Entwurf und Auswertung von OFDM-Wellenformen in einem drahtlosen System

Bei Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) handelt es sich um ein Multicarrier-Modulationssystem, in dem Daten als Kombination aus orthogonalen schmalbandigen Signalen übertragen werden, die als Subcarrier bezeichnet werden. OFDM baut auf einer Einzelträgermodulation wie beispielsweise QAM auf und kann Daten mit ähnlichen Raten übertragen. Allerdings ist OFDM fehlerresistenter für frequenzselektives Fading und vereinfacht die Entzerrung am Empfänger. OFDM ist ein grundlegendes Konzept, das in vielen gängigen drahtlosen Kommunikationsstandards zu finden ist, beispielsweise Wi-Fi, LTE und 5G. Mithilfe von MATLAB® und Simulink® können Sie OFDM-Wellenformen konfigurieren und generieren und dabei diese Standards einhalten, um ein Bitübertragungsmodell Ihres drahtlosen Kommunikationssystems zu simulieren und zu testen.

Wie funktioniert OFDM?

Das OFDM-Übertragungskonzept kann in mehrere Komponenten unterteilt werden. Die Daten werden als Erstes kodiert und moduliert, in der Regel in QAM-Symbole. Diese Symbole werden in gleichmäßig verteilte Frequenzlinien geladen und eine inverse Fast-Fourier-Transformation (IFFT) wird angewendet, um das Signal in orthogonale überlappende Sinuskurven im Zeitbereich umzuwandeln. Die IFFT wird mit der folgenden Gleichung angegeben:

$$x(n) = { 1 \über N} \sum_{k=0}^{N-1} X(k) e^{i \frac{2 \pi xt}{N}} $$

Die N-Proben an der Ausgabe der IFFT ergeben ein OFDM-Symbol. Anschließend wird ein zyklisches Präfix an jedes OFDM-Symbol angehängt, wodurch die Berechnung der zyklischen Faltung durch die lineare Faltung ermöglicht wird, wenn das zyklische Präfix mindestens so lang ist wie die Kanalimpulsantwort. Dies ermöglicht die Entzerrung am Empfänger, um Interferenzen zwischen Symbolen durch eine geradlinige komplexe Skalarmultiplikation zu beheben, die auf jedes OFDM-Symbol unabhängig angewendet wird. In einer typischen OFDM-Anwendung werden bekannte Pilotensymbole zur Unterstützung der Kanalschätzung und -entzerrung am Sender hinzugefügt.

Prozess für die Simulation und Verifizierung eines typischen OFDM-Übertragungs-Workflows mithilfe von MATLAB. (Code-Beispiel)

In Standards wie LTE oder 5G können mehrere OFDM-Symbole verkettet und in OFDM-Slots oder Subframes übertragen werden. Die Anzahl an Symbolen pro Subframe hängt von dem Standard und dem Abstand des Subcarriers ab. Beispielsweise zeigt das nachstehende LTE-Ressourcenraster eine Konfiguration mit Subcarriern, die in Blöcken von 12 gruppiert sind (alle 12 Subcarrier stellen einen Ressourcenblock dar), und 14 OFDM-Symbolen pro Subframe.

Zuordnung physikalischer OFDM-Kanäle zu einem Ressourcenraster mithilfe der LTE Toolbox. (Beispiel)

Warum sollten Sie OFDM nutzen?

OFDM ist ein weit verbreitetes Konzept, das in vielen drahtlosen Kommunikationsstandards genutzt wird. Einige Vorteile von OFDM:

  • Überwindung von frequenzselektivem Fading und Multipfad-Verzerrungen in Breitbandkanälen
  • Ermöglichung von unabhängig auftretender Kanalschätzung und -entzerrung bei jedem Subcarrier
  • Einfaches Teilen von Ressourcen in mehreren Datenströmen
  • Gute Eignung für MIMO- und Massive MIMO-Systeme, da es bei jedem Subcarrier zu flachem Fading kommt, sodass die Entzerrung einen einzelnen Abgriff pro Subcarrier umfasst
  • Hohe allgemeine spektrale Effizienz

OFDM mit MATLAB und Simulink

MATLAB, Simulink und zugehörige Toolboxen für drahtlose Kommunikation, wie die Communications Toolbox™, WLAN Toolbox™, LTE Toolbox™ und 5G Toolbox™, enthalten Funktionen und Blöcke für das direkte Entwerfen und Testen von OFDM-Signalen. Sie können MATLAB und Simulink für folgende Zwecke verwenden:

  • Entwerfen, Testen und Durchführen von Simulationen von OFDM-Wellenformen auf Verbindungsebene
  • Anpassen von OFDM-Parametern wie Trainingssignal, Anhängen von Nullen und zyklischem Präfix mit Funktionen und Blöcken
  • Anwenden von OFDM in Ihrem drahtlosen Systementwurf zur Analyse von Metriken wie Verbindungsleistung, Fehlerresistenz, Kanalschätzung und Entzerrung
  • Entwurf und Optimierung von digitalen, analogen oder hybriden Beamforming-Algorithmen zur Maximierung der Leistung
  • Aufrufen spezifischer Funktionen, die für verschiedene Industriestandards angepasste OFDM-Wellenformen generieren
  • Generieren standardkonformer OFDM-Wellenformen für die Verwendung von Simulationen oder Over-the-Air-Tests mit der Wireless Waveform Generator-App
  • Entwerfen Sie für HDL-Codegenerierung und Hardware-Implementierung optimierte drahtlose OFDM-Systeme mit der Wireless HDL Toolbox™.

Siehe auch: Drahtlose Kommunikation, Entwicklung von 5G-Funktechnologien, Massive MIMO, HF-System, drahtloser Sendeempfänger, 5G Toolbox, LTE Toolbox, WLAN Toolbox, Software-Defined Radio, Kanalmodell