Multiplexování ortogonálního kmitočtového dělení

OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing , German Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) je speciální implementace modulace s více nosnými. Metoda modulace, která pro přenos digitálních dat používá několik ortogonálních nosných . Metoda je tedy speciální formou FDM , ve které ortogonalita nosných (tj. Maximum nosné je na přechodu nuly ve svých sousedních nosných ) snižuje přeslech mezi signály, které jsou modulovány na sousední nosné.

Užitečné informace, které mají být přenášeny s vysokou datovou rychlostí, jsou nejprve rozděleny do několika dílčích datových toků s nízkou datovou rychlostí. Tyto dílčí datové toky jsou každý modulovány jednotlivě konvenční modulační metodou, jako je kvadraturní amplitudová modulace s úzkou šířkou pásma, a poté jsou přidány modulované RF signály. Aby bylo možné rozlišovat mezi jednotlivými signály během demodulace v přijímači, je nutné, aby nosné ve funkčním prostoru byly navzájem kolmé. To má za následek, že se dílčí datové toky navzájem ovlivňují co nejméně.

Výhodou OFDM je, že umožňuje snadné přizpůsobení přenosu dat specifikům přenosového kanálu , jako je rádiový kanál , pomocí jemné granulace. Dojde-li k úzkopásmovému rušení ve spektru signálu OFDM, lze nosiče ovlivněné interferencí z přenosu dat vyloučit. Celková rychlost přenosu dat je snížena pouze o malý zlomek. V případě širokopásmové kvadraturní amplitudové modulace pouze s jednou nosnou může naopak úzkopásmové rušení v přenosovém kanálu znemožnit úplný přenos dat. Destruktivní interference z příjmu více cest také ovlivňuje pouze jednotlivé nosiče.

Signál OFDM se čtyřmi nosnými ve frekvenční doméně. Jednotlivé nosiče jsou zobrazeny v různých barvách.

Metoda modulace

Symbol v OFDM se čtyřmi nosnými frekvencemi v časové doméně

Každý nosič je nejprve modulován samostatně. V závislosti na tom, který ze tří volných parametrů se pro to používá frekvence, amplituda a fáze, přenáší informace o jednom nebo více bitech na krok symbolu . 2 bity jsou přenášeny na symbol a nosnou s DAB , 2, 4 nebo 6 bitů s DVB-T a až 8 bitů s DVB-T2 .

V OFDM je signální křivka symbolu tvořena součtem všech modulovaných nosných. S OFDM se tak přenáší velmi velký počet bitů paralelně. Pokud se například jako v praktických aplikacích používá přibližně 7 000 nosných a na jednu nosnou se přenášejí čtyři bity, má symbol informační obsah maximálně 28 000 bitů, které se přenášejí paralelně v jednom kroku symbolu. V praxi je počet bitů o něco nižší, protože některé nosné frekvence se používají pro synchronizaci, jako pilotní tón a pro provoz. Kanálové kódování pro dopřednou chybovou korekci také snižuje množství uživatelských dat. ${\ displaystyle S _ {\ text {OFDM}} (t)}$

V souladu s malou spektrální vzdáleností mezi nosnými frekvencemi probíhá modulace pouze s malou šířkou pásma . Proto je trvání symbolu s OFDM mnohem delší ve srovnání s metodami s jedním nosičem. S celkovou šířkou pásma 8 MHz a 7 000 nosných frekvencí je výsledkem trvání symbolu 875 µs hrubý průvodce, který odpovídá symbolové rychlosti 1143  baudů . Maximální přenosová rychlost, které lze dosáhnout, je kolem 32 Mbit / s. Pro přesnou interpretaci je třeba vzít v úvahu různé další parametry, jako je maximální rozpětí zpoždění pro příjem více cest.

OFDM modulátor

Signály OFDM jsou generovány pomocí komplexní výpočetní inverzní diskrétní Fourierovy transformace ( IDFT ). IDFT předpokládá, že všechny frekvence pomocných nosných jsou vzájemně kolmé . Délka bloku IDFT odpovídá počtu dílčích nosných. IDFT lze implementovat zcela v digitální technologii s digitálními signálovými procesory , takže vysokofrekvenční část obvodu zůstává relativně jednoduchá.

Ortogonalita existuje právě tehdy, když:

${\ displaystyle f_ {v} = {\ frac {v} {T}}, \ f_ {w} = {\ frac {w} {T}}, \ w, v \ in \ mathbb {N}}$

${\ displaystyle {\ frac {1} {T}} \ int _ {0} ^ {T} e ^ {j2 \ pi f_ {v} t} \, e ^ {- j2 \ pi f_ {w} t} \, \ mathrm {d} t = {\ begin {cases} 1, & {\ mbox {if}} v = w \\ 0 & {\ mbox {jinak}} \ end {případy}}}$

recepce

OFDM demodulátor

Na straně přijímače musí být jednotlivé nosné odděleny od složeného signálu. Toho lze dosáhnout pomocí jednotlivých filtrů, ale s více než hrstkou frekvencí je to příliš drahé. Z tohoto důvodu se dnes ve všech OFDM dekodérech používá rychlá Fourierova transformace ( FFT ), která obrátí IFFT na vysílači. Vstupními daty FFT jsou digitalizované hodnoty signálu z analogově-digitálního převaděče (ADC).

Synchronizace s přijímaným signálem je u přijímače OFDM problematická a složitá, protože přijímač nemá přímé napájení vysílacích hodin. Obvykle běží několik úrovní synchronizace jeden po druhém. Nejprve je třeba upravit vzorkovací hodiny ADC a frekvenci HF nosné tak, aby všechny nosné padly přesně na FFT frekvence (odpovídá roztažení / komprimaci a posunutí spektra). Vzhledem k přítomnosti mnoha ozvěn existuje okamžik, kdy má impulzní odezva největší energii. Od tohoto okamžiku je možné odvodit časové rozpětí, ve kterém jsou přijímány ozvěny a superponovány po sobě následující symboly. Najde se pomocí určitých referenčních symbolů nebo pilotních nosných s automatickou korelací. Nakonec je třeba extrahovat fázovou referenci požadovanou pro kvadraturní amplitudovou modulaci (QAM) (takzvaný odhad kanálu ).

V závislosti na metodě OFDM tuto synchronizaci podporují různé další signály. U digitálního zvukového vysílání (DAB) se nevysílá vůbec žádná energie pro jeden symbol (nulový symbol) a poté takzvaný fázový referenční symbol pro přesnou synchronizaci frekvence a času. DVB-T používá vzor pilotních tónů, které systematicky migrují přes nosné . Pomocí těchto pilotních tónů lze určit fázovou změnu frekvence a času.

COFDM

Kódovaný ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením (COFDM) je metoda přenosu digitálních informací, která doplňuje metodu OFDM modulace s dopřednou korekcí chyb uvnitř symbolu.

Silné stránky COFDM spočívají v jeho odolnosti vůči obecnému rušivému vícecestnému příjmu a jeho ozvěnám a ve výsledné možnosti schopnosti provozovat několik prostorově sousedících vysílačů na stejné přenosové frekvenci jako takzvaná jednofrekvenční síť . Je také vhodný pro mobilní příjem signálů přenášených s ním.

COFDM jako způsob přenosu používají zejména Digital Audio Broadcasting (DAB), Digital Radio Mondiale (DRM) a evropský standard digitální televize DVB-T .

V simultánního vysílání , nebo když dojde k vícenásobného příjmu na symbol v časové konstruktivní a destruktivní interference , což vede k zániku či zlepšení jednotlivých nosičů. Jelikož je však v kanálu paralelně k dispozici velké množství nosných frekvencí a interference jsou frekvenčně selektivní, pouze jednotlivé nosné jsou ve skutečnosti zrušeny nebo zesíleny v určitých prostorových bodech příjmu.

U OFDM existují v zásadě stejné fyzické problémy jako u metod s jednou nosnou, ale tyto rušivé vlivy interference lze značně snížit dvěma metodami, protože doba trvání symbolu s OFDM je mnohem delší než u metod s jednou nosnou.

Kromě dopředné korekce chyb prostřednictvím kódování kanálu jsou informace, které mají být přenášeny, redundantně distribuovány na několik nosných frekvencí pomocí COFDM. Ve výsledku může přijímač COFDM rekonstruovat správné informace o uživatelských datech, i když jsou jednotlivé nosné frekvence odstraněny interferencí, a je možný provoz jednofrekvenčního vysílače s překrývajícími se zónami jednotlivých vysílačů.

A ochranný interval zajišťuje, že „tichý čas“ pozorované mezi dvěma vysílaných symbolů tak, aby po sobě jdoucích symbolů ne cross- talk . Typické ochranné časy jsou mezi 1/32 trvání symbolu a 1/4 trvání symbolu. Délka ochranného intervalu určuje možný rozdíl vzdáleností mezi vysílači mezi interferenčními symboly. S dobou odpočinku 33 µs interferují rozdíly vzdálenosti deseti kilometrů nebo více, což umožňuje vzdálenosti vysílače kolem 20 km, protože vyhynutí vyžaduje podobné síly pole.

OFDMA

S ortogonálním frekvenčním dělením s vícenásobným přístupem (OFDMA) jsou subnosné OFDM distribuovány na více než jednom uživatelském kanálu. Předpokladem postupu je obousměrná rádiová komunikace, ve které lze na rozdíl od jednosměrné komunikace měřit kanál. Vysílač si je vědom kvality příjmu pomocných nosných pro jednotlivé uživatele prostřednictvím kontinuálního měření. Na základě těchto znalostí dokáže optimalizovat využití pomocných nosných a tím i spektrální účinnost.

Příklady použití

• Digitální audio vysílání (DAB) s 192 až 1536 nosiči (na šířku pásma přibližně 1,5 MHz)
• Digitální rádio Mondiale (DRM) s 88 až 460 nosiči (na šířku pásma přibližně 4 až 20 kHz)
• DVB-C s DOCSIS 3.1
• DVB-T s 2048, 4096 nebo 8192 nosiči - v závislosti na režimu 2k, 4k (pouze u DVB-H) nebo 8k (na šířce pásma přibližně 6,5 až 7,5 MHz)
• WLAN podle IEEE 802.11a , IEEE 802.11b a IEEE 802.11n
• ADSL (asymetrická digitální účastnická linka) s 32 nosnými pro předcházející a 190 pro následující (každý 4,3125 kHz na šířku pásma přibližně 1 MHz; viz také DMT )
• VDSL
• Powerline např. B. Homeplug AV
• G.fast
• LTE (dlouhodobá evoluce)
• WiMAX podle IEEE 802.16.2-2004 pro připojení NLOS s 256 nosiči (doporučeno fórem WiMAX) nebo 2048 nosiči
• C WUSB , Bluetooth 3.0 a WiNet , které jsou založeny na standardu ECMA-368

Následující tabulka shrnuje typická klíčová data některých systémů založených na OFDM nebo COFDM:

smíšený

OFDM také zkratka pro optické frekvenčního multiplexu , který je synonymem pro termín pro vlnovou délku divize multiplexing . Termín „Optické kmitočtové dělení multiplexování“ však zdůrazňuje, že tato optická technologie je frekvenční multiplexní technologie známá z elektrotechnické komunikace.

literatura

• Khaled Fazel, Stefan Kaiser: Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems. Od OFDM a MC-CDMA po LTE a WiMAX. 2. vydání. John Wiley & Sons, New York NY 2008, ISBN 978-0-470-99821-2 .
• Ralph Spitschka: Synchronizační algoritmy pro systémy OFDM. Na příkladu WLAN. VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2008, ISBN 978-3-639-07596-0 .

Individuální důkazy

1. ^ Long-Term Evolution (LTE): Vize nad 3G , Nortel

webové odkazy

• Podrobné informace o OFDMA a SOFDMA
• Vztah mezi OFDM a IFFT
• Modulace více nosných ( PDF ; 638 kB)