Привет, дорогой мой читатель. В первой статье я расскажу: что такое OFDM модуляция, чем она хороша и где используется. Здесь очень кратко приведу основные понятия, о которых буду рассказывать.
OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing)- ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием. Суть метода состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом общая скорость передачи получается выше, чем если бы мы использовали один широкополосный канал, несмотря на то, что скорость в подканалах довольно низкая. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции, обычно КАМ, т к этот вид модуляции обеспечивает большую скорость.
При надлежащем выборе сетки подканалов и скорости манипуляции в них, удается использовать максимально полно весь частотный спектр. Что бы максимально эффективно использовать спектр, стараются расположить подканалы как можно ближе друг к другу. При этом они могут сильно перекрываться. И что бы не возникли межсимвольные искажения необходимо выполнить условие ортогональности: частоты, взятые с шагом равным скорости манипуляции являются ортогональными. При выполнении этого условия: во первых, максимально плотно используется спектр основного канала, плотнее частоты не расположить не нарушив условие ортогональности, во вторых, в силу нулевой интегральной суммы за один такт манипуляции, отсутствует взаимное влияние частот друг на друга, хотя их спектры и перекрываются, что позволяет надежно принимать передаваемые символы на каждом из подканалов. То есть разнос между частотами каналов равен скорости манипуляции.
Как же на практике реализовать множество каналов со скоростью разнесения равной скорости манипуляции? Конечно же использовать БПФ, которое позволяет получить, сколь угодно широкую линейку подканалов с автоматически гарантированной ортогональностью и максимальной скоростью манипуляции.
Сформировав комплексный сигнал в частотной области, путем обратного БПФ, из него получают фрагмент сигнала во временной. создав частотные компоненты X0,X1...Xn-1 и подсунув их ОБПФ, получаем фрагмент сигнала x0,x1...xN-1, который после переноса на рабочую частоту излучается. Такая схема автоматически обеспечивает соблюдение необходимых условий для корректного формирования OFDM.
В протоколах 802.11a/g используется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет ширину 20 МГц, получаем, что каждый ортогональный частотный подканал имеет ширину 20 МГц: 64=312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов используются только 52, причем 48 подканалов используются для передачи данных (Data Tones), а остальные - для передачи служебной информации (Pilot Тones).
Одним из главных преимуществ метода OFDM является борьба с многолучёвость. Сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Переотражения и нестабильность АЧХ-ФЧХ общего канала размазывают начала смены символов, затрудняя или делая невозможной тактовую синхронизацию. Для борьбы с этим в технологии OFDM используется охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа.
Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Копируется часть отсчетов из конца сформированого вещественного сигнала после IFFT в начало:
Будет поражен в результате искажений префикс, а сам символ будет принят без искажений.
На данный момент OFDM используется во всех современных и перспективных стандартах беспроводной связи, в том числе IEEE 802.16 (Wi-MAX), HiperLAN, 802.11a/g в качестве основы физического уровня (PHY). в протоколе 802.11b для кодирования использовалась либо двоичная (BDPSK), либо квадратурная (QDPSK) относительная фазовая модуляция. В протоколах 802.11а/g используются те же методы фазовой модуляции (только не относительные), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируется два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с.
Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation). Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. В протоколе 802.11а используется модуляция 16-QAM и 64-QAM.
Так как никто не взял тему синхронизации OFDM сигналов, и вряд ли теперь возьмёт в паре фраз опишу этот процесс. Рассказывать скорее всего не буду, так что для общего развития:
Синхронизация начинается с обнаружения пакета импульсов, при котором, исходя из порога по мощности, из импульсногосигнала извлекаются области передачи. Для беспрерывной передачи, как в большинстве систем вещания,имеется возможность пропустить этот блок. На следующем этапе (синхронизациипо времени) для нахождения оптимальной точки начала БПФ используется либо преамбула, либо циклический префикс каждого из OFDM символов. Эта процедура основывается на нормированном корреляционном показателе. Если выбрана синхронизация с помощью преамбулы, то определяется корреляция между последовательными блоками в структуре повторяющейся преамбулы. В случаесинхронизации с помощью циклического префикса ищется корреляция защитного интервала каждого символа с конечной частью БПФ интервала. Оба методадополнительно возвращают оценку дробного смещения частоты за счет оценивания фазы максимума корреляции. Найденное смещение частоты должно быть скомпенсированоперед выполнением БПФ для исключения взаимных помех между несущими. По умолчанию начальная точка БПФ помещается в центре защитного интервала (импульсная характеристика считается симметричной), но при необходимости она может сдвигаться в пределах защитного интервала. После выполнения БПФ для каждого имеющегося OFDM символа становится доступна частотно-временная матрица Rl,k с индексом символа l и индексом поднесущей k. Следующийэтап (кадровой синхронизации) определяет начало кадра в пределах данной матрицы ицелочисленное смещение частоты несущей. Данная процедура выполняется путем двумерной корреляции матрицы Rl,k с известной пилотной матрицей из конфигурационного файла. Блокоценки по пилот-сигналам в тракте обработки сигнала использует предварительно заданные пилотные ячейки для оценки параметров и последующей компенсации искажений сигнала. На первом этапе производится оценка максимального правдоподобия оставшегося отклонения частоты и сдвига тактовой частоты. Отклонение частоты приводит к смещению фазы, линейновозрастающему со временем, а сдвиг тактовой частоты вносит дополнительное отклонение фазы, линейно возрастающее с частотой. Модуль оценки определяет наиболее вероятныепараметры, приводящие к смещениям фазы, наблюдаемым на пилотных ячейках. Результирующие значения смещениякомпенсируются в частотной области путем повторного поворота фазы матрицы Rl,k. Однако для сильных смещений тактовой частоты может потребоваться передискретизация принятого сигнала во временной области иповторение этапа БПФ. Далее основываясь на пилот-сигналах используя интерполяцию получают вектор полной частотной характеристики всех поднесущих.
Матрица OFDM сигнала, о которой говорилось выше, выглядит примерно так:
В частотной области основной единицей является ячейка, обращениек которой ведется по символьному номеру l и номеру несущей k. Частотно-временная матрица, сформированная из всех ячеек, называется кадром.