Orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM) und seine Funktionsweise verstehen
1. Einführung in OFDM:
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist eine wichtige Modulationstechnik, die in modernen Kommunikationssystemen verwendet wird, einschließlich drahtloser Netzwerke wie 4G LTE und Wi-Fi. Es geht auf die Herausforderungen ein, die durch frequenzselektive Schwundkanäle entstehen, und sorgt für eine effiziente Datenübertragung über das Funkspektrum.
2. Hauptprinzipien von OFDM:
2.1. Unterträger-Orthogonalität:
OFDM unterteilt das verfügbare Frequenzspektrum in mehrere eng beieinander liegende Unterträger. Das entscheidende Merkmal ist die Orthogonalität dieser Unterträger, das heißt, ihre Frequenzen werden sorgfältig ausgewählt, um Interferenzen zu vermeiden. Diese Orthogonalität vereinfacht den Demodulationsprozess und ermöglicht die Wiederherstellung übertragener Daten.
2.2. Unterträgerabstand:
Die Unterträger sind im Frequenzbereich gleichmäßig verteilt, und die Wahl des Unterträgerabstands ist ein entscheidender Parameter. Zu den gängigen Unterträgerabständen gehören 15 kHz für LTE und 20 MHz für Wi-Fi. Der Abstand wird so gewählt, dass der Kompromiss zwischen spektraler Effizienz und Robustheit gegenüber der Verzögerungsausbreitung ausgeglichen wird.
2.3. Schutzintervalle:
Um durch Mehrwegeausbreitung verursachte Intersymbolinterferenzen zu bekämpfen, führt OFDM Schutzintervalle zwischen Symbolen ein. Diese Schutzintervalle dienen als Zeitbereichspuffer und ermöglichen es den Signalen, sich vor dem Empfang des nächsten Symbols zu stabilisieren. Die Schutzintervalle sind typischerweise länger als die erwartete Verzögerungsverteilung im Kanal.
2.4. Modulation und Demodulation:
Jeder Unterträger in OFDM überträgt sein eigenes moduliertes Signal. Die zu übertragenden Daten werden auf alle Unterträger verteilt, was eine parallele Übertragung ermöglicht. Beim Empfänger läuft der umgekehrte Vorgang ab. Das empfangene Signal wird demoduliert und die Informationen von jedem Unterträger werden extrahiert, was zu den wiederhergestellten Gesamtdaten beiträgt.
2.5. Adaptive Modulation und Codierung:
OFDM-Systeme verwenden häufig adaptive Modulations- und Codierungsschemata. Dies bedeutet, dass das Modulationsschema und die Codierungsrate dynamisch an die Kanalbedingungen angepasst werden können. Unter günstigen Bedingungen werden Modulationen und Codierungsraten höherer Ordnung verwendet, um die Datenraten zu maximieren, während unter anspruchsvollen Bedingungen robustere Schemata eingesetzt werden, um eine zuverlässige Kommunikation aufrechtzuerhalten.
3. So funktioniert OFDM:
3.1. Signalübertragung:
- Dateneingabe: Der Eingabedatenstrom ist in Symbole unterteilt.
- Unterträgermodulation: Jedes Symbol wird gleichzeitig auf mehrere Unterträger moduliert.
- Parallele Übertragung: Die modulierten Symbole werden parallel über die Unterträger übertragen.
3.2. Signalempfang:
- Kanalausbreitung: Das übertragene Signal erfährt eine Ausbreitung durch den Kanal, einschließlich Reflexionen und Verzögerungen.
- Handhabung von Schutzintervallen: Das Schutzintervall hilft bei der Minderung von Mehrwegestörungen, indem es den Signalen Zeit gibt, sich zu stabilisieren.
- Unterträgerdemodulation: Das empfangene Signal wird auf jedem Unterträger demoduliert und die Informationen von jedem Unterträger werden extrahiert.
- Datenrekonstruktion: Die Informationen aller Unterträger werden kombiniert, um den ursprünglichen Datenstrom zu rekonstruieren.
3.3. Anpassung an Kanalbedingungen:
Die Anpassungsfähigkeit von OFDM an unterschiedliche Kanalbedingungen ist eine entscheidende Stärke. Die Orthogonalität der Unterträger ermöglicht eine effiziente Abschwächung von Mehrwegeinterferenzen. Darüber hinaus tragen die Verwendung von Schutzintervallen sowie adaptive Modulation und Codierung zu einer robusten Kommunikation unter verschiedenen Kanalbedingungen bei.
4. Anwendungen von OFDM:
OFDM wird häufig in verschiedenen Kommunikationsstandards verwendet:
- LTE (4G): OFDM ist die Grundlage der Downlink-Übertragung in LTE und sorgt für hohe Datenraten und effiziente Spektrumsnutzung.
- Wi-Fi (802.11): Wi-Fi-Standards wie 802.11a/g/n/ac/ax nutzen OFDM für die drahtlose Kommunikation in den Frequenzbändern 2,4 GHz und 5 GHz.
- Digitaler Rundfunk: OFDM wird im digitalen Fernsehen (DVB-T, DVB-T2) eingesetzt und sorgt für eine robuste Übertragung in anspruchsvollen Umgebungen.
5. Abschluss:
Zusammenfassend ist OFDM ein vielseitiges und weit verbreitetes Modulationsschema, das eine effiziente Datenübertragung in verschiedenen Kommunikationssystemen ermöglicht. Seine Prinzipien der Unterträgerorthogonalität, der Schutzintervalle und der Anpassungsfähigkeit an Kanalbedingungen machen es zu einer Eckpfeilertechnologie für die moderne drahtlose Kommunikation.