Сдвиг несущей частоты (CFO) - одно из многих неидеальных условий, которые могут повлиять на конструкцию приемника основной полосы частот . При разработке приемника основной полосы частот мы должны обращать внимание не только на ухудшение характеристик, вызванное неидеальным каналом и шумом , мы также должны рассматривать радиочастотные и аналоговые компоненты в качестве основного фактора. Эти неидеальности включают смещение тактовой частоты дискретизации, дисбаланс IQ , усилитель мощности , фазовый шум и нелинейность смещения несущей частоты .
Смещение несущей частоты часто происходит, когда сигнал гетеродина для преобразования с понижением частоты в приемнике не синхронизируется с сигналом несущей, содержащимся в принятом сигнале. Это явление можно объяснить двумя важными факторами: рассогласованием частот в генераторах передатчика и приемника ; и эффект Доплера в качестве передатчика или приемника движется.
Когда это происходит, принимаемый сигнал будет сдвинут по частоте. Для OFDM - системы, то ортогональность среди поднесущих поддерживается только тогда , когда приемник использует локальный колебательный сигнал , который синхронизирован с сигналом несущей , содержащейся в принятом сигнале. В противном случае несоответствие несущей частоты может привести к помехам между несущими (ICI). Генераторы в передатчике и приемнике никогда не могут колебаться с одинаковой частотой. Следовательно, смещение несущей частоты всегда существует, даже если нет эффекта Доплера .
В системе связи, соответствующей стандарту, такой как IEEE 802.11 WLAN, допуск на точность генератора составляет менее ± 20 ppm, так что CFO находится в диапазоне от -40 ppm до +40 ppm.
Пример
Если генератор TX работает на частоте, которая на 20 ppm выше номинальной частоты, и если генератор RX работает на 20 ppm ниже, тогда принятый сигнал основной полосы частот будет иметь CFO 40 ppm. При несущей частоте 5,2 ГГц в этом стандарте CFO составляет до ± 208 кГц. Кроме того, если передатчик или приемник движутся, эффект Доплера добавляет несколько сотен герц к расширению частоты.
По сравнению с CFO, возникающим из-за рассогласования осцилляторов, эффект Доплера в этом случае относительно невелик.
Последствия ошибки синхронизации
Учитывая смещение несущей частоты, Δ, полученный непрерывный сигнал будет вращаться с постоянной частотой и будет иметь форму
Смещение несущей частоты может быть сначала нормализовано относительно разноса поднесущих ( а затем разложить на интегральную составляющую и дробная составляющая , это, а также . Полученный сигнал частотной области становится
Второй член уравнения обозначает ICI, а именно сигналы от других поднесущих, которые мешают сигналу полезной поднесущей . Также обратите внимание, что- составляющая шума канала. Дробное смещение несущей частоты,, приводит к ослаблению по величине, фазовому сдвигу и ICI, а целочисленный сдвиг несущей частоты,, вызывает сдвиг индекса, а также сдвиг фазы в принимаемых сигналах частотной области. Обратите внимание, что фазовый сдвиг идентичен для каждой поднесущей, а также пропорционален индексу символа..
Оценка смещения несущей частоты
Дробная оценка финансового директора
Оценка максимального правдоподобия (ML)
Оценка CFO, если она находится в пределах определенного предела, может быть получена одновременно, когда грубая синхронизация символа получена с помощью алгоритмов, упомянутых ранее. Оценка ML CFO дается [1]
Обратите внимание, что фаза может быть разрешена только в , а приведенная выше формула оценивает только ту часть финансового директора, которая находится в пределах . Если, тогда , часть CFO, которая находится в пределах плюс-минус половины разнесения поднесущих , также известная как дробная CFO. В случае, когдавозникает неоднозначность частоты, и общий финансовый директор должен быть решен с помощью дополнительной оценки целочисленного финансового директора.
Синий
Если в преамбуле U одинаковых повторов, где , то возможна другая лучшая линейная несмещенная оценка (СИНИЙ), использующая корреляцию повторяющихся сегментов. Предположим, что в сегменте R выборок, так что всегообразцы доступны. Алгоритм оценки BLUE начинается с вычисления нескольких линейных автокорреляционных функций с образцы задержки,
Тогда разности фаз между всеми парами автокорреляционных функций с разностью задержек вычисляются,
где обозначает по модулю- операция и расчетный параметр меньше, чем . Обратите внимание, что каждыйпредставляет собой оценку финансового директора, масштабированную константой. Чем меньше константа, тем выше точность. Чтобы получить эффективную оценку финансового директора, оценщик BLUE использует средневзвешенное значение всех и вычисляет
где
Оптимальный значение для достижения минимальной дисперсии является . Диапазон предполагаемого смещения несущей частоты составляет.
С некоторыми изменениями эту оценку можно также применять к преамбулам, состоящим из нескольких повторяющихся сегментов с определенными изменениями знака. При правильной синхронизации полученного символа полученный сегменты преамбулы умножаются на их соответствующие знаки, а затем может применяться тот же метод, что и СИНИЙ оценщик.
Целочисленная оценка финансового директора
В стандарте режима OFDM IEEE 802.16e отклонение генератора находится в пределах ± 8 ppm. При максимально возможной несущей частоте 10,68 ГГц максимальный CFO составляет около ± 171 кГц, когда гетеродин передатчика и гетеродин приемника имеют наибольшие, но противоположные по знаку отклонения частоты, что также эквивалентно разносу поднесущих ± 11.. В системе DVB-T с частотой 6 МГц , предполагая, что отклонение генератора находится в пределах ± 20 ppm, а несущая частота составляет около 800 МГц, максимальный CFO может составлять до ± 38 разнесения поднесущих.в режиме передачи 8К. Из предыдущего обсуждения ясно, что оцененный CFO, полученный одновременно с грубым обнаружением границы символа, имеет неоднозначность по частоте. Далее будут представлены алгоритмы разрешения такой частотной неоднозначности в оцененном смещении несущей частоты.
Корреляция во временной области
В режиме OFDM 802.16e начальная оценка CFO находится в пределах. Помимо этой оценки, дополнительный частотный сдвиг, , или же , возможно, учитывая диапазон финансового директора . Для оценки этого дополнительного целочисленного CFO может использоваться согласованный фильтр, сопоставляющий принятый сигнал с частичной компенсацией CFO с модулированными формами длинных сигналов преамбулы. Коэффициенты согласованного фильтра являются комплексным сопряжением длинной преамбулы, и они модулируются синусоидальной волной, частота которой является возможным целочисленным CFO, упомянутым выше. Выход согласованного фильтра будет иметь максимальное пиковое значение, если его коэффициенты модулируются несущей с правильным целочисленным CFO. Можно развернуть один такой согласованный фильтр для каждого возможного целочисленного финансового директора. В этом случае необходимо семь согласованных фильтров. Однако мы можем использовать только один набор оборудования согласованных фильтров, который последовательно обрабатывает разные целочисленные CFO. Вдобавок, как было предложено ранее в подразделе определения синхронизации символа, коэффициенты согласованного фильтра могут квантоваться до -1, 0, 1 для уменьшения сложности оборудования.
Оценка смещения несущей частоты в системе MIMO-OFDM
В системах MIMO-OFDM передающие антенны часто совмещены, как и приемные антенны.
Следовательно, можно предположить, что только один генератор используется либо на стороне передатчика, либо на стороне приемника. В результате должен быть оценен один набор CFO для множества приемных антенн. Оценка ML для дробного CFO довольно популярна в системах MIMO-OFDM .
Другой алгоритм оценки дробного CFO для систем MIMO-OFDM применяет разные веса к принимаемым сигналам в соответствии с соответствующими степенями замирания канала.
Преамбула разработана таким образом, что каждая передающая антенна использует неперекрывающиеся поднесущие для облегчения разделения сигналов от разных передающих антенн. На каждой приемной антенне проверяется взаимная корреляция между принятым сигналом и известной преамбулой.
Величина выходного сигнала взаимной корреляции отражает замирание канала между соответствующей парой передающей и приемной антенн.
На основе информации о замираниях в канале к принятым сигналам применяются веса, чтобы выделить те, которые имеют более высокий коэффициент усиления канала, и в то же время подавить те, которые сильно замирают.
Затем CFO оценивается на основе фазы корреляции задержки взвешенных сигналов. Для целочисленного CFO, взаимная корреляция в частотной области и корреляция PN в частотной области могут использоваться с небольшими изменениями. Во-первых, полученные сигналы должны быть скомпенсированы оцененным дробным CFO.
Затем скомпенсированные сигналы преобразуются в частотную область. Алгоритм взаимной корреляции в частотной области для одной конкретной приемной антенны аналогичен таковому в случае SISO.
Остаточный финансовый директор и оценка SCO
Хотя CFO в принятом сигнале был оценен и скомпенсирован в приемнике, некоторые остаточные CFO все еще могут существовать. Кроме того, CFO, содержащийся в принятом сигнале, вполне может изменяться во времени, и, следовательно, его необходимо постоянно отслеживать.
Принятый сигнал также страдает от смещения тактовой частоты дискретизации (SCO), что может вызвать постепенный дрейф безопасного окна DFT в дополнение к дополнительному фазовому сдвигу в принимаемых сигналах частотной области . В системах OFDM на основе кадров и остаточное отслеживание CFO, и отслеживание SCO неизбежны, потому что приемник может работать в течение длительного периода времени. Однако в системах OFDM на основе пакетов влияние этих двух смещений зависит от длины пакета и величины смещений.
SCO нелегко оценить по сигналу во временной области . Однако его можно исследовать по фазовому сдвигу пилот-сигналов в частотной области. Аналогичным образом можно оценить остаточный CFO. Во многих стандартах беспроводной связи OFDM , например, в режиме OFDM DVB-T , IEEE 802.11 a / g / n и IEEE 802.16e , выделенные пилотные поднесущие выделяются для облегчения синхронизации приемника.
Фазовые сдвиги в принятых сигналах частотной области, вызванные CFO, идентичны на всех поднесущих при условии, что ICI игнорируется. С другой стороны, SCO вызывает фазовые сдвиги , которые пропорциональны соответствующим индексам поднесущих.
Принятые сигналы содержат ICI и шум , поэтому фазы отклоняются от двух идеальных прямых линий. Традиционно, ШОС может быть оценен путем вычисления наклона от участка измеренных пилотов - сигнал поднесущех разностей фаз по сравнению с пилотом - поднесущими индексами. Более того, совместная оценка финансового директора и SCO также широко изучается.
Компенсация смещения несущей частоты
Чтобы подавить ICI и тем самым уменьшить деградацию SNR, остаточный CFO должен быть достаточно малым. Например, при использовании созвездия 64QAM лучше поддерживать остаточный CFO ниже 0,01 / с, чтобы гарантировать, что DSNR <0. 3 дБ для среднего отношения сигнал / шум.
С другой стороны, при использовании QPSK остаточный CFO может составлять до 0,03 фс.
Рекомендации
- ↑ Moose, PH (октябрь 1994 г.). «Способ коррекции смещения частоты мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов» . Транзакции IEEE по коммуникациям . 42 (10): 2908–2914. DOI : 10.1109 / 26.328961 .
дальнейшее чтение
- Г.Л. Стубер и др., 2004. «Широкополосная беспроводная связь MIMO-OFDM», Протоколы IEEE, 92,271-293.
- A. van Zelst и TCW Schenk, 2004. «Внедрение системы беспроводной локальной сети на основе MIMO OFDM», IEEE Transactions on Signal Processing, 52, 483-494.
- Э. Чжоу, Х. Чжан, Х. Чжао и В. Ван, 2005. «Алгоритмы синхронизации для систем MIMO OFDM», в Протоколе конференции IEEE Wireless Communications and Networking Conference, март, стр. 18–22.
- П. Приотти, 2004. «Частотная синхронизация систем MIMO OFDM с частотно-избирательным взвешиванием», в Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 2, May, pp. 1114–1118.
- Конструкция приемника основной полосы частот для беспроводной связи MIMO-OFDM