파일럿 톤, 순환 접두사 또는 기타 기술을 사용하여 OFDM에서 심볼 동기화가 수행되는 방식을 이해하려고합니다.
설명을 제공하는 다음 답변을 읽었지만 여전히 완전히 이해하지는 못합니다.
후속 채널 추정 알고리즘에 필요한 탭 수를 추정하는 방법은 무엇입니까?
구체적인 질문 :
1) 파일럿 톤은 어떻게 찾습니까? 부반송파의 일반 데이터와 다른 점은 무엇입니까? 심볼 시작과 끝을 결정하는 데 어떻게 사용할 수 있습니까?
2) 위의 답변을 올바르게 이해하면 순환 시작 접두어를 사용하여 기호 시작 / 종료를 찾을 수 있습니다. 왜냐하면 약간의 지연과 자동 상관 관계가 있기 때문입니다. 그러나, 환상 접두사는 ISI를 "흡수"하기 위해 존재한다. 그렇다면 접두사가 ISI와 함께 뭉친 경우 어떻게이 자동 상관이 성공할 수 있습니까?
답변:
OFDM 시스템에서 심볼 동기화가 수행되는 방법에 대한 일반적인 질문은 다음과 같습니다.
가장 널리 사용되고 자주 사용되는 기술 중 하나 는 수신기에 알려진 하나 또는 여러 개의 파일럿 심볼 을 전송하는 것 입니다. 파일럿 심볼은 각각의 서브 캐리어의 값이 송신기 및 수신기에서 미리 정의되고 알려진 완전한 OFDM 심볼이다. 채널 변경 속도에 따라 일정한 속도로 반복됩니다. 수신 된 신호는 파일럿 심볼과 상관되어 OFDM 심볼 시작을 검출한다. 채널 추정에도 사용할 수 있습니다. Schmidl과 Cox는 파일럿 심벌 기반 기술을 파일럿 심벌 기반 기법으로 소개했다.이 경우 파일럿 심벌은 수신기에서 알려지지 않아도된다.
Jason R이 자신의 의견에서 언급했듯이, 초기 목적은 아니지만 순환 접두어는 자동 상관을 통해 감지 할 수있는 수신 신호의 일부가 알려져 있기 때문에 심볼 동기화에도 사용할 수 있습니다. 지연 시간은 심볼별로 업데이트 될 수 있기 때문에 빠르게 변화하는 채널에 특히 적합합니다. 또한 추가 오버 헤드를 추가하지 않습니다. 그러나 잡음에 더 민감하고 [2] 아마도 ISI에도 영향을 미칩니다.
편집 : 이 방법으로 감지 할 수있는 최대 지연은 하나의 OFDM 심볼의 길이입니다. 따라서 정밀한 동기화에만 적합합니다.
좀 더 "이국적인"기술이 있습니다. 이들 중 하나에서, 예를 들어, 수신 된 신호의 시간-시프트 된 버전의 N-DFT (N = 서브 캐리어의 수)가 계산된다. 잘못된 시간 창에 DFT를 적용하면 결과 별자리 다이어그램이 엉망이됩니다. 정확한 시간 창이 표시되면 별자리 digaram에 별자리가 표시됩니다. 이는 DFT 출력의 표준 편차를 계산하여 감지 할 수 있습니다. 이 방법은 높은 계산 비용을 의미합니다.
특정 질문에 대해
파일럿 톤은 어떻게 찾습니까? 부반송파의 일반 데이터와 다른 점은 무엇입니까? 심볼 시작과 끝을 결정하는 데 어떻게 사용할 수 있습니까?
수신 된 신호를 동기화하면 파일럿 톤은 사전 정의 된 DFT 빈에 있습니다. 시스템을 설계 할 때 스펙트럼에서 파일럿 톤의 위치가 고정됩니다. 주파수 및 시간 영역에서 채널의 근사치를 얻기 위해 파일럿 톤의 위치가 사전 정의 된 패턴으로 변경되는 더 복잡한 방식이 있습니다. 주파수 영역에서 파일럿 톤을 추출하기 전에 수신 된 신호를 먼저 동기화해야하기 때문에 파일럿 톤을 동기화에 사용할 수 없습니다. 잘못된 시간 윈도우가 사용된다고 가정하자 : 부반송파의 직교성이 상실되고 DFT의 결과는 두 개의 연속적인 OFDM 심볼의 혼합이다. 이것은 비선형 효과이며 파일럿 혼합물은이 혼합물에서 추출 할 수 없습니다. 파일럿 톤은 채널 추정 및 때때로 위상 노이즈 완화에 사용됩니다.
편집 : Jim Clay가 자신의 의견에서 지적했듯이 지연에 대한 거친 값을 알고 잔류 지연이 순환 접두사의 길이를 초과하지 않으면 파일럿 톤을 통한 미세 동기화가 가능합니다.
위의 답변을 올바르게 이해하면 순환 시작 접두어를 사용하여 기호 시작 / 종료를 찾을 수 있습니다. 심지어 시작 / 종료는 약간의 지연과 자동 상관 관계가 있기 때문입니다. 그러나, 환상 접두사는 ISI를 "흡수"하기 위해 존재한다. 그렇다면 접두사가 ISI와 함께 뭉친 경우 어떻게이 자동 상관이 성공할 수 있습니까?
모든 동기화 기술과 마찬가지로이 방법은 노이즈 및 채널 분산을 겪게되므로 결과적으로 앞서 언급 한 효과의 일부까지만 작동합니다. 정확히 작동 하는 정도를 정량화하려면 이미 이미 수행 한 철저한 연구가 필요합니다.
Schmidl, TM; 콕스, DC; , "OFDM에 대한 강력한 주파수 및 타이밍 동기화"통신, IEEE 트랜잭션 on, vol.45, no.12, pp.1613-1621, 1997 년 12 월
[2] JJ 반 데 비크; Sandell, M .; Borjesson, PO; , "OFDM 시스템에서 시간 및 주파수 오프셋의 ML 추정", 신호 처리, IEEE 트랜잭션 on, vol.45, no.7, pp.1800-1805, 1997 년 7 월
How is a pilot tone found?
부반송파에 대한 파일럿 톤의 위치는 신호 프로토콜에 의해 정의된다. 예를 들어, 802.11a의 경우 파일럿 부반송파는 -21, -7, 7, 및 21이다.
What makes it different than the regular data on a sub-carrier?
수신기가 파일럿 톤의 내용을 정확히 알고 있다는 점이 다릅니다. 반송파 오프셋, 심볼 (타이밍) 오프셋, 채널 효과 (예 : 다중 경로) 등에 의해 발생하는 노이즈 및 왜곡 외에는 불확실성이 없습니다.
How can it be used to determine symbol starts and ends?
원형 이동 (때로는 "배럴"이동이라고 함)은 FFT에서 위상 오프셋을 생성합니다. 순환 접두사는 시간 이동을 원형 이동으로 만드는 정확한 목적을 위해 심볼의 끝에 붙습니다. 따라서, 역 FFT가 수행 될 때, 임의의 시간 오프셋은 모든 채널에서 위상 오프셋을 생성 할 것이다. 파일럿 톤이 무엇인지 정확히 알고 있기 때문에 위상 오프셋 (원래 심볼의 시간 오프셋에 해당)을 감지하고 수정할 수 있습니다.
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.
다시 말하지만, 이는 자동 상관 관계가 아니며, 역 FFT는 시간 이동을 파일럿 채널을 사용하여 감지 할 수있는 위상 이동으로 변환한다는 것입니다.
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?
다중 경로가 없으면 OFDM 신호가있는 ISI가 없습니다. 그들이 걱정해야 할 유일한 ISI는 기본 신호를 방해하는 지연된 다중 경로 신호가있을 때입니다. 이들은 의도적으로 순환 접두어를 "정상적인"다중 경로 지연보다 길게 만들므로 거의 항상 손상되지 않은 FFT의 손상되지 않은 데이터가 있습니다.
동기화는 실제 통신 시스템에서 중요한 작업이지만 OFDM 이론과 직접 관련이 없습니다.
실제 통신 시스템 (예 : IEEE 802.11 또는 802.3)은 여러 필드로 구성되는 소위 프레임을 교환하여 서로 다른 특정 작업을 수행합니다. 일반적으로 프레임의 첫 번째 필드는 소위 프리앰블입니다.
프리앰블은 일반적으로 최소 피크 외부 자기 상관을 갖는 이진 코드 인 Barker 시퀀스로 구성됩니다. 이 코드는 반드시 OFDM 변조 될 필요는 없지만, 가용 주파수 대역 내의 단일 반송파상에서 BPSK 변조 될 수도있다. 수신기는 일치하는 필터를 들어오는 샘플 스트림에 적용합니다. 일치하는 필터의 출력이 특정 임계 값을 초과하면 들어오는 프리앰블을 감지했을 가능성이 높습니다. 바커 코드의 피크 외부 자기 상관 계수가 최소이므로 일치하는 필터 출력의 피크는 프레임의 후속 필드를 수신기의 FFT에 맞추는 데 필요한 정보를 제공합니다.
프리앰블 이후에, 프레임의 다음 필드는 전형적으로 일종의 OFDM 트레이닝 시퀀스 이다. 트레이닝 시퀀스의 주요 목적은 동기화가 아닌 개별 서브 캐리어의 채널 계수 를 추정하는 것이다. 일부 프로토콜은 긴 트레이닝 시퀀스와 짧은 트레이닝 시퀀스를 구별하는 반면, 긴 트레이닝 시퀀스는 프리앰블 및 짧은 트레이닝 시퀀스가 나머지 프레임에 확산 된 직후에 발견 될 수 있습니다. 일반적으로, 수신자는 미리 알고 있습니다
환경에서의 노드 및 장애물의 이동성으로 인해 채널 계수가 시간에 따라 변할 수 있기 때문에, 소위 코 히어 런스 시간 (coherence time) 내에서 재 계산되어야하며, 이는 페이로드 OFDM 사이의 짧은 트레이닝 시퀀스 (즉, 파일럿 심볼)에 의해 달성된다 기호. 코 히어 런스 시간은 최대 도플러 확산의 역수로 근사 될 수 있습니다. 또한, 일부 프로토콜에서, 트레이닝 시퀀스는 동일한 간격으로 배치 된 소수의 서브 캐리어에서만 전송되는 반면, 그 사이의 다른 모든 서브 캐리어는 페이로드 전송을 계속한다. 인접 부반송파의 채널 계수가 서로 관련되어 있기 때문에 작동합니다. 페이딩 채널의 코 히어 런스 대역폭은 채널 지연 확산의 역으로 추정 될 수있다.
또한, 실제 시스템에서, 파일럿 심볼은 개별 부반송파의 SNR을 추정하거나 반송파 주파수 오프셋의 추정을 수행하는 것과 같은 다른 목적으로 사용될 수도있다 (아래 참조).
연속 OFDM 심볼들 사이에 삽입 된 순환 프리픽스의 주요 목적은 동기화 또는 심볼 시작 또는 종료를 결정하는 것이 아니라 ISI (Inter-Symbol-Interference) 및 ICI (Inter-Carrier-Interference)의 완화이다.
다중 경로 전파로 인해 전송 된 파형의 여러 복사본이 서로 다른 시간 순간에 수신기에 도착합니다. 따라서, 연속적인 OFDM 심볼들 사이에 가드 공간이 없다면, 전송 된 OFDM 심볼은 수신기에서 후속 OFDM 심볼과 겹칠 수 있고, ISI를 야기 할 수있다. 시간 영역에서 연속적인 OFDM 심볼들 사이에 가드 공간을 삽입하면이 효과가 완화된다. 가드 공간이 최대 채널 지연 확산보다 큰 경우, 모든 다중 경로 사본은 가드 공간 내에 도착하여 후속 OFDM 심볼은 영향을받지 않습니다. 가드 공간에는 ISI의 영향을 완화하기 위해 0이 포함될 수도 있습니다. 실제로, ISI의 영향을 완화하기 위해 디지털 통신 기술의 가드 공간에는 주기적 접두사가 필요하지 않습니다.
OFDM에서, 다중 경로 전파로 인해 다수의 지연된 카피들이 수신기에 도달하는 조건에서 서브 캐리어들 사이의 직교성을 유지하기 위해 보호 공간들이 순환 프리픽스로 채워진다. 가드 공간이 실제로 송신기에서 0으로 채워진 경우, 수신기에 도착하는 다수의 사본은 서로 직교하지 않아 (즉, 어떻게 든 상관되어) ICI를 야기한다.
실제 시스템에서 송신기와 수신기의 반송 주파수 발진기는 주파수에 약간의 오프셋이있어 시간이 지남에 따라 위상 드리프트 가 발생합니다 . 또한 실제 오실레이터의 전력 스펙트럼 밀도는 이상적인 델타 기능이 아니므로 위상 노이즈가 발생합니다. 위상 노이즈로 인해 CFO가 지속적으로 변경되어 위상 드리프트의 속도와 방향이 변경됩니다. 수신기를 수신 된 신호 로 재 동기화 하는, 즉 들어오는 신호의 위상을 추적하는 다양한 기술이있다 . 이들 기술은 신호에서 파일럿 심볼의 존재를 추가로 이용하고 /하거나 블라인드 추정 및 상관 기술을 적용 할 수있다.
또한 소프트웨어 정의 라디오 용 오픈 소스 OFDM 프레임 워크 를 유지 관리하는데 , 여기에는 Matlab 코드에서 설명한 기술이 포함됩니다.
Deve & Jim Clay의 탁월한 답변을 대략적으로 요약하면 다음과 같습니다.
심볼 동기화는 심볼 경계가 근사치 인 거친 심볼 동기화와 대략적인 동기화가 약간 조정되는 미세한 심볼 동기화라는 두 가지 작업으로 구성됩니다. 종종 미세 동기화는 계산 집약적이지 않으므로 채널 변경에 맞게 더 자주 수행 할 수 있습니다.
송신기 및 수신기에 알려진 특수 사전 정의 된 심볼 인 파일럿 심볼은 시간 영역에서 심볼을 검색하여 대략적인 동기화를 수행하는 데 사용될 수 있습니다 ( "자동 상관")
부반송파의 위상은 한 창에서 다음 창으로 예측 가능한 방식으로 변경되어야합니다. 예를 들어, BPSK에서 위상은 한 창에서 다음 창으로의 예상 값에서 0 또는 pi 라디안이어야합니다. 다른 윈도우 위치를 시도하고 (더 나은 잡음 내성을 위해) 여러 서브 캐리어를 테스트함으로써 거친 심볼 동기화를 달성 할 수 있습니다. 이것은 "이국적인"방법입니다.
시작에 접두사가 붙은 심볼의 연속 인 순환 접두사는 자동 상관을 통한 미세한 상관 관계를 위해 사용될 수 있습니다.
파일럿 톤은 미리 선택된 특정 부반송파입니다. 그들은 특정 반복 패턴을 가지고 있습니다. 이들은 채널 추정에 사용되며 추가로 미세 동기화에 사용될 수 있습니다.