OFDM

1. OFDM Orthogonal frequency division multiplex

2. ความเป็นมา OFDM • OFDM เป็นมาตรฐานทางเทคนิคที่แตกแขนงออกมาจากเทคโนโลยี Spread Spectrum • มีการรับส่งข้อมูลแบบมอดูเลตที่ใช้สัญญาณพาหะหลายสัญญาณ (Multi-carrier modulation: MCM) • MCM เป็นเทคนิคที่ทำให้ช่องสื่อสารถูกแบ่งออกเป็นย่อยๆโดยแต่ล่ะส่วนจะเป็นช่องที่เป็นอิสระจากกัน • พ.ศ.2508 OFDM ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในกิจการสื่อสารทางทหาร ด้านระบบสื่อสารผ่านความถี่สูง เช่น ระบบ KINEPLEX ของบริษัทวิทยุคอลลินส์

3. ความหมายของ MCM (Multi-carrier modulation) • เป็นหลักการของการส่งข้อมูลดิจิตอล • ทำการแบ่งข้อมูลทั้งหมด เป็นจำนวนข้อมูลขนาดใหญ่ที่ขนานกัน • แต่ละกลุ่มมีการส่งผ่านข้อมูลด้วยความเร็วต่ำ • การส่งข้อมูลไปแบบขนาน โดยนำกลุ่มข้อมูลแต่ละกลุ่มมามอเลต กับสัญญาณพาหะย่อยจะทำให้มีการส่งข้อมูลได้มากขึ้น • ยิ่งเพิ่มจำนวนสัญญาณพาหะย่อยมากขึ้นเท่าไหร่ ยิ่งส่งข้อมูลได้มากขึ้น และมีการลดทอนสัญญาณน้อยลง

4. ความหมายของ OFDM • OFDM ย่อมาจาก Orthogonal Frequency Division Multiplex • เป็นรูปแบบของ MCM สมัยใหม่ • เป็นเทคนิคการมอดูเลชั่นแบบหลายคลื่นพาห์ (Multiple Carrier Modulation) ซึ่งเป็นรูปแบบของการสื่อสารแบบขนาน • OFDM เป็นเทคโนโลยีการเข้ารหัสในชั้น Physical Layer สำหรับถ่ายทอด สัญญาณผ่านทางคลื่นวิทยุ • OFDM สร้างขึ้นมาเพื่อใช้งานสำหรับระบบสื่อสารไร้สายแบบเคลื่อนที่แบนด์กว้าง (Broad band) มีอัตราการส่งข้อมูลสูงๆ

5. ความตั้งฉากซึ่งกันและกัน ใน OFDM • ตั้งฉากซึ่งกันและกัน (Orthogonality) คือ “การเกี่ยวข้องกันเป็นมุมฉากหรือมีส่วนประกอบเป็นมุมฉาก” • ใน OFDM ความตั้งฉากซึ่งกันและกันเป็นการนำเอาสัญญาณพัลล์มาทำเป็นสัญญาณพาหะ • สเปคตรัมของสัญญาณพาหะแต่ละตัวมีค่าสัญญาณเป็นศูนย์ ที่กลางแถบความถี่ของแต่ละสัญญาณพาหะในระบบ • สัญญาณพาหะย่อยสามารถแยกออกจากลุ่มโดยปราศจากการสอดแทรกหรือรบกวนจากสัญญาณพาหะย่อยอื่นๆ • สัญญาณพาหะย่อยสามารถจัดวางไว้ใกล้มากที่สุดที่จะทำได้ในทางทฤษฎี

6. หลักการทำงานของระบบ OFDM • OFDM เป็นเทคนิคการมัลติเพล็กซ์โดยการแบ่งความถี่ • การส่งสัญญาณดิจิตอลความเร็วสูง • การส่งสัญญาณ จะถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มข้อมูลที่ความเร็วต่ำลง จำนวนสิบหรือร้อยกลุ่ม • กลุ่มข้อมูลย่อยทีมีความเร็วต่ำกว่า จะถูกนำไปมอดูเลตกับสัญญาณพาหะย่อยทั้งหมดส่งขนาดกันออกไป • QAM, 16QAM หรือ 64QAM คือ รูปแบบในการมอดูเลตสัญญาณพาหะย่อยที่นิยมทั่วไป • ใน OFDM กลุ่มของข้อมูลจะถูกแปลงให้อยู่ในรูปขนานกัน โดยการมอดูเลตกับสัญญาณพาหะย่อย • FFT หรือการแปลงกลับฟาสท์ฟูเรียร์

7. หลักการทำงานของระบบ OFDM รูปที่1 แสดงบล็อกไดอะแกรมตัวส่ง OFDM

8. หลักการทำงานของระบบ OFDM รูปที่ 2 แสดง บล็อกไดอะแกรมรับ OFDM

9. การแปลงฟูเรียร์และการแปลงกลับฟูเรียร์ • เพื่อแยกสัญญาณออกเป็นส่วนประกอบ ทางความถี่ของสัญญาณ • เป็นเทคนิคทางคณิตศาสตร์สำหรับแปลงฟังก์ชั่น ที่มีแกนในเชิงเวลาเป็นฟังก์ชั่นที่มีแกนในเชิงความถี่ • เป็นการแยกหรือสลายรูปคลื่นหรือฟังก์ชั่น ออกเป็นสัญญาณลักษณะซายย์ • โดยเมื่อนำสัญญาณลักษณะซายย์เหล่านี้มารวมกันทางเฟสแล้ว จะได้เป็นรูปคลื่นเหมือนเดิม • การแปลงโดยใช้วิธี ฟาสฟูเรียร์ (FFT) จะทำให้การคำนวณการแปลงฟูเรียร์และการแปลงกลับ ทำได้เร็วยิ่งขึ้น

10. การแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็วการแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็ว รูปที่ 3 แสดงการแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็วของสัญญาณที่ทำการมอดูเลตกับสัญญาณ พาหะย่อย

11. รูปที่ 4 การมัลติเพล็กซ์ของอนุกรมของสัญญาณบนแกนความถี่

12. การเสริมสร้างไซคลิก เทคนิคนี้ใช้สำหรับแก้ไขสัญญาณที่คุณภาพลดลงในช่องสื่อสารอันเนื่องมาจากสัญญาณมีการเคลื่อนที่หลายเส้นทาง รูปที่ 5 การเสริมสร้างไซคลิก

13. การปรับแต่งการมอดูเลตใน OFDM • เพื่อให้การทำงานง่ายขึ้นต่อระบบ MCM • สามารถจะเลือกเทคนิคการมอดูเลตโดยอัตโนมัติตามขนาดของแถบความถี่ที่ใช้การส่ง • การปรับแต่ง (Adaptive) เทคนิคการมอดูเลตแบบนี้ทำให้คุณภาพการรับ-ส่งดีขึ้น • การปรับแต่งการมอดูเลตทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานแถบความถี่ของระบบ

14. การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือก (Frequency selective fading) สิ่งที่เกิดขึ้นกับความถี่ (สัญญาณพาหะย่อย) 2 ความถี่บนแถบความถี่ที่ใช้นำข่าวสารมาจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับ ถ้าความถี่ทั้งสองอยู่ใกล้ซึ่งกันและกัน ดังนั้นความแตกต่างของเส้นทางที่เคลื่อนที่จะมีผลต่อกับความถี่ทั้งสองใกล้เคียงกัน ทำให้การเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสใกล้เคียงกันมาก อย่างไรก็ตามถ้าความถี่ทั้งสองอยู่ห่างกันออกไปทำให้ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ทั้งสองแย่ลง เพราะว่าการเลื่อนของเฟสตามแต่ละเส้นทางจะต่างกันมาก ซึ่งการลดลงของความสัมพันธ์ของความถี่จะขึ้นอยู่กับค่าหน่วงเวลาระหว่างสัญญาณที่รับเข้ามาจากเส้นทางที่ต่างกัน ในสภาวะแวดล้อมที่คลื่นวิทยุมีการเดินทางหลายเส้นทาง การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือกสามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างสูงต่อกำลังงานที่เครื่องรับรับได้ สำหรับช่องสื่อสารที่ไม่มีสัญญาณจากเส้นทางโดยตรงจากเครื่องส่ง การเลื่อนหายของคลื่นวิทยุเหล่านี้อาจสูงถึง 30dB ผลที่ตามมาคืออัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลงและข้อมูลที่ได้รับมีความผิดพลาดมากขึ้น

15. การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือก (Frequency selective fading) คือ การที่หลายๆ ความถี่พาหะมาจับจองอยู่บนแถบความถี่เดียวกันมากจนทำให้ความเปลี่ยนแปลงแต่ละความถี่เกิดความแตกต่างกันมากจนทำให้สัญญาณผิดพลาดได้ เพราะว่าขนาดและเฟสของความถี่ที่จะประกอบกันเป็นสัญญาณข่าวสารที่เครื่องรับจะไม่เหมือนกันกับที่เป็นในเครื่องส่ง • ในสภาวะแวดล้อมที่คลื่นวิทยุมีการเดินทางหลายเส้นทาง การเลือนหายของความถี่ที่เลือก สามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างสูงต่อ ต่อกำลังงานที่เครื่องรับได้รับได้ • ข้อมูลที่รับมา อาจมีความผิดพลาดได้มากขึ้น • การแก้ไข ตรวจสอบ ข้อผิดพลาด สามารถกระทำได้ที่ปลายทาง

16. ประโยชน์ของ OFDM • OFDM ช่วยแก้ปัญหาการจางหายของสัญญาณ • OFDM สามารถแก้ปัญหาการเกิดการรบกวนแบบแทรกสอดระหว่างสัญลักษณ์ (Inter Symbol Interference) หรือ ISI ของสัญญาณข้อมูลขึ้นที่เครื่องรับได้ง่ายกว่าและยังสามารถส่งข้อมูลที่มีอัตราสูงๆ ได้อย่างสบาย • สามารถใช้งานแถบความถี่ในระบบที่เคยใช้สัญญาณพาหะเดี่ยวได้อย่างเต็มประ สิทธิภาพ (spectral efficiency)ประมาณสองเท่าของการใช้สัญญาณพาหะเดี่ยว • สามารถป้องกันผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของสัญญาณหลายเส้นทาง (immunity to muti-path) • มีความไวต่ำต่อการเลื่อนหายไปของความถี่ที่เลือก (less sensitivity to frequency selective fading)

17. OFDM ที่เห็นในชีวิตประจำวัน • การส่งสัญญาณโทรทัศน์ระบบดิจิตอล เช่น TITV หรือ UBC และอื่นๆ • บนระบบมือถือ แบบแถบความถี่กว้างที่ต้องการความเร็วในการส่งข้อมูล • ใช้ในระบบ WIMAX • ระบบ ADSL • ระบบวิทยุกระจายเสียง

18. คำถาม • OFDM เป็นหนึ่งในมาตรฐานทางเทคนิคที่แตกแขนงออกมาจากเทคโนโลยีอะไร?? • OFDM สร้างขึ้นมาเพื่อใช้งานสำหรับระบบสื่อสารไร้สายแบบเคลื่อนที่แบนด์กว้าง (Broad band) มีอัตราการส่งข้อมูลสูงๆ เช่น อะไรบ้าง ??? • การมอดูเลตแบบ OFDM จะมีการสอดแทรกช่วงแถบป้องกันแคบๆ เพื่ออะไร และช่วงแถบป้องกันแคบๆ นี้เรียกว่าอะไร?? • OFDM เป็นคลื่นความถี่มาตรฐาน สำหรับมาตรฐาน เครือข่ายอะไร?? • จงบอกประโยชน์ของ ระบบ OFDM ??