OFDM

Распределение поднесущих OFDM сигналов относительно амплитудно-частотных характеристик фильтров БПФ (быстрого преобразования Фурье)

OFDM (Шаблон:Lang-en) — технология цифровой модуляции с использованием большого количества близко расположенных ортогональных поднесущих (мультиплексирование). Каждая поднесущая модулируется одним из возможных методов (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, позволяя достигать близкую к теоретическому пределу суммарную скорость передачи данных, как и у других способов модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются применением обратного БПФ (Быстрое преобразование Фурье).

Принцип размещения поднесущих

OFDM сигнал формируется $N$ гармоническими поднесущими, которые разнесены по частоте на равные интервалы $\mathrm{\Delta }f$ (в этом случае речь идёт об эквидистантном размещении поднесущих).

При таком размещении частот занимаемая OFDM сигналом полная полоса частот $\mathrm{\Delta }F$ делится на $N$ подканалов, ширина которых $\mathrm{\Delta }f=1/T_s$, где $T_s$ — длительность сигнальной выборки, над которой выполняется операция быстрого преобразования Фурье (символьный интервал).

Таким образом, если записать выражение для частотного интервала между поднесущими в виде $\mathrm{\Delta }f=\alpha /T_s$, то случай $\alpha =1$ будет соответствовать OFDM.

Общая полоса частот, которую занимают N ортогональных частотных подканалов OFDM, описывается выражением: $\mathrm{\Delta }F=N/T_s$.

Преимущества

Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольную интерференцию (МСИ).

Недостатки OFDM

Условие ортогональности поднесущих помимо указанных преимуществ обусловливает и ряд недостатков метода OFDM:

• ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно широкой полосы частот;
• невозможность манёвра частотой поднесущих для отстройки от сосредоточенных по спектру помех;
• чувствительность к доплеровскому смещению частоты, что снижает возможности реализации высокоскоростной связи с движущимися объектами.

Передатчик

Сигнал OFDM — сумма нескольких ортогональных поднесущих, на каждой из которых передаваемые на основной частоте данные независимо модулируются с помощью одного из типов модуляции (BPSK, QPSK, 8-PSK, QAM и др.). Далее этим суммарным сигналом модулируется радиочастота.

$s[n]$ — это последовательный поток двоичных цифр. Перед обратным быстрым преобразованием Фурье (FFT) этот поток преобразуется сначала в N параллельных потоков, после чего каждый из них отображается в поток символов с помощью процедуры фазовой (BPSK, QPSK, 8-PSK) или амплитудно-фазовой квадратурной модуляции (QAM). При использовании модуляции BPSK получается поток двоичных чисел (1 и −1), при QPSK, 8-PSK, QAM — поток комплексных чисел. Так как потоки независимы, то способ модуляции и, следовательно, количество бит на символ в каждом потоке могут быть разными. Следовательно, разные потоки могут иметь разную битовую скорость. Например, пропускная способность линии 2400 бод (символов в секунду), и первый поток работает с QPSK (2 бита на символ) и передает 4800 бит/с, а другой работает с QAM-16 (4 бита на символ) и передает 9600 бит/с.

Обратное FFT считается для N одновременно поступающих символов, создавая такое же множество комплексных (двухмерных) отсчетов в развёртке по времени (time-domain samples). Далее ЦАП (DAC) преобразуют в аналоговый вид раздельно ортогональные информационные компоненты, модулирующие, соответственно, несущие косинусоиду и синусоиду. Отмодулированные ортогональные несущие суммируются и дают передаваемый сигнал s(t).

Приёмник

Приемник принимает сигнал r(t) , выделяет из него косинусную (cos) и синусную (sin) квадратурные составляющие с помощью умножения r(t) на

$\cos (2\pi f_{c}t)$

и —

$\sin (2\pi f_{c}t)$

и фильтров нижних частот, которые отфильтровывают колебания в полосе вокруг

$2f_c$

. Получившиеся сигналы далее оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (ADC), подвергаются прямому быстрому преобразованию Фурье (FFT). Получается сигнал в частотной области.

Теперь есть N параллельных потоков, каждый из которых преобразуется в двоичную последовательность с помощью заданного алгоритма фазовой модуляции (при использовании в передатчике BPSK, QPSK, 8-PSK) или амплитудно-фазовой квадратурной модуляции (при использовании в передатчике QAM). В идеале получается поток битов, равным потоку, который передал передатчик.

Применение

Проводная связь

• ADSL и VDSL
• DVB-C2, улучшенная версия цифрового кабельного телевидения стандарта DVB-C
• PLC HomePlug AV, передача данных по линиям электропередач

Беспроводная связь

• беспроводные системы связи стандарты IEEE 802.11 и HIPERLAN/2;
• наземные системы цифрового телевидения DVB-T, DVB-T2 и ISDB-T;
• наземные системы мобильного телевидения DVB-H, DVB-T2, T-DMB, ISDB-T и MediaFLO;
• система цифрового радиовещания DRM;
• беспроводные системы связи стандарта Flash-OFDM;
• беспроводные системы связи стандарта LTE;
• беспроводные системы связи стандарта IEEE 802.16 (WiMAX);
• беспроводные системы связи стандарта IEEE 802.20, IEEE 802.16e (Mobile WiMAX) and WiBro;
• беспроводные системы связи стандарта IEEE 802.15.3a.

См. также

• N-OFDM
• COFDM
• МС5
• Шаблон:Iw (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) — метод обеспечения передачи информации многим пользователям в одном радиоспектре, на основе технологии OFDM; применяется в технологиях 3GPP LTE и Wi-Fi 6.
• Частотное разделение каналов

Литература

• Шаблон:Статья
• Шаблон:Книга

Ссылки

• Почему в WiMax и LTE используют OFDM // Habr