Ортогональное частотное разнесение

Ортогональное частотное разнесение (ОЧР) или англоязычный вариант (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), объединенный сигнал на ортогональных частотах используют при передаче по радиоканалам высокоскоростных потоков данных (десятки и сотни Мбит/c) [15]. Одной из ключевых проблем при такой передаче является устранение межсимвольной интерференции, вызванной многолучевым распространением сигнала.

Приведем характерный пример. Пусть по радиоканалу идет передача с символьной скоростью В=40 Мсимв/с. При передаче на одной несущей частоте длительность символа с.

Представим себе ситуацию передачи такого сигнала в большом помещении: вокзал, аэропорт, торговый центр (рис. 4.29). Как следует из рис. 4.29, прямой и отраженный лучи приходят на приемник с запаздыванием, что вызывает межсимвольную интерференцию. Если в разных копиях одного сигнала разница задержек становится сравнимой с длительностью одного символа, начинается быстрый рост числа ошибок вплоть до полного разрушения сигнала.

Рис. 4.29. Многолучевой прием

Для того чтобы на рис. 4.29 прямой и отраженный лучи приходили с запаздыванием в 1 символ, разность их хода должна составлять всего 7,5 м. Такое запаздывание можно наблюдать даже в достаточно большой комнате. Чтобы снять проблему межсимвольной интерференции, следует увеличить длину символа в 10, а еще лучше в 100 раз.

Тогда межсимвольная интерференция будет заметна при разности длин трасс в 750 м. Отсюда следует идея, положенная в основу ОЧР: расщепить высокоскоростной поток данных на множество отдельных потоков (десятки, сотни и даже тысячи в стандарте WiMAX), передавать каждый из субпотоков на своей частоте (поднесущей), увеличив длину символа до единиц миллисекунд.

Обобщенный ОЧР символ является суммой символов, передаваемых на N_S поднесущих (рис. 4.30). На всех поднесущих можно использовать различные виды модуляции: 2-ФМ, 4-ФМ, 8-ФМ, 16-КАМ или 64-КАМ.

Символы друг от друга специально разделены паузами длительностью Т_р, чтобы в случае многолучевого сигнала соседние символы не «наползали» друг на друга.

Суммарный OFDM (рис. 4.31) сигнал [15] при :

(4.29)

где – комплексная амплитуда одного переданного сигнала,

t_s – время начала каждого отдельного символа,

T_s – длительность символа.

Рис. 4.30. Временная диаграмма OFDM-сигнала

Энергетический спектр реального OFDM сигнала при N_S=128 и использовании 4-ФМ на каждой из поднесущих приведен на рис. 4.32.

Рис. 4.31. Спектр ОЧР сигнала

Чтобы при приеме можно было различать сигналы, передаваемые на соседних поднесущих, все сигналы должны быть взаимно ортогональны. Это условие выполнимо, если расстояние между соседними поднесущими .

Рис. 4.32. Спектр ОЧР сигнала с 4-ФМ и N=128

Пока ОЧР стали использовать в новейших стандартах беспроводного доступа Wi-Fi и WiMAX [16]. В подстандартах Wi-Fi IEEE 802.11a,g в сигнале ОЧР 48 поднесущих. Длительность символа T_s=3,2 мкс, длительность паузы T_p=0,8 мкс. Расстояние между соседними частотами МГц.

При использовании модуляции 2-ФM скорость передачи в радиоканале

Мбит/с.

При переходе к многопозиционным методам модуляции

Мбит/с, Мбит/с.

При передаче (формировании) OFDM сигнала используют обратное дискретное преобразование Фурье (обратное БПФ); при приеме – прямое дискретное преобразование Фурье (БПФ). Сигнал OFDM формируют на пониженной частоте с последующим переносом спектра на частоту радиоканала.

Сформированный OFDM сигнал обладает распределением, близким к гауссовскому [15, 17], и поэтому имеет большое значение пик-фактора. По разным данным пик-фактор (отношение пиковой мощности к ее среднему значению) достигает 7–9,5 дБ, следовательно, требуется высокая линейность трактов приемника и, особенно, передатчика. Кроме этого, необходимо применить ЦАП и АЦП с высоким разрешением в передатчиках и в приемниках. Невыполнение этих требований сопровождается появлением интермодуляционных искажений и межсимвольной интерференции.