Частотное разделение

Частотное разделение (частотное уплотнение, frequency-division multiplexing, FDM) — это метод мультиплексирования, при котором несколько независимых сигналов передаются одновременно по одному физическому каналу связи путём выделения каждому сигналу непересекающейся полосы частот. В отличие от временного разделения, где каналы используют одну и ту же полосу частот по очереди, при частотном разделении все каналы активны постоянно, но занимают разные участки спектра.

Принцип работы

Основой частотного разделения является модуляция. Каждый исходный сигнал (например, голос, данные, видео) модулирует свою несущую частоту. Несущие частоты выбираются таким образом, чтобы спектры модулированных сигналов не перекрывались. Между полосами соседних каналов обычно оставляют защитные интервалы (guard bands) — небольшие полосы частот, не используемые для передачи, чтобы компенсировать неидеальность фильтров и предотвратить взаимные помехи (интерференцию).

На приёмной стороне сигнал, содержащий все каналы, обрабатывается набором полосовых фильтров. Каждый фильтр выделяет только свою полосу частот, соответствующую одному каналу. После фильтрации сигнал демодулируется, восстанавливая исходную информацию.

История

Идея частотного разделения восходит к первым экспериментам с многоканальной телеграфией в конце XIX века. В 1910-х годах американский инженер Джордж О. Сквайер (George O. Squier) предложил использовать частотное уплотнение для передачи нескольких телефонных разговоров по одной линии. Однако практическое применение стало возможным только с развитием электронных ламп и фильтров.

В 1930-х годах компания Bell System (США) внедрила системы частотного разделения для междугородной телефонной связи. Одна линия могла одновременно передавать до 12 телефонных каналов (группа каналов). В 1940-х годах появились системы на 600 и более каналов. В СССР аналогичные системы разрабатывались с 1930-х годов, например, аппаратура К-12 (12 каналов) и К-60 (60 каналов).

С развитием цифровых технологий частотное разделение уступило место временному разделению (TDM) в проводных сетях, но осталось ключевым в радиосвязи и оптических системах.

Классификация и виды

По типу среды передачи различают:

• Радиочастотное разделение (RF FDM) — используется в радиовещании (AM/FM), телевидении, сотовой связи (в первых поколениях), спутниковой связи. Каждой радиостанции или телеканалу выделяется своя несущая частота.
• Оптическое частотное разделение (WDM, wavelength-division multiplexing) — применяется в волоконно-оптических линиях связи. Вместо радиочастот используются разные длины волн (частоты) света. Каждый канал передаётся на своей длине волны (например, 1550 нм, 1551 нм и т.д.). Современные системы WDM позволяют передавать десятки и сотни каналов по одному волокну.
• Ортогональное частотное разделение (OFDM, orthogonal frequency-division multiplexing) — подвид, в котором поднесущие частоты расположены так, что они ортогональны друг другу. Это позволяет избежать защитных интервалов и значительно повысить спектральную эффективность. OFDM лежит в основе стандартов Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax), LTE, 5G, DVB-T/T2 (цифровое телевидение), ADSL/VDSL.

По способу формирования каналов:

• Аналоговое FDM — каналы формируются аналоговой модуляцией (AM, FM, SSB).
• Цифровое FDM — каналы формируются цифровой модуляцией (QAM, PSK, OFDM).

Применение

Телефонная связь (исторически)

До внедрения цифровых систем (TDM, IP-телефония) частотное разделение было основным методом уплотнения медных кабельных линий. Системы типа «К-60» (60 каналов) и «К-1920» (1920 каналов) использовались на магистральных линиях связи в СССР и других странах.

Радиовещание и телевидение

Каждая радиостанция (AM-диапазон, FM-диапазон) и телевизионный канал (эфирное, кабельное ТВ) работает на своей частоте. Приёмник настраивается на нужную частоту, выделяя её из общего спектра.

Спутниковая связь

Спутники-ретрансляторы используют частотное разделение для обслуживания множества земных станций. Каждой станции выделяется определённый транспондер (полоса частот).

Сотовая связь

В стандартах 2G (GSM) и 3G (UMTS) используется комбинация частотного и временного разделения (FDMA/TDMA). В 4G (LTE) и 5G (NR) основным методом является OFDMA (ортогональное частотное разделение с множественным доступом).

Цифровое телевидение (DVB-T/T2)

Использует OFDM для передачи нескольких телевизионных программ в одном частотном канале (8 МГц в Европе, 6 МГц в США). Это позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала.

Оптические сети (WDM)

Современные магистральные оптические линии связи работают на основе спектрального уплотнения (WDM). Технологии DWDM (Dense WDM) и CWDM (Coarse WDM) позволяют передавать от 8 до 160 и более каналов по одному волокну, каждый со скоростью 10, 40, 100 или 400 Гбит/с.

Аналоговое телевидение (кабельное)

В кабельных сетях используется частотное разделение: каждый телеканал передаётся на своей частоте в диапазоне от 50 до 862 МГц.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Непрерывная передача — все каналы работают одновременно, без задержек, характерных для временного разделения.
• Простота реализации для аналоговых систем (требуются только модуляторы и фильтры).
• Устойчивость к синхронизации — не требуется точная временная синхронизация между передатчиком и приёмником (в отличие от TDM).
• Эффективность в радиосреде — позволяет использовать разные частоты для разных пользователей в одной зоне покрытия.

Недостатки

• Неэффективное использование спектра — из-за защитных интервалов часть полосы пропускания тратится впустую. В OFDM этот недостаток минимизирован.
• Сложность фильтрации — на приёмной стороне требуются высококачественные полосовые фильтры, особенно при большом числе каналов.
• Чувствительность к нелинейным искажениям — нелинейности в усилителе или линии связи могут создавать интермодуляционные помехи между каналами.
• Ограниченная масштабируемость — добавление нового канала требует расширения общей полосы пропускания канала.

Интересные факты

• Первая коммерческая система FDM (12 каналов) была введена в эксплуатацию в 1936 году на линии Нью-Йорк — Филадельфия.
• В СССР в 1950-х годах была разработана система «К-1920» для передачи 1920 телефонных каналов по одной коаксиальной паре. Она использовалась на магистрали Москва — Хабаровск.
• Технология OFDM была запатентована в 1966 году американским инженером Робертом В. Чангом (Robert W. Chang), но широкое применение получила только в 1990-х годах с развитием цифровой обработки сигналов (DSP).
• В оптических сетях WDM используется принцип, обратный частотному разделению: вместо выделения полосы частот каждому каналу выделяется своя длина волны (цвет) света. Это позволяет передавать данные со скоростью до нескольких терабит в секунду по одному волокну.

Источники

• Скляров О. К. «Волоконно-оптические сети и системы связи». — СПб.: Лань, 2010.
• Галкин В. А. «Основы цифровой радиосвязи». — М.: Горячая линия — Телеком, 2012.
• Прокис Дж. «Цифровая связь». — М.: Радио и связь, 2000.
• «Системы многоканальной связи» / Под ред. А. М. Зингеренко. — М.: Связь, 1976.
• Стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi), 3GPP TS 36.211 (LTE), 3GPP TS 38.211 (5G NR).