Koncepcja FDM

Multipleksacja z Podziałem Częstotliwości (FDM) to jedna z klasycznych technik współdzielenia pojedynczego medium transmisyjnego przez wiele niezależnych sygnałów. Kluczową ideą jest podział całkowitej dostępnej szerokości pasma kanału na serię mniejszych, nienakładających się na siebie podkanałów częstotliwościowych. Każdy z tych podkanałów jest następnie przypisywany do oddzielnego użytkownika lub strumienia danych.

Najlepszą analogią dla FDM jest radiofonia. Wiele różnych stacji radiowych może nadawać jednocześnie na tym samym obszarze, ponieważ każdej z nich przydzielono unikalną częstotliwość w paśmie FM lub AM. Kiedy nastawiasz radio na „99,5 FM”, wybierasz jeden konkretny podkanał z całego dostępnego widma radiowego, ignorując wszystkie inne.

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)

1. Sygnały wejściowe: Zaczynamy z wieloma niezależnymi sygnałami wejściowymi. Zazwyczaj są to sygnały w paśmie podstawowym, jak kanały głosowe zajmujące 0-4 kHz.
2. Modulacja: Każdy sygnał w paśmie podstawowym jest używany do modulacji unikalnej, wysokoczęstotliwościowej fali nośnej. 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.
3. Filtracja: Po modulacji, filtry pasmowoprzepustowe wybierają pożądaną część zmodulowanego sygnału (np. tylko górną wstęgę boczną w SSB) i zapobiegają jego "rozlewaniu się" na sąsiednie kanały.
4. 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)

1. 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.
2. Demodulacja: Każdy odseparowany sygnał jest następnie indywidualnie demodulowany. Proces ten usuwa wysokoczęstotliwościową nośną, przesuwając widmo sygnału z powrotem do jego oryginalnego pasma podstawowego (np. 0-4 kHz).
3. Filtracja końcowa: Filtry dolnoprzepustowe czyszczą zdemodulowane sygnały, usuwając wszelkie niepożądane artefakty o wysokiej częstotliwości pozostałe po procesie demodulacji.
4. Sygnały wyjściowe: Oryginalne sygnały w paśmie podstawowym są odzyskiwane i wysyłane do swoich odpowiednich odbiorców.

Praktyczny Przykład: Hierarchia w Telefonii Analogowej

FDM przez dziesięciolecia stanowił podstawę dalekosiężnych systemów telefonii analogowej. Systemy te budowano w oparciu o znormalizowaną hierarchię, aby połączyć tysiące rozmów w jednym kablu koncentrycznym.

• Kanał podstawowy: Pojedynczy kanał głosowy miał przydzielone nominalne pasmo 4 kHz (w tym ok. 3.1 kHz na mowę oraz pasma ochronne).
• 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: Kolejny poziom łączył pięć grup wtórnych (5 x 60 = 300 kanałów głosowych).

To hierarchiczne grupowanie pozwalało operatorom efektywnie skalować 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 pasmami ochronnymi. Chociaż są konieczne, stanowią źródło nieefektywności w wykorzystaniu pasma.
• Sygnał Analogowy vs. Cyfrowy: FDM jest fundamentalnie techniką analogową. Chociaż może przenosić sygnały modulowane cyfrowo, sam proces multipleksacji operuje na ciągłych falach analogowych.
• FDM vs. WDM: Multipleksacja falowa (WDM), używana w światłowodach, jest bezpośrednim optycznym odpowiednikiem FDM. Zamiast rozdzielać sygnały elektryczne według częstotliwości (w MHz lub GHz), WDM rozdziela sygnały optyczne według długości fali/koloru (w nanometrach). Podstawowa zasada jest identyczna.
• 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.

Interaktywna Demonstracja FDM