Ortogonal frekvensdelningsmultiplexering

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Orthogonal German Frequency Division Multiplexing ) är en särskild 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 smalbandstörning förekommer 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 $S_{\text{OFDM}}(t)$ ${\ displaystyle S _ {\ text {OFDM}} (t)}$ $S _ {{\ text {OFDM}}} (t)$ 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, liksom i praktiska tillämpningar, cirka 7000 bärare används och fyra bitar överförs 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 flervägsmottagning, måste beaktas för exakt tolkning.

OFDM -modulator

OFDM -signaler genereras med den komplexa inverterade 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:

f_{v}={\frac {v}{T}},\ f_{w}={\frac {w}{T}},\ w,v\in \mathbb {N}

{\ displaystyle f_ {v} = {\ frac {v} {T}}, \ f_ {w} = {\ frac {w} {T}}, \ w, v \ in \ mathbb {N}}

f_ {v} = {\ frac {v} {T}}, \ f_ {w} = {\ frac {w} {T}}, \ w, v \ in {\ mathbb {N}}

{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}e^{j2\pi f_{v}t}\,e^{-j2\pi f_{w}t}\,\mathrm {d} t={\begin{cases}1,&{\mbox{wenn }}v=w\\0&{\mbox{sonst}}\end{cases}}

{\ displaystyle {\ frac {1} {T}} \ int _ {0} ^ {T} e ^ {j2 \ pi f_ {v} t} \, e ^ {- j2 \ pi f_ {w} t} \, \ mathrm {d} t = {\ begin {cases} 1, och {\ mbox {if}} v = w \\ 0 & {\ mbox {annars}} \ end {cases}}}

{\ frac {1} {T}} \ int _ {0} ^ {T} e ^ {{j2 \ pi f_ {v} t}} \, e ^ {{- j2 \ pi f_ {w} t} } \, {\ mathrm d} t = {\ begin {cases} 1 och {\ mbox {if}} v = w \\ 0 & {\ mbox {annars}} \ \ end {cases}}

reception

OFDM demodulator

På mottagarsidan måste de enskilda bärarna separeras från den sammansatta signalen. Detta kan göras med enskilda 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 är det möjligt att härleda den tidsperiod under vilken ekon tas emot och successiva 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 fasförändringen 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 ligger i 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 enkelfrekvensnät . 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 interferens 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 reduceras kraftigt 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

Digital Audio Broadcasting (DAB) med 192 till 1536 bärare (på cirka 1,5 MHz bandbredd)
Digital Radio Mondiale (DRM) med 88 till 460 bärare (på cirka 4 till 20 kHz bandbredd)
DVB-C med DOCSIS 3.1
DVB-T med 2048, 4096 eller 8192 bärare-beroende på läge 2k, 4k (endast med DVB-H) eller 8k (på cirka 6,5 till 7,5 MHz bandbredd)
WLAN enligt IEEE 802.11a , IEEE 802.11g och IEEE 802.11n
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) med 32 bärare för uppströms och 190 för nedströms (var 4,3125 kHz över ca 1 MHz bandbredd; se även DMT )
VDSL
Powerline t.ex. B. Hemmaplugg AV
G.fast
LTE (Long Term Evolution) ^[1]
WiMAX enligt IEEE 802.16.2-2004 för NLOS-anslutningar med 256 bärare (rekommenderas av WiMAX-forumet) eller 2048 bärare
C WUSB , Bluetooth 3.0 och WiNet , som alla är baserade på ECMA-368-standarden

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 "Optisk frekvens-divisionsmultiplexering" 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. 2: a 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

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

webb-länkar

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

[1] Long-Term Evolution (LTE): Visionen bortom 3G , Nortel

[1]


Analoga moduleringsmetoder	AM \| FM \| PM \| VM \| SSB \| SSBSC \| DSBSC
Digitala moduleringsmetoder	FRÅGA \| FSK \| GFSK \| PSK \| QPSK \| QAM \| APSK \| OFDM \| DMT \| TCM \| VSB
Pulsmoduleringsmetod	PDM \| PAM \| PFM \| PPM (1) \| PPM (2) \| PCM
Frekvensspridande moduleringsmetoder	FHSS \| DSSS \| THSS \| CSS