OFDM

Progettazione e valutazione di forme d’onda OFDM in un sistema wireless

L’Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) è un sistema di modulazione multiportante in cui i dati vengono trasmessi come una combinazione di segnali ortogonali a banda stretta noti come sottoportanti. L’OFDM si basa sulla modulazione a portante singola, ad esempio QAM, ed è in grado di trasmettere i dati ad una velocità simile. Tuttavia, l’OFDM è più resistente al fading selettivo in frequenza e semplifica l’equalizzazione al ricevitore. L’OFDM è uno schema di base presente in numerosi standard di comunicazione wireless diffusi, come Wi-Fi, LTE e 5G. È possibile utilizzare MATLAB® e Simulink® per configurare e generare forme d’onda OFDM conformemente a questi standard per simulare e testare un modello di layer fisico del sistema di comunicazione wireless.

In che modo funziona l’OFDM?

Lo schema di trasmissione OFDM può essere suddiviso in vari componenti. Prima di tutto i dati vengono codificati e modulati, solitamente in simboli QAM. Questi simboli vengono poi caricati in bin di frequenza equidistanti e viene applicata una trasformata di Fourier veloce inversa (IFFT) per trasformare il segnale in sinusoidi ortogonali sovrapposte nel dominio del tempo. L’IFFT è data dall’equazione:

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

Gli N campioni di output dell’IFFT costituiscono un singolo simbolo OFDM. Successivamente viene aggiunto un prefisso ciclico a ciascun simbolo OFDM, consentendo di calcolare la convoluzione circolare attraverso la convoluzione lineare se il prefisso ciclico è lungo almeno quanto la risposta all’impulso del canale. Ciò fa sì che l’equalizzazione al ricevitore rimuova l’interferenza intersimbolica attraverso una moltiplicazione scalare complessa applicata indipendentemente a ciascun simbolo OFDM. In una tipica applicazione dell’OFDM, vengono aggiunti simboli pilota noti al trasmettitore per facilitare la stima e l’equalizzazione del canale.

Procedura di simulazione e verifica di un tipico workflow di trasmissione OFDM con MATLAB.

Procedura di simulazione e verifica di un tipico workflow di trasmissione OFDM con MATLAB. (esempio di codice)

In standard come LTE o 5G, è possibile concatenare e trasmettere più simboli OFDM in slot o subframe OFDM. Il numero di simboli per ciascun subframe dipende dallo standard e dalla spaziatura delle sottoportanti. Ad esempio, la seguente griglia di risorse LTE rappresenta una configurazione con sottoportanti raggruppate in blocchi di 12 (ogni 12 sottoportanti equivalgono a un blocco di risorse) e di 14 simboli OFDM per subframe.

Mappatura dei canali fisici OFDM in una griglia di risorse con LTE Toolbox.

Mappatura dei canali fisici OFDM in una griglia di risorse con LTE Toolbox. (esempio)

Perché utilizzare l’OFDM?

L’OFDM è uno schema ampiamente utilizzato in numerosi standard di comunicazione wireless. Alcuni vantaggi dell’OFDM includono:

  • Superamento del fading selettivo in frequenza e delle distorsioni multipath nei canali a banda larga
  • Possibilità di effettuare la stima del canale e l’equalizzazione in modo indipendente in ciascuna sottoportante
  • Facilità di condivisione delle risorse su più flussi di dati
  • Capacità di integrazione con i sistemi MIMO e Massive MIMO in quanto ciascuna sottoportante subisce un fading piatto, per cui l’equalizzazione include un singolo tap per sottoportante
  • Elevata efficienza spettrale complessiva

OFDM con MATLAB e Simulink

MATLAB, Simulink e i toolbox di comunicazione wireless correlati come Communications Toolbox™, WLAN Toolbox™, LTE Toolbox™ e 5G Toolbox™ includono funzioni e blocchi per la progettazione e il test diretti di segnali OFDM. Con MATLAB e Simulink è possibile:

  • Progettare, testare ed eseguire simulazioni a livello di link su forme d’onda OFDM
  • Personalizzare i parametri OFDM come il segnale di addestramento, lo zero padding e il prefisso ciclico mediante funzioni e blocchi
  • Applicare l’OFDM alla progettazione di sistemi wireless per analizzare metriche come le prestazioni dei link, la robustezza, la stima del canale e l’equalizzazione
  • Progettare e ottimizzare algoritmi digitali, analogici o di beamforming ibridi per massimizzare le prestazioni
  • Richiamare funzioni specifiche per la generazione di forme d’onda OFDM personalizzate per i vari standard del settore
  • Generare forme d’onda OFDM conformi agli standard da utilizzare in simulazioni o test over-the-air con l’app Wireless Waveform Generator
  • Progettare sistemi wireless OFDM ottimizzati per la generazione di codice HDL e l’implementazione di hardware con Wireless HDL Toolbox™.

Vedere anche: comunicazioni wireless, sviluppo della tecnologia wireless 5G, massive MIMO, sistema RF, ricetrasmettitore wireless, 5G Toolbox, LTE Toolbox, WLAN Toolbox, radio definita dal software, modello del canale