如何使用OFDM进行符号同步?


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我试图了解如何使用导频音,循环前缀或任何其他技术在OFDM中完成符号同步。

我已经阅读了以下提供一些解释的答案,但我仍然不完全理解。

如何解调OFDM信号

如何估计后续信道估计算法所需的抽头数量?

具体问题:

1)如何找到领航音?是什么使它与子载波上的常规数据不同?如何确定符号的开始和结束?

2)如果我正确理解了以上答案,则可以使用循环前缀来查找符号开始/结束,因为它会在一定的延迟后自动关联。但是,存在循环前缀以“吸收” ISI。因此,如果前缀已与ISI混淆,那么这种自相关如何成功?


Tere是找到导频信号位置的任何公式吗?或我们怎么知道应该在哪里放置导频信号?

Answers:


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关于您在OFDM系统中如何完成符号同步的一般性问题:

  1. 最受欢迎和最常用的技术之一是接收器中已知的一个或几个导频符号的传输。导频符号是完整的OFDM符号,其中每个子载波的值是预定义的,并且在发射机和接收机中是已知的。以一定的速率重复该速率,该速率取决于信道变化的速度。接收到的信号与导频符号相关,以检测OFDM符号开始。它也可以用于信道估计。Schmidl和Cox在[1]中引入了一种基于导频符号的技术,其中该导频符号具有特殊的对称性,因此无需在接收器处知道该导频符号。

  2. 正如Jason R在他的评论中指出的那样,尽管这不是其最初的目的,但循环前缀也可以用于符号同步,因为它是接收信号的某些部分的已知重复,可以通过自相关来检测。它特别适合快速更改的频道,因为可以按每个符号更新延迟时间。另外,它不会增加任何额外的开销。但是,它对噪声[2]更为敏感,可能对ISI也更敏感。
    编辑:此方法可以检测到的最大延迟是一个OFDM符号的长度。因此,它仅适用于精细同步。

  3. 还有更多的“异国情调”技术。在其中之一中,例如,计算接收信号的时移版本的N-DFT(N =子载波数)。如果将DFT应用于错误的时间窗口,则最终的星座图将变得一团糟。如果您获得了正确的时间窗口,则暗暗狄加拉姆会显示出不同的星座点。可以通过计算DFT输出的标准偏差来检测。这种方法意味着很高的计算成本。

关于您的具体问题

如何找到领航音?是什么使它与子载波上的常规数据不同?如何确定符号的开始和结束?

同步接收到的信号后,导频音将位于DFT的预定义频段。在设计系统时,频谱中导频音的位置是固定的。存在更复杂的方案,其中,导频音的位置以预定义的模式变化,以在频域和时域中获得信道的良好近似。导频音不能用于同步,因为必须先同步接收到的信号,然后才能提取频域中的导频音。假设使用了错误的时间窗口:子载波的正交性将丢失,并且DFT的结果是两个连续OFDM符号的某种混合。这是一种非线性效应,无法从该混合中提取导频符号。导频音用于信道估计,有时用于减轻相位噪声。
编辑:正如吉姆·克莱(Jim Clay)在他的评论中所指出的,如果已知延迟的粗略值且剩余延迟不超过循环前缀的长度,则可以通过导频音进行精细同步。

如果我正确理解了以上答案,则可以使用循环前缀来查找符号开始/结束,因为它会在一定延迟下自动相关。但是,存在循环前缀以“吸收” ISI。因此,如果前缀已与ISI混淆,那么这种自相关如何成功?

像所有同步技术一样,此方法将受到噪声和信道分散的影响,因此只能在一定程度上发挥上述作用。量化到何种程度上正是它仍然是工作需要一些深入的研究认为有人为肯定已经完成。


[1] Schmidl,TM; DC考克斯;,“ OFDM的稳健频率和定时同步”,通讯,IEEE Transactions,第45卷,第12期,第1613-1621页,1997年12月

[2] van de Beek,JJ;桑德尔,M。PO,Borjesson;,“ OFDM系统中时间和频率偏移的ML估计”,信号处理,IEEE Transactions,第45卷,第7期,第1800-1805页,1997年7月


+1。如果您在导频子载波中使用相位偏移,也可以逐个符号地进行校正。
吉姆·克莱

@JimClay我不知道这怎么工作。如果接收机尚未同步,则无法检测到导频子载波。即使可以,您如何分辨相位变化是由时间延迟还是由信道分散引起的?也许我想念某事。在这里...
Deve

没错,您必须进行足够的同步,才能在符号边界内获得逆FFT的数据价值。我的意思是,导频音可以通过准确指示数据相对于符号开头的位置来帮助微调同步。
吉姆·克莱

由定时偏移引起的相位变化不同于由载波偏移引起的相位变化。定时偏移相位变化与频率仓成正比,因此对于802.11a,-7仓将具有与+7仓相反的相位变化。同样,+ 21 bin的相位偏移是+7 bin的3倍。对于载波偏移,我相信所有频段都具有相同的相位偏移。因此,通过分析导频音的相位偏移,可以确定时间偏移和载波偏移。
吉姆·克莱

我同意:时间延迟会导致线性相移,而频率偏差会导致恒定的相移。因此,如果假定粗同步,则可以将导频音用于精细同步。感谢您的澄清!
Deve

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How is a pilot tone found?

导频音在副载波方面的位置由信号协议定义。例如,在802.11a情况下,导频子载波为-21,-7、7和21。

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

区别在于接收器确切地知道导频音包含的内容。除了载波偏移,符号(定时)偏移,信道效应(例如多径)等带来的噪声和失真外,没有其他不确定性。

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

循环移位(有时称为“桶形”移位)会在FFT中产生相位偏移。循环前缀会在符号的末尾加上前缀,以实现将时移变为循环移位的确切目的。因此,当执行逆FFT时,任何时间偏移都会在所有通道中产生相位偏移。因为我们确切知道导频音应该是什么,所以可以检测并校正相位偏移(对应于原始符号中的时间偏移)。

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.

同样,这不是自相关的事情,而是逆FFT将时移转换为相移,我们可以使用导频信道进行检测。

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?

如果没有多路径,则没有带OFDM信号的ISI。他们唯一需要担心的ISI是何时存在延迟的多径信号干扰主信号。它们有意使循环前缀的长度比任何“正常”多径延迟的时间都长,因此几乎总是有完整的FFT值的未损坏数据。


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实际上,自相关可以用于OFDM系统中的定时恢复。由于循环前缀只是符号开头的重复,并且符号开头与循环前缀之间的距离是已知的,因此可以在已知的循环前缀偏移量处计算滑动自相关,以便检测出符号开始。
杰森R

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这是一个好点,尽管多径信号可能会使其混乱。
吉姆·克莱

“ -21,-7、7和21”是相对于中心仓的FFT仓号吗?那么某些子载波专门用于导频音而不是数据吗?
丹·桑德伯格

仍然遗漏了一些东西-似乎如果导频音包含具有良好互相关特性的序列,则可以从中找到符号边界。那么,为什么需要使用循环前缀查看相变呢?
丹·桑德伯格

此处不应混淆飞行员音调和飞行员符号。导频音是某些子载波,在每个OFDM符号中以已知值进行调制。我怀疑它是否可以用于同步。导频符号是具有预定义内容的完整OFDM符号。可用于同步。
Deve

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同步是实际通信系统中的重要任务,但它与OFDM理论没有直接关系。

帧同步

实际的通信系统(例如IEEE 802.11或802.3)交换所谓的帧,该帧由多个字段组成,这些字段又可以完成不同的特定任务。通常,一帧的第一个字段是所谓的前导,仅具有以下目的:

  • 检测到达的帧,
  • 使接收器与发送器同步,
  • 在接收器上执行自动增益校正(AGC)(在无线通信系统中需要)。

前同步码通常由Barker序列组成,该序列是具有最小非高峰自相关的二进制代码。该代码甚至不一定必须进行OFDM调制,但可以在可用频带内的单个载波上进行BPSK调制。接收器对输入的样本流应用匹配的滤波器。如果匹配的滤波器的输出超过特定阈值,则很有可能检测到传入的前同步码。由于巴克码的非高峰自相关系数极小,因此匹配滤波器输出的峰值可提供所需的信息,以将帧的后续字段与接收机的FFT对齐。

训练顺序

在前导之后,帧的下一个字段通常是某种OFDM 训练序列。训练序列的主要目的是估计各个子载波的信道系数,而不是同步。一些协议还区分长训练序列和短训练序列,而长训练序列可以在前导码和短训练序列在帧的其余部分中扩展之后直接找到。通常,接收者事先知道

  • 训练序列在框架中的位置和
  • 训练序列中包含的导频符号的值。

由于信道系数可能由于环境中节点和障碍物的移动性而随时间变化,因此必须在所谓的相干时间内重新估计它们,这是通过有效载荷OFDM之间的短训练序列(即导频符号)来实现的符号。相干时间可以近似为最大多普勒扩展的倒数。同样,在某些协议中,训练序列仅在几个等距的子载波上传输,而介于其间的所有其他子载波则继续进行有效载荷传输。这是有效的,因为相邻子载波的信道系数彼此相关。衰落信道的相干带宽可以估计为信道延迟扩展的倒数。

还应注意,在实际系统中,导频符号还可以用于其他目的,例如估计各个子载波的SNR或执行载波频率偏移的估计(请参阅下文)。

循环前缀

在连续的OFDM符号之间插入循环前缀的主要目的是减轻ISI(符号间干扰)和ICI(载波间干扰),而不是同步或确定符号的开始或结束。

缓解ISI

由于多径传播,发射波形的多个副本在不同的时刻到达接收器。因此,如果连续的OFDM符号之间没有保护空间,则在接收机处,所发送的OFDM符号可能与其后续的OFDM符号重叠,从而引起ISI。在时域中在连续的OFDM符号之间插入保护空间可减轻这种影响。如果保护空间大于最大信道延迟扩展,则所有多路径副本都会到达保护空间内,从而使后续的OFDM符号不受影响。注意,保护空间也可以包含零以减轻ISI的影响。实际上,在任何数字通信技术中,保护空间中都不需要循环前缀来减轻ISI的影响。

缓解ICI

在OFDM中,保护空间用循环前缀填充,以在由于多径传播而导致多个延迟副本到达接收器的情况下,保持子载波之间的正交性。如果保护空间实际上在发送器处填充为零,则到达接收器的多个副本将彼此不正交(即以某种方式相关),从而导致ICI。

载波频率偏移(CFO)和相位噪声

在实际系统中,发射器和接收器的载波频率振荡器通常在频率上有轻微的偏移,这会导致时间上的相位漂移。另外,实际振荡器的功率谱密度不是理想的增量函数,导致相位噪声。相位噪声会导致CFO不断变化,从而导致相位漂移的速度和方向发生变化。有多种技术可将接收器与接收信号重新同步,即跟踪输入信号的相位。这些技术可以另外利用信号中导频符号的存在,和/或应用盲估计和相关技术。

我还将维护用于软件无线电的开源OFDM框架,该框架涵盖了Matlab代码中上述技术。


我不确定术语。“ OFDM符号”将成为“字段”的同义词吗?
sellibitze 2013年

另外,我不确定您所说的“同步”是什么,因为同步的种类很多(频率,符号,帧)。
sellibitze 2013年

我不确定您所说的“领域”是什么。术语“ OFDM符号”是指您通过计算复数值数组(即子载波上的符号)的IDFT获得的样本序列。同步就是在接收器上正确对齐这样的采样序列。
罗宾·克洛斯

我对“ OFDM符号”的含义很清楚。但是,您在答案的第二句话中使用了“字段”一词(“ ...所谓的框架,其中包含多个字段...”)。
sellibitze 2013年

我知道了。“场”是指完成特定任务的框架的一部分。因此,不,“ OFDM符号”将不是“字段”的同义词。但是,如果一个字段包含有效载荷数据或导频符号,则该字段可以包含几个OFDM符号。
罗宾·克洛斯

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大致总结一下Deve和Jim Clay的出色反应:

符号同步由两个不同的任务组成-粗略的符号同步(近似符号边界)和精细的符号同步(略微调整粗略同步)。通常,精细同步的计算强度较小,因此可以更频繁地进行调整以适应通道中的变化。

导频符号是发射机和接收机已知的特殊预定义符号,可以通过在时域中搜索符号来进行粗略同步(“自相关”)

子载波的相位应该以可预测的方式从一个窗口改变到另一个窗口。例如,在BPSK中,相距一个窗口到下一个窗口的期望值应为0或pi弧度。通过尝试不同的窗口位置,并测试多个子载波(以获得更好的抗噪性),可以实现粗略的符号同步。这是一种“异国情调”的方法。

循环前缀是符号开头的延续,可以通过自相关来进行精细关联。

导频音是提前选择的特定子载波。它们带有特定的重复模式。它们用于信道估计,另外还可以用于精细同步。


一些补充:1)基于导频符号的同步也可以产生足够精确的同步,但是由于开销而不能非常频繁地更新。这对于慢速变化的频道可能没问题,但是快速变化的频道需要一些其他技术来更频繁地更新延迟时间。也就是说,导频符号同步不一定使用随后的精细同步方法,而精细同步方法需要一些初始的粗略估计来估计延迟时间。2)我编号为3的“异国”方法会按每个样本移动输入信号。我认为这是一种“精细同步”方法。
2013年
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