Che cosa è OFDM? (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, è una forma di modulazione del segnale che divide un flusso modulante ad alta velocità di dati posizionandoli su molti subcarriers ravvicinati a banda stretta modulati lentamente, e in questo modo è meno sensibile allo sbiadimento selettivo in frequenza.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing o OFDM è un formato di modulazione che viene utilizzato per molti dei più recenti standard wireless e di telecomunicazione.

OFDM è stato adottato nell’arena Wi-Fi dove gli standard come 802.11 a, 802.11 n, 802.11 ac e altro ancora. È stato anche scelto per lo standard di telecomunicazioni cellulari LTE / LTE-A, e in aggiunta a questo è stato adottato da altri standard come WiMAX e molti altri.

Il multiplexing ortogonale a divisione di frequenza è stato adottato anche per una serie di standard di trasmissione dalla radio digitale DAB agli standard di trasmissione video digitale, DVB. È stato adottato anche per altri sistemi di trasmissione, tra cui Digital Radio Mondiale utilizzato per le bande di onde lunghe medie e corte.

Sebbene OFDM, il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale sia più complicato delle forme precedenti di formato del segnale, fornisce alcuni vantaggi distinti in termini di trasmissione dei dati, specialmente dove sono necessarie velocità di trasmissione elevate e larghezze di banda relativamente ampie.

Che cos’è OFDM? – Il concetto

OFDM è una forma di modulazione multicarrier. Un segnale OFDM è costituito da un numero di vettori modulati strettamente distanziati. Quando la modulazione di qualsiasi forma-voce, dati, ecc viene applicato a un supporto, quindi le bande laterali si estendono su entrambi i lati. È necessario che un ricevitore sia in grado di ricevere l’intero segnale per poter demodulare con successo i dati. Di conseguenza, quando i segnali vengono trasmessi vicini l’uno all’altro, devono essere distanziati in modo che il ricevitore possa separarli utilizzando un filtro e ci deve essere una banda di protezione tra di loro. Questo non è il caso di OFDM. Sebbene le bande laterali di ciascun vettore si sovrappongano, possono comunque essere ricevute senza l’interferenza che ci si potrebbe aspettare perché sono ortogonali tra loro. Ciò si ottiene avendo la spaziatura portante uguale al reciproco del periodo del simbolo.

Per vedere come funziona OFDM, è necessario guardare il ricevitore. Questo agisce come una banca di demodulatori, traducendo ogni vettore fino a DC. Il segnale risultante viene integrato nel periodo del simbolo per rigenerare i dati da quel vettore. Lo stesso demodulatore demodula anche gli altri portatori. Poiché la spaziatura portante uguale al reciproco del periodo del simbolo significa che avranno un numero intero di cicli nel periodo del simbolo e il loro contributo si sommerà a zero – in altre parole non vi è alcun contributo di interferenza.

Un requisito dei sistemi di trasmissione e ricezione OFDM è che devono essere lineari. Qualsiasi non linearità causerà interferenze tra i vettori a causa della distorsione di inter-modulazione. Ciò introdurrà segnali indesiderati che causerebbero interferenze e comprometterebbero l’ortogonalità della trasmissione.

In termini di apparecchiature da utilizzare l’alto rapporto picco / media di sistemi multi-carrier come OFDM richiede che l’amplificatore finale RF sull’uscita del trasmettitore sia in grado di gestire i picchi mentre la potenza media è molto più bassa e questo porta ad inefficienza. In alcuni sistemi i picchi sono limitati. Anche se questo introduce distorsione che si traduce in un più alto livello di errori di dati, il sistema può contare sulla correzione degli errori per rimuoverli.

Dati su OFDM

I dati da trasmettere su un segnale OFDM sono distribuiti tra i vettori del segnale, ogni vettore prende parte del carico utile. Questo riduce la velocità di trasmissione dati presa da ciascun vettore. Il tasso di dati più basso ha il vantaggio che l’interferenza dalle riflessioni è molto meno critica. Ciò si ottiene aggiungendo un tempo di banda di guardia o intervallo di guardia nel sistema. Ciò garantisce che i dati vengano campionati solo quando il segnale è stabile e non arrivano nuovi segnali ritardati che alterino i tempi e la fase del segnale.

La distribuzione dei dati su un gran numero di vettori nel segnale OFDM presenta alcuni ulteriori vantaggi. I null causati da effetti multi-percorso o interferenze su una data frequenza influenzano solo un piccolo numero di portatori, i restanti vengono ricevuti correttamente. Utilizzando tecniche di codifica degli errori, che significa aggiungere ulteriori dati al segnale trasmesso, consente di ricostruire molti o tutti i dati danneggiati all’interno del ricevitore. Questo può essere fatto perché il codice di correzione degli errori viene trasmesso in una parte diversa del segnale.

OFDM vantaggi&svantaggi

OFDM vantaggi

OFDM è stato utilizzato in molti sistemi wireless ad alta velocità di trasmissione dati a causa dei numerosi vantaggi che fornisce.

• Immunità allo sbiadimento selettivo: Uno dei principali vantaggi di OFDM è che è più resistente allo sbiadimento selettivo in frequenza rispetto ai singoli sistemi portanti perché divide il canale complessivo in più segnali a banda stretta che sono interessati individualmente come sottocanali a dissolvenza piatta.
• Resilienza alle interferenze: le interferenze che appaiono su un canale possono essere limitate alla larghezza di banda e in questo modo non influenzeranno tutti i sotto-canali. Ciò significa che non tutti i dati vengono persi.
• Efficienza dello spettro: Facendo uso dei sottoportanti sovrapposti ravvicinati, un vantaggio significativo di OFDM è che fa l’uso efficiente dello spettro disponibile.
• Resiliente all’ISI: Un altro vantaggio di OFDM è che è molto resistente all’interferenza tra simboli e inter-frame. Ciò deriva dalla bassa velocità di trasmissione dei dati su ciascuno dei sottocanali.
• Resiliente agli effetti a banda stretta: utilizzando un’adeguata codifica dei canali e l’interleaving è possibile recuperare i simboli persi a causa della selettività di frequenza del canale e delle interferenze a banda stretta. Non tutti i dati vengono persi.
• Equalizzazione dei canali più semplice: Uno dei problemi con i sistemi CDMA era la complessità dell’equalizzazione del canale che doveva essere applicata su tutto il canale. Un vantaggio di OFDM è che utilizzando più sotto-canali, l’equalizzazione del canale diventa molto più semplice.

OFDM svantaggi

Mentre OFDM è stato ampiamente utilizzato, ci sono ancora alcuni svantaggi al suo uso che devono essere affrontati quando si considera il suo uso.

• High peak to average power ratio: un segnale OFDM ha una variazione di ampiezza simile al rumore e ha una gamma dinamica relativamente elevata o un rapporto di potenza da picco a media. Ciò influisce sull’efficienza dell’amplificatore RF poiché gli amplificatori devono essere lineari e adattarsi alle grandi variazioni di ampiezza e questi fattori significano che l’amplificatore non può funzionare con un livello di efficienza elevato.
• Sensibile all’offset e alla deriva del vettore: un altro svantaggio di OFDM è che è sensibile all’offset e alla deriva della frequenza portante. I sistemi di supporto singolo sono meno sensibili.

Varianti OFDM

Ci sono diverse altre varianti di OFDM per le quali le iniziali sono viste nella letteratura tecnica. Questi seguono il formato di base per OFDM, ma hanno attributi o variazioni aggiuntive:

• COFDM: Coded Orthogonal frequency division multiplexing. Una forma di OFDM in cui la codifica di correzione degli errori è incorporata nel segnale.
• Flash OFDM: Si tratta di una variante di OFDM che è stato sviluppato da Flarion ed è una forma veloce saltato di OFDM. Utilizza più toni e salti veloci per diffondere segnali su una determinata banda di spettro.
• OFDMA: accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale. Uno schema utilizzato per fornire una capacità di accesso multiplo per applicazioni come le telecomunicazioni cellulari quando si utilizzano tecnologie OFDM.
• VOFDM: Vettore OFDM. Questa forma di OFDM utilizza il concetto di tecnologia MIMO. È stato sviluppato da CISCO Systems. MIMO sta per Multiple Input Multiple output e utilizza più antenne per trasmettere e ricevere i segnali in modo che gli effetti multi-path possano essere utilizzati per migliorare la ricezione del segnale e migliorare le velocità di trasmissione che possono essere supportate.
• WOFDM: Banda larga OFDM. Il concetto di questa forma di OFDM è che utilizza un grado di spaziatura tra i canali che è abbastanza grande che eventuali errori di frequenza tra trasmettitore e ricevitore non influenzano le prestazioni. È particolarmente applicabile ai sistemi Wi-Fi.

Ognuna di queste forme di OFDM utilizza lo stesso concetto di base di utilizzare vettori ortogonali ravvicinati che trasportano segnali a bassa velocità di trasmissione dati. Durante la fase di demodulazione i dati vengono poi combinati per fornire il segnale completo.

OFDM, il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale ha guadagnato una presenza significativa nel mercato wireless. La combinazione di elevata capacità di dati, elevata efficienza spettrale, e la sua resilienza alle interferenze come risultato di effetti multi-path significa che è ideale per le applicazioni ad alta dati che sono diventati un fattore importante nella scena di comunicazione di oggi.