تکنیک مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد در برخی از جدیدترین سیستم‌های وایرلس پهن باند با نرخ داده بالا مانند WIFI و مخابرات از راه دور سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب قصد داریم به بررسی اصول کار این روش مدولاسیون بپردازیم و ویژگی‌های آن را بیان کنیم.
مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا OFDM
مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا OFDM از تعداد زیادی سیگنال‌های حامل استفاده می‌کند که هر کدام از این سیگنال‌های حامل مسئول حمل داده‌های با نرخ بیت پایین هستند. این امر بدین معنی خواهد بود که مدولاسیون OFDM در مقابل «محوشدگی گزینشی» (Selective Fading)، تداخل و اثرات چند مسیری بسیار منعطف است و همچنین درجه کارایی طیفی بالایی دارد. برای سیستم‌های اولیه که از روش مدولاسیون OFDM استفاده می‌کردند، پردازش‌های مورد نیاز در این روش نسبتا سنگین بود. اما با پیشرفت تکنولوژی، مشکلات مدولاسیون OFDM در زمینه توان پردازش مورد نیاز تا حد بسیار زیادی کاهش یافت.
تاریخچه مدولاسیون OFDM
استفاده از روش مدولاسیون OFDM و مدولاسیون چند حاملی به سال‌های اخیر باز می‌گردد. استفاده از این مدولاسیون پلتفرم بسیار مناسبی را برای مخابرات بی‌سیم دادهها فراهم کرده است. مدولاسیون OFDM اولین بار در سال‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ و در طول تحقیقات روی روش‌های کاهش اثر تداخل بین کانال‌های نزدیک به هم بررسی شد. در واقع هدف از این تحقیقات، نیاز به یک روش مدولاسیون بود که تا حد ممکن مخابرات داده بدون خطا در حضور تداخل و شرایط انتشار گزینشی محقق شود. برای استفاده از روش مدولاسیون OFDM به سطح نسبتا بالایی از پردازش نیاز بود که در آن زمان و در کاربردهای متداول چنین امکانی وجود نداشت.
برخی از اولین سیستم‌هایی که توانستند از روش مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد استفاده کنند، سیستم‌های پخش تلویزیونی دیجیتال بودند. در این سیستم‌ها، مدولاسیون OFDM قادر بود انتقال داده با قابلیت اطمینان بسیار بالا را در شرایط و مسیرهای سیگنال مختلف امکان پذیر کند. یک مثال از این سیستم‌ها در رادیو دیجیتال DAB بود که در اروپا مورد استفاده قرار می‌گرفت. یک کمپانی در کشور نروژ اولین بار اقدام به استفاده از مدولاسیون OFDM برای پخش تلویزیونی کرد.
در سال‌های بعد، به دلیل افزایش توان پردازش سیستم‌ها و نیز افزایش سطح تجمیع مدارات، مهندسان توانستند از روش OFDM در سیستم‌های مخابرات موبایل 4G نیز استفاده کنند و این سرویس از سال ۲۰۰۹ مورد استفاده وسیع قرار گرفت. همچنین امروزه از مدولاسیون OFDM برای WIFI و گستره وسیعی از سایر سیستم‌های داده وایرلس استفاده می‌شود.
اصول کار مدولاسیون OFDM
همان طور که گفتیم، مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یکی از روش‌های مدولاسیون چند حاملی به شمار می‌آید. یک سیگنال OFDM از تعدادی سیگنال حامل مدوله شده نزدیک به هم تشکیل شده است.در تصویر زیر نمایی از سیگنال‌های حامل چندگانه در مدولاسیون OFDM نشان داده شده است.
زمانی که مدولاسیونی از هر نوع (صوت، تصویر، داده و …) را به یک سیگنال حامل اعمال کنیم، آن‌گاه باندهای جانبی از هر طرف گسترده می‌شوند. برای یک گیرنده امری بسیار ضروری است که بتواند تمام سیگنال را به صورت کامل دریافت کند تا در نهایت سیگنال پیام اصلی را از طریق دمدولاسیون سیگنال دریافتی بازسازی کند. در نتیجه، زمانی که سیگنال‌ها بسیار نزدیک به یکدیگر ارسال می‌شوند، باید مدولاسیون به صورتی باشد که گیرنده با استفاده از یک فیلتر قادر به تفکیک آن‌ها از یکدیگر باشد. برای این کار می‌توان از یک باند محافظتی بین هر کدام از آن‌ها استفاده کرد. اگرچه باندهای جانبی از هر حامل با یکدیگر همپوشانی دارند، اما باز هم می‌توان آن‌ها را بدون تداخل (که ممکن است انتظار آن را داشته باشیم.) دریافت کرد؛ زیرا این سیگنال‌ها بر یکدیگر عمود هستند. در ادامه قصد داریم به بررسی اصول کار مدولاسیون تقسیم فرکانس چندگانه متعامد بپردازیم و تمام این موارد را به صورت واضح‌تر بیان کنیم.
در مخابرات اگر انتقال یک سیگنال دیجیتال را در درون یک کانال غیر ایده‌آل در نظر بگیریم، مشاهده می‌کنیم که زمانی که «هم‌پاسخی سرعت سیستم» (reciprocal of the system rate) تا حد زیادی کوچک‌تر از «انتشار زمانی» (طول پاسخ ضربه) کانال غیر ایده‌آل باشد، این کانال موجب ایجاد «تداخلات بین سمبلی» (Intersymbol Interference) می‌شود. در چنین حالتی، یک برابر کننده یا اکوالایزر کانال در گیرنده اعمال می‌شود تا اعوجاجات کانال را جبران کند.
اگر کانال از نوع میان گذر با پهنای باند مشخص باشد، آن‌گاه سیگنال شامل اطلاعات ممکن است در باند پایه تولید شود و سپس به فرکانس باند عبور انتقال یابد. بنابراین سیگنال شامل اطلاعات روی یک سیگنال حامل تکی منتقل می‌شود. نکته دیگری که وجود دارد این است که تداخلات بین سمبلی اکثرا موجب خرابی عملکرد می‌شوند، حتی در حالتی که در گیرنده از آشکارساز بهینه برای بازیابی سمبل‌های پیام استفاده شود.
یک راه دیگر برای طراحی یک سیستم مخابراتی با پهنای باند موثر در حضور اعوجاج کانال این است که پهنای باند کانال موجود را به تعدادی «زیرکانال» (Subchannels) با پهنای باندهای برابر تقسیم کنیم. این تقسیم باید به صورتی باشد که پهنای باند هر زیر کانال به اندازه کافی باریک باشد تا مشخصه پاسخ فرکانسی زیرکانال‌ها تقریبا ایده‌آل شود.
کلام آخر
همانطور که گفتیم تکنیک مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد در برخی از جدیدترین سیستم‌های وایرلس پهن باند با نرخ داده بالا مانند WIFI و مخابرات از راه دور سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور مثال از این فناوری در روتر Huawei AX3 WiFi 6 – Dual Core استفاده شده است. هواوی اعلام کردفناوری OFDMA چند کاربره پشتیبانی می‌کند که به دستگاه قابلیت ارسال دادهها به دستگاه‌های مختلف به صورت همزمان (تا 4 دستگاه در شبکه 2.4 گیگاهرتزی و تا 16 دستگاه در شبکه 5 گیگاهرتزی) را می‌دهد.
درباره دیجی کالا