Orthogonales Frequenzmultiplexing

OrthogonalitätBearbeiten

Konzeptionell handelt es sich bei OFDM um ein spezialisiertes Frequenzmultiplexverfahren (FDM) mit der zusätzlichen Einschränkung, dass alle Unterträgersignale innerhalb eines Kommunikationskanals orthogonal zueinander sind.

Bei OFDM werden die Unterträgerfrequenzen so gewählt, dass die Unterträger orthogonal zueinander sind, was bedeutet, dass ein Übersprechen zwischen den Unterkanälen ausgeschlossen ist und keine Schutzbänder zwischen den Trägern erforderlich sind. Dies vereinfacht den Entwurf sowohl des Senders als auch des Empfängers erheblich; im Gegensatz zu herkömmlichem FDM ist kein separater Filter für jeden Unterkanal erforderlich.

Die Orthogonalität erfordert, dass der Unterträgerabstand Δ f = k T U {\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {k}{T_{U}}}}

Hertz, wobei TU Sekunden die nützliche Symboldauer (die empfängerseitige Fenstergröße) ist und k eine positive ganze Zahl ist, typischerweise gleich 1. Dies legt fest, dass jede Trägerfrequenz k vollständige Zyklen pro Symbolperiode durchläuft als der vorherige Träger. Bei N Unterträgern ist daher die gesamte Durchlassbandbreite B ≈ N-Δf (Hz).

Die Orthogonalität ermöglicht auch eine hohe spektrale Effizienz mit einer Gesamtsymbolrate nahe der Nyquist-Rate für das äquivalente Basisbandsignal (d. h. nahe der Hälfte der Nyquist-Rate für das physikalische Durchlassbandsignal mit doppeltem Seitenband). Es kann fast das gesamte verfügbare Frequenzband genutzt werden. OFDM hat im Allgemeinen ein nahezu „weißes“ Spektrum, was ihm günstige elektromagnetische Störeigenschaften in Bezug auf andere Gleichkanalnutzer verleiht.

Ein einfaches Beispiel: Eine sinnvolle Symboldauer TU = 1 ms würde einen Unterträgerabstand von Δ f = 1 1 m s = 1 k H z {\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {1}{1\,\mathrm {ms} }},=\,1\,\mathrm {kHz} }

(oder ein ganzzahliges Vielfaches davon) für Orthogonalität. Bei N = 1.000 Unterträgern ergibt sich eine Gesamtdurchlassbandbreite von NΔf = 1 MHz. Für diese Symbolzeit beträgt die theoretisch erforderliche Bandbreite nach Nyquist B W = R / 2 = ( N / T U ) / 2 = 0,5 M H z {\displaystyle \scriptstyle \mathrm {BW} =R/2=(N/T_{U})/2=0,5\,\mathrm {MHz} }

(die Hälfte der von unserem System benötigten Bandbreite), wobei R die Bitrate und N = 1.000 Abtastwerte pro Symbol durch FFT ist. Bei Anwendung eines Schutzintervalls (siehe unten) wäre die erforderliche Nyquist-Bandbreite noch geringer. Die FFT würde zu N = 1.000 Abtastungen pro Symbol führen. Ohne Schutzintervall würde dies zu einem komplexwertigen Basisbandsignal mit einer Abtastrate von 1 MHz führen, was nach Nyquist eine Basisbandbreite von 0,5 MHz erfordern würde. Das Durchlassband-HF-Signal wird jedoch durch Multiplikation des Basisbandsignals mit einer Trägerwellenform (d. h. Zweiseitenband-Quadratur-Amplitudenmodulation) erzeugt, was zu einer Durchlassbandbreite von 1 MHz führt. Ein Einseitenband- (SSB) oder Restseitenband- (VSB) Modulationsschema würde bei gleicher Symbolrate fast die Hälfte dieser Bandbreite erreichen (d. h. doppelt so hohe spektrale Effizienz bei gleicher Symbolalphabetlänge). Es ist jedoch empfindlicher gegenüber Mehrweginterferenzen.

OFDM erfordert eine sehr genaue Frequenzsynchronisation zwischen dem Empfänger und dem Sender; bei Frequenzabweichungen sind die Unterträger nicht mehr orthogonal, was zu Interträgerinterferenzen (ICI) führt (d. h. Übersprechen zwischen den Unterträgern). Frequenzabweichungen werden in der Regel durch nicht aufeinander abgestimmte Sender- und Empfängeroszillatoren oder durch Dopplerverschiebung aufgrund von Bewegungen verursacht. Während die Dopplerverschiebung allein vom Empfänger kompensiert werden kann, verschlimmert sich die Situation, wenn sie mit Mehrwegeffekten kombiniert wird, da Reflexionen bei verschiedenen Frequenzabweichungen auftreten, was viel schwieriger zu korrigieren ist. Dieser Effekt verschlimmert sich in der Regel mit zunehmender Geschwindigkeit und ist ein wichtiger Faktor, der den Einsatz von OFDM in Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen einschränkt. Um die ICI in solchen Szenarien abzuschwächen, kann man jeden Unterträger so gestalten, dass die Interferenz minimiert wird, die sich aus der Überlappung nicht-orthogonaler Unterträger ergibt. Ein Schema mit geringer Komplexität, das als WCP-OFDM (Weighted Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) bezeichnet wird, besteht beispielsweise darin, kurze Filter am Senderausgang zu verwenden, um eine potenziell nicht rechteckige Impulsformung und eine nahezu perfekte Rekonstruktion unter Verwendung einer Entzerrung mit einem Abgriff pro Unterträger durchzuführen. Andere ICI-Unterdrückungstechniken erhöhen in der Regel die Komplexität des Empfängers drastisch.

Implementierung mit dem FFT-AlgorithmusBearbeiten

Die Orthogonalität ermöglicht eine effiziente Modulator- und Demodulator-Implementierung unter Verwendung des FFT-Algorithmus auf der Empfängerseite und der inversen FFT auf der Senderseite. Obwohl die Prinzipien und einige der Vorteile seit den 1960er Jahren bekannt sind, wird OFDM heute für die Breitbandkommunikation durch kostengünstige digitale Signalverarbeitungskomponenten genutzt, die die FFT effizient berechnen können.

Die Zeit für die Berechnung der inversen FFT oder der FFT-Transformation muss kürzer sein als die Zeit für jedes Symbol,:84 was zum Beispiel für DVB-T (FFT 8k) bedeutet, dass die Berechnung in 896 µs oder weniger durchgeführt werden muss.

Für eine 8192-Punkte-FFT kann dies wie folgt angenähert werden:

M I P S = c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y T s y m b o l × 1,3 × 10 – 6 = 147 456 × 2 896 × 10 – 6 × 1,3 × 10 – 6 = 428 {\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {MIPS} &={\frac {\mathrm {computational\ complexity} }{T_{\mathrm {Symbol} }}\mal 1,3\mal 10^{-6}\&={\frac {147\;456\mal 2}{896\mal 10^{-6}}\mal 1,3\mal 10^{-6}\&=428\end{aligned}}}

• MIPS = Million Instruktionen pro Sekunde

Der Rechenaufwand skaliert annähernd linear mit der FFT-Größe, so dass eine doppelt so große FFT die doppelte Zeit benötigt und umgekehrt:83 Zum Vergleich: Ein Intel Pentium III CPU mit 1,266 GHz ist in der Lage, eine FFT mit 8192 Punkten in 576 µs mit FFTW zu berechnen. Ein Intel Pentium M mit 1,6 GHz schafft dies in 387 µs. Intel Core Duo mit 3,0 GHz schafft es in 96,8 µs.

Schutzintervall zur Eliminierung von IntersymbolinterferenzenBearbeiten

Ein Schlüsselprinzip von OFDM ist, dass, da Modulationsverfahren mit niedriger Symbolrate (d. h., bei denen die Symbole im Vergleich zu den Kanalzeitmerkmalen relativ lang sind) weniger unter Intersymbolinterferenzen leiden, die durch Mehrwegeausbreitung verursacht werden, es vorteilhaft ist, eine Reihe von Strömen mit niedriger Rate parallel anstelle eines einzelnen Stroms mit hoher Rate zu übertragen. Da die Dauer jedes Symbols lang ist, kann zwischen den OFDM-Symbolen ein Schutzintervall eingefügt werden, wodurch die Intersymbolinterferenz beseitigt wird.

Das Schutzintervall macht auch einen Pulsformungsfilter überflüssig und verringert die Empfindlichkeit gegenüber Zeitsynchronisationsproblemen.

Ein einfaches Beispiel: Wenn man eine Million Symbole pro Sekunde mit herkömmlicher Einträgermodulation über einen drahtlosen Kanal sendet, dann würde die Dauer jedes Symbols eine Mikrosekunde oder weniger betragen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Synchronisation und erfordert die Beseitigung von Mehrweg-Interferenzen. Wenn dieselbe Million Symbole pro Sekunde auf eintausend Unterkanäle verteilt wird, kann die Dauer jedes Symbols um den Faktor Tausend (d. h. eine Millisekunde) länger sein, um Orthogonalität mit ungefähr derselben Bandbreite zu erreichen. Es wird angenommen, dass zwischen den einzelnen Symbolen ein Schutzintervall von 1/8 der Symbollänge eingefügt wird. Intersymbolinterferenzen können vermieden werden, wenn die Zeitspanne zwischen dem Empfang des ersten und des letzten Echos kürzer ist als das Schutzintervall (d. h. 125 Mikrosekunden). Dies entspricht einer maximalen Differenz von 37,5 Kilometern zwischen den Längen der Pfade.

Das zyklische Präfix, das während des Schutzintervalls übertragen wird, besteht aus dem Ende des OFDM-Symbols, das in das Schutzintervall kopiert wird, und das Schutzintervall wird gefolgt von dem OFDM-Symbol übertragen. Der Grund dafür, dass das Schutzintervall aus einer Kopie des Endes des OFDM-Symbols besteht, ist, dass der Empfänger über eine ganzzahlige Anzahl von Sinuszyklen für jeden der Mehrwege integriert, wenn er die OFDM-Demodulation mit der FFT durchführt.

In einigen Standards wie Ultrabreitband wird im Interesse der Sendeleistung das zyklische Präfix übersprungen und während des Schutzintervalls nichts gesendet. Der Empfänger muss dann die Funktion des zyklischen Präfixes nachahmen, indem er den Endteil des OFDM-Symbols kopiert und zum Anfangsteil hinzufügt.

Vereinfachte EntzerrungBearbeiten

Die Auswirkungen von frequenzselektiven Kanalbedingungen, z. B. durch Mehrwegeausbreitung verursachtes Fading, können als konstant (flach) über einen OFDM-Unterkanal betrachtet werden, wenn der Unterkanal ausreichend schmalbandig ist (d. h. wenn die Anzahl der Unterkanäle ausreichend groß ist). Dies ermöglicht eine Entzerrung im Frequenzbereich des Empfängers, was wesentlich einfacher ist als die Entzerrung im Zeitbereich, die bei der konventionellen Einträgermodulation verwendet wird. Bei OFDM muss der Entzerrer nur jeden erkannten Unterträger (jeden Fourier-Koeffizienten) in jedem OFDM-Symbol mit einer konstanten komplexen Zahl oder einem selten veränderten Wert multiplizieren. Grundsätzlich sind einfachere digitale Equalizer besser, weil sie weniger Operationen erfordern, was sich in weniger Rundungsfehlern im Equalizer niederschlägt. Diese Rundungsfehler können als numerisches Rauschen betrachtet werden und sind unvermeidlich.

Unser Beispiel: Die OFDM-Entzerrung im obigen Zahlenbeispiel würde eine komplexwertige Multiplikation pro Unterträger und Symbol erfordern (d.h. N = 1000 {\displaystyle \scriptstyle N\,=\,1000}

komplexe Multiplikationen pro OFDM-Symbol, d. h. eine Million Multiplikationen pro Sekunde beim Empfänger). Der FFT-Algorithmus erfordert N log 2 N = 10 , 000 {\displaystyle \scriptstyle N\log _{2}N\,=\,10.000}

. komplexwertige Multiplikationen pro OFDM-Symbol (d. h. 10 Millionen Multiplikationen pro Sekunde), sowohl auf der Empfänger- als auch auf der Senderseite. Dies sollte mit dem im Beispiel erwähnten Fall der Einträgermodulation mit einer Million Symbolen pro Sekunde verglichen werden, bei dem die Entzerrung einer Zeitspreizung von 125 Mikrosekunden unter Verwendung eines FIR-Filters in einer naiven Implementierung 125 Multiplikationen pro Symbol erfordern würde (d. h. 125 Millionen Multiplikationen pro Sekunde). Mit Hilfe von FFT-Techniken kann die Anzahl der Multiplikationen für einen FIR-Filter-basierten Zeitbereichsentzerrer auf eine mit OFDM vergleichbare Anzahl reduziert werden, allerdings um den Preis einer Verzögerung zwischen Empfang und Decodierung, die ebenfalls mit OFDM vergleichbar wird.

Wird auf jeden Unterträger eine differentielle Modulation wie DPSK oder DQPSK angewandt, kann die Entzerrung vollständig entfallen, da diese nichtkohärenten Verfahren unempfindlich gegenüber sich langsam ändernden Amplituden- und Phasenverzerrungen sind.

In gewissem Sinne führen Verbesserungen bei der FIR-Entzerrung unter Verwendung von FFTs oder partiellen FFTs mathematisch näher an OFDM heran, aber die OFDM-Technik ist einfacher zu verstehen und zu implementieren, und die Unterkanäle können unabhängig voneinander auf andere Weise als durch Variieren der Entzerrungskoeffizienten angepasst werden, z. B. durch Umschalten zwischen verschiedenen QAM-Konstellationsmustern und Fehlerkorrekturschemata zur Anpassung an die individuellen Rausch- und Störeigenschaften der Unterkanäle.

Einige der Unterträger in einigen der OFDM-Symbole können Pilotsignale zur Messung der Kanalbedingungen tragen (d.h., der Entzerrerverstärkung und Phasenverschiebung für jeden Unterträger). Pilotsignale und Trainingssymbole (Präambeln) können auch zur Zeitsynchronisation (zur Vermeidung von Intersymbolinterferenzen, ISI) und zur Frequenzsynchronisation (zur Vermeidung von durch Dopplerverschiebung verursachten Interträgerinterferenzen, ICI) verwendet werden.

OFDM wurde ursprünglich für die drahtgebundene und stationäre drahtlose Kommunikation verwendet. Mit einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen, die in hochmobilen Umgebungen betrieben werden, sind die Auswirkungen des dispersiven Fadings, das durch eine Kombination aus Mehrwegeausbreitung und Dopplerverschiebung verursacht wird, jedoch von größerer Bedeutung. In den letzten zehn Jahren wurde erforscht, wie die OFDM-Übertragung über doppelt selektive Kanäle entzerrt werden kann.

Kanalcodierung und VerschachtelungBearbeiten

OFDM wird immer in Verbindung mit Kanalcodierung (Vorwärtsfehlerkorrektur) eingesetzt und verwendet fast immer Frequenz- und/oder Zeitverschachtelung.

Frequenzverschachtelung (Unterträger) erhöht die Resistenz gegenüber frequenzselektiven Kanalbedingungen wie Fading. Wenn z. B. ein Teil der Kanalbandbreite schwächer wird, sorgt die Frequenzverschachtelung dafür, dass die Bitfehler, die von den Unterträgern im schwächeren Teil der Bandbreite verursacht werden, im Bitstrom verteilt und nicht konzentriert werden. In ähnlicher Weise stellt das Zeit-Interleaving sicher, dass Bits, die im Bitstrom ursprünglich nahe beieinander liegen, zeitlich weit auseinander übertragen werden, wodurch ein starkes Fading, wie es bei hoher Geschwindigkeit auftreten würde, abgemildert wird.

Das Zeit-Interleaving ist jedoch bei langsam schwindenden Kanälen, wie z. B. bei stationärem Empfang, von geringem Nutzen, und das Frequenz-Interleaving bietet wenig bis gar keinen Nutzen für Schmalbandkanäle, die unter Flat-Fading leiden (bei denen die gesamte Kanalbandbreite gleichzeitig schwindet).

Der Grund, warum Interleaving bei OFDM verwendet wird, ist der Versuch, die Fehler im Bitstrom, der dem Fehlerkorrekturdecoder vorgelegt wird, zu verteilen, denn wenn solche Decoder mit einer hohen Fehlerkonzentration konfrontiert werden, ist der Decoder nicht in der Lage, alle Bitfehler zu korrigieren, und es kommt zu einer Flut von unkorrigierten Fehlern. Ein ähnliches Design der Audiodatencodierung macht die Wiedergabe von Compact Discs (CD) robust.

Eine klassische Art der Fehlerkorrekturcodierung, die bei OFDM-basierten Systemen verwendet wird, ist die Faltungscodierung, die oft mit der Reed-Solomon-Codierung gekoppelt ist. In der Regel wird zwischen den beiden Kodierungsschichten ein zusätzliches Interleaving (zusätzlich zu dem oben erwähnten Zeit- und Frequenzinterleaving) implementiert. Die Wahl der Reed-Solomon-Codierung als äußerer Fehlerkorrekturcode beruht auf der Beobachtung, dass der für die innere Faltungsdecodierung verwendete Viterbi-Decodierer bei einer hohen Fehlerkonzentration kurze Fehlerbursts erzeugt und dass Reed-Solomon-Codes von Natur aus gut geeignet sind, Fehlerbursts zu korrigieren.

Neuere Systeme verwenden jedoch in der Regel nahezu optimale Arten von Fehlerkorrekturcodes, die das Prinzip der Turbo-Decodierung verwenden, bei dem der Decodierer auf die gewünschte Lösung hin iteriert. Beispiele für solche Fehlerkorrekturcodes sind Turbocodes und LDPC-Codes, die für den Kanal mit additivem weißem Gaußschen Rauschen (AWGN) nahe an der Shannon-Grenze arbeiten. Einige Systeme, die diese Codes implementiert haben, haben sie entweder mit Reed-Solomon-Codes (z. B. im MediaFLO-System) oder mit BCH-Codes (im DVB-S2-System) verknüpft, um die diesen Codes eigene Fehlergrenze bei hohen Signal-Rausch-Verhältnissen zu verbessern.

Adaptive ÜbertragungBearbeiten

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber schwierigen Kanalbedingungen kann weiter verbessert werden, wenn Informationen über den Kanal über einen Rückkanal gesendet werden. Auf der Grundlage dieser Rückkopplungsinformationen können adaptive Modulation, Kanalcodierung und Leistungszuweisung auf alle Unterträger oder individuell auf jeden Unterträger angewendet werden. Im letzteren Fall können, wenn ein bestimmter Frequenzbereich unter Störungen oder Dämpfungen leidet, die Träger in diesem Bereich deaktiviert oder langsamer gemacht werden, indem eine robustere Modulation oder Fehlerkodierung auf diese Unterträger angewandt wird.

Der Begriff diskrete Mehrtonmodulation (DMT) bezeichnet OFDM-basierte Kommunikationssysteme, die die Übertragung durch sogenanntes Bit-Loading für jeden Unterträger einzeln an die Kanalbedingungen anpassen. Beispiele sind ADSL und VDSL.

Die Geschwindigkeiten im Up- und Downstream können variiert werden, indem entweder mehr oder weniger Träger für jeden Zweck zugewiesen werden. Einige Formen von ratenadaptivem DSL nutzen diese Funktion in Echtzeit, so dass die Bitrate an die Gleichkanalstörungen angepasst wird und die Bandbreite demjenigen Teilnehmer zugewiesen wird, der sie am meisten benötigt.

OFDM erweitert mit MehrfachzugriffBearbeiten

OFDM wird in seiner primären Form als digitales Modulationsverfahren und nicht als Mehrbenutzer-Kanalzugriffsverfahren betrachtet, da es zur Übertragung eines Bitstroms über einen Kommunikationskanal unter Verwendung einer Folge von OFDM-Symbolen verwendet wird. OFDM kann jedoch mit Mehrfachzugriff durch Zeit-, Frequenz- oder Codierungstrennung der Benutzer kombiniert werden.

Beim orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (OFDMA) wird der Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff dadurch erreicht, dass verschiedenen Benutzern verschiedene OFDM-Unterkanäle zugewiesen werden. OFDMA unterstützt eine differenzierte Dienstqualität durch die Zuweisung einer unterschiedlichen Anzahl von Unterträgern an verschiedene Benutzer in ähnlicher Weise wie bei CDMA, so dass komplexe Paketplanungs- oder Medienzugriffskontrollverfahren vermieden werden können. OFDMA wird eingesetzt in:

• dem Mobilitätsmodus des IEEE 802.16 Wireless MAN-Standards, allgemein als WiMAX bezeichnet,
• dem IEEE 802.20 Mobile Wireless MAN-Standard, allgemein als MBWA bezeichnet,
• dem 3GPP Long Term Evolution (LTE) Mobilfunk-Breitbandstandard der vierten Generation im Downlink. Die Funkschnittstelle hieß früher High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) und heißt jetzt Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA).
• der 3GPP 5G NR (New Radio) Mobilfunkstandard der fünften Generation Downlink und Uplink. 5G NR ist der Nachfolger von LTE.
• das inzwischen eingestellte Qualcomm/3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB)-Projekt, das als Nachfolger von CDMA2000 gedacht war, aber durch LTE ersetzt wurde.

OFDMA ist auch ein Kandidat für den Zugang zu IEEE 802.22 Wireless Regional Area Networks (WRAN). Das Projekt zielt darauf ab, den ersten auf kognitivem Funk basierenden Standard zu entwickeln, der im VHF-Niedrig-UHF-Spektrum (TV-Spektrum) arbeitet.

• Die jüngste Änderung des 802.11-Standards, nämlich 802.11ax, beinhaltet OFDMA für hohe Effizienz und gleichzeitige Kommunikation.

In Multi-Carrier Code Division Multiple Access (MC-CDMA), auch bekannt als OFDM-CDMA, wird OFDM mit CDMA-Spreizspektrums-Kommunikation zur kodierten Trennung der Benutzer kombiniert. Gleichkanalinterferenzen können abgeschwächt werden, was bedeutet, dass die manuelle Frequenzplanung mit fester Kanalzuweisung (FCA) vereinfacht oder komplexe dynamische Kanalzuweisungsschemata (DCA) vermieden werden.

RaumdiversitätBearbeiten

Bei OFDM-basiertem Weitverkehrsrundfunk können Empfänger davon profitieren, dass sie Signale von mehreren räumlich verteilten Sendern gleichzeitig empfangen, da sich die Sender nur auf einer begrenzten Anzahl von Unterträgern gegenseitig destruktiv stören, während sie im Allgemeinen die Abdeckung eines großen Gebiets verstärken. Dies ist in vielen Ländern sehr vorteilhaft, da es den Betrieb von nationalen Einfrequenznetzen (SFN) ermöglicht, bei denen viele Sender das gleiche Signal gleichzeitig über dieselbe Kanalfrequenz senden. SFNs nutzen das verfügbare Spektrum effektiver als herkömmliche Mehrfrequenz-Rundfunknetze (MFN), bei denen die Programminhalte auf verschiedenen Trägerfrequenzen wiedergegeben werden. SFNs führen auch zu einem Diversitätsgewinn bei Empfängern, die sich in der Mitte zwischen den Sendern befinden. Der Versorgungsbereich wird vergrößert und die Ausfallwahrscheinlichkeit im Vergleich zu einem MFN verringert, da die über alle Unterträger gemittelte Empfangssignalstärke erhöht wird.

Obwohl das Schutzintervall nur redundante Daten enthält und somit die Kapazität verringert, verwenden einige OFDM-basierte Systeme, wie z. B. einige der Rundfunksysteme, absichtlich ein langes Schutzintervall, damit die Sender in einem SFN weiter voneinander entfernt sein können, und längere Schutzintervalle ermöglichen größere SFN-Zellen. Eine Faustregel für den maximalen Abstand zwischen den Sendern in einem SFN entspricht der Entfernung, die ein Signal während des Schutzintervalls zurücklegt – ein Schutzintervall von 200 Mikrosekunden würde beispielsweise einen Abstand von 60 km zwischen den Sendern ermöglichen.

Ein Einzelfrequenznetz ist eine Form der Sender-Makrodiversität. Das Konzept kann in dynamischen Einzelfrequenznetzen (DSFN) weiterverwendet werden, bei denen die SFN-Gruppierung von Zeitschlitz zu Zeitschlitz geändert wird.

OFDM kann mit anderen Formen der Raumdiversität kombiniert werden, zum Beispiel mit Antennengruppen und MIMO-Kanälen. Dies geschieht in den IEEE 802.11 Wireless LAN-Standards.

Linearer SenderleistungsverstärkerBearbeiten

Ein OFDM-Signal weist ein hohes Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (PAPR) auf, weil die unabhängigen Phasen der Unterträger bedeuten, dass sie sich oft konstruktiv kombinieren. Die Handhabung dieses hohen PAPR erfordert:

• einen hochauflösenden Digital-Analog-Wandler (DAC) im Sender
• einen hochauflösenden Analog-Digital-Wandler (ADC) im Empfänger
• eine lineare Signalkette

Jede NichtLinearität in der Signalkette führt zu Intermodulationsverzerrungen, die

• das Grundrauschen erhöhen
• Kann Interträgerinterferenzen verursachen
• Erzeugt Außerband-Störstrahlung

Die Linearitätsanforderung ist anspruchsvoll, insbesondere für die HF-Ausgangsschaltungen von Sendern, wo Verstärker oft nichtlinear ausgelegt sind, um den Stromverbrauch zu minimieren. In praktischen OFDM-Systemen ist ein geringes Maß an Peak Clipping zulässig, um die PAPR in einem vernünftigen Kompromiss gegen die oben genannten Folgen zu begrenzen. Das Ausgangsfilter des Senders, das erforderlich ist, um Ausserbandspitzen auf zulässige Pegel zu reduzieren, bewirkt jedoch, dass die Spitzenpegel, die beschnitten wurden, wiederhergestellt werden, so dass die Beschneidung keine wirksame Methode zur Reduzierung der PAPR ist.

Obwohl die spektrale Effizienz von OFDM sowohl für die terrestrische als auch für die Weltraumkommunikation attraktiv ist, haben die hohen PAPR-Anforderungen OFDM-Anwendungen bisher auf terrestrische Systeme beschränkt.

Der Crest-Faktor CF (in dB) für ein OFDM-System mit n unkorrelierten Unterträgern ist

C F = 10 log 10 ( n ) + C F c {\displaystyle CF=10\log _{10}(n)+CF_{c}}

wobei CFc der Crest-Faktor (in dB) für jeden Unterträger ist (CFc ist 3,01 dB für die Sinuswellen, die für BPSK- und QPSK-Modulation verwendet werden).

Zum Beispiel besteht das DVB-T-Signal im 2K-Modus aus 1705 Unterträgern, die jeweils QPSK-moduliert sind, was einen Crest-Faktor von 35.32 dB.

Es wurden viele Techniken zur Verringerung der PAPR (oder des Crest-Faktors) entwickelt, z. B. auf der Grundlage von Intertaive Clipping.

Der für einen UKW-Empfänger erforderliche Dynamikbereich beträgt 120 dB, während DAB nur etwa 90 dB benötigt. Zum Vergleich: Jedes zusätzliche Bit pro Sample erhöht den Dynamikbereich um 6 dB.