten Kohärenzzeit neu geschätzt werden, was durch kurze Trainingssequenzen (dh Pilotsymbole) zwischen Nutzlast-OFDM erreicht wird Symbole. Die Kohärenzzeit kann als Inverse der maximalen Doppler-Streuung angenähert werden. Außerdem werden in einigen Protokollen Trainingssequenzen nur auf wenigen Unterträgern mit gleichem Abstand übertragen, während alle anderen Unterträger dazwischen die Nutzlastübertragung fortsetzen. Dies funktioniert, da die Kanalkoeffizienten benachbarter Unterträger miteinander korreliert sind. Die Kohärenzbandbreite eines Fading-Kanals kann als Inverse der Kanalverzögerungsspreizung geschätzt werden.

Es ist auch zu beachten, dass in praktischen Systemen die Pilotsymbole auch für andere Zwecke verwendet werden können, beispielsweise um das SNR einzelner Unterträger zu schätzen oder um eine Schätzung des Trägerfrequenzversatzes durchzuführen (siehe unten).

Zyklisches Präfix

Der Hauptzweck des zyklischen Präfixes, das zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen eingefügt wird, ist die Minderung von ISI (Inter-Symbol-Interference) und ICI (Inter-Carrier-Interference), nicht die Synchronisation oder das Bestimmen von Symbolstarts oder -enden.

Minderung von ISI

Aufgrund der Mehrwegeausbreitung erreichen mehrere Kopien der übertragenen Wellenform zu unterschiedlichen Zeitpunkten den Empfänger. Wenn zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen kein Schutzraum vorhanden war, kann sich ein übertragenes OFDM-Symbol mit seinem nachfolgenden OFDM-Symbol am Empfänger überlappen, was zu ISI führt. Das Einfügen eines Schutzraums zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen im Zeitbereich verringert diesen Effekt. Wenn der Schutzraum größer als die maximale Kanalverzögerungsspanne ist, kommen alle Mehrwegkopien im Schutzraum an, wodurch das nachfolgende OFDM-Symbol nicht beeinflusst wird. Beachten Sie, dass der Schutzbereich auch Nullen enthalten kann, um den Effekt von ISI abzuschwächen. Tatsächlich ist in keiner digitalen Kommunikationstechnik ein zyklisches Präfix im Schutzraum erforderlich, um die Wirkung von ISI abzuschwächen.

Minderung von ICI

In OFDM werden Schutzräume mit einem zyklischen Präfix gefüllt, um die Orthogonalität zwischen Unterträgern aufrechtzuerhalten, sofern mehrere verzögerte Kopien aufgrund der Mehrwegeausbreitung beim Empfänger ankommen. Wenn der Schutzraum am Sender tatsächlich mit Nullen gefüllt wäre, wären die am Empfänger ankommenden Mehrfachkopien nicht orthogonal (dh irgendwie korreliert) zueinander, was ICI verursacht.

Trägerfrequenzversatz (CFO) und Phasenrauschen

In praktischen Systemen weisen die Trägerfrequenzoszillatoren des Senders und des Empfängers typischerweise einen leichten Frequenzversatz auf, was eine Phasendrift über die Zeit verursacht. Darüber hinaus ist die spektrale Leistungsdichte eines praktischen Oszillators keine ideale Delta-Funktion, was zu Phasenrauschen führt. Durch Phasenrauschen ändert sich der CFO kontinuierlich, was zu einer Änderung der Geschwindigkeit und Richtung der Phasendrift führt. Es gibt verschiedene Techniken, um den Empfänger mit dem empfangenen Signal neu zu synchronisieren , dh um die Phase des eingehenden Signals zu verfolgen. Diese Techniken können zusätzlich das Vorhandensein von Pilotsymbolen im Signal ausnutzen und / oder blinde Schätz- und Korrelationstechniken anwenden.

Ich pflege auch ein Open-Source- OFDM-Framework für softwaredefinierte Funkgeräte, das die oben im Matlab-Code beschriebenen Techniken abdeckt.

Um die hervorragenden Antworten von Deve & Jim Clay grob zusammenzufassen:

Die Symbolsynchronisation besteht aus zwei verschiedenen Aufgaben: der groben Symbolsynchronisation, bei der die Symbolgrenzen angenähert werden, und der feinen Symbolsynchronisation, bei der die grobe Synchronisation leicht angepasst wird. Oft ist die Feinsynchronisation weniger rechenintensiv und kann daher häufiger durchgeführt werden, um Änderungen im Kanal anzupassen.

Pilotsymbole, bei denen es sich um spezielle vordefinierte Symbole handelt, die dem Sender und dem Empfänger bekannt sind, können zur groben Synchronisation verwendet werden, indem nach dem Symbol im Zeitbereich gesucht wird ("Autokorrelation").

Die Phase eines Unterträgers sollte sich auf vorhersehbare Weise von einem Fenster zum nächsten ändern. Beispielsweise sollte in BPSK die Phase von einem Fenster zum nächsten 0 oder pi Radiant von ihrem erwarteten Wert entfernt sein. Durch Ausprobieren verschiedener Fensterpositionen und Testen mehrerer Unterträger (für eine bessere Störfestigkeit) kann eine grobe Symbolsynchronisation erreicht werden. Dies ist eine "exotische" Methode.

Zyklische Präfixe, die eine Fortsetzung des Symbols sind, das dem Anfang vorangestellt ist, können für die Feinkorrelation durch Autokorrelation verwendet werden.

Pilottöne sind bestimmte Unterträger, die im Voraus ausgewählt werden. Sie tragen ein bestimmtes Wiederholungsmuster. Sie werden zur Kanalschätzung verwendet und können zusätzlich zur Feinsynchronisation verwendet werden.