ofdma что это простыми словами
Просто о сложном: OFDM-модуляция
Введение
Изучая теорию технологий беспроводных сетей доступа или сетей сотовой связи, неизбежно, так или иначе, можно столкнуться с такой аббревиатурой, как OFDM. Обратившись к википедии, мы обнаружим там следующее: «OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing) — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются путём использования БПФ (быстрое преобразование Фурье)».
Думаю после прочтения данного объяснения для большинства читателей тема OFDM как была непонятной, так ей и осталась. Это неудивительно, поскольку при описании используются довольно нетривиальные и непростые термины. Рядовой читатель спросит, что это еще за ортогональное частотное разделение каналов? Тот, кто хотя бы частично знаком со спектральным анализом может удивиться, откуда здесь взялось быстрое преобразование Фурье?
В данной статье сделана попытка объяснить суть OFDM модуляции простым языком, так сказать «на пальцах» без сильного углубления в математический анализ и теорию цифровой обработки сигналов.
Краткая биография OFDM
Параллельная передача данных с частотным разделением была придумана еще в середине 60-х годов прошлого века и использовалась, как и большинство известных сегодня технологий, сначала только в военных системах. В те времена военные, используя OFDM, уже осуществляли параллельную передачу данных с использованием 34 поднесущих.
В 1980-х стали рассматривать применение OFDM в коммерческих системах: в первую очередь в высокоскоростных модемах и цифровых мобильных сетях. В 1990-х OFDM модуляцию стали использовать в цифровом радиовещании (DAB), в наземном телевещании, при передаче видео высокой четкости HDTV, а также в известных технологиях последней мили ADSL, HDSL.
Долгое время OFDM не находила весьма широкого распространения в других системах связи по причине сложной технической реализации. Решение задачи формирования OFDM сигнала аналоговыми методами весьма проблематично. Развитие вычислительных систем и методов цифровой обработки сигналов позволяет применять сегодня OFDM модуляцию в самых различных системах – от радио до проводных линий и даже волоконно-оптических.
В чем же смысл OFDM?
Несмотря на то, что метод дословно расшифровывается как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением, его все-таки в первую очередь относят к методам цифровой модуляции. Дело в том, что метод OFDM использует одновременно и модуляцию и мультиплексирование, но мультиплексирование особенное. Обычное мультиплексирование подразумевает объединение различных сигналов от разных источников, здесь же происходит объединение составных частей одного и того же сигнала.
Постараемся объяснить все на простом примере. Представьте, что нам надо передать из одного пункта в другой стеклянный витраж. Для этого в нашем распоряжении есть некоторый ресурс, допустим 4 тележки (в случае передачи информации в качестве ресурса можно было бы считать доступный для передачи диапазон частот).
В случае OFDM мы разбираем наш стеклянный витраж на некоторое определенное количество частей, для примера пусть их будет 4. Далее каждая тележка перевозит свою часть посылки (витража), при этом тележки катятся одновременно параллельно друг другу. Допустим на пути у нас встречается одна преграда в виде камня (в случае передачи информации – узкополосная помеха). Одна из тележек наезжает на камень, соответственно одна из частей посылки не доходит до пункта приема.
Однако большее количество частей витража все-таки было корректно получено, поэтому с помощью интуиции и волшебства (помехоустойчивого кодирования), есть шанс восстановить недостающую в результате падения одной тележки часть посылки.
Как бы все было, не применяя OFDM? При традиционном подходе для наискорейшей передачи всей посылки мы также задействуем все доступные ресурсы, но будем транспортировать витраж целиком на всех 4 тележках (используем высокоскоростной метод модуляции, занимающий всю полосу канала). Допустим, на пути у нас также встречается одна преграда в виде камня. В результате одна из тележек наезжает на камень, витраж падает и разбивается вдребезги.
Алгоритма, по которому в данном случае распался на части наш витраж, мы не знаем, поэтому собрать по кусочкам заново мы его не можем. Итог: целый витраж не доехал до пункта приема (потерян немалый объем данных, здесь даже помехоустойчивое кодирование нас не спасет). Таким образом, можно сказать, что один из основных девизов OFDM: «не надо класть все яйца в одну корзину».
Одной из особенностью OFDM является то, что все тележки могут двигаться параллельно практически вплотную и при этом не мешать друг другу. При передаче информации роль тележек выполняют поднесущие сигналы, т.е. множество несущих колебаний (если забыли, что это такое, почитайте в любом учебнике основы модуляции). Вспомним фильм Терминатор 2 и представим, что тележки сделаны из жидкого металла. В связи с этим даже если при движении пути тележек частично перекрываются, они не мешают друг другу, комфортно сосуществуют вместе и движутся дальше. Существует аналогичный эффект по отношению к передаче сигналов – ортогональность сигналов. Обычно для объяснения термина ортогональность сигналов приводят интегральное математическое выражение. Однако поскольку было дано обещание объяснять все на пальцах, можно просто уяснить следующее. Ортогональные сигналы обладают замечательным свойством – их взаимная энергия равна нулю. Ортогональность поднесущих позволяет на приёме выделить каждую из них из общего сигнала даже в случае частичного перекрытия их спектров. Поскольку поднесущие располагаются вплотную друг к другу и даже частично накладываются друг на друга (см. рис. 3) спектральная эффективность модулированного OFDM сигнала получается высокой.
Рис. 3 – Изображение поднесущих на частотной оси
Как видно из рисунка, каждая поднесущая представлена отдельным пиком. Обратите внимание, что в точке пика каждой поднесущей значение остальных поднесущих равно нулю. На оси времени каждой кривой соответствует свой модулированный сигнал. Сумма всех этих сигналов дает сложный по форме OFDM-сигнал.
Параметры поднесущих сигналов (например, синусойд) подбираются таким образом, чтобы они были по отношению друг к другу ортогональны. Для быстрой реализации данного действия с помощью вычислительных устройств используют алгоритм обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). То есть мы нарочно представляем, что значения сигнала перед блоком ОБПФ относятся к частотной области. Тогда на выходе блока ОБПФ мы получаем значения сигнала на временной оси. Объединяя все значения, мы получаем сложный составной OFDM сигнал.
Важно отметить, что в данной упрощенной схеме представлены не все блоки, имеющиеся в реальных системах с OFDM. Здесь для упрощения схемы не приведены блоки добавления защитных бит и циклического префикса, являющегося неотъемлемой частью технологии.
В виду того, что ОБПФ работает эффективно с массивами размерности 2^k, количество поднесущих выбирается аналогичной кратности. Например, в WiMAX число поднесущих выбирается от 128 до 2048 и может занимать полосы частот от 1,25 МГц до 20 МГц.
Для каждой из поднесущих используется свой формат модуляция в зависимости от требований и величины помех в канале.
На приемном конце все блоки приведенной выше схемы инвертируются (вместо ЦАП ставится АЦП, вместо обратного БПФ – прямое БПФ) и ставятся в обратном порядке.
В чем же заключается изюминка OFDM, что обусловило его популярность во всех современных системах связи?
Текущее применение OFDM. На сегодняшний день наиболее известно применение OFDM модуляции в беспроводных системах связи Wi-Fi, WiMax, LTE, в наземных системах цифрового телевидения DVB-T, в системах кабельного телевидения DVB-C, в технологии ADSL и это далеко не все примеры.
Важно отметить, что в данной статье рассмотрены только некоторые основные моменты OFDM. Если вы хотите разобраться в этой теме более серьезно, то стоит обратить внимание также на такие моменты как добавление циклического префикса для устранения помех и борьбы с замираниями, процедуры тактовой и фазовой синхронизации, использование пилотных поднесущих и др.
Режим OFDMA: как работает самая важная часть 802.11ax (Wi-Fi 6)
Режим OFDMA в 802.11ax (Wi-Fi 6)
Суть технологии OFDMA
По сути OFDMA представляет собой «многопользовательскую» вариацию старой технологии параллельной передачи данных с частотным разделением OFDM.
OFDMA также делит канал связи на поднесущие с помощью быстрого преобразования Фурье. При этом используется ортогональный интервал, который разделяет смежные частоты поднесущих. Наглядно это можно увидеть на рисунке ниже.
Структура канала передачи данных на базе OFDMA. Пилотные поднесущие предназначены для синхронизации передатчика и приемника
Поднесущие плотно упакованы и несут большой объем информации, не требуя разделительных частотных полос. Данная особенность хорошо заметна при сравнении более старых стандартов и нового 802.11ax.
Сравнение поднесущих разных стандартов
Точка доступа с WiFi 6 на канале 20 МГц может иметь до 256 поднесущих, тогда как WiFi 5 (802.11ac) — только до 64. Ортогональность позволяет приемнику выделить каждую поднесущую из множества, разделяя канал на так называемые единицы ресурса.
Канал OFDMA 20 МГц состоит из 256 поднесущих, из которых выделяются 242 единицы ресурсов
Точка доступа Wi-Fi 6 может назначать единицы ресурсов для каждого пользователя сети. Проще говоря, канал разделяется для нескольких пользователей, как в почтовом грузовике с пакетами для разных получателей. При этом сохраняется высокая пропускная способность канала.
Возможности, предоставляемые OFDMA в WiFi 6
В приведенном выше примере, с использованием канала 20 МГц, точка доступа может обеспечить одновременное подключение до девяти пользователей. При этом можно гибко настроить пропускную способность: с равным разделением или передачей всего канала одному пользователю в случае необходимости.
Вероятно, в большинстве случаев в офисах и на других объектах будут использоваться точки доступа Wi-Fi 6 с каналом 20 МГц. Это минимизирует возможные проблемы с помехами и обеспечивает максимальную производительность. При такой конфигурации сразу несколько клиентов могут через Wi-Fi 6 использовать сервисы, которые раньше были недоступны в обычных беспроводных сетях. Например, несколько потоков видео с разрешением 4К, которое теперь используется в промышленном дизайне, видеонаблюдении, здравоохранении и т. д.
На рисунке ниже изображен процесс распределения ресурсов при разделении 20 МГц. Канал, вмещающий 242 поднесущие, разделяется на два канала по 106 поднесущих, которые в первой передаче отправляют данные пользователям под номерами 1 и 2.
Работа OFDMA с несколькими пользователями
Во второй передаче точка доступа разделяет канал на четыре отдельных подканала с 52 поднесущими и отправляет данные пользователям 3, 4, 5 и 6. В третьей передаче алгоритм
OFDMA может направить всю мощность канала с 242 поднесущими пользователю 5. Четвертая передача нацелена на пользователей 4 и 6, в пятой — пользователю 1, в шестой — снова
разделяет канал между пользователями. Таким образом, OFDMA эффективно использует весь канал 20 МГц при работе с несколькими пользователями.
Технология OFDMA позволяет разделять каналы 40 МГц, 80 МГц и 160 МГц. Разные комбинации подключений можно увидеть на следующем рисунке.
Варианты использования пропускной способности WiFi 6
Теоретически, к одной точке доступа Wi-Fi 6 можно подключить до 74 пользователей. Разумеется, это экстремальное использование ресурсов одной точки, и оно будет применяться в редких случаях. Тем не менее, возможность расширить количество подключений есть, и она демонстрирует уникальные возможности OFDMA. Например, максимальная емкость в пересчете на одну точку доступа может пригодиться для подключения устройств интернета вещей (IoT), не требующих большой скорости подключения.
При этом в большинстве случаев рекомендуется оставлять неиспользуемые поднесущие, которые выполняют функцию защиты от помех со стороны соседних каналов.
В целом, Wi-Fi 6 обладает большей максимальной емкостью, чем предыдущие стандарты. Это найдет широкое применение в разных условиях, например, гостевых зонах крупных компаний, аэропортах и других местах, требующих подключения большого количества пользователей к ресурсоемким сервисам. При этом технология OFDMA способна существенно сократить расходы на закупку оборудования и эксплуатацию сети Wi-Fi без снижения ее производительности.
Обратная совместимость
Стандарт 802.11ax имеет обратную совместимость с предыдущими стандартами 802.11 a/g/n/ac. Для этого в сети WiFi 6 управляющие сигналы передаются с помощью старой технологии OFDM. Это означает, что на канале 20 МГц будут использоваться только 64 поднесущие, и весь потенциал Wi-Fi 6 не будет реализован. Поэтому для реализации всех возможностей OFDMA необходимо, чтобы эту технологию поддерживали и точки доступа, и клиентские устройства.
OFDMA как этап эволюции WiFi
OFDMA как этап эволюции WiFi
Технология OFDMA уже давно используется в специальных системах связи, например военных. Ее имплементация в сети Wi-Fi был лишь вопросом времени и, вероятно, выбран наиболее удачный способ для этого. OFDMA включена в спецификации нового стандарта WiFi 6, который также имеет и другие важные новинки, такие как протокол безопасности WPA3. Во многих случаях это делает целесообразным скорейшее обновление сетей, так как новый стандарт предлагает существенные преимущества.
Почему в WiMax и LTE используют OFDM
Аббревиатура OFDM расшифровывается как Orthogonal frequency-division multiplexing. В русскоязычной литературе встречается несколько различных переводов, несущих, в принципе, один смысл: OFDM — это механизм мультиплексирования (уплотнения) посредством ортогональных поднесущих.
В статье описаны плюсы и минусы механизма OFDM. Рассмотрен принцип функционирования с физико-математической позиции. Статья содержит вводное описание радиофизических терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.
Иллюстраций: 18, символов: 27 399, строк кода: 99.
В спецификациях новейших телекоммуникационных проводных и беспроводных стандартов всё чаще можно встретить использование OFDM технологии. Высокую популярность обеспечивают, диктуемые временем, требования к архитектурам радиосистем. OFDM механизм обладает рядом свойств, позволяющих удовлетворять тенденциям времени. Разработанная ещё в 60-х годах прошлого века, технология стала доступна для применения лишь относительно недавно.
Материалов по тематике OFDM достаточное количество на русском языке. На Хабре, например, можно почитать хорошую статью от компании Yota. Список некоторых источников приведён в конце статьи.
Изложение материала рассчитано на читателей с разным уровнем подготовки. Поэтому, для того, чтобы говорить на общем языке, в первой половине статьи изложен вводный материал. Опытный же читатель может перейти сразу ко второй половине статьи, где речь пойдёт непосредственно об OFDM. Для тех, кого интересует только ответ на вопрос, поднятый в заголовке, можно прочитать лишь пару первых абзацев ниже.
Почему же WiMax и LTE используют OFDM?
Секрет кроется в особенностях технологии, кратко можно выделить основные положительные и отрицательные стороны:
Несмотря на все недостатки, OFDM является отличным решением для архитектур современных сетей, работающих в условиях мегаполиса. Технический прогресс и динамика рынка постоянно толкают производителей совершенствовать существующие технологии. В результате появляются устройства, использующие в своей основе различные модификации OFDM. Однако ядро и заложенные в него принципы остаются те же. Поверхностно основы функционирования OFDM технологии рассмотрены в данной статье.
Шаг 1. О спектрах
Расмотрим сигнал, показанный на рисунке ниже.
Для удобства приведён лишь один период (одно цикл повторения) сигнала. Сигнал представляет собой изменение во времени напряжения в какой-нибудь точке электрической цепи. Создание, передача и приём такого рода изменений и являются сутью радиоэлектроники.
Глядя на изменение во времени напряжения, можно сделать ряд выводов. Если это, например, сигнал с датчика, то график описывает динамику измеряемой величины. Однако современная радиотехника в большей степени говорит на языке спектров. Помочь осознать это понятие может рисунок ниже.
Сигнал, наблюдаемый на осциллографе (предыдущая картинка) можно разложить на элементарные колебания. Более того, любой физически наблюдаемый сигнал, можно подвергнуть такому разложению. Под элементарными колебаниями понимаются сигналы, математически описываемые функциями синус или косинус. На самом деле синус и косинус по сути один и тот же сигнал, только немного сдвинутый во времени.
Если пустить по проводу одновременно все эти элементарные сигналы, то при измерении можно увидеть первоначальный «сложный» сигнал.
Функции типа синуса называют гармоническими. Поэтому, их часто именуют в составе «сложного» сигнала гармониками. У каждого сигнала есть свой уникальный набор гармоник. Этот набор гармоник называют спектром сигнала. Изучением гармоник сигнала занимается спектральный (гармонический) анализ.
Шаг 2. Математическая форма сигнала
Инженеры и исследователи для описания сигналов и их спектров используют относительно несложную математику. Сложный сигнал записывается как сумма более простых, что показано на рисунке:
Каждая гармоника, как уже оговаривалось, представляет собой простейшее колебание, описываемое математической функцией синус. Коэффициент перед синусом называется «амплитудой», а аргумент — «фазой». Фаза есть сумма двух чисел. Первое слагаемое — произведение времени на круговую частоту, а второе слагаемое — начальная фаза. Гармоники рассматриваемого сложного сигнала имеют нулевую начальную фазу, это было подобрано для наглядности. Чтобы не спутать обычную фазу с начальной, её называют «полной фазой». Пояснения по терминам «фаза», «начальная фаза», «амплитуда», «циклическая (круговая) частота» и «функция» можно найти в учебниках по математике. Отмечу лишь, что когда встречается слово «фаза» в литературе, то под этим обычно понимают некоторое состояние, т.е. «фаза»=«состояние». В нашем случае, полная фаза сигнала-гармоники описывает некоторое состояние функции в данный момент времени. Другими словами, зная закон изменения гармоники (синус) и её текущее состояние (полную фазу) можно узнать какое сейчас значение у гармоники.
Вести записи с синусами бывает не всегда удобно. В инженерной практике обычно переходят к форме записи в вид экспонент. В этом есть некоторые плюсы. Подробнее можно посмотреть в литературе. Надо отметить, что при записи в виде экспоненты используются комплексные числа. Теория этих чисел неразрывно связана с понятием мнимой единицы. Наглядно экспоненциальную форму можно изобразить в виде вращающегося вектора, как показано на картинке выше. Вращается он с циклической частотой в плоскости, где по одной оси отложены действительные числа, а по другой мнимые. Обо всем этом также можно подробнее прочесть в математической и инженерной литературе.
Шаг 3. Преобразование Фурье
В математике существует очень важное преобразование, которое связывает сигнал и его спектр. Оно называется преобразованием Фурье. Для ясности, можно взглянуть на картинку.
В преобразование Фурье есть 2 формулы: на картинке они обведены фломастером. Прямое преобразование конвертирует сигнал в спектр, а обратное — спектр в сигнал. В формулы нужно подставлять функции, описывающие или спектр или сигнал, в зависимости от типа конвертирования. О том, почему формулы имеют именно такую форму можно опять-таки прочесть в книжках по математике. Там же можно уяснить, когда можно применять преобразование Фурье, а когда нельзя. И что делать, если нельзя применять, а спектр получить надо. Для большинства реально существующих сигналов преобразование Фурье справедливо, остальные же случаи рассматривать не будем.
После прямого преобразования сигнала, изображённого на картинке в виде затухающей экспоненты, получим его спектр. В общем случае любой спектр — это комплексное число. Выше упоминалось о числах и о форме записи сигналов в виде экспонент. В такой форме фигурируют два параметра сигнала: амплитуда и начальная фаза. Если сигнал сложный, то он состоит из нескольких гармоник, каждая гармоника имеет свою амплитуда и свою фазу. Учесть математически это просто. В экспоненциальной записи сигнала вместо обычных чисел амплитуды и начальной фазы записывают функции амплитуды от частоты и начальной фазы от частоты. Такие зависимости даёт прямое преобразование Фурье на выходе. В результате выделяют амплитудный спектр и фазовый спектр сигнала. На картинке выше изображены эти спектры. Они состоят из большого количества гармоник, поэтому рисовать их не наглядно. Обычно изображают только огибающие.
Сложные сигналы раскладывать можно не только на синусы или косинусы или, кстати, если вы заметили, экспоненты. Существуют и другие классы «элементарных» функций, в виде суммы которых можно представить сигнал. Все эти функции внутри класса обладают общим свойством — «ортогональностью». Или другими словами — перпендикулярностью. Таким образом, если взять две ортогональные функции и представить, что они не функции, а векторы, то между ними будет угол в 90 градусов. Если перемножить две эти функции, то получится нуль. Это не просто нуль, за этим нулём имеется определённый смысл: взаимная энергия между ортогональными сигналами равна нулю, т.е. они не взаимодействуют друг с другом.
Шаг 4. Быстрое преобразование Фурье
В технике есть достаточное количество методик, которые производят аналоговое преобразование Фурье. Даже есть системы которые это делают мгновенно со скоростью света. Однако в цифровой технике, где применяются дискретные сигналы, использование аналоговых преобразователей зачастую не уместно. В результате, огромную популярность получил математический алгоритм, который позволяет быстро получить спектр сигнала. Алгоритм получил название «быстрое преобразование Фурье» (Fast Fourie Transform, FFT), его упрощённая схема показана на рисунке ниже.
Шаг 5. Модуляция
Рассмотрим ещё один сложный сигнал на осциллографе.
Это аналоговый сигнал модулированный по амплитуде. О чём же идёт речь? Если ставится задача передать информацию, например, от микрофона в гарнитуре к телефону «по воздуху», то для её решения необходимо сначала считать голос (звук) и затем каким-либо способом передать его в телефон. Сейчас подобно рода задачи уже имеют множество изящных решений оптимальных по тем или иным параметра. Для наглядности можно рассмотреть пример.
На рисунке кратко описывается суть процедуры модуляции сигнала. В своей основе понятие модуляции связано с изменением какого-либо параметра одного сигнала (высокочастотного) в зависимости от другого (низкочастотного). Существует разнообразное количество схем (видов) модуляции, которые позволяют передавать сигнал наилучшим образом в той или иной ситуации, но всё сводится к изменению либо амплитуды, либо частоты или начальной фазы сигнала.
Низкочастотный сигнал несёт информацию. Например, в нашем случае, для простоты, это какой-нибудь однотональный звук, т.е. простой сигнал. В зависимости от амплитуды этого сигнала изменяется огибающая высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал называется «несущим», в том смысле, что он переносит (несёт) информацию. Иногда можно передавать информационный сигнал без процедуры модуляции. В реальности же сигналы передаются через какую-нибудь физическую среду, да ещё и в условиях помех. Для того чтобы в этом случае успешно передать сигнал и применяется модуляция.
Убедится в пользе модуляции можно проделав некоторые расчёты. Известно, что сигналы «по воздуху» передаются в основном с помощью электромагнитных полей, в которых распространяются волны. Излучаются и принимаются волны антеннами. Волны характеризуются «длиной волны». Данная величина обратна частоте волны, которая соответствует частоте передаваемого сигнала. Очевидно, что чем частота больше, тем меньше длина волны. Размеры антенн зависят от длин волн с которыми они работают. Поэтому чем больше частота сигнала, тем меньшего размера нужна антенна. Например, если попытаться передать из гарнитуры в телефон звук ‘До’ 5-ой октавы (это 4186.0 Гц), то размер антенны составит порядка 18 км длиной. А если использовать частоты из спецификации Bluetooth (около 2.4 ГГц), то размер антенны будет всего лишь 3 см. Конечно расчёты оценочные, но результат позволяют убедиться в пользе модуляции.
Как уже говорилось, схем модуляции существует большое количество. Однако цифровые схемы модуляции немного отличаются от аналоговых, частично рассмотренные выше. Поэтому следует обратить внимание и на них. Как и в аналоговых схемах, всё сводится к изменению в основном трёх параметров: частоты, фазы и амплитуды, за исключением того, что параметры меняются скачками. Такого рода модуляцию называют «манипуляцией» (англ. shift key). На рисунке ниже представлены схемы амплитудной (ASK), частотной (FSK) и фазовой (PSK) манипуляций.
В современных системах связи большую популярность получила разновидность амплитудной манипуляции QAM (квадратурная). Суть которой заключается в синтезе сигнала из суммы двух простых сигналов, разница фаз межу которыми 90 градусов (они находятся в квадратуре). Амплитуды этих простых сигналов меняются дискретно, что, в конечном счете, образует сигнал с дискретным изменением и амплитуды и фазы одновременно. Удобно изобразить все возможные состояния на фазовой плоскости. На рисунке выше такая плоскость приведена для модуляции 16-QAM, т.е. 16 различных состояний может быть закодировано одним символом QAM модуляции, что соответствует 4-битам информации. Кстати, исходя из таких соображений — фазовую манипуляцию можно рассматривать как частный случай. Например, QPSK манипуляция может быть названа как 4-QAM. Таким образом, можно изменяя схему манипуляции увеличивать или уменьшать скорость потока данных. Однако, увеличивая скорость, приходится жертвовать помехоустойчивостью. В различных каналах связи применяется «золотая середина». Наряду с неоспоримыми плюсами у QAM есть и недостатки. Рассмотренные схемы модуляции часто не используются в чистом виде. Обо всём этом можно прочитать в книгах по современным системам связи.
Шаг 6. Мультиплексирование
Разработчики систем телекоммуникаций сталкиваются с постоянной проблемой ограниченного ресурса среды передачи, будь то время, пространство, частота или код. Поэтому, при необходимости передачи нескольких потоков данных для одного пользователя или для нескольких приходится решать задачу множественного доступа к середе. Другими словами необходимо так уплотнить потоки или спроектировать такой алгоритм, чтобы лучшим образом организовать связь в имеющихся условиях. В литературе данную проблему именуют и как мультиплексирование и как уплотнение и как множественный доступ (MAC).
Пространственное разделение потоков можно считать относительно простым решением задачи. Примером такого разделения может служить технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output), которая повсеместно внедряется во все современных стандарты сетей. Суть заключается в использование нескольких антенн, которые разносят друг от друга, чтобы они не мешали передачи. Рекорды скорости обмена данными «по воздуху» в основном сейчас бьются именно из-за этой технологии. Также наиболее простым примером пространственного разделения может служить ограничение мощности передатчиков или адаптивное изменение диаграмм направленности антенн. О том, что это и обо все тонкостях методик можно почитать в специальной литературе.
Более распространённой является методика частотного уплотнения или FDM (Frequency Division Multiplexing). Благодаря этой методике огромное количество устройств функционируют на одной территории. На рисунке ниже приведён принцип уплотнения.
Эта диаграмма показывает, как распределяется частотно-временной и энергетический ресурс между потоками, обозначенными разыми цветами. Одним из минусов является необходимость между потоками оставлять частотные промежутки, чтобы исключить взаимные помехи, что не лучшим образом использует частотный ресурс.
Более гибкой является техника временного уплотнения или TDM (Time Division Multiplexing). Ниже представлено её диаграмма.
При этом передатчик использует только одну частоту, но для каждого потока используется свой интервал времени. Данная методика очень требовательна к синхронизации между приёмником и передатчиком. TDM удобна для динамичного изменения потоков, например, если какому-нибудь потоку (абоненту) нужно повысить трафик, то достаточно лишь для него сделать интервал подлиннее. Наиболее известным стандартом, использующим TDM, является GSM.
Следует обратить внимание на кодовую методику уплотнения или CDM (Code Division Multiplexing). У неё интересная диаграмма.
Потоки сосуществуют в одном частотно-временном интервале. Для кодирования каждого потока применяются специальные коды. Коды CDM представляют собой ортогональные сигналы, на которые раскладываются символы первоначальной последовательности. Почему так можно делать, говорилось выше. Это одна из методик уширения спектра. Шумоподобные сигналы и методики уширения спектра являются интересными направлениями в телекоммуникациях. Интересующиеся могут посмотреть дополнительный материал в литературе.
Существуют различные модификации методики CDM. К примеру, смесь CDM и FMD дают FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), а с TDM технику THSS (Time Hopping Spread Spectrum). Модификации, обладая уникальными свойствами, открывают широкие горизонты применения CDM. К примеру, FHSS применяется в Bluetooth. Ещё одной производной CDM и FDM является, рассматриваемый в статье, метод OFDM.
Для более корректной терминологии нужно уточнить, что методику уплотнения с целью множественного доступа к среде нескольких пользователей именуют в англоязычной литературе как multiple access, поэтому такие техники называются FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA и т.д. О других технологиях уплотнения и множественного доступа можно почитать дополнительно в книгах.
Шаг 7. OFDM
В технологии OFDM частотный диапазон разбивается равномерно между поднесущими (дополнительные несущие), количество которых может доходить до нескольких тысяч. Каждому передаваемому потоку назначается несколько таких поднесущих, т.е. каждый поток разбивается на N поднесущих. Поднесущие между собой ортогональны. Эта особенность определяет многие положительные качества техники OFDM. Смысл понятия ортогональности описывался выше. Для ясности можно взглянуть на рисунок ниже.
Популярный стандарт, использующий OFDM технологию — система цифрового телевещания DVB. Данная система, кстати, будет использована как стандарт российского цифрового телевидения. Особенности и принцип формирования OFDM сигнала рассмотрим на его примере, точнее на его модификации для наземного вещания DVB-T.
Автором кода моделирования является коллега из США Guillermo Acosta. Результаты моделирования можно посмотреть на рисунке:
Шаг 8. Виды OFDM
Ниже приведён список различных модификаций технологии OFDM, которые можно встретить в литературе.
Среди рассмотренных систем большую популярность получили классическая OFDM схема и COFDM модификация.
Шаг 9. Заключение
В данной статье дан лишь поверхностный обзор технологии OFDM. Многие вопросы, включая синхронизацию сигналов, тонкости при формировании непосредственного сигнала, а также цифровой обработке оставлены на самостоятельное рассмотрение. Целью данной статьи было изложить теоритические основы OFDM, привести особенности, а самое главное рассказать максимально просто и понятно, но в тоже время, не упуская существенных деталей. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже.