Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ist ein Mehrträgerverfahren. Anstatt einen einzelnen Signalträger zu modulieren, werden mehrere tausend Träger gleichzeitig moduliert. Jeder einzelne Träger ist phasen- und (ab 4 bit pro Symbol zusätzlich) amplitudenmoduliert und trägt von daher die Information von mehreren Bits (typischerweise 2 bis 6 bit) pro Symbol.

Vorteil: Die Symboldauer ist gegenüber Einträgerverfahren sehr viel länger, da die Daten parallel statt seriell übertragen werden. Das resultierende Hochfrequenzsignal liegt also um ein Tausendfaches länger stabil „in der Luft“. Dies bringt Vorteile insbesondere beim Mehrwegempfang (d.h. bei Echos). Bis zu einer bestimmten, durch den OFDM-Parameter „Schutzintervall“ festgelegten Zeitspanne, verschlechtern Echos den Empfang nicht. Je größer das Schutzintervall, umso länger darf das Echo sein, bei z.B. 250 µs werden Signalwegunterschiede bis zu 75 km toleriert. Gleichzeitig bedeutet dies aber auch, dass mehrere Sender (mit identischem Signal) auf derselben Frequenz senden dürfen (Gleichwellennetz/Single Frequency Network, SFN). Es muss nur sichergestellt werden, dass weiter als das Schutzintervall entfernte Sender keinen signifikanten Anteil am lokalen Gesamtsignal stellen. Gleichwellennetze verbessern die Frequenzplanung und die Empfangssituation erheblich und erlauben durch konstruktive Interferenz niedrigere Sendeleistungen.

Rechenbeispiel:

Mit 8192 Trägern, 64-QAM-Modulation (entspricht 6 bit pro Träger) und einer Symboldauer von einer Millisekunde lassen sich also 8192 * 6 * 1 / 1.e-3 = 49152000 bit/s übertragen. Wird das Symbol kurz wiederholt („gelooped“), entspricht die Wiederholungszeit dem Schutzintervall. Für großflächige terrestrische Übertragungen sind 50 µs bis 250 µs Schutzintervall notwendig, die maximale Datenrate im Beispiel würde damit um 5% bis 25% sinken.

Anwendungsbeispiele

• Digital Audio Broadcasting (DAB) mit 192 bis 1536 Trägern (auf ca. 1,5 MHz Bandbreite)
• Digital Radio Mondiale (DRM) mit 88 bis 460 Trägern (auf ca. 4 bis 20 kHz Bandbreite)
• DVB-T mit 2048 und 6144 Trägern (auf ca. 6,5 bis 7,5 MHz Bandbreite)
• 54 Mbps-WLAN nach IEEE 802.11g (mit 52 Trägern) und nach IEEE 802.11a
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) mit 32 Trägern für den Up- und 190 für den Downstream (jeweils 4,3125 kHz über ca. 1 MHz Bandbreite; siehe auch DMT)

Erzeugung

OFDM-Signale werden überwiegend mit komplex rechnenden IFFTs erzeugt. Die IFFT garantiert, dass alle Träger orthogonal zueinander stehen.

OFDM-Signal im Zeitbereich

OFDM-Signal im Frequenzbereich

Empfang

Auf Empfängerseite müssen die einzelnen Träger aus dem Signalgemisch separiert werden. Dies könnte mit einzelnen Filtern geschehen, was allerdings bei mehr als einer Handvoll Frequenzen zu aufwendig wird. Daher wird heutzutage bei allen OFDM-Decodern zum Empfang eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) benutzt, die die IFFT beim Sender rückgängig macht. Die Eingangsdaten der FFT sind die digitalisierten Werte des Signals aus einem Analog-Digital-Wandler (Analog-digital-Umsetzer, ADC).

Problematisch und aufwendig bei einem OFDM-Empfänger ist die Synchronisation auf das empfangene Signal, da der Empfänger keine direkte Zuführung des Sendetaktes hat. Üblicherweise laufen dazu mehrere Synchronisationsstufen hintereinander ab. Zunächst muss der Sampletakt des ADCs und die Frequenz des HF-Trägers so justiert werden, dass alle Träger exakt auf die FFT-Träger fallen (entspricht einer Streckung/Stauchung und Verschiebung des Spektrums). Durch das Vorhandensein von vielen Echos gibt es einen Zeitpunkt, an dem die Impulsantwort die größte Energie aufweist. Aus diesem Zeitpunkt kann auf die Zeitspanne geschlossen werden, in der Echos empfangen werden und sich aufeinanderfolgende Symbole überlagern. Er wird über bestimmte Referenzsymbole bzw. Pilotträger mit einer Auto-Korrelation gefunden. Als letztes muss die für Quadraturamplitudenmodulation (QAM) notwendige Phasenreferenz extrahiert werden (sogenannte Kanalschätzung).

Je nach OFDM-Verfahren unterstützen verschiedene Zusatzsignale diese Sychronisation. Bei Digital Audio Broadcasting (DAB) überträgt man dazu ein Symbol lang gar keine Energie (Nullsymbol) und anschließend ein sog. Phasenreferenzsymbol zur exakten Frequenz- und Zeitsynchronisation. DVB-T nutzt ein systematisch über die Träger hinwegwanderndes Muster von Pilottönen. Mithilfe dieser Pilottöne kann die Phasenänderung über die Frequenz und Zeit hinweg ermittelt werden.