OFDM
Z Wikipedii
OFDM ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) - metoda modulacji wykorzystująca wiele ortogonalnych względem siebie podnośnych w celu jak najlepszego skompensowania zaników selektywnych wynikających z wielodrogowości transmitowanego sygnału. Jest szeroko stosowana w technologii dostępu do internetu ADSL czy systemie telewizji cyfrowej DVB-T.
Spis treści |
[edytuj] Ogólne zasady działania
Technika OFDM polega na kodowaniu pojedynczego strumienia danych w wielu podnośnych (ang. subcarriers). W systemie transmisji OFDM wykorzystuje się 52 podnośne, dla których stosuje się modulacje BPSK, QPSK lub QAM/64-QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation). Maksymalną szybkość transmisji (54 Mbit/s) uzyskuje się dla modulacji 64-QAM (216 bitów danych na jeden symbol OFDM).
Modulacja OFDM jest oparta na FDM, ale jest używana jako modulacja cyfrowa. Strumień bitów, jaki ma być transmitowany jest rozdzielany na kilkanaście równoległych strumieni, zwykle więcej niż 12. Dostępne pasmo jest dzielone między kilka podkanałów, i każdy mniejszy strumień jest transmitowany przez 1 podkanał, modulując jego nośną, przy użyciu zwykłej modulacji, na przykład PSK czy QAM. Podnośne (nośne podkanałów) są wybierane tak, żeby każdy zmodulowany strumień był ortogonalny w stosunku do innych, dzięki temu eliminowane są zakłócenia międzykanałowe.
Wyrównanie kanału jest uproszczone, przez użycie wielu wolniejszych sygnałów wąskopasmowych zamiast jednego szerokopasmowego. Zasadniczą cechą OFDM jest radzenie sobie z różnymi, czasem ciężkimi warunkami kanału, na przykład wąskopasmową interferencją bez używania filtrów.
[edytuj] Wykorzystanie OFDM
OFDM jest używana w szerokopasmowych systemach cyfrowych, np.:
- ADSL i VDSL szerokopasmowy dostęp do internetu przez sieć telefoniczna (łącza miedziane)
- IEEE 802.11a i 802.11g Wireless LANs.
- Systemy telewizji cyfrowej DVB-T, DVB-H, T-DMB i ISDB-T.
- Standard The IEEE 802.16 lub WiMax Wireless MAN standard.
- Standard IEEE 802.20 lub Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) standard.
- System komórkowy Flash-OFDM
- Części Ultra wideband (UWB) systems.
- Power line communication (PLC).
- Aplikacjach typu punkt-punkt lub punkt-wiele punktów
[edytuj] Główne cechy
[edytuj] Zalety
- Łatwo dostosowuje się do trudnych warunków w kanale
- Dobrze radzi sobie z interferencjami międzykanałowymi
- Dobrze radzi sobie z interferencjami międzysymbolowymi i zanikami powodowanymi przez wielotorowość
- Szerokie spektrum częstotliwości
- Efektywne wykorzystanie przez FFT
- Mała wrażliwość na czas wykrycia błędów
- Przestrajalne filtry w odbiornikach podkanałów nie są wymagane (w przeciwieństwie do tradycyjnej FDM)
[edytuj] Wady
- Wrażliwość na efekt Dopplera
- Wrażliwość na problemy z synchronizacją częstotliwości
- Nieefektywne wykorzystanie mocy
[edytuj] Charakterystyka i szczegółowe zasady działania
[edytuj] Ortogonalność
W modulacji OFDM częstotliwości wewnątrzkanałowe są wybierane tak, aby zmodulowane sygnały (strumienie danych) były ortogonalne w stosunku do siebie, to znaczy, że przeniki międzykanałowe są eliminowane i nie musimy tego dodatkowo zabezpieczać. Największe korzyści z tej modulacji widać w modelu nadajnika i odbiornika, gdzie nie ma dodatkowych filtrów dla każdego podkanału, jak ma to miejsce w FDM.
Ortogonalność występuje dzięki dużej częstotliwość transmisji, bliskiej częstotliwości Nyquista. Prawie całe dostępne pasmo może być wykorzystane. OFDM ma bardzo szerokie pasmo, co powoduje, że sygnały innych użytkowników kanału nie zakłócają się.
Ortogonalność pozwala na efektywną implementację modulacji i demodulacji przy użyciu algorytmu FFT. Pomimo, że zasada działania i korzyści z tej modulacji były znane już w latach 60., OFDM stał się popularny dopiero dzięki dzisiejszej szerokopasmowej komunikacji przez dostępność stosunkowo tanich urządzeń do przetwarzania sygnałów (np. procesorów sygnałowych) które mogą efektywnie i szybko liczyć FFT.
OFDM potrzebuje bardzo dokładnej synchronizacji częstotliwości w odbiorniku. Brak synchronizacji może powodować, iż nośne podkanałów nie będą ortogonalne, a to z kolei jest przyczyną interferencji między nimi i może powodować przesłuchy międzykanałowe. Przesunięcie częstotliwości jest powodowane przez niedopasowanie oscylatorów w nadajniku i odbiorniku lub efekt Dopplera. Podczas gdy przesunięcie dopplerowskie może być kompensowane przez odbiornik, sytuacja jest gorsza, gdy występuje ono wraz z wielotorowością. Sygnały odbite pojawiają się na różnych przesunięciach, co jest już o wiele trudniejsze do kompensacji. Efekt ten daje się szczególnie zauważyć przy zwiększaniu prędkości poruszania się. Powoduje to ograniczenia w używaniu modulacji OFDM w szybkich pojazdach. Jest wiele technik ograniczających interferencje między nośnymi podkanałów, ale wszystkie powodują znaczne skomplikowanie odbiornika.
[edytuj] Zapewnienie przerw w celu eliminacji interferencji międzysymbolowej
Jednym z głównych celów OFDM jest modulowanie powolnych sygnałów. Odbywa się to poprzez rozdzielanie szybkich sygnałów na kilka wolniejszych i przesyłanie ich równolegle. Dzięki temu transmisja jest mniej narażona na interferencje międzysymbolową powodowaną przez wielotorowość. Jeśli czas trwania każdego symbolu jest długi, można sobie pozwolić na wstawianie pomiędzy symbole OFDM dodatkowych symboli (ang. guard intervals) i dzięki temu interferencje między symbolowe mogą być eliminowane. Nadajnik wysyła dodatkowy prefix (ang. cyclic prefix) podczas trwania interwału kontrolnego (ang. guard interval).
Interwał kontrolny także redukuje wrażliwość układu na problemy z synchronizacją.
[edytuj] Uproszczone wyrównanie
Warunki w kanale wpływają na wybór częstotliwości w kanale, na przykład zanik fali spowodowany propagacją wielotorową może być rozpatrywany jako stały w podkanale OFDM, jeśli ten podkanał ma wystarczająco wąskie pasmo albo liczba podkanałów jest wystarczająco duża. To czyni porównanie jeszcze prostszym dla odbiornika w OFDM w porównaniu do zwykłej modulacji z jedną nośną. Korektor musi jedynie mnożyć każdy podkanał przez stałą wartość.
W OFDM podkanały mogą przenosić testowe sygnały, które mają za zadanie zmierzyć warunki w kanale albo są używane do synchronizacji.
W innych modulacjach, takich jak DPSK lub DQPSK gdzie jest stosowana nośna w każdym kanale wyrównanie może być pominięte.
[edytuj] Kodowanie w kanale
OFDM jest prawie zawsze używana w połączeniu z kodowaniem w kanale. W podkanale dodatkowo zakodowane symbole są przeplatane (ang. interleaving) dodatkowymi symbolami. w ten sposób jest tworzona zakodowana OFDM lub COFDM. Dzięki temu sygnał jest jeszcze bardziej odporny na zmienne warunki w kanale takie jak zanikanie fali czy interferencja między wąskopasmowymi kanałami. Pomimo wysokiego stopnia skomplikowania COFDM cechuje się wysoką wydajnością nawet w bardzo zmieniających sie warunkach kanałowych.
[edytuj] Transmisja adaptacyjna
Dostosowanie się do surowych warunków w kanale może być później polepszone/zmienione jeśli informacja o kanale jest przesyłana przez kanał zwrotny. Opierając się na tej zwrotnej informacji, modulacja adaptacyjna, kodowanie w kanale i rozkład mocy może być dostosowany odpowiednio do wszystkich podkanałów albo do każdego osobno. W drugiej sytuacji jeśli w konkretnym przedziale częstotliwości sygnał jest bardzo zniekształcony przez interferencje czy osłabienie, nośne mogą być zwolnione przez stosowanie mocniejszej modulacji czy powiększenie nadmiaru kodowania z wykrywaniem błędów w tych podkanałach.
Termin dyskretna modulacja wielotonowa oznacza system telekomunikacyjny oparty na OFDM, który dostosowuje transmisje do warunków, osobno dla każdego kanału. Jest to stosowane w ADSL i VDSL
Szybkość sygnału wysyłanego i odbieranego może się różnić w zależności ile nośnych przydzielimy dla każdego kanału. Niektóre odmiany DSL ze zmienną prędkością używają tej cechy w czasie rzeczywistym, wtedy szerokość pasma do każdego sygnału jest dostosowywana w zależności od jego potrzeb.
[edytuj] Rozszerzony OFDM z wielotorowym dostępem
OFDM w pierwotnej postaci był pomyślany jako technika modulacji cyfrowej. Przez system komunikacyjny miał być transmitowany jeden strumień bitów przy użyciu jednej sekwencji symboli OFDM. Nie myślano o OFDM jako o technice dostępu do kanału dla wielu użytkowników.Jednak OFDM może być wykorzystywany jako medium dostępowe dla wielu użytkowników przy użyciu kodowania, częstotliwości czy czasu rożnego dla różnych użytkowników.
W OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) podział częstotliwości i dostęp przez wielu użytkowników jest osiągany przez przypisanie rożnym użytkownikom różnych podkanałów. OFDMA wspiera zróżnicowana jakość usług przez przypisanie różnych numerów podkanałów do różnych użytkowników, podobnie jak w CDMA. OFDMA jest używane jako połączenie według IEEE 802.16 Wireless MAN standard.
[edytuj] Wykorzystanie przestrzeni
W OFDM opartym na sieciach rozległych odbiornik otrzymuje sygnały z kilku przekaźników równocześnie. Ponieważ sygnały z niektórych podkanałów z różnych przekaźników interferują ze sobą, można obserwować ich wzmocnienie i tym sposobem zwiększa się zasięg poszczególnych stacji nadawczych. To jest często wykorzystywane w wielu krajach, gdzie operatorzy mają zezwolenie na używanie sieci z jedną częstotliwością (ang. SFN). Wtedy wiele nadajników wysyła ten sam sygnał jednocześnie przez kanał. SFN wykorzystuje dostępne pasmo bardziej efektywnie niż tradycyjne sieci z wieloma częstotliwościami, gdzie sygnał jest powielany i przesyłany na różnych nośnych.
[edytuj] Bilans mocy
Sygnał OFDM wykazuje duże impulsy współczynnika mocy chwilowej do średniej. Jest to wynikiem niezależnych faz sygnałów w różnych podkanałach, często zdarza się ze dochodzi do konstruktywnej interferencji (fazy są tych samych znaków i po dodaniu kilku otrzymujemy dużą wartość).
Jest kilka możliwości obniżenia tych impulsów:
- wysoka rozdzielczość przetwornika C/A i nadajniku
- wysoka rozdzielczość przetwornika A/C i odbiorniku
- Liniowy sygnał
Nieliniowość w sygnale może może powodować zniekształcenie wewnątrz modulacyjne, takie jak:
- zwiększenie poziomu szumu
- interferencje międzysymbolowe
- generowanie pozapasmowych dodatkowych sygnałów
Liniowość sygnału jest bardzo pożądana, szczególnie na wyjściach układów elektronicznych gdzie są zwykle montowane nieliniowe wzmacniacze, aby zminimalizować pobór mocy. W praktycznych systemach OFDM mała szpilka jest dopuszczalna. Jakkolwiek wyjściowy filtr nadajnika jest zaprojektowany aby redukować powstałe szpilki.
Jednak pomimo to efektywność pasmowa OFDM jest atrakcyjna dla systemów telekomunikacyjnych zarówno satelitarnych jak i naziemnych.
[edytuj] Model systemu
Ta część opisuje najprostszy, idealny model systemu zaprojektowany dla kanału z szumem białym.
[edytuj] Nadajnik
Sygnał nośny w OFDM jest sumą ortogonalnych nośnych podkanałów. W każdym z podkanałów mamy do czynienia z kwadraturową modulacją amplitudy (QAM) lub kluczowaniem fazy (PSK).
s[n] jest strumieniem bitów na wejściu. Dzięki odpowiedniemu rozdzieleniu (ang. inverse multiplexing) sygnał najpierw jest rozdzielany na N równoległych strumieni. Strumienie są przydzielane do modulacji QAM lub PSK. Z tego wynika, że jedne strumienie mogą być szybciej przesyłane niż inne.
Następnie jest liczona odwrotna FFT dla każdego symbolu. Po rozdzieleniu części rzeczywistej od urojonej każda z nich jest następnie konwertowana do postaci analogowej (DAC). Sygnały analogowe są następnie mnożone z funkcją cos i sin i następnie sumowane dając na wyjściu sygnał zmodulowany s(t).
[edytuj] Odbiornik
Odbiornik odbiera sygnał r(t). Oprócz użytecznego sygnału powstaje również sygnał o częstotliwości 2fc. Dlatego też używa się filtru dolnoprzepustowego, abo go odfiltrować. Następnie sygnał jest próbkowany i puszczany na przetwornik analogowo-cyfrowy. W następnym kroku robimy FFT i detekcje symboli. Otrzymujemy N równoległych strumieni które łączymy w jeden. W ten sposób otrzymujemy wejściowy ciąg bitów.
