Johdanto COFDM ei ole pelkästään modulointimenetelmä vaan siihen liittyy mm.kanavointitoiminto (multiplexing). ’FDM’ tarkoittaa sitä, että siirrettävä.

Esitys aiheesta: "Johdanto COFDM ei ole pelkästään modulointimenetelmä vaan siihen liittyy mm.kanavointitoiminto (multiplexing). ’FDM’ tarkoittaa sitä, että siirrettävä."— Esityksen transkriptio:

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. Johdanto 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) Johdanto tMyn

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

6 Merkittäviä vuosia OFDM:lle:
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: Johdanto 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 a WLAN-standardi (Wi-Fi) 2002: IEEE g WLAN-standardi 2004: IEEE WiMAX-standardi 2004: ETSIn DVB-H-kännykkätelevisiostandardi Johdanto tMyn

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

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

10 Multiplekseri yhdistää videodatavirran, sovellukset ja tiedostot.
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. Johdanto tMyn

11 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. Synkronointi- tavu MPEG2 dataa, 187 tavua Kuva 2. MPEG2 TS MUX paketti. Johdanto 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. Johdanto tMyn

13 Kuvassa 3 on havainnollistettu PRBS-generaattorin tuottamia paketteja.
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. Johdanto tMyn

14 Käytetään lyhennyksenä RS(204, 188, 8), kuva 4.
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. Johdanto tMyn

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

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

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

22 Yllä kerrottu pätee kaikkiin QAM-toteutuksiin (non-uniform).
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). Johdanto 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. Johdanto tMyn

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

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

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

31 Kuvassa 6 huomataan, että konstellaatiosuhteen arvo on 4.
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. Johdanto 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). Johdanto 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!! Johdanto 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. Johdanto tMyn

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

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

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

39 Kuvassa 10 esitetään aikatasossa symbolin jaksonaika.
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. Johdanto tMyn

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

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

44 Etäisyys laitimmaisten kantoaaltojen välillä ( ja
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. Johdanto tMyn

45 Taulukko 2. COFDM parametreja 8 MHz:n kanavalle.
Järjestelmä 8K järjestelmä 2K järjestelmä Kantoaaltojen lukumäärä K 6817 1705 Numeroarvo kantoaallolle Numeroarvo kantoaallolle 6816 1704 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. Johdanto 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. Johdanto tMyn

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