OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Beinhaltet:
OFDM Grundlagen Zyklisches Präfix OFDM Synchronisation
Siehe auch: Grundlagen der Mehrträgermodulation Was ist FBMC
OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing ist eine Form der Signalwellenform oder Modulation, die einige bedeutende Vorteile für Datenverbindungen bietet.
Dementsprechend wird OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing für viele der neuesten drahtlosen Systeme mit großer Bandbreite und hoher Datenrate verwendet, einschließlich Wi-Fi, zellulare Telekommunikation und viele mehr.
Die Tatsache, dass OFDM eine große Anzahl von Trägern verwendet, von denen jeder Daten mit niedriger Bitrate überträgt, bedeutet, dass es sehr widerstandsfähig gegenüber selektivem Fading, Interferenzen und Mehrwegeffekten ist und zudem ein hohes Maß an spektraler Effizienz bietet.
Bei den ersten Systemen, die OFDM verwendeten, war der für das Signalformat erforderliche Verarbeitungsaufwand relativ hoch, aber mit den Fortschritten in der Technologie stellt OFDM nur noch wenige Probleme in Bezug auf die erforderliche Verarbeitung dar.
Entwicklung von OFDM
Die Verwendung von OFDM und der Mehrträgermodulation im Allgemeinen ist in den letzten Jahren in den Vordergrund getreten, da sie eine ideale Plattform für drahtlose Datenübertragungen bietet.
Das Konzept der OFDM-Technologie wurde jedoch erstmals in den 60er und 70er Jahren bei der Erforschung von Methoden zur Verringerung von Interferenzen zwischen eng beieinander liegenden Kanälen untersucht. Darüber hinaus mussten weitere Anforderungen erfüllt werden, um eine fehlerfreie Datenübertragung bei Interferenzen und selektiven Ausbreitungsbedingungen zu erreichen.
Anfänglich erforderte die Verwendung von OFDM einen hohen Verarbeitungsaufwand und war daher für den allgemeinen Einsatz nicht geeignet.
Zu den ersten Systemen, die OFDM einsetzten, gehörte der digitale Rundfunk – hier war OFDM in der Lage, eine äußerst zuverlässige Form der Datenübertragung über eine Vielzahl von Signalpfadbedingungen zu bieten. Ein Beispiel war das digitale Radio DAB, das in Europa und anderen Ländern eingeführt wurde. Die norwegische Rundfunkgesellschaft NRK führte den ersten Dienst am 1. Juni 1995 ein. OFDM wurde auch für das digitale Fernsehen verwendet.
Später erhöhte sich die Verarbeitungsleistung aufgrund des steigenden Integrationsniveaus, so dass OFDM für die 4G-Mobilkommunikationssysteme in Betracht gezogen wurde, die ab etwa 2009 eingeführt wurden. OFDM wurde auch für Wi-Fi und eine Reihe anderer drahtloser Datensysteme übernommen.
Was ist OFDM?
OFDM ist eine Form der Mehrträgermodulation. Ein OFDM-Signal besteht aus einer Reihe von eng beieinander liegenden modulierten Trägern. Wenn eine Modulation jeglicher Art – Sprache, Daten usw. – auf einen Träger angewendet wird, breiten sich Seitenbänder auf beiden Seiten aus. Ein Empfänger muss in der Lage sein, das gesamte Signal zu empfangen, um die Daten erfolgreich demodulieren zu können. Wenn also Signale nahe beieinander übertragen werden, müssen sie so weit voneinander entfernt sein, dass der Empfänger sie mit Hilfe eines Filters trennen kann, und es muss ein Schutzband zwischen ihnen liegen. Dies ist bei OFDM nicht der Fall. Obwohl sich die Seitenbänder der einzelnen Träger überlappen, können sie dennoch ohne die zu erwartenden Störungen empfangen werden, da sie orthogonal zueinander sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der Trägerabstand gleich dem Kehrwert der Symbolperiode ist.
Um zu verstehen, wie OFDM funktioniert, muss man sich den Empfänger ansehen. Dieser fungiert als eine Reihe von Demodulatoren, die jeden Träger in Gleichstrom umwandeln. Das resultierende Signal wird über die Symbolperiode integriert, um die Daten von diesem Träger zu regenerieren. Derselbe Demodulator demoduliert auch die anderen Träger. Da der Trägerabstand gleich dem Kehrwert der Symbolperiode ist, haben sie eine ganze Anzahl von Zyklen in der Symbolperiode und ihr Beitrag summiert sich zu Null – mit anderen Worten, es gibt keinen Interferenzbeitrag.
Eine Anforderung an die OFDM-Sende- und Empfangssysteme ist, dass sie linear sein müssen. Jegliche Nichtlinearität führt zu Interferenzen zwischen den Trägern als Folge von Intermodulationsverzerrungen. Dies führt zu unerwünschten Signalen, die Interferenzen verursachen und die Orthogonalität der Übertragung beeinträchtigen.
In Bezug auf die zu verwendenden Geräte erfordert das hohe Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittswerten bei Mehrträgersystemen wie OFDM, dass der HF-Endverstärker am Ausgang des Senders in der Lage ist, die Spitzen zu bewältigen, während die Durchschnittsleistung viel geringer ist, was zu Ineffizienz führt. In einigen Systemen sind die Spitzen begrenzt. Obwohl dies zu Verzerrungen führt, die ein höheres Maß an Datenfehlern zur Folge haben, kann sich das System auf die Fehlerkorrektur verlassen, um diese zu beseitigen.
Daten über OFDM
Das traditionelle Format für die Übertragung von Daten über einen Funkkanal besteht darin, sie seriell, ein Bit nach dem anderen zu senden. Dabei ist man auf einen einzigen Kanal angewiesen, und jede Störung auf dieser einen Frequenz kann die gesamte Übertragung unterbrechen.
OFDM verfolgt einen anderen Ansatz. Die Daten werden parallel auf den verschiedenen Trägern innerhalb des OFDM-Gesamtsignals übertragen. Durch die Aufteilung in mehrere parallele „Teilströme“ entspricht die Gesamtdatenrate der des ursprünglichen Stroms, aber die der einzelnen Teilströme ist viel niedriger, und die Symbole liegen zeitlich weiter auseinander.
Dadurch werden Interferenzen zwischen den Symbolen verringert, und es ist einfacher, jedes Symbol genau zu empfangen, während der gleiche Durchsatz beibehalten wird.
Die niedrigere Datenrate in jedem Strom bedeutet, dass die Interferenzen durch Reflexionen viel weniger kritisch sind. Dies wird erreicht, indem eine Schutzbandzeit oder ein Schutzintervall in das System eingefügt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Daten nur dann abgetastet werden, wenn das Signal stabil ist und keine neuen verzögerten Signale eintreffen, die den Zeitpunkt und die Phase des Signals verändern würden. Dies kann innerhalb eines Teilstroms mit niedriger Datenrate viel effektiver erreicht werden.
Die Verteilung der Daten auf eine große Anzahl von Trägern im OFDM-Signal hat einige weitere Vorteile. Nullen, die durch Mehrwegeffekte oder Störungen auf einer bestimmten Frequenz verursacht werden, betreffen nur eine kleine Anzahl von Trägern, die übrigen werden korrekt empfangen. Durch den Einsatz von Fehlerkodierungstechniken, was bedeutet, dass dem übertragenen Signal weitere Daten hinzugefügt werden, können viele oder alle beschädigten Daten im Empfänger rekonstruiert werden. Dies ist möglich, weil der Fehlerkorrekturcode in einem anderen Teil des Signals übertragen wird.
Schlüsselmerkmale von OFDM
Das OFDM-Verfahren unterscheidet sich von dem herkömmlichen FDM-Verfahren durch die folgenden, miteinander verbundenen Merkmale:
- Mehrere Träger (so genannte Subträger) tragen den Informationsstrom
- Die Subträger sind orthogonal zueinander.
- Jedem Symbol wird ein Schutzintervall hinzugefügt, um die Kanalverzögerung und die Intersymbolinterferenz zu minimieren.
Vorteile von OFDM &Nachteile
Vorteile von OFDM
OFDM wurde wegen seiner vielen Vorteile in vielen drahtlosen Systemen mit hoher Datenrate eingesetzt.
- Unempfindlichkeit gegen selektives Fading: Einer der Hauptvorteile von OFDM ist, dass es widerstandsfähiger gegen frequenzselektives Fading ist als Einzelträgersysteme, weil es den Gesamtkanal in mehrere Schmalbandsignale aufteilt, die einzeln als flache Fading-Unterkanäle betroffen sind.
- Unempfindlichkeit gegenüber Störungen: Interferenzen, die auf einem Kanal auftreten, können bandbreitenbegrenzt sein und wirken sich somit nicht auf alle Unterkanäle aus. Dies bedeutet, dass nicht alle Daten verloren gehen.
- Spektrumeffizienz: Ein wesentlicher Vorteil von OFDM ist die effiziente Nutzung des verfügbaren Spektrums durch die Verwendung von eng beieinander liegenden, sich überlappenden Unterkanälen.
- Widerstandsfähig gegen ISI: Ein weiterer Vorteil von OFDM ist, dass es sehr widerstandsfähig gegen Inter-Symbol- und Inter-Frame-Interferenzen ist. Dies resultiert aus der niedrigen Datenrate auf jedem der Unterkanäle.
- Unempfindlich gegen Schmalbandeffekte: Durch geeignete Kanalcodierung und Verschachtelung ist es möglich, Symbole wiederherzustellen, die aufgrund der Frequenzselektivität des Kanals und der Schmalbandinterferenz verloren gegangen sind. Dabei gehen nicht alle Daten verloren.
- Einfachere Kanalentzerrung: Eines der Probleme bei CDMA-Systemen war die Komplexität der Kanalentzerrung, die auf den gesamten Kanal angewendet werden musste. Ein Vorteil von OFDM ist, dass durch die Verwendung mehrerer Unterkanäle die Kanalentzerrung viel einfacher wird.
Nachteile von OFDM
Auch wenn OFDM weit verbreitet ist, gibt es immer noch einige Nachteile, die bei seiner Verwendung berücksichtigt werden müssen.
- Hohes Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung: Ein OFDM-Signal weist eine rauschähnliche Amplitudenvariation auf und hat einen relativ großen dynamischen Bereich bzw. ein hohes Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung. Dies wirkt sich auf die Effizienz des HF-Verstärkers aus, da die Verstärker linear sein und die großen Amplitudenschwankungen ausgleichen müssen, und diese Faktoren bedeuten, dass der Verstärker nicht mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann.
- Empfindlich gegenüber Trägeroffset und -drift: Ein weiterer Nachteil von OFDM ist, dass es empfindlich auf Trägerfrequenzversatz und -abweichung reagiert. Einzelträgersysteme sind weniger empfindlich.
OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, hat sich auf dem drahtlosen Markt durchgesetzt. Die Kombination aus hoher Datenkapazität, hoher spektraler Effizienz und seiner Unempfindlichkeit gegenüber Störungen durch Mehrwegeffekte bedeutet, dass es sich ideal für Anwendungen mit hohem Datenaufkommen eignet, die zu einem wichtigen Faktor in der heutigen Kommunikationsszene geworden sind.
Weitere wesentliche Funkthemen:
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