Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) adalah teknik modulasi untuk komunikasi wireless broadband dimasa yang akan datang karena tahan melawan frekuensi selective fading dan interferensi narrowband dan efisien menghadapi multi-path delay spread. Untuk mencapai hal tersebut, OFDM membagi aliran data high-rate mejadi aliran rate yang lebih rendah, yang kemudian dikirimkan secara bersama pada beberapa sub-carrier. Dengan melakukan hal tersebut , durasi symbol meningkat. Keuntungan dari hal tersebut adalah jumlah dispersi waktu yang disebabkan oleh multi-path delay spread menurun secara signifikan. Selain itu, pengenalan guard time pada setiap symbol OFDM meneliminasi Inter-Symbol Interference (ISI). Pada guard time, symbol OFDM secara siklus diperpanjang untuk mengurangi Inter-Carrier Interference (ICI). OFDM dapat dianggap baik sebagai metode multiplexing maupun metode modulasi. Seperti yang telah dijelaskan di atas, OFDM menggunakan sub-carrier yang banyak untuk mengirimkan aliran data low rate secara parallel. Sub-carrier dimodulasikan sendiri dengan menggunakan Phase Shift Keying (PSK) atau Quadrature Amplitude Modulation (QAM) dan dibawa pada microwave carrier berfrekuensi tinggi (5 GHz). Hal ini sama dengan Frequency Division Multiplexing (FDM) konvensional atau Sub-Carrier Multiplexing, kecuali untuk kebutuhan ke-orthogonal-an antara setiap sub-carrier. Sub-carrier secara orthogonal dapat dilihat dengan dua cara, dalam domain waktu dan frekuensi. Pada domain waktu, setiap sub-carrier harus berupa bilangan integer dari siklus selama tiap interval (durasi) symbol OFDM.

Dengan kata lain, jumlah siklus antara sub-carrier berbeda yang bersebelahan. Pada domain frekuensi, spectra amplituda dari masing-masing sub-carrier (baik modulasi PSK maupun QAM) overlap. Bagaimanapun, pada setiap spektrum sub-carrier dalam keadaan maksimum, spectral sub-carrier lainnya berada pada nol. Penerima OFDM menghitung nilai spektrum pada titik maksimum dari masing-masing subcarrier, hal ini dapat memulihkan setiap sub-carrier tanpa interferensi ICI dari sub-carrier lainnya.

Dasar sinyal OFDM dibentuk menggunakan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT), penambahan cyclic extension dan menampilkan penjendelaan untuk mendapatkan roll off yang lebih curam. Pada penerima, sub-carrier dimodulasi dengan menggunakan Fast Fourier Transform (FFT). Jika dibandingkan dengan system modulasi single carrier, OFDM lebih sensitive terhadap frekuensi offset dan noise phasa. Selain itu OFDM relatif mempunyai rasio data peak-to-avarege yang lebih tinggi, yang mereduksi efisiensi daya RF amplifier.

Pada saat ini, OFDM telah dijadikan standar dan dioperasikan di Eropa yaitu pada proyek DAB (Digital Audio Broadcast), selain itu juga digunakan pada HDSL (High Bit-rate Digital Subscriber Lines; 1.6 Mbps), VHDSL (Very High
Speed Digital Subscriber Lines; 100 Mbps), HDTV (High Definition Television) dan juga komunikasi radio. Teknologi ini sebenarnya sudah pernah diusulkan pada sekitar tahun 1950, dan penyusunan teori-teori dasar dari OFDM sudah
selesai sekitar tahun 1960. Pada tahun 1966, OFDM telah dipatenkan di Amerika. Kemudian pada tahun 1970-an, muncul beberapa paper yang mengusulkan untuk mengaplikasikan DFT (Discrete Fourier Transform) pada OFDM, dan sejak tahun 1985 muncul beberapa paper yang memikirkan pengaplikasian teknologi OFDM ini pada komunikasi wireless.

 

Perbedaan antara teknik multicarrier non-carrier konvensional dan teknik modulasi multicarrier orthogonal, teknik ini dapat menghemat hampir 50% bandwidth.

Gambar Perbandingan Single Carrier, FDM dan OFDM

Gambar diatas, merupakan perbandingan antara frekuensi modulasi yang berbeda, antara single carrier, FDM dan OFDM, terlihat pemanfaatan penghematan bandwidth dapat terlihat pada penggunaan modulasi OFDM.  Pada umumnya kanal transmisi wireless dapat mengalami multipath pada sinyal yang ditransmisikan. Hal ini dapat menimbulkan ISI (Intersymbol Interference). Suatu cara untuk mengatasi ISI ini ialah dengan melakukan penyisipan guard interval. Guard interval dapat berupa cyclic prefix. Dalam sistem OFDM, cyclic prefix memegang peranan penting untuk mempertahankan orthogonalitas subcarrier OFDM.

 

Kelebihan dan Kekurangan OFDM

Kelebihan OFDM adalah :

  1. Efisien dalam pemakaian frekuensi.

OFDM merupakan salah satu jenis multicarrier (FDM) tetapi memiliki pemakaian frekuensi yang lebih efisien. Pada OFDM overlapping antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan karena masing-masing sudah saling orthogonal.

  1. Tahan terhadap frequency selective fading.

Frequency selective fading merupakan keadaan dimana bandwidth channel lebih sempit daripada bandwidth transmisi yang mengakibatkan melemahnya daya terima secara tidak seragam pada beberapa frekuensi tertentu. Meskipurn jalur komunikasi OFDM memiliki karakteristik frequency selective fading tetapi tiap sub-carrier dari sistem OFDM hanya mengalami pelemahan daya terima secara seragam (flat fading) yang lebih mudah dikendalikan new balance trainers. Dengan kata lain OFDM dapat mengubah frequency selective fading menjadi flat fading.

  1. Tidak sensitif terhadap sinyal tunda.

Kecepatan transmisi yang rendah pada setiap sub-carrier menjadikan periode simbol menjadi lebih panjang sehingga kesensitifan sistem terhadap delay spread menjadi relatif berkurang. Delay spreadmerupakan penyebaran sinyal-sinyal yang datang terlambat.

    4.  Mengurangi ISI (inter-symbol interference) dan ICI (inter-carrier interference) yang biasa menjadi kendala pada saat transmisi.

  1. ISI dan ICI pada sistem OFDM dapat dihilangkan dengan menambahkan guard interval atau yang disebut Cyclic Prefix (CP). Dengan penambahan CP tersebut maka interferensi simbol hanya terjadi pada sisi cyclic prefix-nya saja. Efek tersebut dapat dihilangkan saat dilakukan sinkronisasi waktu pada FFT dengan cara menghilangkan CP yang mengalami interferensi.
  2. Channel equalization

Menjadi lebih sederhana daripada penggunaan teknik adaptive equalization dengan sistem single carrier.

Kekurangan OFDM adalah :

  1. Sensitif terhadap carrier frequency offset.

Sistem OFDM memiliki sensitivitas pada error frekuensi yang diakibatkan oleh perbedaan frekuensi pada penerima. Perbedaan ini diakibatkan karena adanya pergeseran frekuensi akibat efek Doppler atau efek pergeseran dan karena pengaruh ICI yang terjadi antar sub-carrier.

  1. Mudah terkontaminasi oleh distorsi nonlinear.

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

  1. Sulit untuk sinkronisasi sinyal.

Untuk menentukan start point memilai operasi FFT pada stasiun penerima relatif sulit.

  1. Mengalami rugi daya akibat penambahan cyclic prefic.

Penggunaan daya yang berlebih akibat cyclic prefic yang digunakan

  1. Memiliki PAPR yang tinggi.

Dengan nilai PAPR yang tinggi, dibutuhkan power amplifier dengan linearitas yang tinggi pula

Konsep Orthogonalitas

Sinyal-sinyal dikatakan saling tegak lurus (orthogonal) jika sinyal yang satu dengan yang lainnya saling berdiri sendiri. Istilah orthogonal di dalam OFDM mengimplikasikan hubungan yang tetap dan terdefinisi diantara semua
carrier pada rangkaian. Carrier-carrier tersebut diatur sedemikian rupa sehingga sideband dari tiap carrier overlap dan dapat diterima tanpa adanya intercarrier interference. Syarat dua sinyal dikatakan orthogonal jika:

\int_{0}^{T}cos(2\pi f_{1}t+\phi )cos(2\pi f_{2}t)dt=0

Dengan mengintegralkan persamaan diatas, maka :

cos\phi [\frac{sin(f_{1}+f_{2})T}{2\pi (f_{1}+f_{2})}+\frac{sin(2\pi(f_{1}-f_{2}))T}{2\pi(f_{1}-f_{2})}]+sin\phi [\frac{cos(2\pi (f_{1}+f_{2}))T-1}{2\pi(f_{1}+f_{2}) }+\frac{cos(2\pi (f_{1}-f_{2}))T-1}{2\pi(f_{1}-f_{2})]}=0

Karena sin(n\pi )=0 \ \ \ dan \ \ \cos (2n\pi)=1 dengan n adalah bilangan bulat dan dengan mengasumsikan (f_{1}+f_{2})T adalah bilangan bulat, maka dua suku dalam persamaan diatas dapat dihilangkan, karena :
sin(2\pi(f_{1}+f_{2}))T=0
dan

cos(2\pi(f_{1}+f_{2}))T=1

Sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi :

cos\phi [\frac{sin(2\pi(f_{1}-f_{2}))T}{2\pi(f_{1}-f_{2})}]+sin\phi [\frac{cos(2\pi (f_{1}-f_{2}))T-1}{2\pi(f_{1}-f_{2})]}=0

Untuk sembarang nilai \phi dari 0 sampai 2\pi, untuk persamaan diatas maka suku cosinus harus bernilai 1 dan suku sinus harus bernilai 0 sehingga :
2\pi(f_{1}-f_{2})T=2n\pi
serta

(f_{1}-f_{2})=\frac{1}{T}

Untuk \phi =0, untuk kondisi ini suku kedua persamaan sudah bernilai 0, karena sin 0=0. Untuk menyelesaikan suku pertama maka :

2\pi(f_{1}-f_{2})T=n\pi

serta

(f_{1}-f_{2})=\frac{n}{T}

Nilai minimum adalah ketika n=1, sehingga :

(f_{1}-f_{2})=\frac{1}{2T}

Jadi dapat disimpulkan jika beda fasa antara dua sinyal tidak diketahui maka kedua sinyal tersebut harus berbeda frekuensi sebesar 1/T supaya orthogonal, sedangkan beda fasa antara kedua sinyal adalah nol maka harus berbeda frekuensi sebesar 1/2T supaya orthogonal.

Komponen Sistem OFDM

Secara umum, komponen yang membentuk sistem komunikasi wireless terdiri dari bagian transmitter, channel, dan receiver. Demikan juga halnya dengan sistem OFDM

Transmitter OFDM

Sebuah sinyal carrier OFDM terdiri dari sejumlah orthogonal subcarrier. Data baseband pada masing-masing subcarrier dimodulasi menggunakan teknik modulasi yang umum, seperti Quadrature Amplitude Modulation (QAM) atau
Phase Shift Keying (PSK). Sinyal baseband ini biasanya digunakan untuk memodulasi carrier RF, s[n] adalah aliran serial digit-digit biner. Dengan multiplexing inverse, aliran serial ini di-demultiplex ke dalam aliran paralel,
kemudian masing-masing dipetakan (mapping) ke aliran simbol menggunakan beberapa konstelasi modulasi (QAM, PSK, FSK dll).

Gambar Blok Transmitter OFDM

IFFT dihitung pada setiap setiap set simbol, memberikan satu set sampel kompleks pada domain waktu. Set sampel ini kemudian dicampur (mixed) secara kuadratur untuk passband. Komponen real dan imajiner dikonversi ke domain analog menggunakan digital to analog converter (ADC),  sinyal analog kemudian digunakan untuk memodulasi gelombang kosinus dan sinus pada frekuensi pembawa (fc). Sinyal-sinyal ini kemudian dijumlahkan dan diperoleh parameter transmisi sinyal, s(t) .

Receiver OFDM

Pada sisi receiver, dilakukan proses yang berkebalikan dengan proses yang terjadi pada sisi transmitter. Receiver menerima sinyal r(t), yang kemudian diproses secara kuadratur ke baseband menggunakan gelombang kosinus dan sinus pada frekuensi pembawa. Hal ini juga menciptakan sinyal berpusat pada 2fc, jadi low-pass filter digunakan untuk menolak ini.

Gambar Blok Receiver OFDM

Sinyal baseband kemudian dicuplik dan diubah kebentuk digital menggunakan Analog to Digital Converter (ADC). FFT digunakan untuk mengubah kembali ke domain frekuensi. Aliran data kembali paralel, yang masing-masing dikonversi menjadi aliran biner menggunakan detektor simbol yang sesuai. Aliran simbol ini kemudian kembali digabungkan menjadi aliran serial s[n] yang merupakan aliran biner asli dari transmitter.

Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) 

IFFT mengubah sebuah spektrum (amplitudo dan fasa dari setiap komponen) ke bentuk sinyal dalam domain waktu. IFFT mengubah sejumlah titik data kompleks, kedalam domain waktu dengan jumlah titik yang sama. Setiap titik data dalam spektrum frekuensi yang digunakan pada FFT atau IFFT disebut dengan bin. Orthogonal carrier digunakan untuk sinyal OFDM dapat dengan mudah disamakan dengan mengatur amplitudo dan fasa dari setiap bin-IFFT, kemudian dilakukan proses IFFT. Ketika setiap bin-IFFT diatur amplitudo dan fasanya pada gelombang sinusoidal orthogonal, proses yang berkebalikan menjamin bahwa carrier tetap orthogonal.

 

Fast Fourier Transform (FFT)

FFT melakukan proses berkebalikan, mengubah sinyal dalam domain waktu kebentuk spektrum frekuensi yang ekuivalen. Hal ini dilakukan dengan menemukan bentuk sinyal yang ekuivalen, yaitu dengan menjumlahkan komponen-komponen sinyal sinus yang saling orthogonal. Amplitudo dan fasa dari komponen-komponen sinusoidal merepresentasikan spektrum frekuensi dari sinyal domain waktu.

 

 

 

Referensi :

[1] Wikipedia_OFDM

[2] Petronella