Saya mencoba memahami bagaimana sinkronisasi simbol dilakukan dalam OFDM menggunakan nada pilot, awalan siklik, atau teknik lainnya.

Saya sudah membaca jawaban berikut yang memberikan beberapa penjelasan, tetapi saya masih belum sepenuhnya memahaminya.

Cara mendemodulasi sinyal OFDM

Bagaimana cara memperkirakan jumlah keran yang dibutuhkan untuk algoritma estimasi saluran selanjutnya?

Pertanyaan spesifik:

1) Bagaimana nada pilot ditemukan? Apa yang membuatnya berbeda dari data reguler pada sub-operator? Bagaimana itu bisa digunakan untuk menentukan simbol mulai dan berakhir?

2) Jika saya memahami jawaban di atas dengan benar, awalan siklik dapat digunakan untuk menemukan simbol start / end karena akan berkorelasi otomatis dengan beberapa penundaan. Namun, awalan siklik ada untuk "menyerap" ISI. Jadi, jika awalan telah dikaitkan dengan ISI, lalu bagaimana korelasi-otomatis ini berhasil?

Mengenai Anda, pertanyaan umum tentang bagaimana sinkronisasi simbol dilakukan dalam sistem OFDM:

1. Salah satu teknik yang paling populer dan sering digunakan adalah transmisi satu atau beberapa simbol pilot yang dikenal di penerima. Simbol pilot adalah simbol OFDM lengkap di mana nilai masing-masing subcarrier ditentukan sebelumnya dan dikenal dalam pemancar dan penerima. Itu diulangi dengan laju tertentu yang tergantung pada seberapa cepat saluran berubah. Sinyal yang diterima berkorelasi dengan simbol pilot untuk mendeteksi awal simbol OFDM. Ini juga dapat digunakan untuk estimasi saluran. Schmidl dan Cox telah memperkenalkan [1] teknik berbasis simbol pilot di mana simbol pilot memiliki simetri khusus sehingga simbol pilot tidak perlu diketahui di penerima.

2. Seperti yang dicatat oleh Jason R dalam komentarnya, meskipun ini bukan tujuan awalnya, awalan siklik juga dapat digunakan untuk sinkronisasi simbol karena ini merupakan pengulangan yang diketahui dari beberapa bagian dari sinyal yang diterima yang dapat dideteksi melalui autokorelasi. Ini sangat cocok untuk saluran yang berubah cepat, karena waktu tunda dapat diperbarui berdasarkan per simbol. Selain itu, itu tidak menambahkan overhead tambahan. Namun, lebih sensitif terhadap kebisingan [2] dan mungkin juga untuk ISI.
   Sunting: Penundaan maksimum yang dapat dideteksi oleh metode ini adalah panjang dari satu simbol OFDM. Karena itu hanya cocok untuk sinkronisasi halus.

3. Ada beberapa teknik yang lebih "eksotis". Dalam salah satu dari ini, misalnya, N-DFT (N = jumlah subcarrier) versi waktu-bergeser dari sinyal yang diterima dihitung. Jika Anda menerapkan DFT ke jendela waktu yang salah, diagram konstelasi yang dihasilkan akan berantakan. Jika Anda mendapatkan jendela waktu yang benar, digaram rasi bintang menunjukkan titik rasi yang berbeda. Ini dapat dideteksi dengan menghitung standar deviasi dari output DFT. Metode ini menyiratkan biaya komputasi yang tinggi.

Mengenai Anda pertanyaan spesifik

Bagaimana nada pilot ditemukan? Apa yang membuatnya berbeda dari data reguler pada sub-operator? Bagaimana itu bisa digunakan untuk menentukan simbol mulai dan berakhir?

Setelah Anda menyinkronkan sinyal yang diterima, nada pilot berada di nampan DFT yang telah ditentukan. Saat merancang sistem, lokasi nada pilot dalam spektrum ditetapkan. Ada skema yang lebih kompleks, di mana lokasi nada pilot berubah dalam pola yang telah ditentukan untuk mendapatkan perkiraan saluran yang baik dalam frekuensi dan domain waktu. Nada pilot tidak dapat digunakan untuk sinkronisasi, karena sinyal yang diterima harus disinkronkan terlebih dahulu sebelum Anda bahkan dapat mengekstrak nada pilot dalam domain frekuensi. Asumsikan bahwa jendela waktu yang salah digunakan: ortogonalitas subcarrier akan hilang dan hasil DFT adalah campuran dari dua simbol OFDM berturut-turut. Ini adalah efek nonlinear dan simbol pilot tidak dapat diekstraksi dari campuran ini. Nada pilot digunakan untuk estimasi saluran dan terkadang mitigasi kebisingan fase.
Sunting: Seperti yang ditunjukkan Jim Clay dalam komentarnya, sinkronisasi yang baik melalui nada pilot dimungkinkan jika nilai kasar untuk penundaan diketahui dan penundaan sisa tidak melebihi panjang awalan siklik.

Jika saya memahami jawaban di atas dengan benar, awalan siklik dapat digunakan untuk menemukan simbol start / end karena akan berkorelasi otomatis dengan beberapa penundaan. Namun, awalan siklik ada untuk "menyerap" ISI. Jadi, jika awalan telah dikaitkan dengan ISI, lalu bagaimana korelasi-otomatis ini berhasil?

Seperti semua teknik sinkronisasi metode ini akan menderita dari noise dan dispersi saluran dan akibatnya hanya akan bekerja sampai batas tertentu dari efek yang disebutkan sebelumnya. Mengukur sejauh mana tepatnya itu masih berfungsi akan membutuhkan penelitian menyeluruh yang pasti telah dilakukan seseorang.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , "Sinkronisasi frekuensi dan waktu yang tepat untuk OFDM," Komunikasi, Transaksi IEEE aktif, vol.45, no.12, pp.1613-1621, Desember 1997

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M.; Borjesson, PO; , "Perkiraan ML offset waktu dan frekuensi dalam sistem OFDM," Pemrosesan Sinyal, Transaksi IEEE aktif, vol.45, no.7, pp.1800-1805, Jul 1997

How is a pilot tone found?

Lokasi nada pilot dalam hal sub-operator ditentukan oleh protokol sinyal. Misalnya, dalam kasus 802.11a, sub-carrier pilot adalah -21, -7, 7, dan 21.

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

Berbeda dengan penerima yang tahu persis apa nada pilot. Tidak ada ketidakpastian selain kebisingan dan distorsi yang disebabkan oleh offset pembawa, offset simbol (waktu), efek saluran (misalnya multi-jalur), dll.

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

Pergeseran melingkar (kadang-kadang disebut pergeseran "laras") menghasilkan offset fase dalam FFT's. Awalan siklik mengawali akhir simbol untuk tujuan yang tepat membuat pergeseran waktu menjadi perubahan melingkar. Jadi, ketika FFT terbalik dilakukan, offset kapan pun akan membuat fase offset di semua saluran. Karena kita tahu persis apa nada pilot seharusnya, offset fase (yang sesuai dengan offset waktu pada simbol asli) dapat dideteksi dan diperbaiki.

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.

Sekali lagi, ini bukan hal korelasi-otomatis, FFT terbalik menerjemahkan pergeseran waktu menjadi pergeseran fasa yang dapat kita gunakan saluran pilot untuk mendeteksi.

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?

Tanpa multi-path, tidak ada ISI dengan sinyal OFDM. Satu-satunya ISI yang harus mereka khawatirkan adalah ketika ada sinyal multi-jalur tertunda yang mengganggu sinyal primer. Mereka sengaja membuat awalan siklik lebih lama daripada penundaan multi-jalur "normal", jadi hampir selalu ada nilai FFT utuh untuk data yang tidak rusak.

Sinkronisasi adalah tugas penting dalam sistem komunikasi praktis tetapi tidak terkait langsung dengan teori OFDM.

Sinkronisasi Bingkai

Sistem komunikasi praktis (seperti IEEE 802.11 atau 802.3) menukar apa yang disebut frame, yang terdiri dari beberapa bidang, yang pada gilirannya menyelesaikan tugas yang berbeda dan spesifik. Biasanya, bidang pertama dari sebuah bingkai adalah apa yang disebut pembukaan, yang hanya memiliki tujuan

• mendeteksi frame yang tiba,
• menyinkronkan penerima dengan pemancar,
• melakukan koreksi penguatan otomatis (AGC) pada penerima (diperlukan dalam sistem komunikasi nirkabel).

Pembukaan biasanya terdiri dari urutan Barker, yang merupakan kode biner dengan autokorelasi off-peak minimal. Kode ini bahkan tidak harus modulasi OFDM, tetapi mungkin juga di modulasi BPSK pada satu operator dalam pita frekuensi yang tersedia. Penerima menerapkan filter yang cocok dengan aliran sampel yang masuk. Jika output filter yang cocok melebihi ambang tertentu, sangat mungkin bahwa itu telah mendeteksi pembukaan yang masuk. Karena koefisien autokorelasi off-peak kode Barker minimal, puncak output filter yang cocok memberikan informasi yang diperlukan untuk menyelaraskan bidang frame berikutnya dengan FFT penerima.

Urutan Pelatihan

Setelah pembukaan, bidang berikutnya dari frame biasanya semacam urutan pelatihan OFDM . Tujuan utama dari urutan pelatihan adalah untuk memperkirakan koefisien saluran masing-masing subcarrier, bukan sinkronisasi. Beberapa protokol juga membedakan antara urutan pelatihan panjang dan pendek, sedangkan urutan pelatihan panjang dapat ditemukan langsung setelah pembukaan dan urutan pelatihan pendek tersebar di seluruh bingkai. Umumnya, penerima tahu sebelumnya

• posisi urutan pelatihan dalam bingkai dan
• nilai-nilai simbol pilot yang terkandung dalam urutan pelatihan.

Karena koefisien saluran dapat berubah dari waktu ke waktu karena mobilitas node dan hambatan di lingkungan, koefisien tersebut harus diperkirakan kembali dalam waktu yang disebut waktu koherensi, yang dicapai dengan urutan pelatihan singkat (yaitu, simbol pilot) antara muatan OFDM simbol. Waktu koherensi dapat diperkirakan sebagai kebalikan dari penyebaran Doppler maksimum. Juga, dalam beberapa protokol, urutan pelatihan ditransmisikan hanya pada beberapa subcarrier dengan jarak yang sama, sementara semua subcarrier lainnya di antaranya meneruskan transmisi muatan. Ini berfungsi karena koefisien saluran subcarrier tetangga berkorelasi satu sama lain. Bandwidth koherensi saluran fading dapat diperkirakan sebagai kebalikan dari keterlambatan penyebaran saluran.

Juga perhatikan bahwa dalam sistem praktis, simbol percontohan juga dapat digunakan untuk tujuan lain, seperti memperkirakan SNR masing-masing subcarrier atau untuk melakukan estimasi offset frekuensi pembawa (lihat di bawah).

Awalan siklik

Tujuan utama dari awalan siklik yang disisipkan di antara simbol-simbol OFDM berturut-turut adalah mitigasi ISI (Inter-Symbol-Interference) dan ICI (Inter-Carrier-Interference), bukan sinkronisasi atau penentuan simbol mulai atau berakhir.

Mitigasi ISI

Karena propagasi multipath, banyak salinan dari bentuk gelombang yang ditransmisikan tiba di penerima pada waktu yang berbeda. Oleh karena itu, jika tidak ada ruang pengaman antara simbol OFDM yang berurutan, simbol OFDM yang ditransmisikan mungkin tumpang tindih dengan simbol OFDM berikutnya pada penerima, yang menyebabkan ISI. Memasukkan ruang penjaga antara simbol OFDM berturut-turut dalam domain waktu mengurangi efek ini. Jika ruang penjaga lebih besar dari penyebaran penundaan saluran maksimum, semua salinan multi-jalur tiba di dalam ruang penjaga, menjaga simbol OFDM berikutnya tidak terpengaruh. Perhatikan bahwa ruang pelindung juga dapat berisi nol untuk mengurangi efek ISI. Bahkan, tidak ada awalan siklik diperlukan di ruang jaga dalam teknik komunikasi digital apa pun untuk mengurangi efek ISI.

Mitigasi ICI

Dalam OFDM, ruang penjaga diisi dengan awalan siklik untuk mempertahankan ortogonalitas antara subcarrier dengan syarat beberapa salinan yang tertunda tiba di penerima karena propagasi multi-jalur. Jika ruang penjaga benar-benar diisi dengan nol di pemancar, banyak salinan yang tiba di penerima akan menjadi non-ortogonal (yaitu, entah bagaimana berkorelasi) satu sama lain, menyebabkan ICI.

Carrier Frequency Offset (CFO) dan Fase Kebisingan

Dalam sistem praktis, osilator frekuensi pemancar dan pembawa frekuensi biasanya memiliki sedikit offset frekuensi, yang menyebabkan fasa melayang dari waktu ke waktu. Selain itu, kerapatan spektral daya dari osilator praktis bukanlah fungsi delta yang ideal, menghasilkan noise fase. Derau fase menyebabkan CFO terus berubah, menghasilkan perubahan kecepatan dan arah drift fase. Ada berbagai teknik untuk menyinkronkan ulang penerima ke sinyal yang diterima, yaitu, untuk melacak fase sinyal yang masuk. Teknik-teknik ini juga dapat mengeksploitasi keberadaan simbol pilot dalam sinyal, dan / atau menerapkan estimasi buta dan teknik korelasi.

Saya juga memelihara kerangka kerja OFDM open-source untuk perangkat lunak yang ditentukan radio, yang mencakup teknik yang dijelaskan di atas dalam kode Matlab.

Untuk merangkum tanggapan Deve & Jim Clay yang luar biasa:

Simbol Sinkronisasi terdiri dari dua tugas yang berbeda - sinkronisasi simbol kasar, di mana batas simbol didekati, dan sinkronisasi simbol halus, di mana sinkronisasi kasar sedikit disesuaikan. Seringkali sinkronisasi halus kurang intensif secara komputasi sehingga dapat dilakukan lebih sering untuk menyesuaikan perubahan di saluran.

Simbol pilot, yang merupakan simbol pradefinisi khusus yang diketahui oleh pemancar dan penerima dapat digunakan untuk melakukan sinkronisasi kasar dengan mencari simbol dalam domain waktu ("korelasi otomatis")

Fase dari sub-carrier harus berubah dengan cara yang dapat diprediksi dari satu jendela ke jendela berikutnya. Misalnya, dalam BPSK, fase harus 0 atau pi radian dari nilai yang diharapkan dari satu jendela ke jendela berikutnya. Dengan mencoba posisi jendela yang berbeda, dan menguji beberapa sub-operator (untuk kekebalan noise yang lebih baik) sinkronisasi simbol kasar dapat dicapai. Ini adalah metode "eksotis".

Awalan siklik, yang merupakan kelanjutan dari simbol yang diawali dengan awal, dapat digunakan untuk korelasi halus melalui korelasi-otomatis.

Nada pilot adalah sub-operator khusus yang dipilih sebelumnya. Mereka membawa pola pengulangan tertentu. Mereka digunakan untuk estimasi saluran dan juga dapat digunakan untuk sinkronisasi halus.