Материал: Теоретические основы передачи ВЧ сигналов

Реализация приема/передачи

Чтобы использовать несколько поднесущих для передачи информации в отдельном канале, система связи OFDM должна состоять из нескольких элементов, показанных на рисунке ниже.

Преобразование из последовательного в параллельный поток

В системе OFDM, каждый канал может быть разбит на несколько поднесущих. Использование поднесущих делает оптимальным использование частотного спектра, но также требует дополнительной обработки сигнала передатчиком и приемником. Эта дополнительная обработка необходима для преобразования последовательного потока (bitstream) битов в несколько параллельных потоков для разделения между отдельными несущими. Как только поток был разделен для передачи на отдельных поднесущих, каждая поднесущая модулируется, как будто это был прежде отдельный канал. Приемник выполняет обратный процесс, чтобы разделить поступающий сигнал на соответствующие поднесущие и затем демодулирует их отдельно перед восстановлением исходного битового потока.

Модуляция с обратным БПФ

Модуляция сигнала происходит при Обратном БПФ (IFFT) на стадии передачи. На этом этапе схема модуляции может быть выбрана абсолютно независимо от используемого канала исходя из требований. Фактически, для каждой отдельной поднесущей можно использовать различные схемы модуляции. Роль IFFT - смодулировать каждый подканал на соответствующую несущую.

Вставка циклического префикса

Так как системы радиосвязи чувствительны к многолучевым отражениям в канале, для уменьшения ISI добавляется циклический префикс. Циклический префикс - это повторение начальной части символа в конце. Это важно ещё и потому, что в результате многолучевые вклады в исходный сигнал постепенно расплываются, снижая интерференцию с последующим символом.

Преобразование параллельных потоков в последовательный

Как только циклический префикс был добавлен в каналы поднесущих, они должны быть переданы как один сигнал. Таким образом, стадия преобразования параллельных протоков в последовательный сигнал - это процесс сложения (суммирования) всех поднесущих и объединения их в один сигнал. В результате все поднесущие генерируются одновременно.

Преимущества OFDM

Ортогональное частотное мультиплексирование обычно осуществляется во многих новых протоколах связи, потому что оно дает несколько преимуществ перед традиционной FDM модуляцией. А именно, системы OFDM имеют большую спектральную эффективность, уменьшают межсимвольную интерференцию (ISI) и устойчивы к многолучевому искажению.

Спектральная эффективность

В традиционной FDM системе, каждый канал расположен с интервалом примерно в 25% от ширины канала. Это сделано, чтобы гарантировать, что соседние каналы не смешаются. Пример такой системы приведен на диаграмме ниже, которая показывает защитные полосы между отдельными каналами.

Вследствие требования к защитным полосам, необходимо чтобы скорость передачи символов (Rs) была достаточной для существования защитных полос. А именно, допускаемая пропускная способность канала (Bw) равна 2/Rs. При этом, каналы могут быть разделены в достаточной степени.

С другой стороны, в системе OFDM каналы фактически перекрываются. Как результат, возможно увеличение скорости передачи символов, и таким образом, пропускной способности для данной полосы частот. На рисунке ниже, показаны перекрывающиеся поднесущие в системе OFDM. В таком варианте, пропускная способность канала (Bw) приближается 1/Rs. Таким образом, когда число поднесущих приближается к бесконечности, OFDM системы показывают почти удвоенную спектральную эффективность.

Отметим, что в системе OFDM все еще необходимо иметь защитную полосу между отдельными каналами. Однако эффективная скорость передачи символов при использовании набора поднесущих больше чем с единственной несущей.

Отметим, что эффективное использование перекрывающихся ортогональных поднесущих требует применения циклического префикса для предотвращения межсимвольной интерференции (ISI). Поэтому некоторые из преимуществ, полученные при использовании накладывающихся поднесущих, могут быть поставлены под сомнение. Однако преимущество спектральной эффективности является настолько большим, что в системе OFDM достигается большая пропускная способность.

Уменьшение межсимвольной интерференции (ISI)

В системах с одной несущей из-за многолучевого распространения радиосигнала часто возникает межсимвольная интерференция. А именно, при передаче электромагнитной волны на большое расстояние сигнал проходит через разнообразные физические среды. В результате, принятый сигнал содержит комбинацию сигналов, распространяющихся напрямую и с отражениями. Диаграмма, показанная ниже, иллюстрирует, что при высоких скоростях передачи потока символов отраженные сигналы могут смешиваться с последующими символами.

Отраженные сигналы частично подавляются формирующим фильтром, который ослабляет начальную и конечную части периода символа. Однако, как видно из приведенного выше рисунка, эта проблема становится более существенной при высоких скоростях передачи. В этом случае отражения занимают существенную часть периода символа, поэтому межсимвольная интерференция будет существенной.

Системы OFDM снижают актуальность этой проблемы, используя сравнительно большой период символа. Кроме того, не теряется пропускная способность канала вследствие использования набора поднесущих. Ниже приводится пример временной области символов OFDM. Отметим, что в системе с OFDM модуляцией скорость передачи символов может быть уменьшена, однако при этом достигается подобная или более высокая пропускная способность.

Из рисунка видно, что время, требуемое для исключения влияния отражения, остается таким же, как и прежде. Однако, при использовании меньшей скорости потока символов, отражения сигнала составляют меньший процент от полного периода символа. Поэтому можно просто добавить защитный интервал, чтобы убрать интерференцию от отражений, сильно не уменьшая пропускную способность системы.

Коммерческое применение OFDM

Ряд распространенных коммерческих протоколов, таких как, стандарт цифрового телевидения DVB, ADSL, WiFI используют OFDM. Стандарты WiFI IEEE 802.11a и IEEE 802.11g используют методы OFDM с небольшими видоизменениями. В IEEE 802.11g каждый канал занимает полосу частот 16,25 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. Кроме того, каждый канал разделен на 52 поднесущие с интервалом 312,5 кГц. Эти поднесущие накладываются, образуя полосу 16,25 МГц. При этом каждая поднесущая может использовать уникальную схему модуляции. А именно, WiFi может использовать BPS, QPSK, 16-QAM или 64-QAM в зависимости от характеристик используемого физического канала. Один из самых новых беспроводных протоколов - WiMAX - также использует технологию OFDM.

WiMAX

WiMAX, или IEEE 802.16, является IP-протоколом, обеспечивающий беспроводной доступ в Интернет на больших расстояниях. WiMAX имеет пропускную способность до 75 Мб/с и работает в диапазонах 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 5,8 ГГц. WiMAX использует OFDM модуляцию, поэтому он более устойчив к многолучевой интерференции символов и может использоваться для передачи данных на расстояние до 45 км.

Каждый канал OFDM содержит от 128 до 2048 поднесущих и может занимать полосы частот от 1,25 МГц до 20 МГц. Для каждой из поднесущих используется BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM модуляция в зависимости от требований физического канала.

Кроме того, поднесущие в WiMAX используются для выполнения трех задач. Во-первых, - для передачи данных. Во-вторых, WiMAX использует пилотные поднесущие для оценки состояния канала и синхронизации. В-третьих, несколько поднесущих определяются как нулевые, используемые в качестве защитных полос. Расположение поднесущих показано на следующем рисунке:

Количество поднесущих, используемых в разных качествах, зависит от полосы пропускания системы. Каждая из поднесущих занимает полосу 11,16 кГц, а число используемых поднесущих определяет полную полосу частот системы.