CC BY
307
Синхронизация в широкополосных системах радиодоступа
Бочечка Г.С., МТУСИ
Введение
При использовании OFDM технологии одним из важнейших устройств приемника является устройство синхронизации. Для правильной демодуляции принятого OFDM сигнала устройство синхронизации должно выполнять следующие функции:
— тактовую синхронизацию — выделение из принятого сигнала тактовых моментов начала и окончания отдельных OFDM символов;
— частотную синхронизацию — оценку и компенсацию частоты несущего колебания принимаемого сигнала относительно частоты опорного генератора;
— фазовую синхронизацию — устранение разности фаз опорного генератора приемника и несущей принимаемого сигнала.
Функциональная схема передатчика и приемника OFDM сигналов представлена на рис.1.
Формирование отсчетов комплексной огибающей OFDM символа происходит в блоке ОБПФ. Согласно выражению для ОБПФ, OFDM символ после преобразования к последовательной форме будет иметь следующее математическое описание:
1
N -1
s*=N I а -
J— nk
e N-1 , k = 0,..., N -1,
(1)
где N — порядок обратного БПФ, Ап — параллельный поток символов, п = 0,..., N - 1 — номер поднесущей, к = 0,..., N - 1 — номера
отсчетов комплексной огибающей сформированного OFDM символа.
Комплексная огибающая OFDM символа с учетом защитного интервала и сглаживающего временного окна имеет следующее математическое описание:
1 N-1
S(tk) = N ' W(tk - t) ' I A-' ЄХР{ J2 П T( tk- t- T)}
N
t < tk < t + (1 + P) T.
(2)
Здесь отсчеты комплексной огибающей OFDM символа берутся в моменты времени
, T tk = t + к
N -1
шаг дискретизации — по времени Ts = T/(N - 1). Практически отсчеты OFDM символа формируются следующим образом: после выполнения ОБПФ все последние отсчеты полученного массива, оказавшиеся на интервале длительностью PTC, вставляются в начало массива (на место защитного интервала, часть которого будет использована для скругления переднего фронта OFDM символа) и часто называются отсчетами префикса, а все первые отсчеты массива ОБПФ, оказавшиеся на интервале времени длительностью добавляются в конец массива ОБПФ (на место скругления огибающей заднего фронта) и именуются отсчетами постфикса, параметры вещественной огибающей OFDM символа показаны на рис.2. После такого дополнения массива ОБПФ получается массив отсчетов
РИс. 2
комплексной огибающей ОРРМ видеосимвола, который умножается на весовое окно.
Комплексная огибающая сигнала на входе приемника представляет:
R (t) = S(t) ® H (t) + n( t),
(3)
Л(в) = |у(в)| -р'Є(в),
в+L-1
/(в) = I r(n)' Г*(n + N),
n=9
1 в+L-1
є(в) = 2 I lr(n)|2 + lr(n +
(4)
(5)
(6)
где Н(#) — импульсная характеристика многолучевого канала, <Э — знак свертки, п(/) — аддитивный шум. Поскольку коэффициент Н($ — комплексная величина, то принятый сигнал отличается от переданного и по амплитуде, и по фазе, даже при отсутствии шума.
Для правильной демодуляции принятого сигнала необходимо, чтобы на блок ДПФ поступали только отсчеты основной части каждого ОРРМ символа, эту задачу должна решать тактовая синхронизация.
Для когерентной демодуляции каждого ОРРМ символа фаза принимаемого несущего колебания и опорного генератора приемника должны совпадать. В результате фазовой синхронизации местный гетеродин приемника синхронизируется по частоте и фазе с принимаемым сигналом.
Принимаемый радиосигнал, прошедший от передающей к приемной антенне, может иметь некоторый частотный сдвиг Д£ при движении передатчика и приемника друг относительно друга (Эффект Допплера). Частотный сдвиг ОРРМ сигнала приводит к потере ортогональности между поднесущими ОРРМ символов, что приводит к снижению качества демодуляции принятого сигнала. Под задачей частотной синхронизации понимается оценка и коррекция частотного сдвига Д{ с требуемой точностью.
Синхронизация на основе использования защитного интервала в структуре передаваемых ОРРМ символов
Для оценки начала ОРРМ символа используется алгоритм [1 ], в соответствии с которым на выходе блока блочной синхронизации (БС) формируется оценка начала ОРРМ символа в . Эта оценка поступает на блок ДПФ для установки границ окна ДПФ.
Алгоритм оценки начала ОРРМ символа в основан на вычислении максимума функции правдоподобия, имеющей следующий вид:
где /(8) — автокорреляция между одинаковыми I. отсчетами в интервале наблюдения, который состоит из 2N +. отсчетов принятого сигнала (рис. 3);
е(8) — энергетическая компонента функции правдоподобия
ЛИ;
Р=-
SNR
SNR +1 — известный заранее коэффициент, учитывающий
отношение сигнал/шум в канале связи;
r(n) — отсчеты комплексной огибающей принятого сигнала; в = О, N, N — количество отсчетов в OFDM символе без защитного интервала, количество отсчетов в защитном интервале; SNR [дБ] — отношение сигнал/шум в канале связи.
Оценкой начала OFDM символа будет следующая величина:
в = а^[тах{Л(в)}],
(7)
где агд — аргумент функции правдоподобия.
Функциональная схема блока оценки начала ОРРМ символа представлена на рис.4.
Синхронизация на основе использования пилот-сигналов
Пилот-сигналы используются прежде всего для синхронизации. Они распределены во времени и в частотном спектре сигнала ОРРМ, их амплитуды и фазы известны в точке приема, поэтому их можно использовать также для получения сведений о характеристиках канала передачи. В системе используются два типа пилот-сигналов: непрерывные и распределенные. Непрерывные пилот-сигналы передаются на одних и тех же несущих в каждом символе ОРРМ, распределенные — рассеяны равномерно во времени и в частотном диапазоне. Непрерывные пилот-сигналы могут использоваться для синхронизации и оценки фазовых шумов канала, распределенные
Рис.. 3
Рис. 4
— для оценки характеристик канала посредством временной и частотной интерполяции. Использование временной интерполяции в промежутках между распределенными пилот-сигналами при достаточной мощности принимаемого сигнала может помочь для улучшения приема на движущихся объектах. Очевидно, что интерполяция будет тем лучше, чем чаще расположены пилот-символы в кадре. Однако слишком частое расположение пилот-символов приводит к существенному снижению скорости передачи, как следствие, к снижению спектральной эффективности системы в целом.
Алгоритм оценки фазового сдвига поднесущих ОРРМ символа основан на корреляционной теории. Когда рассматриваемые под-несущие являются пилотными, сигнал на выходе коррелятора имеет максимум, в других случаях его значение близко к нулю. По этому максимуму может быть оценён фазовый сдвиг Аф и произведена его компенсация. Подстройка фаз поднесущих ОРРМ символа осуществляется путем умножения их на комплексную экспоненту е)■Аф‘, где i = 0,..., N - 1.
Оценка характеристики канала передачи производится методом прямой оценки [2], согласно которому коэффициенты передачи радиоканала ^Ц, k — номер поднесущей, оцениваются отдельно, как будто они независимы. Однако, в практических ОРРМ системах эти коэффициенты коррелированны. Корреляция дает избыточность, которая может быть использована для снижения влияния шума и увеличения точности оценки.
Коэффициенты передачи канала оцениваются, как
Н (к) = X\к) ■ Я(к), (8)
где X (к) — известные пилот-символы, а R(k) — принятый сигнал.
Далее полученные коэффициенты интерполируются на длину целого ОРРМ символа, и принятый сигнал корректируется согласно полученной характеристике канала.
Синхронизация на основе использования обучающей последовательности
Переданный ОРРМ сигнал приобретает в канале связи некоторый частотный сдвиг А£ для его оценки используется специальная
correlation function
Е,
Cl
12
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
обучающая последовательность символов, которая вставляется в пе-9 редатчике перед началом каждого пакета данных. Эта последовательность содержит 53 поднесущих, включая нулевое значение на несущей частоте, которые модулируются следующим сигналом [3]:
20
40
Рис. 5
60
m
80
100
120
С
-26...26
= {1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,
-1,1,1,1,1,0,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1, -1,1,-1,1,1,1,1} (9)
В приемнике эта последовательность известна. Используя ее корреляционные свойства можно определить частотный сдвиг, возникающий в радиоканале. Для этого на один вход коррелятора подается принимаемый сигнал, а на второй известный в приемнике обучающий сигнал. Автокорреляционная функция последовательности (9) приведена на рис. 5.
1 N-m-1
P(m) = — I R(n) ' C*(m + n). N
(10)
Оценка частотного сдвига Af вычисляется по следующей форму-
ле:
Af =
ang/e(max(| P(m) |))
nT :
(11)
где P — сигнал на выходе коррелятора; angle(max(P)) означает фазу в максимуме величины P T — длительность ОРРМ символа без учета защитного интервала.
Заключение
Необходимость синхронизации приемника связана с определенными затратами. Каждый дополнительный уровень синхронизации подразумевает необходимость в новом программном или аппаратном обеспечении. Кроме того, для передачи сигналов, которые будут использоваться в приемнике для получения и поддержания синхронизации, необходимы затраты энергии. В данном случае может возникнуть вопрос, почему разработчик системы связи вообще должен рассматривать проект системы, требующий высокой степени синхронизации? Ответ: улучшенная производительность и универсальность.
Литература
1. United States Patent, Synchronization method and apparatus for guard interval-based OFDM signals. Chia-Chi Huang, Yung-Liang Huang, Chomg-Ren Sheu. Patent number — 5,991,289. Date of patent — Nov.23, 1999.
2. Shem Colei, Mustalb Engen, Anuj Плі, Ahmad Bahai. Channel estimation techniques based on pilot arrangement in OFDM Systems. IEEE Transactions on Broadcasting, V.48, №3, September 2002, pp. 223-229.
3. Mahdi Masoumi, Mehidad Andebilipoor, Seyed Aidin Bassan. A Novel FFT-Based Frequency Offset Estimator for OFDM Systems. Proceedings of world academy of science, Engineering and technology volume, 12 March 2006, pp. 240-243.
