Wat is OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)?

Een methode die gegevens verdeelt over veel onderling orthogonale subdraaggolven, elke subdraaggolf met een lage symboolsnelheid moduleert en ze parallel verzendt. Doordat de afstand tussen de subdraaggolven gelijk is aan het omgekeerde van de symboolduur, kunnen ze zonder onderlinge interferentie worden gescheiden, ook al overlappen hun spectra. De methode is goed bestand tegen multipath en wordt gebruikt in draadloze LAN's, 4G LTE, 5G NR, digitale terrestrische omroep en meer.

Japanse benaming: OFDM(直交周波数分割多重)

“OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)” komt voor in 9 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Basis van draadloze communicatie.

Vakgebied: Basis van draadloze communicatie

Wat orthogonaal betekent

Bij OFDM is de afstand Δf tussen de subdraaggolven gelijk aan het omgekeerde van de symboolduur T (Δf = 1/T). Elke subdraaggolf maakt dan binnen één symbool precies een geheel aantal trillingen, zodat het product van twee verschillende subdraaggolven, opgeteld over één symbool, nul is. Dat is wat orthogonaal betekent, en daardoor kan de ontvanger de component van elke subdraaggolf afzonderlijk eruit halen, ook al overlappen de spectra van naburige subdraaggolven. Vergeleken met klassieke frequentiemultiplexing, die ruimte (guard bands) tussen de draaggolven openlaat, wordt het spectrum efficiënter benut.

Implementatie met de FFT en het cyclisch prefix

In plaats van elke subdraaggolf met een eigen oscillator op te wekken, moduleert de zender ze allemaal tegelijk met een inverse snelle fouriertransformatie (IFFT) en demoduleert de ontvanger ze met een snelle fouriertransformatie (FFT). Dat deze berekening efficiënt in digitale schakelingen kan worden uitgevoerd, is een van de redenen waarom OFDM zich heeft verspreid. Daarnaast voorkomt een cyclisch prefix (CP), gemaakt door het einde van elk symbool vooraan te kopiëren, intersymboolinterferentie door golven die via multipath vertraagd aankomen, en blijft de orthogonaliteit behouden.

Zwakke punten en tegenmaatregelen

Een OFDM-signaal is de som van veel subdraaggolven, zodat de verhouding tussen piekvermogen en gemiddeld vermogen (PAPR) groot is; de vermogensversterker moet in zijn lineaire gebied worden gebruikt, wat het rendement meestal verlaagt. Ook frequentieafwijkingen (fouten van de oscillator of dopplerverschuiving) en faseruis verstoren de orthogonaliteit tussen de subdraaggolven en veroorzaken interferentie. Daarom gebruikt de uplink van mobiele netwerken DFT-gespreide OFDM met een kleinere PAPR, en wordt in hogere frequentiebanden een grotere afstand tussen de subdraaggolven gebruikt.

Nu oefenen: vragen over OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)

Welke beschrijving van OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) is juist?

  1. AEen methode die gegevens verdeelt over veel onderling orthogonale subdraaggolven die parallel worden verzonden; doordat de afstand tussen de subdraaggolven gelijk is aan het omgekeerde van de symboolduur, kunnen ze zonder onderlinge interferentie worden gescheiden, ook al overlappen hun spectra
  2. BEen methode die één draaggolf met een hoge symboolsnelheid moduleert en, omdat de symbolen kort zijn, weinig last heeft van vertraging door multipath
  3. CEen methode waarbij het signaal van elke gebruiker met een andere spreidingscode wordt vermenigvuldigd en tegelijk op dezelfde frequentie wordt verzonden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Een methode die gegevens verdeelt over veel onderling orthogonale subdraaggolven die parallel worden verzonden; doordat de afstand tussen de subdraaggolven gelijk is aan het omgekeerde van de symboolduur, kunnen ze zonder onderlinge interferentie worden gescheiden, ook al overlappen hun spectra

OFDM verdeelt de gegevens over veel subdraaggolven, moduleert elke subdraaggolf met een lage symboolsnelheid en verzendt ze parallel. Als de afstand tussen de subdraaggolven gelijk is aan het omgekeerde van de symboolduur, zijn ze ondanks overlappende spectra onderling orthogonaal; de ontvanger kan ze scheiden en het spectrum wordt efficiënt benut. Omdat de symbolen van elke subdraaggolf lang zijn, heeft de methode weinig last van vertraging door multipath. De verwerking gebeurt efficiënt met een inverse snelle fouriertransformatie (IFFT) in de zender en een snelle fouriertransformatie (FFT) in de ontvanger; OFDM wordt gebruikt in draadloze LAN's, 4G LTE, 5G NR, digitale terrestrische omroep en meer.

Wat is bij OFDM het belangrijkste doel van het cyclisch prefix (CP), dat ontstaat door een deel van het einde van elk symbool te kopiëren en vooraan het symbool toe te voegen?

  1. ADe verhouding tussen piekvermogen en gemiddeld vermogen (PAPR) van het zendsignaal verlagen en het rendement van de vermogensversterker verhogen
  2. BGegevens aan het begin van het symbool herhalen, zodat fouten worden gedetecteerd in plaats van foutcorrigerende codes te gebruiken
  3. CInterferentie met het vorige symbool door via multipath vertraagd aankomende golven opvangen en de orthogonaliteit tussen de subdraaggolven behouden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Interferentie met het vorige symbool door via multipath vertraagd aankomende golven opvangen en de orthogonaliteit tussen de subdraaggolven behouden

Golven die via multipath vertraagd aankomen, leggen het einde van het vorige symbool over het begin van het volgende (intersymboolinterferentie). Is het CP langer dan de spreiding van de vertragingen (delay spread), dan blijft deze overlap binnen het CP, en de interferentie verdwijnt als de ontvanger het CP vóór de verwerking weggooit. Omdat het CP een kopie van het einde van het symbool is, zien ook vertraagd aankomende golven er binnen het interval dat de FFT verwerkt periodiek uit, zodat de orthogonaliteit tussen de subdraaggolven behouden blijft. Daar staat tegenover dat het CP tijd toevoegt waarin geen gegevens worden verzonden, zodat de transmissie-efficiëntie daalt.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen OFDM en OFDMA?

OFDM is een modulatie- en multiplexmethode die gegevens over veel subdraaggolven verzendt. OFDMA is een methode voor meervoudige toegang die de subdraaggolven van OFDM, in eenheden die naar tijd en frequentie zijn afgebakend, aan verschillende gebruikers toewijst, zodat meerdere gebruikers tegelijk communiceren. OFDMA wordt gebruikt in de downlink van 4G LTE, in 5G NR en in draadloze LAN's vanaf IEEE 802.11ax.

Waarom is OFDM goed bestand tegen multipath?

Omdat de gegevens over veel subdraaggolven worden verdeeld, zijn de symbolen van elke subdraaggolf lang, zodat de vertraging van later aankomende golven klein is ten opzichte van een symbool. De vertraging kan bovendien binnen het cyclisch prefix worden opgevangen. Zelfs bij frequentieselectieve fading, waarbij het ontvangen vermogen op bepaalde frequenties wegvalt, worden maar enkele subdraaggolven getroffen, en foutcorrigerende codes kunnen dat compenseren.

“OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)” in de toelichting

Vragen met “OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)” (9)

  1. Welke beschrijving van OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) is juist?
  2. Wat is bij OFDM het belangrijkste doel van het cyclisch prefix (CP), dat ontstaat door een deel van het einde van elk symbool te kopiëren en vooraan het symbool toe te voegen?
  3. Bij OFDM is de symboolduur zonder CP gelijk aan het omgekeerde van de afstand tussen de subdraaggolven. Welke waarde ligt het dichtst bij de symboolduur zonder CP als de afstand tussen de subdraaggolven van 15 kHz naar 60 kHz wordt vergroot?
  4. Wat is de meest passende belangrijkste reden waarom de uplink van 4G LTE (zenden van terminal naar basisstation) SC-FDMA (DFT-gespreide OFDM) gebruikt in plaats van de OFDMA van de downlink?
  5. Wat is in een zender voor OFDM-signalen of QAM-signalen met veel niveaus de belangrijkste reden om de vermogensversterker (PA) te gebruiken in een werkpunt onder het punt waarop de uitgang verzadigt (met back-off)?
  6. Welk verschijnsel in radiocommunicatie houdt in dat golven die door gebouwen en dergelijke worden gereflecteerd door verschillende padlengtes later aankomen, interfereren met de rechtstreeks aankomende golf en het ontvangen vermogen op bepaalde plaatsen of frequenties sterk laten dalen?
  7. Een terminal die een radiogolf van 2 GHz ontvangt, nadert het basisstation met 30 m/s (108 km/h). Neem voor de lichtsnelheid 3×10⁸ m/s. Welke waarde ligt het dichtst bij de grootte van de frequentieverschuiving (dopplerverschuiving) van de golf die de terminal ontvangt?
  8. Bij welke methode voor meervoudige toegang gebruiken meerdere gebruikers dezelfde frequentie op hetzelfde moment en worden hun signalen onderscheiden door voor elke gebruiker een andere code?
  9. Welke beschrijving van OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) is juist?

Verwante termen

QAM (quadratuuramplitudemodulatie) Fading ECC (foutcorrigerende code) Beamforming (bundelvorming) BLE (Bluetooth Low Energy) Directe-conversieontvanger (zero-IF) Linkbudget LPWA (low-power wide-area) MIMO (multiple-input multiple-output) NFC (near field communication)

Naar de woordenlijst