L'Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) è uno schema di trasmissione che ha rivoluzionato le comunicazioni digitali wireless ad alta velocità, diventando la tecnologia fondamentale per gli standard moderni come il Wi-Fi, il 4G/LTE e il 5G. L'OFDM è un'evoluzione del multiplexing a divisione di frequenza (FDM), ma con un'efficienza spettrale significativamente superiore. In un sistema tradizionale a singola portante, un flusso di dati ad alta velocità modula una sola frequenza radio. Questo approccio è vulnerabile a interferenze e rumore di canale. Al contrario, l'OFDM scompone questo flusso di dati in centinaia o migliaia di flussi più lenti. Ogni flusso modula una propria "sottoportante" a banda stretta, e tutte queste sottoportanti vengono trasmesse simultaneamente in parallelo sulla stessa banda di frequenza. Le sottoportanti sono modulate individualmente con schemi di modulazione digitale standard, come QPSK o QAM. La genialità dell'OFDM risiede dell' ortogonalità, garantita da una relazione matematica precisa tra la spaziatura delle frequenze delle sottoportanti e la durata di ciascun simbolo OFDM. Per mantenere l'ortogonalità, la spaziatura tra le sottoportanti (Δf) deve essere esattamente uguale al reciproco del periodo del simbolo (Ts), cioè:
Δf = 1/Ts
Grazie a questa condizione, in un singolo periodo di simbolo (Ts), ogni sottoportante completa un numero intero di cicli. Questo fa sì che, al ricevitore, la potenza delle sottoportanti modulate adiacenti si annulli completamente nel punto di campionamento del segnale, permettendo al demodulatore di estrarre il proprio flusso di dati senza essere influenzato dalle altre sottoportanti. In sostanza le sottoportanti modulate si sovrappongono senza interferire tra loro.
L'applicazione di questo principio porta a due vantaggi principali:
- Massima Efficienza Spettrale: Eliminando la necessità di bande di guardia, l'OFDM può impacchettare più dati nella stessa banda di frequenza rispetto all'FDM, utilizzando lo spettro in modo più efficiente.
- Semplice Demodulazione: La magia dell'OFDM si realizza soprattutto nel ricevitore, dove un algoritmo chiamato Fast Fourier Transform (FFT) scompone il segnale combinato e recupera i dati da ogni singola sottoportante. Poiché le sottoportanti sono ortogonali, l'operazione di demodulazione diventa molto più semplice, poiché il ricevitore non deve "separare" segnali interferenti.
L'OFDM è particolarmente robusto contro due dei principali problemi delle comunicazioni wireless: l'interferenza tra simboli (ISI) e il fading selettivo in frequenza.
- Interferenza tra Simboli (ISI): L'effetto multi-path, causato dal segnale che rimbalza su vari ostacoli, crea copie ritardate del segnale che possono sovrapporsi e corrompere i dati. In un sistema a portante singola ad alta velocità, questo è un problema significativo. L'OFDM riduce il rischio di ISI grazie alle sue sottoportanti a bassa velocità di simbolo, che hanno una durata maggiore rispetto a un singolo simbolo a banda larga.
Per neutralizzare completamente l'ISI, l'OFDM introduce un
Intervallo di Guardia o Prefisso Ciclico (CP). Il CP è una copia della porzione finale di un simbolo OFDM che viene aggiunta all'inizio del simbolo stesso. Questo "cuscino" temporale assorbe i ritardi del multi-path, prevenendo l'interferenza con il simbolo successivo.
- Fading Selettivo in Frequenza: Un canale radio può presentare "buchi" a frequenze specifiche, dove il segnale si attenua notevolmente. In un sistema a portante singola, un buco di questo tipo può bloccare l'intera comunicazione. Poiché l'OFDM utilizza molte sottoportanti a banda stretta, un "null" di frequenza colpisce solo un piccolo sottoinsieme di sottoportanti, lasciando le altre intatte. Questo rende l'OFDM intrinsecamente immune al fading selettivo.
Nonostante i suoi numerosi vantaggi, l'OFDM ha anche delle limitazioni:
- Elevato Rapporto Picco-Medio (PAPR): Il segnale OFDM è la somma di molte sottoportanti indipendenti. Statisticamente, queste onde possono allinearsi in fase, creando picchi di potenza molto alti rispetto alla potenza media del segnale. Questo elevato PAPR richiede amplificatori di potenza (PA) molto lineari e costosi che operano a bassa efficienza per evitare di distorcere questi picchi.
- Sensibilità agli Offset di Frequenza: Per mantenere l'ortogonalità, il trasmettitore e il ricevitore devono essere perfettamente sincronizzati. Un minimo errore di frequenza, dovuto all'instabilità dell'oscillatore o all'effetto Doppler, può rompere l'ortogonalità, causando ICI e riducendo le prestazioni. A causa della sensibilità al Doppler, l'OFDM non è attualmente l'ideale per applicazioni in sistemi ad alta velocità.
L'OFDM ha dato origine a numerose varianti per soddisfare esigenze specifiche:
- COFDM (Coded OFDM): Aggiunge codici di correzione degli errori ai dati prima della modulazione, rendendo il segnale più robusto. È lo standard per la radio digitale (DAB) e la televisione digitale (DVB).
- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access): Permette a più utenti di accedere al sistema assegnando a ciascuno gruppi specifici di sottoportanti. È il cuore degli standard 4G LTE e 5G per il downlink.
- MIMO-OFDM: Combina l'OFDM con la tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output), che usa più antenne per aumentare la velocità e l'affidabilità. Questa combinazione è fondamentale per gli standard Wi-Fi moderni (802.11n/ac/ax) e il 5G.
Le applicazioni dell'OFDM sono onnipresenti nella vita moderna, dalla telefonia mobile 4G/LTE e 5G al Wi-Fi (tutti gli standard da 802.11a in poi) e al broadcasting digitale (DAB, DVB-T/T2).
