Descrizione del Sistema OFDM

Descrizione del Sistema OFDM

Introduzione

In questo capitolo verrà descritto lo schema di funzionamento del sistema multiportante OFDM.

Cercheremo di fornire una semplice caratterizzazione analitica dei segnali in gioco e delle problematiche che vanno affrontate in questo sistema di modulazione multiportante. Viene analizzato lo schema a blocchi del sistema in esame, nello specifico, la parte riguardante il trasmettitore ed il ricevitore.

La modulazione OFDM

Come sappiamo, la questione della selettività in frequenza risiede nella (larga) banda del segnale che risulta confrontabile con l'inverso dei ritardi relativi tra i vari modi cammini multipl

Questa situazione è rappresentata sinteticamente nella Fig.1.

Fig.1 [9]

Nella modulazione OFDM si cerca di risolvere questa questione suddividendo la trasmissione di un unico flusso dati ad alta velocità di segnalazione 1/T e quindi larga banda, in una molteplicità di sotto-flussi paralleli ottenuti suddividendo il flusso originario, e modulando molte sottoportanti adiacenti con ciascuno di tali fluss Se indichiamo con N il numero di tali sotto-flussi, la cadenza di segnalazione su ogni sottoportante sarà corrispondente ad un intervallo di simbolo su ogni sottoportante . Considerando un generico "sotto-flusso" su di una generica sottoportante, la banda del segnale modulato sarà dell'ordine di , e quindi N volte più piccola della banda del segnale originario mono-portante. In questo modo, aumentando N appropriatamente ci si può ricondurre al caso in cui ogni sotto-canale ha una banda molto stretta, e quindi il relativo segnale modulato "vede" una porzione della risposta in frequenza del canale di propagazione sostanzialmente piatta e quindi non distorcente. Questa situazione è riassunta in Fig.2.

Fig. 2

L'unico effetto del canale di trasmissione sul generico sotto-canale è quello di introdurre un'attenuazione e uno sfasamento sostanzialmente costanti su ogni sotto-banda: recuperando al ricevitore questi fattori di fase/ampiezza sottoportante per sottoportante si neutralizzano di fatto gli effetti del canale. Questo procedimento è assimilabile a una sorta di "equalizzazione in frequenza" del segnale ricevuto, nel senso che recuperare la fase/ampiezza di ogni sottoportante significa in pratica andare a compensare la risposta in frequenza del canale componente per componente su di un pettine di frequenze molto fitto.

Naturalmente, nella discussione precedente (di carattere euristico) non sono stati precisati alcuni aspetti importanti, tra i quali la spaziatura tra le sottoportanti, e la maniera per effettuare efficientemente l'operazione di modulazione di questi sottoflussi paralleli sulle varie sottoportant Indicando momentaneamente con la spaziatura delle sottoportanti, il segnale con modulazione multiportante è descritto dallo schema di massima di Fig.3, in cui i simboli d'ingresso appartengono all'alfabeto di una modulazione lineare arbitraria (tipicamente M-PSK o -QAM) e sono caratterizzati da una velocità di segnalazione R = 1/T .

Fig. 3

Come si nota, il flusso di tali simboli è parallelizzato in N sotto-canali su ciascuno dei quali l'intervallo di simbolo diventa chiamato intervallo di simbolo OFDM. Si nota anche che il convertitore serie-parallelo induce una sorta di partizionamento "a blocchi" dei simboli d'ingresso, ove la durata di un blocco è pari a N simboli di sorgente ovvero di un simbolo OFDM. L'indice k risulta essere l'indice di "sottoportante" e varia da 0 a N-1, mentre l'indice m è l'indice temporale del generico simbolo OFDM ed è caratterizzato dalla velocità di simbolo OFDM . L'espressione del segnale modulato è dunque

ove p(t) è un impulso rettangolare di ampiezza unitaria e diverso da zero per e dove i simboli di sorgente sono normalizzati a potenza unitaria . Naturalmente dobbiamo essere in grado di demodulare questo segnale in maniera ottimale. Lo schema del demodulatore ottimo del generico sottoflusso # k in AWGN, e in assenza degli altri sottocanali, è quello di Fig.4 , che prevede la conversione in banda base del segnale, il filtraggio adattato con campionamento e la decisione a soglia finale.

Fig. 4

La variabile di decisione sul simbolo della sottoportante numero k è dunque (r(t)=segnale ricevuto)

La presenza degli altri sottocanali induce però in generale una interferenza sulla decisione. Calcoliamo l'effetto della presenza del sottocanale i, ik sulla variabile di decisione del ricevitore ottimo per il canale k. Per l'intervallo di segnalazione con m=0, trascurando l'effetto del rumore si ottiene una componente di interferenza :

Questa interferenza si annulla quando , q intero, cioè quando le sottoportanti sono ortogonal Naturalmente è conveniente scegliere il minimo di questi valori, per tenere le sottoportanti le più vicine possibile e quindi limitare la banda del segnale modulato. Si dovrà scegliere allora

In queste condizioni la modulazione prende il nome di OFDM, ha la minima occupazione spettrale e i dati dei vari sottocanali possono essere recuperati senz'alcuna interferenza con una batteria di ricevitori come in Fig. 4. Per ricostruire il flusso dati originario, sarà poi sufficiente "riformattare" il flusso da parallelo a seriale con un convertitore P/S duale di quello di Fig.3. Il segnale OFDM ha dunque la forma

Volendo adesso ricavare l'occupazione spettrale di questo segnale, iniziamo con l'osservare che questo è costituito dalla somma di N segnali dati statisticamente indipendenti ciascuno modulato su di una sottoportante diversa. Riscriviamo dunque x ( t ) come somma di questi contributi:

Ovvero:

Dalla precedente espressione si ricava quella della densità spettrale di potenza di :

dove naturalmente S(f) è la densità spettrale del generico sotto-flusso a velocità privato della modulazione sulla sottoportante:

Questa è proprio la situazione rappresentata indicativamente nella Fig.5, nella quale la somma dei vari spettri dei sotto-canali non è stata effettuata, e in cui si nota anche che gli spettri dei vari sotto-canali sono sovrappost La condizione di ortogonalità delle sottoportanti garantisce però l'assenza di interferenza inter-portante e la demodulabilità dei dat

Fig. 5

Lo spettro di potenza di un segnale OFDM con 64 e con 2048 portanti è rappresentato in Fig. 6, ove la scala della frequenza è normalizzata alla velocità di segnalazione di sorgente 1/T. Si nota che la sovrapposizione dei vari spettri elementari dei sottocanali dà luogo ad uno spettro estremamente piatto in banda e con un rapido decadimento verso lo 0, e che queste caratteristiche sono tanto più accentuate quanto più alto è il numero delle sottoportant Il segnale OFDM non è rigorosamente limitato in banda, ma l'occupazione spettrale, definita con i consueti criteri della banda a -20 o -40 dB, o della banda al 99% della potenza, è comunque di poco maggiore della banda di Nyquist 1/T e quindi l'efficienza spettrale della modulazione è elevata.

Fig.

3 Implementazione della tecnica OFDM

La struttura di un modem digitale che realizzi in modo efficiente le operazioni sopra descritte, si può ricavare a partire da alcune considerazion Cominciamo col descrivere il segnale analogico modulato modulato x(t) e campioniamolo alla cadenza . Otteniamo la sequenza

Limitandoci al primo simbolo OFDM (m=0) e semplificando si ha

(infatti l'impulso è sempre pari a 1 nell'intervallo considerato). La sequenza x[n] è pari dunque alla antitrasformata discreta di Fourier della sequenza degli N simboli di sorgente che contribuiscono a formare il simbolo OFDM n. 0. Questo suggerisce un procedimento di modulazione efficiente poiché la trasformata inversa può essere calcolata con un algoritmo veloce di (I)FFT. Il segnale analogico modulato (in banda base) può allora essere ottenuto sovracampionando la sequenza x[n] e inviandola ad un convertitore D/A seguito da un opportuno filtro anti-immagine.

Per normalizzare, in modo cioè che la sequenza x[n] abbia la stessa potenza media statistica della sequenza dei simboli di sorgente , la IFFT viene poi riformulata come segue:

Supponiamo adesso che il segnale modulato venga ricevuto senza distorsioni di canale, ma con aggiunta di rumore Gaussiano bianco:

r( t )= x( t )+ w( t )

Il demodulatore per il sottocanale numero k, come già accennato, calcola la variabile di decisione

Campionando il segnale ricevuto alla frequenza (sostituiamo a r(t) i campioni ) e approssimando l'integrale con una sommatoria si ha

pari cioè alla trasformata discreta diretta di Fourier della sequenza ricevuta. La trasformata viene eseguita naturalmente con un algoritmo veloce che consente di calcolare tutte le variabili di decisione in un singolo simbolo OFDM, e per normalizzazione viene riformulata come segue:

Fig.

Lo schema del sistema di trasmissione OFDM è dunque quello mostrato in Fig.7. Come si nota, oltre alle funzioni già descritte compare anche un blocco "Aggiunge portanti virtuali", mentre il numero di simboli di sorgente utili per simbolo OFDM non è pari a N ma a . L'inserzione delle cosiddette "portanti virtuali" è una maniera per controllare precisamente la larghezza di banda del segnale modulato anche con un vincolo, per esigenza di realizzazione, sulla particolare dimensione del calcolatore di (I)FFT utilizzato nel modem (che normalmente elabora blocchi di lunghezze pari a potenze di 2). In sede di formattazione del simbolo infatti, al blocco degli simboli utili vengono posposti simboli nulli in modo da arrivare alla lunghezza fissata del blocco di simboli di sorgente che contribuisce a formare il simbolo OFDM tramite IFFT. La presenza di questi simboli nulli in testa e in coda fa sì che le corrispondenti sottoportanti vengano azzerate, cioè diventino "virtuali" o "soppresse". Lo spettro di potenza diventa allora

Dove S( f ) è come prima lo spettro di ciascun sottoflusso.

Fig.

Lo spettro del modo 2k con portanti virtuali è confrontato in figura con quello già mostrato in Fig.6 per il caso di tutte portanti attive

Equalizzazione in frequenza

Torniamo adesso alla questione della compensazione delle distorsioni di canale prodotte dalla propagazione per cammini multipl Vi sono due distinte maniere, entrambe usate in pratica, per risolvere il problema con il segnale OFDM. Indicando come di consueto con h(t) la risposta impulsiva (in banda base) del canale e trascurando il rumore nel ricevitore, il segnale ricevuto sarà

Chiamiamo ora l'impulso rettangolare p(t) traslato alla frequenza, cioè

.

Allora

ove naturalmente rappresenta il k-esimo impulso "passato" nel canale di trasmissione h(t). Concentrandoci sul k-esimo flusso dati a tempo di simbolo OFDM , si nota che è proprio l'impulso elementare di tale trasmissione così come viene ricevuto nel demodulatore. Quest'impulso ha in generale una durata maggiore di per effetto della distorsione di canale. Se la risposta impulsiva del canale ha durata finita pari a , la durata di è pari a . È possibile allora evitare l'interferenza intersimbolica causata dal canale spaziando i simboli OFDM di un intervallo maggiore di , e precisamente aumentato di una quantità chiamata intervallo di guardia. Se infatti l'intervallo di guardia è scelto in modo che , due impulsi consecutivi e non si sovrappongono e l'ISI viene cancellata. Il segnale trasmesso sarà allora:

In pratica, si introduce un "gap" temporale tra due simboli OFDM consecutivi nel quale il segnale modulato viene annullato. In ricezione, la "coda" del simbolo OFDM nell'intervallo di guardia viene semplicemente ignorata e lasciata fuori dal blocco di N campioni su cui calcolare la FFT. Naturalmente l'uso dell'intervallo di guardia peggiora l'efficienza spettrale del sistema: dovendo mantenere una velocità d'informazione costante, introdurre un intervallo di guardia diverso da 0 significa ridurre il tempo di simbolo OFDM e quindi aumentare la banda utilizzata

sul canale che è grosso modo pari a . D'altro canto, sappiamo che i ritardi massimi che si incontrano nelle bande di interesse quando la propagazione avviene per cammini multipli sono dell'ordine di qualche decina di μs, che è poi l'ordine di grandezza dell'intervallo di guardia che deve essere adottato per avere protezione dal multipath. Considerando che l'intervallo di simbolo è pari a qualche centinaio di μs, la perdita di efficienza è modesta. Naturalmente, questo avviene proprio perché la durata dei simboli su ogni sottoportante è di parecchio maggiore di quella della

risposta del canale. Viceversa, in una modulazione monoportante, la durata del simbolo è pienamente confrontabile con quella della risposta del canale, e un approccio simile porterebbe a intervalli di guardia eccessivamente lunghi e penalizzanti l'efficienza.

Questa caratteristica di poter trattare facilmente canali con "echi" aventi ritardi notevoli permette di risolvere anche una questione importante in una rete di radiodiffusione. Infatti, il meccanismo di protezione dal multipath funziona sia nel caso in cui l' "eco" si produce naturalmente come discusso finora, ma anche nel caso in cui l'eco proviene da un diverso ripetitore della stessa rete operante sulla stessa frequenza (potremmo chiamarlo "eco artificiale"). Questo semplifica notevolmente il progetto e l'esercizio delle cosiddette reti a singola frequenza (SFN) per la diffusione di un canale televisivo su di un'unica frequenza a diffusione regionale o nazionale. C'è da osservare che i ritardi di canale "artificiali" di una SFN sono in genere assai maggiori di quelli "naturali" del multipath, e quindi i requisiti di intervallo di guardia devono essere adattati alla bisogna.

L'approccio dell'intervallo di guardia ha uno svantaggio che deve essere preso in seria considerazione: per poter effettuare correttamente la demodulazione, in particolare per poter correttamente calcolare la FFT, il ricevitore deve esattamente allinearsi alla parte utile del simbolo OFDM e deve ignorare l'intervallo di guardia. Quest'esigenza pone vincoli molto stretti alla sincronizzazione di simbolo nel ricevitore. Modificando leggermente il formato del segnale modulato però, è possibile ottenere un buon funzionamento del ricevitore anche con errori di sincronizzazione di simbolo non trascurabili, purché naturalmente di entità limitata. La modifica consiste nel "riempire" l'intervallo di guardia con una estensione ciclica o prefisso ciclico del simbolo OFDM, cioè con la ripetizione degli iniziali secondi sui totali del simbolo stesso. Nel modulatore, questo si fa in pratica "anteponendo" agli N valori ottenuti all'uscita del calcolatore di IFFT i primi valori ottenuti dallo stesso, intendendo che (Fig. CYC (a)). Lo scopo del prefisso ciclico è quello di "emulare" una condizione in cui il segnale all'ingresso del canale fosse periodico di periodo . Questo segnale periodico ideale sarebbe, concentrandoci sulla ricezione del simbolo con m=0,

   ,

e quindi lo spettro del segnale in ingresso al canale sarebbero a righe con frequenza fondamentale 1/ . Dalla stessa formulazione del segnale modulato, si vede che il k-esimo coefficiente di Fourier nello spettro a righe sarebbe banalmente , k=0,1,.,N-1. Allora anche il segnale y(t) in uscita dal canale sarebbe periodico dello stesso periodo, e il suo k-esimo coefficiente di Fourier sarebbe

ove evidentemente H(f) è la risposta in frequenza del canale di trasmissione. D'altro canto, il circuito di Fig.4 che produce la variabile di decisione per il generico k-esimo sottocanale non è altro che un "calcolatore di coefficiente di Fourier" per cui la conclusione è che (trascurando il rumore di ricezione)

Adesso, un errore di sincronismo sul riconoscimento dell'inizio del blocco semplicemente risulta in una "traslazione ciclica" nel verso opposto del segnale osservato dal "calcolatore di coefficiente di Fourier" (Fig.9 (b)) per cui la variabile di decisione risulta in queste nuove condizioni

Naturalmente, affinché la condizione di (pseudo)periodicità si verifichi, l'intervallo di guardia deve essere allungato di un fattore pari proprio al massimo errore di sincronismo che si desidera tollerare.

Fig. 9

Riprendendo in considerazione la presenza del rumore di ricezione e generalizzando

all'intervallo di simbolo OFDM m-esimo si ha:

Poiché comunque l'andamento della risposta in frequenza del canale è arbitrariamente variabile e deve essere compensato sottoportante per sottoportante, conviene introdurre la risposta del canale modificata dall'errore di sincronismo

per ottenere l'espressione finale della k-esima variabile di decisione in presenza di distorsione di canale, errore di sincronismo e rumore:

In ogni caso, si nota che l'effetto combinato di canale ed errore di sincronismo provoca una rotazione di fase e una variazione di ampiezza variabile da sottoportante a sottoportante sui simboli di informazione. Le rotazioni di fase devono essere recuperate comunque per avere una ricezione ottima coerente; nel caso di costellazioni di simboli ad ampiezze multiple (ad esempio -QAM) deve essere recuperata anche l'ampiezza. La presenza del prefisso ciclico permette però di compensare automaticamente gli errori di sincronismo nel momento in cui viene compensata la rotazione di fase di ogni sottoportante. La compensazione della distorsione di canale (ed eventualmente degli errori di sincronismo) può essere effettuata facilmente se è disponibile una stima della riposta in frequenza del canale in corrispondenza di ogni sottoportante. Un possibile schema di equalizzazione è quello mostrato in Fig.10, la cui bontà è strettamente legata alla bontà dello stimatore di canale

Fig. 10

Infatti la variabile di decisione "equalizzata"

ove l' "uguale circa" tiene conto degli errori di stima della risposta del canale. Per la modalità con cui viene effettuata, questo tipo di compensazione delle distorsioni di canale è nota come "equalizzazione in frequenza" ed è tipica della modulazione OFDM o multiportante in generale.

Per effettuare la stima dei coefficienti complessi si inviano insieme al segnale alcune sottoportanti pilota, modulate con sequenze note al ricevitore, sulle quali si effettua la stima di canale. L'andamento della risposta in frequenza sulle altre sottoportanti è ricavata dalle prime per interpolazione polinomiale. Alcune portanti pilota sono posizionate su valori fissi dello spettro, mentre altre sono trasmesse su frequenze variabili, al fine di ridurre al minimo la probabilità che una o più di esse cadano in corrispondenza dei Notch del canale, ovvero le frequenze su cui esso comporta una forte attenuazione. In fig. 11 si riporta un esempio di posizionamento delle portanti pilota sulla trama dei simboli OFDM.

Fig.