OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Sisältää:
OFDM:n perusteet Syklinen etuliite OFDM-synkronointi
Katso myös: Monikantoaaltomodulaation perusteet Mikä on FBMC
OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing on signaalin aaltomuoto tai modulaatio, joka tarjoaa eräitä merkittäviä etuja tietoliikenneyhteyksille.
OfDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing on käytössä monissa uusimmissa laajan kaistanleveyden omaavissa ja suurilla tiedonsiirtonopeuksilla varustetuissa langattomissa järjestelmissä, mukaan lukien Wi-Fi-verkko, matkaviestinjärjestelmät ja monissa muissa.
Se, että OFDM käyttää suurta määrää kantoaaltoja, joista kukin kuljettaa pientä bittinopeutta, tarkoittaa, että se on erittäin kestävä valikoivalle häipymiselle, häiriöille ja monipolkuvaikutuksille sekä tarjoaa suuren spektritehokkuuden.
Aikaisemmissa OFDM:ää käyttävissä järjestelmissä havaittiin, että signaalimuodon vaatima prosessointi oli suhteellisen runsasta, mutta tekniikan kehittyessä OFDM ei aiheuta juurikaan ongelmia vaaditun prosessoinnin suhteen.
OFDM:n kehitys
OFDM:n ja yleensäkin monikantoaaltomodulaation käyttö on noussut viime vuosina esiin, koska se tarjoaa ihanteellisen alustan langattomille tietoliikennelähetyksille.
OfDM-tekniikan konseptia tutkittiin ensimmäisen kerran 1960- ja 1970-luvuilla tutkittaessa menetelmiä, joiden avulla voitiin pienentää lähekkäin sijaitsevien kanavien välisiä häiriöitä. Tämän lisäksi tarvittiin muita vaatimuksia, jotta saavutettaisiin virheetön tiedonsiirto häiriöiden ja valikoivien etenemisolosuhteiden vallitessa.
Aluksi OFDM:n käyttö vaati paljon prosessointia, eikä se näin ollen soveltunut yleiseen käyttöön.
Joitakin ensimmäisiä järjestelmiä, jotka ottivat OFDM:n käyttöön, olivat digitaaliset yleisradiolähetykset, joissa OFDM:llä pystyttiin tarjoamaan erittäin luotettava tiedonsiirto erilaisissa signaalitieolosuhteissa. Esimerkkinä oli kerran Euroopassa ja muissa maissa käyttöön otettu DAB-digitaaliradio. Norjan yleisradioyhtiö NRK käynnisti ensimmäisen palvelun 1. kesäkuuta 1995. OFDM:ää käytettiin myös digitaalitelevisiossa.
Myöhemmin prosessointiteho kasvoi integraatiotason nousun myötä, minkä ansiosta OFDM:ää voitiin harkita 4G-matkaviestintäjärjestelmissä, joita alettiin ottaa käyttöön noin vuodesta 2009 alkaen. OFDM otettiin käyttöön myös Wi-Fi:ssä ja monissa muissa langattomissa tietojärjestelmissä.
Mikä on OFDM?
OFDM on eräs monikantoaaltomodulaation muoto. OFDM-signaali koostuu useista lähekkäin olevista moduloiduista kantoaalloista. Kun kantoaaltoon sovelletaan mitä tahansa modulaatiota – puhe- tai datamodulaatiota – sivukaistat leviävät molemmin puolin. Vastaanottimen on pystyttävä vastaanottamaan koko signaali, jotta se voi onnistuneesti demoduloida datan. Kun signaalit lähetetään lähellä toisiaan, ne on erotettava toisistaan siten, että vastaanotin voi erottaa ne toisistaan suodattimen avulla, ja niiden välissä on oltava suojakaista. Näin ei ole OFDM:ssä. Vaikka kunkin kantoaallon sivukaistat ovat päällekkäisiä, ne voidaan silti vastaanottaa ilman odotettavissa olevia häiriöitä, koska ne ovat toisiinsa nähden ortogonaalisia. Tämä saavutetaan siten, että kantoaaltoväli on yhtä suuri kuin symbolin jakson käänteisarvo.
Kaikkea OFDM:n toimintatapaa tarkasteltaessa on tarkasteltava vastaanotinta. Tämä toimii demodulaattoripankkina, joka muuntaa jokaisen kantoaallon DC:ksi. Tuloksena syntyvä signaali integroidaan symbolijakson aikana, jotta kyseisestä kantoaallosta voidaan generoida data uudelleen. Sama demodulaattori demoduloi myös muut kantoaallot. Koska kantoaaltoväli on yhtä suuri kuin symbolijakson käänteisarvo, niillä on symbolijaksossa kokonainen määrä syklejä ja niiden osuus on nolla – toisin sanoen häiriövaikutusta ei ole.
Yksi OFDM-lähetys- ja -vastaanottojärjestelmien vaatimus on, että niiden on oltava lineaarisia. Kaikki epälineaarisuus aiheuttaa kantoaaltojen välille häiriöitä intermodulaatiovääristymien seurauksena. Tämä aiheuttaa ei-toivottuja signaaleja, jotka aiheuttaisivat häiriöitä ja heikentäisivät lähetyksen ortogonaalisuutta.
Käytettävien laitteiden osalta OFDM:n kaltaisten monikantajajärjestelmien suuri piikkien ja keskimääräisten tehojen suhde edellyttää, että lähettimen ulostulossa oleva RF-loppuvahvistin pystyy käsittelemään piikkejä, kun taas keskimääräiset tehot ovat paljon pienempiä, mikä johtaa tehottomuuteen. Joissakin järjestelmissä piikkejä on rajoitettu. Vaikka tämä aiheuttaa vääristymiä, jotka johtavat suurempaan tietovirheiden määrään, järjestelmä voi luottaa siihen, että virheenkorjaus poistaa nämä virheet.
Dataa OFDM:stä
Traditionaalinen muoto datan lähettämisessä radiokanavalla on sen lähettäminen peräkkäin, bitti kerrallaan. Tämä perustuu yhteen kanavaan, ja kaikki häiriöt tällä yhdellä taajuudella voivat häiritä koko lähetystä.
OFDM:ssä käytetään toisenlaista lähestymistapaa. Tiedot lähetetään rinnakkain OFDM-signaalin eri kantoaaltojen välillä. Koska se on jaettu useisiin rinnakkaisiin ”alivirtoihin”, kokonaistiedonsiirtonopeus on sama kuin alkuperäisessä virrassa, mutta kunkin alivirran tiedonsiirtonopeus on paljon alhaisempi ja symbolit ovat ajallisesti kauempana toisistaan.
Tämä vähentää symbolien välisiä häiriöitä ja helpottaa jokaisen symbolin tarkkaa vastaanottamista samalla, kun läpäisykyky säilyy samana.
Matalampi tiedonsiirtonopeus kussakin virrassa tarkoittaa sitä, että heijastusten aiheuttamat häiriöt ovat paljon vähemmän kriittisiä. Tämä saavutetaan lisäämällä järjestelmään suojakaistan aika tai suojaväli. Näin varmistetaan, että dataa näytteistetään vain silloin, kun signaali on vakaa eikä uusia viivästyneitä signaaleja saavu, jotka muuttaisivat signaalin ajoitusta ja vaihetta. Tämä voidaan saavuttaa paljon tehokkaammin matalan tiedonsiirtonopeuden alivirrassa.
Datan jakamisella OFDM-signaalin suurelle määrälle kantoaaltoja on eräitä muita etuja. Monipolkuvaikutusten tai tietyllä taajuudella esiintyvien häiriöiden aiheuttamat nollat vaikuttavat vain pieneen määrään kantoaaltoja, ja loput kantoaallot vastaanotetaan oikein. Käyttämällä virheenkoodaustekniikoita, mikä tarkoittaa lisätietojen lisäämistä lähetettävään signaaliin, voidaan vastaanottimessa rekonstruoida suuri osa tai kaikki vioittuneet tiedot. Tämä voidaan tehdä, koska virheenkorjauskoodi lähetetään signaalin eri osassa.
OFDM:n keskeiset piirteet
OfDM-järjestelmä eroaa perinteisestä FDM:stä seuraavilla toisiinsa liittyvillä tavoilla:
- Monet kantoaaltokannattajat (ns. alikantoaaltokannattajat) kuljettavat informaatiovirtaa
- Alikantoaaltokantoaaltokannattajat ovat toisiinsa nähden ortogonaaleja.
- Jokaiseen symboliin lisätään suojaväli kanavan viiveen leviämisen ja symbolien välisen häiriön minimoimiseksi.
OFDM:n edut & haitat
OFDM:n edut
OFDM:ää on käytetty monissa langattomissa suurten tiedonsiirtonopeuksien langattomissa järjestelmissä monien tarjoamiensa etujen vuoksi.
- Koskemattomuus selektiiviseen häipymiseen: Yksi OFDM:n tärkeimmistä eduista on se, että se kestää paremmin taajuusselektiivistä häipymistä kuin yhden kantoaallon järjestelmät, koska se jakaa kokonaiskanavan useisiin kapeakaistaisiin signaaleihin, jotka vaikuttavat yksitellen tasaisesti häipyvinä alakanavina.
- Häiriönsietokyky: Häiriöt, jotka esiintyvät kanavalla, voivat olla kaistanleveydeltään rajoitettuja, eivätkä näin ollen vaikuta kaikkiin alakanaviin. Tämä tarkoittaa, että kaikki data ei menetä.
- Taajuustehokkuus: Kun käytetään lähekkäin olevia päällekkäisiä alikantoaaltoja, OFDM:n merkittävä etu on se, että se käyttää käytettävissä olevia taajuuksia tehokkaasti.
- ISI-kestävyys: Toinen OFDM:n etu on, että se kestää hyvin symbolien ja kehysten välistä häiriötä. Tämä johtuu kunkin alakanavan alhaisesta tiedonsiirtonopeudesta.
- Kestää kapeakaistaisia vaikutuksia: Käyttämällä asianmukaista kanavakoodausta ja lomitusta on mahdollista palauttaa kanavan taajuusselektiivisyyden ja kapeakaistaisen häiriön vuoksi menetetyt symbolit. Kaikkea dataa ei menetetä.
- Yksinkertaisempi kanavan tasaus: Yksi CDMA-järjestelmien ongelmista oli kanavan tasauksen monimutkaisuus, jota oli sovellettava koko kanavaan. OFDM:n etuna on se, että useiden alakanavien avulla kanavan tasauksesta tulee paljon yksinkertaisempaa.
OFDM:n haitat
Vaikka OFDM:ää on käytetty laajalti, sen käyttöön liittyy silti muutamia haittoja, jotka on otettava huomioon sen käyttöä harkittaessa.
- Suuri huipputehon ja keskimääräisen tehon suhde: OFDM-signaalissa on kohinan kaltaista amplitudivaihtelua ja sillä on suhteellisen suuri dynaaminen alue eli huipun ja keskimääräisen tehon suhde. Tämä vaikuttaa RF-vahvistimen hyötysuhteeseen, koska vahvistimien on oltava lineaarisia ja sopeuduttava suuriin amplitudivaihteluihin, ja nämä tekijät tarkoittavat, että vahvistin ei voi toimia korkealla hyötysuhteella.
- Herkkä kantoaallon offsetille ja driftille: Toinen OFDM:n haittapuoli on se, että se on herkkä kantoaallon taajuusoffsetille ja driftille. Yhden kantoaallon järjestelmät ovat vähemmän herkkiä.
OFDM eli ortogonaalinen taajuusjakomultipleksointi (orthogonal frequency division multiplexing) on saavuttanut merkittävän aseman langattomilla markkinoilla. Suuren datakapasiteetin, korkean spektrisen tehokkuuden ja monipolkuvaikutusten aiheuttamien häiriöiden sietokyvyn yhdistelmä tarkoittaa, että se on ihanteellinen suuren datamäärän sovelluksiin, joista on tullut merkittävä tekijä nykypäivän viestinnässä.
Muut olennaiset radioaiheet:
Radiosignaalit Modulaatiotyypit & tekniikat Amplitudimodulaatio Taajuusmodulaatio OFDM RF-sekoitus Vaihelukitussilmukat Taajuussyntetisaattorit Passiivinen intermodulaatio RF-vaimentimet RF-suodattimet RF-sirkulaattori Radiovastaanottimen tyypit Superhet-radio Vastaanottimen valikoivuus Vastaanottimen herkkyys Vastaanottimen voimakkaan signaalin käsittely Vastaanottimen dynamiikka-alueen käsittely
Palaa Radioaiheet-valikkoon . . .