Мультиплексирование с разделением по частоте

При частотном мультиплексировании или мультиплексировании с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) широкая полоса пропускания физического канала F делится на n узких полос частот f << F, в каждой из которых создается логический канал. Размеры частотных полос f могут быть различными. Каждой взаимодействующей системе назначается отдельный поддиапазон частот (логический канал). Отправители могут посылать сигналы одновременно. Передаваемые по разным логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Для исключения влияния друг на друга сигналов, передаваемых по разным логическим каналам, между ними формируются защитные полосы, служащие границами между каналами.

Однако, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать помехи в соседнем логическом канале.

Рис. 3.17 Мультиплексирование с разделением по частоте

Преимуществом частотного мультиплексирования является возможность одновременной передачи сигналов несколькими взаимодействующими системами. Однако из-за того, что каждой системе статически назначается отдельный канал, происходит неэффективное использование полосы пропускания общего канала связи. В какой-то момент времени у одной системы данные для передачи могут отсутствовать и канал останется пустым, в то время как другим системам будет не хватать ресурсов, выделенных им логических каналов. Также наличие защитных полос между логическими каналами уменьшает доступную для передачи полосу пропускания.

Мультиплексирование с разделением по частоте является широко используемым методом мультиплексирования, используемым в теле- и радиовещании и сотовой связи. Также оно применяется в сетях на основе технологий xDSL.

Однако при частотном мультиплексировании можно делить полосу пропускания на каналы, не используя защитные полосы.

При мультиплексировании с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) вся полоса пропускания физического канала разделена на множество поднесущих (subcarrier) или подканалов. Этих поднесущих может быть от нескольких десятков до тысяч. Каждому передатчику назначают для передачи несколько таких поднесущих, выбранных из множества по определенному закону. Поднесущие являются ортогональными, потому что передача информации на каждой из них не влияет на передачу информации на соседних. Как показано на рисунке 3.18, центры поднесущих частот размещены так, что максимум энергии одной поднесущей совпадает с минимумами других поднесущих, несмотря на то, что их сигналы частично пересекаются в частотном спектре. Такое размещение позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот.

Передача ведется одновременно всеми поднесущими. Исходящий высокоскоростной поток данных разбивается в передатчике на n низкоскоростных потоков (n - число поднесущих, назначенных данному передатчику), каждый из которых модулируется своей отдельной поднесущей. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться.

Чтобы передать сложный сигнал, состоящий из нескольких поднесущих, используется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). Для этого передатчик берет модулированные сигналы из каждого подканала, складывает их и получает суммарный сигнал. Суммарный OFDM-сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстромодулируемый широкополосный сигнал. При приеме выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ). Все поднесущие извлекаются одновременно и для каждой из них определяются параметры, несущие информацию (амплитуда и/или фаза).

Помимо эффективного использования полосы пропускания, OFDM позволяет уменьшить хорошо известные негативные эффекты многолучевого распространения и межсимвольной интерференции. OFDM-сигнал объединяет множество узкополосных подканалов, каждый из которых может передавать на достаточно низкой скорости. Поэтому система испытывает минимальную межсимвольную интерференцию, которой подвержены в основном системы с высокой скоростью передачи данных.

Рис. 3.18 Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением

OFDM не является новой технологией. Большинство фундаментальных работ, описывающих ее работу, появилось в 1960-х годах. Она широко используется в беспроводных сетях стандарта 802.11, сетях кабельного телевидения, в сетях на основе электрической проводки, в сетях на основе технологий xDSL, в сетях мобильной передачи данных 4-го поколения LTE.