Was ist OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)?

Ein Verfahren, das die Daten auf viele zueinander orthogonale Unterträger aufteilt, jeden mit niedriger Symbolrate moduliert und sie parallel sendet. Weil der Unterträgerabstand gleich dem Kehrwert der Symboldauer ist, lassen sich die Unterträger trotz überlappender Spektren ohne gegenseitige Störung trennen. Es ist robust gegen Mehrwegeausbreitung und wird in WLAN, 4G LTE, 5G NR, beim digitalen terrestrischen Rundfunk und anderswo eingesetzt.

Japanische Bezeichnung: OFDM(直交周波数分割多重)

„OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)“ kommt in 9 Übungsfragen aus 1 Themen vor, z. B. Grundlagen der Funkkommunikation.

Fachgebiet: Grundlagen der Funkkommunikation

Was „orthogonal“ bedeutet

Bei OFDM wird der Unterträgerabstand Δf gleich dem Kehrwert der Symboldauer T gewählt (Δf = 1/T). Dann schwingt jeder Unterträger innerhalb eines Symbols genau eine ganze Zahl von Perioden, sodass das Produkt zweier verschiedener Unterträger, über ein Symbol aufsummiert, 0 ergibt. Das ist mit „orthogonal“ gemeint: Der Empfänger kann den Anteil jedes Unterträgers herausziehen, obwohl sich die Spektren benachbarter Unterträger überlappen. Im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzmultiplex, das Lücken (Schutzbänder) zwischen den Trägern lässt, wird das Spektrum effizienter genutzt.

Umsetzung mit der FFT und zyklisches Präfix

Statt jeden Unterträger mit einem eigenen Oszillator zu erzeugen, moduliert der Sender alle zusammen mit einer inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT), und der Empfänger demoduliert sie mit einer schnellen Fourier-Transformation (FFT). Dass sich diese Berechnung in digitalen Schaltungen effizient ausführen lässt, ist ein Grund für die Verbreitung von OFDM. Zudem verhindert das zyklische Präfix (CP), bei dem das Ende jedes Symbols kopiert und vorangestellt wird, Intersymbolinterferenz durch über Mehrwegeausbreitung verspätet eintreffende Wellen und erhält die Orthogonalität.

Schwächen und Gegenmaßnahmen

Ein OFDM-Signal ist die Summe vieler Unterträger; sein Verhältnis von Spitzen- zu mittlerer Leistung (PAPR) ist daher groß, und der Leistungsverstärker muss im linearen Bereich betrieben werden, was den Wirkungsgrad tendenziell senkt. Außerdem zerstören Frequenzabweichungen (Oszillatorfehler oder Doppler-Verschiebung) und Phasenrauschen die Orthogonalität der Unterträger und verursachen Störungen. Daher wird im Mobilfunk-Uplink DFT-gespreiztes OFDM mit kleinerer PAPR verwendet, und in höheren Frequenzbändern werden größere Unterträgerabstände gewählt.

Jetzt üben: Fragen zu OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)

Welche Beschreibung von OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) trifft zu?

AEin Verfahren, das die Daten auf viele zueinander orthogonale Unterträger aufteilt und parallel sendet; weil der Unterträgerabstand gleich dem Kehrwert der Symboldauer ist, lassen sich die Unterträger trotz überlappender Spektren ohne gegenseitige Störung trennen
BEin Verfahren, das eine einzige Trägerwelle mit hoher Symbolrate moduliert und wegen der kurzen Symbole unempfindlich gegen Mehrwegeverzögerungen ist
CEin Verfahren, bei dem das Signal jedes Nutzers mit einem eigenen Spreizcode multipliziert und gleichzeitig auf derselben Frequenz gesendet wird

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Antwort: A. Ein Verfahren, das die Daten auf viele zueinander orthogonale Unterträger aufteilt und parallel sendet; weil der Unterträgerabstand gleich dem Kehrwert der Symboldauer ist, lassen sich die Unterträger trotz überlappender Spektren ohne gegenseitige Störung trennen

OFDM teilt die Daten auf viele Unterträger auf, moduliert jeden mit niedriger Symbolrate und sendet sie parallel. Ist der Unterträgerabstand gleich dem Kehrwert der Symboldauer, sind die Unterträger trotz überlappender Spektren zueinander orthogonal; der Empfänger kann sie trennen, und das Spektrum wird effizient genutzt. Weil die Symbole jedes Unterträgers lang sind, ist das Verfahren unempfindlich gegen Mehrwegeverzögerungen. Die Verarbeitung erfolgt effizient mit einer inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT) im Sender und einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) im Empfänger; OFDM wird in WLAN, 4G LTE, 5G NR, beim digitalen terrestrischen Rundfunk und anderswo eingesetzt.

Was ist bei OFDM der Hauptzweck des zyklischen Präfixes (CP), bei dem ein Teil vom Ende jedes Symbols kopiert und dem Symbol vorangestellt wird?

ADas Verhältnis von Spitzen- zu mittlerer Leistung (PAPR) des Sendesignals zu senken und den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers zu erhöhen
BDaten am Symbolanfang zu wiederholen, um Fehler ohne Fehlerkorrekturcodes zu erkennen
CStörungen durch das vorherige Symbol aufzufangen, die über Mehrwegeausbreitung verspätet eintreffende Wellen verursachen, und die Orthogonalität der Unterträger zu erhalten

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Antwort: C. Störungen durch das vorherige Symbol aufzufangen, die über Mehrwegeausbreitung verspätet eintreffende Wellen verursachen, und die Orthogonalität der Unterträger zu erhalten

Über Mehrwegeausbreitung verspätet eintreffende Wellen legen das Ende des vorherigen Symbols über den Anfang des nächsten (Intersymbolinterferenz). Ist der CP länger als die Streuung der Verzögerungen (Delay Spread), bleibt diese Überlagerung innerhalb des CP, und die Störung verschwindet, wenn der Empfänger den CP vor der Verarbeitung verwirft. Da der CP eine Kopie des Symbolendes ist, erscheinen außerdem auch verspätete Wellen im von der FFT verarbeiteten Intervall als periodisches Signal, sodass die Orthogonalität der Unterträger erhalten bleibt. Im Gegenzug kommt durch den CP Zeit hinzu, in der keine Daten gesendet werden, und die Übertragungseffizienz sinkt.

Häufige Fragen

Worin unterscheiden sich OFDM und OFDMA?

OFDM ist ein Modulations- und Multiplexverfahren, das Daten auf vielen Unterträgern sendet. OFDMA ist ein Vielfachzugriffsverfahren, das die OFDM-Unterträger in nach Zeit und Frequenz abgegrenzten Einheiten verschiedenen Nutzern zuweist, sodass mehrere Nutzer gleichzeitig kommunizieren. OFDMA wird im Downlink von 4G LTE, in 5G NR und im WLAN ab IEEE 802.11ax verwendet.

Warum ist es robust gegen Mehrwegeausbreitung?

Weil die Daten auf viele Unterträger aufgeteilt werden, sind die Symbole jedes Unterträgers lang, und die Verzögerung verspätet eintreffender Wellen ist im Vergleich zu einem Symbol klein. Außerdem kann die Verzögerung innerhalb des zyklischen Präfixes aufgefangen werden. Selbst bei frequenzselektivem Fading, bei dem die Empfangsleistung bei bestimmten Frequenzen einbricht, sind nur einige Unterträger betroffen, und Fehlerkorrekturcodes können das ausgleichen.

„OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)“ in den Erläuterungen

OFDM teilt die Daten auf viele Unterträger auf, moduliert jeden mit niedriger Symbolrate und sendet sie parallel.
Welche Beschreibung von OFDM (orthogonales Frequenzmultiple…
Ein OFDM-Signal ist die Summe vieler Unterträger; daher treten gelegentlich Spitzen weit über dem Mittelwert auf, und die PAPR ist groß.
Was ist der zutreffendste Hauptgrund dafür, dass im Uplink …
OFDM- und QAM-Signale schwanken stark in der Amplitude und haben ein großes Verhältnis von Spitzen- zu mittlerer Leistung (PAPR); gerät der PA bei den Spitzen in die Sättigung, wird das Signal verzerrt.
Was ist bei einem Sender für OFDM- oder höherwertige QAM-Si…
Gegenmaßnahmen sind Diversity-Empfang mit mehreren Antennen, Verfahren wie OFDM, die auf viele Frequenzen aufgeteilt senden, und Fehlerkorrekturcodes.
Wie heißt in der Funkkommunikation die Erscheinung, dass an…
Bei OFDM nimmt die Störung zwischen den Unterträgern zu, wenn die Doppler-Verschiebung im Vergleich zum Unterträgerabstand groß wird.
Ein Endgerät, das eine Funkwelle mit 2 GHz empfängt, bewegt…