Tôi đang cố gắng hiểu cách đồng bộ hóa biểu tượng được thực hiện trong OFDM bằng cách sử dụng âm thử, tiền tố tuần hoàn hoặc bất kỳ kỹ thuật nào khác.

Tôi đã đọc các câu trả lời sau đây cung cấp một số giải thích, nhưng tôi vẫn không hoàn toàn hiểu nó.

Cách giải điều chế tín hiệu OFDM

Làm cách nào để ước tính số lượng vòi cần thiết cho các thuật toán ước tính kênh tiếp theo?

Những câu hỏi cụ thể:

1) Làm thế nào là một giai điệu thí điểm được tìm thấy? Điều gì làm cho nó khác với dữ liệu thông thường trên một tàu sân bay phụ? Làm thế nào nó có thể được sử dụng để xác định biểu tượng bắt đầu và kết thúc?

2) Nếu tôi hiểu chính xác các câu trả lời ở trên, một tiền tố tuần hoàn có thể được sử dụng để tìm ký hiệu bắt đầu / kết thúc vì nó sẽ tự động tương quan với một số độ trễ. Tuy nhiên, tiền tố tuần hoàn tồn tại để "hấp thụ" ISI. Vì vậy, nếu tiền tố đã được trộn với ISI, thì làm thế nào để tương quan tự động này có thể thành công?

Về câu hỏi chung của bạn về cách đồng bộ hóa biểu tượng được thực hiện trong các hệ thống OFDM:

1. Một trong những kỹ thuật phổ biến và được sử dụng thường xuyên là truyền một hoặc một số ký hiệu hoa tiêu được biết đến trong máy thu. Ký hiệu hoa tiêu là một ký hiệu OFDM hoàn chỉnh trong đó giá trị của mỗi sóng mang con được xác định trước và được biết đến trong máy phát và máy thu. Nó được lặp lại với một tỷ lệ nhất định phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của kênh. Tín hiệu nhận được tương quan với ký hiệu hoa tiêu để phát hiện khởi động ký hiệu OFDM. Nó cũng có thể được sử dụng để ước tính kênh. Schmidl và Cox đã giới thiệu trong [1] một kỹ thuật dựa trên biểu tượng phi công trong đó biểu tượng phi công có tính đối xứng đặc biệt để biểu tượng phi công không cần phải biết ở máy thu.

2. Như Jason R đã lưu ý trong nhận xét của mình, mặc dù đó không phải là mục đích ban đầu của nó, tiền tố tuần hoàn cũng có thể được sử dụng để đồng bộ hóa biểu tượng vì sự lặp lại đã biết của một phần tín hiệu nhận được có thể được phát hiện thông qua tự động tương quan. Nó đặc biệt phù hợp với các kênh thay đổi nhanh, vì thời gian trễ có thể được cập nhật trên cơ sở mỗi ký hiệu. Ngoài ra, nó không thêm bất kỳ chi phí bổ sung. Tuy nhiên, nó nhạy hơn với tiếng ồn [2] và có lẽ cũng là ISI.
   Chỉnh sửa: Độ trễ tối đa có thể được phát hiện bằng phương pháp này là chiều dài của một ký hiệu OFDM. Do đó, nó chỉ phù hợp để đồng bộ hóa tốt.

3. Có một số kỹ thuật "kỳ lạ" hơn. Ví dụ, trong một trong số này, N-DFT (N = số lượng sóng mang con) của các phiên bản thay đổi thời gian của tín hiệu nhận được được tính toán. Nếu bạn áp dụng DFT cho cửa sổ thời gian sai, sơ đồ chòm sao kết quả sẽ là một mớ hỗn độn. Nếu bạn có cửa sổ thời gian chính xác, digaram kết tinh hiển thị các điểm chòm sao riêng biệt. Điều này có thể được phát hiện bằng cách tính độ lệch chuẩn của đầu ra DFT. Phương pháp này ngụ ý một chi phí tính toán cao.

Về bạn câu hỏi cụ thể

Làm thế nào là một giai điệu thí điểm được tìm thấy? Điều gì làm cho nó khác với dữ liệu thông thường trên một tàu sân bay phụ? Làm thế nào nó có thể được sử dụng để xác định biểu tượng bắt đầu và kết thúc?

Khi bạn đã đồng bộ hóa tín hiệu nhận được, âm thử sẽ ở các thùng được xác định trước của DFT. Khi thiết kế hệ thống, vị trí của các âm thử trong phổ được cố định. Có các sơ đồ phức tạp hơn, trong đó vị trí của các âm thử thay đổi theo mẫu được xác định trước để có được xấp xỉ tốt của kênh trong cả miền tần số và thời gian. Không thể sử dụng âm thử để đồng bộ hóa, vì tín hiệu nhận được trước tiên phải được đồng bộ hóa trước khi bạn thậm chí có thể trích xuất âm thử trong miền tần số. Giả sử rằng một cửa sổ thời gian sai được sử dụng: tính không đồng nhất của sóng mang con sẽ bị mất và kết quả của DFT là một số hỗn hợp của hai ký hiệu OFDM liên tiếp. Đây là một hiệu ứng phi tuyến và các ký hiệu hoa tiêu không thể được trích xuất từ ​​hỗn hợp này. Âm thử được sử dụng để ước tính kênh và đôi khi giảm thiểu nhiễu pha.
Chỉnh sửa: Như Jim Clay đã chỉ ra trong các nhận xét của mình, có thể đồng bộ hóa tốt qua các âm thử nếu có thể biết giá trị thô cho độ trễ và độ trễ còn lại không vượt quá độ dài của tiền tố tuần hoàn.

Nếu tôi hiểu chính xác các câu trả lời ở trên, một tiền tố tuần hoàn có thể được sử dụng để tìm bắt đầu / kết thúc biểu tượng vì nó sẽ tự động tương quan với một số độ trễ. Tuy nhiên, tiền tố tuần hoàn tồn tại để "hấp thụ" ISI. Vì vậy, nếu tiền tố đã được trộn với ISI, thì làm thế nào để tương quan tự động này có thể thành công?

Giống như tất cả các kỹ thuật đồng bộ hóa, phương pháp này sẽ bị nhiễu và phân tán kênh và do đó sẽ chỉ hoạt động ở một mức độ nào đó của các hiệu ứng đã nói ở trên. Việc định lượng chính xác đến mức nào nó vẫn đang hoạt động sẽ đòi hỏi một số nghiên cứu kỹ lưỡng mà ai đó chắc chắn đã thực hiện.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , "Tần số mạnh mẽ và đồng bộ hóa thời gian cho OFDM," Truyền thông, Giao dịch của IEEE trên, tập 45, số 12, tr.1613-1621, tháng 12 năm 1997

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M.; Borjesson, PO; , "Ước tính ML về thời gian và tần số bù trong các hệ thống OFDM," Xử lý tín hiệu, Giao dịch theo chuẩn IEEE, tập 45, số 7, tr.1800-1805, tháng 7 năm 1997

How is a pilot tone found?

Vị trí của các âm thử theo các sóng mang phụ được xác định bởi giao thức tín hiệu. Ví dụ, trong trường hợp của 802.11a, các sóng mang con thí điểm là -21, -7, 7 và 21.

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

Nó khác ở chỗ người nhận biết chính xác giai điệu phi công chứa gì. Không có sự không chắc chắn nào ngoài nhiễu và méo do bù sóng mang, bù biểu tượng (thời gian), hiệu ứng kênh (ví dụ: đa đường), v.v.

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

Các ca làm việc tròn (đôi khi được gọi là ca "thùng") tạo ra các pha lệch pha trong FFT. Tiền tố tuần hoàn chuẩn bị kết thúc biểu tượng cho mục đích chính xác là làm cho dịch chuyển thời gian thành dịch chuyển tròn. Do đó, khi FFT nghịch đảo được thực hiện, bất kỳ thời gian bù nào cũng sẽ tạo ra độ lệch pha trong tất cả các kênh. Bởi vì chúng tôi biết chính xác các âm thử nên là gì, độ lệch pha (tương ứng với độ lệch thời gian trong ký hiệu gốc) có thể được phát hiện và sửa.

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.

Một lần nữa, nó không phải là một thứ tương quan tự động, đó là FFT nghịch đảo chuyển dịch thời gian thành dịch pha mà chúng ta có thể sử dụng các kênh thử nghiệm để phát hiện.

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?

Không có đa đường thì không có ISI với tín hiệu OFDM. ISI duy nhất họ phải lo lắng là khi có tín hiệu đa đường bị trễ gây nhiễu tín hiệu chính. Họ cố tình làm cho tiền tố tuần hoàn dài hơn bất kỳ độ trễ đa đường "thông thường" nào, do đó, hầu như luôn luôn có một dữ liệu chưa được xử lý của FFT nguyên vẹn.

Đồng bộ hóa là một nhiệm vụ quan trọng trong các hệ thống truyền thông thực tế nhưng nó không liên quan trực tiếp đến lý thuyết về OFDM.

Đồng bộ khung

Các hệ thống truyền thông thực tế (như IEEE 802.11 hoặc 802.3) trao đổi cái gọi là các khung, bao gồm một số trường, lần lượt thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, khác nhau. Thông thường, trường đầu tiên của khung là cái gọi là phần mở đầu, có mục đích đơn thuần là

• phát hiện khung đến
• đồng bộ hóa máy thu với máy phát,
• thực hiện hiệu chỉnh khuếch đại tự động (AGC) tại máy thu (bắt buộc trong các hệ thống truyền thông không dây).

Phần mở đầu thường bao gồm một chuỗi Barker, đây là một mã nhị phân với sự tự tương quan cực đại tối thiểu. Mã này thậm chí không nhất thiết phải được điều chế OFDM, nhưng nó có thể được điều chế BPSK trên một sóng mang trong dải tần số khả dụng. Máy thu áp dụng bộ lọc phù hợp với luồng mẫu đến. Nếu đầu ra của bộ lọc phù hợp vượt quá một ngưỡng cụ thể, rất có khả năng nó đã phát hiện ra một lời mở đầu đến. Vì các hệ số tự tương quan cực đại của mã Barker là tối thiểu, đỉnh đầu ra của bộ lọc phù hợp cung cấp thông tin bắt buộc để căn chỉnh các trường tiếp theo của khung với FFT của máy thu.

Trình tự đào tạo

Sau phần mở đầu, trường tiếp theo của khung thường là một chuỗi trình tự đào tạo OFDM . Mục đích chính của trình tự đào tạo là ước tính hệ số kênh của các sóng mang con riêng lẻ, không phải đồng bộ hóa. Một số giao thức cũng phân biệt giữa các chuỗi đào tạo dài và ngắn, trong khi đó một chuỗi đào tạo dài có thể được tìm thấy trực tiếp sau khi các chuỗi đào tạo mở đầu và ngắn được trải đều trong phần còn lại của khung. Nói chung, người nhận biết trước

• vị trí của các chuỗi đào tạo trong khung và
• các giá trị của các ký hiệu thí điểm có trong các chuỗi đào tạo.

Vì các hệ số kênh có thể thay đổi theo thời gian do tính di động của các nút và chướng ngại vật trong môi trường, chúng phải được ước tính lại trong thời gian được gọi là thời gian kết hợp, được thực hiện bằng các chuỗi đào tạo ngắn (nghĩa là các ký hiệu thí điểm) giữa tải trọng OFDM ký hiệu. Thời gian kết hợp có thể được xấp xỉ là nghịch đảo của chênh lệch Doppler tối đa. Ngoài ra, trong một số giao thức, các chuỗi đào tạo chỉ được truyền trên một vài sóng mang con cách đều nhau, trong khi tất cả các sóng mang con khác ở giữa các lần truyền tải trọng tiếp tục. Điều này hoạt động do các hệ số kênh của các sóng mang con lân cận có mối tương quan với nhau. Băng thông kết hợp của kênh mờ dần có thể được ước tính là nghịch đảo của độ trễ lan truyền kênh.

Cũng lưu ý rằng trong các hệ thống thực tế, các ký hiệu hoa tiêu cũng có thể được sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như để ước tính SNR của các sóng mang con riêng lẻ hoặc để thực hiện ước tính bù tần số sóng mang (xem bên dưới).

Tiền tố tuần hoàn

Mục đích chính của tiền tố tuần hoàn được chèn giữa các ký hiệu OFDM kế tiếp là giảm thiểu ISI (Inter-Symbol-Interference) và ICI (Inter-Carrier-Interference), không đồng bộ hóa hoặc xác định ký hiệu bắt đầu hoặc kết thúc.

Giảm thiểu ISI

Do sự lan truyền đa đường, nhiều bản sao của dạng sóng truyền đến máy thu tại các thời điểm khác nhau. Do đó, nếu không có không gian bảo vệ giữa các ký hiệu OFDM liên tiếp, ký hiệu OFDM được truyền có thể trùng với ký hiệu OFDM tiếp theo của nó tại máy thu, gây ra ISI. Chèn một không gian bảo vệ giữa các ký hiệu OFDM liên tiếp trong miền thời gian sẽ giảm thiểu hiệu ứng này. Nếu không gian bảo vệ lớn hơn độ trễ kênh tối đa, tất cả các bản sao đa đường đến trong không gian bảo vệ, giữ cho biểu tượng OFDM tiếp theo không bị ảnh hưởng. Lưu ý rằng không gian bảo vệ cũng có thể chứa các số không để giảm thiểu ảnh hưởng của ISI. Trong thực tế, không có tiền tố tuần hoàn được yêu cầu trong không gian bảo vệ trong bất kỳ kỹ thuật truyền thông kỹ thuật số nào để giảm thiểu ảnh hưởng của ISI.

Giảm thiểu ICI

Trong OFDM, các không gian bảo vệ được lấp đầy với một tiền tố tuần hoàn để duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con với điều kiện nhiều bản sao bị trễ đến máy thu do sự lan truyền đa đường. Nếu không gian bảo vệ thực sự được lấp đầy bằng 0 tại máy phát, nhiều bản sao đến máy thu sẽ không trực giao (nghĩa là bằng cách nào đó tương quan) với nhau, gây ra ICI.

Độ lệch tần số sóng mang (CFO) và nhiễu pha

Trong các hệ thống thực tế, các bộ dao động tần số sóng mang của máy phát và máy thu thường có độ lệch tần số nhỏ, gây ra sự lệch pha theo thời gian. Ngoài ra, mật độ phổ công suất của bộ tạo dao động thực tế không phải là hàm delta lý tưởng, dẫn đến nhiễu pha. Nhiễu pha làm cho CFO liên tục thay đổi, dẫn đến thay đổi tốc độ và hướng của pha trôi. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để đồng bộ hóa máy thu với tín hiệu thu được, nghĩa là theo dõi pha của tín hiệu đến. Những kỹ thuật này có thể khai thác thêm sự hiện diện của các ký hiệu hoa tiêu trong tín hiệu và / hoặc áp dụng các kỹ thuật ước lượng và tương quan mù.

Tôi cũng duy trì khung OFDM mã nguồn mở cho các bộ đàm được xác định bằng phần mềm, bao gồm các kỹ thuật được mô tả ở trên trong mã Matlab.

Để tóm tắt sơ bộ những câu trả lời xuất sắc của Deve & Jim Clay:

Đồng bộ hóa biểu tượng bao gồm hai nhiệm vụ khác nhau - đồng bộ hóa biểu tượng thô, trong đó các ranh giới biểu tượng gần đúng và đồng bộ hóa biểu tượng tốt, trong đó đồng bộ hóa thô được điều chỉnh một chút. Thông thường, đồng bộ hóa tốt ít tính toán hơn và do đó có thể được thực hiện thường xuyên hơn để điều chỉnh các thay đổi trong kênh.

Các ký hiệu hoa tiêu, là các ký hiệu được xác định trước đặc biệt được biết đến với máy phát và máy thu có thể được sử dụng để thực hiện đồng bộ hóa thô bằng cách tìm kiếm ký hiệu trong miền thời gian ("tương quan tự động")

Pha của sóng mang con sẽ thay đổi theo cách có thể dự đoán được từ cửa sổ này sang cửa sổ kế tiếp. Ví dụ, trong BPSK, pha phải là 0 hoặc pi radian so với giá trị dự kiến ​​của nó từ cửa sổ này sang cửa sổ tiếp theo. Bằng cách thử các vị trí cửa sổ khác nhau và thử nghiệm nhiều sóng mang phụ (để có khả năng chống nhiễu tốt hơn) có thể đạt được đồng bộ hóa biểu tượng thô. Đây là một phương pháp "kỳ lạ".

Tiền tố tuần hoàn, là sự tiếp nối của biểu tượng có tiền tố bắt đầu, có thể được sử dụng cho tương quan tốt thông qua tương quan tự động.

Âm thử là các sóng mang con cụ thể được chọn trước thời hạn. Họ mang một mô hình lặp lại cụ thể. Chúng được sử dụng để ước tính kênh và ngoài ra có thể được sử dụng để đồng bộ hóa tốt.