OFDM

OFDM Definition und Grundlagen

Genauer gesagt ist OFDM eine digitale Mehrträger-Modulationstechnik, die das Frequenzspektrum effizient nutzt, indem sie es in mehrere Unterräger unterteilt. Jeder dieser Unterräger ist orthogonal zu den benachbarten Unterrägern, d.h. ihre Kreuzkorrelation ist Null, um Interferenz zwischen ihnen zu vermeiden.

Schlüsselaspekte von OFDM Elektrotechnik

OFDM hat mehrere Schlüsselaspekte oder Merkmale, die seine Leistung und Effizienz in verschiedenen Anwendungen beeinflussen. Dazu gehören:

• Bandbreiteneffizienz: OFDM erlaubt eine effiziente Nutzung der Bandbreite, indem es sie in mehrere Unterräger aufteilt und diese gleichzeitig moduliert.
• Resistenz gegen Signalstörungen: Durch seine Orthogonalität und Frequenzdiversität hat OFDM eine hohe Resilienz gegen Signalstörungen und Multipath-Fading.
• Pulsform: Die Pulsform oder die Wellenform des Signals in OFDM ist ein rechteckiger Impuls, der hilft, Interferenzen zwischen den Unterrägern zu vermeiden.

OFDM Prozess Übersicht

Der grundlegende Prozess von OFDM umfasst mehrere Schritte, darunter:

OFDM ist eine wichtige Technologie, die eine signifikante Rolle in modernen drahtlosen Kommunikationssystemen spielt, einschließlich Wi-Fi-Netzwerken, 4G- und 5G-Mobilfunknetzwerken und mehr.

OFDM Technik im Detail

Die Technik hinter OFDM ist etwas komplexer und enthält Faktoren wie Modulation, Kodierung, Umwandlung und mehr. In den folgenden Abschnitten gehen wir auf diese Aspekte der OFDM-Technologie genauer ein und erklären ihre Funktionsweise und Anwendung.

OFDM Modulation Grundlagen

Der Grundgedanke bei OFDM ist es, hochrate Datenströme in mehrere, parallel übertragene Lowrate-Datenströme zu zerlegen, die jeweils auf einem separaten Träger moduliert werden. Diese Träger sind so angeordnet, dass sie orthogonal zueinander sind, um Interferenzen zu minimieren. Das grundlegende Prinzip kann mathematisch durch die Formel \(\int e^{j(n-m)2\pi t}\,dt = 0\) , für \(n \neq m\), wiedergegeben werden.

Bei herkömmlichen Modulationsverfahren wie QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) oder PSK (Phasenumtastung), die bei OFDM üblicherweise eingesetzt werden, wird ein Hochfrequenzträger geändert, um die Daten darzustellen. Die Modulation bei OFDM erfolgt allerdings nicht im Zeit- sondern im Frequenzbereich, was den technischen Aufwand und die Anforderungen an die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger reduziert.

4G bis 5G OFDM Entwicklungen

OFDM-Technologie spielt auch eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Mobilfunkstandards, insbesondere dem Übergang von 4G zu 5G. 4G-Technologie, auch bekannt als LTE (Long Term Evolution), setzt auf OFDM in der Downlink-Richtung, d.h. vom Basis-Station zu den Mobilgeräten. Für die Uplink-Richtung, d.h. von den Mobilgeräten zur Basisstation, wurde eine vereinfachte Variante, called Single Carrier FDMA (SC-FDMA), verwendet.

5G hingegen beinhaltet mehrere neue Technologien und Verbesserungen, um noch höhere Geschwindigkeiten und Kapazitäten zu ermöglichen sowie bessere Konnektivität zu gewährleisten. Eine der wesentlichen Verbesserungen ist das neue Funkzugangsverfahren ODFMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), eine evolutionäre Weiterentwicklung von OFDM, die eine flexiblere Anpassung an Übertragungsbedingungen und Anforderungen ermöglicht.

DFT-S OFDM Erklärung

DFT-S OFDM, kurz für Discrete Fourier Transform Spread OFDM, ist eine evolutionäre Erweiterung von Standard-OFDM und besticht durch eine noch höhere Resilienz gegenüber Signalausfällen und Frequenzselektivität. Im Gegensatz zu Standard-OFDM, bei dem die Unterräger diskret und individuell moduliert werden, wird bei DFT-S-OFDM das gesamte Spektrum vor der Modulation gleichmäßig "aufgefüllt".

OFDM Kodierung und Anwendung

Die OFDM-Kodierung umfasst verschiedene Aspekte wie Interleaving, Modulation und Codierung. In der Praxis wird OFDM in zahlreichen Anwendungen wie DSL-Internetverbindung, Wireless LANs, digitalen Rundfunktechnologien und natürlich in mobilen Kommunikationsstandards von 4G und darüber hinaus eingesetzt.

Eine Schlüsselrolle für OFDM spielt die sogenannte Fast-Fourier-Transformation (FFT), eine effiziente Methode zur Berechnung der Diskrete Fourier-Transformation und ihrer Umkehrfunktion. Mit Hilfe der FFT lassen sich die in den OFDM-Symbolen enthaltenen Daten wieder aus dem empfangenen Signal extrahieren.

OFDM Leistung, Verteilung und Anwendung

OFDM ist eine robuste und effiziente Methode zur Datenübertragung in einer Vielzahl von Szenarien, von festen Verbindungen, wie DSL-Internetzugängen, bis hin zu mobilen Netzwerken, einschließlich LTE und 5G. Ein tiefes Verständnis der Aspekte wie Leistung und Verteilung von OFDM kann dabei helfen, das Potenzial und die Anwendungsbereiche dieser Technologie besser zu verstehen.

OFDM Leistungsspektrum Analyse

Die Leistung von OFDM kann auf verschiedene Weisen analysiert und gemessen werden. Eine häufig verwendete Methode ist das Leistungsspektrum, eine Darstellung der Signalstärke als Funktion der Frequenz. In idealen Bedingungen erzeugt eine OFDM-Transmitterschaltung ein Leistungsspektrum, bei dem die Energie gleichmäßig über das gesamte genutzte Frequenzband verteilt ist.

Durch die Analyse und Optimierung des OFDM-Leistungsspektrums kann die Leistungsfähigkeit eines Systems verbessert werden. Einige Faktoren, die das Leistungsspektrum beeinflussen, sind:

• Die orthogonale Anordnung der Unterräger: Wie bereits im OFDM-Grundlagenbereich ausgeführt, hilft diese Orthogonalität, Interferenzen zwischen den Unterrägern zu minimieren.
• Die verwendete Modulationstechnik: Unterschiedliche Modulationstechniken bieten unterschiedliche Trade-offs zwischen Datendurchsatz und Robustheit gegen Störungen.
• Die genutzte Bandbreiten: Eine größere Bandbreite ermöglicht natürlich eine höhere Datenrate, kann aber auch zu einer größeren Anfälligkeit gegenüber Störungen führen.

In der Praxis wird das Leistungsspektrum oft durch Hinzufügen von Guard-Bändern und durch die Nutzung von Fensterfunktionen optimiert. Die Verwendung von Fensterfunktionen (z.B. Hamming-Fenster, Hanning-Fenster) hilft, den sogenannten "Gibbs-Effekt" zu mildern, einen unerwünschten Effekt, der auftreten kann, wenn ein Signal abrupt beendet wird.

OFDM Verteilung verstanden

In OFDM wird ein breites Frequenzband in eine Anzahl von eng beieinander liegenden Bändern aufgeteilt. Jedes dieser Bänder, die als Unterräger bezeichnet werden, kann unabhängig voneinander Daten übertragen. Die genaue Anzahl und Positionierung dieser Unterräger ist ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung eines OFDM-Systems.

In der OFDM-Verteilung muss sichergestellt werden, dass die Unterräger orthogonal zueinander sind. Das bedeutet, dass die Unterräger so angeordnet sein müssen, dass das Integral des Produkts zweier unterschiedlicher Unterräger über eine Periode Null ist. Mathematisch wird dies durch Annahme der Orthogonalität \(\int e^{j(n-m)2\pi t}\,dt = 0\) , für \(n \neq m\), ausgedrückt.

Zusätzlich zur Orthogonalität müssen weitere Faktoren bei der OFDM-Verteilung berücksichtigt werden, darunter:

Die Verteilung der OFDM-Unterräger ist ein komplexes Thema und erfordert ein tiefes Verständnis der dahinter liegenden Prinzipien, um effiziente und zuverlässige OFDM-Systeme zu realisieren.

Echte Anwendungsbeispiele von OFDM

OFDM hat in den letzten Jahrzehnten in zahlreichen Anwendungsfeldern Einzug gehalten. Einige markante Beispiele sind:

• ADSL und VDSL: Bei diesen Breitbandtechnologien für Festverbindungen wird OFDM verwendet, um eine effiziente Nutzung der verfügbaren Kupferleitungen zu erreichen und hohe Datenraten zu ermöglichen.
• WLAN: Die Wi-Fi-Standards 802.11a, 802.11g, 802.11n und 802.11ac verwenden beide OFDM für die Datenübertragung zwischen Geräten und Access Points.
• Digitales Radio und Fernsehen: Sowohl DAB (Digital Audio Broadcasting) als auch DVB (Digital Video Broadcasting) nutzen die Vorteile von OFDM, um robuste und qualitativ hochwertige Broadcast-Dienste zu bieten.
• Mobilfunknetze: Die Mobilfunktechnologien LTE und 5G nutzen OFDM, um hohe Datenraten und robuste Verbindungen in stark befahrenden Funk- und Mobilfunknetzen zu ermöglichen.