Ортогональное частотное мультиплексирование: методы и применение.

ОФДМ: метод цифровой передачи данных по множеству частот. Применение в 4G/5G, DSL, ТВ, Wi-Fi. Основы, преимущества и история разработки технологии.

24 мин чтения

100%

Источник: Orthogonal frequency-division multiplexing — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Метод кодирования цифровых данных на множестве несущих частот

В телекоммуникациях ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) — это тип цифровой передачи, используемый в цифровой модуляции для кодирования цифровых (бинарных) данных на множестве несущих частот. OFDM стала популярной схемой широкополосной цифровой связи, применяемой в таких областях, как цифровое телевидение и радиовещание, доступ в интернет по DSL, беспроводные сети, сети по линиям электропередач и мобильная связь 4G/5G. OFDM представляет собой схему мультиплексирования с частотным разделением (FDM), предложенную Робертом В. Чангом из Bell Labs в 1966 году. Демодуляция основана на алгоритмах быстрого преобразования Фурье. Улучшение OFDM, предложенное Вайнштейном и Эбертом в 1971 году, заключалось во введении защитного интервала, обеспечивающего лучшую ортогональность в каналах передачи, подверженных многолучевому распространению. Основное преимущество OFDM перед схемами с одной несущей заключается в его способности справляться с неблагоприятными условиями канала (например, с затуханием высоких частот в длинной медной линии, узкополосными помехами и частотно-селективным затуханием, вызванным многолучевым распространением) без необходимости использования сложных эквалайзеров. Эквалайзация каналов упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов вместо одного быстро модулированного широкополосного сигнала. Низкая скорость передачи символов делает использование защитного интервала между символами экономически оправданным, что позволяет устранить межсимвольные помехи (ISI) и использовать эхо и временное растяжение (в аналоговом телевидении проявляющиеся как «призраки» и размытость соответственно) для достижения прироста разнесения, то есть улучшения отношения сигнал/шум. Этот механизм также упрощает создание одночастотных сетей (SFN), в которых несколько соседних передатчиков одновременно передают один и тот же сигнал на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут конструктивно складываться, избегая помех, характерных для традиционной системы с одной несущей. В кодированном ортогональном частотном мультиплексировании (COFDM) к передаваемому сигналу применяется коррекция прямой ошибки (с использованием свёрточного кодирования) и интерливинг по времени/частоте. Это делается для компенсации ошибок в мобильных каналах связи, подверженных многолучевому распространению и эффекту Доплера. COFDM была предложена Аларом в 1986 году для цифрового аудиовещания в рамках проекта Eureka 147. На практике OFDM используется в сочетании с такими методами кодирования и интерливинга, поэтому термины COFDM и OFDM часто применяются взаимозаменяемо к одним и тем же приложениям.

In telecommunications, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a type of digital transmission used in digital modulation for encoding digital (binary) data on multiple carrier frequencies. OFDM has developed into a popular scheme for wideband digital communication, used in applications such as digital television and audio broadcasting, DSL internet access, wireless networks, power line networks, and 4G/5G mobile communications. OFDM is a frequency division multiplexing (FDM) scheme that was introduced by Robert W. Chang of Bell Labs in 1966. Demodulation is based on fast Fourier transform algorithms. OFDM was improved by Weinstein and Ebert in 1971 with the introduction of a guard interval, providing better orthogonality in transmission channels affected by multipath propagation. The main advantage of OFDM over single carrier schemes is its ability to cope with severe channel conditions (for example, attenuation of high frequencies in a long copper wire, narrowband interference and frequency selective fading due to multipath) without the need for complex equalization filters. Channel equalization is simplified because OFDM may be viewed as using many slowly modulated narrowband signals rather than one rapidly modulated wideband signal. The low symbol rate makes the use of a guard interval between symbols affordable, making it possible to eliminate intersymbol interference (ISI) and use echoes and time spreading (in analog television visible as ghosting and blurring, respectively) to achieve a diversity gain, i. e. a signal to noise ratio improvement. This mechanism also facilitates the design of single frequency networks (SFNs) where several adjacent transmitters send the same signal simultaneously at the same frequency, as the signals from multiple distant transmitters may be re combined constructively, sparing interference of a traditional single carrier system. In coded orthogonal frequency division multiplexing (COFDM), forward error correction (convolutional coding) and time/frequency interleaving are applied to the signal being transmitted. This is done to overcome errors in mobile communication channels affected by multipath propagation and Doppler effects. COFDM was introduced by Alard in 1986 for Digital Audio Broadcasting for Eureka Project 147. In practice, OFDM has become used in combination with such coding and interleaving, so that the terms COFDM and OFDM co apply to common applications.

Примеры применения

Ниже представлен обзор существующих стандартов и продуктов, использующих ОФДМ. Более подробную информацию смотрите в разделе "Применение" в конце статьи.

Основные особенности

Перечисленные ниже преимущества и недостатки рассматриваются более подробно в разделе "Характеристики и принципы работы", представленном далее.

Ортогональность

Концептуально OFDM является специализированным методом мультиплексирования с частотным разделением (FDM) с дополнительным ограничением, что все сигналы поднесущих в канале связи ортогональны друг другу. В OFDM частоты поднесущих выбираются таким образом, чтобы поднесущие были ортогональны друг другу, что означает отсутствие перекрестных помех между подканалами и отсутствие необходимости в межнесущих защитных полосах. Это значительно упрощает конструкцию как передатчика, так и приемника; в отличие от традиционного FDM, отдельный фильтр для каждого подканала не требуется. Ортогональность требует, чтобы расстояние между поднесущими составляло Герц, где TU секунд – полезная длительность символа (размер окна на стороне приемника), а k – положительное целое число, обычно равное 1. Это означает, что каждая частота несущей совершает k полных циклов больше в течение периода символа, чем предыдущая частота несущей. Следовательно, при N поднесущих общая полоса пропускания составит B ≈ N·Δf (Гц). Ортогональность также обеспечивает высокую спектральную эффективность, при этом общая скорость передачи символов близка к скорости Найквиста для эквивалентного сигнала в базовой полосе (т.е. примерно вдвое меньше скорости Найквиста для физической полосы пропускания с двойной боковой полосой). Можно использовать почти всю доступную полосу частот. OFDM обычно имеет почти «белый» спектр, что обеспечивает благоприятные характеристики электромагнитных помех по отношению к другим пользователям одного канала. Простой пример: полезная длительность символа TU = 1 мс потребует расстояние между поднесущими (или целое кратное этому) для обеспечения ортогональности. N = 1000 поднесущих приведет к общей полосе пропускания NΔf = 1 МГц. Для этого времени символа теоретически требуемая полоса пропускания по Найквисту (половина достигнутой полосы пропускания, необходимой для нашей схемы) составляет, где R – скорость передачи битов и N = 1000 отсчетов на символ при использовании FFT. Если применяется защитный интервал (см. ниже), требование к полосе пропускания Найквиста будет еще ниже. FFT приведет к N = 1000 отсчетов на символ. Если бы защитный интервал не применялся, это привело бы к комплексному сигналу в базовой полосе с частотой дискретизации 1 МГц, что потребовало бы полосы пропускания базовой полосы 0,5 МГц согласно Найквисту. Однако радиочастотный (RF) сигнал получается путем умножения сигнала в базовой полосе на несущую волноформу (т.е. квадратурная амплитудная модуляция с двойной боковой полосой), что приводит к полосе пропускания 1 МГц. Схема модуляции с одной боковой полосой (SSB) или с остаточной боковой полосой (VSB) позволит достичь почти половины этой полосы пропускания при той же скорости передачи символов (т.е. в два раза более высокой спектральной эффективности при той же длине алфавита символов). Однако она более чувствительна к многолучевым интерференциям. OFDM требует очень точной синхронизации частоты между приемником и передатчиком; при отклонении частоты поднесущие перестанут быть ортогональными, вызывая интерференцию между поднесущими (ICI) (т.е. перекрестные помехи между поднесущими). Смещение частоты обычно вызвано несоответствием между генераторами передатчика и приемника или сдвигом Доплера из-за движения. Хотя сдвиг Доплера сам по себе может быть компенсирован приемником, ситуация ухудшается в сочетании с многолучевым распространением, поскольку отражения будут появляться при различных смещениях частоты, которые гораздо сложнее исправить. Этот эффект обычно усиливается с увеличением скорости и является важным фактором, ограничивающим использование OFDM в высокоскоростных транспортных средствах. Для снижения влияния ICI в таких сценариях можно формировать каждый поднесущий, чтобы минимизировать интерференцию, что приводит к перекрытию неортогональных поднесущих. Например, схема с низкой сложностью, называемая WCP OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing с взвешенным циклическим префиксом), состоит в использовании коротких фильтров на выходе передатчика для выполнения потенциально непрямоугольной импульсной характеристики и почти идеальной реконструкции с использованием однотаповой эквализации на поднесущую. Другие методы подавления ICI обычно значительно увеличивают сложность приемника.

Conceptually, OFDM is a specialized frequency division multiplexing (FDM) method, with the additional constraint that all subcarrier signals within a communication channel are orthogonal to one another. In OFDM, the subcarrier frequencies are chosen so that the subcarriers are orthogonal to each other, meaning that crosstalk between the sub channels is eliminated and inter carrier guard bands are not required. This greatly simplifies the design of both the transmitter and the receiver; unlike conventional FDM, a separate filter for each sub channel is not required. The orthogonality requires that the subcarrier spacing is Hertz, where TU seconds is the useful symbol duration (the receiver side window size), and k is a positive integer, typically equal to 1. This stipulates that each carrier frequency undergoes k more complete cycles per symbol period than the previous carrier. Therefore, with N subcarriers, the total passband bandwidth will be B ≈ N·Δf (Hz). The orthogonality also allows high spectral efficiency, with a total symbol rate near the Nyquist rate for the equivalent baseband signal (i. e., near half the Nyquist rate for the double side band physical passband signal). Almost the whole available frequency band can be used. OFDM generally has a nearly 'white' spectrum, giving it benign electromagnetic interference properties with respect to other co channel users. A simple example: A useful symbol duration TU = 1 ms would require a subcarrier spacing of (or an integer multiple of that) for orthogonality. N = 1,000 subcarriers would result in a total passband bandwidth of NΔf = 1 MHz. For this symbol time, the required bandwidth in theory according to Nyquist is (half of the achieved bandwidth required by our scheme), where R is the bit rate and where N = 1,000 samples per symbol by FFT. If a guard interval is applied (see below), Nyquist bandwidth requirement would be even lower. The FFT would result in N = 1,000 samples per symbol. If no guard interval was applied, this would result in a base band complex valued signal with a sample rate of 1 MHz, which would require a baseband bandwidth of 0.5 MHz according to Nyquist. However, the passband RF signal is produced by multiplying the baseband signal with a carrier waveform (i. e., double sideband quadrature amplitude modulation) resulting in a passband bandwidth of 1 MHz. A single side band (SSB) or vestigial sideband (VSB) modulation scheme would achieve almost half that bandwidth for the same symbol rate (i. e., twice as high spectral efficiency for the same symbol alphabet length). It is however more sensitive to multipath interference. OFDM requires very accurate frequency synchronization between the receiver and the transmitter; with frequency deviation the subcarriers will no longer be orthogonal, causing inter carrier interference (ICI) (i. e., cross talk between the subcarriers). Frequency offsets are typically caused by mismatched transmitter and receiver oscillators, or by Doppler shift due to movement. While Doppler shift alone may be compensated for by the receiver, the situation is worsened when combined with multipath, as reflections will appear at various frequency offsets, which is much harder to correct. This effect typically worsens as speed increases, and is an important factor limiting the use of OFDM in high speed vehicles. In order to mitigate ICI in such scenarios, one can shape each subcarrier in order to minimize the interference resulting in a non orthogonal subcarriers overlapping. For example, a low complexity scheme referred to as WCP OFDM (Weighted Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) consists of using short filters at the transmitter output in order to perform a potentially non rectangular pulse shaping and a near perfect reconstruction using a single tap per subcarrier equalization. Other ICI suppression techniques usually drastically increase the receiver complexity.

Реализация с использованием алгоритма FFT

Ортогональность позволяет эффективно реализовать модулятор и демодулятор с использованием алгоритма FFT на стороне приемника и обратного FFT на стороне передатчика. Хотя принципы и некоторые преимущества были известны с 1960-х годов, OFDM стал популярен для широкополосной связи сегодня благодаря доступным цифровым компонентам обработки сигналов, эффективно вычисляющим FFT. Время вычисления обратного FFT или FFT должно быть меньше времени, выделяемого на каждый символ; например, для DVB-T (FFT 8k) это означает, что вычисление должно быть выполнено за 896 мкс или меньше. Для FFT с N точками это можно приблизительно оценить следующим образом: Intel Pentium M с частотой 1,6 ГГц выполняет это за 387 мкс, а Intel Core Duo с частотой 3,0 ГГц – за 96,8 мкс.

Охранный интервал для устранения интерсимвольной интерференции

Один из ключевых принципов OFDM заключается в том, что поскольку схемы модуляции с низкой скоростью передачи символов (то есть, где символы относительно длинные по сравнению с характеристиками времени канала) меньше подвержены межсимвольной интерференции, вызванной многолучевым распространением, выгодно передавать несколько потоков с низкой скоростью параллельно, вместо одного потока с высокой скоростью. Поскольку длительность каждого символа велика, возможно вставить защитный интервал между символами OFDM, тем самым устраняя межсимвольную интерференцию. Защитный интервал также устраняет необходимость в фильтре формирования импульса и снижает чувствительность к проблемам временной синхронизации. Простой пример: если передавать миллион символов в секунду с использованием обычной однонесущей модуляции по беспроводному каналу, то длительность каждого символа составит одну микросекунду или меньше. Это накладывает серьезные ограничения на синхронизацию и требует подавления многолучевых помех. Если те же миллион символов в секунду распределить по тысяче подканалов, то длительность каждого символа может быть увеличена в тысячу раз (то есть, до одной миллисекунды) для обеспечения ортогональности при примерно той же полосе пропускания. Предположим, что между каждым символом вставлен защитный интервал длиной в 1/8 длительности символа. Межсимвольной интерференции можно избежать, если время многолучевого распространения (время между приемом первого и последнего отраженного сигнала) меньше, чем защитный интервал (то есть, 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37,5 километров между длинами путей распространения. Циклический префикс, передаваемый в течение защитного интервала, состоит из копии конца символа OFDM, вставленной в защитный интервал, после чего передается сам символ OFDM. Защитный интервал состоит из копии конца символа OFDM для того, чтобы приемник при выполнении демодуляции OFDM с помощью FFT интегрировал целое число циклов синусоиды для каждого из многолучевых сигналов. В некоторых стандартах, таких как ультраширокополосный, для экономии передаваемой мощности циклический префикс пропускается, и в течение защитного интервала ничего не передается. В этом случае приемнику необходимо будет эмулировать функциональность циклического префикса, копируя конечную часть символа OFDM и добавляя ее к начальной части.

One key principle of OFDM is that since low symbol rate modulation schemes (i. e., where the symbols are relatively long compared to the channel time characteristics) suffer less from intersymbol interference caused by multipath propagation, it is advantageous to transmit a number of low rate streams in parallel instead of a single high rate stream. Since the duration of each symbol is long, it is feasible to insert a guard interval between the OFDM symbols, thus eliminating the intersymbol interference. The guard interval also eliminates the need for a pulse shaping filter, and it reduces the sensitivity to time synchronization problems. A simple example: If one sends a million symbols per second using conventional single carrier modulation over a wireless channel, then the duration of each symbol would be one microsecond or less. This imposes severe constraints on synchronization and necessitates the removal of multipath interference. If the same million symbols per second are spread among one thousand sub channels, the duration of each symbol can be longer by a factor of a thousand (i. e., one millisecond) for orthogonality with approximately the same bandwidth. Assume that a guard interval of 1/8 of the symbol length is inserted between each symbol. Intersymbol interference can be avoided if the multipath time spreading (the time between the reception of the first and the last echo) is shorter than the guard interval (i. e., 125 microseconds). This corresponds to a maximum difference of 37.5 kilometers between the lengths of the paths. The cyclic prefix, which is transmitted during the guard interval, consists of the end of the OFDM symbol copied into the guard interval, and the guard interval is transmitted followed by the OFDM symbol. The reason that the guard interval consists of a copy of the end of the OFDM symbol is so that the receiver will integrate over an integer number of sinusoid cycles for each of the multipaths when it performs OFDM demodulation with the FFT. In some standards such as Ultrawideband, in the interest of transmitted power, cyclic prefix is skipped and nothing is sent during the guard interval. The receiver will then have to mimic the cyclic prefix functionality by copying the end part of the OFDM symbol and adding it to the beginning portion.

Упрощенное выравнивание

Эффекты частотно-селективных условий канала, например, затухание, вызванное многолучевым распространением, можно рассматривать как постоянные (плоские) для подканала OFDM, если подканал имеет достаточно узкую полосу пропускания (т.е. если количество подканалов достаточно велико). Это делает возможным частотную эквализацию на приемнике, что значительно проще, чем временную эквализацию, используемую в традиционной однонесущей модуляции. В OFDM эквалайзеру достаточно умножать каждый обнаруженный поднесущий (каждый коэффициент Фурье) в каждом символе OFDM на постоянное комплексное число или редко изменяющееся значение. В основе своей, более простые цифровые эквалайзеры предпочтительнее, поскольку они требуют меньше операций, что приводит к меньшему количеству ошибок округления в эквалайзере. Эти ошибки округления можно рассматривать как числовой шум и они неизбежны. Например, эквализация OFDM в приведенном выше числовом примере потребует одного комплексного умножения на поднесущий и символ (т.е. комплексных умножений на символ OFDM; т.е. одного миллиона умножений в секунду на приемнике). Алгоритм FFT требует [это неточно: более половины этих комплексных умножений тривиальны, т.е. равны 1 и не реализуются в программном обеспечении или аппаратуре]. комплексных умножений на символ OFDM (т.е. 10 миллионов умножений в секунду) как на стороне приемника, так и на стороне передатчика. Это следует сравнить с соответствующим случаем однонесущей модуляции на миллион символов в секунду, упомянутым в примере, где эквализация временного разброса в 125 микросекунд с использованием FIR-фильтра в наивной реализации потребует 125 умножений на символ (т.е. 125 миллионов умножений в секунду). Методы FFT могут быть использованы для уменьшения количества умножений для временного эквалайзера на основе FIR-фильтра до значения, сопоставимого с OFDM, за счет задержки между приемом и декодированием, которая также становится сопоставимой с OFDM. Если к каждой поднесущей применяется дифференциальная модуляция, такая как DPSK или DQPSK, эквализацию можно полностью исключить, поскольку эти некогерентные схемы нечувствительны к медленно изменяющимся амплитудным и фазовым искажениям. В определенном смысле, улучшения в FIR-эквалайзерах с использованием FFT или частичных FFT математически приближают к OFDM, но метод OFDM легче понять и реализовать, а подканалы могут быть независимо адаптированы другими способами, чем изменение коэффициентов эквализации, например, переключением между различными созвездиями QAM и схемами коррекции ошибок для соответствия индивидуальным характеристикам шума и помех подканалов. Некоторые из поднесущих в некоторых символах OFDM могут нести пилотные сигналы для измерения условий канала (т.е. коэффициента усиления эквалайзера и фазового сдвига для каждого поднесущего). Пилотные сигналы и обучающие символы (преамбулы) также могут использоваться для временной синхронизации (для предотвращения межсимвольной интерференции, ISI) и частотной синхронизации (для предотвращения межнесущей интерференции, ICI, вызванной эффектом Доплера). OFDM изначально использовался для проводных и стационарных беспроводных коммуникаций. Однако, с увеличением числа приложений, работающих в высокомобильных средах, эффект дисперсионного затухания, вызванного комбинацией многолучевого распространения и сдвига Доплера, становится более значительным. В течение последнего десятилетия проводились исследования по эквализации передачи OFDM по двойным селективным каналам.

The effects of frequency selective channel conditions, for example fading caused by multipath propagation, can be considered as constant (flat) over an OFDM sub channel if the sub channel is sufficiently narrow banded (i. e., if the number of sub channels is sufficiently large). This makes frequency domain equalization possible at the receiver, which is far simpler than the time domain equalization used in conventional single carrier modulation. In OFDM, the equalizer only has to multiply each detected subcarrier (each Fourier coefficient) in each OFDM symbol by a constant complex number, or a rarely changed value. On a fundamental level, simpler digital equalizers are better because they require fewer operations, which translates to fewer round off errors in the equalizer. Those round off errors can be viewed as numerical noise and are inevitable. Our example: The OFDM equalization in the above numerical example would require one complex valued multiplication per subcarrier and symbol (i. e., complex multiplications per OFDM symbol; i. e., one million multiplications per second, at the receiver). The FFT algorithm requires [this is imprecise: over half of these complex multiplications are trivial, i. e. = to 1 and are not implemented in software or HW]. complex valued multiplications per OFDM symbol (i. e., 10 million multiplications per second), at both the receiver and transmitter side. This should be compared with the corresponding one million symbols/second single carrier modulation case mentioned in the example, where the equalization of 125 microseconds time spreading using a FIR filter would require, in a naive implementation, 125 multiplications per symbol (i. e., 125 million multiplications per second). FFT techniques can be used to reduce the number of multiplications for an FIR filter based time domain equalizer to a number comparable with OFDM, at the cost of delay between reception and decoding which also becomes comparable with OFDM. If differential modulation such as DPSK or DQPSK is applied to each subcarrier, equalization can be completely omitted, since these non coherent schemes are insensitive to slowly changing amplitude and phase distortion. In a sense, improvements in FIR equalization using FFTs or partial FFTs leads mathematically closer to OFDM, but the OFDM technique is easier to understand and implement, and the sub channels can be independently adapted in other ways than varying equalization coefficients, such as switching between different QAM constellation patterns and error correction schemes to match individual sub channel noise and interference characteristics. Some of the subcarriers in some of the OFDM symbols may carry pilot signals for measurement of the channel conditions (i. e., the equalizer gain and phase shift for each subcarrier). Pilot signals and training symbols (preambles) may also be used for time synchronization (to avoid intersymbol interference, ISI) and frequency synchronization (to avoid inter carrier interference, ICI, caused by Doppler shift). OFDM was initially used for wired and stationary wireless communications. However, with an increasing number of applications operating in highly mobile environments, the effect of dispersive fading caused by a combination of multi path propagation and doppler shift is more significant. Over the last decade, research has been done on how to equalize OFDM transmission over doubly selective channels.

Кодирование каналов и переплетание

OFDM неизменно используется в сочетании с кодированием каналов (коррекция прямых ошибок) и почти всегда использует частотное и/или временное интерливинг. Частотное (поднесущих) интерливинг повышает устойчивость к условиям частотно-селективного канала, таким как затухание. Например, если часть полосы пропускания канала подвержена затуханию, частотное интерливинг обеспечивает распределение битовых ошибок, которые могли бы возникнуть из-за этих поднесущих в затухающей части полосы, по всему битовому потоку, а не их концентрацию. Аналогично, временное интерливинг гарантирует, что биты, изначально близкие друг к другу в битовом потоке, передаются на значительном временном расстоянии друг от друга, тем самым снижая влияние сильного затухания, которое может возникнуть при движении на высокой скорости. Однако временное интерливинг малоэффективно в медленно затухающих каналах, например, при стационарном приеме, а частотное интерливинг практически не дает преимуществ для узкополосных каналов, страдающих от плоского затухания (когда затухает вся полоса пропускания канала одновременно). Интерливинг используется в OFDM для попытки распределить ошибки по битовому потоку, поступающему на декодер коррекции ошибок, поскольку при высокой концентрации ошибок декодер не может исправить все битовые ошибки, что приводит к всплеску неисправленных ошибок. Подобная схема кодирования аудиоданных обеспечивает надежное воспроизведение компакт-дисков (CD). Классическим типом кодирования коррекции ошибок, используемым в системах на основе OFDM, является сверточное кодирование, часто каскадированное с кодированием Рида-Соломона. Обычно между двумя слоями кодирования дополнительно реализуется интерливинг (в дополнение к временному и частотному интерливингу, упомянутому выше). Выбор кодирования Рида-Соломона в качестве внешнего кода коррекции ошибок обусловлен тем, что декодер Витерби, используемый для внутреннего сверточного декодирования, генерирует короткие всплески ошибок при высокой концентрации ошибок, а коды Рида-Соломона изначально хорошо подходят для коррекции всплесков ошибок. Однако новые системы обычно используют почти оптимальные типы кодов коррекции ошибок, основанные на принципе турбо-декодирования, где декодер итеративно приближается к желаемому решению. Примеры таких типов кодирования коррекции ошибок включают турбо-коды и коды LDPC, которые обеспечивают производительность, близкую к пределу Шеннона для канала аддитивного белого гауссовского шума (AWGN). Некоторые системы, реализовавшие эти коды, каскадировали их с кодами Рида-Соломона (например, в системе MediaFLO) или кодами BCH (в системе DVB S2) для улучшения характеристик, связанных с порогом ошибок этих кодов при высоком отношении сигнал/шум.

OFDM is invariably used in conjunction with channel coding (forward error correction), and almost always uses frequency and/or time interleaving. Frequency (subcarrier) interleaving increases resistance to frequency selective channel conditions such as fading. For example, when a part of the channel bandwidth fades, frequency interleaving ensures that the bit errors that would result from those subcarriers in the faded part of the bandwidth are spread out in the bit stream rather than being concentrated. Similarly, time interleaving ensures that bits that are originally close together in the bit stream are transmitted far apart in time, thus mitigating against severe fading as would happen when travelling at high speed. However, time interleaving is of little benefit in slowly fading channels, such as for stationary reception, and frequency interleaving offers little to no benefit for narrowband channels that suffer from flat fading (where the whole channel bandwidth fades at the same time). The reason why interleaving is used on OFDM is to attempt to spread the errors out in the bit stream that is presented to the error correction decoder, because when such decoders are presented with a high concentration of errors the decoder is unable to correct all the bit errors, and a burst of uncorrected errors occurs. A similar design of audio data encoding makes compact disc (CD) playback robust. A classical type of error correction coding used with OFDM based systems is convolutional coding, often concatenated with Reed Solomon coding. Usually, additional interleaving (on top of the time and frequency interleaving mentioned above) in between the two layers of coding is implemented. The choice for Reed Solomon coding as the outer error correction code is based on the observation that the Viterbi decoder used for inner convolutional decoding produces short error bursts when there is a high concentration of errors, and Reed Solomon codes are inherently well suited to correcting bursts of errors. Newer systems, however, usually now adopt near optimal types of error correction codes that use the turbo decoding principle, where the decoder iterates towards the desired solution. Examples of such error correction coding types include turbo codes and LDPC codes, which perform close to the Shannon limit for the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel. Some systems that have implemented these codes have concatenated them with either Reed Solomon (for example on the MediaFLO system) or BCH codes (on the DVB S2 system) to improve upon an error floor inherent to these codes at high signal to noise ratios.

Адаптируемая передача

Устойчивость к сложным условиям канала может быть дополнительно повышена, если информация о канале передается по каналу обратной связи. На основе этой информации об обратной связи адаптивная модуляция, кодирование каналов и распределение мощности могут применяться ко всем поднесущим или индивидуально к каждой поднесущей. В последнем случае, если определенный частотный диапазон подвержен воздействию помех или затуханию, поднесущие в этом диапазоне могут быть отключены или работать с меньшей скоростью за счет применения более устойчивой модуляции или кодирования коррекции ошибок к этим поднесущим. Термин "дискретная многотоновая модуляция" (DMT) обозначает системы связи на основе OFDM, которые адаптируют передачу к условиям канала индивидуально для каждой поднесущей посредством так называемой загрузки битами. Примерами служат ADSL и VDSL. Скорость передачи данных в восходящем и нисходящем направлениях может изменяться путем выделения большего или меньшего количества поднесущих для каждой цели. Некоторые формы DSL с адаптивной скоростью используют эту функцию в реальном времени, чтобы адаптировать битрейт к помехам в общем канале, а пропускная способность распределяется тем абонентам, которые в ней больше всего нуждаются.

Расширенный OFDM с многократным доступом

OFDM в своей первичной форме рассматривается как метод цифровой модуляции, а не метод множественного доступа с разделением каналов, поскольку он используется для передачи одного потока данных по одному каналу связи с использованием одной последовательности символов OFDM. Однако OFDM может быть объединен с множественным доступом, используя разделение пользователей по времени, частоте или кодированию. В ортогональном частотном множественном доступе (OFDMA) множественный доступ с разделением по частоте достигается путем назначения различных подканалов OFDM различным пользователям. OFDMA поддерживает дифференцированное качество обслуживания, назначая разное количество поднесущих различным пользователям аналогичным образом, как в CDMA, и таким образом можно избежать сложных схем планирования пакетов или управления доступом к среде. OFDMA используется в:
режиме мобильности стандарта IEEE 802.16 Wireless MAN, обычно называемом WiMAX,
стандарте IEEE 802.20 Mobile Wireless MAN, обычно называемом MBWA,
нисходящем канале мобильного широкополосного стандарта четвертого поколения 3GPP Long Term Evolution (LTE). Радиоинтерфейс ранее назывался High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), теперь называется Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA).
нисходящем и восходящем каналах стандарта мобильной сети пятого поколения 3GPP 5G NR (New Radio). 5G NR является преемником LTE.
ныне не существующем проекте Qualcomm/3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), который планировался как преемник CDMA2000, но был заменен LTE.
OFDMA также является одним из рассматриваемых методов доступа для IEEE 802.22 Wireless Regional Area Networks (WRAN). Целью проекта является разработка первого стандарта когнитивного радио, работающего в диапазоне ВЧ и низкой ЧВЧ (телевизионном диапазоне).
последняя редакция стандарта 802.11, а именно 802.11ax, включает OFDMA для повышения эффективности и одновременной связи.
В многонесущем кодовом множественном доступе (MC-CDMA), также известном как OFDM CDMA, OFDM комбинируется с широкополосной связью CDMA с кодовым разделением для разделения пользователей по коду. Возможно снижение влияния коканальной интерференции, что упрощает планирование частот с использованием фиксированного распределения каналов (FCA) или позволяет избежать сложных схем динамического распределения каналов (DCA).

OFDM in its primary form is considered as a digital modulation technique, and not a multi user channel access method, since it is used for transferring one bit stream over one communication channel using one sequence of OFDM symbols. However, OFDM can be combined with multiple access using time, frequency or coding separation of the users. In orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), frequency division multiple access is achieved by assigning different OFDM sub channels to different users. OFDMA supports differentiated quality of service by assigning different number of subcarriers to different users in a similar fashion as in CDMA, and thus complex packet scheduling or medium access control schemes can be avoided. OFDMA is used in:
the mobility mode of the IEEE 802.16 Wireless MAN standard, commonly referred to as WiMAX,
the IEEE 802.20 mobile Wireless MAN standard, commonly referred to as MBWA,
the 3GPP Long Term Evolution (LTE) fourth generation mobile broadband standard downlink. The radio interface was formerly named High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), now named Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E UTRA). the 3GPP 5G NR (New Radio) fifth generation mobile network standard downlink and uplink. 5G NR is the successor to LTE. the now defunct Qualcomm/3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB) project, intended as a successor of CDMA2000, but replaced by LTE. OFDMA is also a candidate access method for the IEEE 802.22 Wireless Regional Area Networks (WRAN). The project aims at designing the first cognitive radio based standard operating in the VHF low UHF spectrum (TV spectrum). the most recent amendment of 802.11 standard, namely 802.11ax, includes OFDMA for high efficiency and simultaneous communication. In multi carrier code division multiple access (MC CDMA), also known as OFDM CDMA, OFDM is combined with CDMA spread spectrum communication for coding separation of the users. Co channel interference can be mitigated, meaning that manual fixed channel allocation (FCA) frequency planning is simplified, or complex dynamic channel allocation (DCA) schemes are avoided.

Разнообразие пространства

В широкополосном вещании на основе OFDM приемники могут извлекать выгоду из одновременного приема сигналов от нескольких пространственно разнесенных передатчиков, поскольку передатчики будут деструктивно взаимодействовать друг с другом лишь на ограниченном числе поднесущих, в то время как в целом они фактически расширят зону покрытия на большой территории. Это особенно выгодно во многих странах, поскольку позволяет использовать национальные одночастотные сети (SFN), в которых множество передатчиков одновременно передают один и тот же сигнал на одной и той же частоте канала. SFN более эффективно используют доступный спектр, чем традиционные многочастотные сети вещания (MFN), где программный контент дублируется на различных несущих частотах. SFN также обеспечивают прирост устойчивости в приемниках, расположенных посередине между передатчиками. Зона покрытия увеличивается, а вероятность пропадания сигнала снижается по сравнению с MFN благодаря увеличению средней мощности принимаемого сигнала по всем поднесущим. Хотя защитный интервал содержит только избыточные данные, что снижает пропускную способность, некоторые системы на основе OFDM, такие как некоторые системы вещания, намеренно используют длинный защитный интервал, чтобы обеспечить большее расстояние между передатчиками в SFN, а более длинные защитные интервалы позволяют увеличить размер ячеек SFN. Ориентировочно, максимальное расстояние между передатчиками в SFN равно расстоянию, которое сигнал проходит за время защитного интервала — например, защитный интервал в 200 микросекунд позволит разместить передатчики на расстоянии 60 км друг от друга. Одночастотная сеть является формой макроразнообразия передатчиков. Эта концепция может быть расширена до динамических одночастотных сетей (DSFN), где группировка SFN изменяется от временного слота к временному слоту. OFDM может быть объединен с другими видами пространственного разнообразия, например, с антенными решетками и каналами MIMO. Это реализовано в стандартах IEEE 802.11 Wireless LAN.

Сравнение эффективности между одноносителем и многоносителем

Производительность любой системы связи может быть измерена с точки зрения её энергоэффективности и спектральной эффективности. Энергоэффективность описывает способность системы связи поддерживать заданный уровень битовой ошибки (BER) передаваемого сигнала при низких уровнях мощности. Спектральная эффективность отражает, насколько эффективно используется выделенная полоса пропускания, и определяется как скорость передачи данных в битах в секунду на герц (бит/с/Гц) в заданной полосе пропускания. Если используется большое количество поднесущих, спектральная эффективность многонесущей системы, такой как OFDM, при использовании оптического волокна, определяется как:

где – скорость символов в гигасимволах в секунду (Gsps), – полоса пропускания сигнала OFDM, а фактор 2 обусловлен двумя состояниями поляризации в волокне. Использование многонесущей модуляции с ортогональным частотным мультиплексированием позволяет экономить полосу пропускания. Таким образом, полоса пропускания для многонесущей системы меньше, чем для однонесущей, и, следовательно, спектральная эффективность многонесущей системы выше, чем однонесущей. № п/п Тип передачи M в M QAM Кол-во поднесущих Битрейт Длина волокна Принятая мощность при BER 10−9 Спектральная эффективность 1 Однонесущая 64 1 10 Гбит/с 20 км −37,3 дБм 6,0000 2 Многонесущая 64 128 10 Гбит/с 20 км −36,3 дБм 10,6022

Наблюдается увеличение мощности приемника всего на 1 дБ, но при этом достигается улучшение спектральной эффективности на 76,7% благодаря использованию технологии многонесущей передачи.

Идеализированная модель системы

В данном разделе описывается простая идеализированная модель системы OFDM, пригодная для канала AWGN, не изменяющегося во времени.

Передатчик

Сигнал несущей OFDM представляет собой сумму множества ортогональных поднесущих, при этом данные базовой полосы на каждой поднесущей модулируются независимо, как правило, с использованием какого-либо типа квадратурной амплитудной модуляции (QAM) или фазовой манипуляции (PSK). Этот составной сигнал базовой полосы обычно используется для модуляции основной радиочастотной несущей. Исходные данные представляют собой последовательный поток двоичных цифр. При обратном мультиплексировании они сначала демультиплексируются в параллельные потоки, и каждый из них отображается на (возможно, комплексный) символьный поток с использованием определенного созвездия модуляции (QAM, PSK и т.д.). Следует отметить, что созвездия могут быть различными, поэтому некоторые потоки могут иметь более высокую скорость передачи данных, чем другие. Для каждого набора символов вычисляется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ), в результате чего получается набор комплексных отсчетов во временной области. Затем эти отсчеты подвергаются квадратурному смешению для перехода в полосу пропускания стандартным способом. Действительные и мнимые компоненты сначала преобразуются в аналоговую область с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинусоидальных и синусоидальных волн на частоте несущей, соответственно. Затем эти сигналы суммируются для получения передаваемого сигнала.

Приемник

Приемник принимает сигнал, который затем подвергается квадратурному смешению в базовую полосу с использованием косинусоидальных и синусоидальных волн на частоте несущей. Это также создает сигналы, центрированные на , поэтому для их подавления используются фильтры нижних частот. Сигналы базовой полосы затем дискретизируются и оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а прямое преобразование Фурье (FFT) используется для возврата в частотную область. Это формирует параллельные потоки, каждый из которых преобразуется в двоичный поток с помощью соответствующего детектора символов. Затем эти потоки вновь объединяются в последовательный поток, являющийся оценкой исходного двоичного потока на передатчике.

Технология линий электропередач

OFDM используется многими устройствами Powerline для расширения цифровых соединений посредством электропроводки. Адаптивная модуляция особенно важна для такого зашумленного канала, как электрическая проводка. Некоторые модемы для интеллектуального учета электроэнергии средней скорости, "Prime" и "G3", используют OFDM на умеренных частотах (30–100 кГц) с умеренным количеством каналов (несколько сотен) для преодоления межсимвольных помех в среде линий электропередач. Стандарты IEEE 1901 включают два несовместимых физических уровня, которые оба используют OFDM. Стандарт ITU-T G.hn, обеспечивающий высокоскоростную локальную сеть через существующую домашнюю проводку (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели), основан на физическом уровне PHY, который определяет OFDM с адаптивной модуляцией и кодом коррекции ошибок LDPC (Low Density Parity Check). Аналогичный стандарт был разработан и кодифицирован проектом DVB (Digital Video Broadcasting) – цифровое видеовещание; структура кадров, кодирование каналов и модуляция для цифрового наземного телевидения. Обычно называемый DVB-T, стандарт предусматривает исключительное использование COFDM для модуляции. DVB-T широко используется в Европе и других странах для наземного цифрового телевидения.

СДАРС

Наземные сегменты цифровой аудиорадиослужбы (SDARS), используемые XM Satellite Radio и Sirius Satellite Radio, передаются с использованием кодированного OFDM (COFDM). Слово "кодированный" происходит от использования прямой коррекции ошибок (FEC). Однако в ноябре 2017 года FCC одобрила добровольный переход на ATSC 3.0 – новый стандарт вещания, основанный на COFDM. В отличие от первого перехода на цифровое телевидение в Америке, телеканалам не будут выделяться отдельные частоты для передачи ATSC 3.0, и они не обязаны переходить на ATSC 3.0 к какому-либо сроку. Телевизоры, продаваемые в США, также не обязаны поддерживать настройку ATSC 3.0. Полностью функционирующим телевизионным станциям разрешено переходить на ATSC 3.0 при условии, что они продолжают обеспечивать доступность своего основного канала посредством соглашения о совместном вещании с другой станцией на том же рынке (с сопоставимой зоной покрытия) как минимум до ноября 2022 года. Одним из ключевых преимуществ COFDM является обеспечение относительной устойчивости радиовещания к многолучевым искажениям и затуханию сигнала, вызванным атмосферными условиями или пролетающими воздушными судами. Сторонники COFDM утверждают, что он значительно лучше сопротивляется многолучевому распространению, чем 8VSB. Ранние приемники 8VSB DTV (цифрового телевидения) часто испытывали трудности с приемом сигнала. Кроме того, COFDM позволяет создавать сети с одной частотой, что невозможно с 8VSB. Однако более новые приемники 8VSB гораздо лучше справляются с многолучевым распространением, поэтому разница в производительности может уменьшиться по мере совершенствования конструкции эквалайзеров.

Цифровая радиостанция

COFDM также используется в других радиостандартах, в частности в цифровом аудиовещании (DAB) – стандарте цифрового аудиовещания на частотах VHF, в Digital Radio Mondiale (DRM) – стандарте цифрового вещания на коротких и средних волнах (ниже 30 МГц), и в DRM+ – более новом стандарте цифрового аудиовещания на частотах VHF (30–174 МГц).

В Соединенных Штатах вновь используется альтернативный стандарт – запатентованная система, разработанная компанией iBiquity, под названием HD Radio. Однако в ней COFDM применяется в качестве основной технологии вещания для добавления цифрового аудио к AM (средневолновому) и FM-вещанию. И Digital Radio Mondiale, и HD Radio классифицируются как системы передачи в полосе частот, в отличие от Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting), которая использует отдельные частотные диапазоны VHF или UHF.

BST-OFDM используется в ISDB

Система сегментированной передачи ортогонального частотного мультиплексирования (BST OFDM), предлагаемая для Японии (в системах вещания ISDB-T, ISDB-TSB и ISDB-C), улучшает COFDM за счет использования того факта, что некоторые несущие OFDM могут быть модулированы иначе, чем другие в пределах одного мультиплекса. Некоторые варианты COFDM уже предлагают подобную иерархическую модуляцию, однако BST OFDM предназначена для обеспечения большей гибкости. Таким образом, телевизионный канал шириной 6 МГц может быть "сегментирован", при этом различные сегменты могут быть модулированы по-разному и использоваться для различных сервисов. Например, можно передавать аудиосервис по сегменту, включающему группу несущих, сервис передачи данных – по другому сегменту, а телевизионный сервис – по еще одному сегменту, и все это в пределах одного и того же 6-мегагерцового телевизионного канала. Более того, эти сегменты могут быть модулированы с различными параметрами, например, аудио- и сервисы передачи данных могут быть оптимизированы для мобильного приема, а телевизионный сервис – для стационарного приема в условиях сильного многолучевого распространения.

Ультраширокополосная связь

Технология беспроводных персональных сетей сверхширокополосного диапазона (UWB) также может использовать OFDM, например, в многополосном OFDM (MB OFDM). Эта спецификация UWB продвигается альянсом WiMedia Alliance (ранее продвигалась альянсами Multiband OFDM Alliance [MBOA] и WiMedia Alliance, но теперь они объединились) и является одним из конкурирующих радиоинтерфейсов UWB.

Flash-OFDM

Быстрый доступ с низкой задержкой и бесшовной передачей ортогонального частотного мультиплексирования (Flash OFDM), также известный как F OFDM, был основан на OFDM и также определял более высокие уровни протокола. Он был разработан компанией Flarion и приобретен компанией Qualcomm в январе 2006 года. Flash OFDM позиционировался как пакетный сотовый канал связи, конкурирующий с сетями GSM и 3G. Например, частотные диапазоны 450 МГц, ранее использовавшиеся NMT 450 и C Net C450 (обе аналоговые сети 1G, в настоящее время в основном выведенные из эксплуатации) в Европе, лицензируются операторам Flash OFDM. В Финляндии обладатель лицензии Digita начала развертывание общенациональной беспроводной сети "@450" в некоторых частях страны с апреля 2007 года. В 2011 году компания была приобретена Datame. В феврале 2012 года Datame объявила о модернизации сети 450 МГц до конкурирующей технологии CDMA2000. Slovak Telekom в Словакии предлагает соединения Flash OFDM с максимальной нисходящей скоростью 5,3 Мбит/с и максимальной восходящей скоростью 1,8 Мбит/с, обеспечивая покрытие более 70% населения Словакии. Сеть Flash OFDM была отключена в большинстве районов Словакии 30 сентября 2015 года. T-Mobile Germany использовала Flash OFDM для организации обратного канала связи для точек доступа Wi-Fi на высокоскоростных поездах ICE Deutsche Bahn в период с 2005 по 2015 год, пока не перешла на UMTS и LTE. Американский оператор беспроводной связи Nextel Communications провел полевые испытания технологий беспроводной широкополосной связи, включая Flash OFDM, в 2005 году. Sprint приобрела оператора в 2006 году и решила развернуть мобильную версию WiMAX, основанную на технологии Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access (SOFDMA). В марте 2006 года компания Citizens Telephone Cooperative запустила услугу мобильной широкополосной связи на основе технологии Flash OFDM для абонентов в некоторых частях Вирджинии. Максимальная доступная скорость составляла 1,5 Мбит/с. Услуга была прекращена 30 апреля 2009 года.