В телекоммуникациях частотное мультиплексирование ( FDM ) — это метод, при котором общая полоса пропускания, доступная в среде связи, делится на ряд неперекрывающихся полос частот , каждая из которых используется для передачи отдельного сигнала. Это позволяет использовать одну среду передачи, такую как микроволновая радиолиния, кабель или оптоволокно, для нескольких независимых сигналов. Другое применение — параллельная передача отдельных последовательных битов или сегментов сигнала с более высокой скоростью .
Наиболее распространенным примером частотного уплотнения является радио- и телевещание, в котором несколько радиосигналов на разных частотах проходят через воздух одновременно. Другим примером является кабельное телевидение , в котором много телевизионных каналов передаются одновременно по одному кабелю. FDM также используется телефонными системами для передачи нескольких телефонных звонков по магистральным линиям с высокой пропускной способностью, спутниками связи для передачи нескольких каналов данных по восходящим и нисходящим радиолучам, а также широкополосными модемами DSL для передачи больших объемов компьютерных данных по витой паре телефонных линий, среди многих других применений.
Аналогичный метод, называемый мультиплексированием по длине волны, используется в оптоволоконной связи , при котором несколько каналов данных передаются по одному оптоволокну с использованием разных длин волн (частот).
Несколько отдельных информационных (модуляционных) сигналов, которые передаются по системе FDM, например, видеосигналы телевизионных каналов, которые передаются по системе кабельного телевидения, называются сигналами основной полосы частот . На стороне источника для каждого частотного канала электронный генератор генерирует несущий сигнал, устойчивую колебательную форму волны на одной частоте , которая служит для «передачи» информации. Несущий сигнал намного выше по частоте, чем сигнал основной полосы частот. Несущий сигнал и сигнал основной полосы частот объединяются в схеме модулятора . Модулятор изменяет некоторые аспекты несущего сигнала, такие как его амплитуда , частота или фаза, с помощью сигнала основной полосы частот, « перекладывая » данные на носитель.
Результатом модуляции (смешивания) несущей с сигналом основной полосы является генерация подчастот вблизи несущей частоты , на сумме ( f C + f B ) и разности ( f C − f B ) частот. Информация из модулированного сигнала переносится в боковых полосах по обе стороны от несущей частоты. Таким образом, вся информация, переносимая каналом, находится в узкой полосе частот, сгруппированных вокруг несущей частоты, это называется полосой пропускания канала.
Аналогично, дополнительные сигналы основной полосы частот используются для модуляции носителей на других частотах, создавая другие каналы информации. Носители достаточно разнесены по частоте, чтобы полоса частот, занимаемая каждым каналом, полосы пропускания отдельных каналов, не перекрывались. Все каналы отправляются через среду передачи, такую как коаксиальный кабель, оптоволокно, или по воздуху с помощью радиопередатчика . Пока частоты каналов достаточно разнесены друг от друга, чтобы ни одна из полос пропускания не перекрывалась, отдельные каналы не будут мешать друг другу. Таким образом, доступная полоса пропускания делится на «слоты» или каналы, каждый из которых может нести отдельный модулированный сигнал.
Например, коаксиальный кабель, используемый в системах кабельного телевидения , имеет полосу пропускания около 1000 МГц , но полоса пропускания каждого телевизионного канала составляет всего 6 МГц, поэтому на кабеле достаточно места для многих каналов (в современных цифровых кабельных системах каждый канал, в свою очередь, подразделяется на подканалы и может передавать до 10 каналов цифрового телевидения).
На конечном конце кабеля или волокна, или радиоприемника, для каждого канала локальный генератор вырабатывает сигнал на несущей частоте этого канала, который смешивается с входящим модулированным сигналом. Частоты вычитаются, снова создавая сигнал основной полосы для этого канала. Это называется демодуляцией . Результирующий сигнал основной полосы отфильтровывается от других частот и выводится пользователю.
Для междугородней телефонной связи телефонные компании XX века использовали L-carrier и аналогичные коаксиальные кабельные системы, передающие тысячи голосовых каналов, мультиплексированных на нескольких этапах с помощью групп каналов .
Для более коротких расстояний использовались более дешевые сбалансированные кабели пар для различных систем, включая Bell System K- и N-Carrier. Эти кабели не обеспечивали такой большой полосы пропускания, поэтому только 12 голосовых каналов ( двухполосная связь ), а позднее и 24 ( однополосная связь ) были мультиплексированы в четыре провода , по одной паре для каждого направления с повторителями каждые несколько миль, примерно 10 км. См. 12-канальная система несущей . К концу 20-го века голосовые каналы FDM стали редкими. Современные телефонные системы используют цифровую передачу, в которой вместо FDM используется временное разделение каналов (TDM).
С конца 20-го века в цифровых абонентских линиях (DSL) используется система дискретного многотонального сигнала (DMT) для разделения спектра на частотные каналы.
Когда-то распространенная система FDM, используемая, например, в L-carrier , использует кристаллические фильтры, которые работают в диапазоне 8 МГц, чтобы сформировать группу каналов из 12 каналов, полоса пропускания 48 кГц в диапазоне от 8140 до 8188 кГц путем выбора несущих в диапазоне от 8140 до 8184 кГц, выбирая верхнюю боковую полосу, эта группа затем может быть переведена в стандартный диапазон от 60 до 108 кГц несущей 8248 кГц. Такие системы используются в DTL (Direct To Line) и DFSG (Directly Formed Super Group).
132 голосовых канала (2SG + 1G) могут быть сформированы с использованием плоскости DTL, план модуляции и частот приведен на ФИГ.1 и ФИГ.2, использование техники DTL позволяет сформировать максимум 132 голосовых канала, которые могут быть размещены непосредственно в линии. DTL устраняет необходимость в групповом и супергрупповом оборудовании.
DFSG может предпринять аналогичные шаги, где можно получить прямое формирование ряда супергрупп в диапазоне 8 кГц. DFSG также исключает необходимость в групповом оборудовании и может предложить:
Как DTL, так и DFSG могут соответствовать требованиям систем с низкой плотностью (с использованием DTL) и систем с более высокой плотностью (с использованием DFSG). Терминал DFSG похож на терминал DTL, за исключением того, что вместо двух супергрупп объединено много супергрупп. Мастергруппа из 600 каналов (10 супергрупп) является примером на основе DFSG.
FDM также может использоваться для объединения сигналов перед окончательной модуляцией в несущую волну. В этом случае несущие сигналы называются поднесущими : примером является стереопередача FM , где поднесущая 38 кГц используется для отделения лево-правого разностного сигнала от центрального лево-правого суммарного канала перед частотной модуляцией композитного сигнала. Аналоговый телевизионный канал NTSC разделен на поднесущие частоты для видео, цвета и звука. DSL использует разные частоты для голоса и для восходящей и нисходящей передачи данных по тем же проводникам, что также является примером частотного дуплекса .
Когда частотное мультиплексирование используется для того, чтобы позволить нескольким пользователям совместно использовать физический канал связи , это называется множественным доступом с частотным разделением каналов (FDMA). [1]
FDMA — традиционный способ разделения радиосигналов от разных передатчиков.
В 1860-х и 70-х годах несколько изобретателей пытались использовать FDM под названиями акустической телеграфии и гармонической телеграфии. Практическое FDM было достигнуто только в электронную эпоху. Между тем, их усилия привели к элементарному пониманию электроакустической технологии, что привело к изобретению телефона .