OFDM - Tradução Português

Multiplexação por divisão de freqüência ortogonal (OFDM ) – ou OFDM Codificada ( COFDM ) – é um tipo de modulação digital de várias portadoras, que usa um grande número de sub-portadoras ortogonais pouco espaçadas. Cada sub-portadora é modulada com um tipo convencional de modulação ( QAM por exemplo ) com uma baixa taxa de símbolos, mantendo as taxas de dados similar aos meios convencionais de modulação de uma só portadora com a mesma largura 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 de funcionar mesmo com condições severas nos canais – por exemplo, atenuação de altas freqüências em fios de cobre longos, interferência em banda estreita e desvanecimento em canal seletivo devido a multipercurso – sem usar filtros complexos de equalização. Equalização do canal é simplificada porque OFDM pode ser visto como usando vários sinais modulados lentamente melhor que um sinal de banda larga modulado rapidamente. A taxa baixa de símbolos faz com que o uso de um intervalo de guarda entre os símbolos seja confortável, sendo possível evitar sobreposição no tempo e eliminando interferências entre os símbolos ( inter-symbol interference ISI ).

OFDM foi desenvolvida como um esquema popular para sistema de comunicações digitais de banda larga. Exemplos de aplicações são:

• Acesso de banda larga ADSL e VDSL POTS via cabos de fios de cobre
  
• 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 digital 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
  
• Comunicações por fibra ótica e Sistemas de Radio sob Fibra
  

Conteúdo

Características chaves

Sumário das vantagens

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

Sumário das desvantagens

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

Características e princípios de operação

Ortogonalidade

No OFDM, as freqüências das sub-portadoras são escolhidas de modo a ser ortogonais entre si, o que significa que elimina a diafonia entre os sub-canais e uma guarda de banda entre portadoras não é necessário. Isto simplifica o design tanto do transmissor quanto do receptor; diferente do FDM convencional, onde um filtro separado para cada sub-canal não é necessário.

A ortogonalidade também permite uma eficiência espectral alta, 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. Ainda que os princípios e alguns dos benefícios são conhecidos desde os anos 60, OFDM é popular para comunicações banda larga 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 diafonia entre as subportadoras. Offsets nas freqüências são tipicamente causadas por osciladores nos transmissores/receptores que não se combinam, ou pelo efeito Doppler devido ao movimento. Enquanto que o efeito doppler sozinho pode ser compensado pelo receptor, a situação é piorada quando combinada com multi-percurso, pois reflexões aparecerão em várias freqüências, 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 principio chave 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 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 de pulso, 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 convencional de uma portadora sobre um canal wireless, então a duração de cada símbolo será de um microsegundo 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 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 inserida entre cada símbolo. Interferência entre símbolos pode ser evitada se tempo de dispersão ( tempo entre recepção do primeiro e último eco ) do multipercurso é menor que o intervalo de guarda, por exemplo 125 microsegundos. Isso corresponde a uma máxima diferença de 37,5 Km entrea distancia dos equipamentos. 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, consiste 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 inteiro de ciclos senodais para cada um dos multipercursos quando ocorre a demodulação OFDM pela transformada rápida de Fourier.

Porém o intervalo de guarda somente contêm dados redundantes, o que significa que reduz a capacidade. Alguns sistemas baseados em OFDM, como alguns sistemas de broadcasting, deliberadamente usam um intervalo de guarda longo para permitir que os transmissores possam ser suficientemente espaçados em SFN, e maiores intervalos de guarda permitem maiores tamanhos de células SFN. Uma regra para o máximo de distância entre transmissores em um SFN é igual a distância que o sinal viaja durante o intervalo de guarda- por exemplo, um intervalo de guarda de 200 microssegundos pode permitir transmissores serem espaçados 60km entre si.

Equalização simplificada

Os efeitos das condições de canais seletivos, por exemplo desvanecimento causado por propagação em multipercurso, pode ser considerado uma constante sobre um sub-canal se o sub-canal for suficientemente estreito. Por exemplo se o número de sub-canais é suficientemente grande. Isso faz a equalização tão simples no receptor em OFDM em comparação a modulações convencionais de uma única portadora. 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 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 de única portadora de um milhão de símbolos por segundo mencionado no exemplo, quando a equalização de 125 microssegundos no tempo de disperão 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 também ser usados para sincronização.

Em modulações diferenciais, 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.

Codificação de canal e entrelaçamento

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

Entrelaçamento por freqüência ( sub-portadora ) aumenta a resistência as condições de canais seletivo como por exemplo o desvanecimento. Por exemplo, quando parte da largura de banda de um canal é desvanecida, o entrelaçamento por freqüência garante que os bits de erro que resultarão nessas sub-portadoras serão espalhados na rajada de bit, melhor do que se estivessem concentrados. Similarmente, entrelaçamento por tempo garante que os bit que são originalmente transmitidos juntos sejam transmitidos com um intervalo de tempo, facilitando ??thus midigating against severe?? desvanecimento como poderia acontecer quando transmitidos em alta velocidade.

Entrelaçamento por tempo tem um pequeno melhor benefício em canais com desvanecimento lento, por exemplo, e recepção estacionária, e entrelaçamento por freqüência oferece um melhor benefício em canais de banda estreita que sofrem de um desvanecimento amplo ( que atinge todo a faixa de banda ao mesmo tempo ).

A razão pela qual o entrelaçamento é utilizado em OFDM é para prevenir que erros que surjam na transmissão dos bits seja apresentado 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 interno e o código Reed-Solomon é usado como código externo – normalmente com um entrelaçamento adicional ( por cima do entrelaçamento 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 casados para corrigir rajadas de erros.

Sistemas novos normalmente adotam códigos de correção de erros que usam o principio de decodificação turbo, quando o decoder ??iterates towards?? a solução desejada. Exemplos de tipos de códigos de correção de erros incluem códigos turbo e códigos LDPC. Esses códigos somente funcionam perto do 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 performance sobre um canal wireless.

Transmissão Adaptativa

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

O termo Modulação Discreta 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, chamado de bit-loading. Exemplos são o ADSL e VDSL.

As velocidades de upstream e downstream podem ser variadas alocando mais ou menos portadoras para cada propósito. Algumas formas de Adaptação-de-Taxa DSL usam essa facilidade em tempo real, então a largura de banda é alocada na medida que for necessário.

OFDM estendido com múltiplo acesso

OFDM na sua forma inicial é considerado uma técnica de modulação digital, e não uma 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, freqüência ou código.

No Acesso por OFDM, a divisão de freqüência por acesso múltiplo é realizada designando diferentes sub-canais OFDM para diferentes usuários. OFDMA suporta Qualidade de Serviço ( QoS ) designando diferentes números de sub-portadoras 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 simplificado, ou esquemas de Alocação Dinâmica de Canal são evitadas.

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 número 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-freqüênciais(MFNs) convencionais, onde um conteúdo é replicado em diferentes freqüências de portadoras. SFNs também resulta em um esquema diversificado de ganho nos receptores situados no meio entre os transmissores. A área de cobertura é aumentada e a probabilidade de perda 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 transmissão macrodiversity.

OFDM pode ser combinada com outras formas de diversidade espacial, como por exemplo antenas ??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 banda base em cada sub-portadora sendo modulada independentemente normalmente usando algum tipo de Modulação de Amplitude por Quadratura (QAM) ou Modulação por mudança de Fase ( PSK). Esse sinal banda base é tipicamente usado para modular a portadora principal 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?? EM 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 somados 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 centralizados em 2fc, então filtros passa-baixa são usados para rejeita-las. Os sinais de banda base são sampled 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 a transmissão binária original do transmissor.