如何使用OFDM进行符号同步？

#1 楼

关于您在OFDM系统中如何完成符号同步的一般性问题：


最流行和最常用的技术之一是传输一个或多个导频符号，这些导频符号在收件人。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，该速率取决于信道的变化速度。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，该技术中的导频符号具有特殊的对称性，因此无需在接收方知道该导频符号。循环前缀不是最初的目的，也可以用于符号同步，因为它是接收信号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，它对噪声更敏感，[2]并且可能对ISI也更敏感。编辑：这种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。
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，则生成的星座图将很混乱。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。此方法意味着较高的计算成本。

关于您的特定问题


如何找到领航音？是什么使其与子载波上的常规数据不同？



一旦您同步了接收到的信号，导频音就会在DFT的预定义仓位上。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，以在频域和时域中均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，有时还用于相位噪声的缓解。编辑：正如吉姆·克莱（Jim Clay）在他的评论中指出的那样，如果知道延迟的粗略值并且残留延迟不超过长度，则可以通过导频音进行精细同步。



如果我正确理解了上面的答案，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，那么这种自动相关如何成功？在一定程度上具有上述作用。量化它到底能在多大程度上起作用仍需要进行一些彻底的研究，而somone肯定已经做了。


[1] Schmidl，T.M .；哥伦比亚特区考克斯； ，“ OFDM的稳健频率和定时同步”，通讯，IEEE事务，第45卷，第12期，第1613-1621页，1997年12月。[2] van de Beek，J.J .；桑德尔，M。 P.O. 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

#2 楼

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，对于802.11a，导频子载波是-21，-7、7和21。

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

不同之处在于接收器确切知道领航音包含什么。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?

圆形移位（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。因为我们确切地知道了导频音应该是什么，所以可以检测并校正相位偏移（与原始符号中的时间偏移相对应）。

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.

再次，这不是自相关的事情，它是逆FFT将时移转换为相移，我们可以使用导频通道进行检测。

>没有多路径，OFDM信号不存在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长于任何“正常”多径延迟，因此几乎总是有完整的FFT值的未损坏数据。

#3 楼

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


实用的通信系统（例如IEEE 802.11或802.3）交换所谓的帧，该帧由多个字段组成，这些字段依次完成不同的特定任务。
通常，帧的第一个字段是所谓的前同步码，其唯一目的是


检测到达的帧，
使接收器与接收器同步。发射器，在接收器上执行自动增益校正（AGC）（在无线通信系统中是必需的）。

前导码通常由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。
接收器将匹配的滤波器应用于传入的样本流。
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，所以匹配滤波器输出的峰值可提供所需的信息，以使帧的后续场与接收机的FFT对准。

训练序列

在序言之后，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。
有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散布后直接找到。
通常，接收者会事先知道


训练序列在帧中的位置和
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，这可以通过较短的训练序列来实现（在有效载荷OFDM符号之间。
相干时间可以近似为最大多普勒扩展的倒数。
此外，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。
之所以有效，是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。

还请注意，在实际系统中，导频符号也可以用于其他目的，例如估计各个子载波的SNR或估计载波频率偏移（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开始或结束。

ISI的缓解

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，则发射的OFDM符号可能会在接收机处与其后续的OFDM符号重叠，从而导致ISI。
在时域中在连续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将到达保护空间内，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，保护空间都不需要循环前缀来减轻ISI的影响。

ICI的缓解

在OFDM中，保护空间填充有循环前缀，以在由于多径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传播。
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，发送器和接收器的载波频率振荡器通常在频率上有微小的偏移，这会引起相位漂移随着时间的推移。
此外，实际振荡器的功率谱密度不是理想的增量函数，会导致相位噪声。
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。
有多种技术可以使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。

我还维护了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。

#4 楼

大致总结Deve和Jim Clay的出色响应：

符号同步包括两个不同的任务-粗略的符号同步（近似符号边界）和精细的符号同步（精细调整粗略同步） 。通常，精细同步的计算强度较低，因此可以更频繁地进行调整以适应频道中的变化。

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

子载波的相位应以可预测的方式从一个窗口切换到另一个窗口。例如，在BPSK中，相位应从一个窗口到下一个窗口偏离其期望值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，可以用于通过自相关进行精细关联。 />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，还可以用于精细同步。