Jak działa prefiks cykliczny w OFDM?

Prefiks cykliczny (CP) jest podstawowym składnikiem systemów multipleksowania z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDM), stosowanym w celu sprostania wyzwaniom związanym z propagacją wielodrożną i zapewnienia niezawodnej transmisji danych. W tym szczegółowym wyjaśnieniu zbadamy, jak działa prefiks cykliczny w OFDM.

1. Podstawy OFDM:

Przed zagłębieniem się w prefiks cykliczny konieczne jest zrozumienie podstaw OFDM:

Podnośne: OFDM dzieli dostępne widmo częstotliwości na dużą liczbę podnośnych, z których każda niesie część danych. Te podnośne są blisko siebie w dziedzinie częstotliwości.
Ortogonalność: Kluczową cechą OFDM jest ortogonalność pomiędzy tymi podnośnymi. Ortogonalność oznacza, że podnośne nie kolidują ze sobą w dziedzinie częstotliwości, co upraszcza proces demodulacji.
Czas trwania symbolu: Każda podnośna przenosi dane przez określony czas, zwany okresem symbolu. Okres symbolu jest odwrotnie proporcjonalny do odstępu podnośnych, więc blisko rozmieszczone podnośne mają krótsze okresy symboli.

2. Wyzwanie dotyczące propagacji wielościeżkowej:

Propagacja wielościeżkowa ma miejsce, gdy przesyłane sygnały docierają do odbiornika wieloma drogami z powodu odbić, dyfrakcji i rozproszenia. Te liczne ścieżki powodują, że opóźnione kopie przesyłanego sygnału docierają do odbiornika w różnym czasie. Zjawisko to może prowadzić do interferencji międzysymbolowej (ISI), w której symbole z jednego okresu symboli nakładają się na symbole z sąsiednich okresów symboli, co utrudnia odbiornikowi prawidłowe zdekodowanie danych.

3. Rola przedrostka cyklicznego:

Wprowadzono prefiks cykliczny, aby sprostać wyzwaniom związanym z propagacją wielościeżkową i ISI w OFDM. Oto jak to działa:

Przedział ochronny: Prefiks cykliczny to zasadniczo odstęp ochronny dodawany do każdego symbolu OFDM przed transmisją. Ten odstęp ochronny jest kopią końcowej części symbolu i jest wstawiany na początku. Długość prefiksu cyklicznego jest zwykle krótsza niż czas trwania symbolu, ale wystarczająco długa, aby uwzględnić oczekiwane maksymalne opóźnienie w kanale.
Struktura kołowa: Nazwa „przedrostek cykliczny” pochodzi z faktu, że tworzy on strukturę kołową lub cykliczną w dziedzinie czasu. Przedrostek cykliczny kończy symbol OFDM i dołącza go do początku, tworząc płynne przejście okrężne.

4. Jak cykliczny prefiks łagodzi ISI:

Przyjrzyjmy się teraz, w jaki sposób prefiks cykliczny pomaga złagodzić ISI:

Ochrona przed opóźnionymi echami: Kiedy transmitowany sygnał napotyka propagację wielodrogową, opóźnione kopie sygnału docierają do odbiornika z różnymi opóźnieniami. Te opóźnione echa mogą zakłócać oryginalny sygnał, powodując ISI. Prefiks cykliczny działa jako interwał ochronny, zapewniając, że w tym interwale zostaną odebrane wszelkie opóźnione echa.
Reprezentacja w domenie częstotliwości: W dziedzinie częstotliwości, gdzie zazwyczaj przetwarzany jest OFDM, prefiks cykliczny służy do eliminacji wszelkich zakłóceń lub nakładania się sąsiednich symboli. Kiedy odbiornik wykonuje dyskretną transformatę Fouriera (DFT) w celu konwersji odebranego sygnału z dziedziny częstotliwości z powrotem do dziedziny czasu, prefiks cykliczny zapewnia wyeliminowanie wszelkich nakładań lub zakłóceń pomiędzy symbolami. Upraszcza to proces demodulacji.
Odzyskiwanie sygnału: Usuwając skutki propagacji wielościeżkowej i ISI, prefiks cykliczny umożliwia odbiornikowi dokładne odtworzenie pierwotnie transmitowanego sygnału. Odbiornik może następnie dekodować dane z odzyskanego sygnału bez dwuznaczności spowodowanej zakłóceniami pomiędzy symbolami.

5. Korzyści z prefiksu cyklicznego:

Cyclic Prefix oferuje kilka korzyści w systemach OFDM:

Odporność na wielościeżkę: Prefiks cykliczny znacząco poprawia odporność systemów OFDM w środowiskach z propagacją wielościeżkową. Pozwala na niezawodną transmisję danych nawet w przypadku występowania opóźnionych ech przesyłanego sygnału.
Uproszczone przetwarzanie odbiornika: Prefiks cykliczny upraszcza zadanie odbiornika, zapewniając, że symbole nie nakładają się na siebie w dziedzinie częstotliwości. To uproszczenie prowadzi do bardziej wydajnej i mniej złożonej demodulacji.
Zmniejszona stopa błędów: Łagodząc ISI, prefiks cykliczny zmniejsza liczbę błędów w systemach OFDM, co prowadzi do wyższej niezawodności transmisji danych.

6. Względy praktyczne:

W praktyce długość prefiksu cyklicznego jest określana na podstawie warunków kanału i oczekiwanego maksymalnego rozrzutu opóźnienia. Dłuższe prefiksy cykliczne zapewniają lepszą ochronę przed dłuższymi opóźnieniami, ale zwiększają narzut w przesyłanym sygnale.

Podsumowując, prefiks cykliczny jest kluczowym elementem systemów OFDM zaprojektowanych w celu sprostania wyzwaniom związanym z propagacją wielościeżkową i ISI. Dzieje się tak poprzez zapewnienie odstępu ochronnego, który zapewnia, że opóźnione echa transmitowanego sygnału nie zakłócają odbioru kolejnych symboli. Ta prosta, ale skuteczna technika zwiększa solidność i niezawodność komunikacji OFDM, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu standardów komunikacji bezprzewodowej, takich jak Wi-Fi, LTE i 5G.