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 similares 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 à 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 transmissão por macrodiversidade

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 banda de guarda 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 outros 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 sejam 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 desalinhamento nos osciladores transmissores/receptores, 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 com o aumento da velocidade, 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 às 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. Desde que a duração de cada símbolo seja 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 exemplo 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 seria 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 um intervalo de guarda de 1/8 do tamanho do símbolo é inserido 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 entre a distancia dos equipamentos. Os últimos 125 microsegundos de cada símbolo são copiados e enviados com antecedência como um prefixo cíclico.

O prefixo cíclico, 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.

Embora 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 à distância que o sinal viaja durante o intervalo de guarda, por exemplo, um intervalo de guarda de 200 microssegundos pode permitir transmissores serem espaçados 60 km 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 acima 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 dispersão 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 sejam 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 à 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 bits que são originalmente transmitidos juntos sejam transmitidos afastados no tempo, minimizando desta forma desvanecimentos severos, como poderiam acontecer quando transmitidos em alta velocidade.

Entretanto, entrelaçamento por tempo tem um pequeno benefício em canais com desvanecimento lento, por exemplo, e recepção estacionária, e entrelaçamento por freqüência oferecem pouco benefício em canais de banda estreita que sofrem de um desvanecimento amplo ( que atinge toda 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 sejam apresentados 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, contudo, normalmente adotam códigos de correção de erros que usam o principio de decodificação turbo, onde o decodificador interage em direção 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 os concatenaram 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 uma determinada faixa de freqüência sofre de interferência ou atenuação, as portadoras pertencentes a essa faixa 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 em 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 fluxo de bits 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 diferentes de modo similar ao CDMA, e desta forma pacotes complexos programados ou modos de controle de acesso ao meio podem ser evitados. 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 minimizada, 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

Em OFDM baseado em difusão em áreas metropolitanas, 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, enquanto em geral eles irão reforçar a cobertura sobre uma área metropolitana. 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 transmitir macrodiversidade.

OFDM pode ser combinada com outras formas de diversidade espacial, como por exemplo antenas dispostas 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 adequado para um canal AWGN com tempo invariável.

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 diferentes, então algumas transmissões podem carregar um taxa de bit maior que outras.

Uma FFT inversa é computada em cada set de símbolos, dando uma parcela de amostra no domínio do tempo. Essas amostras são então mixadas/moduladas por quadratura 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 mixados/modulados por quadratura 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 rejeitá-las. Os sinais de banda base são provados 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.