Qu'est-ce que OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence) ?
Technique qui répartit les données sur de nombreuses sous-porteuses mutuellement orthogonales, module chacune à un faible débit de symboles et les transmet en parallèle. En fixant l'espacement des sous-porteuses à l'inverse de la durée de symbole, on peut les séparer sans interférence même si leurs spectres se chevauchent. Robuste aux trajets multiples, elle est utilisée dans les réseaux locaux sans fil, la 4G LTE, la 5G NR, la télévision numérique terrestre, etc.
Nom japonais: OFDM(直交周波数分割多重)
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Domaine: Bases des communications sans fil
Que signifie « orthogonal » ?
En OFDM, l'espacement des sous-porteuses Δf est l'inverse de la durée de symbole T (Δf = 1/T). Chaque sous-porteuse effectue alors un nombre entier d'oscillations pendant un symbole, si bien que le produit de deux sous-porteuses différentes, intégré sur la durée d'un symbole, est nul. C'est ce que signifie l'orthogonalité : même si les spectres de sous-porteuses voisines se chevauchent, le récepteur peut extraire la composante de chacune. Par rapport au multiplexage fréquentiel classique, qui laisse des intervalles (bandes de garde) entre les sous-porteuses, le spectre est utilisé plus efficacement.
Mise en œuvre par FFT et préfixe cyclique
Au lieu de produire chaque sous-porteuse avec un oscillateur, on module et démodule toutes les sous-porteuses à la fois, par transformée de Fourier rapide inverse (IFFT) à l'émission et par transformée de Fourier rapide (FFT) à la réception. La possibilité d'effectuer efficacement ces calculs avec des circuits numériques est l'une des raisons de la diffusion de l'OFDM. De plus, le préfixe cyclique (CP), qui copie la fin de chaque symbole à son début, empêche l'interférence entre symboles due aux ondes arrivées en retard par trajets multiples et préserve l'orthogonalité.
Points faibles et parades
Un signal OFDM étant la somme de nombreuses sous-porteuses, son rapport entre puissance crête et puissance moyenne (PAPR) est élevé : il faut utiliser l'amplificateur de puissance dans sa zone linéaire, ce qui tend à réduire le rendement. En outre, un décalage de fréquence (erreur de l'oscillateur ou décalage Doppler) ou du bruit de phase rompt l'orthogonalité des sous-porteuses et provoque des interférences. C'est pourquoi la liaison montante de la téléphonie mobile utilise l'OFDM étalé par DFT, à faible PAPR, et que l'on élargit l'espacement des sous-porteuses dans les bandes de fréquences élevées.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre l'OFDM et l'OFDMA ?
L'OFDM est une technique de modulation et de multiplexage qui transmet les données sur de nombreuses sous-porteuses. L'OFDMA est une technique d'accès multiple qui attribue les sous-porteuses OFDM à des utilisateurs différents par unités découpées en temps et en fréquence, pour que plusieurs utilisateurs communiquent simultanément. L'OFDMA est utilisé par la liaison descendante de la 4G LTE, par la 5G NR et par les réseaux locaux sans fil à partir de l'IEEE 802.11ax.
Pourquoi l'OFDM est-il robuste aux trajets multiples ?
Comme les données sont réparties sur de nombreuses sous-porteuses, les symboles de chaque sous-porteuse sont longs, et le retard des ondes arrivées en retard devient petit par rapport à un symbole. De plus, ce retard peut être absorbé par l'intervalle du préfixe cyclique. Même en présence d'un fading sélectif en fréquence, qui fait chuter la puissance reçue à certaines fréquences, seules quelques sous-porteuses sont touchées, ce que le code correcteur d'erreurs peut compenser.