Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren

OFDM ist die Abkürzung für Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

OFDM ist ein Mehrträgerverfahren. Das bedeutet: anstatt einen einzelnen Träger zu modulieren, werden mehrere tausend Träger gleichzeitig moduliert. Jeder einzelne Träger ist Amplituden- und/oder Phasen-moduliert und trägt von daher die Information von mehreren Bits (typischerweise 2-6 Bit).

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. 0.25ms werden Signalwegunterschiede bis zu 75km toleriert. Gleichzeitig bedeutet dies aber auch, dass mehrere Sender (mit identischem Signal) auf derselben Frequenz senden dürfen (Gleichwellennetz/Single Frequency Network). 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 * 1/1.0e-3 = 49152000 Bit/s übertragen. Wird das Symbol kurz wiederholt ("gelooped"), entspricht die Wiederholungszeit dem Schutzintervall. Für grössflächige terrestrische Übertragungen sind 0.05-0.25ms Schutzintervall notwendig, die maximale Datenrate im Beispiel würde damit um 5 bis 25% sinken.

Anwendungsbeispiele:

Digital_Audio_Broadcasting mit 192 bis 1536 Trägern DVB-T mit 2048 und 6144 Trägern 54Mbit-WLAN mit 52 Trägern

Erzeugung:

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

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. Eingangsdaten der FFT sind die digitalisierten Werte des Signals aus einem Analog-Digital-Wandler (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 so justiert werden, dass alle Träger exakt auf die FFT-Träger fallen (entspricht einer Streckung/Stauchung und Verschiebung des Spektrums). Durch das Vorhandensein von Echos gibt es Zeitpunkte, an denen das Spektrum die meisten Energie aufweist und daher das Signal insgesamt am besten ist. Diese Zeitpunkte werden über bestimmte Referenzsymbole bzw. Pilotträger mit einer Auto-Korrelation gefunden. Als letztes muss die für QAM notwendige Phasenreferenz extrahiert werden (sog. Kanalschätzung).

Je nach OFDM-Verfahren unterstützen verschiedene Zusatzsignale diese Sychronisation. Digital_Audio_Broadcasting überträgt 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.