Ortogonal frekvensdelingsmultipleksering

OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing , German Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) er en spesiell implementering av multibærermodulasjonen. En moduleringsmetode som bruker flere ortogonale bærere for digital dataoverføring. Metoden er altså en spesiell form for FDM , der bærerens ortogonalitet (dvs. maksimum for en bærer er på null kryss i sine nærliggende bærere ) reduserer krysstale mellom signaler som er modulert til nabobærere.

Den nyttige informasjonen som skal overføres med høy datahastighet deles først inn i flere partielle datastrømmer med lav datahastighet. Disse partielle datastrømmene moduleres hver for seg med en konvensjonell modulasjonsmetode slik som kvadraturamplitudemodulasjon med en smal båndbredde, og deretter tilsettes de modulerte RF-signalene. For å være i stand til å skille mellom de enkelte signalene under demodulering i mottakeren, er det nødvendig at bærerne i funksjonsrommet er ortogonale mot hverandre. Dette har den effekten at de delvise datastrømmene påvirker hverandre så lite som mulig.

Fordelen med OFDM er at den gjør det mulig å tilpasse dataoverføringen til detaljene til en overføringskanal , for eksempel en radiokanal , ved hjelp av fin granulering. Hvis smalbåndsforstyrrelse oppstår innenfor OFDM-signalspekteret, kan bærere som er påvirket av interferensen utelukkes fra dataoverføring. Den totale dataoverføringshastigheten reduseres bare med en liten brøkdel. Når det gjelder bredbånds kvadraturamplitudemodulasjon med bare en bærer, kan derimot smalbåndsinterferens i overføringskanalen gjøre fullstendig dataoverføring umulig. Destruktiv interferens fra flerveismottak påvirker også bare individuelle transportører.

OFDM-signal med fire bærere i frekvensdomenet. De enkelte bærerne er vist i forskjellige farger.

Modulasjonsmetode

Et symbol i OFDM med fire bærefrekvenser i tidsdomenet

Hver bærer moduleres først separat. Avhengig av hvilken av de tre gratis parameterne frekvens, amplitude og fase som brukes til dette, bærer den informasjon om en eller flere biter per symbolstrinn . 2 bits overføres per symbol og bærer med DAB , 2, 4 eller 6 bits med DVB-T og opptil 8 bits med DVB-T2 .

I OFDM består signalkurven til et symbol av summen av alle modulerte bærere. Med OFDM overføres dermed et veldig stort antall biter parallelt. Hvis for eksempel, som i praktiske anvendelser, brukes rundt 7000 bærere og fire biter overføres per bærer, har et symbol et informasjonsinnhold på maksimalt 28 000 bits, som overføres parallelt i ett symboltrinn. I praksis er antall biter noe lavere, ettersom noen bærefrekvenser brukes til synkronisering, som en pilottone og for drift. Den kanalkoding for foroverrettet feilkorreksjon også reduserer mengden av brukerdata. ${\ displaystyle S _ {\ text {OFDM}} (t)}$

I samsvar med den lille spektrale avstanden mellom bærefrekvensene, skjer modulering med bare en liten båndbredde . Derfor er symbolvarigheten med OFDM mye lengre sammenlignet med metoder for enebærer. Med en total båndbredde på 8 MHz og 7000 bærefrekvenser, resulterer en symbolvarighet på 875 µs som en grov guide, som tilsvarer en symbolhastighet på 1143  baud . Maksimal bithastighet som kan oppnås er rundt 32 Mbit / s. Forskjellige andre parametere, for eksempel maksimal forsinkelsesspredning for mottak av flere veier, må tas i betraktning for presis tolkning .

OFDM-modulator

OFDM-signaler genereres med den komplekse invers diskrete Fourier-transformasjonen ( IDFT ). IDFT antar at alle subbærerfrekvenser er ortogonale mot hverandre. Blokklengden til IDFT tilsvarer antall underbærere. IDFT kan implementeres helt i digital teknologi med digitale signalprosessorer , slik at høyfrekvente delen av kretsen forblir relativt enkel.

Orthogonality eksisterer hvis og bare hvis:

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

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

resepsjon

OFDM demodulator

På mottakersiden må de enkelte bærerne være atskilt fra det sammensatte signalet. Dette kan gjøres med individuelle filtre, men med mer enn en håndfull frekvenser blir det for dyrt. Av denne grunn brukes en rask Fourier-transformasjon ( FFT ) i alle OFDM-dekodere i dag, som reverserer IFFT ved senderen. Inngangsdataene til FFT er de digitaliserte verdiene til signalet fra en analog-til-digital-omformer (ADC).

Synkroniseringen med det mottatte signalet er problematisk og kompleks med en OFDM-mottaker, siden mottakeren ikke har en direkte forsyning av overføringsklokken. Vanligvis kjører flere synkroniseringsnivåer etter hverandre. Først må prøveklokken til ADC og frekvensen til HF-bæreren justeres slik at alle bærere faller nøyaktig på FFT-frekvensene (tilsvarer en strekking / komprimering og forskyvning av spekteret). På grunn av tilstedeværelsen av mange ekkoer, er det et tidspunkt når impulsresponsen har størst energi. Fra dette tidspunktet er det mulig å utlede tidsperioden ekko mottas og suksessive symboler er lagt over. Det er funnet ved hjelp av visse referansesymboler eller pilotbærere med en automatisk korrelasjon. Til slutt må fasereferansen som kreves for kvadraturamplitudemodulasjon (QAM) ekstraheres (såkalt kanalestimering ).

Avhengig av OFDM-metoden støtter forskjellige tilleggssignaler denne synkroniseringen. Med digital lydkringkasting (DAB) overføres i det hele tatt ingen energi for ett symbol (null-symbol) og deretter et såkalt fasereferansesymbol for nøyaktig frekvens- og tidssynkronisering. DVB-T bruker et mønster av pilottoner som systematisk migrerer over transportørene . Ved hjelp av disse pilottonene kan faseendring over frekvens og tid bestemmes.

COFDM

Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) er en overføringsmetode for digital informasjon som supplerer OFDM-moduleringsmetoden med fremoverfeilkorreksjon i symbolet.

Styrken av COFDM ligge i sin motstand mot generell forstyrrende fler mottak og dets ekkoer og den resulterende mulighet for å være i stand til å betjene flere romlig tilstøtende sendere på samme sendefrekvens som en såkalt enkelt- frekvens nettverk . Den er også egnet for mobil mottak av signaler som overføres med den.

COFDM som overføringsmetode brukes spesielt av Digital Audio Broadcasting (DAB), Digital Radio Mondiale (DRM) og den europeiske digitale TV- standarden DVB-T .

Ved simulcast eller når flerveismottak oppstår for et symbol i løpet av den tid konstruktiv og destruktiv forstyrrelse , noe som resulterer i utryddelse eller forbedring av individuelle transportører. Imidlertid, siden et stort antall bærefrekvenser er tilgjengelige parallelt i kanalen og forstyrrelser er frekvensselektive, blir bare individuelle bærere faktisk kansellert eller forsterket ved visse romlige mottakspunkter.

Med OFDM er det i utgangspunktet de samme fysiske problemene som med enkeltbærermetoder, men disse forstyrrende påvirkningene av interferensen kan reduseres kraftig med to metoder, siden symbolvarigheten med OFDM er mye lengre enn enkelbærermetoder.

I tillegg til viderekobling av feilkorreksjon gjennom kanalkoding , blir informasjonen som skal overføres redundant fordelt over flere bærefrekvenser med COFDM. Som et resultat kan COFDM-mottakeren rekonstruere riktig brukerdatainformasjon selv om individuelle bærerfrekvenser blir slettet av interferens, og det er mulig å operere enfrekvenssender med overlappende soner til de enkelte sendere.

En vakt intervall sikrer at en "stille tid" er observert mellom to sendte symboler slik at påfølgende symboler ikke kryss diskusjon . Typiske beskyttelsestider er mellom 1/32 symbolvarighet og 1/4 symbolvarighet. Lengden på beskyttelsesintervallet bestemmer den mulige intersymbolen interferensfri avstandsforskjell til senderne. Med en hviletid på 33 µs forstyrrer avstandsforskjeller på ti kilometer eller mer, noe som tillater senderdistanser på rundt 20 km, fordi utryddelse krever lignende feltstyrker.

OFDMA

Med Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) fordeles OFDM-underbærerne over mer enn en brukerkanal. Forutsetningen for prosedyren er toveis radiokommunikasjon, der kanalen kan måles i motsetning til ensrettet kommunikasjon. Senderen er klar over mottakskvaliteten til underbærerne for de enkelte brukerne gjennom kontinuerlig måling. Basert på denne kunnskapen kan han optimalisere bruken av underbærerne og dermed spektraleffektiviteten.

Søknadseksempler

• Digital Audio Broadcasting (DAB) med 192 til 1536 bærere (på ca. 1,5 MHz båndbredde)
• Digital Radio Mondiale (DRM) med 88 til 460 bærere (på ca. 4 til 20 kHz båndbredde)
• DVB-C med DOCSIS 3.1
• DVB-T med 2048, 4096 eller 8192 bærere - avhengig av modus 2k, 4k (kun med DVB-H) eller 8k (på ca. 6,5 til 7,5 MHz båndbredde)
• WLAN i henhold til IEEE 802.11a , IEEE 802.11g og IEEE 802.11n
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) med 32 bærere for oppstrøms og 190 for nedstrøms (hver 4,3125 kHz over ca. 1 MHz båndbredde; se også DMT )
• VDSL
• Powerline f.eks. B. Homeplug AV
• G.fast
• LTE (Long Term Evolution)
• WiMAX i henhold til IEEE 802.16.2-2004 for NLOS-forbindelser med 256 operatører (anbefalt av WiMAX-forumet) eller 2048 operatører
• C WUSB , Bluetooth 3.0 og WiNet , som alle er basert på ECMA-368-standarden

Følgende tabell oppsummerer de typiske nøkkeldataene til noen OFDM- eller COFDM-baserte systemer:

Diverse

OFDM står også for Optical Frequency Division Multiplexing , som er et synonymt begrep for bølgelengde divisjon multiplexing . Uttrykket "Optisk frekvensdelingsmultipleksering" understreker imidlertid at denne optiske teknologien er en frekvensmultipleksteknologi kjent fra elektrisk kommunikasjonsteknikk.

litteratur

• Khaled Fazel, Stefan Kaiser: Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems. Fra OFDM og MC-CDMA til LTE og WiMAX. 2. utgave. John Wiley & Sons, New York NY 2008, ISBN 978-0-470-99821-2 .
• Ralph Spitschka: Synkroniseringsalgoritmer for OFDM-systemer. Ved hjelp av eksemplet på WLAN. VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2008, ISBN 978-3-639-07596-0 .

Individuelle bevis

1. ^ Long-Term Evolution (LTE): Visjonen utover 3G , Nortel

weblenker

• Detaljert informasjon om OFDMA og SOFDMA
• Forholdet mellom OFDM og IFFT
• Multi-carrier modulering ( PDF ; 638 kB)