Использование сигналов OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих) в беспроводной связи

OFDM, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, является широко используемым методом цифровой модуляции в беспроводной связи, такой как WLAN, LTE, DVB-T и 5G.

OFDM относится к классу схем модуляции с несколькими несущими. OFDM разбивает полосу частот передачи на группу более узких смежных поддиапазонов (несущих), и каждая несущая модулируется индивидуально. Вы можете реализовать этот тип модуляции с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. За счет использования узких ортогональных поднесущих сигнал OFDM приобретает устойчивость по сравнению с частотно-избирательным каналом с замираниями и устраняет перекрестные помехи от соседних поднесущих.

На приемной стороне вы можете демодулировать сигнал OFDM с помощью быстрого преобразования Фурье и выровнять его с комплексным усилением на каждой поднесущей. Сочетание OFDM с MIMO может улучшить скорость передачи данных без увеличения полосы частот. На рисунке выше формы сигналов модуляции с одной несущей и модуляции с несколькими несущими представлены в частотной области (вверху) и во временной области (внизу). Поскольку несколько потоков данных могут передаваться одновременно с несколькими несущими, на OFDM не влияет шум в той же степени, что и на модуляцию с одной несущей. Это связано с тем, что время отображения символа можно увеличить на количество носителей.

Принципы OFDM

Сигнал OFDM объединяет информацию в ортогональных формах волны с одной несущей в частотной области в форму волны во временной области, которая может передаваться по воздуху. Поднесущие используют QPSK или QAM в качестве основного метода модуляции.

Уравнение обратного дискретного преобразования Фурье для этого:

В OFDM, когда амплитуда каждой поднесущей достигает максимума, несущие располагаются с интервалами 1 / время символа, так что амплитуда других поднесущих равна 0, тем самым предотвращая интерференцию между символами.

Более того, OFDM передачи с множеством несущих эффективен в средах с многолучевым распространением, поскольку влияние многолучевого распространения сосредоточено на конкретных поднесущих по сравнению с передачей с одной несущей. В случае передачи с одной несущей многолучевость влияет на все.

Разница во времени прихода между прямой и отраженной волной увеличивается, когда сигнал передается на большие расстояния. В этой ситуации количество поднесущих больше, чем в меньшем диапазоне услуг.

Технология OFDM в системах 5G

При спецификации стандарта 5G были рассмотрены различные технологии, основанные на OFDM. CP-OFDM (циклический префикс OFDM) используется в LTE и также был выбран для стандарта 3GPP Release 15. Этот метод добавляет сигнал верхнего уровня, называемый циклическим префиксом, в начало символа OFDM. CP-OFDM подавляет межсимвольные помехи (ISI) и помехи между несущими (ICI), вставляя данные в течение определенного периода времени с заднего конца символа OFDM в качестве циклического префикса в начале символа OFDM.

Плюсы и минусы OFDM

Преимущества OFDM

Поднесущим OFDM может быть назначено несколько пользователей. Частоту можно эффективно использовать ортогонально (1 / интервал времени символа). Он устойчив к искажению передачи из-за многолучевого распространения, что делает возможной демодуляцию путем исправления ошибок без использования сложного эквалайзера.

Недостатки OFDM

Поскольку амплитуда сигнала значительно изменяется, необходимо разработать усилитель с более высоким отношением пиковой и средней мощности, меньшей, чем средняя мощность передачи, допускаемую усилителем, или усилитель с широким динамическим диапазоном. В частности, когда интервал несущей узкий, влияние OFDM становится слабее по сравнению с доплеровским сдвигом, поэтому предпочтительно использовать усилитель с широким динамическим диапазоном.

OFDM с использованием MATLAB

MATLAB® и связанные с ним наборы инструментов, включая Communications Toolbox ™, WLAN Toolbox ™, LTE Toolbox ™ и 5G Toolbox ™, предоставляют функции для реализации, анализа и тестирования сигналов OFDM, а также для моделирования связи. Наборы инструментов также предоставляют модели сквозных систем передатчика / приемника с настраиваемыми параметрами и модели беспроводных каналов, чтобы помочь оценить беспроводные системы, использующие формы сигналов OFDM. В частности, как часть проектирования системы беспроводной связи, вы можете использовать эти возможности OFDM для анализа производительности линии связи, надежности, вариантов архитектуры системы, эффектов канала, оценки канала, выравнивания канала, синхронизации сигнала и выбора модуляции поднесущей.

Функции MATLAB и блоки Simulink® для модуляции OFDM предоставляют регулируемые параметры, такие как обучающий сигнал, пилот-сигнал, заполнение 0, циклический префикс и точки БПФ.

Также возможно генерировать и анализировать стандартные и пользовательские формы сигналов OFDM по воздуху с помощью приложения Wireless Waveform Generator в Communications Toolbox с Instrument Control Toolbox ™ для подключения MATLAB к радиочастотным тестовым и измерительным приборам.