OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Merupakan kombinasi dari modulasi dan multiplexing. Teknik ini memberikan resource bandwidth diantara data yang akan di modulasi. Contoh modulasi yang sering digunakan adalah AM, FM, PM, BPSK, QPSK, dan lain sebagainya, dimana sinyal informasi yang datang akan di modulasi melalui sinyal pembawa(carrier). Dalam modulasi, informasi dipetakan ke dalam bentuk frekuensi, phase atau amplitudo (atau dikombinasikan diantaranya) sebagai sinyal pembawa. OFDM disebut dengan teknik modulasi multicarrier untuk menyampaikan ifnormasi dari sumber ke tujuan. Setiap carrier dapat menggunakan beberapa teknik modulasi digital seperti BPSK, QPSK, QAM dan lain-lain.

Mengapa OFDM
OFDM sampai saat ini menjadi kanal komunikasi yang paling efektif untuk frekuensi selective fading. Sangat sulit untuk mengatasi frekuensi selective fading, dimana receiver menjadi sangat kompleks. OFDM mengatasi permasalahan frekuensi selective fading menjadi kanal flat fading yang lebih kecil. Flat fading menjadi lebih mudah untuk mengetahui koreksi error yang sederhana dan skema ekualisasi.

Perbedaan FDM dan OFDM
OFDM merupakan bagian dari FDM (Frekuensi Division Multiplexing. In FDM, tidak ada hubungan antara frekuensi carrier satu dengan yang lainnya. sebagai contoh diberikan bandwidth yang terbadi kedalam 5 carrier (a,b,c,d,e). Sementara jika dikatakan OFDM jika carrier bersifat gelombang yang harmonis,dan menjadi gelombang yang orthogonal (b=2a,c=3a,d=4a)

Gambar Block Diagram OFDM

Ketika transmisi OFDM bekerja pada kanal komunikasi mobile dapat dengan mudah permasalahan propagasi multipath. Beberapa permasalahan yang ini masih diteliti yang serting terjadi pada OFDM seperti interference cancellation, phase noise mitigation, synchronization, PAPR reduction.

1. Phase Noise
   Phase noise merupakan salah satu masalah yang perlu dipertimbangkan dalam mendesain sistem OFDM, dimana akan terjadi penurunan sistem performansi. Sistem performansi OFDM sangat tergantung pada phase noise dan tergantung pada mekanisme phase correction. Local oscillator dibutuhkan untuk menanggulangi permasalahan spektral phase noise. Phase noise biasanya berada pada sinyal frekuensi carrier. Local osilator yang akan mengkonvert antara noise dan frekuensi carrier. Phase noise memiliki persentasi yang lebih kecil daripada bandwidth yang tersedia didalam sistem single carrier.
2. Offset and Synchronization
   Berbagai macam teknik untuk OFDM receiver seperti estimasi, timing correction dan carrier frequency offset. Simbol pilot ditambahkan ke dalam OFDM untuk proses timing.
   Local Oscillator (LO) frequency offset digambarkan secara matematika adalah perkalian antara received time domain dengan exponential komplek dimana frekuensi sama dengan LO offset.
3. Distorsi Non-linier : Teknologi OFDM adalah sebuah sistem modulasi yang menggunakan multi-frekuensi dan multi-amplitudo, sehingga sistem ini mudah terkontaminasi oleh distorsi nonlinear yang terjadi pada amplifier dari daya transmisi.

   • Prinsip Kerja

   Prinsip kerja dari OFDM dapat dijelaskan sebagai berikut. Deretan data informasi yang akan dikirim dikonversikan kedalam bentuk parallel, sehingga bila bit rate semula adalah R , maka bit rate di tiap-tiap jalur parallel adalah R/M dimana Madalah jumlah jalur parallel (sama dengan jumlah sub-carrier). Setelah itu, modulasi dilakukan pada tiap-tiap sub-carrier. Modulasi ini bisa berupa BPSK, QPSK, QAM atau yang lain, tapi ketiga teknik tersebut sering digunakan pada OFDM. Kemudian sinyal yang telah termodulasi tersebut diaplikasikan ke dalam Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT), untuk pembuatan simbol OFDM. Penggunaan IDFT ini memungkinkan pengalokasian frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal). Setelah itu simbol-simbol OFDM dikonversikan lagi kedalam bentuk serial, dan kemudian sinyal dikirim.

   

   Sinyal carrier dari OFDM merupakan penjumlahan dari banyaknya sub-carriersyang orthogonal, dengan data baseband pada masing-masing sub-carriers dimodulasikan secara bebas menggunakan teknik modulasi QAM atau PSK.

   Sinyal yang terkirim tersebut, dalam persamaan matematik bisa diekspresikan sebagai berikut:

   

   Pemakaian frekuensi yang saling orthogonal pada OFDM memungkinkan overlap antar frekuensi tanpa menimbulkan interferensi satu sama lain.

   Ortogonalitas juga memungkinkan efisiensi spektral yang tinggi, mendekati rasio Nyquist. OFDM secara umum mendekati spektrum ”white”, sehingga terdapat properti interferensi elektromagnetik terhadap pengguna co-channel yang lain.

   Satu prinsip kunci dari OFDM adalah dimana skema modulasinya dengan rasio symbol yang rendah sehingga hanya mendapat sedikit pengaruh intersymbol interference dari multipath fading. Oleh karena itu, maka dapat ditransmisikan sejumlah aliran low-rate dalam paralel, bukan aliran high-rate tunggal. Karena durasi dari tiap simbol panjang, maka memungkinkan untuk penyisipan guard interval di antara simbol-simbol OFDM, sehingga dapat menghilangkanintersymbol interference.

• Properti OFDM

1. Performa Bit Error Rate  : BER dari OFDM disini hanya dicontohkan pada lingkungan dengan fading. Kita tidak akan menggunakan OFDM sebagai straight line dari sight link seperti satellite link. Sinyal OFDM, dikarenakan variasi amplitudonya, tidak berlaku baik pada channel non-linier seperti yang dihasilkan high power amplifier pada board satelit. Penggunaan OFDM pada satelit akan membutuhkan backoff yang besar, sekitar 3 dB, sehingga harus ada alasan untuk pemaksaan penggunaannya seperti ketika sinyal digunakan untuk pengguna yang bergerak.

2. Rasio daya Peak to Average : Jika sinyal OFDM merupakan penjumlahan dari N sinyal dengan amplitudo maksimum masing-masing 1 V, maka kita bisa mendapatkan amplitudo maksimum dari N ketika semua N sinyal dijumlahkan pada keadaan maksimum. Untuk sinyal OFDM yang mempunyai 128 carrier, masing-masing dengan daya normalisasi 1 W, maka maksimum PAPR adalah mencapai log (128) atau 21 dB. RMS dari PAPR akan didapatkan sekitar setengah dari jumlah tersebut atau 10-12 dB.

3. Sinkronisasi : Sinkronisasi dibutuhkan pada OFDM. Sering pilot tones digunakan pada ruangsub-carrier. Tujuannya untuk mengunci fasa dan menyeimbangkan channel.

4. Coding : OFDM secara tidak tetap digunakan pada konjungsi dengan channel coding (forward error detection), dan hampir selalu menggunakan interleaving frekuensi dan/atau waktu. Tipe umum dari error correction coding yang digunakan pada sistem berbasis OFDM adalah convolutional coding, yang sering disambung dengan Reed-Solomon coding. Convolutional coding digunakan sebagai inner code dan Reed-Solomon coding digunakan untuk outer code. Alasan digunakannya kombinasi error correction coding ini adalah karena Viterbi decoder yang digunakan untuk convolutional decoding menghasilkan burst error singkat ketika terdapat konsentrasi eror yang tinggi, dan Reed-Solomon code sangat cocok untuk mengoreksi burst error.

• KEUNGGULAN DAN KELEMAHAN

1. Keunggulan

Untuk memperjelas perbedaan OFDM, baik dalam operasi dasarnya maupun dalam segi efisiensi spektrumnya, dengan sistem single carrier, dan juga dengan sistem multicarrier konvensional, bisa dilihat pada Gambar.3. Dari gambar tersebut bisa dilihat, bahwa OFDM adalah salah satu jenis dari multicarrier (FDM), tetapi memiliki efisensi pemakaian frekuensi yang jauh lebih baik. Pada OFDM overlap antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan, karena masing-masing sudah saling orthogonal, sedangkan pada sistem multicarrier konvensional untuk mencegah interferensi antar frekuensi yang bersebelahan perlu diselipkan frekuensi penghalang (guard band), dimana hal ini memiliki efek samping berupa menurunnya kecepatan transmisi bila dibandingkan dengan sistem single carrier dengan lebar spektrum yang sama. Sehingga salah satu karakteristik dari OFDM adalah tingginya tingkat efisiensi dalam pemakaian frekuensi. Selain itu pada multicarrier konvensional juga diperlukan band pass filter sebanyak frekuensi yang digunakan, sedangkan pada OFDM cukup menggunakan FFT saja.

Karakter utama yang lain dari OFDM adalah kuat menghadapi frequency selective fading. Dengan menggunakan teknologi OFDM, meskipun jalur komunikasi yang digunakan memiliki karakteristik frequencyselective fading (dimana bandwidth dari channel lebih sempit daripada bandwidth dari transmisi sehingga mengakibatkan pelemahan daya terima secara tidak seragam pada beberapa frekuensi tertentu), tetapi tiap sub carrier dari sistem OFDM hanya mengalami flat fading (pelemahan daya terima secara seragam). Pelemahan yang disebabkan oleh flat fading ini lebih mudah dikendalikan, sehingga performansi dari sistem mudah untuk ditingkatkan. Teknologi OFDM bisa mengubah frequency selective fading menjadi flat fading, karena meskipun sistem secara keseluruhan memiliki kecepatan transmisi yang sangat tinggi sehingga mempunyai bandwidth yang lebar, karena transmisi menggunakan subcarrier (frekuensi pembawa) dengan jumlah yang sangat banyak, sehingga kecepatan transmisi di tiap subcarrier sangat rendah dan bandwidth dari tiap subcarrier sangat sempit, lebih sempit daripada coherence bandwidth (lebar daripada bandwidth yang memiliki karakteristik yang relatif sama). Perubahan dari frequency selective fading menjadi flat fading bisa diilustrasikan seperti gambar berikut :

Keuntungan yang lainnya adalah, dengan rendahnya kecepatan transmisi di tiapsubcarrier berarti periode simbolnya menjadi lebih panjang sehinnga kesensitifan sistem terhadap delay spread (penyebaran sinyal-sinyal yang datang terlambat) menjadi relatif berkurang.

1. Kelemahan

Sebagai sebuah sistem buatan menusia, tentunya teknologi OFDM pun tak luput dari kekurangan-kekurangan. Diantaranya, yang sangat menonjol dan sudah lama menjadi topik penelitian adalah frequency offset dan nonlinear distortion (distorsi nonlinear).

• Frequency Offset

Sistem ini sangat sensitif terhadap carrier frequency offset yang disebabkan oleh jitter pada gelombang pembawa (carrier wave) dan juga terhadap Efek Doppler yang disebabkan oleh pergerakan baik oleh stasiun pengirim maupun stasiun penerima.

• Distorsi Non-linier

Teknologi OFDM adalah sebuah sistem modulasi yang menggunakan multi-frekuensi dan multi-amplitudo, sehingga sistem ini mudah terkontaminasi oleh distorsi nonlinear yang terjadi pada amplifier dari daya transmisi.

• Sinkronisasi sinyal

Pada stasiun penerima, menentukan start point untuk memulai operasi Fast Fourier Transform (FFT) ketika sinyal OFDM tiba di stasiun penerima adalah hal yang relatif sulit. Atau dengan kata lain, sinkronisasi daripada sinyal OFDM adalah hal yang sulit.

• OFDMA

Pada sekitar tahun 1994, ada beberapa paper yang mengusulkan kombinasi antara teknologi OFDM dengan teknologi CDMA (Code Division Multiple Access) yaitu menggunakan OFDM untuk modulasi tiap stasiun dan menggunakan CDMA untukmultiple access, disebut OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), yaitu penggabungan sinyal-sinyal dari beberapa stasiun pengirim pada sebuah jalur komunikasi yang harus digunakan secara bersama.

Alasan utama banyaknya perhatian terhadap teknologi ini, karena kemampuannya untuk menggabungkan keistimewaan dari CDMA yang terkenal sangat tahan terhadap interferensi, dengan keistimewaan-keistimewaan dari OFDM seperti yang sudah disebutkan diatas. Metode OFDMA ini juga memungkinkan pemakaian CDMA untuk pengiriman data berkekecapatan tinggi.

APLIKASI OFDM DALAM KOMUNIKASI DIGITAL

1. ADSL : OFDM digunakan pada koneksi ADSL yang mengikuti standar G.DMT, dimana kabel tembaga yang sudah ada digunakan untuk penerimaan koneksi data kecepatan tinggi.

2. Teknologi Powerline :OFDM digunakan oleh divais powerline untuk memperluas koneksi Ethernet ke ruangan lain pada suatu residen melalui power wiring.

3. WLAN dan MAN : OFDM digunakan pada beberapa aplikasi WLAN dan MAN, mencakup IEEE 802.11a/g dan WiMAX.

4. Radio dan Televisi Digital : Banyak Negara-negara Eropa dan Asia yang mengadopsi OFDM untuk broadcast radio dan televise digital terrestrial, seperti DVB-T, T-DMB, DAB, HD Radio, dll.

5. Ultra Wideband : Teknologi UWB wireless personal area network juga memanfaatkan OFDM, seperti Multiband OFDM.

6. FLASH-OFDM : FLASH-OFDM adalah system berbasis OFDM dengan spesifikasi protocol layersyang lebih tinggi. FLASH-OFDM telah menghasilkan packet-switched cellular bearer, yang areanya akan bersaing dengan jaringan GSM dan 3G.