Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам

Технологию OFDM-модуляции рассмотрим на примере стандарта 802.11а.

По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с использованием множества несущих (MultiCarrier Modulation -- MCM). Главный принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции. Общая структура MCM-системы представлена на рис. 1.

Традиционный метод разделения полосы пропускания заключается в применении частотных фильтров. Хорошо известным примером этой техники является мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing -- FDM). На рис. 2 представлены типичные спектральные кривые для трех подканалов FDM. Чтобы избежать межканальной интерференции, спектры подканалов должны быть разделены защитной полосой. Такое требование приводит к неэффективному использованию выделенного частотного диапазона.

Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но все остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих обозначает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 3, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для "центральной" частоты смежной. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие интерференции между ними. В приведенном примере максимумы разделены диапазоном 300 Hz.

Еще одним преимуществом OFDM является ее устойчивость к так называемому эффекту многолучевого запаздывания. Он вызывается тем, что излученный сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными путями. Это может привести к искажениям за счет межсимвольной интерференции. Для ослабления эффекта многолучевого запаздывания символы передаются с большим периодом. Устойчивость может быть повышена путем добавления защитного временного периода между передаваемыми символами. Обычно используют циклическое расширение -- конечную часть волны, кодирующей символ, добавляют к начальной части. Это увеличивает длину символа, не нарушая ортогональности. Кроме того, циклическое расширение позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рис. 4).

Физический уровень.

Стандарт 802.11a предусматривает использование полосы частот 5,15--5,825 GHz и скорость передачи данных до 54 Mbps. Полоса поделена на три рабочие зоны, каждая из которых имеет ширину 100 MHz и максимально допустимую мощность излучаемого сигнала (в США). Первые 100 MHz в нижней части диапазона (5,15--5,25 GHz) ограничены выходной мощностью 50 мВт, излучаемая мощность в средней зоне (5,25--5,35 GHz) не должна превышать 250 мВт, а в верхней зоне (5,725--5,825 GHz) -- 1 Вт. Предполагается, что верхняя зона частот будет использоваться для каналов, соединяющих здания, или других наружных приложений, тогда как две другие зоны -- для применения внутри зданий.

Схема модуляции

Высокая скорость передачи достигается за счет группировки множества низкоскоростных подканалов (поднесущих). Это выполняется следующим образом. Две нижние зоны делятся на восемь неперекрывающихся каналов шириной 20 MHz. В свою очередь, каждый канал разбивается на 52 подканала по 300 kHz (рис. 5). Из них 48 подканалов используются для передачи данных, а остальных четыре -- для кодов коррекции ошибок. Устройства, удовлетворяющие стандарту 802.11a, должны поддерживать скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Mbps. Такое многообразие скоростей достигается с помощью применения различных схем кодирования. Так, на нижнем уровне иерархии скоростей используется бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying -- BPSK). Она обеспечивает пропускную способность подканала 125 Kbps, что, умноженное на 48, дает 6 Mbps для одного канала. Квадратурная фазовая модуляция (QPSK) удваивает это значение, доводя его до 12 Mbps.

Последующего удвоения удается добиться с помощью 16-уровневой квадратурной амплитудной модуляции (16QAM), которая кодирует 4 бита информации на 1 Hz, а применение схемы 64QAM дает скорость передачи данных 54 Mbps. В итоге восемь каналов предоставят суммарную пропускную способность 423 Mbps с поддержкой 512 пользователей. Безусловно, это не означает, что каждый из пользователей сможет передавать и получать данные со скоростью 54 Mbps, они будут просто разделять полосу пропускания в зоне покрытия определенного канала. Заметим, что стандарт 802.11b поддерживает лишь три неперекрывающихся канала по 11 Mbps каждый, т. е. обеспечивают суммарную полосу пропускания только 33 Mbps.

Генерация OFDM-сигнала

При формировании OFDM-сигнала необходимо обеспечить ортогональность поднесущих. Поэтому сначала, исходя из характера входных данных, определяются требуемый частотный спектр и необходимая схема модуляции. Каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции (BPSK, QPSK или QAM). Затем с помощью обратного преобразования Фурье (ОПФ) амплитуда как функция фазы преобразуется в функцию от времени (преимущественно используется вариант обратного быстрого преобразования Фурье ¾ ОБПФ). Принимающая аппаратура с помощью БПФ преобразует амплитуду сигналов как функцию от времени в функцию от частоты, генерируя при этом набор ортогональных синусоид (рис. 6).

Список Литературы

1. G. Goldberg. “EMC PROBLEMS OF POWER LINE COMMUNICATION (PLC) SYSTEMS”. 2001

2. G.F. Bartak. “POWERLINE COMMUNICATION SYSTEMS. NORMATIVE AND REGULATORY ASPECTS FOR THEIR APPLICATION”. 2001

3. Леонид Бараш. «Быстрый эфир стандарта IEEE 802.11a» (Компьютерное Обозрение #44, 14 - 20 ноября 2001).

4. Информация с сайта www.hostinfo.ru.

5. Информация с сайта proua.com

6. «Анализ решений по использованию перспективных технологий передачи данных по электрическим сетям для организации «последней мили» на базе инфраструктуры энергетических объектов АО Энерго». М. 2001