Ортогональное частотное разделение с мультиплексированием

Ортогональное частотное разделение с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Divi­sion Multiplexing, OFDM) представляет собой специальный случай одновременной передачи потока цифровых данных по многим частотным каналам (со многими несущими или поднесущими колебаниями). Новая технология передачи в настоящее время рассматривается как одна из наиболее перспективных для построения широкополосных систем цифровой радио­связи по многолучевым каналам, обеспечивающая достаточно высокую спектральную эф­фективность этих систем. Одним из привлекательных свойств данной технологии считается относительно высокая устойчивость по отношению к частотно-селективным замираниям и узкополосным помехам. В системах с одним несущим колебанием, замирание на данной частоте или узкополосная помеха, попадающая на эту частоту, могут полностью прервать передачу данных. В многочастотных системах в аналогичных условиях оказываются подав­ленными лишь незначительная часть поднесущих колебаний. Помехоустойчивое кодирова­ние может обеспечить восстановление данных, потерянных на подавленных поднесущих.

При OFDM высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоро­стных потоков, каждый их которых передается в своем частотном канале (на своей поднесу- щей частоте), т.е. в частотных каналах длительность канальных символов может быть вы­брана достаточно большой, значительно превышающей время расширения задержки сигна­ла в канале. Следовательно, МСИ в каждом частотном канале поражает лишь незначитель­ную часть канального символа, которую можно исключить из последующей обработки в приемнике за счет введения временного защитного интервала между соседними каналь­ными символами при контролируемом снижении скорости передачи.

Высокая спектральная эффективность обеспечивается достаточно близким расположе­нием частот соседних поднесущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех поднесущих были ортогональны Это достигается благодаря использованию дискретного преобразования Фурье (ДПФ), которое может быть эффективно выполнено с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) Следует отметить, что такое преобразование используется в приемнике данной системы передачи при демоду­ляции принимаемого сигнала Благодаря этому абонентское оборудование оказывается сравнительно простым, поскольку исключается необходимость использования наборов гене­раторов гармонических поднесущих колебаний и когерентных демодуляторов, которые необходимы при обычном частотном разделении каналов

Концепция использования параллельной передачи данных и частотного разделения с мультиплексированием была предложена в середине 1960-х гг [9 11] Особенность ее, в от­личие от классического способа частотного разделения каналов, состоит в том, чтобы ис­пользовать существенно перекрывающиеся частотные каналы, в каждом из которых предла­галось организовать цифровую передачу с длительностями элементарных символов Т при частотном разнесении соседних каналов на интервал &/=1/Т Сигналы в разных каналах оказываются ортогональными, так что межканальные помехи отсутствуют Правда, ортого­нальность между сигналами возможна только в том случае, если между частотами поднесу­щих гармонических колебаний имеет место математически точное соотношение Например, если на интервале Т укладываетcя целое число периодов каждой используемой поднесущей На рис 9 19 представлены графики спектров одного радиоимпульса с прямоугольной оги­бающей и поднесущей в виде гармонического колебания с частотой f­­­^­₀ и одного OFDM символа, содержащего аналогичные радиоимпульсы на нескольких поднесущих, отстоящих по частоте друг от друга на интервалы, кратные Δf=1/T

Рис. 9.19. Спектральная плотность одного элементарного символа (а) и

одного OFDM-символа (б)

Технология OFDM в настоящее время используется в широкополосных цифровых сис­темах передачи данных подвижным абонентам, высокоскоростных цифровых линиях пере­дачи со скоростями от 1,6 до 100 Мбит/с, в цифровом радиовещании и телевидении Основ­ными достоинствами OFDM считаются следующие в относительно медленно изменяющихся во времени каналах, в которых характери­стики канала можно считать постоянными на интервале времени передачи одного блока данных, позволяет значительно увеличить пропускную способность посредст­вом адаптации скорости передачи на каждой поднесущей в соответствии со значени­ем отношения сигнал/помеха в этом частотном канале (при больших значениях отно­шения можно увеличивать число бит, переносимых одним элементарным символом);

• при фиксированном значении расширения задержки сложность реализации значительно ниже сложности аналогичных систем с одним несущим колебанием с эквалайзером;

• возможность использования в сетях с одним несущим колебанием, что особенно удобно для радио- и телевещания*.

С другой стороны, данной технологии присущи и некоторые недостатки:

• высокая чувствительность к смещению частоты и флюктуациям фазы принимаемого сигнала относительно опорного гармонического колебания приемника;

• относительно высокое значение отношения пиковой мощности радиосигнала к ее среднему значению, что заметно снижает энергетическую эффективность радиопере­датчиков.

В настоящее время исследовательскими подразделениями различных фирм, производите­лей телекоммуникационного оборудования, проводятся активные исследования с целью осла­бить влияние этих нежелательных свойств. Уже получены результаты, свидетельствующие о том, что без существенных потерь в качестве передачи пик-фактор OFDM-системы может не слишком сильно отличаться от значения этого показателя для системы с одним несущим колебанием и фазовой модуляцией. Получено много результатов, подтверждающих допол­нительные преимущества технологии при совместном ее использовании с технологией кодо­вого разделения каналов. Для различных приложений технология OFDM рекомендуется стан­дартами Международного института инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) и Европейского института стандартизации в области телекоммуникай (ETSI).