Частотное разделение каналов в телекоммуникациях

Введение

Техника обработки сигналов в телекоммуникациях

В телекоммуникациях мультиплексирование с частотным разделением (FDM) – это техника, при которой общая полоса пропускания, доступная в среде связи, разделяется на ряд неперекрывающихся частотных полос, каждая из которых используется для передачи отдельного сигнала. Это позволяет использовать одну среду передачи, такую как радиосвязь в микроволновом диапазоне, кабель или оптическое волокно, для одновременной передачи нескольких независимых сигналов. Другое применение – передача отдельных последовательных битов или сегментов сигнала с более высокой скоростью параллельно. Наиболее распространенным примером мультиплексирования с частотным разделением является радио- и телевизионное вещание, при котором несколько радиосигналов на разных частотах передаются по воздуху одновременно. Другой пример – кабельное телевидение, в котором множество телевизионных каналов передаются одновременно по одному кабелю. FDM также используется телефонными системами для передачи нескольких телефонных вызовов по магистральным линиям связи высокой пропускной способности, спутниками связи для передачи множества каналов данных по восходящим и нисходящим радиолучам, а широкополосными DSL-модемами для передачи больших объемов компьютерных данных по телефонным линиям с витой парой, и во многих других областях. Аналогичная техника, называемая мультиплексированием по длине волны, используется в волоконно-оптической связи, где несколько каналов данных передаются по одному оптическому волокну с использованием различных длин волн (частот).

Принцип

Множественные отдельные информационные (модуляционные) сигналы, передаваемые по системе FDM, такие как видеосигналы телевизионных каналов, передаваемые по системе кабельного телевидения, называются сигналами базовой полосы. На передающей стороне для каждого частотного канала электронный генератор создает несущий сигнал – устойчивую колебательную форму на одной частоте, служащую для "передачи" информации. Частота несущего сигнала значительно выше частоты сигнала базовой полосы. Несущий сигнал и сигнал базовой полосы объединяются в модуляторной схеме. Модулятор изменяет некоторые характеристики несущего сигнала, такие как амплитуда, частота или фаза, под воздействием сигнала базовой полосы, "накладывая" данные на несущую. В результате модуляции (смешения) несущего сигнала с сигналом базовой полосы генерируются побочные частоты вблизи частоты несущего сигнала, равные сумме (fC + fB) и разности (fC − fB) частот. Информация из модулированного сигнала переносится в боковых полосах по обе стороны от несущей частоты. Следовательно, вся информация, передаваемая по каналу, находится в узкой полосе частот, сконцентрированной вокруг частоты несущего сигнала, что называется пропускной способностью канала. Аналогично, дополнительные сигналы базовой полосы используются для модуляции несущих на других частотах, создавая другие информационные каналы. Несущие частоты разделены достаточно большим интервалом, чтобы полосы частот, занимаемые каждым каналом – пропускные способности отдельных каналов – не перекрывались. Все каналы передаются по среде передачи, такой как коаксиальный кабель, оптическое волокно или по воздуху с помощью радиопередатчика. Пока частоты каналов достаточно разнесены, чтобы ни одна из пропускных способностей не перекрывалась, отдельные каналы не будут создавать помехи друг другу. Таким образом, доступная полоса пропускания разделена на "слоты" или каналы, каждый из которых может передавать отдельный модулированный сигнал. Например, коаксиальный кабель, используемый в кабельных телевизионных системах, имеет полосу пропускания около 1000 МГц, но пропускная способность каждого телевизионного канала составляет всего 6 МГц, поэтому на кабеле достаточно места для множества каналов (в современных цифровых кабельных системах каждый канал, в свою очередь, подразделяется на подканалы и может передавать до 10 цифровых телевизионных каналов). На приемном конце кабеля или волокна, или в радиоприемнике, для каждого канала локальный генератор создает сигнал на несущей частоте этого канала, который смешивается с входящим модулированным сигналом. Частоты вычитаются, восстанавливая сигнал базовой полосы для этого канала. Этот процесс называется демодуляцией. Полученный сигнал базовой полосы фильтруется от других частот и передается пользователю.

The multiple separate information (modulation) signals that are sent over an FDM system, such as the video signals of the television channels that are sent over a cable TV system, are called baseband signals. At the source end, for each frequency channel, an electronic oscillator generates a carrier signal, a steady oscillating waveform at a single frequency that serves to "carry" information. The carrier is much higher in frequency than the baseband signal. The carrier signal and the baseband signal are combined in a modulator circuit. The modulator alters some aspect of the carrier signal, such as its amplitude, frequency, or phase, with the baseband signal, "piggybacking" the data onto the carrier. The result of modulating (mixing) the carrier with the baseband signal is to generate sub frequencies near the carrier frequency, at the sum (fC + fB) and difference (fC − fB) of the frequencies. The information from the modulated signal is carried in sidebands on each side of the carrier frequency. Therefore, all the information carried by the channel is in a narrow band of frequencies clustered around the carrier frequency, this is called the passband of the channel. Similarly, additional baseband signals are used to modulate carriers at other frequencies, creating other channels of information. The carriers are spaced far enough apart in frequency that the band of frequencies occupied by each channel, the passbands of the separate channels, do not overlap. All the channels are sent through the transmission medium, such as a coaxial cable, optical fiber, or through the air using a radio transmitter. As long as the channel frequencies are spaced far enough apart that none of the passbands overlap, the separate channels will not interfere with each other. Thus the available bandwidth is divided into "slots" or channels, each of which can carry a separate modulated signal. For example, the coaxial cable used by cable television systems has a bandwidth of about 1000 MHz, but the passband of each television channel is only 6 MHz wide, so there is room for many channels on the cable (in modern digital cable systems each channel in turn is subdivided into subchannels and can carry up to 10 digital television channels). At the destination end of the cable or fiber, or the radio receiver, for each channel a local oscillator produces a signal at the carrier frequency of that channel, that is mixed with the incoming modulated signal. The frequencies subtract, producing the baseband signal for that channel again. This is called demodulation. The resulting baseband signal is filtered out of the other frequencies and output to the user.

Телефон

Для телефонных соединений на большие расстояния телефонные компании 20-го века использовали L-кабель и аналогичные системы коаксиальных кабелей, передающие тысячи голосовых каналов, мультиплексированных в несколько этапов с помощью банков каналов. Для меньших расстояний использовались более дешевые сбалансированные парные кабели для различных систем, включая Bell System K и N Carrier. Эти кабели не обеспечивали такой большой полосы пропускания, поэтому в четыре провода – по паре для каждого направления – мультиплексировалось только 12 голосовых каналов (с двойной боковой полосой) и позднее 24 (с одинарной боковой полосой), с ретрансляторами через каждые несколько миль, примерно 10 км. См. 12-канальную систему передачи по несущей. К концу 20-го века голосовые схемы FDM стали редкостью. В современных телефонных системах используется цифровая передача, в которой вместо FDM применяется мультиплексирование с разделением по времени (TDM). С конца 20-го века цифровые абонентские линии (DSL) используют систему дискретного многотона (DMT) для разделения своего спектра на частотные каналы.