За разлика от PSK и QAM, при които се използва един носещ сигнал, при ортогоналното честотно разпределяне и мултиплексиране пренасяният цифров поток се разпределя и модулира на много носещи сигнали, разположени по честота един до друг. Методът с използване на много носещи сигнали (Multi Carrier System) има предимство пред модулацията на един носещ сигнал, че е по-защитен спрямо смущения, съществуващи при наземното разпръскване на радио и телевизионни програми.
При наземното разпространяване на радиосигнали основните смущения се предизвикват от многолъчевото разпространяване на радиовълните (Multipath propagation). В резултат в точката на приемането освен директния сигнал от предавателя постъпва и един или няколко отразени сигнала (фиг.5.21).
Радиовълните се отразяват от височини (планински склонове) или от сгради (в градски условия). В мястото на приемане директният сигнал се сумира с всички отразени сигнали. В зависимост от техните амплитуди и фази, резултантният сигнал е по-силен или по-слаб. Очевидно влиянието на отразените сигнали силно зависи от мястото на приемане, тъй като пътят на директния сигнал и пътищата на отразените сигнали са различни и поради това амплитудите и фазите им, както и интензитетът на полето, ще се различават в различни точки. Многолъчевото разпространяване води също и до честотна зависимост на интензитета на полето в точката на приемане. В резултат на това, в рамките на канала, при различни честоти, интензитетът на полето също е различен. Причината е в честотната зависимост на разпространението и в отразяването на радиовълните - явление, наречено фадинг. Следователно многолъчевото разпространяване влияе както в честотната, така и във времевата област при приемането на сигналите.
При аналоговото наземно телевизионно разпръскване отразените сигнали се изобразяват като като ехосигнали върху изображението, ясно виждани в ярките очертания на картината.
При пренасянето на цифрово-кодирани сигнали с един носещ сигнал, многолъчевото разпространяване предизвиква значителна междусимволна интерференция (ISI). Причината е в много кратката продължителност на символа в сравнение с времето на закъснение на отразените сигнали. При честотна лента на канала `8 MHz`, теоретичната минимална продължителност на символа (1 символ на 1 Hz) е `0.125 ms`. Ако разликата в пътя на директния и пътя на отразения сигнал е `300 m`, то отразеният сигнал ще постъпи след `1 mu s` (при скорост на разпространение на радиовълните `300 000 {km}/s`) и ще въздейства върху цифровата поредица със закъснение от 8 символа. Междусимволната интерференция може да бъде избегната посредством увеличаване дължината на символа, но това намалява ширината на честотната лента, която заема модулираният сигнал. Това води до непълноценно използване на канала за връзка и намаляване скоростта на цифровия поток през него. Проблемът се решава с прилагането на OFDM модулация, при която се използва голям брой носещи сигнали, наречени подносещи. Всеки един от подносещите сигнали се модулира с QPSK или K-QAM модулация.
Идеята при прилагане на OFDM модулацията е в разпределяне на входния цифров поток на голям брой групи битове, които се предават паралелно с помощта на отделни подносещи сигнали. При скорост на входния цифров поток `D=1/T_s` (`T_s` е периодът на един символ, в който се предава 1 бит информация от входния цифров поток) при OFDM модулацията се използват `N` подносещи сигнала като при всеки такт на модулацията се пренасят `m` бита, то скоростта на OFDM символите ще бъде `D/{mN}`. В резултат всеки бит от входния цифров поток вместо за `T_s=1/D`, ще се предава за `T_{OFDM}={mN}/D`. Като резултат общата скорост на предаване остава неизменна, но многократно (`mN` пъти) се увеличава периода, в който се предават импулсите за всеки бит и се повишава достоверността на приемане на информацията, тъй като практически се отстранява междусимволната интерференция.
При OFDM модулацията честотната лента `Delta F` на телевизионния канал се разделя на `N` подобхвата с еднаква ширина `Delta f={Delta F}/N`. Във всеки подобхват се генерира отделен подносещ сигнал. Сумата от спектрите на всички подобхвати образува спектъра на OFDM сигнала.
Характено за OFDM модулацията е това, че се запазва както скоростта на предаване на информацията, така и честотната лента, в която се предава информацията, в сравнение с обикновената фазова модулация. Променя се единствено продължителността на предаване на информацията - тя се увеличава `mN` пъти спрямо продължителността на импулсите във входния поток. Това позволява напълно да бъде отстранено влиянието на отразените сигнали върху следващите символи. Поради това, че импулсите са много продължителни, всеки отразен сигнал, колкото и да закъснее, попада в приемното устройство при приемане на същата информация и се сумира с директния сигнал. В резултат на това отразените сигнали повишават нивото на сигнала в точката на приемане. Освен това по-голямата продължителност на сигнала му носи повече енергия, т.е. повишава отношението сигнал / шум и подобрява достоверността на приетата информация.
На практика OFDM се характеризира и с по-ефективно използване на честотната лента, в която се пренася модулираният високочестотен сигнал. Това е така, защото при използването на `N` теснолентови информационни канала, страничните листа на спектралната плътност на мощността на модулирания сигнал затихват `N` пъти по-бързо в сравнение с обикновена фазова манипулация, което осигурява по-плътно използване на спектъра на канала за връзка и съответно по-ефективното използване на честотния обхват при OFDM.
Честотите на подносещите сигнали са разпределени равномерно като отстоянието между тях е се избира равно на `Delta f_T={Delta F}/N`, където `Delta F` е честотната лента на телевизионния канал (`8,7` или `6 MHz` в зависимост от използвания телевизионен стандарт), а `N` е броят на подносещите сигнали. За база се избира честотата `f_0`, а честотите на отделните подносещи сигнали ще бъдат: `f_{TK}= f_0 + k Delta f=f_0+k {Delta F}/N`, където `k=0, 1, 2, ... , N-1, N`.
Това условие гарантира ортогоналност на съседните носещи сигнали, откъдето произтича названието OFDM на честотно мултиплексирания сигнал. Ортогоналността на следващите един след друг сигнали е необходима, за да може да се препокриват спектрите на съседните модулирани сигнали, без да се смущават взаимно.



Цифровият поток, който трябва да се предаде в канала за връзка, трябва предварително да бъде разпределен така, че за модулирането на всеки подносещ сигнал да се подаде съответен брой битове. Ако `N` е броят на подносещите сигнали, то входният последователен цифров поток се разпределя на групи по `N` символа. В зависимост от избраната модулация на подносещите сигнали, всеки символ съдържа от 2 до 6 бита (2 бита при QPSK, 4 бита при 16-QAM, 6 бита при 64-QAM). Групата от `n` символа се нарича OFDM символ. Периодът на повторение на OFDM символите е:
`T_{OFDM}=N.T_s`, където `T_s` е продължителността на символите в последователния цифров поток. Следователно OFDM символът се предава `N` пъти по-продължителен период от периода `T_s`. Всеки един от символите в последователния цифров поток модулира отделен подносещ сигнал.




Теоретично при OFDM трябва да има `N` на брой модулатори за всеки подносещ сигнал, като честотите на подносещите сигнали трябва да са равномерно разпределени в честотния обхват на телевизионния канал. Всеки един от модулаторите трябва да модулира върху съответен подносещ сигнал един от символите в COFDM символа. Модулираните сигнали от отделните `N` на брой модулатори трябва да се сумират, за да се формира OFDM сигнала. Схема с голям брой отделни модулатори е практически нереализируема.
Практическото реализиране на OFDM става чрез обратно бързо преобразуване на Фурие (IFFT - Inverse Fast Fourier Transformation):
`x(n)=sum_{k=0}^{N-1} X(k).e^{jk2pin/N}`, където `x(n)` е n-тият изходен сигнал след IFFT (във времевата област - модулирания носещ сигнал), а `X(k)` е комплексният символ на k-та подносеща в честотната област. При `n=2` от горната зависимост се получава:
`x(2)=X(0).e^{j.0.2.pi.2/N}+X(1).e^{j.1.2.pi.2/N}+X(2).e^{j.2.2.pi.2/N}+X(3).e^{j.3.2.pi.2/N}+...`
`...+X(N-1).e^{j.(N-1).2.pi.2/N}`

При обратното преобразуване на Фурие, сигналът от честотната област (комплексните коефициенти `X(k)`) се трансформира във времевата област (сигнала `x(n)`) с реални и имагинерни спектрални компоненти `C_I` и `C_Q`. След блока за IFFT сигналите `x(n)` съществуват в паралелен вид. Те се обединяват (преобразуват се от паралелен в последователен вид) като се формират в два широколентови сигнала `I` и `Q`. В блока за паралелно / последователно преобразуване се въвежда и защитният интервал.


Основен недостатък на OFDM е наличието на съпътстваща амплитудна модулация. Това налага предвиждането на запас по мощност на линейните усилвателни стъпала в теливизионните предаватели.
Няма коментари:
Публикуване на коментар