Johdanto

1. Johdanto • COFDM ei ole pelkästään modulointimenetelmä vaan siihen liittyy mm.kanavointitoiminto (multiplexing). • ’FDM’ tarkoittaa sitä, että siirrettävä data on jaettu monelle kantoaallolle. • Kaikki kantoaallot ovat orthogonaalisia toisiinsa nähden. • ’C’ tarkoittaa sitä, että virheenkorjauskoodausta (FEC) käytetään. • Modulointimenetelmistä on käytössä esim. QPSK, 16-QAM, 64-QAM. tMyn

2. COFDM on käytössä esim. DVB-T- ja DAB-järjestelmissä. • Miksi on tarvittu jotakin parempaa kuin pelkästään lähetyssignaalin tehon nostamista? • kahden vierekkäisen (taajuustasolla) lähetysaseman toisilleen aiheuttama häiriö (transmitters overlap) • monitie-eteneminen, kaiut (multi-path propagation) • mobiilit päätelaitteet: Dopplerilmiö • kanavakohina • signaalin häipyminen (fading) tMyn

3. COFDM (Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) perustuu tiedon siirtoon lukuisilla toisiaan häiritsemättömillä taajuuskanavilla yhtä aikaa. tMyn

4. Nykyisin käytössä olevat OFDM-menetelmät perustuvat diskreettiin Fourier-käänteismuunnokseen (IDFT, Inverse Discrete Fourier Transform). • Kerralla moduloitava symboli vastaa kompleksilukuina esitettyjä taajuuksien voimakkuuksia ja vaihekulmia, jotka sitten muunnetaan diskreetillä Fourier-käänteismuunnoksella digitaalisen signaalin vaihteluiksi. Digitaalinen signaali muunnetaan D/A-muuntimella analogiseksi kantataajuiseksi COFDM-signaaliksi. Kantataajuista signaalia voidaan käyttää sellaisenaan, tai sillä voidaan moduloida radiotaajuista kantoaaltoa. tMyn

5. Taajuuskanavien määrä ja kussakin kanavassa kerralla siirrettävien bittien määrä vaihtelee. Kanavia on yleensä useita kymmeniä, joskus useita tuhansia. Esimerkiksi 16-QAM-modulaatiota käytettäessä erilaisia vaiheen ja voimakkuuden arvoja on 4x4, jolloin yhden taajuuskanavan sisällä voidaan siirtää log2(4 * 4) = 4 bittiä. Eri kanavilla voi käyttää erilaisia modulaatiotapoja. • Perättäisten symbolien keskinäinen vaikutus estetään jättämällä niiden väliin suojaväli. Suojaväliin kopioidaan pätkä signaalia sitä seuraavan IDFT-muunnoksen tuloksen lopusta (cyclic prefix). Tällä pystytään myös vähentämään symbolin sisällä eri taajuuksien keskinäistä vaikutusta. tMyn

6. Demoduloinnissa käytetään diskreettiä Fourier-muunnosta: yhtä symbolia vastaavaan lohkoon kuuluvat A/D-muuntimelta saatavat näytteet muunnetaan kerralla taajuuskanavien voimakkuutta ja vaihetta kuvaaviksi kompleksiluvuiksi. Kanavan kompleksilukua lähinnä vastaava bittikuvio valitaan demodulointitulokseen. • Merkittäviä vuosia OFDM:lle: tMyn

7. 1995: ETSIn digiradio (DAB), ensimmäinen OFDM:n perustuva standardi • 1997: ETSIn DVB-T-digitelevisiostandardi • 1998: ANSIn ADSL-standardi • 1999: ITUn ADSL-standardi • 1998: Magic WAND -projektissa käytetään OFDM-modeemeja langattomassa lähiverkossa • 1999: IEEE 802.11a WLAN-standardi (Wi-Fi) • 2002: IEEE 802.11g WLAN-standardi • 2004: IEEE 802.16 WiMAX-standardi • 2004: ETSIn DVB-H-kännykkätelevisiostandardi tMyn

8. Yksinkertaistettu kaaviokuva COFDM modulaattorista voisi näyttää kuvan 1 mukaiselta: tMyn

9. MPEG 2 TRANSPORT STREAM MUX ADAPTATION, ENERGY DISPERSAL OUTER CODER OUTER INTERLEAVE PILOT AND TPS SIGNALS INNER INTERLEAVE INNER CODER FRAME ADAPTATION MAPPER GUARD INTERVAL INSERT OFDM UPCONVERT COFDM RF OUT Kuva 1. Yksinkertaistettu lohkokaavio COFDM modulaattorista. tMyn

10. Multiplekseri, sovitus, energiatasojen tasoittaminen (mux, adaptation, energy dispersal) • Multiplekseri yhdistää videodatavirran, sovellukset ja tiedostot. • COFDM järjestelmä tulee tahdistaa sisään tulevaan MPEG-2 siirtobittivirtaan (Transport Stream). • COFDM signaalin tulisi olla tehotasoltaan kohinan tyyppistä (random, noise-like). • Näin saadaan käytössä oleva taajuuskaista tehokkaammin käytettyä ja saadaan vähennettyä vierekkäisten (taajuustasolla) kanavien toisilleen aiheuttama häiriö. tMyn

11. Synkronointi- tavu MPEG2 dataa, 187 tavua Ulompi koodaus (outer coder) • Virheenkorjauskoodina käytetään Reed-Solomon (RS) –koodausta. • MPEG-2-siirtobittivirta (Transport Stream) kootaan 188 tavun (byte) paketeiksi, kuva 2. • Tavuista 187 kappaletta sisältää dataa ja yksi sisältää synkronointitietoa. Kuva 2. MPEG2 TS MUX paketti. tMyn

12. Edellä mainitut 187 tavua dataa pitää aluksi sattumanvaraisesti sekoittaa (randomize) ennen jatkokäsittelyä. • Tällä tavoin pyritään varmistumaan siitä, että COFDM-signaali sisältää ”tasaisesti” informaatiota koko taajuuskaista-alueellaan. • Tämä sattumanvaraisesti sekoittaminen suoritetaan sekoittimen avulla (scrambler), joka käyttää toiminnossaan menetelmää nimeltään ”pseudo random binary sequence generator, PRBS”. • PRBS:n avulla saadussa binaaritiedossa ei luultavammin ole pitkiä sarjoja peräkkäisiä ykkösiä tai nollia. Tämä puolestaan auttaa pursketyyppisistä virheistä toipumiseen siirron jälkeen vastaanotossa. tMyn

13. PRBS-generaattori käsittelee dataa 1503 tavun jaksoissa, eli se operoi kerrallaan kahdeksaa kuvan 2 mukaista pakettia. • Kuvassa 3 on havainnollistettu PRBS-generaattorin tuottamia paketteja. PRBS-generaattorin jakso 1503 tavua Synkronointi- tavu Synkronointi- tavu MPEG-2 dataa, 187 tavua MPEG-2 dataa, 187 tavua Kahdeksan kappaletta MPEG2 TS MUX –pakettia Kuva 3. Sattumanvaraisesti sekoitetut paketit. tMyn

14. Seuraavaksi virheenkorjauskoodina käytetään Reed-Solomon (RS) –koodausta. • Käytetään lyhennyksenä RS(204, 188, 8), kuva 4. • Lyhenne tarkoittaa sitä, että käsittelyyn otetaan 188 tavua (synkronointitavu ja 187 tavua sattumanvaraisesti sekoitettua dataa edellä kuvatun mukaisesti) dataa kerrallaan, josta generoidaan 16 pariteettitavua. • Näin paketin kooksi tulee 204 tavua. • Koodauksella voidaan korjata 8 siirron aikana sattumanvaraisesti virheelliseksi tullutta tavua jokaisesta 204-tavun sanasta. tMyn

15. Sattumanvaraisesti sekoitettua dataa, 187 tavua Synkronointi- tavu 16 pariteettitavua Kuva 4. Reed-Solomon virhesuojattu paketti, RS(204, 188, 8) tMyn

16. Ulompi limitys (outer interleave) • Limitys toteutetaan konvoluutiokoodausperiaatteella tavutasolla (convolutional interleaving). • Bittivirta jaotellaan 12 osaan. • 204 tavun pakettikoko säilytetään. tMyn

17. Convolutional interleaving • Kehittäjinä Ramsey ja Forney. • Tavuja siirretään sarjamuodossa N kpl rekistereihin. • Seuraava rekisteri sisältää muistia J kpl enemmän kuin edellinen. • Ensimmäinen rekisteri ei sisällä muistia lainkaan – siis tavu lähetetään välittömästi. • Seuraava sisään tuleva tavu siirretään aina seuraavaan rekisteriin. Samalla rekisterin sisältö siirtyy yhden position verran oikealle (ensimmäiseksi tullut tavu lähtee jossakin vaiheessa ulos…). tMyn

18. Kun on päästy (N-1):een rekisteriin, aletaan alusta 1. rekisteristä. tMyn

19. Sisempi koodaus (inner coder) • Käytössä on konvoluutiokoodaus. • Käytössä on mekanismi, jolla voidaan vaihtaa informaatiobittien siirtonopeutta, punctured convolutional coding. • Ajatellaan esimerkkinä, että konvoluutiokoodauksessa koodaussuhteena on 1/2, siis jokainen informaatiobitti tuottaa koodattuna kaksi bittiä. • Punctured convolutional coding tarkoittaa sitä, että tällä mekanismilla yksi tulobitti ei tuotakaan kahta lähtöbittiä, vaan hieman vähemmän. tMyn

20. Vaihtoehtoja on yhteensä viisi. • Mahdollisia koodaussuhteita ovat aluksi mainittu 1/2 (unpunctured) sekä sitten 2/3, 3/4, 5/6 ja 7/8. • Luonnollisesti koodaussuhde 1/2 edustaa rajuinta virheenkorjauskykyä ja vastaavasti 7/8 hentoisinta. tMyn

21. Sisempi limitys (inner interleave) • Aluksi tehdään limitys bittitasolla ja sen jälkeen limitys tavutasolla. • Bittitason limityksen tavoitteena on päästä parempaan vastustuskykyyn pursketyyppisiä (burst-type interference) virhetilanteita vastaan. • Bittivirta takaisinkanavoidaan (demultiplex) n:ksi osavirraksi, jossa n=2, jos modulointimenetelmänä on QPSK, n=4, jos käytössä on 16-QAM, n=6 jos käytössä on 64-QAM. Tämä pätee ei-hierarkkisessa toimintamuodossa. tMyn

22. Hierarkkisessa toimintamuodossa HP-bittivirta (High Priority stream) takaisinkanavoidaan kahdeksi bittivirraksi ja LP-bittivirta (Low Priority stream) (n-2) bittivirraksi. • Yllä kerrottu pätee kaikkiin QAM-toteutuksiin (non-uniform). • Kukin bittivirta käsitellään erillisellä bittitason limityksellä. • Vaikka limitysprosessi onkin erilainen kullekin bittivirralle, on kaikkien kohdalla limityslohkon suuruus 126 bittiä. • Täten tällaisen lohkon (126 bittiä) prosessointi toistetaan 12 kertaa OFDM symbolia kohden 2K järjestelmässä (12*126=1512). tMyn

23. Vastaavasti se toistetaan 48 kertaa OFDM symbolia kohden 8K järjestelmässä (48*126=6048). • Kunkin bittivirran limitysprosessin ulostulobitit ryhmitellään datasymboleiksi. Jos käytössä on 6 bittivirtaa (n=6), niin silloin kukin datasymboli on kooltaan 6 bittiä, ja kustakin ulostulosta on otettu yksi bitti (sarakkeesta riviksi…). • Limitys tavutasolla toteuttaa seuraavaa: n-bitin datasymbolit ohjataan 1512:lle (2K järjestelmä) tai 6048:lle (8K järjestelmä) kantoaallolle kutakin OFDM-symbolia kohti. tMyn

24. Siispä 2K järjestelmässä käytetään 126 datasanan ryhmää 12 kertaa ja 8K järjestelmässä käytetään 126 datasanan ryhmää 48 kertaa. tMyn

25. Bittien sijoittaminen, konstellaatiokuviot (mapper) • DVB-T standardi tuntee myös hierarkkisen modulaation. • Jos hierarkkista modulaatiota käytetään, tarkoittaa se sitä, että MPEG-2 databittivirta jaetaan kahteen osaan. tMyn

26. HP-bittivirta (High Priority) on suojattu paremmin häiriöitä vastaan ja LP-bittivirta (Low Priority) on suojattu paljon kevyemmin. • Hierarkkinen modulaatio selviää parhaiten tutkimalla konstellaatiokuvioita. • Kuvassa 5 on esitetty konstellaatiokuvio ei-hierarkkiselle 64-QAM DVB-T-signaalille. tMyn

27. Kuva 5. Konstellaatiokaavio ei-hierarkkiselle 64-QAM DVB-T-signaalille. tMyn

28. Kuvassa 5 ei-hierarkkisessa 64-QAM-konstellaatiokaaviossa kukin piste on tasavälein jakautunut kaavioavaruudessa. • Käytössä on yksi bittidatavirta, ja kaikkia konstellaatiokaavion pisteitä käytetään tiedon siirrossa. • 64-QAM-toteutuksessa yksi konstellaatiokaavion piste esittää kuutta bittiä. • Jos siis esim. bittijono ’100111’ pitäisi siirtää, niin silloin voisi kuvan 5 ympyröity konstellaatiopiste olla käytössä. tMyn

29. Kuvassa 6 konstellaatiopisteet on ryhmitelty. • Nyt databittivirta on jaettu kahteen osaan, HP- ja LP-osaan. • HP-osa määrittelee, mitä neljännestä (quadrant) konstellaatiokaaviossa käytetään. • Jos esim. ’10’-bitit tulisi lähettää, niin silloin käytetään ylempää vasemman puoleista neljännestä. • LP-bittivirta (se edustaa suurempaa bittivirtanopeutta) puolestaan määrää, mikä yksittäinen konstellaatiopiste tuossa neljänneksessä valitaan. • Esimerkiksi LP-bittivirta ’0111’ aiheuttaisi ympyröidyn konstellaatiopisteen valinnan kuvassa 6. tMyn

30. d 4d Kuva 6. Konstellaatiokaavio hierarkkiselle 64-QAM DVB-T-signaalille. tMyn

31. Jos vastaanotto tapahtuisi huonoissa olosuhteissa, niin silloin pystyttäisiin ilmaisemaan pelkästään oikea neljännes (’10’). • Jos kenttä olisi tarpeeksi voimakas, pystyttäisiin ilmaisemaan myös LP-bittivirta. • Konstellaatiosuhdetta käytetään ilmaisemaan konstellaatiopisteiden sijoittumista kaavioon hierarkkisessa tapauksessa. • Konstellaatiosuhde on kahden konstellaatioryhmän välinen etäisyys jaettuna kahden konstellaatiopisteen välisellä etäisyydellä yksittäisessä ryhmässä. • Kuvassa 6 huomataan, että konstellaatiosuhteen arvo on 4. tMyn

32. 64-QAM-ratkaisussa sallittuja konstellaatiosuhteita ovat 1, 2 ja 4. • Jos konstellaatiosuhde on 1, niin silloin se on täsmälleen sama tilanne kuin mitä on ei-hierarkkisessa ratkaisussa (siis konstellaatiokaaviot ovat samoja). tMyn

33. Mitä hyötyä on käyttää hierarkkista ratkaisua? • Jos jokin palvelu koetaan toista tärkeämmäksi (=se pitäisi pystyä ilmaisemaan koko lähetysalueella), niin sitä palvelua edustava bittivirta osoitetaan HP-bittivirraksi. • Sopivilla asetuksilla pystytään tällä järjestelyllä saavuttamaan sama lähetysalue kuin mitä ei-hierarkkisella ratkaisulla, mutta nyt hiukan suuremmalla bittisiirtonopeudella. • Ehkä huimin näkymä: HP-bittivirtaa käytettäisiin mobiiliin vastaanottoon ja LP-bittivirtaa kotivastaanottoon!! tMyn

34. Kuvissa 7-9 on esitetty konstellaatiokaaviot QPSK (4-QAM), 16-QAM ja 64-QAM ei-hierarkkiselle (tai hierarkkiselle konstellaatiosuhteella 1) DVB-T-signaalille. • Vastaavat konstellaatiokaaviot hierarkkisille tapauksille (hierarchical, non-uniform) voitaisiin helposti piirtää muuttamalla akselien skaalausta. • Bittien sijoittelussa konstellaatiokaavioon noudatetaan Grey-koodausta. • Tällöin vierekkäiset konstellaatiopisteet eroavat vain yhdellä bitillä. • Jos ilmaisussa tulee virhe, Grey-koodauksen avulla tulkinta tyypillisesti osuu silti miltei oikeaan. tMyn

35. 10 00 1 1 -1 -1 01 10 Kuva 7. Ei-hierarkkinen (tai hierarkkinen konstellaatiosuhteella 1) QPSK-konstellaatiokaavio DVB-T-signaalille. tMyn

36. 1000 0010 1010 0000 3 1001 1011 0011 0001 1 -3 3 -1 1 0111 1101 1111 0101 -1 1100 1110 0110 0100 -3 Kuva 8. Ei-hierarkkinen (tai hierarkkinen konstellaatiosuhteella 1) 16-QAM-konstellaatiokaavio DVB-T-signaalille. tMyn

37. 001010 100010 101010 000010 001000 100000 101000 000000 101011 001011 001001 000011 100001 100011 101001 000001 100101 001101 001111 000111 000101 100111 101111 101101 100110 101100 001110 000100 100100 101110 000110 001100 011100 111110 010100 111100 110110 011110 010110 110100 111111 011101 110101 011111 010111 110111 111101 010101 111001 110001 011001 011011 010011 110011 111011 010001 110010 111010 011000 011010 010010 110000 111000 010000 Kuva 9. Ei-hierarkkinen (tai hierarkkinen konstellaatiosuhteella 1) 64-QAM-konstellaatiokaavio DVB-T-signaalille. tMyn

38. Siirrettävä signaali ryhmitellään kehyksiksi (frame). • Kehys koostuu 68:sta OFDM-symbolista. • Neljä kehystä muodostaa superkehyksen (super frame). • Kukin OFDM-symboli koostuu K=6817 kantoaallosta 8K järjestelmässä ja K=1705 kantoaallosta 2K järjestelmässä. • Symbolin jaksonaika on . • Jaksonaika koostuu kahdesta osasta: käytettävästä osasta (useful part) ja suojavälistä . • Käytössä on neljä eri suojaväliarvoa. tMyn

39. Monitie-etenemisessä viivästynyt signaali voi tulla perille paljonkin myöhemmin. • Suojavälin aikana tullut heijastunut signaali otetaan huomioon ja sitä voidaan käyttää alkuperäisen signaalin vahvistamisessa. • Kuvassa 10 esitetään aikatasossa symbolin jaksonaika. tMyn

40. kokonaisjaksonaika Aika aktiivinen osa suojaväli Kuva 10. OFDM-symbolin jaksonaika. tMyn

41. Taulukkoon 1 on koottu symbolijaksonajan osien numeroarvoja 8 MHz:n UHF-kanavalle. • 8 MHz:n kanavalla perusjaksonaika T on systeemikellotaajuuden käänteisarvo. • Systeemikellotaajuuden arvo on 64/7 MHz, jolloin laskimesta saadaan T=0,109375 mikrosekuntia. tMyn

42. 2K järjestelmä 8K järjestelmä Järjestelmä Symbolin käytettävän osan kesto Suojavälisuhde 1/8 1/4 1/16 1/32 1/16 1/4 1/32 1/8 Suojavälin kesto Symbolin kokonaiskesto Taulukko 1. Symbolijaksonajan osien numeroarvoja 8 MHz:n kanavalle. tMyn

43. Kantoaallot ovat toisistaan etäisyydellä . • DVB-T spesifikaatio määrittelee kaksi järjestelmää COFDM-toteutuksille. • Toisessa järjestelmässä, 2K, käytetään 2048 näytepisteen FFT:tä ja toisessa järjestelmässä, 8K, käytetään 8192 näytepisteen FFT:tä. • Taulukkoon 2 on koottu tietoa kummankin järjestelmän käytössä olevista kantoaalloista. • Taulukossa 2 ilmoitetut kantoaallot eivät kaikki liity suoraan ohjelmadatan siirtämiseen. • Osa keskittyy referenssitiedon siirtämiseen (Scattered pilot cells, Continual pilot carriers, TPS carriers). tMyn

44. Referenssitietoa ovat inner code rate, hierarchy, guard interval, modulation, transmission mode, frame synchronization, frequency synchronization, time synchronization, channel estimation, phase noise. • Kantoaallot on indeksoitu siten, että ja 2K järjestelmässä ja 8K järjestelmässä . • Etäisyys laitimmaisten kantoaaltojen välillä ( ja ) määritellään kaavalla . • Datan siirtoon on käytössä 1512 kantoaaltoa 2K järjestelmässä ja 6048 kantoaaltoa 8K järjestelmässä. tMyn

45. 2K järjestelmä 8K järjestelmä Järjestelmä Kantoaaltojen lukumäärä K 6817 1705 Numeroarvo kantoaallolle 0 0 Numeroarvo kantoaallolle 1704 6816 Symbolin käytettävän osan kesto Kantoaaltojen välinen etäisyys 1116 Hz 4464 Hz Äärimmäisten kanto- aaltojen etäisyys 7,61 MHz 7,61 MHz Taulukko 2. COFDM parametreja 8 MHz:n kanavalle. tMyn

46. Bittisiirtonopeus OFDM-järjestelmässä riippuu käytetystä virheenkorjaustoteutuksesta (koodaussuhde, code rate), käytetystä modulaatiotekniikasta ja suojavälin pituudesta. • Taulukossa 3 on koottu yhteen bittisiirtonopeudet (Mbps) eri vaihtoehtojen suhteen. tMyn

47. Käytetty modulaatio- tekniikka Suoja- väli 1/16 Koodaus- suhde Suoja- väli 1/32 Suoja- väli 1/8 Suoja- väli 1/4 QPSK 16-QAM 64-QAM Taulukko 3. Bittisiirtonopeudet eri vaihtoehdoilla ei-hierarkkiselle 8 MHz:n kanavalle. tMyn

48. Suomessa on käytössä terrestriaaliverkossa 8K järjestelmä, 64-QAM, virhekorjaus 2/3 ja suojaväli 1/8, jolloin nettokapasiteetiksi tulee taulukosta 3 katsottuna 22,12 Mbit/sek. tMyn