直交周波数分割多重方式

直交周波数分割多重方式（OFDM）とは



直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM）は、デジタル変調方式の一つで、データを複数のサブキャリアに分割して同時に伝送する技術です。これは、マルチキャリア変調の一種であり、特に広帯域デジタル通信において、無線・有線を問わず広く利用されています。

OFDMの基本原理



OFDMでは、多数のサブキャリアが互いに直交するように配置されています。これにより、サブキャリア同士が周波数軸上で重なり合っていても、互いに干渉することなく効率的なデータ伝送が可能です。この直交性は、高速フーリエ変換（FFT）アルゴリズムを用いることで効率的に実現できます。

OFDMの利点



  • - 劣悪な伝送路への強さ: OFDMは、長い銅線による高周波減衰、マルチパス干渉、周波数選択性フェージングなど、劣悪な伝送路環境に対して高い耐性を持ちます。
  • - 効率的な周波数利用: サブキャリアが直交しているため、周波数帯域を無駄なく利用できます。
  • - 簡易なイコライザー: OFDMは、高速な単一の広帯域信号ではなく、低速な多数の狭帯域信号を使用するため、チャネルのイコライザーを簡略化できます。
  • - シンボル間干渉の抑制: 低いシンボルレートとガードインターバルの導入により、時間軸上の拡散や符号間干渉を効果的に除去できます。
  • - シングルキャリアネットワークの容易な構成: 遠距離の送信機からの信号を重ね合わせて強度を増すことが可能になります。

OFDMの欠点



  • - ドップラー偏移に弱い: 移動体通信など、ドップラー効果の影響を受けやすい環境では、性能が低下する可能性があります。
  • - 周波数同期の問題: 送信機と受信機間で正確な周波数同期が必要で、ずれが生じると干渉が発生します。
  • - 高いピーク対平均電力比 (PAPR): PAPRが高いため、送信機の電力効率が悪く、コストも高くなります。

OFDMの応用例



OFDM技術は、様々な分野で広く利用されています。以下に代表的な応用例を挙げます。

  • - ケーブル: ADSL、VDSLなどのブロードバンドアクセス、電力線搬送通信 (PLC)、ホームネットワーク (MoCA)
  • - 無線: 無線LAN (IEEE 802.11a/g/n)、デジタルラジオ (DAB/EUREKA 147、DAB+、digital radio mondiale、HD radio、T-DMB、ISDB-TSB)、デジタルテレビ (DVB-T、ISDB-T)、モバイルテレビ (DVB-H, T-DMB, ISDB-T, MediaFLO forward link)、第四世代携帯電話 (Flash-OFDM, 3GPP LTE)、無線MAN/BWA (IEEE 802.16, WiMAX, HIPERMAN)、mobile broadband wireless access (IEEE 802.20, IEEE 802.16e, Mobile WiMAX, WiBro), 無線PAN UWB (IEEE 802.15.3a)

OFDMの技術的詳細



直交性

OFDMでは、サブキャリアの周波数が直交するように選択されるため、サブチャネル間の干渉が抑制され、効率的な周波数利用が可能になります。また、各サブチャネルに対して個別のフィルタを用意する必要がなく、送受信機の設計が簡略化されます。

ガードインターバル

シンボル間干渉を防ぐために、各OFDMシンボルの間にガードインターバルが挿入されます。このガードインターバルには、OFDMシンボルの末尾部分のコピーであるサイクリックプレフィクスが用いられます。これにより、マルチパス環境下での受信性能が向上します。

等化器の簡略化

OFDMでは、サブキャリアが十分に狭帯域であるため、チャネル特性を一定とみなすことができます。これにより、受信機の等化器を簡略化できます。また、パイロット信号を挿入することでチャネル状況の測定が可能になり、同期にも利用できます。

チャネルコーディングとインターリーブ

OFDMでは、誤り訂正符号とインターリーブが併用され、伝送路の信頼性を高めています。周波数/時間インターリーブを用いることで、フェージングやバーストエラーに対する耐性を向上させることができます。

適応伝送

チャネル状況に応じてサブキャリア毎に変調方式や電力配分を調整する適応伝送技術も利用できます。これにより、より効率的なデータ伝送が可能になります。

OFDMの数学的表現



OFDMのベースバンド信号は、以下の数式で表されます。


ν(t) = ∑(k=0 to N-1) Xk e^(j2πkt/T), 0 ≤ t < T


ここで、Xkはデータシンボル、Nはサブキャリア数、TはOFDMシンボル長を表します。

ガードインターバル付きOFDM信号



ν(t) = ∑(k=0 to N-1) Xk e^(j2πkt/T), -Tg ≤ t < T


Tgはガードインターバル長を表します。

OFDMの実用例



  • - ADSL: OFDMは、既存の電話線を利用した高速データ通信であるADSLで採用されています。
  • - 電力線搬送通信: OFDMは、家庭内の電力線を利用した通信でも利用されています。
  • - 無線LAN: IEEE 802.11a/g/nなどの無線LAN規格で、OFDMが採用されています。
  • - 地上デジタルラジオおよびテレビ: ヨーロッパやアジアでは、デジタルテレビやラジオの規格でOFDMが利用されています（DVB-T, ISDB-Tなど）。

まとめ



直交周波数分割多重方式（OFDM）は、その優れた特性から、現代のデジタル通信において不可欠な技術となっています。今後もその応用範囲はさらに広がることが期待されます。

もう一度検索

【記事の利用について】

タイトルと記事文章は、記事のあるページにリンクを張っていただければ、無料で利用できます。
※画像は、利用できませんのでご注意ください。

【リンクついて】

リンクフリーです。