OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Zahrnuje:
OFDM basics Cyclic prefix OFDM synchronisation
Viz také: Co je to FBMC
OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing je forma vlnění nebo modulace signálu, která poskytuje některé významné výhody pro datové spoje.
Podle toho se OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing používá pro mnoho nejnovějších bezdrátových systémů s širokou šířkou pásma a vysokou rychlostí přenosu dat, včetně Wi-Fi, mobilních telekomunikací a mnoha dalších.
Skutečnost, že OFDM používá velký počet nosných, z nichž každá přenáší data s nízkou bitovou rychlostí, znamená, že je velmi odolný vůči selektivnímu blednutí, rušení a vícecestným efektům a také poskytuje vysoký stupeň spektrální účinnosti.
U prvních systémů využívajících OFDM bylo zjištěno, že zpracování vyžadované pro formát signálu je relativně vysoké, ale s rozvojem technologií představuje OFDM z hlediska potřebného zpracování jen málo problémů.
Vývoj OFDM
V posledních letech se do popředí zájmu dostalo použití OFDM a vícenásobné nosné modulace obecně, protože poskytuje ideální platformu pro bezdrátové datové komunikační přenosy.
Koncepce technologie OFDM však byla poprvé zkoumána v 60. a 70. letech 20. století při výzkumu metod snižování rušení mezi úzce vzdálenými kanály. Kromě toho bylo nutné splnit další požadavky, aby bylo dosaženo bezchybného přenosu dat za přítomnosti rušení a selektivních podmínek šíření.
Zpočátku vyžadovalo použití OFDM velkou úroveň zpracování, a proto nebylo životaschopné pro všeobecné použití.
Jedny z prvních systémů, které přijaly OFDM, bylo digitální vysílání – zde byl OFDM schopen poskytnout vysoce spolehlivou formu přenosu dat za různých podmínek na cestě signálu. Jednou byl příkladem digitální rozhlas DAB, který byl zaveden v Evropě a dalších zemích. Byla to norská vysílací společnost NRK, která 1. června 1995 spustila první službu. OFDM byl použit také pro digitální televizi.
Později se výpočetní výkon zvýšil v důsledku rostoucí úrovně integrace, což umožnilo uvažovat o OFDM pro mobilní komunikační systémy 4G, které se začaly zavádět přibližně od roku 2009. Také OFDM byl přijat pro Wi-Fi a řadu dalších bezdrátových datových systémů.
Co je OFDM?
OFDM je forma modulace s více nosnými. Signál OFDM se skládá z několika těsně od sebe vzdálených modulovaných nosných. Když se na nosnou aplikuje modulace v jakékoli formě – hlasová, datová atd. Aby mohl přijímač úspěšně demodulovat data, je nutné, aby byl schopen přijímat celý signál. Proto jsou-li signály vysílány blízko sebe, musí být od sebe vzdáleny tak, aby je přijímač mohl oddělit pomocí filtru, a musí mezi nimi být ochranné pásmo. V případě OFDM tomu tak není. Přestože se postranní pásma jednotlivých nosných překrývají, lze je přijímat bez rušení, které by se dalo očekávat, protože jsou navzájem ortogonální. Toho je dosaženo tím, že odstup nosných je roven reciproké hodnotě periody symbolu.
Abychom zjistili, jak OFDM funguje, je třeba se podívat na přijímač. Ten funguje jako banka demodulátorů, které převádějí každou nosnou dolů na stejnosměrný proud. Výsledný signál se integruje v průběhu symbolové periody, aby se z této nosné regenerovala data. Stejný demodulátor demoduluje i ostatní nosné. Vzhledem k tomu, že rozteč nosných je rovna reciproké hodnotě periody symbolu, znamená to, že budou mít v periodě symbolu celý počet cyklů a jejich příspěvek se bude rovnat nule – jinými slovy nedochází k žádnému rušivému příspěvku.
Jedním z požadavků na vysílací a přijímací systémy OFDM je, že musí být lineární. Jakákoli nelinearita způsobí interferenci mezi nosnými v důsledku intermodulačního zkreslení. To vnese nežádoucí signály, které by způsobily rušení a narušily ortogonalitu přenosu.
Pokud jde o použité zařízení, vysoký poměr špiček k průměru u systémů s více nosnými, jako je OFDM, vyžaduje, aby koncový VF zesilovač na výstupu vysílače byl schopen zvládnout špičky, zatímco průměrný výkon je mnohem nižší, a to vede k neúčinnosti. V některých systémech jsou špičky omezeny. To sice přináší zkreslení, které má za následek vyšší úroveň chyb v datech, ale systém se může spolehnout na korekci chyb, která je odstraní.
Data na OFDM
Tradiční formát pro posílání dat přes rádiový kanál je posílat je sériově, jeden bit za druhým. To se spoléhá na jediný kanál a jakékoli rušení na této jediné frekvenci může narušit celý přenos.
OFDM používá jiný přístup. Data jsou přenášena paralelně na různých nosných v rámci celkového signálu OFDM. Tím, že je rozdělen do několika paralelních „podproudů“, je celková rychlost přenosu dat stejná jako u původního proudu, ale rychlost každého z podproudů je mnohem nižší a symboly jsou od sebe časově vzdáleny.
To snižuje interference mezi symboly a usnadňuje přesný příjem každého symbolu při zachování stejné propustnosti.
Nižší rychlost přenosu dat v každém proudu znamená, že rušení odrazy je mnohem méně kritické. Toho je dosaženo přidáním doby ochranného pásma nebo ochranného intervalu do systému. Tím je zajištěno, že data jsou vzorkována pouze tehdy, když je signál stabilní a nepřicházejí žádné nové zpožděné signály, které by změnily časování a fázi signálu. Toho lze mnohem účinněji dosáhnout v rámci podproudu s nízkou rychlostí přenosu dat.
Rozložení dat na velké množství nosných v signálu OFDM má některé další výhody. Nulové hodnoty způsobené vícecestnými efekty nebo rušením na dané frekvenci ovlivňují pouze malý počet nosných, zbývající jsou přijímány správně. Použití technik kódování chyb, které ovšem znamená přidání dalších dat k přenášenému signálu, umožňuje rekonstruovat mnoho nebo všechna poškozená data v přijímači. To lze provést díky tomu, že kód pro opravu chyb je přenášen v jiné části signálu.
Klíčové vlastnosti OFDM
Schéma OFDM se od tradičního FDM liší následujícími vzájemně souvisejícími způsoby:
- Proud informací nese více nosných (nazývaných subnosné)
- Subnosné jsou navzájem ortogonální.
- Ke každému symbolu se přidává ochranný interval, aby se minimalizovalo rozptyl zpoždění kanálu a mezisymbolové rušení.
Výhody OFDM &Nevýhody
Výhody OFDM
OFDM se používá v mnoha bezdrátových systémech s vysokou přenosovou rychlostí, protože poskytuje mnoho výhod.
- Odolnost proti selektivnímu blednutí: Jednou z hlavních výhod OFDM je, že je odolnější vůči frekvenčně selektivnímu blednutí než systémy s jednou nosnou, protože rozděluje celkový kanál na více úzkopásmových signálů, které jsou ovlivňovány jednotlivě jako dílčí kanály s plochým blednutím.
- Odolnost vůči rušení: Rušení, které se objevuje v kanálu, může být omezeno šířkou pásma, a tak neovlivní všechny dílčí kanály. To znamená, že se neztratí všechna data.
- Účinnost spektra: Významnou výhodou OFDM je, že při použití blízko sebe umístěných překrývajících se subnosných efektivně využívá dostupné spektrum.
- Odolnost vůči ISI: Další výhodou OFDM je, že je velmi odolný vůči inter-symbolovému a inter-frame rušení. To vyplývá z nízké rychlosti přenosu dat na každém z dílčích kanálů.
- Odolnost vůči úzkopásmovým vlivům: Při použití vhodného kanálového kódování a prokládání je možné obnovit symboly ztracené v důsledku frekvenční selektivity kanálu a úzkopásmového rušení. Nejsou ztracena všechna data.
- Jednodušší vyrovnání kanálu: Jedním z problémů systémů CDMA byla složitost vyrovnávání kanálu, které muselo být použito v celém kanálu. Výhodou OFDM je, že při použití více dílčích kanálů je vyrovnávání kanálu mnohem jednodušší.
Nevýhody OFDM
Ačkoli je OFDM široce používán, stále existuje několik nevýhod jeho použití, které je třeba při zvažování jeho použití řešit.
- Vysoký poměr špičkového a průměrného výkonu: Signál OFDM má amplitudové změny podobné šumu a má poměrně velký dynamický rozsah neboli poměr špičkového a průměrného výkonu. To má vliv na účinnost VF zesilovače, protože zesilovače musí být lineární a přizpůsobit se velkým amplitudovým změnám a tyto faktory znamenají, že zesilovač nemůže pracovat s vysokou úrovní účinnosti.
- Citlivý na posun nosné a drift: Další nevýhodou OFDM je citlivost na posun a drift nosné frekvence. Systémy s jednou nosnou jsou méně citlivé.
OFDM, ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením, získal významné postavení na trhu bezdrátových sítí. Kombinace vysoké datové kapacity, vysoké spektrální účinnosti a odolnosti vůči rušení v důsledku vícecestných efektů znamená, že je ideální pro aplikace s vysokým objemem dat, které se staly hlavním faktorem na dnešní komunikační scéně.
Další základní témata o rádiu:
Rádiové signály Typy modulace & techniky Amplitudová modulace Frekvenční modulace OFDM RF směšování Fázově uzamčené smyčky Frekvenční syntetizátory Pasivní intermodulační RF atenuátory RF filtry RF cirkulátor Typy rádiových přijímačů Superhetové rádio Selektivita přijímače Citlivost přijímače Zpracování silného signálu Dynamický rozsah přijímače
Zpět na nabídku témat o rádiu . . .