Problem: Jedna Szeroka Autostrada vs. Wiele Wąskich Ścieżek

Wyobraź sobie, że chcesz przetransportować ogromną ilość danych. Jednym z podejść (transmisja jednonośna) jest użycie jednej, bardzo szerokiej autostrady i wysłanie wszystkich danych z bardzo dużą prędkością. Jednak ta szeroka autostrada jest wrażliwa; jeden głęboki wybój (zanik selektywny częstotliwościowo) może zakłócić cały ruch.

OFDM przyjmuje inne podejście. Zamiast jednej szerokiej autostrady, tworzy setki lub tysiące wolniejszych, węższych ścieżek. Każda ścieżka (zwana podnośną) przenosi tylko niewielką część całkowitych danych. Jeśli wybój wpłynie na jedną lub dwie wąskie ścieżki, jest to niewielki problem, który można łatwo skorygować, a reszta ruchu odbywa się bez przeszkód. To sprawia, że OFDM jest wyjątkowo odporny, szczególnie w trudnych środowiskach bezprzewodowych.

Magia Ortogonalności: Efektywne Wykorzystanie Widma

Tradycyjne systemy wielokanałowe, takie jak FDM czy WDM, oddzielają kanały nieużywanymi przerwami częstotliwościowymi zwanymi pasmami ochronnymi, aby zapobiec ich wzajemnemu zakłócaniu się. Jest to jak pozostawienie pustego pasa ruchu między każdym pasem na autostradzie – bezpieczne, ale marnujące przestrzeń.

OFDM osiąga wysoką wydajność widmową, pozwalając widmom podnośnych na znaczne nakładanie się, eliminując potrzebę szerokich pasm ochronnych. Kluczem do uniknięcia interferencji jest ortogonalność.

Jak pokazano na diagramie, każda podnośna ma widmo w kształcie funkcji $sinc(x)$. Są one rozmieszczone tak, że szczyt każdej podnośnej pokrywa się dokładnie z punktami zerowymi wszystkich pozostałych podnośnych. Gdy odbiornik demoduluje konkretną podnośną, próbkuje ją na jej szczycie, gdzie interferencja od wszystkich innych podnośnych wynosi zero. Ta sprytna technika pozwala na znacznie gęstsze upakowanie danych, co prowadzi do znacznego wzrostu wydajności widmowej.

Budowanie Sygnału OFDM: Czas i Częstotliwość

Tworzenie i interpretacja sygnału OFDM obejmuje pracę w dwóch dziedzinach:

• W Dziedzinie Częstotliwości: Sygnał OFDM jest definiowany przez umieszczenie danych na zbiorze pojedynczych podnośnych. Każda podnośna jest niezależnie modulowana za pomocą cyfrowego schematu modulacji, takiego jak QPSK lub 16-QAM. Określa to amplitudę i fazę tej konkretnej podnośnej.
• W Dziedzinie Czasu: Rzeczywisty sygnał, który jest transmitowany, jest sumą wszystkich tych indywidualnie modulowanych podnośnych (fal sinusoidalnych i cosinusoidalnych). Rezultatem jest złożony, szumopodobny przebieg. Zależność między tymi dwiema dziedzinami jest opisana przez Szybką Transformatę Fouriera (FFT).

Fundamentalny Kompromis: Szybkość Transmisji vs. Zasięg

Elastyczność OFDM pozwala na stosowanie różnych formatów modulacji na jego podnośnych. Istnieje jednak krytyczny kompromis: wyższe szybkości transmisji danych osiąga się kosztem zmniejszonego zasięgu. W komunikacji optycznej jest to często nazywane "prawem połowy dystansu".

Bardziej złożone formaty modulacji, takie jak 64-QAM, umieszczają punkty konstelacji znacznie bliżej siebie. To sprawia, że są one bardzo wrażliwe na szum, który kumuluje się wraz z odległością. Aby osiągnąć akceptowalną stopę błędów, wymagają one znacznie wyższego stosunku sygnału do szumu (SNR), co jest możliwe tylko na krótszych ścieżkach transmisyjnych.

Kluczowe Zastosowania OFDM

Ze względu na wysoką wydajność widmową i odporność na interferencję wielodrogową, OFDM stał się dominującą technologią w wielu nowoczesnych systemach komunikacyjnych:

• Dostęp Przewodowy: Szerokopasmowy dostęp do internetu ADSL i VDSL (gdzie jest często nazywany DMT), komunikacja przez linie energetyczne (PLC).
• Bezprzewodowe Sieci LAN: Standardy Wi-Fi, w tym 802.11a, g, n, ac i ax (Wi-Fi 6).
• Sieci Komórkowe: Komunikacja mobilna 4G LTE i 5G NR.
• Radiofonia i Telewizja Cyfrowa: Naziemna telewizja cyfrowa (DVB-T/T2) i radio cyfrowe (DAB).
• Elastyczne Sieci Optyczne (EON): Jako kluczowa technologia umożliwiająca, OFDM pozwala na tworzenie elastycznych "superkanałów" o zmiennej szerokości pasma, idealnie dopasowując się do wymaganego natężenia ruchu przez alokację określonej liczby podnośnych. To maksymalizuje wydajność infrastruktury światłowodowej.