Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is een geavanceerde modulatie- en transmissietechniek die veel wordt gebruikt in moderne draadloze communicatiesystemen zoals LTE, 5G, Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax), en DVB-T. In essentie maakt OFDM gebruik van meerdere orthogonale subdragers om data gelijktijdig over te brengen, wat leidt tot een efficiënte benutting van het spectrum en een hoge weerstand tegen interferentie en multipad fading.
Werking van OFDM in detail
Bij OFDM wordt de data niet via één enkele drager uitgezonden, maar verdeeld over honderden tot duizenden smalbandige subdragers die elk een deel van de data transporteren. Deze subdragers liggen dicht op elkaar in het frequentiespectrum, maar blijven dankzij orthogonaliteit volledig van elkaar gescheiden zonder elkaar te storen.
De belangrijkste bouwstenen in de implementatie van OFDM zijn:
Serial-to-parallel conversie
Voordat de data verzonden wordt, wordt het seriële datasignaal opgedeeld in parallelle datastromen. Elke stroom wordt toegewezen aan een eigen subdrager. Dit proces verlaagt de symbol rate per subdrager, waardoor de gevoeligheid voor intersymbol interference (ISI) aanzienlijk afneemt.
Modulatie van subdragers
Elke parallelle datastroom wordt vervolgens gemoduleerd met behulp van technieken zoals QPSK, 16-QAM of 64-QAM, afhankelijk van de kanaalkwaliteit. Elke subdrager draagt zo een stukje van het totaal aan data.
IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)
Om de gescheiden subdragers in één signaal te combineren, wordt een IFFT toegepast. Dit creëert een tijdsdomeinsignaal waarin alle subdragers tegelijk voorkomen met hun respectieve frequentiecomponenten.
Toevoegen van cyclic prefix (CP)
Een belangrijk element van OFDM is het toevoegen van een cyclic prefix, een kopie van het laatste deel van het OFDM-symbol dat aan het begin wordt geplakt. Deze CP helpt bij het elimineren van intersymbol interference door de effecten van multipath fading binnen een bepaald tijdsvenster op te vangen.
Digital-to-Analog Conversie (DAC) en zenden via de lucht
Het samengestelde signaal wordt na de CP-toevoeging omgezet van digitaal naar analoog en uitgezonden via de antenne.
Ontvangstproces
Aan de ontvangzijde wordt het ontvangen signaal eerst gesampled en ondergaat het het omgekeerde proces:
- Verwijderen van cyclic prefix
- Toepassen van FFT om subdragers te extraheren
- Demodulatie van elke subdrager
- Parallel-to-serial conversie om het originele datastream te reconstrueren
Illustratieve structuur van een OFDM-keten
| Stap | Functie |
|---|---|
| Serial-to-parallel | Data verdelen over meerdere subdragers |
| Modulatie | QPSK / QAM op elke subdrager |
| IFFT | Creëert één tijdsignaal met alle subdragers |
| Cyclic prefix toevoegen | Bescherming tegen multipadinterferentie |
| DAC en zenden | Signaal naar het antennesysteem sturen |
Voordelen van OFDM
- Hoge spectrale efficiëntie: door overlappende subdragers
- Robuust tegen multipad fading: dankzij cyclic prefix
- Eenvoudige equalizatie: via per-subcarrier equalizers na FFT
- Flexibiliteit: modulatie per subdrager mogelijk, geschikt voor adaptieve transmissie
Nadelen en uitdagingen
- Hoog PAPR (Peak-to-Average Power Ratio): vereist lineaire versterkers met hoge dynamiek
- Synchronisatieproblemen: gevoelig voor frequentieverschuiving en timingfouten
- Complexiteit: vereist FFT/IFFT, CP-behandeling, nauwkeurige kanaalschatting
Ondanks deze nadelen blijft OFDM de dominante transmissietechniek in moderne netwerken vanwege zijn robuustheid en efficiëntie. In LTE wordt OFDM gebruikt in de downlink, terwijl SC-FDMA (een variant van OFDM) in de uplink wordt gebruikt vanwege lagere PAPR. In 5G NR wordt een uitgebreidere versie van OFDM toegepast in zowel uplink als downlink, inclusief dynamische subcarrier spacing (15, 30, 60, 120 kHz enz.).
OFDM vormt dus de ruggengraat van bijna alle moderne draadloze communicatie, waarbij het evenwicht tussen prestaties, complexiteit en robuustheid optimaal is voor breedbandige mobiele data.