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:: Multiplexação Ortogonal por Divisão de Freqüência

José Mauricio Santos Pinheiro em 21/02/2005

 

Impulsionados por um aumento significativo de demanda, os sistemas de comunicação têm apresentado nos últimos anos uma crescente evolução com o objetivo de proporcionar modelos cada vez mais adaptados à realidade das novas tecnologias e, ao mesmo tempo, buscando tornarem-se mais atrativos técnica e economicamente.

O advento das novas tecnologias de comunicação sem fio, por exemplo, têm causado uma verdadeira revolução nas redes móveis, permitindo altas taxas de transmissão, novas facilidades de implementação e um custo mais baixo quando comparado a outras tecnologias já sedimentadas no mercado.

Todavia, as implementações de infra-estruturas de comunicação podem esbarrar em problemas que vão desde limitações geográficas ou técnicas até (e principalmente) limitações orçamentárias, que acabam por inviabilizar o desenvolvimento de um projeto.

Pensando nisso, novas técnicas são desenvolvidas visando baratear os custos dos meios de transmissão, buscando utilizar os canais de comunicação disponíveis da melhor forma possível. Dentre essas técnicas destacamos a multiplexação dos sinais.

Multiplexação

O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao mesmo tempo em um mesmo canal é chamado de multiplexação. Existem diferentes técnicas de multiplexação sendo as mais importantes a multiplexação por divisão em freqüência, por divisão no tempo e por divisão em códigos.

Na divisão por freqüência, se cada um dos sinais a serem transmitidos tem uma largura de banda B, eles serão transmitidos em "envelopes" de freqüências que diferem entre si por uma quantidade maior ou igual a 2B. Este tipo de multiplexação é chamado de FDM (Frequency Division Multiplexing). Neste caso, o número de sinais que podem ser transmitidos simultaneamente usando FDM depende da freqüência, da portadora e da largura de banda do canal.

Com a evolução das tecnologias, a demanda por bandas de transmissão cresceu bastante e a largura dos canais disponíveis deve ser aproveitada ao máximo. Pode-se notar que com a técnica FDM isto não ocorre, pois se tem que esperar que um sinal seja totalmente transmitido para que o outro possa ser enviado em seguida. Foi este dilema que levou ao estudo aprofundado de meios de modulação que permitissem superposições de sinais consecutivos sem que estes interferissem uns com os outros.

OFDM

Em meados da década de 1960, foi introduzido o conceito inicial da multiplexação ortogonal. A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma variação da multiplexação por divisão de freqüência (FDM) usada nos sistemas de telefonia e nas tecnologias de redes de acesso como o ADSL e VDSL, e mais recentemente nas redes wireless. A idéia básica é dividir um fluxo digital de alta taxa de bits em um esquema de baixa taxa e a transmissão paralela usando subportadoras.

Em um sistema FDM normal, por exemplo, as portadoras estão suficientemente espaçadas de modo a poderem ser recebidas utilizando filtros convencionais. Entretanto, para tornar a filtragem possível, bandas de guarda têm que ser introduzidas entre essas portadoras, o que resulta em uma diminuição da eficiência espectral.

Na OFDM, ao invés de se utilizar uma banda de guarda entre subportadoras para poder separá-las na recepção, emprega-se uma sobreposição das mesmas, resultando em um ganho espectral de até de 50% em relação à técnica FDM.

Figura 1 - Modulação FDM e OFDM

 

Em um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de forma que as suas bandas laterais se sobreponham sem que haja interferência entre elas. Para que isso ocorra, as portadoras devem ser matematicamente ortogonais (linearmente independentes), ou seja, no domínio do tempo, o sinal em cada portadora precisa ter um número inteiro de ciclos no período de símbolo, resultando em zero o processo de integração do produto de todos os sinais no tempo.

OFDM e FDMA

A OFDM é uma técnica de transmissão multi-portadoras que divide o espectro em várias sub-bandas. Neste tipo de modulação pode-se transmitir digitalmente, a altas taxas de bits, para receptores móveis, portáteis e fixos, especialmente em ambientes multi-percurso.

Antes da transmissão a informação é dividida em um grande número de canais com baixa taxa de bits cada um. Estes são usados para modular as portadoras ortogonais individuais de tal maneira que a duração do símbolo correspondente se torne maior do que o atraso de propagação dos canais de transmissão. As subportadoras são posicionadas de tal forma que os zeros de cada uma coincida com os das outras.

 

Figura 3 - Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM

Inserindo um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos sucessivos, a seletividade do canal e a propagação multi-percurso não causam interferências intersimbólicas Essa técnica se assemelha ao FDMA (Frequency Division Multiple Access), no que diz respeito à divisão do espectro em várias portadoras.

Figura 4 - Exemplo do espectro FDMA

A principal diferença entre OFDM e FDMA é que o espaçamento entre as portadoras na OFDM é menor, devido ao fato das portadoras serem ortogonais entre si. Geralmente os sinais OFDM têm largura de banda de cada portadora na faixa de 1kHz, enquanto que no FDMA eles atingem 3kHz. Assim, a grande vantagem do sistema OFDM é o fato das portadoras serem ortogonais entre si, podendo então ser transmitido uma quantidade maior de informação em uma mesma largura de banda.

Vantagens e desvantagens do OFDM

A OFDM é uma técnica que apresenta vantagens frente aos problemas de interferências entre freqüências e de ruído impulsivo. Um sistema baseado em OFDM além de proporcionar uma maior taxa de transmissão, apresenta uma alta robustez aos ambientes com desvanecimento seletivo em freqüência.

Entretanto, algumas desvantagens também existem, tais como: dificuldade de sincronismo das portadoras, sensibilidade aos desvios de freqüência e necessidade de amplificação decorrente do fato de o sinal transmitido não exibir uma natureza constante em sua envoltória.

OFDM e PLC

O grande diferencial do uso da modulação OFDM na tecnologia PLC (Power Line Communications) ou comunicação pela rede elétrica, está na forma como é controlada essa modulação. As freqüências são monitoradas em tempo real, com o sistema alternando o carregamento dos sinais de acordo com a presença ou não de ruídos.

Conforme o ruído se propaga pelas diversas freqüências, os sinais são carregados e transmitidos (modulados) em várias freqüências simultâneas, com níveis de carregamento diferentes, e aproveitando as melhores condições possíveis do link, garantindo assim altas taxas de transmissão, boa performance e confiabilidade. Dessa forma, o sistema pode facilmente se adaptar às mudanças das condições de transmissão da rede elétrica, podendo ainda utilizar filtros para a proteção de serviços especialmente sensíveis a esses tipos de interferências.


Figura 5 - Sistema OFDM com filtros

Conclusão

A utilização de modulação por multi-portadoras ortogonais vem recebendo grande atenção nos sistemas de telecomunicação, principalmente quando se necessita de altas taxas de transmissão em ambientes sujeitos a vários problemas de ruído e propagação.

Os sistemas baseados em modulação OFDM são amplamente utilizados em vários tipos de redes como 802.11a, 802.11g e xDSL, por apresentarem uma maior eficiência espectral.

José Maurício Santos Pinheiro
Professor Universitário, Projetista e Gestor de Redes, 
membro da BICSI, Aureside e IEC.

Autor dos livros:
 
· Guia Completo de Cabeamento de Redes ·
· Cabeamento Óptico ·
· Infraestrutura Elétrica para Redes de Computadores
·
· Biometria nos Sistemas Computacionais - Você é a Senha ·

E-mail: jm.pinheiro@projetoderedes.com.br

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