Ortogonal frekvensdelningsmultiplexering

Från Wikipedia, den fria encyklopedin
Hoppa till navigation Hoppa till sökning

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Orthogonal German Frequency Division Multiplexing ) är en speciell implementering av multibärarmoduleringen. En moduleringsmetod som använder flera ortogonala bärare för digital dataöverföring. Metoden är således en speciell form av FDM , där bärarnas ortogonalitet (det vill säga maximalt för en bärare är på en nollkorsning i dess närliggande bärare) minskar överhörning mellan signaler som moduleras på angränsande bärare.

Den användbara informationen som ska överföras med en hög datahastighet delas först upp i flera partiella dataströmmar med en låg datahastighet. Dessa partiella dataströmmar moduleras var och en för sig med en konventionell moduleringsmetod såsom kvadraturamplitudmodulering med en smal bandbredd och sedan läggs de modulerade RF -signalerna till. För att kunna skilja mellan de enskilda signalerna under demodulering i mottagaren är det nödvändigt att bärarna i funktionsutrymmet är ortogonala mot varandra. Detta har den effekten att de partiella dataströmmarna påverkar varandra så lite som möjligt.

Fördelen med OFDM är att den medger att dataöverföringen enkelt kan anpassas till särdragen hos en överföringskanal, såsom en radiokanal , med hjälp av fin granulering. Om det finns en smalbandsinterferens inom OFDM-signalspektrumet kan bärare som påverkas av störningen uteslutas från dataöverföring. Den totala dataöverföringshastigheten reduceras endast med en liten bråkdel. Vid bredbandskvadraturamplitudmodulering med endast en bärare kan å andra sidan smalbandstörningar i överföringskanalen göra fullständig dataöverföring omöjlig. Destruktiv störning från flervägsmottagning påverkar också endast enskilda bärare.

OFDM -signal med fyra bärare i frekvensområdet. De enskilda bärarna visas i olika färger.

Modulationsmetod

En symbol i OFDM med fyra bärfrekvenser i tidsdomänen

Varje bärare moduleras först separat. Beroende på vilken av de tre fria parametrarna frekvens, amplitud och fas som används för detta, bär den information om en eller flera bitar per symbolsteg . Med DAB 2 bitar, med DVB-T 2, 4 eller 6 bitar och med DVB-T2 överförs upp till 8 bitar per symbol och bärare.

Vågformen av en symbol består av summan av alla modulerade bärare i OFDM. Med OFDM sänds således ett mycket stort antal bitar parallellt. Om till exempel, som i praktiska tillämpningar, cirka 7000 bärare används och fyra bitar sänds per bärare, har en symbol ett informationsinnehåll på högst 28 000 bitar, som sänds parallellt i ett symbolsteg. I praktiken är antalet bitar något lägre, eftersom vissa bärfrekvenser används för synkronisering, som pilotton och för drift. Kanalkodningen för felkorrigering framåt minskar också mängden användardata.

I enlighet med det lilla spektralavståndet mellan bärfrekvenserna sker modulering med endast en liten bandbredd . Därför är symbollängden med OFDM mycket längre jämfört med enkelbärarmetoder. Med en total bandbredd på 8 MHz och 7000 bärfrekvenser resulterar en symbolvaraktighet på 875 µs som en grov vägledning, vilket motsvarar en symbolhastighet på 1143 baud . Den maximala bithastigheten som kan uppnås är cirka 32 Mbit / s. Olika andra parametrar, såsom den maximala fördröjningsspridningen för mottagning med flera vägar, måste beaktas för exakt tolkning.

OFDM -modulator

OFDM -signaler genereras med den komplexa beräkningsomvända diskreta Fouriertransformationen ( IDFT ). IDFT antar att alla underbärvågsfrekvenser är ortogonala mot varandra. Blocklängden för IDFT motsvarar antalet underbärare. IDFT kan implementeras helt i digital teknik med digitala signalprocessorer , så att den högfrekventa delen av kretsen förblir relativt enkel.

Ortogonalitet finns om och bara om:

reception

OFDM demodulator

På mottagarsidan måste de enskilda bärarna separeras från den sammansatta signalen. Detta kan göras med individuella filter, men med mer än en handfull frekvenser blir det för dyrt. Av denna anledning används en snabb Fouriertransformation ( FFT ) i alla OFDM -avkodare idag, vilket reverserar IFFT vid sändaren. Ingångsdata för FFT är digitaliserade värden för signalen från en analog-till-digital-omvandlare (ADC).

Synkroniseringen med den mottagna signalen är problematisk och komplex med en OFDM -mottagare, eftersom mottagaren inte har en direkt leverans av överföringsklockan. Vanligtvis körs flera synkroniseringsnivåer efter varandra. Först och främst måste provklockan för ADC och frekvensen för HF -bäraren justeras så att alla bärare faller exakt på FFT -frekvenserna (motsvarar en sträckning / komprimering och förskjutning av spektrumet). På grund av närvaron av många ekon finns det en tidpunkt då impulssvaret har den största energin. Från denna tidpunkt kan man dra slutsatser om den tidsperiod då ekon tas emot och på varandra följande symboler läggs över varandra. Det finns med hjälp av vissa referenssymboler eller pilothållare med en autokorrelation. Slutligen måste den fasreferens som krävs för kvadraturamplitudmodulation (QAM) extraheras (så kallad kanaluppskattning ).

Beroende på OFDM -metoden stöder olika ytterligare signaler denna synkronisering. Med digital ljudsändning (DAB) överförs ingen energi alls för en symbol (nollsymbol) och sedan en så kallad fasreferenssymbol för exakt frekvens- och tidssynkronisering. DVB-T använder ett mönster av pilttoner som systematiskt migrerar över bärarna. Med hjälp av dessa pilottoner kan fasändringen över frekvens och tid bestämmas.

COFDM

Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) är en överföringsmetod för digital information som kompletterar OFDM-moduleringsmetoden med felkorrigering framåt inom symbolen.

Styrkorna hos COFDM är dess motståndskraft mot den allmänna störande flervägsmottagningen och dess ekon och den resulterande möjligheten att kunna driva flera rumsligt angränsande sändare på samma överföringsfrekvens som ett så kallat enfrekvensnät . Den är också lämplig för mobil mottagning av signaler som överförs med den.

COFDM som överföringsmetod används särskilt av Digital Audio Broadcasting (DAB), Digital Radio Mondiale (DRM) och den europeiska digital-tv-standarden DVB-T .

Samtidig vågdrift eller flervägsmottagning leder till konstruktiv och destruktiv störning inom en symbols tid, vilket leder till att enskilda bärfrekvenser avbryts eller förstärks. Eftersom ett stort antal bärvågsfrekvenser är tillgängliga parallellt inom kanalen och störningar är frekvensselektiva, avbryts eller förstärks dock endast enskilda bärare vid vissa rumsliga mottagningspunkter.

Med OFDM finns det i princip samma fysiska problem som med enkelbärarmetoder, men dessa störande påverkan av störningar kan kraftigt reduceras med två metoder, eftersom symbollängden med OFDM är mycket längre än enkelbärarmetoder.

Förutom felkorrigering framåt genom kanalkodning distribueras informationen som ska överföras redundant över flera bärfrekvenser med COFDM. Som ett resultat kan COFDM-mottagaren rekonstruera korrekt användardatainformation även om enskilda bärfrekvenser raderas på grund av störningar, och enfrekvenssändardrift med överlappande zoner hos de enskilda sändarna är möjlig.

En skyddsintervall säkerställer att en "tyst tid" observeras mellan två utsända symboler så att konsekutiva symboler inte kors prata . Typiska skyddstider är mellan 1/32 symbolvaraktighet och 1/4 symbolvaraktighet. Vaktintervallets längd bestämmer den möjliga intersymbolinterferensfria avståndsskillnaden till sändarna. Med en vilotid på 33 µs stör distansskillnader på tio kilometer eller mer, vilket tillåter sändaravstånd på cirka 20 km, eftersom utrotning kräver liknande fältstyrkor.

OFDMA

Med Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) distribueras OFDM -underbärarna över mer än en användarkanal. Förutsättningen för processen är dubbelriktad radiokommunikation, där kanalen, i motsats till enriktad kommunikation, kan mätas. Sändaren är medveten om mottagningskvaliteten hos delbärarna för de enskilda användarna genom kontinuerlig mätning. Baserat på denna kunskap kan han optimera användningen av underbärarna och därmed spektral effektivitet.

Användningsexempel

Följande tabell sammanfattar de typiska nyckeldata för vissa OFDM- eller COFDM-baserade system:

Överföringsstandard DAB , Eureka 147 DVB-T DVB-H DTMB IEEE 802.11a LTE
År för utveckling 1995 1997 2004 2006 1999 2006
Frekvensomfång
(MHz)
174-240
1452-1492
470-862
174-230
470-862 470-862 4915-5825 700, 800, 900, 1800, 2100, 2600 och mycket mer
Bandbredd B
(MHz)
1.712 8, 7, 6 8, 7, 6 & 5 8: e 20: e 1.4, 3, 5, 10, 15, 20
Antal bärare N 192, 384, 768 eller 1536 2K -läge: 1705
8K -läge: 6817
1705, 3409, 6817 1 (enkel stråle)
3780 (flera bärare)
48 (+4 piloter) 72, 180, 300, 600, 900, 1200
Bärarmodulering DQPSK QPSK (= 4-QAM), 16-QAM eller 64-QAM QPSK, 16-QAM eller 64-QAM QPSK, 16-QAM, 32-QAM eller 64-QAM. BPSK, QPSK, 16-QAM eller 64-QAM QPSK, 16-QAM, 64-QAM eller 256-QAM
Typisk symbollängd T S
(μs)
2K -läge: 224
8K -läge: 896
224, 448, 896 500 (flera bärare) 3.2 66,67
Skyddsintervall T G
(En del av T S)
1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 1/6, 1/9 1/4 1/14 (~ 4,76 µs), 1/4 (16 µs)
Bäraravstånd
Af = 1 / (T S) ≈ B / N
(Hz)
2K -läge: 4464
8K -läge: 1116
4464, 2232, 1116 8 M (enkel stråle)
2000 (flera bärare)
312,5k 15000
Användardatahastigheter R
( Mbit / s)
0,576-1,152 4,98-31,67
(vanligtvis 24)
3,7-23,8 4,81-32,49 6 - 54 3 - 300
Spektral effektivitet R / B
(bit / s / Hz)
0,34-0,67 0,62-4,0 0,62-4,0 0,60-4,1 0,30-2,7
Inre FEC Konvolutionskod med kodhastigheter

1/4, 3/8 eller 1/2

Konvolutionskod med kodhastigheter

1/2, 2/3, 3/4, 5/6 eller 7/8

Konvolutionskod med kodhastigheter

1/2, 2/3, 3/4, 5/6 eller 7/8

LDPC med kodfrekvenser

0,4, 0,6 eller 0,8

Konvolutionskod med kodhastigheter

1/2, 2/3 eller 3/4

Extern FEC Ingen RS (204,188, t = 8) RS (204,188, t = 8) + MPE-FEC BCH -kod (762 752)
Maximal relativ hastighet
(km / h)
200-600 53-185
Frekvensberoende
350
Interleaving djup
(Fröken)
385 0,6-3,5 0,6-3,5 200-500

Andra

OFDM står också för Optical Frequency Division Multiplexing, som är en synonym term för våglängdsdivision multiplexering . Termen "Multiplexing med optisk frekvensdelning" betonar emellertid att denna optiska teknik är en frekvensmultiplexteknologi som är känd från elektrisk kommunikationsteknik.

litteratur

  • Khaled Fazel, Stefan Kaiser: Multi-Carrier och Spread Spectrum Systems. Från OFDM och MC-CDMA till LTE och WiMAX. Andra upplagan. John Wiley & Sons, New York NY 2008, ISBN 978-0-470-99821-2 .
  • Ralph Spitschka: Synkroniseringsalgoritmer för OFDM -system. Med exemplet WLAN. VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2008, ISBN 978-3-639-07596-0 .

Individuella bevis

  1. ^ Long-Term Evolution (LTE): Visionen bortom 3G , Nortel

webb-länkar

Commons : Ortogonal frekvensdelningsmultiplexering - samling av bilder, videor och ljudfiler