Ортогональне частотне розділення з мультиплексуванням, ofdm
Ортогональне частотне розділення з мультиплексуванням (Ortogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) представляє собою одночасне передавання потоку цифрових даних по багатьох частотних каналах . Здавалось би в даному випадку використовується класичне частотне розділення каналів. Але особливісю даного підходу являється те, що використовуються частотні канали , які суттєво перекриваються. На перший погляд здається, що такий спосіб практично неможливо використовувати, в зв’язку з взаємовпливом сусідніх каналів.
В кожному з частотних каналів пропонується здійснювати цифрову передачу з тривалістю елементарних символів Т. Але особливістю даного методу являється вибір частотного рознесення між центральними частотами сусідніх каналів, яке повинно становити
(
7.7)
Саме такий вибір частотного рознесення дозволяє забезпечити ортогональність сигналів в сусідніх каналах, що приводить до відсутності міжканальних завад. Розглянемо прямокутній імпульс, симетричний відносно початку координат (рис.7.1,а) для якого
(7.8)
Визначимо для даного імпульсу спектральну функцію, яка становить:
(7.9)
Даний інтеграл можна визначити з використанням системи MATLAB
syms ti w A t
d=A*exp(i*w*t)
S=int(d,t,-ti/2,ti/2)
В результаті отримаємо:
(7.10,а)
або
(7.10,б)
На
рис. 7.8
приведено амплітудний спектр прямокутного
імпульсу
а) б) в)
Рис.7.8. (а, б) - прямокутний імпульс; (а, в) - його спектральна густина
На основі отриманої спектральної густини для прямокутного імпульса тривалістю Т, можна отримати спектральну густину для радіоімпусів тривалістю Т з різними зсувами несучої частоти (рис.7.9)
З приведених результатів видно, що тільки у випадку виконання умови (7.7) сигнали в різних каналах являються ортогональними (при максимумі одного сигналу всі інші рівні нулю).
При використанні OFDM модуляції високошвидкісний потік даних розбивається на велику кількість низькошвидкісних потоків, кожен з яких передається на окремій піднесучій частоті. В результаті для кожного окремого каналу тривалість канального символу може бути вибраною достатньо великою, яка значно перевищує час затримки сигналів при наявності багатопроменевого поширення хвиль. Отже, ввівши відповідний часовий захисний інтервал, можна звести до мінімуму міжсимвольні спотворення при контрольованому зменшення швидкості передавання даних. А висока спектральна ефективність даного методу забезпечується досить близьким розміщення частот сусідніх піднесучих коливань, які утворюються таким чином, щоб сигнали всіх піднесучих були ортогональні.
Рис.7.9. Спектральна густина одного OFDM символу
Для приймачів даної системи необхідні перетворення здійснюються завдяки застосуванню дискретного перетворення Фурє (ДПФ), яке може ефективно виконано завдяки швидкому перетворенню Фурє (ШПФ). Отже, абонентське обладнання може бути відносно простим, оскільки відпадає потреба у використанні великої кількості генераторів гармонічних піднесучих коливань та когерентних демодуляторів, які необхідні при звичайному частотному розділення каналів.
Технологія OFDM рекомендується для використання в радіомережах як стандартами міжнародного інституту інженерів з електроніки та електротехніки (IEEE), так і Європейським інститутом стандартизації в області телекомунікацій (ETSI).
В наш час дана технологія широко застосовується в широкосмугових цифрових системах передачі даних мобільним абонентам, високошвидкісних цифрових лініях передачі з швидкістюдо 100 Мбит/с та більше, в цифровому радіомовленні та телебаченні. Додатковими перевагами, крім усунення негативних наслідків багатопроменевого поширення хвиль (складність реалізації в даному випадку значно менша складності реалізації аналогічних систем з одним несучим коливанням з еквалайзером), являються наступні:
для кожної окремої піднесучої характеристики каналу можна вважати постійними на час передачі одного блоку даних, що дозволяє збільшити пропускну здатність шляхом адаптації швидкості передачі на кожній піднесучій у відповідності з значенням відношення сигнал/шум в даному частотному каналі, збільшивши число бітів, що переносяться одним елементарним символом;
можливість використання в мережах з одним несучим коливанням, що особливо зручно для радіомовлення та телебачення (частотні канали на піднесучих коливаннях пр даній технології формуються на відеочастоті, біля нульової частоти, а потім, шляхом перетвореня частоти переносяться в необхідну смугу частот.
До недоліків даної технології можна віднести як високу чутливість до зміщення частоти прийнятого сигналу відносно частоти опорного гармонічного коливання приймача, так і високе значення відношення пікової потужності радіосигналу до її серднього значення, що замітно зменшує енергетичну ефективність радіопередавачів. В даний час науковими підрозділами багатьох фірм ведуться роботи з покращення показників OFDM модуляції. Зокрема зопропонована її модифікація (SC OFDMA) для якої пік-фактор потужності значно понижений. Показано ефективність застосування OFDM модуляції при її сумісному використанні з технологією кодового розділення каналів.