OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Tartalmazza:
OFDM alapjai Ciklikus prefix OFDM szinkronizálás
Szintén: Többhordozós moduláció alapjai Mi az FBMC
Az OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing egy olyan jelhullámforma vagy modulációs forma, amely néhány jelentős előnyt biztosít az adatkapcsolatok számára.
Az OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexinget a legújabb nagy sávszélességű és nagy adatátviteli sebességű vezeték nélküli rendszerek közül sokban használják, beleértve a Wi-Fi-t, a cellás távközlést és még sok más rendszert.
Az a tény, hogy az OFDM nagyszámú vivőt használ, amelyek mindegyike alacsony bitsebességű adatot hordoz, azt jelenti, hogy nagyon ellenálló a szelektív elhalványulással, az interferenciával és a többutas hatásokkal szemben, valamint nagyfokú spektrális hatékonyságot biztosít.
Az OFDM-et használó korai rendszerekben a jelformátumhoz szükséges feldolgozás viszonylag magas volt, de a technológia fejlődésével az OFDM kevés problémát jelent a szükséges feldolgozás szempontjából.
Az OFDM fejlődése
Az OFDM és általában a több hordozós moduláció használata az elmúlt években került előtérbe, mivel ideális platformot biztosít a vezeték nélküli adatkommunikációs átvitelhez.
Az OFDM-technológia koncepcióját azonban először az 1960-as és 1970-es években vizsgálták a szorosan egymáshoz közeli csatornák közötti interferencia csökkentésére szolgáló módszerek kutatása során. Ezen túlmenően egyéb követelmények is szükségessé tették a hibamentes adatátvitelt interferencia és szelektív terjedési feltételek mellett.
Az OFDM használata kezdetben nagyfokú feldolgozást igényelt, és ennek megfelelően nem volt életképes általános használatra.
Az OFDM-et elsőként alkalmazó rendszerek közül néhány a digitális műsorszórás volt – itt az OFDM képes volt az adatátvitel rendkívül megbízható formáját biztosítani a különböző jelútviszonyok mellett. Egyszer például a DAB digitális rádió volt, amelyet Európában és más országokban vezettek be. A norvég NRK műsorszolgáltató volt az, amely 1995. június 1-jén elindította az első szolgáltatást. Az OFDM-et a digitális televíziózásban is alkalmazták.
Később a feldolgozási teljesítmény a növekvő integrációs szinteknek köszönhetően megnövekedett, így az OFDM-et figyelembe lehetett venni a 4G mobilkommunikációs rendszerekben, amelyeket körülbelül 2009-től kezdtek el telepíteni. Az OFDM-et a Wi-Fi és számos más vezeték nélküli adatátviteli rendszer esetében is alkalmazták.
Mi az OFDM?
Az OFDM a több hordozós moduláció egyik formája. Az OFDM jel több, szorosan egymáshoz közeli modulált vivőből áll. Ha egy vivőre bármilyen formájú modulációt – hang, adat stb. – alkalmazunk, akkor az oldalsávok mindkét oldalon szétterjednek. Az adatok sikeres demodulálásához szükséges, hogy a vevő képes legyen a teljes jelet fogadni. Ennek eredményeképpen, amikor a jeleket egymáshoz közel továbbítják, a jeleknek olyan távolságra kell lenniük egymástól, hogy a vevő egy szűrő segítségével szét tudja választani őket, és a jelek között egy védősávnak kell lennie. Az OFDM esetében ez nem így van. Bár az egyes vivők oldalsávjai átfedik egymást, mégis a várt interferencia nélkül fogadhatók, mivel ortogonálisak egymáshoz. Ezt úgy érjük el, hogy a vivőtávolság a szimbólum periódus reciprokával egyenlő.
Az OFDM működésének megértéséhez meg kell néznünk a vevőt. Ez demodulátorok bankjaként működik, és minden vivőt egyenárammá alakít le. Az így kapott jelet a szimbólum periódusa alatt integrálják, hogy az adott vivőből regenerálják az adatokat. Ugyanez a demodulátor demodulálja a többi vivőt is. Mivel a vivőtávolság a szimbólumperiódus reciprokával egyenlő, ez azt jelenti, hogy a szimbólumperiódusban egész számú ciklusuk lesz, és hozzájárulásuk összege nulla lesz – más szóval nincs interferencia-hozzájárulás.
Az OFDM adó- és vevőrendszerek egyik követelménye, hogy lineárisnak kell lenniük. Bármilyen nemlinearitás interferenciát okoz a vivők között az intermodulációs torzítás következtében. Ez nem kívánt jeleket vezet be, amelyek interferenciát okoznának, és rontanák az átvitel ortogonalitását.
A használandó berendezések tekintetében a többhordozós rendszerek, mint például az OFDM, nagy csúcs- és átlagteljesítmény aránya megköveteli, hogy az adó kimenetén lévő RF végerősítő képes legyen kezelni a csúcsokat, miközben az átlagos teljesítmény sokkal kisebb, és ez hatástalansághoz vezet. Egyes rendszerekben a csúcsok korlátozottak. Bár ez torzítást eredményez, ami magasabb szintű adathibákat eredményez, a rendszer a hibajavításra támaszkodhat ezek eltávolításában.
Adatok az OFDM-ről
A rádiócsatornán történő adatküldés hagyományos formája az, hogy az adatokat sorosan, bitről bitre küldjük. Ez egyetlen csatornára támaszkodik, és ezen az egyetlen frekvencián bármilyen interferencia megzavarhatja az egész átvitelt.
Az OFDM más megközelítést alkalmaz. Az adatokat párhuzamosan továbbítják a különböző vivőkön keresztül a teljes OFDM-jelen belül. Több párhuzamos “alfolyamra” osztva a teljes adatátviteli sebesség az eredeti adatfolyamé, de az egyes alfolyamoké sokkal alacsonyabb, és a szimbólumok időben távolabb vannak egymástól.
Ez csökkenti a szimbólumok közötti interferenciát, és megkönnyíti az egyes szimbólumok pontos vételét, miközben az átviteli teljesítmény ugyanaz marad.
Az egyes adatfolyamok alacsonyabb adatátviteli sebessége azt jelenti, hogy a visszaverődésekből származó interferencia sokkal kevésbé kritikus. Ezt úgy érjük el, hogy a rendszerbe egy védősávidőt vagy védőintervallumot adunk. Ez biztosítja, hogy az adatokat csak akkor mintavételezzük, amikor a jel stabil, és nem érkeznek új késleltetett jelek, amelyek megváltoztatnák a jel időzítését és fázisát. Ez sokkal hatékonyabban érhető el egy alacsony adatátviteli sebességű részfolyamon belül.
Az adatok elosztása az OFDM jel nagyszámú vivőjére további előnyökkel jár. A többutas hatások vagy az adott frekvencián fellépő interferencia által okozott nullák csak a vivők kis részét érintik, a többi vivő helyesen fogadja a jelet. Hibakódolási technikák alkalmazásával, ami további adatok hozzáadását jelenti az átvitt jelhez, lehetővé teszi a hibás adatok nagy részének vagy egészének rekonstruálását a vevőben. Ez azért lehetséges, mert a hibajavító kódot a jel egy másik részében továbbítják.
Az OFDM legfontosabb jellemzői
Az OFDM séma a következő, egymással összefüggő pontokban különbözik a hagyományos FDM-től:
- Az információáramot több hordozó (az úgynevezett altartók) hordozza
- Az altartók ortogonálisak egymáshoz.
- Minden szimbólumhoz védőintervallumot adnak hozzá, hogy minimalizálják a csatorna késleltetési szórását és a szimbólumok közötti interferenciát.
OFDM előnyei & hátrányai
OFDM előnyei
AzOFDM-et számos nagy adatátviteli sebességű vezeték nélküli rendszerben használják, mert számos előnyt nyújt.
- Immunitás a szelektív fadinggel szemben: Az OFDM egyik fő előnye, hogy ellenállóbb a frekvenciaszelektív fadinggel szemben, mint az egyhordozós rendszerek, mivel a teljes csatornát több keskeny sávú jelre osztja, amelyeket külön-külön, lapos fading alcsatornaként érintenek.
- Interferenciával szembeni ellenálló képesség: A csatornán megjelenő interferencia lehet sávszélesség-korlátozott, és ily módon nem érinti az összes alcsatornát. Ez azt jelenti, hogy nem minden adat vész el.
- Spektrumhatékonyság: Az OFDM jelentős előnye a szorosan egymás mellett elhelyezkedő, egymást átfedő segédhordozók használatával az, hogy hatékonyan használja ki a rendelkezésre álló spektrumot.
- Ellenálló az ISI-vel szemben: Az OFDM másik előnye, hogy nagyon ellenálló a szimbólumok és a keretek közötti interferenciával szemben. Ez az egyes alcsatornák alacsony adatátviteli sebességéből adódik.
- Ellenálló a keskeny sávú hatásokkal szemben: Megfelelő csatornakódolással és interleavinggel lehetséges a csatorna frekvenciaszelektivitása és a keskeny sávú interferencia miatt elveszett szimbólumok helyreállítása. Nem vész el az összes adat.
- Egyszerűbb csatornakiegyenlítés: A CDMA-rendszerek egyik problémája a csatornakiegyenlítés bonyolultsága volt, amelyet az egész csatornára alkalmazni kellett. Az OFDM előnye, hogy több alcsatornát használva a csatornakiegyenlítés sokkal egyszerűbbé válik.
OFDM hátrányai
Míg az OFDM széles körben elterjedt, a használatának még mindig van néhány hátránya, amelyeket figyelembe kell venni, ha a használatát fontolóra vesszük.
- Nagy csúcsteljesítmény/átlagos teljesítmény arány: Az OFDM-jelnek zajszerű amplitúdóváltozása van, és viszonylag nagy dinamikus tartománya, vagy csúcs- és átlagos teljesítményaránya van. Ez hatással van az RF-erősítő hatékonyságára, mivel az erősítőknek lineárisnak kell lenniük és alkalmazkodniuk kell a nagy amplitúdóváltozásokhoz, és ezek a tényezők azt jelentik, hogy az erősítő nem működhet magas hatásfokkal.
- Érzékeny a vivőeltolódásra és a driftre: Az OFDM másik hátránya, hogy érzékeny a vivőfrekvencia eltolódására és sodródására. Az egyhordozós rendszerek kevésbé érzékenyek.
Az OFDM, azaz az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés jelentős teret nyert a vezeték nélküli piacon. A nagy adatkapacitás, a nagy spektrális hatékonyság és a többutas hatásokból eredő interferenciával szembeni ellenálló képesség kombinációja azt jelenti, hogy ideális a nagy adatforgalmú alkalmazásokhoz, amelyek napjaink kommunikációs színterén jelentős tényezővé váltak.
Még több alapvető rádiós témakör:
Rádiós jelek Modulációs típusok & technikák Amplitúdómoduláció Frekvenciamoduláció OFDM RF keverés Fázisvezérelt hurkok Frekvenciaszintetizátorok Passzív intermoduláció RF csillapítók RF szűrők RF cirkulátor Rádióvevő típusok Szuperholdas rádió Vevő szelektivitás Vevő érzékenysége Vevő erős jelek kezelése Vevő dinamikatartomány
Tovább a rádiós témakörök menüponthoz . . .