В телекоммуникациях мультиплексирование с частотным разделением каналов ( FDM ) — это метод, с помощью которого общая полоса пропускания , доступная в среде связи , делится на ряд непересекающихся полос частот , каждая из которых используется для передачи отдельного сигнала. Это позволяет использовать одну среду передачи, такую как микроволновая радиолиния, кабель или оптическое волокно, для нескольких независимых сигналов. Другое применение — параллельная передача отдельных последовательных битов или сегментов сигнала с более высокой скоростью .
Наиболее распространенным примером частотного мультиплексирования является радио- и телевещание, при котором в эфире одновременно проходят несколько радиосигналов на разных частотах. Другим примером является кабельное телевидение , при котором множество телевизионных каналов транслируются одновременно по одному кабелю. FDM также используется в телефонных системах для передачи нескольких телефонных вызовов через магистральные линии с высокой пропускной способностью, в спутниках связи для передачи нескольких каналов данных по восходящим и нисходящим радиолучам, а также в широкополосных DSL-модемах для передачи больших объемов компьютерных данных по телефонным линиям витой пары . много других применений.
Аналогичный метод, называемый мультиплексированием с разделением по длине волны , используется в оптоволоконной связи , при которой несколько каналов данных передаются по одному оптическому волокну с использованием разных длин волн (частот).
Множество 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, устойчивый колеблющийся сигнал на одной частоте , который служит для «переноса» информации. Несущая намного выше по частоте, чем основной сигнал. Несущий сигнал и сигнал основной полосы объединяются в схеме модулятора . Модулятор изменяет некоторые аспекты несущего сигнала, такие как его амплитуда , частота или фаза, с помощью группового сигнала, « перенося » данные на несущую.
Результатом модуляции (смешивания) несущей с групповым сигналом является генерация подчастот вблизи несущей частоты , в сумме ( f C + f B ) и разности ( f C − f B ) частот. Информация модулированного сигнала передается в боковых полосах по обе стороны от несущей частоты. Следовательно, вся информация, передаваемая по каналу, находится в узкой полосе частот, сгруппированной вокруг несущей частоты, это называется полосой пропускания канала.
Аналогично, дополнительные модулирующие сигналы используются для модуляции несущих на других частотах, создавая другие каналы информации. Несущие разнесены по частоте достаточно далеко друг от друга, чтобы полоса частот, занимаемая каждым каналом, полосы пропускания отдельных каналов не перекрывались. Все каналы передаются через среду передачи, например, коаксиальный кабель, оптическое волокно или по воздуху с помощью радиопередатчика . Пока частоты каналов разнесены достаточно далеко 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 передавать отдельный модулированный сигнал.
Например, коаксиальный кабель , используемый в системах кабельного телевидения , имеет полосу пропускания около 1000 МГц , но полоса пропускания каждого телевизионного канала имеет ширину всего 6 МГц, поэтому в кабеле есть место для многих каналов (в современных цифровых кабельных системах каждый канал в свою очередь подразделяется на подканалы и может нести до 10 каналов цифрового телевидения).
На конечном конце кабеля, оптоволокна или радиоприемника для каждого канала гетеродин генерирует сигнал на несущей частоте этого канала, который смешивается с входящим модулированным сигналом. Частоты вычитаются, снова создавая групповой сигнал для этого канала. Это называется демодуляцией . Результирующий базовый сигнал фильтруется из других частот и выводится пользователю.
Для междугородных телефонных соединений телефонные компании 20-го века использовали L-carrier и аналогичные коаксиальные кабельные системы, несущие тысячи голосовых цепей, мультиплексированных в несколько этапов банками каналов .
На более коротких расстояниях для различных систем, включая Bell System K- и N-Carrier, использовались более дешевые симметричные пары кабелей. Эти кабели не позволяли использовать такую большую полосу пропускания, поэтому только 12 голосовых каналов ( двухполосные ), а позже и 24 ( однополосные ) были мультиплексированы в четыре провода , по одной паре для каждого направления с повторителями каждые несколько миль, примерно 10 км. См. 12-канальную несущую систему . К концу 20-го века голосовые цепи FDM стали редкостью. Современные телефонные системы используют цифровую передачу, в которой вместо FDM используется мультиплексирование с временным разделением (TDM).
С конца 20-го века в цифровых абонентских линиях (DSL) используется дискретная многотональная система (DMT) для разделения своего спектра на частотные каналы.
Некогда распространенная система FDM, используемая, например, в L-carrier , использует кварцевые фильтры, которые работают в диапазоне 8 МГц для формирования группы каналов из 12 каналов с полосой пропускания 48 кГц в диапазоне от 8140 до 8188 кГц путем выбора несущих в диапазоне 8140. до 8184 кГц, выбрав верхнюю боковую полосу, эту группу затем можно перевести в стандартный диапазон от 60 до 108 кГц с помощью несущей 8248 кГц. Такие системы используются в DTL (Direct To Line) и DFSG (Непосредственно сформированная супергруппа).
132 голосовых канала (2SG + 1G) могут быть сформированы с использованием плоскости DTL. План модуляции и частоты приведены на фиг.1 и фиг.2. Использование технологии DTL позволяет сформировать максимум 132 голосовых канала, которые можно разместить непосредственно в линии. DTL исключает групповое и супергрупповое оборудование.
DFSG может предпринять аналогичные шаги, когда можно получить прямое формирование нескольких супергрупп на частоте 8 кГц. DFSG также исключает групповое оборудование и может предложить:
И DTL, и DFSG могут соответствовать требованиям системы низкой плотности (с использованием DTL) и системы более высокой плотности (с использованием DFSG). Терминал DFSG аналогичен терминалу DTL, за исключением того, что вместо двух супергрупп объединено множество супергрупп. Мастер-группа из 600 каналов (10 супергрупп) является примером на основе DFSG.
FDM также можно использовать для объединения сигналов перед окончательной модуляцией в несущую волну. В этом случае сигналы несущей называются поднесущими : примером является стерео FM- передача, где поднесущая 38 кГц используется для отделения разностного сигнала левого-правого канала от центрального суммарного канала левого-правого перед частотной модуляцией композитный сигнал. Аналоговый телевизионный канал NTSC разделен на поднесущие частоты для видео, цвета и звука. DSL использует разные частоты для голоса, а также для восходящей и нисходящей передачи данных по одним и тем же проводникам, что также является примером частотного дуплекса .
Если используется мультиплексирование с частотным разделением каналов, позволяющее нескольким пользователям совместно использовать физический канал связи , это называется множественным доступом с частотным разделением каналов (FDMA). [1]
FDMA — это 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 стало возможным только в эпоху электроники. Тем временем их усилия привели к элементарному пониманию электроакустической технологии, что привело к изобретению телефона .