Спосіб частотного ущільнення з ортогональними несучими (OFDM)

При використанні модуляції типу OFDM потік даних передається за допомогою великого числа тих, що несуть. В цьому випадку високошвидкісний послідовний цифровий потік розділяється на велике число низькошвидкісних потоків, що передаються на тих, що окремих несуть. Завдяки великому числу тих, що несуть тривалість символу в кожному з паралельних потоків виявляється в тисячі разів більше, ніж в початковому послідовному потоці. Така велика довжина символу забезпечує хороший захист від міжсимвольних спотворень, обумовлених інтерференцією, оскільки віддзеркалення сигналу частіше вражає не увесь. А лише частина символу. Спосіб OFDM використовує ті, що ортогональні несуть, які розташовані в деякому діапазоні частот, відведеному для передачі даних шляхом модуляції і кратні деякій основній частоті, в даному випадку. На практиці частоти тих, що несуть відповідають рівнянню:

,

Де U0 - початок інтервалу, в якому робиться частотне ущільнення;

n - номер тієї, що несе, що знаходиться в діапазоні від 0 до (N - 1), тобто усього N, що несуть;

тривалість інтервалу передачі одного символу.

Для виконання умов ортогональности необхідно, щоб частотне рознесення між тими, що несуть було постійне і дорівнює 1/. Тоді на центральній частоті спектру кожній що модульованою несе спектральні компоненти спектрів усіх що інших несуть проходять через 0 і не заважають демодуляції на прийомі. Взаємні перешкоди від тих, що сусідніх несуть дорівнюватимуть нулю, не дивлячись на те, що їх сусідні бічні смуги взаємно перекриваються. Це дозволяє дуже ефективно, близько до теоретичної межі, використовувати смугу частот ТБ каналу і удвічі підвищити швидкість передачі в порівнянні з фільтровим методом (традиційний розподіл тих, що окремих несуть за допомогою ПФ, де частотне рознесення між тими, що модульованими несуть вибирають такій, щоб їх сусідні бічні смуги не перекривалися).

модулятор

модулятор

модулятор

Перетворювач послідовного потоку даних в паралельні потоки

Суматор

Схема, що ілюструє принцип модуляції типу OFDM, приведена на малюнку 5.

Малюнок 5 - Функціональна схема пристрою модуляції типу OFDM

 

Спочатку послідовний потік передаючих даних розділяється на велике число N паралельних потоків, трансформуючись в паралельну форму. кожен з таких сигналів поступає на свій модулятор, в якому одна з тих, що ортогональних несуть піддається модуляції якого-небудь типу (QAM - 16, QAM - 64, QPSK). Таким чином, кожна несуча переносить потік даних, зменшений в число разів, рівне кількості N, що несуть. Після складання модульованих ортогональних коливань формується результуючий сигнал OFDM.

Навіть в умовах порівняно невеликої швидкості потоку даних, переносимого такою, що кожною несе, можливі міжсимвольні спотворення, боротися з якими дозволяє захисний інтервал перед кожним передаючим символом. Причому структура і заповнення захисного інтервалу повинні зберегти ортогональність тих, що несуть, що приймаються. У захисному інтервалі передається фрагмент корисного сигналу, що і гарантує збереження ортогональності тих, що несуть прийнятого сигналу. Спосіб OFDM принципово стійкий до міжсимвольної інтерференції, оскільки символ кожного підканалу має досить велику тривалість.

При числі тих, що несуть в декілька тисяч виникає питання про практичну реалізацію функціональної схеми представленої на малюнку 3. Застосування восьми тисяч синтезаторів коливань, що несуть, і восьми тисяч модуляторів зробило б таку схему громіздкою і практично неможливою для реалізації. Але розробки алгоритмів і промисловий випуск інтегральних схем процесорів швидкого перетворення Фур'є дозволили розв'язати цю проблему (малюнок 5.1). адже перемножування деяких коефіцієнтів на гармонійні коливання різних частот і підсумовування отриманих творів є не що інше, як обчислення зворотного перетворення Фур'є (ОБПФ) - зворотне швидке перетворення Фур'є, коефіцієнтами для обчислення яких є потоки даних, що розпаралелюють. Оскільки усі обчислення робляться в цифровій формі, то для цього потрібно ЦАП. Демодуляція може бути представлена на базі прямого перетворення Фур'є, де БПФ - пристрій швидкого перетворення Фур'є. Природно, що на вході повинен стояти АЦП. У більшості швидких алгоритмів Фур'є розмір масиву, що піддається перетворенню, кратний цілій мірі числа 2. Тому можна використовувати, наприклад, розмір масиву N=8192=8k або N=2048=2k (тут до = 1024). У двох запропонованих нині режимах використовуються 6817 і що 1705 несуть, але по розмірності масиву швидкого перетворення Фур'є системи модуляції називаються відповідно 8к OFDM і 2к OFDM.

Перетворювач послідовного потоку даних в паралельні потоки

Перетворювач паралельних потоків даних в послідовний потік

ЦАП

БПФ

АЦП

ОБПФ

Малюнок 5.1 - Функціональні схеми модуляції і демодуляції типу OFDM за допомогою зворотного і прямого перетворень Фур'є

 

Режим 2к придатний для мовлення поодиноким передавачем і для побудови малих одночастотних мереж з обмеженими відстанями між передавачами. Режим 8к застосовується в тих випадках, коли потрібна побудова великих одночастотних мереж. У каналі зв'язку з шириною смуги 8 Мгц система модуляції OFDM займає смугу 7,61 Мгц, а рознесення тих, що несуть дорівнює 4464 Гц (режим 2к) або 1116Гц (режим 8к).

Проведені випробування показали, що режим 8к трохи стійкіше для імпульсних перешкод, чим режим 2к. це пояснюється тим, що символ при 8к в чотири рази довше, ніж при 2к.

Передаючий сигнал, що модулюється способом OFDM, організований в кадри. Чотири кадри утворюють суперкадр. Кожен кадр складається з 68 символів, кожен символ - з що 6817 несуть (режим 8к = 8192), з яких частина використовується для синхронізації і управління. Число тих, що корисних несуть дорівнює 6048. для режиму 2к = 2048 з 1705 тих, що несуть корисними являються 1512.