Ofdm – Orthogonal Frequency Division Multiplexing мультиплексирование с ортогональным частотным разделением

Сигнал ОFDM организован в виде кадров (фреймов). Каждый кадр содержит 68 символов, пронумерованных от 0 до 67. Каждый символ OFDM состоит из К модулированных поднесущих, образующих ячейки с частотно-временной структурой. Общая длительность ОFDM-символа Т_S складывается из полезной части Т_U и защитного интервала (ЗИ) Т_G .

Важным свойством технологии СОFDM является то, что передача информации осуществляется по большому числу параллельных каналов на К 1 поднесущих, каждая из которых модулируется независимо низкоскоростным цифровым потоком. Для передачи сигналов по каналу связи осуществляется удлинение сигнального символа за счет введения ЗИ (циклического префикса), который представляет собой копию (циклическое повторение) последней части полезного интервала длительностью Т_U и вставляется перед его началом. Длительность ЗИ у символов, передаваемых на каждой поднесущей выбирается так, чтобы выполнялось условие Т_G >Т_max. Такое циклическое расширение сигнала во временной области позволяет в определенных пределах устранить помехи, вызываемые эхо-сигналами.

На рисунке показан сигнальный символ длительностью Т_S = Т_U + Т_G. Часть отсчетов символа, расположенных на защитном интервале длительностью Т_G в его конце, вставляется в начало перед отсчетами, взятыми на полезном интервале символа Т_U.

При таком способе введения защитного интервала сохраняется ортогональность поднесущих на интервале времени Т_U, независимо от того, какое положение он занимает на интервале Т_S удлиненного сигнального символа.

Формирование защитного интервала в ОFDM-сигнале

На рис. 1.6 показаны временные интервалы для основного сигнала и двух его эхосигналов. Задержка эхо-сигнала 1 находится в допустимых пределах и переходные процессы из-за стыка двух символов приходятся на защитный интервал основного сигнала, не искажая его полезную часть. Задержка эхо-сигнала 2 превышает защитный интервал (Т_max>Т_G). Вследствие этого при обработке принимаемого на каждой поднесущей сигнала возникнут МСИ из-за воздействия на прием предшествующей посылки, переданной на той же поднесущей. При этом, что весьма существенно, возникают переходные помехи между поднесущими, так как на интервале длительностью Т_U нарушается ортогональность сигналов, принимаемых на данной поднесущей по первым двум лучам (основной сигнал и эхо-сигнал 1), и сигналов на всех остальных поднесущих, пришедших с третьим лучом (эхо-сигнал 2). Возникающие при этом переходные помехи могут оказаться весьма значительного уровня и существенно снизить помехоустойчивость приема сигналов.

Переходная помеха может возникнуть не только из-за многолучевости при невыполнении условия Т_max<Т_G, но и при неправильной настройке системы символьной синхронизации — при неверной установке «окна приема». При этом возникают переходные помехи между каналами приема сигналов на поднесущих. Настройка системы символьной синхронизации основана на пошаговом временном сдвиге «окна приема» и измерении уровня переходных помех на «контрольных» поднесущих. Установка положения «окна приема» осуществляется так, чтобы этот уровень был минимальным.

Важно то, что в случае (Т_max<Т_G) сохраняется ортогональность сигналов на разных поднесущих. Поэтому взаимных переходных помех между сигналами, принимаемыми на разных поднесущих, не возникает.

При реализации ОЧС должно обеспечиваться нормативное качество приема сигналов в условиях появления как «пассивного» эха, возникающего из-за многолучевости канала, так и «активного» эха, создаваемого другими передатчиками этой же сети. С точки зрения обработки сигналов в приемнике «пассивное» и «активное» эхо-сигналы неотличимы, так как передатчики сети синхронизированы и передают одни и те же сигналы. В приемнике с ОFDM-модемом обрабатываются как «пассивные», так «активные» эхо-сигналы.

Максимально допустимый защитный интервал Т_G определяет предельное расстояние d_SFN между передатчиками. Если расстояния между передатчиками в сети ОЧС меньше d_SFN, то переходные помехи между поднесущими при приеме вещательного сигнала в любом месте зоны обслуживания гарантировано не возникают.

По мере увеличения ЗИ, пропускная способность канала передачи уменьшается. Для получения приемлемой скорости передачи полезной информации используемый защитный интервал не должен превышать приблизительно 1/4 активной длины символа .

В условиях многолучевого распространения в канале с частотно-селективными замираниями амплитуды некоторых поднесущих усиливаются за счет сложения отраженных сигналов, тогда как другие подвергаются серьезному ослаблению (рис. 1.7). В результате некоторая часть информации передается с высоким качеством, в то время как другая может быть искажена или даже потеряна.

Поэтому в основе реализации COFDM лежат помехоустойчивое кодирование (ПК), декодирование по принципу максимального правдоподобия (алгоритм Витерби), и перемежение по частоте и по времени. Благодаря ПК элементы информации, передаваемые в различные моменты времени на поднесущих, связаны между собой посредством кодирования исходной информационной последовательности. Это, как правило, позволяет восстанавливать в приемнике потерянную информацию при частотно-селективных замираниях. Заметим, что при таком комплексном построении модема схему модуляции называют кодированной ОFDM или СОFDM.

За счет большого числа поднесущих формируется групповой спектр мощности, близкий к прямоугольному, что обеспечивает высокую эффективность использования полосы радиоканала, а ширина спектра оценивается соотношением . Общая спектральная плотность мощности (СПМ) сигнала ОFDM является суммой СПМ отдельных поднесущих (рис. 1.8). Вне основной полосы спектр последовательности таких ОFDM-символов убывает достаточно медленно. Для уменьшения внеполосных излучений фронты комплексной огибающей каждого ОFDM-символа сглаживаются путем использования функции взвешивающего (сглаживающего) временного окна в виде приподнятого косинуса.

Ортогональность достигается благодаря использованию дискретного преобразования Фурье, которое может быть эффективно выполнено с применением алгоритмов БПФ. На передающей стороне — в модуляторе СOFDM — цифровой сигнал формируется программно в частотной области. Каждая несущая СOFDM-сигнала соответствует одному элементу дискретного спектра Фурье, а характер изменения амплитуды и фазы каждой несущей определяется видом используемой модуляции и зависит от передаваемых данных.

На рис. 1.10 представлена более подробная схема формирования радиосигнала СОFDM. Здесь на вход ОБПФ-процессора подаются модуляционные символы сигнала (для реализации заданного вида модуляции.

Отсчеты, соответствующие вещественной S_I(t) и мнимой S_Q(t) частям вычисленного обратного преобразования Фурье, подвергаются далее цифроаналоговому преобразованию (ЦАП). После низкочастотной фильтрации аналоговые сигналы умножаются на синфазное и квадратурное колебания с частотой F₀. Суммирование полученных произведений дает сигнал СОFDM, спектр которого смещен на частоту F₀. Такая операция соответствует преобразованию частоты для переноса радиосигнала в полосу частот выбранного канала вещания.

В большинстве алгоритмов БПФ размер массива, подвергающегося преобразованию, кратен целой степени числа два (К_БПФ = 2^m), что и обуславливает количество параллельных цифровых потоков и несущих в ОFDM-символе. Тем не менее в системах с OFDM-модемом различают три характеристики, связанные с определением числа несущих: размер массива БПФ К_БПФ, кратный целой степени числа 2, реальное (меньшее) число модулированных несущих К_мод, позволяющее обеспечить некоторый зазор между полосами соседних каналов, и наконец, число несущих К, передающих полезную информацию.

Системы COFDM, помимо высокого уровня защиты от МСИ, обладают также высокой гибкостью с точки зрения вещателя. Например, для условий стационарного приема может применяться модем с большим числом поднесущих и с модуляцией более высокой кратности, нежели в случае вещания, предполагающего мобильный прием.