Sto cercando di capire come viene eseguita la sincronizzazione dei simboli in OFDM usando toni pilota, prefissi ciclici o qualsiasi altra tecnica.

Ho letto le seguenti risposte che forniscono alcune spiegazioni, ma ancora non lo capisco del tutto.

Come demodulare un segnale OFDM

Come stimare il numero di tocchi necessari per i successivi algoritmi di stima del canale?

Domande specifiche:

1) Come viene trovato un tono pilota? Cosa lo rende diverso dai normali dati di un sub-vettore? Come può essere utilizzato per determinare l'inizio e la fine del simbolo?

2) Se capisco correttamente le risposte sopra, è possibile utilizzare un prefisso ciclico per trovare l'inizio / fine del simbolo perché si auto-correlerà con un certo ritardo. Tuttavia, esiste il prefisso ciclico per "assorbire" l'ISI. Quindi, se il prefisso è stato mischiato con ISI, come può avere successo questa autocorrelazione?

Per quanto riguarda la tua domanda generale su come viene eseguita la sincronizzazione dei simboli nei sistemi OFDM:

1. Una delle tecniche più popolari e utilizzate di frequente è la trasmissione di uno o più simboli pilota noti nel ricevitore. Un simbolo pilota è un simbolo OFDM completo in cui il valore di ciascuna sottoportante è predefinito e noto nel trasmettitore e nel ricevitore. Si ripete con una certa frequenza che dipende dalla velocità con cui cambia il canale. Il segnale ricevuto è correlato al simbolo pilota per rilevare l'inizio del simbolo OFDM. Può anche essere usato per la stima del canale. Schmidl e Cox hanno introdotto in [1] una tecnica basata sul simbolo pilota in cui il simbolo pilota ha una simmetria speciale in modo che il simbolo pilota non debba essere conosciuto sul ricevitore.

2. Come ha osservato Jason R nel suo commento, sebbene non sia il suo scopo iniziale, il prefisso ciclico può anche essere usato per la sincronizzazione dei simboli perché è una ripetizione nota di una parte del segnale ricevuto che può essere rilevata tramite autocorrelazione. È particolarmente adatto per i canali che cambiano rapidamente, poiché il tempo di ritardo può essere aggiornato in base al simbolo. Inoltre, non aggiunge alcun sovraccarico aggiuntivo. Tuttavia, è più sensibile al rumore [2] e presumibilmente anche all'ISI.
   Modifica: il ritardo massimo che può essere rilevato da questo metodo è la lunghezza di un simbolo OFDM. È quindi adatto solo per la sincronizzazione fine.

3. Ci sono alcune tecniche più "esotiche". In uno di questi, ad esempio, viene calcolato l'N-DFT (N = numero di portanti secondari) delle versioni con spostamento temporale del segnale ricevuto. Se si applica il DFT alla finestra temporale errata, il diagramma di costellazione risultante sarà un disastro. Se hai la finestra temporale corretta, il digaram di installazione mostra punti di costellazione distinti. Questo può essere rilevato calcolando la deviazione standard dell'uscita DFT. Questo metodo implica un elevato costo computazionale.

Per quanto riguarda le tue domande specifiche

Come viene trovato un tono pilota? Cosa lo rende diverso dai normali dati di un sub-vettore? Come può essere utilizzato per determinare l'inizio e la fine del simbolo?

Dopo aver sincronizzato il segnale ricevuto, i toni pilota si trovano su bin predefiniti del DFT. Quando si progetta il sistema, la posizione dei toni pilota nello spettro è fissa. Esistono schemi più complessi, in cui la posizione dei toni pilota cambia in uno schema predefinito per ottenere una buona approssimazione del canale sia nel dominio della frequenza che del tempo. I toni pilota non possono essere utilizzati per la sincronizzazione, poiché il segnale ricevuto deve prima essere sincronizzato prima di poter anche estrarre i toni pilota nel dominio della frequenza. Supponiamo che venga utilizzata una finestra temporale errata: l'ortogonalità delle sottoportanti andrà persa e il risultato di DFT è una combinazione di due simboli OFDM consecutivi. Questo è un effetto non lineare e i simboli pilota non possono essere estratti da questa miscela. I toni pilota vengono utilizzati per la stima dei canali e talvolta la mitigazione del rumore di fase.
Modifica: Come ha sottolineato Jim Clay nei suoi commenti, è possibile una sincronizzazione accurata attraverso i toni pilota se è noto un valore approssimativo per il ritardo e il ritardo residuo non supera la lunghezza del prefisso ciclico.

Se capisco correttamente le risposte sopra, è possibile utilizzare un prefisso ciclico per trovare l'inizio / fine del simbolo perché si auto-correlerà con un certo ritardo. Tuttavia, esiste il prefisso ciclico per "assorbire" l'ISI. Quindi, se il prefisso è stato mischiato con ISI, come può avere successo questa autocorrelazione?

Come tutte le tecniche di sincronizzazione, questo metodo soffrirà di rumore e dispersione dei canali e, di conseguenza, funzionerà solo in una certa misura degli effetti sopra menzionati. Quantificare fino a che punto funziona esattamente richiederebbe una ricerca approfondita che qualcuno ha sicuramente già fatto.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , "Sincronizzazione di frequenza e temporizzazione robusta per OFDM," Comunicazioni, Transazioni IEEE su, vol.45, n. 12, pagg. 1613-1621, dicembre 1997

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M .; Borjesson, PO; , "Stima ML di offset di tempo e frequenza nei sistemi OFDM" Elaborazione del segnale, Transazioni IEEE su, vol.45, n. 7, pp. 1800-1805, luglio 1997

How is a pilot tone found?

La posizione dei toni pilota in termini di sottoportanti è definita dal protocollo di segnale. Ad esempio, nel caso di 802.11a i sottoportanti pilota sono -21, -7, 7 e 21.

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

È diverso in quanto il ricevitore sa esattamente cosa contiene il tono pilota. Non vi sono incertezze diverse dal rumore e dalla distorsione causati dall'offset del vettore, dall'offset del simbolo (timing), dagli effetti del canale (ad es. Multi-percorso), ecc.

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

I turni circolari (a volte chiamati turni "a botte") producono sfasamenti nelle FFT. Il prefisso ciclico antepone la fine del simbolo allo scopo esatto di trasformare uno spostamento temporale in uno spostamento circolare. Pertanto, quando viene eseguita la FFT inversa, qualsiasi offset del tempo creerà un offset di fase in tutti i canali. Poiché sappiamo esattamente quali dovrebbero essere i toni pilota, l'offset di fase (che corrisponde a un offset di tempo nel simbolo originale) può essere rilevato e corretto.

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.

Ancora una volta, non è una cosa di auto-correlazione, è che la FFT inversa traduce il time shift in uno sfasamento che possiamo usare per rilevare i canali pilota.

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?

Senza multi-percorso non esiste ISI con segnali OFDM. L'unica ISI di cui devono preoccuparsi è quando c'è un segnale multi-percorso ritardato che interferisce con il segnale primario. Aumentano intenzionalmente il prefisso ciclico più a lungo di qualsiasi "normale" ritardo multi-percorso, quindi c'è quasi sempre un valore FFT intatto di dati non corrotti.

La sincronizzazione è un compito importante nei sistemi pratici di comunicazione ma non è direttamente correlata alla teoria OFDM.

Sincronizzazione dei frame

I pratici sistemi di comunicazione (come IEEE 802.11 o 802.3) si scambiano i cosiddetti frame, che consistono in diversi campi, che a loro volta svolgono compiti diversi e specifici. Tipicamente, il primo campo di un frame è un cosiddetto preambolo, che ha il solo scopo di

• rilevare frame in arrivo,
• sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore,
• eseguire la correzione automatica del guadagno (AGC) sul ricevitore (richiesto nei sistemi di comunicazione wireless).

Il preambolo è in genere costituito da una sequenza di Barker, che è un codice binario con autocorrelazione off-peak minima. Questo codice non deve necessariamente essere modulato OFDM, ma può essere modulato BPSK su un singolo vettore all'interno della banda di frequenza disponibile. Il ricevitore applica un filtro corrispondente al flusso di campioni in entrata. Se l'output del filtro abbinato supera una soglia specifica, è molto probabile che abbia rilevato un preambolo in entrata. Poiché i coefficienti di autocorrelazione non di punta del codice Barker sono minimi, il picco dell'output del filtro abbinato fornisce le informazioni richieste per allineare i campi successivi del frame con la FFT del ricevitore.

Sequenza di allenamento

Dopo il preambolo, il campo successivo di un frame è in genere una sorta di sequenza di addestramento OFDM . Lo scopo principale delle sequenze di addestramento è stimare i coefficienti di canale delle singole sottoportanti, non la sincronizzazione. Alcuni protocolli distinguono anche tra sequenze di allenamento lunghe e brevi, mentre una sequenza di allenamento lunga può essere trovata direttamente dopo il preambolo e sequenze di allenamento brevi sono sparse nel resto della cornice. Generalmente, il ricevitore lo sa in anticipo

• le posizioni delle sequenze di allenamento nel frame e
• i valori dei simboli pilota contenuti nelle sequenze di addestramento.

Poiché i coefficienti del canale possono cambiare nel tempo a causa della mobilità dei nodi e degli ostacoli nell'ambiente, devono essere rivalutati entro il cosiddetto tempo di coerenza, che è realizzato da brevi sequenze di addestramento (ad esempio simboli pilota) tra il payload OFDM simboli. Il tempo di coerenza può essere approssimato come l'inverso della massima diffusione Doppler. Inoltre, in alcuni protocolli, le sequenze di addestramento vengono trasmesse solo su alcune sottoportanti equidistanti, mentre tutte le altre sottoportanti tra le trasmissioni del carico utile continuo. Questo funziona poiché i coefficienti di canale delle sottoportanti vicine sono correlati tra loro. La larghezza di banda di coerenza di un canale in dissolvenza può essere stimata come l'inverso della diffusione del ritardo del canale.

Si noti inoltre che nei sistemi pratici, i simboli pilota possono essere utilizzati anche per altri scopi, ad esempio per stimare il SNR delle singole sottoportanti o per eseguire la stima dell'offset della frequenza portante (vedere di seguito).

Prefisso ciclico

Lo scopo principale del prefisso ciclico inserito tra i simboli OFDM successivi è la mitigazione di ISI (Inter-Symbol-Interference) e ICI (Inter-Carrier-Interference), non la sincronizzazione o la determinazione dell'inizio o della fine del simbolo.

Mitigazione dell'ISI

A causa della propagazione multipath, più copie della forma d'onda trasmessa arrivano al ricevitore in momenti diversi. Quindi, se non c'era spazio di guardia tra i successivi simboli OFDM, un simbolo OFDM trasmesso potrebbe sovrapporsi con il suo successivo simbolo OFDM sul ricevitore, causando ISI. L'inserimento di uno spazio di guardia tra i simboli OFDM successivi nel dominio del tempo attenua questo effetto. Se lo spazio di guardia è maggiore della massima diffusione del ritardo del canale, tutte le copie multi-percorso arrivano all'interno dello spazio di guardia, mantenendo inalterato il successivo simbolo OFDM. Si noti che lo spazio di guardia può contenere anche zeri per mitigare l'effetto di ISI. In effetti, non è richiesto alcun prefisso ciclico nello spazio di guardia in alcuna tecnica di comunicazione digitale per mitigare l'effetto dell'ISI.

Mitigazione dell'ICI

In OFDM, gli spazi di guardia sono riempiti con un prefisso ciclico per mantenere l'ortogonalità tra le sottoportanti a condizione che più copie ritardate arrivino al ricevitore a causa della propagazione multi-percorso. Se lo spazio di guardia fosse effettivamente riempito di zeri sul trasmettitore, le copie multiple che arrivano al ricevitore sarebbero non ortogonali (cioè, in qualche modo correlate) tra loro, causando ICI.

Offset di frequenza portante (CFO) e rumore di fase

Nei sistemi pratici, gli oscillatori di frequenza portante del trasmettitore e del ricevitore hanno in genere un leggero offset in frequenza, che provoca una deriva di fase nel tempo. Inoltre, la densità spettrale di potenza di un pratico oscillatore non è una funzione delta ideale, con conseguente rumore di fase. Il rumore di fase fa cambiare continuamente il CFO, provocando un cambiamento della velocità e della direzione della deriva di fase. Esistono varie tecniche per risincronizzare il ricevitore con il segnale ricevuto, ovvero per tracciare la fase del segnale in arrivo. Queste tecniche possono inoltre sfruttare la presenza di simboli pilota nel segnale e / o applicare tecniche cieche di stima e correlazione.

Mantengo anche un framework OFDM open source per le radio definite da software, che copre le tecniche sopra descritte nel codice Matlab.

Riassumendo approssimativamente le eccellenti risposte di Deve e Jim Clay:

La sincronizzazione dei simboli consiste in due diverse attività: la sincronizzazione approssimativa dei simboli, in cui i confini dei simboli sono approssimati, e la sincronizzazione fine dei simboli, in cui la sincronizzazione approssimativa è leggermente regolata. Spesso la sincronizzazione fine è meno intensiva dal punto di vista computazionale e quindi può essere eseguita più frequentemente per adattarsi alle modifiche del canale.

I simboli pilota, che sono speciali simboli predefiniti noti al trasmettitore e al ricevitore, possono essere utilizzati per eseguire una sincronizzazione approssimativa cercando il simbolo nel dominio del tempo ("auto-correlazione")

La fase di un vettore secondario dovrebbe cambiare in modo prevedibile da una finestra all'altra. Ad esempio, in BPSK, la fase dovrebbe essere 0 o pi radianti dal suo valore atteso da una finestra all'altra. Provando diverse posizioni della finestra e testando più sottoportanti (per una migliore immunità al rumore) è possibile ottenere una sincronizzazione approssimativa dei simboli. Questo è un metodo "esotico".

I prefissi ciclici, che sono una continuazione del simbolo che è prefissato all'inizio, possono essere usati per una correlazione fine mediante l'auto-correlazione.

I toni pilota sono sottoportanti specifici che vengono scelti in anticipo. Portano uno specifico schema ripetitivo. Sono utilizzati per la stima dei canali e possono essere utilizzati anche per la sincronizzazione fine.