Estou tentando entender como a sincronização de símbolos é feita no OFDM usando tons piloto, prefixos cíclicos ou qualquer outra técnica.

Eu li as seguintes respostas que fornecem alguma explicação, mas ainda não a entendo totalmente.

Como desmodular um sinal OFDM

Como estimar o número de toques necessários para os algoritmos de estimativa de canal subsequentes?

Questões específicas:

1) Como é encontrado um tom de piloto? O que o diferencia dos dados regulares em uma subportadora? Como pode ser usado para determinar o início e o fim do símbolo?

2) Se eu entendi as respostas acima corretamente, um prefixo cíclico pode ser usado para encontrar o início / fim do símbolo, porque ele se correlacionará automaticamente com algum atraso. No entanto, o prefixo cíclico existe para "absorver" o ISI. Portanto, se o prefixo foi associado ao ISI, como essa correlação automática pode ser bem-sucedida?

Em relação à sua pergunta geral sobre como a sincronização de símbolos é feita nos sistemas OFDM:

1. Uma das técnicas mais populares e usadas com freqüência é a transmissão de um ou vários símbolos piloto conhecidos no receptor. Um símbolo piloto é um símbolo OFDM completo, em que o valor de cada subportadora é predefinido e conhecido no transmissor e receptor. É repetido com uma certa taxa que depende da rapidez com que o canal muda. O sinal recebido é correlacionado com o símbolo piloto para detectar o início do símbolo OFDM. Também pode ser usado para estimativa de canal. Schmidl e Cox introduziram em [1] uma técnica baseada em símbolos piloto, na qual o símbolo piloto possui uma simetria especial, de modo que o símbolo piloto não precisa ser conhecido no receptor.

2. Como Jason R observou em seu comentário, embora não seja seu objetivo inicial, o prefixo cíclico também pode ser usado para sincronização de símbolos, porque é uma repetição conhecida de alguma parte do sinal recebido que pode ser detectada por autocorrelação. É especialmente adequado para canais que mudam rapidamente, porque o tempo de atraso pode ser atualizado por símbolo. Além disso, ele não adiciona nenhuma sobrecarga adicional. No entanto, é mais sensível ao ruído [2] e, presumivelmente, também ao ISI.
   Edit: O atraso máximo que pode ser detectado por esse método é o comprimento de um símbolo OFDM. Portanto, é adequado apenas para sincronização fina.

3. Existem algumas técnicas mais "exóticas". Em uma delas, por exemplo, é calculado o N-DFT (N = número de subportadoras) das versões com desvio de tempo do sinal recebido. Se você aplicar o DFT à janela de tempo incorreta, o diagrama da constelação resultante ficará uma bagunça. Se você obteve a janela de tempo correta, o digaram da constallação mostra pontos de constelação distintos. Isso pode ser detectado calculando o desvio padrão da saída DFT. Este método implica um alto custo computacional.

Em relação a perguntas específicas

Como é encontrado um tom de piloto? O que o diferencia dos dados regulares em uma subportadora? Como pode ser usado para determinar o início e o fim do símbolo?

Depois de sincronizar o sinal recebido, os tons piloto estão em posições pré-definidas da DFT. Ao projetar o sistema, a localização dos tons piloto no espectro é fixa. Existem esquemas mais complexos, nos quais a localização dos tons piloto muda em um padrão predefinido para obter uma boa aproximação do canal no domínio da frequência e do tempo. Os tons piloto não podem ser usados ​​para sincronização, porque o sinal recebido deve ser sincronizado primeiro antes que você possa extrair os tons piloto no domínio da frequência. Suponha que seja usada uma janela de tempo incorreta: a ortogonalidade das subportadoras será perdida e o resultado da DFT é uma mistura de dois símbolos OFDM consecutivos. Este é um efeito não linear e os símbolos piloto não podem ser extraídos dessa mistura. Os tons piloto são usados ​​para estimativa de canal e, às vezes, para mitigação de ruído de fase.
Edit: Como Jim Clay apontou em seus comentários, a sincronização fina por meio de tons piloto é possível se um valor grosseiro para o atraso for conhecido e o atraso residual não exceder a duração do prefixo cíclico.

Se eu entendi as respostas acima corretamente, um prefixo cíclico pode ser usado para encontrar o início / fim do símbolo, porque ele se correlacionará automaticamente com algum atraso. No entanto, o prefixo cíclico existe para "absorver" o ISI. Portanto, se o prefixo foi associado ao ISI, como essa correlação automática pode ser bem-sucedida?

Como todas as técnicas de sincronização, esse método sofrerá dispersão de ruído e canal e, conseqüentemente, funcionará apenas até certo ponto dos efeitos mencionados acima. Quantificar até que ponto exatamente ele ainda está funcionando exigiria uma pesquisa minuciosa que alguém já fez.

[1] Schmidl, TM; Cox, DC; , "Sincronização robusta de frequência e tempo para OFDM", Communications, IEEE Transactions on, vol.45, no.12, pp.1613-1621, dez 1997

[2] van de Beek, JJ; Sandell, M .; Borjesson, PO; , "Estimativa ML de deslocamento de tempo e frequência em sistemas OFDM", Processamento de Sinais, Transações IEEE, vol.45, no.7, pp.1800-1805, julho de 1997

How is a pilot tone found?

A localização dos tons piloto em termos de subportadoras é definida pelo protocolo de sinal. Por exemplo, no caso do 802.11a, as subportadoras piloto são -21, -7, 7 e 21.

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

É diferente, pois o receptor sabe exatamente o que o tom piloto contém. Não há outra incerteza além de ruído e distorção provocados pelo deslocamento da portadora, deslocamento do símbolo (tempo), efeitos do canal (por exemplo, caminhos múltiplos), etc.

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

Os turnos circulares (às vezes chamados de turnos "barril") produzem compensações de fase nas FFTs. O prefixo cíclico precede o final do símbolo com a finalidade exata de transformar uma mudança no tempo em uma mudança circular. Assim, quando a FFT inversa for realizada, qualquer deslocamento de tempo criará um deslocamento de fase em todos os canais. Como sabemos exatamente quais devem ser os tons piloto, o deslocamento de fase (que corresponde a um deslocamento de tempo no símbolo original) pode ser detectado e corrigido.

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.

Novamente, não é uma coisa de correlação automática, é que a FFT inversa traduz a mudança de tempo em uma mudança de fase que podemos usar os canais piloto para detectar.

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?

Sem caminhos múltiplos, não há ISI com sinais OFDM. O único ISI com o qual eles precisam se preocupar é quando há um sinal de vários caminhos atrasado que interfere no sinal primário. Eles intencionalmente tornam o prefixo cíclico mais longo que qualquer atraso de vários caminhos "normal", de modo que quase sempre há um valor intacto da FFT de dados não corrompidos.

A sincronização é uma tarefa importante em sistemas de comunicação práticos, mas não está diretamente relacionada à teoria do OFDM.

Sincronização de quadros

Sistemas de comunicação práticos (como IEEE 802.11 ou 802.3) trocam os chamados quadros, que consistem em vários campos, que por sua vez realizam tarefas específicas diferentes. Normalmente, o primeiro campo de um quadro é o chamado preâmbulo, que tem o simples objetivo de

• detectar quadros chegando,
• sincronizar o receptor com o transmissor,
• executando a correção automática de ganho (AGC) no receptor (necessário em sistemas de comunicação sem fio).

O preâmbulo normalmente consiste em uma sequência de Barker, que é um código binário com autocorrelação mínima fora do pico. Esse código nem precisa necessariamente ser modulado com OFDM, mas pode ser modulado com BPSK em uma única operadora dentro da faixa de frequência disponível. O receptor aplica um filtro correspondente ao fluxo de amostras recebido. Se a saída do filtro correspondente exceder um limite específico, é muito provável que ele tenha detectado um preâmbulo recebido. Como os coeficientes de autocorrelação fora do pico do código de Barker são mínimos, o pico da saída do filtro correspondente fornece as informações necessárias para alinhar os campos subsequentes do quadro com a FFT do receptor.

Sequência de treinamento

Após o preâmbulo, o próximo campo de um quadro é normalmente algum tipo de sequência de treinamento OFDM . O principal objetivo das seqüências de treinamento é estimar os coeficientes de canal de subportadoras individuais, não a sincronização. Alguns protocolos também distinguem entre sequências de treinamento longas e curtas, enquanto uma sequência de treinamento longa pode ser encontrada diretamente após as sequências de preâmbulo e curta serem espalhadas no restante do quadro. Geralmente, o receptor sabe com antecedência

• as posições das sequências de treinamento no quadro e
• os valores dos símbolos piloto contidos nas sequências de treinamento.

Como os coeficientes de canal podem mudar ao longo do tempo devido à mobilidade de nós e obstáculos no ambiente, eles devem ser re-estimados dentro do chamado tempo de coerência, que é realizado por breves sequências de treinamento (ou seja, símbolos de piloto) entre a carga útil OFDM símbolos O tempo de coerência pode ser aproximado como o inverso da propagação máxima do Doppler. Além disso, em alguns protocolos, as sequências de treinamento são transmitidas apenas em algumas subportadoras igualmente espaçadas, enquanto todas as outras subportadoras entre as transmissões de carga útil continuam. Isso funciona, pois os coeficientes de canal das subportadoras vizinhas são correlacionados entre si. A largura de banda de coerência de um canal de desbotamento pode ser estimada como o inverso da propagação do atraso do canal.

Observe também que, em sistemas práticos, os símbolos piloto também podem ser usados ​​para outros fins, como estimar o SNR de subportadoras individuais ou realizar a estimativa do deslocamento de frequência da portadora (veja abaixo).

Prefixo cíclico

O principal objetivo do prefixo cíclico inserido entre os símbolos OFDM sucessivos é a mitigação de ISI (Inter-Symbol-Interference) e ICI (Inter-Carrier-Interference), não a sincronização ou determinação do início ou término do símbolo.

Mitigação do ISI

Devido à propagação de caminhos múltiplos, várias cópias da forma de onda transmitida chegam ao receptor em instantes de tempo diferentes. Portanto, se não houvesse espaço de guarda entre símbolos OFDM sucessivos, um símbolo OFDM transmitido pode se sobrepor ao seu símbolo OFDM subsequente no receptor, causando ISI. A inserção de um espaço de guarda entre símbolos OFDM sucessivos no domínio do tempo atenua esse efeito. Se o espaço de proteção for maior que o atraso máximo do canal espalhado, todas as cópias de vários caminhos chegarão ao espaço de proteção, mantendo o símbolo OFDM subsequente inalterado. Observe que o espaço de guarda também pode conter zeros para mitigar o efeito do ISI. De fato, nenhum prefixo cíclico é necessário no espaço de proteção em qualquer técnica de comunicação digital para mitigar o efeito do ISI.

Mitigação de ICI

No OFDM, os espaços de proteção são preenchidos com um prefixo cíclico para manter a ortogonalidade entre as subportadoras, desde que várias cópias atrasadas cheguem ao receptor devido à propagação de vários caminhos. Se o espaço de proteção fosse realmente preenchido com zeros no transmissor, as várias cópias que chegassem ao receptor não seriam ortogonais (isto é, de alguma forma correlacionadas) entre si, causando ICI.

Offset de frequência da operadora (CFO) e ruído de fase

Em sistemas práticos, os osciladores de frequência portadora do transmissor e do receptor geralmente têm um ligeiro deslocamento na frequência, o que causa um desvio de fase ao longo do tempo. Além disso, a densidade espectral de potência de um oscilador prático não é uma função delta ideal, resultando em ruído de fase. O ruído de fase faz com que o CFO mude continuamente, resultando em uma alteração na velocidade e na direção do desvio de fase. Existem várias técnicas para ressincronizar o receptor com o sinal recebido, ou seja, para rastrear a fase do sinal recebido. Essas técnicas podem explorar adicionalmente a presença de símbolos piloto no sinal e / ou aplicar técnicas cegas de estimativa e correlação.

Também mantenho uma estrutura OFDM de código aberto para rádios definidos por software, que abrange as técnicas descritas acima no código Matlab.

Para resumir as excelentes respostas de Deve & Jim Clay:

A sincronização de símbolos consiste em duas tarefas diferentes - sincronização aproximada de símbolos, na qual os limites dos símbolos são aproximados, e sincronização fina de símbolos, onde a sincronização aproximada é ligeiramente ajustada. Freqüentemente, a sincronização precisa é menos intensiva em termos computacionais e, portanto, pode ser feita com mais freqüência para ajustar as alterações no canal.

Os símbolos piloto, que são símbolos predefinidos especiais conhecidos pelo transmissor e pelo receptor, podem ser usados ​​para realizar uma sincronização grosseira, procurando o símbolo no domínio do tempo ("correlação automática")

A fase de uma subportadora deve mudar de maneira previsível de uma janela para a seguinte. Por exemplo, no BPSK, a fase deve estar 0 ou pi radianos do valor esperado de uma janela para a seguinte. Tentando diferentes posições da janela e testando várias subportadoras (para melhor imunidade ao ruído), é possível obter uma sincronização aproximada dos símbolos. Este é um método "exótico".

Os prefixos cíclicos, que são uma continuação do símbolo prefixado desde o início, podem ser usados ​​para correlação fina por meio da correlação automática.

Os tons piloto são subportadoras específicas escolhidas com antecedência. Eles carregam um padrão de repetição específico. Eles são usados ​​para estimativa de canal e adicionalmente podem ser usados ​​para sincronização fina.