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.
Това е показано на фиг.5.22а като пример с два подносещи сигнала. При обикновеното честотно мултиплексиране (FDM - Frequency Division Multiplexing) спектрите на модулираните подносещи сигнали са разположени един до друг без да се припокриват (фиг.5.22а), докато при OFDM спектрите на съседните подносещи сигнали се припокриват, но така че в максимумите сигналът на съседните подносещи е нула и не оказва влияние върху отделянето и демодулирането на отделните подносещи сигнали. От сравняването на FDM с OFDM се вижда, че при OFDM честотната лента на канала за връзка се използва значително по-ефективно. При голям брой подносещи сигнали с OFDM в една и съща честотна лента могат да се разположат два пъти повече подносещи в сравнение с FDM.
На фиг.5.23 е показан спектърът на OFDM сигнал с четири подносещи. Вижда се, че благодарение на ортогоналността, в момента на максимума на сигнала на всяка една от подносещите, стойността на всички останали подносещи сигнали е нула. По този начин, независимо от плътното разположение на спектрите на подносещите, не съществуват условия за взаимно смущение между тях. Общият спектър на OFDM сигнала е равен на сумата от спектрите на отделните подносещи и той е съсредоточен в честотните граници на канала за връзка. При предаването на цифров сигнал чрез OFDM модулация всеки подносещ сигнал се модулира отделно. Практически може да се използва всяка от разгледаните по-горе цифрови модулации като условието е всички подносещи да са модулирани с един и същ вид модулация.
В резултат от честотната зависимост на разпространението и отразяването на радиосигналите, и от многолъчевото разпространяване в мястото на приемането, нивото на сигнала в рамките на честотната лента на телевизионния канал ще е различно. Това е показано на фиг.5.24 . Възможно е затихването при дадени честоти да е толкова силно, че да пропаднат отделни символи или групи от символи. Поради това, като метод на защита от грешки при OFDM се използва честотно разместване, при което символите от входния цифров поток се разпределят за модулиране върху носещите не по ред, а по случаен закон. Това разместване се разглежда като допълнително кодиране, а модулацията се нарича кодирано ортогонално честотно разпределяне и мултиплексиране (COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).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.
Удължаването на времето за предаване на символа не позволява да се отстрани напълно влиянието на междусимволната интерференция. Остава влиянието на отразените сигнали от предходния OFDM символ върху предавания OFDM символ. Това влияние се отстранява чрез въвеждането на защитен интервал, който представлява пауза между отделните символи (фиг.5.25). Времето, определено за един символ `T_{OFDM}` се получава като сума от защитния времеви интервал `Delta` и полезната продължителност на символа `T_u`. Защитният интервал `Delta` е по-кратък от продължителността на символа, но трябва да е по-дълъг от възможно най-голямото закъснение на отразен сигнал. При едночестотните мрежи защитният интервал трябва да отговаря на условието да е по-продължителен от времето за разпространяване на радиосигнала между два съседни предавателя, излъчващи на една честота. Така може да се гарантира, че няма да има междусимволна интерференция между сигналите на двата предавателя. Освен това сигналите, излъчвани от предавателите в едночестотната мрежа трябва да са синхронни, т.е. символите да се предават с една и съща тактова честота.
Въвеждането на защитен интервал `Delta` позволява изцяло да бъде отстранено влиянието на междусимволната интерференция, тъй като при наслагването на отразения с директно приетия сигнал, краят на предходния символ съвпада по време със защитния интервал (фиг.5.26). За да се постигне това трябва продължителността на защитния интервал да се избере по-голяма от максимално възможното закъснение на отразен сигнал или на сигнал от предавател, работещ в едночестотна мрежа. Другото положително явление от въвеждането на защитния интервал е, че по време на предаване на даден символ, отразеният сигнал сигнал се наслагва върху него и увеличава нивото на резултантния сигнал.
На фиг.5.27 е показано влиянието на отразените сигнали (в примера те са 3 с различно време на закъснение и ниво) върху сигнала в точката на приемане. Вижда се, че по време на защитния интервал под влияние на отразените сигнали, формата на приетия сигнал е силно изкривена, докато след защитния интервал формата на сигнала се запазва, а се измества фазата и се увеличава амплитудата му.
На фиг.5.28 е показан принципът за формиране на OFDM символа. В първия блок от последователния цифров поток се формира последователност от символи като броят на битовете в символа зависи от избраната модулация на подносещите сигнали 2 бита при QPSK, 4 бита при 16-QAM и 6 бита при 64-QAM. В същия блок се формира и OFDM символа, който съдържа `N` символа, където `N` в стандарта DVB-T може да е `2^11=2048` или `2^13=8192`. В следващ блок от последователния поток на символите се формира паралелен сигнал, т.е. формира се сигналът COFDM символа, при който в паралелен вид към модулатора се подават едновременно `N` сигнала на COFDM символа.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}`
На фиг.5.29 е показана функционалната схема на OFDM модулатор. На входа на схемата в паралелен вид постъпват цифровите данни за OFDM символа. В блока "Модулатор" от всеки символ (символът съдържа от 2 до 6 бита в зависимост от избрания тип модулация - QPSK, 16-QAM или 64-QAM) се формират комплексните коефициенти `X(k)`. Те се определят от честотата на всеки подносещ сигнал, отчитайки избрания тип модулация и стойността на символа, който трябва да се модулира на този подносещ сигнал. В блока на IFFT трябва да се подадат `2^N` комплексни коефициента. В наземната цифрова телевизия в стандарта DVB-T се използват два варианта на OFDM - с 2048 или с 8192 подносещи сигнала. Практически се използват по-малък брой подносещи от 2048 и съответно от 8192, поради което към блока за IFFT на незаетите входове се подава логическа нула.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.
Сигналите `x(n)`, както и сигналите `I` и `Q` са в цифров вид, като последните се подават на цифрово-аналогови преобразуватели (ЦАП), за да се предадат в канала за връзка (фиг.5.30). Аналоговите сигнали `I` и `Q` постъпват във филтри, в които се формира основната лента на канала за връзка. След филтрите, сигналите `I` и `Q` се модулират в QPSK модулатор. Честотата на носещия сигнал обикновено е равна на средната честота на канала за връзка. Използва се и модулация на междинна честота, която след това се повишава до честотата на канала за връзка. В изходния сигнал след QPSK модулатора се подтиска носещия сигнал.
В приемната страна OFDM сигналът трябва да се демодулира в QPSK демодулатор (фиг.5.30). След филтриране, получените `I` и `Q` сигнали се подават на аналого-цифровите преобразуватели, след което постъпват на последователно / паралелен преобразувател и на блок за дискретна трансформация на Фурие (DFT). По-нататък се възстановяват комплексните коефициенти `X(k)`, които носят информация за всеки подносещ сигнал и за модулирания на него цифров сигнал. В паралелно-последователен преобразувател се формира сигнал, който се подава на блок за възстановяване на транспортния поток (Demapping). В блока за дискретна трансформация на Фурие и в блока за възстановяване на транспортния поток се осъществява OFDM демодулирането и формирането на изходния транспортен поток `TS`.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