Comprendre le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) et son fonctionnement
1. Introduction à l’OFDM :
Le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) est une technique de modulation clé utilisée dans les systèmes de communication modernes, notamment les réseaux sans fil comme la 4G LTE et le Wi-Fi. Il répond aux défis posés par les canaux à évanouissement sélectifs en fréquence et assure une transmission efficace des données sur le spectre radioélectrique.
2. Principes clés de l’OFDM :
2.1. Orthogonalité des sous-porteuses :
L’OFDM divise le spectre de fréquences disponible en plusieurs sous-porteuses rapprochées. La caractéristique cruciale est l’orthogonalité de ces sous-porteuses, ce qui signifie que leurs fréquences sont soigneusement choisies pour éviter les interférences. Cette orthogonalité simplifie le processus de démodulation, permettant la récupération des données transmises.
2.2. Espacement des sous-porteuses :
Les sous-porteuses sont uniformément espacées dans le domaine fréquentiel et le choix de l’espacement des sous-porteuses est un paramètre critique. Les espacements courants des sous-porteuses incluent 15 kHz pour le LTE et 20 MHz pour le Wi-Fi. L’espacement est choisi pour équilibrer le compromis entre l’efficacité spectrale et la robustesse de l’étalement des retards.
2.3. Intervalles de garde :
Pour lutter contre les interférences intersymboles causées par la propagation par trajets multiples, l’OFDM introduit des intervalles de garde entre les symboles. Ces intervalles de garde servent de tampon dans le domaine temporel, permettant aux signaux de se stabiliser avant la réception du symbole suivant. Les intervalles de garde sont généralement plus longs que l’écart de retard attendu dans le canal.
2.4. Modulation et démodulation :
Chaque sous-porteuse en OFDM transporte son propre signal modulé. Les données à transmettre sont réparties sur toutes les sous-porteuses, permettant une transmission parallèle. Au niveau du récepteur, le processus inverse se produit. Le signal reçu est démodulé et les informations de chaque sous-porteuse sont extraites, contribuant ainsi aux données globales récupérées.
2.5. Modulation et codage adaptatifs :
Les systèmes OFDM utilisent souvent des schémas de modulation et de codage adaptatifs. Cela signifie que le schéma de modulation et le taux de codage peuvent être ajustés dynamiquement en fonction des conditions du canal. Dans des conditions favorables, des modulations et des taux de codage d’ordre supérieur sont utilisés pour maximiser les débits de données, tandis que dans des conditions difficiles, des schémas plus robustes sont utilisés pour maintenir une communication fiable.
3. Comment fonctionne l’OFDM :
3.1. Transmission du signal :
- Entrée de données : le flux de données d’entrée est divisé en symboles.
- Modulation de sous-porteuse : chaque symbole est modulé simultanément sur plusieurs sous-porteuses.
- Transmission parallèle : les symboles modulés sont transmis en parallèle sur les sous-porteuses.
3.2. Réception du signal :
- Propagation du canal : le signal transmis subit une propagation à travers le canal, y compris des réflexions et des retards.
- Gestion de l’intervalle de garde : l’intervalle de garde aide à atténuer les interférences par trajets multiples en laissant le temps aux signaux de se stabiliser.
- Démodulation de sous-porteuse : le signal reçu est démodulé sur chaque sous-porteuse et les informations de chaque sous-porteuse sont extraites.
- Reconstruction des données : les informations de toutes les sous-porteuses sont combinées pour reconstruire le flux de données d’origine.
3.3. Adaptation aux conditions du canal :
L’adaptabilité de l’OFDM aux différentes conditions des canaux est un atout majeur. L’orthogonalité des sous-porteuses permet une atténuation efficace des interférences par trajets multiples. De plus, l’utilisation d’intervalles de garde ainsi que de modulation et de codage adaptatifs contribuent à une communication robuste dans différentes conditions de canal.
4. Applications de l’OFDM :
L’OFDM est largement utilisé dans diverses normes de communication :
- LTE (4G) : l’OFDM constitue la base de la transmission en liaison descendante en LTE, offrant des débits de données élevés et une utilisation efficace du spectre.
- Wi-Fi (802.11) : les normes Wi-Fi, telles que 802.11a/g/n/ac/ax, utilisent l’OFDM pour la communication sans fil dans les bandes de fréquences de 2,4 GHz et 5 GHz.
- Diffusion numérique : l’OFDM est utilisé dans la télévision numérique (DVB-T, DVB-T2), offrant une transmission robuste dans des environnements difficiles.
5. Conclusion :
En résumé, l’OFDM est un schéma de modulation polyvalent et largement adopté qui permet une transmission efficace des données dans divers systèmes de communication. Ses principes d’orthogonalité des sous-porteuses, d’intervalles de garde et d’adaptabilité aux conditions des canaux en font une technologie fondamentale pour les communications sans fil modernes.