Ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením - Orthogonal frequency-division multiplexing

V telekomunikacích je ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením ( OFDM ) druh digitálního přenosu a způsob kódování digitálních dat na více nosných frekvencích. OFDM se vyvinul do populárního schématu pro širokopásmovou digitální komunikaci , používaného v aplikacích, jako je digitální televize a zvukové vysílání, DSL přístup k internetu , bezdrátové sítě , sítě elektrického vedení a mobilní komunikace 4G / 5G .

OFDM je schéma multiplexování s frekvenčním dělením (FDM), které zavedl Robert W. Chang z Bell Labs v roce 1966. V OFDM se přenáší více blízko sebe umístěných ortogonálních subnosných signálů s překrývajícími se spektry, aby data byla přenášena paralelně. Demodulace je založena na rychlých algoritmech Fourierovy transformace . OFDM byl vylepšen Weinsteinem a Ebertem v roce 1971 zavedením ochranného intervalu , který poskytuje lepší ortogonalitu v přenosových kanálech ovlivněných multipathovým šířením. Každá subnosná (signál) je modulována konvenčním modulačním schématem (jako je kvadraturní amplitudová modulace nebo klíčování fázovým posunem ) při nízké symbolové rychlosti . To udržuje celkové datové rychlosti podobné konvenčním schématům modulace s jednou nosnou ve stejné šířce pásma.

Hlavní výhodou OFDM oproti schématům s jednou nosnou je jeho schopnost vyrovnat se s náročnými kanálovými podmínkami (například útlum vysokých frekvencí v dlouhém měděném drátu, úzkopásmové rušení a frekvenčně selektivní blednutí díky vícecestnému ) bez potřeby komplexního vyrovnávání filtry. Vyrovnávání kanálů je zjednodušeno, protože na OFDM lze nahlížet jako na použití mnoha pomalu modulovaných úzkopásmových signálů než jednoho rychle modulovaného širokopásmového signálu. Nízká přenosová rychlost činí použití ochranného intervalu mezi symboly cenově dostupným, což umožňuje eliminovat intersymbol interferenci (ISI) a používat ozvěny a časové šíření (v analogové televizi viditelné jako ghosting , respektive rozmazání) k dosažení zisku rozmanitosti , tj . zlepšení poměru signálu k šumu . Tento mechanismus také usnadňuje návrh jednofrekvenčních sítí (SFN), kde několik sousedních vysílačů vysílá stejný signál současně na stejné frekvenci, protože signály z více vzdálených vysílačů lze konstruktivně kombinovat, což šetří rušení tradičního systému s jednou nosnou .

V kódovaném ortogonálním multiplexování s frekvenčním dělením ( COFDM ) se na vysílaný signál aplikuje dopředná korekce chyb (konvoluční kódování) a časové/frekvenční prokládání. To se provádí za účelem překonání chyb v mobilních komunikačních kanálech ovlivněných multipath propagací a Dopplerovými efekty . COFDM zavedl Alard v roce 1986 pro digitální zvukové vysílání pro projekt Eureka 147. V praxi se OFDM začalo používat v kombinaci s takovým kódováním a prokládáním, takže termíny COFDM a OFDM se vztahují na běžné aplikace.

Příklad aplikací

Následující seznam je souhrnem stávajících standardů a produktů založených na OFDM. Další podrobnosti najdete v části Použití na konci článku.

Kabelová verze většinou známá jako diskrétní vícebarevný přenos (DMT)

Širokopásmový přístup ADSL a VDSL přes měděné vedení POTS
DVB-C 2, vylepšená verze standardu digitální kabelové televize DVB-C
Komunikace po elektrickém vedení (PLC)
ITU-T G.hn , standard, který poskytuje vysokorychlostní místní síťové propojení stávajících domácích rozvodů (elektrické vedení, telefonní linky a koaxiální kabely)
Modemy telefonní linky TrailBlazer
Domácí síť Multimedia over Coax Alliance (MoCA)
DOCSIS 3.1 Širokopásmové doručování

Bezdrátový

Tyto bezdrátové LAN (WLAN) rádiové rozhraní IEEE 802.11a , g , n , ac , AH a HIPERLAN / 2
Na digitální rádiové systémy DAB / EUREKA 147 , DAB + , Digital Radio Mondiale , HD Radio , T-DMB a ISDB-TSB
Pozemní digitální televizní systémy DVB-T a ISDB-T
Pozemní mobilní televizní systémy DVB-H , T-DMB , ISDB-T a dopředný odkaz MediaFLO
Extrémně širokopásmová (UWB) bezdrátová osobní síťová síť (PAN ) IEEE 802.15.3a navržená společností WiMedia Alliance

OFDM založené na vícenásobný přístup technologii OFDMA se také používá v několika 4G a pre-4G mobilní sítě , mobilní širokopásmové standardy a příští generace WLAN:

Režim mobility standardu bezdrátového MAN / širokopásmového bezdrátového přístupu (BWA) IEEE 802.16e (nebo Mobile- WiMAX )
Standard mobilního širokopásmového bezdrátového přístupu (MBWA) IEEE 802.20
Downlink standardu mobilní širokopásmové sítě 3GPP Long Term Evolution (LTE) čtvrté generace. Rozhraní rádia se dříve jmenovalo High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), nyní pojmenované Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA)
WLAN IEEE 802.11ax

Klíčové vlastnosti

Níže uvedené výhody a nevýhody jsou dále diskutovány v části Charakteristiky a principy provozu níže.

Souhrn výhod

Vysoká spektrální účinnost ve srovnání s jinými schématy modulace dvojitého postranního pásma , rozprostřeným spektrem atd.
Může se snadno přizpůsobit náročným podmínkám kanálu bez složité ekvalizace v časové oblasti.
Robustní proti úzkopásmovému rušení dvoukanálových kanálů
Robustní proti intersymbol interferenci (ISI) a vyblednutí způsobenému vícecestným šířením
Efektivní implementace pomocí rychlé Fourierovy transformace
Nízká citlivost na chyby synchronizace času
Vyladěné subkanálové filtry přijímače nejsou vyžadovány (na rozdíl od konvenčních FDM )
Usnadňuje jednofrekvenční sítě (SFN) (tj, vysílač makrodiverzity )

Shrnutí nevýhod

Citlivý na dopplerovský posun
Citlivé na problémy s frekvenční synchronizací
Vysoký poměr špičkového a průměrného výkonu (PAPR), vyžadující obvody lineárního vysílače, který trpí špatnou energetickou účinností
Ztráta účinnosti způsobená cyklickým předponou / ochranným intervalem

Charakteristika a principy činnosti

Ortogonalita

Koncepčně je OFDM specializovanou metodou multiplexování s frekvenčním dělením (FDM) s dalším omezením, že všechny signály nosných v komunikačním kanálu jsou navzájem ortogonální.

V OFDM jsou frekvence nosných zvoleny tak, aby byly subnosné navzájem kolmé , což znamená, že přeslechy mezi subkanály jsou eliminovány a ochranná pásma mezi nosiči nejsou požadována. To značně zjednodušuje konstrukci vysílače i přijímače ; na rozdíl od konvenčního FDM není pro každý dílčí kanál vyžadován samostatný filtr.

Ortogonalita vyžaduje, aby rozteč subnosných byla Hertz , kde T _Usekund je užitečná doba trvání symbolu (velikost okna na straně přijímače), a k je kladné celé číslo, obvykle rovné 1. Toto stanoví, že každá nosná frekvence prochází k úplnějšímu cyklů za období symbolu než předchozí nosná. Proto u N subnosných bude celková šířka pásma propustného pásma B ≈ N · Δ f (Hz). ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta f \, = \, {\ frac {k} {T_ {U}}}}$

Ortogonalita také umožňuje vysokou spektrální účinnost , s celkovou symbolovou rychlostí blízkou Nyquistově rychlosti pro ekvivalentní signál v základním pásmu (tj. Téměř poloviční Nyquistovou rychlostí pro oboustranný pásmový signál fyzického propustného pásma). Lze použít téměř celé dostupné frekvenční pásmo. OFDM má obecně téměř „bílé“ spektrum, což mu dává benigní vlastnosti elektromagnetického rušení s ohledem na ostatní uživatele spolukanálových kanálů.

Jednoduchý příklad: Užitečná doba trvání symbolu T _U = 1 ms by pro ortogonalitu vyžadovala rozteč subnosných (nebo její celočíselný násobek). N = 1 000 subnosných by vedlo k celkové šířce pásma propustného pásma N Δf = 1 MHz. Pro tuto dobu symbolu je požadovaná šířka pásma teoreticky podle Nyquista (polovina dosažené šířky pásma požadovaná naším schématem), kde R je bitová rychlost a kde N = 1 000 vzorků na symbol pomocí FFT. Pokud je použit ochranný interval (viz níže), požadavek na šířku pásma Nyquist by byl ještě nižší. Výsledkem FFT by bylo N = 1 000 vzorků na symbol. Pokud by nebyl aplikován žádný ochranný interval, mělo by to za následek komplexně hodnotený signál základního pásma se vzorkovací frekvencí 1 MHz, což by podle Nyquista vyžadovalo šířku pásma základního pásma 0,5 MHz. RF signál propustného pásma je však produkován vynásobením signálu základního pásma nosným vlnovým průběhem (tj. Kvadraturní amplitudovou modulací oboustranného pásma), což má za následek šířku pásma propustného pásma 1 MHz. Modulační schéma jednostranného pásma (SSB) nebo zbytkového postranního pásma (VSB) by dosáhlo téměř poloviční šířky pásma pro stejnou symbolovou rychlost (tj. Dvakrát vyšší spektrální účinnost pro stejnou délku abecedy symbolů). Je však citlivější na rušení více cest.

{\ Displaystyle \ scriptstyle \ Delta f \, = \, {\ frac {1} {1 \, \ mathrm {ms}}} \, = \, 1 \, \ mathrm {kHz}

{\ Displaystyle \ scriptstyle \ mathrm {BW} = R/2 = (N/T_ {U})/2 = 0,5 \, \ mathrm {MHz}}

OFDM vyžaduje velmi přesnou frekvenční synchronizaci mezi přijímačem a vysílačem; s frekvenční odchylkou již subnosné nebudou ortogonální, což způsobí interferenci mezi nosnými (ICI) (tj. křížový rozhovor mezi subnosnými). Posunutí frekvence je obvykle způsobeno nesouladem oscilátorů vysílače a přijímače nebo posunem Dopplera v důsledku pohybu. Zatímco samotný dopplerovský posun může být kompenzován přijímačem, situace se při kombinaci s vícecestou zhoršuje , protože se objeví odrazy při různých frekvenčních posunech, což je mnohem těžší napravit. Tento efekt se obvykle zhoršuje se zvyšováním rychlosti a je důležitým faktorem omezujícím používání OFDM ve vysokorychlostních vozidlech. Aby se v takových scénářích zmírnila ICI, je možné tvarovat každou nosnou, aby se minimalizovalo rušení vedoucí k překrývání neortogonálních subnosných. Například schéma s nízkou komplexitou označované jako WCP-OFDM ( Weighted Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ) spočívá v použití krátkých filtrů na výstupu vysílače za účelem provedení potenciálně ne-obdélníkového tvarování pulzů a téměř dokonalé rekonstrukce pomocí ekvalizace jediným klepnutím na subnosnou. Jiné techniky potlačení ICI obvykle drasticky zvyšují složitost přijímače.

Implementace pomocí algoritmu FFT

Ortogonalita umožňuje efektivní implementaci modulátoru a demodulátoru pomocí algoritmu FFT na straně přijímače a inverzního FFT na straně odesílatele. Ačkoli principy a některé výhody jsou známy již od 60. let 20. století, OFDM je dnes populární pro širokopásmovou komunikaci prostřednictvím levných komponent pro zpracování digitálního signálu, které dokážou efektivně vypočítat FFT.

Čas pro výpočet transformace inverzní FFT nebo FFT musí trvat méně než čas pro každý symbol, což například pro DVB-T (FFT 8k) znamená, že výpočet musí být proveden za 896 µs nebo méně.

U FFT s 8 192 body to může být přibližně:

{\ Displaystyle {\ begin {aligned} \ mathrm {MIPS} & = {\ frac {\ mathrm {computational \ complexity}} {T _ {\ mathrm {symbol}}}} \ times 1,3 \ times 10^{-6} \\ & = {\ frac {147 \; 456 \ times 2} {896 \ times 10^{-6}}} \ times 1,3 \ times 10^{-6} \\ & = 428 \ end {aligned}} }

MIPS = milion instrukcí za sekundu

Výpočetní poptávka se přibližně lineárně stupňuje s velikostí FFT, takže dvojnásobná velikost FFT potřebuje dvojnásobek času a naopak. Pro srovnání, procesor Intel Pentium III na 1,266 GHz je schopen vypočítat 8192 bodů FFT za 576 µs pomocí FFTW . Intel Pentium M na 1,6 GHz to zvládne za 387 µs. Intel Core Duo na 3,0 GHz to zvládne za 96,8 µs .

Ochranný interval pro eliminaci intersymbolového rušení

Jedním klíčovým principem OFDM je, že jelikož schémata modulace s nízkou symbolovou rychlostí (tj. Kde jsou symboly relativně dlouhé ve srovnání s charakteristikami časového kanálu) trpí méně intersymbolovým rušením způsobeným multipathovým šířením , je výhodné vysílat řadu nízko-rychlostních proudí souběžně místo jediného vysokorychlostního streamu. Protože doba trvání každého symbolu je dlouhá, je možné vložit ochranný interval mezi symboly OFDM, čímž se eliminuje intersymbol interference.

Ochranný interval také eliminuje potřebu pulzního tvarovacího filtru a snižuje citlivost na problémy se synchronizací času.

Jednoduchý příklad: Pokud jeden posílá milion symbolů za sekundu pomocí konvenční modulace s jednou nosnou přes bezdrátový kanál, pak by trvání každého symbolu bylo jednu mikrosekundu nebo méně. To ukládá závažná omezení synchronizace a vyžaduje odstranění rušení více cest. Pokud je stejný milion symbolů za sekundu rozložen mezi jeden tisíc dílčích kanálů, může být trvání každého symbolu pro ortogonalitu s přibližně stejnou šířkou pásma faktorem tisíc (tj. Jednu milisekundu) delší. Předpokládejme, že mezi každý symbol je vložen ochranný interval 1/8 délky symbolu. Intertersymbolové interferenci se lze vyhnout, pokud je vícecestný časový rozestup (čas mezi příjmem první a poslední ozvěny) kratší než ochranný interval (tj. 125 mikrosekund). To odpovídá maximálnímu rozdílu 37,5 kilometru mezi délkami cest.

Cyklický prefix , který se přenáší během ochranný interval, se skládá z konce symbolu OFDM zkopírovány do ochranný interval, a ochranný interval je přenášen následuje symbol OFDM. Důvod, že ochranný interval sestává z kopie konce symbolu OFDM je ten, že přijímač bude integrovat přes celé číslo sinusových cyklů pro každou z více cest, když provádí OFDM demodulaci s FFT.

V některých standardech, jako je Ultrawideband , je v zájmu přenášeného výkonu přeskakována cyklická předpona a během ochranného intervalu se nic neposílá. Přijímač pak bude muset napodobit funkci cyklické předpony zkopírováním koncové části symbolu OFDM a přidáním do počáteční části.

Zjednodušená ekvalizace

Účinky frekvenčně selektivních kanálových podmínek, například vyblednutí způsobené vícecestným šířením, lze považovat za konstantní (ploché) v subkanálu OFDM, pokud je subkanálový dostatečně úzkopásmový (tj. Pokud počet kanály jsou dostatečně velké). To umožňuje vyrovnávání frekvenční domény v přijímači , což je mnohem jednodušší než ekvalizace v časové oblasti používaná v konvenční modulaci s jednou nosnou. V OFDM musí ekvalizér vynásobit každou detekovanou subnosnou (každý Fourierův koeficient) v každém OFDM symbolu konstantním komplexním číslem nebo zřídka změněnou hodnotou. Na základní úrovni jsou jednodušší digitální ekvalizéry lepší, protože vyžadují méně operací, což znamená méně chyb zaokrouhlování v ekvalizéru. Tyto chyby zaokrouhlení lze považovat za numerický šum a jsou nevyhnutelné.

Náš příklad: Vyrovnání OFDM ve výše uvedeném numerickém příkladu by vyžadovalo jedno komplexně oceněné násobení na subnosnou a symbol (tj. Komplexní násobení na symbol OFDM; tj. Jeden milion násobení za sekundu, v přijímači). Algoritmus FFT vyžaduje [to je nepřesné: více než polovina těchto komplexních násobení je triviální, tj. = 1 a nejsou implementována v softwaru nebo HW]. komplexně oceněné násobení na symbol OFDM (tj. 10 milionů násobení za sekundu), na straně přijímače i vysílače. To by mělo být porovnáno s odpovídajícím případem modulace jednoho nosiče jeden milion symbolů/sekundu uvedeným v příkladu, kde by vyrovnání časového rozložení 125 mikrosekund pomocí FIR filtru vyžadovalo v naivní implementaci 125 násobení na symbol (tj. 125 milionů násobení za sekundu). Techniky FFT lze použít ke snížení počtu násobení ekvalizéru časové domény založené na FIR filtru na počet srovnatelný s OFDM, a to za cenu zpoždění mezi příjmem a dekódováním, které se také stává srovnatelné s OFDM.

{\ displaystyle \ scriptstyle N \, = \, 1000}

{\ displaystyle \ scriptstyle N \ log _ {2} N \, = \, 10 000}

Pokud je na každou subnosnou použita diferenciální modulace, jako je DPSK nebo DQPSK , lze ekvalizaci zcela vynechat, protože tyto nekoherentní schémata jsou necitlivá na pomalu se měnící amplitudu a fázové zkreslení .

V jistém smyslu vylepšení FIR ekvalizace pomocí FFT nebo částečných FFT vede matematicky blíže k OFDM, ale technika OFDM je snáze pochopitelná a implementovatelná a subkanály lze nezávisle přizpůsobit jinými způsoby, než jsou různé vyrovnávací koeficienty, jako je přepínání mezi různými vzory konstelace QAM a schématy korekce chyb, aby odpovídaly jednotlivým subkanálovým charakteristikám šumu a rušení.

Některé subnosné v některých symbolech OFDM mohou nést pilotní signály pro měření podmínek kanálu (tj. Zisk ekvalizéru a fázový posun pro každou subnosnou). Pilotní signály a tréninkové symboly ( preambule ) mohou být také použity pro synchronizaci času (aby se zabránilo intersymbol interferenci, ISI) a frekvenční synchronizaci (aby se zabránilo interferenci mezi nosnými, ICI, způsobené Dopplerovým posunem).

OFDM byl původně používán pro kabelovou a stacionární bezdrátovou komunikaci. S rostoucím počtem aplikací pracujících ve vysoce mobilních prostředích je však účinek disperzního blednutí způsobený kombinací vícecestného šíření a dopplerovského posunu výraznější. Během posledního desetiletí byl proveden výzkum, jak vyrovnat přenos OFDM přes dvakrát selektivní kanály.

Kódování a prokládání kanálů

OFDM se vždy používá ve spojení s kódováním kanálu ( dopředná korekce chyb ) a téměř vždy používá frekvenční a/nebo časové prokládání .

Frekvenční (subnosná) prokládání zvyšuje odolnost vůči frekvenčně selektivním podmínkám kanálu, jako je například blednutí . Když například část šířky pásma kanálu slábne, frekvenční prokládání zajišťuje, že bitové chyby, které by vyplynuly z těchto subnosných ve vybledlé části šířky pásma, jsou rozloženy spíše v bitovém proudu, než aby byly koncentrovány. Obdobně časové prokládání zajišťuje, že bity, které jsou původně blízko sebe v bitovém proudu, jsou v čase přenášeny daleko od sebe, čímž se zmírňuje silné blednutí, ke kterému by mohlo dojít při cestování vysokou rychlostí.

Časové prokládání má však malý přínos v pomalu blednoucích kanálech, například pro stacionární příjem, a frekvenční prokládání nabízí malý až žádný přínos pro úzkopásmové kanály, které trpí plochým blednutím (kde celá šířka pásma kanálu mizí současně).

Důvodem, proč se na OFDM používá prokládání, je pokusit se rozptýlit chyby v bitovém toku, který je prezentován dekodéru pro korekci chyb, protože když jsou takové dekodéry prezentovány s vysokou koncentrací chyb, dekodér není schopen opravit všechny bitové chyby a dojde k výbuchu neopravených chyb. Díky podobné konstrukci kódování zvukových dat je přehrávání kompaktních disků (CD) robustní.

Klasickým typem kódování pro chybovou korekci používaného se systémy založenými na OFDM je konvoluční kódování , často spojené s Reed-Solomonovým kódováním. Obvykle je mezi oběma vrstvami kódování implementováno dodatečné prokládání (kromě časového a frekvenčního prokládání uvedeného výše). Volba kódování Reed-Solomon jako vnějšího korekčního chybového kódu je založena na pozorování, že dekodér Viterbi používaný pro vnitřní konvoluční dekódování vytváří krátké chybové výboje, když je vysoká koncentrace chyb, a Reed-Solomonovy kódy jsou ve své podstatě velmi vhodné pro oprava dávek chyb.

Novější systémy však obvykle nyní přijímají téměř optimální typy kódů korekce chyb, které používají princip dekódování turba, kde dekodér iteruje směrem k požadovanému řešení. Mezi příklady takových kódovacích typů pro chybovou korekci patří turbo kódy a LDPC kódy, které dosahují Shannonova limitu pro kanál AWGN (Additive White Gaussian Noise ). Některé systémy, které implementovaly tyto kódy, je spojily buď s Reed-Solomonem (například v systému MediaFLO ), nebo s kódy BCH (v systému DVB-S2 ), aby se zlepšila úroveň chyb vlastní těmto kódům při vysokém signálu od signálu. poměry hluku .

Adaptivní převodovka

Odolnost vůči náročným podmínkám kanálu lze dále zvýšit, pokud jsou informace o kanálu odesílány přes zpětný kanál. Na základě těchto informací o zpětné vazbě lze adaptivní modulaci , kódování kanálu a alokaci výkonu aplikovat na všechny subnosné nebo jednotlivě na každou subnosnou. V druhém případě, pokud určitý rozsah frekvencí trpí interferencí nebo útlumem, nosiče v tomto rozsahu lze deaktivovat nebo je nechat běžet pomaleji aplikací robustnější modulace nebo kódování chyb na tyto subnosné.

Termín Discrete multitone modulation (DMT) označuje komunikační systémy založené na OFDM, které přizpůsobují přenos podmínkám kanálu individuálně pro každou subnosnou pomocí takzvanéhobitového načítání. Příkladem jsouADSLaVDSL.

Rychlost proti proudu a po proudu se může měnit přidělením buď více nebo méně nosných pro každý účel. Některé formy rychlostně adaptivního DSL používají tuto funkci v reálném čase, takže přenosová rychlost je přizpůsobena rušení dvoukanálového kanálu a šířka pásma je přidělena tomu, který účastník to nejvíce potřebuje.

OFDM rozšířeno o vícenásobný přístup

OFDM ve své primární formě je považován za techniku digitální modulace, a nikoli za přístupovou metodu víceuživatelského kanálu , protože se používá k přenosu jednoho bitového proudu přes jeden komunikační kanál pomocí jedné sekvence OFDM symbolů. OFDM však lze kombinovat s vícenásobným přístupem pomocí oddělení času, frekvence nebo kódování.

V ortogonálním vícenásobném přístupu s frekvenčním dělením (OFDMA) je vícenásobného přístupu s frekvenčním dělením dosaženo přiřazením různých dílčích kanálů OFDM různým uživatelům. OFDMA podporuje diferencovanou kvalitu služby přiřazováním různého počtu dílčích nosných různým uživatelům podobným způsobem jako v CDMA , a lze se tak vyhnout složitému plánování paketů nebo schémat řízení přístupu k médiím . OFDMA se používá v:

režim mobility standardu IEEE 802.16 Wireless MAN, běžně označovaný jako WiMAX,
standard IEEE 802.20 Mobile Wireless MAN, běžně označovaný jako MBWA,
Long Term Evolution 3GPP (LTE) čtvrté generace mobilní širokopásmové standardní downlinku. Rozhraní rádia se dříve jmenovalo High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), nyní pojmenované Evolved UMTS Terrestrial Radio Access ( E-UTRA ).
3GPP 5G NR (New rádio) mobilní sítě páté generace standardní downlink a uplink. 5G NR je nástupcem LTE.
dnes již zaniklý projekt Qualcomm / 3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), zamýšlený jako nástupce CDMA2000 , ale nahrazený LTE.

OFDMA je také kandidátskou přístupovou metodou pro bezdrátové regionální sítě IEEE 802.22 (WRAN). Projekt si klade za cíl navrhnout první kognitivní rádiový standard fungující ve VHF nízkém UHF spektru (TV spektrum).

nejnovější změna standardu 802.11 , konkrétně 802.11ax , obsahuje OFDMA pro vysokou účinnost a simultánní komunikaci.

V vícenásobném kódově děleném vícenásobném přístupu (MC-CDMA), známém také jako OFDM-CDMA, je OFDM kombinován s komunikací s rozšířeným spektrem CDMA pro kódové oddělení uživatelů. Interferenci ve společném kanálu lze zmírnit, což znamená, že je zjednodušeno frekvenční plánování ručního přidělování pevných kanálů (FCA) nebo se vyhýbají komplexním schématům dynamického přidělování kanálů (DCA).

Rozmanitost vesmíru

V širokopásmovém vysílání založeném na OFDM mohou přijímače těžit z přijímání signálů z několika prostorově rozptýlených vysílačů současně, protože vysílače budou navzájem destruktivně interferovat pouze na omezeném počtu pomocných nosných, zatímco obecně ve skutečnosti posílí pokrytí v široké oblasti . To je v mnoha zemích velmi výhodné, protože to umožňuje provoz národních jednofrekvenčních sítí (SFN), kde mnoho vysílačů vysílá stejný signál současně na stejnou frekvenci kanálu. SFN využívají dostupné spektrum efektivněji než konvenční vícefrekvenční vysílací sítě ( MFN ), kde se programový obsah replikuje na různých nosných frekvencích. SFN také vedou ke zvýšení rozmanitosti v přijímačích umístěných uprostřed mezi vysílači. Oblast pokrytí se zvětší a pravděpodobnost výpadku se sníží ve srovnání s MFN v důsledku zvýšené síly přijímaného signálu zprůměrované ze všech subnosných.

Přestože ochranný interval obsahuje pouze nadbytečná data, což znamená, že snižuje kapacitu, některé systémy založené na OFDM, jako například některé z vysílacích systémů, záměrně používají dlouhý ochranný interval, aby mohly být vysílače umístěny dále od sebe v SFN a delší ochranné intervaly umožňují větší velikosti buněk SFN. Pravidlo pro maximální vzdálenost mezi vysílači v SFN se rovná vzdálenosti, kterou signál urazí během ochranného intervalu - například ochranný interval 200 mikrosekund by umožnil, aby vysílače byly od sebe vzdáleny 60 km.

Jednofrekvenční síť je forma vysílačem makrodiverzity . Koncept lze dále použít v dynamických jednofrekvenčních sítích (DSFN), kde se SFN seskupení mění z timeslotu na timeslot.

OFDM lze kombinovat s jinými formami prostorové rozmanitosti , například s anténními poli a MIMO kanály. To se provádí ve standardech IEEE 802.11 Wireless LAN .

Výkonový zesilovač lineárního vysílače

Signál OFDM vykazuje vysoký poměr výkonu špička-průměr (PAPR), protože nezávislé fáze pomocných nosných znamenají, že se často konstruktivně kombinují. Manipulace s tímto vysokým PAPR vyžaduje:

Převodník digitálního signálu na analogový (DAC) s vysokým rozlišením ve vysílači
Převodník analogového signálu na digitální (ADC) s vysokým rozlišením v přijímači
Lineární signální řetězec

Jakákoli nelinearita v signálním řetězci způsobí intermodulační zkreslení, které

Zvyšuje hladinu hluku
Může způsobit rušení mezi nosiči
Generuje mimo pásmo rušivé záření

Požadavek na linearitu je náročný, zejména pro RF výstupní obvody vysílače, kde jsou zesilovače často konstruovány jako nelineární, aby se minimalizovala spotřeba energie. V praktických systémech OFDM je povoleno malé množství výstřižků špiček omezit PAPR v rozumném kompromisu proti výše uvedeným důsledkům. Výstupní filtr vysílače, který je nutný ke snížení mimo-pásmových ostruh na legální úrovně, má však za následek obnovení špičkových úrovní, které byly oříznuty, takže oříznutí není efektivní způsob, jak snížit PAPR.

Přestože je spektrální účinnost OFDM atraktivní pro pozemní i vesmírnou komunikaci, vysoké požadavky na PAPR dosud omezovaly OFDM aplikace na pozemské systémy.

Faktor výkyvu CF (v dB) pro systém OFDM s n nekorelovanými pomocnými nosnými je

{\ displaystyle CF = 10 \ log _ {10} (n)+CF_ {c}}

kde CF _c je činitel výkyvu (v dB) pro každou nosnou. (CF _c je 3,01 dB pro sinusové vlny používané pro modulaci BPSK a QPSK).

Například signál DVB-T v režimu 2K se skládá ze 1705 dílčích nosných, které jsou každý modulovány QPSK, což dává činitel výkyvu 35,32 dB.

Bylo vyvinuto mnoho technik redukce PAPR (nebo faktoru hřebenu ), například na základě intertačního ořezávání.

Dynamický rozsah potřebný pro FM přijímačem je 120 dB , zatímco DAB vyžadují pouze o 90 dB. Pro srovnání, každý bit navíc na vzorek zvyšuje dynamický rozsah o 6 dB.

Porovnání účinnosti mezi jedním nosičem a vícenosičem

Výkon jakéhokoli komunikačního systému lze měřit z hlediska jeho energetické účinnosti a účinnosti šířky pásma. Energetická účinnost popisuje schopnost komunikačního systému zachovat bitovou chybovost ( BER ) vysílaného signálu při nízkých úrovních výkonu. Efektivita šířky pásma odráží, jak efektivně je alokovaná šířka pásma využívána, a je definována jako přenosová rychlost dat na hertz v dané šířce pásma. Pokud je použit velký počet pomocných nosných, účinnost šířky pásma systému více nosných, jako je OFDM s využitím kanálu optických vláken, je definována jako

{\ Displaystyle \ eta = 2 \ cdot {\ frac {R_ {s}} {B _ {\ text {OFDM}}}}}

kde je rychlost symbolu v giga-symbolech za sekundu (Gsps), je šířka pásma signálu OFDM a faktor 2 je dán dvěma polarizačními stavy ve vlákně. ${\ displaystyle R_ {s}}$ ${\ displaystyle B _ {\ text {OFDM}}}$

Šířka pásma se šetří použitím modulace více nosných s ortogonálním multiplexováním s frekvenčním dělením. Šířka pásma pro systém s více nosiči je tedy menší ve srovnání se systémem s jedním nosičem, a proto je účinnost šířky pásma systému s více nosiči větší než systém s jedním nosičem.

S.no.	Typ převodovky	M v M-QAM	Počet pomocných nosných	Přenosová rychlost	Délka vlákna	Napájení přijímače (při BER 10 ⁻⁹ )	Účinnost šířky pásma
1.	Jeden nosič	64	1	10 Gbit/s	20 km	−37,3  dBm	6,0000
2.	Multicarrier	64	128	10 Gbit/s	20 km	−36,3 dBm	10,6022

Výkon přijímače se zvýšil pouze o 1 dBm, ale díky technologii přenosu více nosných dosahujeme 76,7% zlepšení účinnosti šířky pásma.

Idealizovaný model systému

Tato část popisuje jednoduchý idealizovaný model systému OFDM vhodný pro časově invariantní kanál AWGN .

Vysílač

Nosný signál OFDM je součtem několika ortogonálních subnosných, přičemž data v základním pásmu na každé subnosné jsou nezávisle modulována běžně pomocí nějakého typu kvadraturní amplitudové modulace (QAM) nebo fázového posunu (PSK). Tento kompozitní signál v základním pásmu se obvykle používá k modulaci hlavního RF nosiče.

${\ displaystyle \ scriptstyle s [n]}$ je sériový tok binárních číslic. Tím, inverzní multiplexování , jsou tyto první demultiplexovány do paralelních proudů, a každý z nich mapována na (možná komplex) znakového toku za použití nějaké modulační konstelace ( QAM , PSK , atd.). Konstelace se mohou lišit, takže některé toky mohou přenášet vyšší bitovou rychlost než jiné. ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$

Na každé sadě symbolů je vypočítán inverzní FFT , což dává sadu komplexních vzorků časové domény. Tyto vzorky jsou poté kvadraturně promíchány standardním způsobem na propustné pásmo. Skutečné a imaginární komponenty jsou nejprve převedeny do analogové domény pomocí převodníků digitálního signálu na analogový (DAC); analogové signály jsou pak použity k modulaci kosinusových a sinusových vln na nosné frekvenci . Tyto signály jsou poté sečteny, aby přenosový signál . ${\ displaystyle \ scriptstyle f_ {c}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle s (t)}$

Přijímač

Přijímač zachytí signál , který je poté kvadraturně smíchán do základního pásma pomocí kosinusových a sinusových vln na nosné frekvenci . To také vytváří signály soustředěné na střed , takže k jejich odmítnutí se používají filtry s nízkým průchodem. Signály v základním pásmu jsou poté vzorkovány a digitalizovány pomocí analogově-digitálních převodníků (ADC) a pro převod zpět do frekvenční oblasti je použit dopředný FFT . ${\ displaystyle \ scriptstyle r (t)}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle 2f_ {c}}$

Tím se vrátí paralelní proudy, z nichž každý je převeden na binární proud pomocí příslušného detektoru symbolů . Tyto toky se poté znovu spojí do sériového proudu, což je odhad původního binárního proudu ve vysílači. ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ hat {s}} [n]}$

Matematický popis

Systém pomocných nosných signálů OFDM po FFT

Pokud jsou použity subnosné a každá subnosná je modulována pomocí alternativních symbolů, abeceda symbolů OFDM se skládá z kombinovaných symbolů. ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle M}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle M^{N}}$

Ekvivalentní dolní propustí OFDM signál je vyjádřena jako:

{\ Displaystyle \ \ nu (t) = \ sum _ {k = 0}^{N-1} X_ {k} e^{j2 \ pi kt/T}, \ quad 0 \ leq t <T,}

kde jsou datové symboly, je počet dílčích nosných a je čas symbolu OFDM. Rozteč subnosných z nich činí ortogonální v každém období symbolu; tato vlastnost je vyjádřena jako: ${\ displaystyle \ scriptstyle \ {X_ {k} \}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle T}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {1} {T}}}$

{\ Displaystyle {\ begin {aligned} & {\ frac {1} {T}} \ int _ {0}^{T} \ left (e^{j2 \ pi k_ {1} t/T} \ right) ^{*} \ left (e^{j2 \ pi k_ {2} t/T} \ right) dt \\ = & {\ frac {1} {T}} \ int _ {0}^{T} e ^{j2 \ pi (k_ {2} -k_ {1}) t/T} dt = \ delta _ {k_ {1} k_ {2}} \ end {zarovnáno}}}

kde označuje komplexní operátor konjugátu a je Kroneckerova delta . ${\ displaystyle \ scriptstyle (\ cdot)^{*}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta \,}$

Aby se předešlo intersymbolové interferenci u vícecestných slabnoucích kanálů, je před blok OFDM vložen ochranný interval délky . Během tohoto intervalu se přenáší cyklická předpona tak, že signál v intervalu se rovná signálu v intervalu . Signál OFDM s cyklickou předponou je tedy: ${\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {g}}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle -T _ {\ mathrm {g}} \, \ leq \, t \, <\, 0}$ ${\ Displaystyle \ scriptstyle (T-T _ {\ mathrm {g}}) \, \ leq \, t \, <\, T}$

{\ Displaystyle \ \ nu (t) = \ sum _ {k = 0}^{N -1} X_ {k} e^{j2 \ pi kt/T}, \ quad -T _ {\ mathrm {g}} \ leq t <T}

Výše uvedený dolní propust může mít skutečnou nebo komplexní hodnotu. Reálné nízkoprůchodové ekvivalentní signály jsou obvykle přenášeny v základním pásmu-tento přístup používají drátové aplikace, jako je DSL. U bezdrátových aplikací má nízkoprůchodový signál obvykle komplexní hodnotu; v takovém případě je přenesený signál převeden na nosnou frekvenci . Vysílaný signál může být obecně reprezentován jako: ${\ displaystyle \ scriptstyle f_ {c}}$

{\ Displaystyle {\ begin {aligned} s (t) & = \ Re \ left \ {\ nu (t) e^{j2 \ pi f_ {c} t} \ right \} \\ & = \ sum _ { k = 0}^{N-1} | X_ {k} | \ cos \ left (2 \ pi [f_ {c}+k/T] t+\ arg [X_ {k}] \ right) \ end {zarovnaný }}}

Používání

OFDM se používá v:

Digitální rádio Mondiale (DRM)
Digitální audio vysílání (DAB)
Digitální televize DVB-T / T2 (pozemní), DVB-H (ruční), DMB-T / H , DVB-C2 (kabel)
Bezdrátová síť LAN IEEE 802.11a , IEEE 802.11g , IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac a IEEE 802.11ad
WiMAX
Li-Fi
ADSL ( G.dmt / ITU G.992.1 )
Mobilní sítě LTE a LTE Advanced 4G
Bezdrátové telefony DECT
Moderní komunikace úzkého a širokopásmového elektrického vedení

Tabulka srovnání systému OFDM

Klíčové vlastnosti některých běžných systémů založených na OFDM jsou uvedeny v následující tabulce.

Standardní název	DAB Eureka 147	DVB-T	DVB-H	DMB-T/H	DVB-T2	IEEE 802.11a
Ratifikovaný rok	1995	1997	2004	2006	2007	1999
Frekvenční rozsah dnešního vybavení	174–240 MHz 1,452–1,492 GHz	470–862 MHz 174–230 MHz	470–862 MHz	470–862 MHz		4 915–6 100 MHz
Rozteč kanálů, B (MHz)	1,712	6, 7, 8	5, 6, 7, 8	8	1,7, 5, 6, 7, 8, 10	20
Velikost FFT, k = 1024	Režim I: 2k Režim II: 512 Režim III: 256 Režim IV: 1k	2k, 8k	2k, 4k, 8k	1 (single-carrier) 4k (multi-carrier)	1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k	64
Počet nehlučných pomocných nosných, N.	Režim I: 1536 Režim II: 384 Režim III: 192 Režim IV: 768	Režim 2K: 1705 8K režim: 6817	1,705, 3,409, 6817	1 (single-carrier) 3,780 (multi-carrier)	853–27 841 (1K normální až 32K režim rozšířeného nosiče)	52
Schéma modulace pomocné nosné	π ⁄ 4 -DQPSK	QPSK, 16QAM nebo 64QAM	QPSK, 16QAM nebo 64QAM	4QAM, 4QAM-NR, 16QAM, 32QAM a 64QAM.	QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM	BPSK, QPSK, 16QAM nebo 64QAM
Užitečná délka symbolu, T _U (μs)	Režim I: 1 000 Režim II: 250 Režim III: 125 Režim IV: 500	Režim 2K: 224 Režim 8K: 896	224, 448, 896	500 (multi-carrier)	112–3584 (režim 1K až 32K na kanálu 8 MHz)	3.2
Dodatečný ochranný interval, T _G (zlomek T _U )	24,6% (všechny režimy)	1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 16 , 1 / 32	1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 16 , 1 / 32	1 / 4 , 1 / 6 , 1 / 9	1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4. (Pro režim 32k maximálně 1/8)	1 / 4
Rozteč subnosných (Hz) ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta f \, = \, {\ frac {1} {T_ {U}}} \, \ cca \, {\ frac {B} {N}}}$	Režim I: 1 000 Režim II: 4 000 Režim III: 8 000 Režim IV: 2 000	Režim 2K: 4 464 8K režim: 1 116	4 464, 2 232, 1 116	8 M (single-carrier) 2,000 (multi-carrier)	279–8 929 (32K až 1K režim)	312,5 K.
Čistá přenosová rychlost, R (Mbit/s)	0,576–1,152	4,98–31,67 (obvykle 24,13)	3.7–23.8	4,81–32,49	Obvykle 35,4	6–54
Spektrální účinnost spojení R / B (bit / s · Hz)	0,34–0,67	0,62–4,0 ( typ. 3,0)	0,62–4,0	0,60–4,1	0,87–6,65	0,30–2,7
Vnitřní FEC	Konv. kódování se stejnou rychlostí kódu ochrany proti chybám: 1 / 4 , 3 / 8 , 4 / 9 , 1 / 2 , 4 / 7 , 2 / 3 , 3 / 4 , 4 / 5 Nerovná ochrana proti chybám s prům. kódové sazby: ~ 0,34, 0,41, 0,50, 0,60 a 0,75	Konv. kódování s kódovými sazbami: 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 nebo 7 / 8	Konv. kódování s kódovými sazbami: 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 nebo 7 / 8	LDPC s kódovými sazbami: 0,4, 0,6 nebo 0,8	LDPC : 1 / 2 , 3 / 5 , 2 / 3 , 3 / 4 , 4 / 5 , 5 / 6	Konv. kódování s kódovými sazbami: 1 / 2 , 2 / 3 , nebo 3 / 4
Vnější FEC (pokud existuje)	Volitelné RS (120, 110, t = 5)	RS (204, 188, t = 8)	RS (204, 188, t = 8) + MPE-FEC	BCH kód (762, 752)	BCH kód
Maximální cestovní rychlost (km/h)	200–600	53–185, v závislosti na přenosové frekvenci
Hloubka časového prokládání (ms)	384	0,6–3,5	0,6–3,5	200–500	Až 250 (500 s prodlužovacím rámem)
Adaptivní převodovka , pokud existuje	Žádný	Žádný	Žádný		Žádný
Metoda vícenásobného přístupu (pokud existuje)	Žádný	Žádný	Žádný		Žádný
Typické zdrojové kódování	192 kbit/s MPEG2 Zvuková vrstva 2	2–18 Mbit/s Standard - HDTV H.264 nebo MPEG2	H.264	Není definováno (Video: MPEG-2, H.264 a/nebo AVS Audio: MP2 nebo AC-3 )	H.264 nebo MPEG2 (zvuk: AAC HE, Dolby Digital AC-3 (A52), MPEG-2 AL 2.)

ADSL

OFDM se používá v připojeních ADSL, která dodržují standardy ANSI T1.413 a G.dmt (ITU G.992.1), kde se nazývá diskrétní vícebarevná modulace (DMT). DSL dosahuje vysokorychlostních datových připojení na stávajících měděných vodičích. OFDM se také používá v nástupnických standardech ADSL2 , ADSL2+ , VDSL , VDSL2 a G.fast . ADSL2 používá variabilní modulaci subnosných v rozsahu od BPSK do 32768QAM (v terminologii ADSL se tomu říká bitové načítání nebo bit na tón, 1 až 15 bitů na subnosnou).

Dlouhé měděné dráty trpí útlumem na vysokých frekvencích. Skutečnost, že OFDM se dokáže vypořádat s tímto frekvenčně selektivním útlumem as úzkopásmovým rušením, jsou hlavními důvody, proč se často používá v aplikacích, jako jsou ADSL modemy .

Technologie Powerline

OFDM používá mnoho zařízení powerline k rozšíření digitálních připojení prostřednictvím napájecího vedení. Adaptivní modulace je obzvláště důležitá u tak hlučného kanálu, jakým je elektrické vedení. Některé středně rychlé modemy inteligentního měření , „Prime“ a „G3“, používají OFDM na skromných frekvencích (30–100 kHz) se skromným počtem kanálů (několik stovek), aby překonaly intersymbolové rušení v prostředí elektrického vedení. Standardy IEEE 1901 zahrnují dvě nekompatibilní fyzické vrstvy, které obě používají OFDM. Standard ITU-T G.hn , který poskytuje vysokorychlostní lokální síťové připojení přes stávající domácí rozvody (elektrické vedení, telefonní linky a koaxiální kabely), je založen na vrstvě PHY, která specifikuje OFDM s adaptivní modulací a paritou s nízkou hustotou- Zkontrolujte ( LDPC ) FEC kód.

Bezdrátové lokální sítě (LAN) a metropolitní sítě (MAN)

OFDM je ve velké míře používají v bezdrátových LAN a MAN aplikacích, včetně IEEE 802.11a / g / n a WiMAX .

IEEE 802.11a/g/n, pracující v pásmech 2,4 a 5 GHz, určuje rychlost přenosu dat v letovém prostoru v rozmezí 6 až 54 Mbit/s. Pokud obě zařízení mohou používat „režim HT“ (přidaný s 802.11n ), zvýší se nejvyšší rychlost 20 MHz na stream na 72,2 Mbit/s, s možností datových rychlostí mezi 13,5 a 150 Mbit/s pomocí kanálu 40 MHz . Používají se čtyři různá modulační schémata: BPSK , QPSK , 16- QAM a 64-QAM spolu se sadou rychlostí oprav chyb (1/2–5/6). Mnoho možností umožňuje systému přizpůsobit optimální rychlost přenosu dat aktuálním podmínkám signálu.

Bezdrátové osobní sítě (PAN)

OFDM se nyní také používá ve standardu WiMedia/Ecma-368 pro vysokorychlostní bezdrátové osobní osobní sítě v ultraširokopásmovém spektru 3,1–10,6 GHz (viz MultiBand-OFDM).

Pozemní digitální rozhlasové a televizní vysílání

Velká část Evropy a Asie přijala OFDM pro pozemní vysílání digitální televize ( DVB-T , DVB-H a T-DMB ) a rozhlasu ( EUREKA 147 DAB , Digital Radio Mondiale , HD Radio a T-DMB ).

DVB-T

Podle směrnice Evropské komise musí všechny televizní služby přenášené divákům v Evropském společenství používat přenosový systém, který byl standardizován uznávaným evropským normalizačním orgánem, a takový standard byl vyvinut a kodifikován projektem DVB, Digital Video Broadcasting (DVB); Struktura rámování, kódování kanálů a modulace pro digitální pozemní televizi . Obvykle označovaný jako DVB-T, standard vyžaduje exkluzivní použití COFDM pro modulaci. DVB-T je nyní široce používán v Evropě i jinde pro pozemní digitální televizi.

SDARS

Pozemní segmenty Digital Audio Radio Service (SDARS) systémů používaných XM Satellite Radio a Sirius Satellite Radio jsou vysílány pomocí kódovaného OFDM (COFDM). Slovo „kódovaný“ pochází z použití dopředné opravy chyb (FEC).

COFDM vs VSB

Otázka relativních technických výhod COFDM oproti 8VSB pro pozemní digitální televizi byla předmětem kontroverzí, zejména mezi evropskými a severoamerickými technology a regulátory. United States odmítl několik návrhů, aby přijala COFDM bázi DVB-T systém pro své digitální televizní služby, a místo toho zvolila 8VSB ( zbytkové postranní pásmo modulace ) provozu.

Jednou z hlavních výhod, které poskytuje COFDM, je zajistit, aby rádiové vysílání bylo relativně imunní vůči vícecestnému zkreslení a blednutí signálu v důsledku atmosférických podmínek nebo projíždějících letadel. Zastánci COFDM tvrdí, že odolává multipath mnohem lépe než 8VSB. Počáteční přijímače 8VSB DTV (digitální televize) měly často potíže s příjmem signálu. COFDM také umožňuje jednofrekvenční sítě , což u 8VSB není možné.

Novější přijímače 8VSB jsou však mnohem lepší při práci s vícecestami, a proto se rozdíl ve výkonu může s pokrokem v designu ekvalizéru zmenšovat.

Digitální rádio

COFDM se používá také pro jiné rádiové standardy, pro digitální audio vysílání (DAB), standard pro digitální zvukové vysílání na frekvencích VKV , pro digitální rádio Mondiale (DRM), standard pro digitální vysílání na krátkých a středních vlnových frekvencích (pod 30 MHz ) a pro DRM+ nedávno zavedený standard pro digitální zvukové vysílání na frekvencích VKV . (30 až 174 MHz)

Spojené státy opět používají alternativní standard, proprietární systém vyvinutý společností iBiquity s názvem HD Radio . Používá však COFDM jako základní vysílací technologii pro přidání digitálního zvuku do vysílání AM (střední vlna) a FM.

Jak Digital Radio Mondiale, tak HD Radio jsou klasifikovány jako pásmové on-kanálové systémy, na rozdíl od Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting ), která místo toho používá samostatná frekvenční pásma VHF nebo UHF .

BST-OFDM používané v ISDB

Pásma segmentovaný přenos OFDM ( BST-OFDM ) systém navržený pro Japonsko (v ISDB-T , ISDB-TSB a ISDB-C vysílací systém) zlepšuje COFDM tím, že využívá skutečnost, že některé OFDM nosiče mohou být modulovány odlišně od ostatních ve stejném multiplexu. Některé formy COFDM již tento druh hierarchické modulace nabízejí , ačkoli BST-OFDM je zamýšlen tak, aby byl flexibilnější. Televizní kanál 6 MHz může být tedy „segmentovaný“, přičemž různé segmenty jsou modulovány odlišně a využívány pro různé služby.

Je například možné odeslat zvukovou službu na segment, který zahrnuje segment složený z několika nosných, datovou službu na jiném segmentu a televizní službu na ještě jiném segmentu - to vše v rámci stejného 6 MHz televizního kanálu. Dále je lze modulovat pomocí různých parametrů, takže například zvukové a datové služby mohou být optimalizovány pro mobilní příjem, zatímco televizní služba je optimalizována pro stacionární příjem v prostředí s více cestami.

Extrémně široké pásmo

Technologie bezdrátové osobní oblasti ultraširokopásmové (UWB) může také používat OFDM, například v Multiband OFDM (MB-OFDM). Tuto specifikaci UWB prosazuje WiMedia Alliance (dříve jak Multiband OFDM Alliance [MBOA], tak WiMedia Alliance, ale nyní se obě sloučily) a je jedním z konkurenčních UWB rádiových rozhraní.

Flash-OFDM

Rychlý přístup s nízkou latencí s bezproblémovým předáváním ortogonálního multiplexování s frekvenčním dělením (Flash-OFDM), také označovaného jako F-OFDM, byl založen na OFDM a také specifikovaných vyšších vrstvách protokolu . Byl vyvinut společností Flarion a zakoupen společností Qualcomm v lednu 2006. Flash-OFDM byl prodáván jako přenosný mobilní telefon s přepojováním paketů, aby konkuroval sítím GSM a 3G . Například frekvenční pásma 450 MHz, která dříve používaly NMT-450 a C-Net C450 (obě analogové sítě 1G, nyní většinou vyřazené z provozu) v Evropě, jsou licencovány operátorům Flash-OFDM.

Ve Finsku držitel licence Digita zahájil nasazení celonárodní bezdrátové sítě „@450“ v některých částech země od dubna 2007. Společnost Datame ji koupila v roce 2011. V únoru 2012 společnost Datame oznámila, že upgraduje síť 450 MHz na konkurenční CDMA2000 technologie.

Slovak Telekom na Slovensku nabízí připojení Flash-OFDM s maximální rychlostí po proudu 5,3 Mbit/s a maximální rychlostí po proudu 1,8 Mbit/s s pokrytím přes 70 procent slovenské populace. Síť Flash-OFDM byla na většině Slovenska vypnuta 30. září 2015.

T-Mobile Germany použil Flash-OFDM k zajištění Wi-Fi hotspotů na vysokorychlostních vlacích ICE Deutsche Bahn v letech 2005 až 2015, dokud nepřešel na UMTS a LTE.

Americký bezdrátový operátor Nextel Communications testoval technologie bezdrátové širokopásmové sítě včetně Flash-OFDM v roce 2005. Sprint koupil operátora v roce 2006 a rozhodl se nasadit mobilní verzi WiMAX , která je založena na technologii SOFDMA ( Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access ).

Společnost Citizens Telephone Cooperative zahájila v březnu 2006 předplatitele v částech Virginie mobilní širokopásmovou službu založenou na technologii Flash-OFDM . Maximální dostupná rychlost byla 1,5 Mbit/s. Služba byla ukončena 30. dubna 2009.

Vektor OFDM (VOFDM)

VOFDM navrhl Xiang-Gen Xia v roce 2000 ( Proceedings of ICC 2000 , New Orleans, a IEEE Trans. On Communications , srpen 2001) pro systémy s jednou vysílací anténou. VOFDM nahrazuje každou skalární hodnotu v konvenčním OFDM hodnotou vektoru a je mostem mezi OFDM a ekvalizérem frekvenční domény s jednou nosnou (SC-FDE). Když je velikost vektoru , je OFDM a když velikost vektoru je alespoň délka kanálu a velikost FFT je , je to SC-FDE. ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle 1}$

V VOFDM předpokládejme, že je velikost vektoru, a každý signál skalární hodnotou v OFDM je nahrazen vektorem hodnotou signálu o velikosti vektoru , . Jeden vezme -bodu IFFT z složka-rozumně a dostane další vektorové sekvence stejné velikosti vektoru , . Potom do této vektorové sekvence přidá vektor CP délky jako ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle X_ {n}}$ ${\ displaystyle {\ bf {X}} _ {n}}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ Displaystyle 0 \ leq n \ leq N-1}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ Displaystyle {\ bf {X}} _ {n}, 0 \ leq n \ leq N-1}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ Displaystyle {\ bf {x}} _ {k}, 0 \ leq k \ leq N-1}$ ${\ displaystyle \ Gamma}$

${\ displaystyle {\ bf {x}} _ {0}, {\ bf {x}} _ {1}, ..., {\ bf {x}} _ {N-1}, {\ bf {x }} _ {0}, {\ bf {x}} _ {1}, ..., {\ bf {x}} _ {\ Gamma -1}}$ .

Tato vektorová sekvence je převedena na skalární sekvenci sekvenováním všech vektorů velikosti , které jsou vysílány na vysílací anténě postupně. ${\ displaystyle M}$

V přijímači je přijatá skalární sekvence nejprve převedena na vektorovou sekvenci velikosti vektoru . Když délka CP splňuje , poté, co je vektor CP odstraněn z vektorové sekvence a bodový FFT je implementován komponentně do vektorové sekvence délky , získá se ${\ displaystyle M}$ ${\ Displaystyle \ Gamma \ geq \ lceil {\ frac {L} {M}} \ rceil}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle N}$

${\ displaystyle {\ bf {Y}} _ {n} = {\ bf {H}} _ {n} {\ bf {X}} _ {n}+{\ bf {W}} _ {n}, \, \, 0 \ leq n \ leq N-1, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, (1)}$

kde jsou aditivní bílý šum, a a je následující vícefázový matice kanálu ISI : ${\ displaystyle {\ bf {W}} _ {n}}$ ${\ Displaystyle {\ bf {H}} _ {n} = {\ bf {H}} (\ exp (2 \ pi jn/N)) = {\ bf {H}} (z) | _ {z = \ exp (2 \ pi jn/N)}}$ ${\ displaystyle {\ bf {H}} (z)}$ ${\ displaystyle M \ times M}$ ${\ Displaystyle H (z) = \ sum _ {k = 0}^{L} h_ {k} z^{-k}}$

${\ Displaystyle \ mathbf {H} (z) = \ left [{\ begin {array} {cccc} H_ {0} (z) & z^{-1} H_ {M-1} (z) & \ cdots & z ^{-1} H_ {1} (z) \\ H_ {1} (z) & H_ {0} (z) & \ cdots & z^{-1} H_ {2} (z) \\\ vdots & \ vdots & \ vdots & \ vdots \\ H_ {M-1} (z) & H_ {M-2} (z) & \ cdots & H_ {0} (z) \ end {array}} \ right]}$ ,

kde je th polyfázová složka kanálu . Z (1) je vidět, že původní ISI kanál je převeden na mnoho vektorových subkanálů velikosti vektoru . V těchto vektorových subkanálech není ISI, ale uvnitř každého vektorového subkanálu je ISI. V každém subkanálu vektoru se navzájem ruší nejvýše mnoho symbolů. Je zřejmé, že když se velikost vektoru , výše uvedený VOFDM vrátí do OFDM a když a , stane se SC-FDE. Velikost vektoru je parametr, který si člověk může v praxi svobodně a správně zvolit a ovládá úroveň ISI. Může existovat kompromis mezi velikostí vektoru , složitostí demodulace v přijímači a velikostí FFT pro danou šířku pásma kanálu. ${\ Displaystyle H_ {m} (z) = \ sum _ {l} h_ {Ml+m} z^{-l}}$ ${\ displaystyle m}$ ${\ Displaystyle H (z), 0 \ leq m \ leq M-1}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle M = 1}$ ${\ displaystyle M> L}$ ${\ displaystyle N = 1}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle M}$

Všimněte si toho, že existuje mnoho dalších různých generalizací/forem OFDM, aby bylo možné vidět jejich zásadní rozdíly, je důležité vidět jejich odpovídající rovnice přijatého signálu, které je třeba demodulovat. Výše uvedený VOFDM je nejstarší a jediný, který dosahuje rovnice přijatého signálu (1) a/nebo jeho ekvivalentní formy, ačkoli může mít různé implementace na vysílači vs. různé IFFT algoritmy. Bylo ukázáno (Yabo Li et al., IEEE Trans. On Signal Processing , říjen 2012), že použitím lineárního přijímače MMSE na každý vektorový subkanál (1), dosahuje rozmanitosti více cest.

Wavelet-OFDM

OFDM se stal zajímavou technikou pro komunikaci po elektrickém vedení (PLC). V této oblasti výzkumu je zavedena vlnková transformace, která má nahradit DFT jako způsob vytváření ortogonálních frekvencí. Je to dáno výhodami, které nabízejí vlnovky, které jsou zvláště užitečné na hlučných elektrických vedeních.

Místo použití IDFT k vytvoření signálu vysílače používá vlnkový OFDM syntézní banku sestávající z a -pásmového transmultiplexeru následovaného transformační funkcí ${\ displaystyle \ textstyle N}$

{\ Displaystyle F_ {n} (z) = \ sum _ {k = 0}^{L-1} f_ {n} (k) z^{-k}, \ quad 0 \ leq n <N}

Na straně přijímače je k opětovné demodulaci signálu použita analytická banka. Tato banka obsahuje inverzní transformaci

{\ Displaystyle G_ {n} (z) = \ sum _ {k = 0}^{L-1} g_ {n} (k) z^{-k}, \ quad 0 \ leq n <N}

následovaný dalším pásmovým transmultiplexorem. Vztah mezi oběma transformačními funkcemi je ${\ displaystyle \ textstyle N}$

{\ Displaystyle f_ {n} (k) = g_ {n} (L-1-k)}

{\ Displaystyle F_ {n} (z) = z^{-(L-1)} G_ {n}*(z-1)}

Příklad W-OFDM používá Perfect Reconstruction Cosine Modulated Filter Bank (PR-CMFB) a Extended Lapped Transform (ELT) se používá pro wavelet TF. Tedy, a jsou uvedeny jako ${\ Displaystyle \ textstyle f_ {n} (k)}$ ${\ displaystyle \ textstyle g_ {n} (k)}$

{\ Displaystyle f_ {n} (k) = 2p_ {0} (k) \ cos \ left [{\ frac {\ pi} {N}} \ left (n+{\ frac {1} {2}} \ right ) \ left (k-{\ frac {L-1} {2}} \ right)-(-1)^{n} {\ frac {\ pi} {4}} \ right]}

{\ Displaystyle g_ {n} (k) = 2p_ {0} (k) \ cos \ left [{\ frac {\ pi} {N}} \ left (n+{\ frac {1} {2}} \ right ) \ left (k-{\ frac {L-1} {2}} \ right)+(-1)^{n} {\ frac {\ pi} {4}} \ right]}

{\ Displaystyle P_ {0} (z) = \ sum _ {k = 0}^{N-1} z^{-k} Y_ {k} \ left (z^{2N} \ right)}

Tyto dvě funkce jsou jejich příslušnými inverzemi a lze je použít k modulaci a demodulaci dané vstupní sekvence. Stejně jako v případě DFT je vlnková transformace vytváří pravoúhlé vlny s , , ..., . Ortogonalita zajišťuje, že se navzájem neruší a mohou být vysílány současně. V přijímači , , ..., jsou používány rekonstruovat průběh dat ještě jednou. ${\ displaystyle \ textstyle f_ {0}}$ ${\ displaystyle \ textstyle f_ {1}}$ ${\ displaystyle \ textstyle f_ {N-1}}$ ${\ displaystyle \ textstyle g_ {0}}$ ${\ displaystyle \ textstyle g_ {1}}$ ${\ displaystyle \ textstyle g_ {N-1}}$

Výhody oproti standardnímu OFDM

W-OFDM je evolucí standardního OFDM s určitými výhodami.

Hlavně úrovně postranních laloků W-OFDM jsou nižší. Výsledkem je menší ICI a větší odolnost vůči úzkopásmovému rušení. Tyto dvě vlastnosti jsou zvláště užitečné v PLC, kde většina linek není stíněna proti šumu EM, který vytváří hlučné kanály a hlukové špičky.

Porovnání obou technik modulace také ukazuje, že složitost obou algoritmů zůstává přibližně stejná.

Dějiny

1957: Kineplex, VF modem s více nosnými (RR Mosier & RG Clabaugh)
1966: Chang, Bell Labs: papír OFDM a patent
1971: Weinstein & Ebert navrhli použití FFT a ochranného intervalu
1985: Cimini popsal použití OFDM pro mobilní komunikaci
1985: Telebit Trailblazer Modem představil protokol 512 carrier Packet Ensemble Protocol ( 18 432 bit/s )
1987: Alard & Lasalle: COFDM pro digitální vysílání
1988: V září TH-CSF LER, první experimentální digitální televizní spojení v OFDM, oblast Paříž
1989: OFDM mezinárodní patentová přihláška PCT/FR 89/00546, podaná jménem THOMSON-CSF, Fouche, de Couasnon, Travert, Monnier a všech
Říjen 1990: TH-CSF LER, první polní test zařízení OFDM, 34 Mbit/s v kanálu 8 MHz, experimenty v oblasti Paříže
Prosinec 1990: TH-CSF LER, první srovnání testovacího lůžka OFDM s VSB v Princetonu USA
Září 1992: TH-CSF LER, polní test zařízení druhé generace, 70 Mbit/s v kanálu 8 MHz, dvojitá polarizace. Wuppertal, Německo
Říjen 1992: TH-CSF LER, druhá generace polních testovacích a testovacích pracovišť s BBC, nedaleko Londýna, Velká Británie
1993: TH-CSF show v Montreux SW, 4 TV kanály a jeden HDTV kanál v jednom 8 MHz kanálu
1993: Morris: Experimentální bezdrátová síť OFDM 150 Mbit/s
1995: Standard ETSI Digital Audio Broadcasting EUreka: první standard založený na OFDM
1997: ETSI DVB-T standardu
1998: Projekt Magic WAND demonstruje OFDM modemy pro bezdrátovou síť LAN
1999: IEEE 802.11a standard bezdrátové sítě LAN (Wi-Fi)
2000: Proprietární pevný bezdrátový přístup (V-OFDM, FLASH-OFDM atd.)
Květen 2001: FCC umožňuje OFDM v pásmu osvobozeném od licence 2,4 GHz.
2002: standard IEEE 802.11g pro bezdrátovou síť LAN
2004: Standard IEEE 802.16 pro bezdrátový MAN (WiMAX)
ETSI: 2004 DVB-H standardu
2004: Kandidát na standard IEEE 802.15.3a pro bezdrátové PAN (MB-OFDM)
2004: Kandidát na standard IEEE 802.11n pro bezdrátovou síť příští generace
2005: OFDMA je kandidátem na 3GPP Long Term Evolution (LTE) vzduchové rozhraní E-UTRA downlink.
2007: Byla předvedena první kompletní implementace rozhraní LTE pro vzduch, včetně OFDM-MIMO, SC-FDMA a víceuživatelského MIMO uplinku

Viz také

Standardy ATSC
Nosná interferometrie
N-OFDM
Ortogonální časová frekvence a prostor (OTFS)
Multiplexování s polarizačním dělením
Single-carrier FDMA (SC-FDMA)
Vyrovnávání frekvenční domény s jednou nosnou (SC-FDE)

Reference

Další čtení

Banka, M. (2007). „Systém bez problémů s kanály spojených se změnou mobilních komunikačních systémů“. Elektronická písmena . 43 (7): 401–402. doi : 10,1049/el: 20070014 .
M. Bank, B. Hill, Miriam Bank. Bezdrátový mobilní komunikační systém bez pilotních signálů Patent PCT/Il N 2006000926, Patent PCT International Application N0 PCT/IL 2006000926. Patent č. 7 986 740, datum vydání: 26. července 2011

externí odkazy

Mnoho užitečných odkazů a zdrojů pro OFDM - WCSP Group - University of South Florida (USF)
WiMAX Forum, WiMAX, rámcový standard pro 4G mobilní osobní širokopásmové připojení
Stott, 1997 [1] Technická prezentace JH Stotta z divize výzkumu a vývoje BBC, přednesená na 20. mezinárodním televizním sympoziu v roce 1997; k této adrese URL došlo 24. ledna 2006.
Stránka o ortogonálním multiplexování s frekvenčním dělením na https://web.archive.org/web/20090325005048/http://www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/node6.html přístupná 24. září 2007 .
Výukový program o významu cyklické předpony (CP) v systémech OFDM .
Bezdrátová dema Siemens 360 Mbit/s
Úvod do ortogonální multiplexní technologie s frekvenčním dělením
Krátký úvod do OFDM -Tutorial, který napsal prof. Debbah, vedoucí křesla Alcatel-Lucent na flexibilním rádiu.
Krátký bezplatný návod na COFDM od Marka Massela, dříve ve společnosti STMicroelectronics a v odvětví digitální televize po mnoho let.
Populární kniha o COFDM a americkém ATSC od Marka Massela
Přenos OFDM krok za krokem-online experiment
Simulace optických OFDM systémů

Languages

In other projects