Multiplexación por división de frecuencia

En telecomunicaciones, la multiplexación por división de frecuencia (FDM) es una técnica mediante la cual el ancho de banda total disponible en un medio de comunicación se divide en una serie de frecuencias que no se superponen. bandas, cada una de las cuales se utiliza para llevar una señal separada. Esto permite que múltiples señales independientes compartan un único medio de transmisión, como un enlace de radio de microondas, un cable o una fibra óptica. Otro uso es transportar bits o segmentos seriales separados de una señal de velocidad más alta en paralelo.

El ejemplo más común de multiplexación por división de frecuencia es la transmisión de radio y televisión, en la que múltiples señales de radio en diferentes frecuencias pasan por el aire al mismo tiempo. Otro ejemplo es la televisión por cable, en la que muchos canales de televisión se transmiten simultáneamente en un solo cable. Los sistemas telefónicos también utilizan FDM para transmitir múltiples llamadas telefónicas a través de líneas troncales de alta capacidad, satélites de comunicaciones para transmitir múltiples canales de datos en haces de radio de enlace ascendente y descendente, y módems DSL de banda ancha para transmitir grandes cantidades de datos informáticos a través de líneas telefónicas de par trenzado, entre otros. muchos otros usos.

Una técnica análoga llamada multiplexación por división de longitud de onda se utiliza en la comunicación por fibra óptica, en la que se transmiten múltiples canales de datos a través de una sola fibra óptica utilizando diferentes longitudes de onda (frecuencias).

Principio

La banda paso de un canal FDM que transporta datos digitales, modulado por QPSK quadrature phase-shift keying.

Las múltiples señales de información separada (modulación) que se envían a través de un sistema FDM, como las señales de video de los canales de televisión que se envían a través de un sistema de televisión por cable, se denominan señales de banda base. En el extremo de la fuente, para cada canal de frecuencia, un oscilador electrónico genera una señal portadora, una forma de onda oscilante constante en una sola frecuencia que sirve para "llevar" información. La portadora tiene una frecuencia mucho más alta que la señal de banda base. La señal portadora y la señal de banda base se combinan en un circuito modulador. El modulador altera algún aspecto de la señal portadora, como su amplitud, frecuencia o fase, con la señal de banda base, "piggybacking" los datos en el portador.

El resultado de modular (mezclar) la portadora con la señal de banda base es generar subfrecuencias cerca de la frecuencia portadora, en la suma (f_C + f_B) y diferencia (f_C − f_B) de las frecuencias. La información de la señal modulada se transporta en bandas laterales a cada lado de la frecuencia portadora. Por lo tanto, toda la información transportada por el canal se encuentra en una banda estrecha de frecuencias agrupadas alrededor de la frecuencia portadora, esto se denomina banda de paso del canal.

Del mismo modo, las señales de banda base adicionales se utilizan para modular las portadoras en otras frecuencias, creando otros canales de información. Las portadoras están lo suficientemente separadas en frecuencia para que la banda de frecuencias ocupada por cada canal, las bandas de paso de los canales separados, no se superpongan. Todos los canales se envían a través del medio de transmisión, como un cable coaxial, fibra óptica, o por el aire usando un transmisor de radio. Siempre que las frecuencias de los canales estén lo suficientemente separadas como para que ninguna de las bandas de paso se superponga, los canales separados no interferirán entre sí. Así, el ancho de banda disponible se divide en "ranuras" o canales, cada uno de los cuales puede transportar una señal modulada separada.

Por ejemplo, el cable coaxial que utilizan los sistemas de televisión por cable tiene un ancho de banda de aproximadamente 1000 MHz, pero la banda de paso de cada canal de televisión tiene solo 6 MHz de ancho, por lo que hay espacio para muchos canales en el cable (en el cable digital moderno). cada canal a su vez se subdivide en subcanales y puede transportar hasta 10 canales de televisión digital).

En el extremo de destino del cable o la fibra, o el receptor de radio, para cada canal, un oscilador local produce una señal a la frecuencia portadora de ese canal, que se mezcla con la señal modulada entrante. Las frecuencias se restan, produciendo nuevamente la señal de banda base para ese canal. Esto se llama demodulación. La señal de banda base resultante se filtra de las otras frecuencias y se envía al usuario.

Teléfono

Para las conexiones telefónicas de larga distancia, las compañías telefónicas del siglo XX usaban L-carrier y sistemas de cable coaxial similares que transportaban miles de circuitos de voz multiplexados en múltiples etapas por bancos de canales.

Para distancias más cortas, se utilizaron cables de par balanceado más baratos para varios sistemas, incluidos Bell System K- y N-Carrier. Esos cables no permitían anchos de banda tan grandes, por lo que solo se multiplexaron 12 canales de voz (doble banda lateral) y luego 24 (banda lateral única) en cuatro hilos, un par para cada dirección con repetidores cada varias millas, aproximadamente 10 km. Ver sistema portador de 12 canales. A fines del siglo XX, los circuitos de voz FDM se habían vuelto raros. Los sistemas telefónicos modernos emplean transmisión digital, en la que se usa multiplexación por división de tiempo (TDM) en lugar de FDM.

Desde finales del siglo XX, las líneas de suscriptores digitales (DSL) han utilizado un sistema multitono discreto (DMT) para dividir su espectro en canales de frecuencia.

El concepto correspondiente a la multiplexación por división de frecuencia en el dominio óptico se conoce como multiplexación por división de longitud de onda.

Grupo y supergrupo

Un sistema FDM que alguna vez fue común, utilizado por ejemplo en L-carrier, usa filtros de cristal que funcionan en el rango de 8 MHz para formar un grupo de canales de 12 canales, 48 kHz de ancho de banda en el rango de 8140 a 8188 kHz seleccionando portadores en el rango de 8140 a 8184 kHz seleccionando la banda lateral superior, este grupo se puede traducir al rango estándar de 60 a 108 kHz mediante una portadora de 8248 kHz. Estos sistemas se utilizan en DTL (directo a línea) y DFSG (supergrupo formado directamente).

Se pueden formar 132 canales de voz (2SG + 1G) usando el plano DTL la modulación y el plan de frecuencias se dan en FIG1 y FIG2 el uso de la técnica DTL permite la formación de un máximo de 132 canales de voz que Se puede colocar directo a la línea. DTL elimina equipos de grupo y súper grupo.

DFSG puede tomar medidas similares donde se puede obtener una formación directa de una serie de supergrupos en los 8 kHz. El DFSG también elimina el equipo de grupo y puede ofrecer:

• Reducción del costo del 7% al 13%
• Menos equipo para instalar y mantener
• Mayor fiabilidad debido a menos equipo

Tanto DTL como DFSG pueden cumplir los requisitos de un sistema de baja densidad (usando DTL) y un sistema de mayor densidad (usando DFSG). El terminal DFSG es similar al terminal DTL, excepto que en lugar de dos supergrupos, se combinan muchos supergrupos. Un Mastergroup de 600 canales (10 supergrupos) es un ejemplo basado en DFSG.

Otros ejemplos

FDM también se puede utilizar para combinar señales antes de la modulación final en una onda portadora. En este caso, las señales portadoras se denominan subportadoras: un ejemplo es la transmisión de FM estéreo, en la que se utiliza una subportadora de 38 kHz para separar la señal de diferencia izquierda-derecha del canal de suma central izquierda-derecha, antes de la modulación de frecuencia de la señal. señal compuesta. Un canal de televisión NTSC analógico se divide en frecuencias subportadoras para video, color y audio. DSL utiliza diferentes frecuencias para la voz y para la transmisión de datos ascendente y descendente en los mismos conductores, que también es un ejemplo de dúplex de frecuencia.

Cuando se utiliza la multiplexación por división de frecuencia para permitir que varios usuarios compartan un canal de comunicaciones físico, se denomina acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA).

FDMA es la forma tradicional de separar señales de radio de diferentes transmisores

En las décadas de 1860 y 1870, varios inventores intentaron FDM bajo los nombres de telegrafía acústica y telegrafía armónica. La FDM práctica solo se logró en la era electrónica. Mientras tanto, sus esfuerzos condujeron a una comprensión elemental de la tecnología electroacústica, lo que resultó en la invención del teléfono.