OFDM - Tradução Português

Multiplexação por divisão de freqüência ortogonal (OFDM ) – ou OFDM Codificada ( COFDM ) – é um esquema de modulação digital de várias portadoras, que us aum grande número de closely-spaced sub-carries ortogonais. Cada sub-carrier é modulada com um esquema convencional de modulação ( QAM por exemplo ) com uma baixa taxa de símbolos, mantendo as taxas de dados similar aos esquemas convencionas de modulação de uma portadora com a mesma largurada de banda. Na prática, os sinais OFDM são gerados usando o algoritmo de transformada rápida de Fourier.

A primeira vantagem do OFDM sobre as modulações de uma única portadora é a habilidade to cope com condições sevres nos canais – por exemplo, atenuação de altas freqüências at a long copper wire, narrowband interferência e frequency-selective fading devido a multipath – sem usar filtros complexos de equalização. Equalização do canal é simplificado porque OFDM pode ser visto usando várias slowly-modulated narrowband sinais melhor(?rather?) que um rapidly-modulated wideband sinal. A taxa baixa de símbolos faz com que o uso se um intervalo de guarda entre os símbolos affordable, fazendo possível to handle time-spreading e eliminando interferências entre os símbolos ( inter-symbol interference ISI ).

OFDM foi desenvolvida into a esquema popular para sistema de comunicações digitais de wideband. Exemplos de aplicações são:

• Acesso de banda larga ADSL e VDSL via POTS copper wiring • Wi-Fi ( IEEE 802.11ª/g) Wireless LANs • Sistemas DAB EUREKA 147, Radio digital Mondiale, Radio HD, T-DMB e ISDB-TSB • Sistemas de TV digial terrestre DVB, DVB-t, DVB-H, T-DMB e ISDB-T • WiMax Wireless MANs • Sistemas de Acesso Móvel de banda larga Wireless • Sistemas celular Flash-OFDM • Sistemas Certain ultra wideband ( UWB ) • Comunicação pela rede elétrica ( Power Line Communication – PLC ) • Rede Residencial MoCA • Comunica~çoes por fibra ótica e Sistemas de Radio sob Fibra

Conteúdo

Key features

Sumário das vantagens

• Pode se adaptar facilmente à condições severas do canal sem ser necessário uma equalização complexa • Robusto contra narrow-band interferência co-canal • Robusto contra interferência entre os símbolos ( Intersymbol interference – ISI ) e a desvanecimento causado por propagação multi-percurso • Alta eficiência spectral • Implementação eficiente usando FFT ( transformada rápida de Fourier ) • Baixa sensibilidade a to time sincronização de erros • Não é requerido tuned sub-channel receiver • ?? Facilita redes de freqüência simples, por exemplo transmitter macrodiversity

Sumário das desvantagens

• Sensibilidade ao efeito Doppler ( shift ?? ) • Sensibilidade a problemas de sincronização de freqüências • Consumo de energia do transmissor ineficiente, devido a necessidade de um amplificador linear de energia

Caracteristis e princípios de operação

Ortogonalidade No OFDM, as freqüências sub-carrier são escolhidos de modo a serem ortogonais entre si, o que significa que cross-talk entre os sub-canais é eliminado a uma guarda de panda entre portadores não é necessário. Isto simplifica o design tanto do tranmissor quanto do receptor; diferente do FDM convencional, um filtro separado para cada sub-canal não é necessário.

A ortogonalidade também permite uma eficiência high spectral, próximo a taxa de Nyquist. Quase toda a banda disponível pode ser utilizada. OFDM normalmente tem ruído branco, dando uma interferência eletromagnética com propriedades benignas que respeita os usuários de co-canais.

A ortogonalidade permite uma implementação eficiente de moduladores e demuladores usando o algoritmo FFT. Although os princípios e alguns dos benefícios foram conhecidos desde os anos 60, OFDM é popular para comunicações widebands hoje devido ao baixo custo dos componentes de processamento digital de sinal que podem calcular o FFT eficientemente.

OFDM exige uma sincronização da freqüência bem precisa entre o receptor e o emissor; qualquer desvio e as sub-portadoras não serão mais ortogonais, causando uma interferência entre portadora (ICI), por exemplo cross-talk entre as subportadoras. Offsets nas freqüências são tipicamente causadas por mismatched osciladores nos transmissores/receptores., ou pelo efeito Doppler devido ao movimento. Whilst efeito doppler sozinho pode ser compensado pelo receptor, a situação é piorada (worsened?) quando combinada com multi-percurso, pois reflexões aparecerão em várias freqüências offsets, o que é muito mais complicado de corrigir. Esse efeito normalmente piora a medida que a velocidade aumenta, e é um fator importante que limita o uso de OFDM em veículos muito rápidos. Diversas técnicas para supressão do ICI são sugeridas, mas elas aumentam a complexidade do receptor.

Intervalo de guarda para eliminação de interferência entre os símbolos

Um key principle do OFDM é que como o modo de modulação a uma taxa de símbolos baixa ( por exemplo quando os símbolos são relativamente longos comparados as características de tempo do canal ) sofre menos de interferência entre símbolos causadas por multi-percurso, é mais vantajoso transmitir mais de uma transmissão a baixa taxa em paralelo do que transmitir apenas um em alta velocidade. Sendo a duração de cada símbolo longa, é possível ( feasible?) inserir um intervalo de guarda entre os símbolos OFDM, eliminando então a interferência entre símbolos.

Esse intervalo de guarda também elimina a necessidade de um filtro pulse-shaping, e reduz a sensibilidade dos problemas de sincronização de tempo.

Um exemplos simples: Se alguém envia um milhão de símbolos por segundo usando uma modulação convencial de single-carrier sobre um canal wireless, então a duração de cada símbolo será de um licrosegundo ou menos. Isso impõe dificuldades na sincronização e necessita a remoção de interferência por multi percurso. Se esse mesmo milhão de símbolos por segundo forem transmitidos por um mil sub-canais, a duração de cada símbolo pode ser maior por um fator de mil, por exemplo um milisegundo, para ortogonalidade de aproximadamente a mesma largura de banda. Assumindo que uma guarda de intervalo de 1/8 do tamanho do símbolo é inserido entre cada símbolo. Interferência entre símbolos pode ser evitada se time-spreading ( tempo entre recepção do primeiro e ultimo echo ) do multipercurso é menor que o intervalo de guarda, por exemplo 125 microsegundos. Isso corresponde a uma máxima diferença de 37,5 Km entre the lenghts of the paths. Os últimos 125 microsegundos de cada símbolo é copiado e enviado in advance as a cyclic prefix.

O cyclic prefix, que é transmitido durante o intervalo de guarda, consite no final do símbolo OFDM copiado no intervalo de guarda, e o intervalo de guarda é transmitido seguido pelo símbolo OFDM. A razão que o intervalo de guarda consiste em uma cópia do final do símbolo OFDM é que esse que o receptor vai integrar sobre um número integer de ciclos senodais ( sinusoid cycles ) para cada um dos multipercursos when it performs OFDM demodulation whith FFT.

Porém o intervalo de guarda somente contem dados redundantes, o que significa que reduz a capacidade. Alguns sistemas baseados em OFDM, como alguns sistemas de broadcasting, deliberadamente usa um intervalo de guarda longo para permitir que os transmissores possam ser espaçados farther apart in SFN, e maiores intervalos de guarda permitem maiores tamanhos de células SFN. A rule of thumb para o máximo de distancia entre transmissores em um SFN é igual a distancia que o sinal viaja durante o intervalo de guarda – for instance, um intervalo de guarda de 200 microssegundos pode permitir transmissores serem espaçados 60km apart.

Equalização simplificada

Os efeitos das condições de canais frequency-selective, por exemplo desvanecimento causado por propagação em multipercurso, pode ser considerado uma constante ( flat ) sobre um sub-canal se o sub-canal for suficientemente narrow-banded. Por exemplo se o numero de sub-canais é suficientemente grande. Isso faz a equalização tão simples no receptor em OFDM em comparação a modulações convencions single-carrier. O equalizador somente necessita multiplicar cada sub-portadora por um valor constante, ou um valor raramente modificado.

Nosso exemplo: A equalização OFDM no exemplo numérico abaixo requer N = 1000 multiplicações complexas por símbolo OFDM, por exemplo um milhão de multiplicações por segundo, no receptor. O algoritmo FFT requer Nlog(base 2)N=10.000 multiplicações complex-valued por símbolo OFDM, por exemplo 10 milhões de multiplicações por segundo, tanto no receptor como no transmissor. Isso pode ser comparado com a correspondente modulação sigle-carrier de um milhão de símbolos por segundo mencionado no exemplo, quando a equalização de 125 microssegundos time-spreading usando um filtro FIR iria requerer 125 multiplicações por símbolo, por exemplo 125 milhões de multiplicações por segundo.

Algumas sub portadoras em alguns símbolos OFDM pode carregar sinais pilotos para medidas de condição dos canais, por exemplo o ganho do equalizador para cada subportadora. Sinais pilotos podem tabem ser usados para sincronização.

Em modulações diferencias, como DPSK ou DQPSK, é aplicado a cada sub portadora, a equalização pode ser totalmente omitida, desde que esses esquemas são sensíveis a lentas distorções de amplitude e fase.

Channel coding and interleaving

OFDM é utilizado em conjunto com channel coding ( correção de erro pra frente ), e na maioria das vezes usa interleaving por freqüência e/ou tempo.

Interleave por freqüência ( sub-portadora ) aumenta a resistência as condições de canais frequency-selective como por exemplo o desvanecimento. Por exemplo, quando parte da largura de banda de um canal é desvanecida, o interleaving por frequency garante que os bits de erro que resultarão dessas sub-portadora são spread out int the bit-stream rather than being concentrated. Similarmentem, interleaving por tempo garante que os bit que são originalmente transmitido juntos sejam transmitidos com um intervalo de tempo, thus midigating against severe desvanecimento como poderia acontecer quando transmitidos em alta velocidade.

Interleaving por tempo tem um pequeno melhor beneficio em canais com desvanecimento lento, por exemplo e recepção estacionária, e interleaving por freqüência oferece um melhor beneficio em canais narrowband que sobrem de um desvanecimento amplo ( que atinge todo a faixa de banda ao mesmo tempo ).

A razão pela qual interleaving é utilizada em OFDM é para prevenir que errors out int the bit stream that is presented ao decodificador de correção de erro, pois quando decodificadores recebem uma alta concentração de erros ele não consegue corrigir todos, e uma rajada de erros não corrigidos ocorre.

Um tipo comum de codificação de correção de erros usado em sistemas baseado em OFDM é a codificação convolucional, que normalmente é concatenado com codificação Reed-Solomon. Codificação convolucional é usado como código de entrada e o código Reed-Solomon é usado como código d esaída - normalmente com um interleaving adicional ( por cima do interleaving por tempo e freqüência mencionado acima ) entre as duas camadas de codificação. A razão pela qual essa combinação de código de correção de erro é usada é que a decodificação Viterbi usado para decodificação convolucional produz pequenas rajadas de erros quando existe uma grande concentração de erros, e os códigos Reed-Solomon são inerentemente bem suited para corrigir rajadas de erros.

Sistemas novos normalmente adotam the near-optimal códigos de correção de erros que usam o principio de ecodificação turbo, quando o decoder iterates towards a solução desejada ( desired ). Exemplos de tipos de códigos de correção de erros inclui códigos turbo e códigos LDPC. Esses códigos somente perform close to the limite Shannon ao canal Additive White Gaussian Noise ( AWGN ), e alguns sistemas que adotaram esses códigos concatenaram eles ou com Reed-Solomon ( por exemplo no sistema MediaFLO ) ou nos códigos BCH ( no sistema DVB-S2 ) para melhorar a perfomance further sobre um canal wireless.

Transmissão Adaptive

A resistência a condições severes do canal pode ser melhorada se a informação sobre o canal é enviada sobre um canal de retorno. Baseado nessa informação de feedback, modulação adaptive, codificação do canal e alocação de potencia pode ser aplicada sobre todas as sub-portadoras, ou individualmente sobre uma sub-portadora especifica. Neste ultimo caso, se um determinado range de freqüências sofre de interferência ou atenuação, as portadoras pertecentes a esse range podem ser desabilitadas ou made a rodar mais devagar aplicando uma modulação mais robusta ou codificação de erro nestas sub-portadoras.

O termo ModulaçãoDiscreta Multitom ( discrete multitone modulation - DMT ) denota sistema de comunicação baseado em OFDM que adaptam a transmissão as condições do canal individualmente a cada sub-portadora, by means of so called bit-loading. Exemplos são o ADSL e VDSL.

As velocidades de upstream e downstream podem ser variadas alocando mais ou menos portodoras para cada propósito. Algumas formas de Adaptação-de-Taxa DSL usam essa facilidade em tempo real, então a largura de banda é alocada whichever stream needs it most.

OFDM extended com múltiplo acesso

OFDM na sua forma inicial é considerado um técnica de modulação digital, e não um técnica de acesso multiusuário, desde que é utilizado para transferir um bit stream sobre um canal de comunicação usando uma seqüência de símbolos OFDM. Entretanto, OFDM pode ser combinado com acesso múltiplo usando separação por tempo, frequencia ou código.

No Acesso por OFDM, a divisão de freqüência por acesso múltiplo é realizada assigning diferentes sub-canais OFDM para difirentes usuários. OFDMA suporta Qualidade de Serviço ( QoS ) assigning diferente numero de sub-portadora para usuários diferente de modo similar ao CDMA, and thus complex packet scheduling or media access control schemes can be avoided. OFDMA é usado no uplink do padrão Wireless MAN IEEE 802.16, comumente conhecido por WiMax.

No Acesso por divisão múltipla de código Multiportadora ( MC-CDMA), também conhecido como OFDM-CDMA, OFDM é combinado com a comunicação CDMA para separação dos usuários. Interferência co-canal pode ser mitigated against, o que significa que o manual de planejamento de Alocação de Canal Fixo (FCA) é simplificad, ou esquemas de Alocação Dinâmica de Canal são avoided.

Diversidade Espacial

In OFDM based wide área broadcasting, receptores podem se beneficiar de receber sinais de diversos transmissores dispersados espacialmente simultaneamente , desde que os transmissores vão apenas interferir destrutivamente entre elas num numero limitado de sub-portadoras, whereas in general they will actually reinforce coverage over a wide área. Isso é muito bom em diversos paises, pois permite a operação de Redes Nacionais de Única Freqüência (SFNs), onde diversos transmissores mandam o mesmo sinal simultaneamente sobre a mesma freqüência de canal. SFNs usa o espectro disponível mais eficientemente do que as redes de broadcast multi-frequenciais(MFNs) convencionais, onde um conteúdo é replicado em diferentes freqüências de portadoras. SFNs também resulta em um esquema diversificado de ganho no receptores situados no meio entre os transmissores. A área de cobertura é aumentada e a probilidade de outage é decrementado em comparação a uma MFN, devido a media do sinal recebido ser mais forte sobre todas as sub-portadoras.

Redes de freqüência única é uma forma de tranissao macrodiversity.

OFDM pode ser combinada com outras formas de diversidade espacial, como por exemplo atenas arrays e canais MIMO. Isso é feito no padrão Wireless LAN 802.11n.

Modelo de Sistema Ideal

Essa seção descreve um modelo de sistema ideal OFDM suitable for a time-invariant AWGN canal.

Transmissor

Um sinal de portadora OFDM é o SUM de um número de sub-portadoras ortogonais, com baseband data em cada sub-portadora sendo modulada independentemente normalmente usando algum tipo de Modulação de Amplitude por Quadratura (QAM) ou phase-shift keying ( PSK). Essa sinal composite baseband é tipicamente usado para modular a main portadora RF.

S[n] é uma transmissão serial de dígitos binários. Pela multiplexação inversa, são primeiramente demultiplexadas em N transmissões paralelas, onde cada uma é mapeada numa ( possivelmente complexa ) transmissão de símbolos usando alguma modulação com constelação ( QAM,PSK, etc) . Note que as constelações podem ser diferente, então algumas transmissões podem carregar um taxa de bit maior que outras.

Uma FFT inversa é computada em cada set de símbolos, dando um set of complex time-domain samples. Esses samples são então quadrature-mixed to uma banda de passagem de modo tradicional. Os componentes reais e imaginários são primeiros convertidos ao domínio analógico usando conversores Digital-para-analogico (DACs); os sinais analógicos são então usados para modular ondas cossenoides e senoides na freqüência da portadora, fc, respectivamente. Esses sinais são então summed ao sinal de transmissão dado, s(t).

Receptor

O receptor pega o sinal r(t), o qual é então quadrature-mixed para a banda base usando ondas senoidais e cossenoidais na freqüência da portadora. Isso cria sinais cetralizados em 2fc, então filtros passa-baixa são usados para rejeita-las. Os sinais de banda base são samlped e digitalizados usando conversores Analógicos-para-digital ( ADCs), e é utilizada FFT para frente para converter de volta ao domínio da freqüência.

Isso retorna N transmissões paralelas, onde cada uma é convertida para uma transmissão binária usando um detector apropriado de símbolo. Essas transmissões são então recombinadas numa transmissão serial, s[n], que é na estimate da transmissão binária original do transmissor.