Технология ofdm. Формирование и приём сигнала ofdm. Защитный интервал, префикс, структура кадра. Использование ofdm в системах радиодоступа

Идея метода OFDM (Orthogonal frequencydivision multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) в распараллеливании передаваемого сигнала на N отдельных низкоскоростных подпотоков с большой длительностью передаваемых символов. Каждый подпоток модулируется и передаётся на своей ортогональной поднесущей.

Спектр OFDM сигнала Метод OFDM используется в Wi-Fi, WiMax, LTE, цифровом телевизионном вещании DVB и в звуковом вещании DRM.

Ортогональность поднесущих позволяет на приёме выделить каждую поднесущую из суммарного сигнала даже в случае частичного перекрытия полос их спектров. Условием ортогональности поднесущих является равенство (1): ∆ f = fi – fi-1 = 1/Tи (1) Для повышения устойчивости сигнала к разбросу задержки в каждой поднесущей вводится защитный интервал Tg (за счёт уменьшения длительности символа OFDM)

Преимущества метода OFDM • способность противостоять сложным условиям в радиоканале, в первую очередь устранять межсимвольную интерференцию и бороться с узкополосными помехами; • простая реализация методами цифровой обработки; • возможность использования различных схем модуляции для разных поднесущих, что позволяет адаптироваться к условиям распространения сигнала и к различным требованиям к качеству принимаемого сигнала.

Для дискретного преобразования Фурье необходимо в реальном времени произвести N2 вычислений, что затруднительно. Поэтому используют методы вычислительной математики, а именно быстрое преобразование Фурье. Это преобразование позволяет резко снизить объём вычислений (это особенно заметно при больших N) в случае, когда N = 2k.

Защитный интервал Для повышения устойчивости сигнала к разбросу задержки в каждой поднесущей вводится защитный интервал Tg (за счёт уменьшения длительности символа OFDM)

Циклический префикс

В технологии OFDM частотный диапазон разбивается равномерно между поднесущими (дополнительные несущие), количество которых может доходить до нескольких тысяч. Каждому передаваемому потоку назначается несколько таких поднесущих, т.е. каждый поток разбивается на N поднесущих. Поднесущие между собой ортогональны. Эта особенность определяет многие положительные качества техники OFDM. Смысл понятия ортогональности описывался выше. Для ясности можно взглянуть на рисунок ниже.

 

Популярный стандарт, использующий OFDM технологию — система цифрового телевещания DVB. Данная система, кстати, будет использована как стандарт российского цифрового телевидения. Особенности и принцип формирования OFDM сигнала рассмотрим на его примере, точнее на его модификации для наземного вещания DVB-T.

1. В DVB-T сигнал перед разделением между поднесущими предварительно кодируется различными кодерами для повышения помехоустойчивости. Особенности стандарта трогать не будем. Посмотрим лишь специфику формирования OFDM.

2. Сигнал DVB-T занимает полосу в 8 МГц (7, 6 МГц). Данная полоса разбивается между поднесущими. Расстояние в спектре сигнала между поднесущими обратно пропорционально длительности одного OFDM символа.

3. Для борьбы с помехами в OFDM включён защитный интервал. Это возможно сделать, т.к. быстрый поток данных делится между поднесущими, на каждой из которых скорость подпотока меньше первоначальной. За счёт этого можно выделить отрезок времени, который будет защищать основной сигнал от помех. Длительность этого защитного интервала может составлять 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 от длительности OFDM символа. На рисунке поясняется принцип использования временного защитного интервала.

 

Межсимвольная интерференция является одной из разновидностей помех, она появляется в результате взаимодействия пакетов (символов) передаваемых данных, например, вследствие многолучевого распространения сигнала, вызванного переотражением. Обычно в качестве защитного интервала используют так называемый циклический префикс, являющийся копией окончания сигнала размещённой впереди. Это позволяет сохранить ортогональность. Чем дольше защитный интервал, тем в более сложных условиях может передаваться OFDM сигнал. Подробнее вопрос можно разобрать в литературе.

4. Ортогональность поднесущих позволяет системам хорошо справляться с узкополосными помехами, которые могут подавить часть поднесущих. Благодаря корректирующим кодам информацию можно извлечь из неповреждённых поднесущих. Помимо этого, в OFDM каждая поднесущая может модулироваться различной схемой модуляции, например, QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Как отмечалось выше, в таком подходе можно адаптивно регулировать помехоустойчивость и скорость потока данных для каждого канала (пользователя) в отдельности.

Циклический префикс

Наверх

Одним из главных преимуществ метода OFDM является его устойчивость к эффекту многолучевого распространения. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым OFDM-символом вводится защитный интервал, называемый циклическим префиксом. Циклический префикс представляет собой копию фрагмента полезного сигнала, таким образом некоторый фрагмент начала символа OFDM такой же, как и в конце символа. Это гарантирует сохранение ортогональности поднесущих (но только в том случае, если отраженный сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность циклического префикса). Кроме того, циклический префикс позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рисунок 4).

 

Рисунок 4. Циклический префикс.

Структура кадра OFDM. При выборе структуры кадра необходимо обеспечить, во-первых, быстрое вхождение в синхронизм демодулятора цифрового телевизора, с тем чтобы не вызвать чувства раздражения у телезрителей в моменты переключения телевизора с одной программы на другую. Во-вторых, формат кадра OFDM должен быть согласован с форматом транспортного пакета MPEG-2 (длительность пакета 204 байта), с тем чтобы взаимные преобразования этих форматов в модеме могли быть выполнены простыми техническими средствами.

В результате учета этих требований в стандарте OFDM была принята двухступенчатая структура передачи данных в виде супер-кадра, состоящего из 4 кадров OFDM. При этом в одном супер-кадре содержится целое число транспортных пакетов MPEG-2, что позволяет производить взаимные преобразования форматов транспортных пакетов и супер-кадра OFDM без введения в модем OFDM стаффинг-синхронизации. В то же время наличие в супер-кадре 4 кадров повышает в 4 раза скорость передачи сигналов синхронизации, за счет чего обеспечивается приемлемое время вхождения в синхронизм демодулятора телевизора.

Структура кадра OFDM показана на рис. 7. Кадр состоит из 68 символов OFDM, которым присвоены номера от 0 до 67. Длительность кадра равна TF=68TS, а значения TS (длительности информационных символов) для различных режимов работы приведены в табл.1. Кадр содержит для режимов модуляций 8К и 2К, соответственно, 6817 и 1705 несущих. Для работы приемного устройства необходимо совместно с информационными символами передавать опорные сигналы, во-первых, сигналы для фазовой автоподстройки опорных частот демодулятора, во-вторых, — сигналы тактовой синхронизации функциональных блоков демодулятора, в-третьих, — сигналы для оценки состояния эфирного радиоканала, в-четвертых, — сигналы управления демодулятором, содержащие информацию о используемых режимах модуляции. Для этих целей в каждом символе OFDM для режимов модуляции 8К и 2К выделено, соответственно, 769 и 193 опорных несущих, которые по сравнению с информационными несущими передаются с повышенной на 2,5 дБ мощностью. Для фазовой автоподстройки опорной сетки когерентных частот демодулятора [8] используются так называемые фиксированные опорные несущие, частотные позиции которых в каждом символе OFDM постоянны. Всего для этой цели в режимах 8К и 2К используется соответственно 177 и 45 фиксированных несущих. Номера выделенных для этих целей несущих заданы в виде таблицы [3], в которой первый и последний номер совпадает со значениями Кmin и Кmax (рис. 7). Фиксированные несущие модулируются опорной псевдослучайной последовательностью.