Multipleksowanie z Podziałem Częstotliwości (FDM)

Koncepcja FDM

Multipleksacja z Podziałem Częstotliwości (FDM) to jedna z klasycznych technik współdzielenia pojedynczego medium transmisyjnego przez wiele niezależnych sygnałów. Całkowita dostępna kanału jest rozdzielana na serię mniejszych, nienakładających się podkanałów częstotliwościowych. Każdy z tych podkanałów jest przypisywany oddzielnemu użytkownikowi lub strumieniowi danych.

Radiofonia pokazuje zasadę rozdzielania częstotliwości stosowaną w FDM. Stacje nadają w przydzielonych kanałach częstotliwości, a odbiornik wybiera jeden kanał dostrojonym filtrem i tłumi pozostałe.

Proces FDM: od pasma podstawowego do szerokopasmowego

Proces łączenia wielu sygnałów za pomocą FDM obejmuje serię kroków w nadajniku (multipleksacja) i odbiorniku (demultipleksacja).

Po stronie nadajnika (multipleksacja)

Sygnały wejściowe: Zaczynamy z wieloma niezależnymi sygnałami wejściowymi. Zazwyczaj są to sygnały w , na przykład kanały głosowe o nominalnej szerokości pasma podstawowego 4 kHz.
Modulacja: Każdy sygnał w paśmie podstawowym jest używany do unikalnej, wysokoczęstotliwościowej . Na przykład, sygnał 1 moduluje nośną o częstotliwości $f_{c1}$ , sygnał 2 nośną $f_{c2}$ itd. Często używa się modulacji amplitudy (AM), a w szczególności jednowstęgowej (SSB), aby oszczędzać pasmo.
Filtracja: Po modulacji filtry pasmowoprzepustowe wybierają pożądaną część zmodulowanego sygnału (np. tylko górną wstęgę boczną w SSB) i ograniczają energię w sąsiednich kanałach.
Sumowanie: Na koniec wszystkie zmodulowane i przefiltrowane sygnały są sumowane elektrycznie, tworząc jeden, złożony sygnał szerokopasmowy FDM, który jest wysyłany do medium transmisyjnego.

Po stronie odbiornika (demultipleksacja)

Filtracja: Przychodzący sygnał złożony FDM trafia na zestaw filtrów pasmowoprzepustowych. Każdy filtr jest precyzyjnie nastrojony na jedną z częstotliwości nośnych ( $f_{c1}, f_{c2}, ...$ ) i przepuszcza tylko przypisany mu kanał, skutecznie separując sygnały.
Demodulacja: Każdy odseparowany sygnał jest następnie indywidualnie demodulowany. Proces ten usuwa wysokoczęstotliwościową nośną, przenosząc widmo sygnału z powrotem do jego oryginalnego pasma podstawowego (np. 0 do 4 kHz).
Filtracja końcowa: Filtry dolnoprzepustowe czyszczą zdemodulowane sygnały, usuwając wszelkie niepożądane artefakty o wysokiej częstotliwości pozostałe po procesie demodulacji.
Sygnały wyjściowe: Oryginalne sygnały w paśmie podstawowym są odzyskiwane i wysyłane do swoich odpowiednich odbiorców.

Hierarchia FDM w telefonii analogowej

FDM przez dziesięciolecia stanowił podstawę dalekosiężnych systemów telefonii analogowej. Systemy te wykorzystywały znormalizowaną hierarchię do łączenia tysięcy rozmów w jednym kablu koncentrycznym.

Kanał podstawowy: Pojedynczy kanał głosowy zajmował nominalny odstęp 4 kHz. Pasmo mowy od 0,3 do 3,4 kHz zajmowało około 3,1 kHz, a pozostały zakres pozostawiał miejsce na zbocza filtrów i separację kanałów.
Grupa pierwotna: Pierwszy poziom multipleksacji łączył 12 kanałów głosowych za pomocą FDM, zajmując pasmo częstotliwości 60-108 kHz.
Grupa wtórna: Następny poziom łączył pięć grup pierwotnych (5 x 12 = 60 kanałów głosowych).
Grupa trzeciorzędna: W hierarchii ITU-T pięć grup wtórnych tworzyło grupę 300-kanałową (5 x 60 = 300). W niektórych północnoamerykańskich systemach operatorskich dziesięć grup wtórnych łączono w grupę 600-kanałową.

Hierarchia pozwalała operatorom zwiększać pojemność sieci poprzez łączenie grup w coraz większe sygnały złożone do transmisji dalekosiężnej.

Kluczowe pojęcia i kompromisy

Pasma ochronne:Aby zapobiec wzajemnemu zakłócaniu się sygnałów w sąsiednich podkanałach, pozostawia się między nimi niewielkie, niewykorzystane przerwy częstotliwościowe, zwane . Pasma ochronne są konieczne, lecz zmniejszają efektywność wykorzystania pasma.
Sygnały analogowe i cyfrowe: FDM może łączyć sygnały analogowe lub sygnały modulowane cyfrowo. W klasycznym analogowym FDM multipleksacja działa na ciągłych przebiegach. Cyfrowe techniki wielonośne, takie jak OFDM, realizują tę samą zasadę rozdziału częstotliwości w przetwarzaniu dyskretnym.
FDM i WDM: Multipleksacja falowa (WDM) stosuje tę samą zasadę rozdziału kanałów w światłowodach. Każdemu kanałowi przypisuje długość fali, zwykle podawaną w nanometrach, podczas gdy FDM przypisuje pasma częstotliwości, zwykle podawane w MHz lub GHz. W obu przypadkach kanały zajmują rozdzielne obszary widma.
Sztywna alokacja: Główną wadą klasycznego FDM jest sztywna alokacja zasobów. Każdemu użytkownikowi przydzielany jest stały wycinek pasma, który pozostaje dla niego zarezerwowany, nawet jeśli nie przesyła on aktywnie danych. Może to być nieefektywne w porównaniu z dynamiczną alokacją stosowaną w sieciach z komutacją pakietów.