Was ist OFDM? (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing ist eine Form der Signalmodulation, die einen hohen datenratenmodulierenden Strom teilt, der sie auf viele langsam modulierte schmalbandige, eng beabstandete Unterträger verteilt und auf diese Weise weniger empfindlich gegenüber frequenzselektivem Fading ist.Orthogonal Frequency Division Multiplexing oder OFDM ist ein Modulationsformat, das für viele der neuesten drahtlosen und Telekommunikationsstandards verwendet wird.
OFDM wurde in der Wi-Fi-Arena angenommen, wo die Standards wie 802.11a, 802.11n, 802.11ac und mehr. Es wurde auch für den Mobilfunkstandard LTE / LTE-A ausgewählt und zusätzlich von anderen Standards wie WiMAX und vielen anderen übernommen.Orthogonal Frequency Division Multiplexing wurde auch für eine Reihe von Broadcast-Standards von DAB Digital Radio bis zu den Digital Video Broadcast Standards DVB übernommen. Es wurde auch für andere Rundfunksysteme übernommen, einschließlich Digital Radio Mondiale, das für die langen Mittel- und Kurzwellenbänder verwendet wird.Obwohl OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing komplizierter ist als frühere Formen des Signalformats, bietet es einige deutliche Vorteile in Bezug auf die Datenübertragung, insbesondere wenn hohe Datenraten zusammen mit relativ breiten Bandbreiten benötigt werden.
Was ist OFDM? – Das Konzept
OFDM ist eine Form der Multicarrier-Modulation. Ein OFDM-Signal besteht aus einer Anzahl eng beabstandeter modulierter Träger. Bei Modulation jeglicher Form – Sprache, Daten usw. wird auf einen Träger aufgebracht, dann Seitenbänder zu beiden Seiten ausgebreitet. Es ist notwendig, dass ein Empfänger das gesamte Signal empfangen kann, um die Daten erfolgreich demodulieren zu können. Wenn Signale nahe beieinander übertragen werden, müssen sie daher so beabstandet sein, dass der Empfänger sie mit einem Filter trennen kann, und es muss ein Schutzband zwischen ihnen vorhanden sein. Dies ist bei OFDM nicht der Fall. Obwohl sich die Seitenbänder von jedem Träger überlappen, können sie dennoch ohne die zu erwartende Interferenz empfangen werden, da sie orthogonal zueinander sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der Trägerabstand gleich dem Kehrwert der Symbolperiode ist.
Um zu sehen, wie OFDM funktioniert, müssen Sie sich den Empfänger ansehen. Dies fungiert als eine Bank von Demodulatoren, die jeden Träger in Gleichstrom umwandeln. Das resultierende Signal wird über die Symbolperiode integriert, um die Daten von diesem Träger zu regenerieren. Derselbe Demodulator demoduliert auch die anderen Träger. Da der Trägerabstand gleich dem Kehrwert der Symbolperiode ist, haben sie eine ganze Anzahl von Zyklen in der Symbolperiode und ihr Beitrag summiert sich zu Null – mit anderen Worten, es gibt keinen Störbeitrag.
Eine Anforderung der OFDM-Sende- und Empfangssysteme ist, dass sie linear sein müssen. Jede Nichtlinearität verursacht Interferenzen zwischen den Trägern als Folge von Intermodulationsverzerrungen. Dadurch werden unerwünschte Signale eingeführt, die Störungen verursachen und die Orthogonalität der Übertragung beeinträchtigen würden.
In Bezug auf die zu verwendende Ausrüstung erfordert das hohe Spitzen- zu-Mittel-Verhältnis von Mehrträgersystemen wie OFDM, dass der HF-Endverstärker am Ausgang des Senders in der Lage ist, die Spitzen zu bewältigen, während die durchschnittliche Leistung viel niedriger ist, und dies führt zu Ineffizienz. In einigen Systemen sind die Spitzen begrenzt. Obwohl dies zu Verzerrungen führt, die zu einem höheren Grad an Datenfehlern führen, kann sich das System auf die Fehlerkorrektur verlassen, um diese zu entfernen.
Daten auf OFDM
Die auf einem OFDM-Signal zu übertragenden Daten werden auf die Träger des Signals verteilt, wobei jeder Träger Teil der Nutzlast ist. Dies reduziert die Datenrate, die von jedem Träger genommen wird. Die geringere Datenrate hat den Vorteil, dass Störungen durch Reflexionen wesentlich unkritischer sind. Dies wird durch Hinzufügen einer Schutzbandzeit oder eines Schutzintervalls in das System erreicht. Dies stellt sicher, dass die Daten nur abgetastet werden, wenn das Signal stabil ist und keine neuen verzögerten Signale eintreffen, die das Timing und die Phase des Signals verändern würden.
Die Verteilung der Daten über eine große Anzahl von Trägern im OFDM-Signal hat einige weitere Vorteile. Nullen, die durch Mehrwegeffekte oder Interferenzen auf einer bestimmten Frequenz verursacht werden, betreffen nur eine kleine Anzahl der Träger, wobei die verbleibenden korrekt empfangen werden. Durch die Verwendung von Fehlercodierungstechniken, was bedeutet, dass dem übertragenen Signal weitere Daten hinzugefügt werden, können viele oder alle beschädigten Daten innerhalb des Empfängers rekonstruiert werden. Dies kann geschehen, weil der Fehlerkorrekturcode in einem anderen Teil des Signals übertragen wird.
OFDM Vorteile & Nachteile
OFDM Vorteile
OFDM wurde in vielen drahtlosen Systemen mit hoher Datenrate verwendet, da es viele Vorteile bietet.
- Immunität gegen selektives Verblassen: Einer der Hauptvorteile von OFDM ist, dass es resistenter gegen frequenzselektives Fading ist als Einzelträgersysteme, da es den Gesamtkanal in mehrere schmalbandige Signale unterteilt, die einzeln als flache Fading-Unterkanäle betroffen sind.
- Störfestigkeit: Störungen, die auf einem Kanal auftreten, können bandbreitenbegrenzt sein und wirken sich auf diese Weise nicht auf alle Unterkanäle aus. Dies bedeutet, dass nicht alle Daten verloren gehen.
- Spektrumseffizienz: Durch die Verwendung von überlappenden Subträgern mit engem Abstand besteht ein wesentlicher OFDM-Vorteil darin, dass das verfügbare Spektrum effizient genutzt wird.
- Widerstandsfähig gegen ISI: Ein weiterer Vorteil von OFDM ist, dass es sehr widerstandsfähig gegen Inter-Symbol- und Inter-Frame-Interferenzen ist. Dies resultiert aus der geringen Datenrate auf jedem der Subkanäle.
- Widerstandsfähig gegen schmalbandige Effekte: Durch adäquate Kanalcodierung und Verschachtelung ist es möglich, verlorene Symbole aufgrund der Frequenzselektivität des Kanals und der schmalbandigen Interferenz wiederherzustellen. Nicht alle Daten gehen verloren.
- Einfachere Kanalentzerrung: Eines der Probleme bei CDMA-Systemen war die Komplexität des Kanalausgleichs, der über den gesamten Kanal angewendet werden musste. Ein Vorteil von OFDM ist, dass durch die Verwendung mehrerer Subkanäle der Kanalausgleich wesentlich einfacher wird.
OFDM-Nachteile
Obwohl OFDM weit verbreitet ist, gibt es immer noch einige Nachteile bei seiner Verwendung, die bei der Betrachtung seiner Verwendung berücksichtigt werden müssen.
- High peak to average power ratio: Ein OFDM-Signal hat eine rauschähnliche Amplitudenvariation und einen relativ hohen großen Dynamikbereich oder Peak to average Power Ratio. Dies wirkt sich auf die Effizienz des HF-Verstärkers aus, da die Verstärker linear sein und die großen Amplitudenschwankungen aufnehmen müssen, und diese Faktoren bedeuten, dass der Verstärker nicht mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann.
- Empfindlich gegenüber Trägerversatz und Drift: Ein weiterer Nachteil von OFDM ist, dass es empfindlich gegenüber Trägerfrequenzversatz und Drift ist. Einzelträgersysteme sind weniger empfindlich.
OFDM-Varianten
Es gibt mehrere andere Varianten von OFDM, für die die Initialen in der Fachliteratur zu sehen sind. Diese folgen dem Grundformat für OFDM, haben aber zusätzliche Attribute oder Variationen:
- COFDM: Coded Orthogonal frequency division multiplexing. Eine Form von OFDM, bei der die Fehlerkorrekturcodierung in das Signal integriert wird.
- Flash OFDM: Dies ist eine Variante von OFDM, die von Flarion entwickelt wurde. Es verwendet mehrere Töne und schnelles Hopping, um Signale über ein bestimmtes Spektrumband zu verteilen.
- OFDMA: Orthogonal frequency division Mehrfachzugriff. Ein Schema, das verwendet wird, um eine Mehrfachzugriffsfähigkeit für Anwendungen wie die zellulare Telekommunikation bei Verwendung von OFDM-Technologien bereitzustellen.
- VOFDM: Vektor-OFDM. Diese Form von OFDM verwendet das Konzept der MIMO-Technologie. Es wird von CISCO Systems entwickelt. MIMO steht für Multiple Input Multiple Output und verwendet mehrere Antennen zum Senden und Empfangen der Signale, sodass Mehrwegeffekte genutzt werden können, um den Signalempfang zu verbessern und die unterstützten Übertragungsgeschwindigkeiten zu verbessern.
- WOFDM: Breitband-OFDM. Das Konzept dieser Form von OFDM besteht darin, dass ein Abstand zwischen den Kanälen verwendet wird, der groß genug ist, dass Frequenzfehler zwischen Sender und Empfänger die Leistung nicht beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für Wi-Fi-Systeme.
Jede dieser Formen von OFDM verwendet das gleiche Grundkonzept der Verwendung von eng beabstandeten orthogonalen Trägern, die jeweils Signale mit niedriger Datenrate tragen. Während der Demodulationsphase werden die Daten dann kombiniert, um das vollständige Signal bereitzustellen.OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing hat eine bedeutende Präsenz auf dem drahtlosen Markt gewonnen. Die Kombination aus hoher Datenkapazität, hoher spektraler Effizienz und seiner Störfestigkeit aufgrund von Mehrwegeffekten macht es ideal für Anwendungen mit hohen Datenraten, die in der heutigen Kommunikationsszene zu einem wichtigen Faktor geworden sind.