DFT erzeugt das Funksignal

OFDM-Signale werden mittels inverser DFT (IDFT) erzeugt, deren Ergebnis ist eine Folge von Samples im Zeitbereich. Die Spektralkomponenten der (I)DFT sind im mathematischen Sinne orthogonal, daher der Name der Modulation. Jede Spektralkomponente ergibt eine Unterträgerfrequenz.

Durch die digitale Signalverarbeitung sind Trägerzahlen erreichbar, die mittels analoger Technik kaum zu realisieren wären, bei WLAN sind es 64 pro Kanal. Käme analoge Technik zum Einsatz, müsste der Sender entsprechend viele Frequenzen erzeugen. Der Empfänger müsste das eingehende Signal mit einer aufwendigen Filterbank in die einzelnen Komponenten zerlegen. Beides würde viel Hardware erfordern, dank IDFT genügt dem Sender ein Digital-Analog- und dem Empfänger ein Analog-Digital-Wandler.

Dank digitaler Signalverarbeitung funktioniert das alles mit nur einem Takt. Im Sender sind die Unterträger perfekt definiert, der Empfänger kann sie exakt wieder trennen. Von den 64 verfügbaren Unterträgern dienen allerdings nur maximal 52 der Datenübertragung, bis zu zwölf bleiben komplett ungenutzt.

Besser mit Verschwendung

Was ineffizient klingt, hat einen wichtigen Grund: Hierdurch wird das sogenannte Übersprechen auf benachbarte Funkkanäle verringert. Außerhalb der zugewiesenen Bandbreite sollte die Energie des erzeugten Signals gering sein. Andernfalls überlagert es andere Funksignale und kann diese verfälschen.

Weitere vier Unterträger dienen als sogenannte Pilotträger. Sie übertragen ein Referenzsignal und können vom Empfänger genutzt werden, um seinen Empfangstakt mit dem Sendetakt synchron zu halten. Darüber hinaus können sie zur Einschätzung der frequenzabhängigen Störung des Übertragungskanals genutzt werden. Mittels Entzerrung (Equalization) kann so die Signalqualität verbessert werden. Im Vergleich zu anderen Standards, beispielsweise DVB-T, haben die Pilotträger bei WLAN eine geringere Relevanz.

Keine Information ohne Modulation

Damit ein Signal Daten überträgt, muss es zeitlich verändert werden, was als Modulation bezeichnet wird. Jeder der verfügbaren Unterträger kann einzeln moduliert werden. Das bedeutet, dass die Trägerschwingung gemäß einem Schema verändert wird. Wird OFDM genutzt, können Amplitude, also die Signalstärke, und die Phasenlage variiert werden. Die einfachste Variante, das Ein- und Ausschalten des Unterträgers für die Dauer eines Symbols (On-Off-Keying, OOK), kommt lediglich beim IoT-Standard 802.11ba zum Einsatz.

Alle anderen Geräte nutzen Phasenverschiebung mit zwei und vier Zuständen (Binary und Quadrature Phase Shift Keying, BPSK/QPSK, ein oder zwei Bit pro Symbol) oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM). Ursprünglich wurden bis zu sechs Bit pro Unterträger und Symbol moduliert. Das entspricht 64 möglichen Werten (64-QAM), die über festgelegte Amplituden- und Phasenwerte dargestellt werden.

Mehr Daten pro Träger!

Die ac-Erweiterung des Standards erlaubt bis zu acht Bit pro Symbol und Unterträger, also 256 komplexe Werte (256-QAM). Der aktuelle Standard 802.11ax alias Wi-Fi 6 erhöhte auf zehn Bit (1024-QAM), mit 802.11be alias Wi-Fi 7 sind zwölf Bit (4096-QAM) möglich. Das Muster, das die Werte in der komplexen Ebene bilden, wird als Konstellation bezeichnet.

Dabei gilt: Je mehr Bits pro Unterträger und Symbol übertragen werden sollen, desto besser muss die Signalqualität sein. Bei einem schwachen Signal liegen die Konstellationspunkte eng zusammen. Eine kleine Störung kann dazu führen, dass der Empfänger sie falsch zuordnet und das Signal verfälscht wird. Daher wird die verwendete Modulation anhand der Signalqualität ausgewählt und dem Empfänger mitgeteilt. Die erreichbare Datenrate hängt damit von der Umgebung - Entfernung zum Sender, Wände - sowie Interferenzen durch andere Sender ab.