Компьютерные сети. 6-е изд.

Мультиплексирование с частотным разделением каналов

Мультиплексирование с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiplexing, FDM) использует преимущества передачи в полосе пропускания. Спектр делится на диапазоны частот, и каждый пользователь получает эксклюзивный доступ к определенной полосе для отправки сигналов. AM-радиовещание хорошо иллюстрирует FDM. Выделенный на него спектр частот составляет около 1 МГц (примерно от 500 до 1500 кГц). Логическим каналам (станциям) выделяются разные частоты, и каждый из них работает только в своей части спектра. При этом каналы достаточно разделены между собой для предотвращения взаимных помех.

Приведем более подробный пример. На илл. 2.19 показаны три голосовых телефонных канала, мультиплексированных при помощи FDM. Доступная полоса пропускания ограничена фильтрами: примерно до 3100 Гц на каждый голосовой канал. При мультиплексировании нескольких каналов вместе на каждый выделяется полоса 4000 Гц. Дополнительная полоса пропускания называется защитной полосой частот (guard band) и служит для более надежного разделения каналов.

Сначала голосовые каналы поднимаются по частоте, каждый — на свою величину. Затем их можно объединить, поскольку теперь они все занимают различные части спектра частот. Несмотря на наличие промежутков между каналами благодаря защитным полосам, смежные каналы немного пересекаются. Это происходит потому, что на практике фильтры не производят четкого среза частот. А значит, сильный всплеск на границе одного канала будет ощущаться как нетепловой шум в смежном с ним.

Долгие годы подобная схема применялась для мультиплексирования телефонных звонков, но сейчас для этого чаще используется мультиплексирование по времени. Однако FDM по-прежнему встречается в телефонных системах, а также сотовых, приземных беспроводных и спутниковых сетях на более высоком уровне детализации.

Илл. 2.19. Мультиплексирование с частотным разделением каналов (FDM). (а) Исходные полосы частот. (б) Полосы, сдвинутые по частоте. (в) Мультиплексированный канал

При передаче цифровых данных спектр частот можно эффективно разбивать и без защитных полос. При мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) полоса делится на множество вспомогательных несущих частот с независимой передачей данных (например, с помощью схемы QAM). Эти частоты плотно упаковываются в диапазоне, поэтому их сигналы могут распространяться на смежные вспомогательные несущие. Впрочем, частотная характеристика каждой из них разработана так, чтобы в центре соседней частоты равняться нулю (илл. 2.20). Таким образом, вспомогательные несущие можно измерять в их

Илл. 2.20. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)

центральных частотах, без опасения каких-либо помех. Чтобы метод сработал, необходим защитный интервал времени (guard time). Нужно успеть повторить часть посылаемых символьных сигналов и добиться желаемой частотной характеристики. Однако эти издержки намного меньше, чем при большом числе защитных полос частот.

Метод OFDM существует уже давно, но начал активно применяться только в начале 2000-х. Тогда стало понятно, что можно эффективно реализовать OFDM в виде преобразования Фурье цифровых данных по всем вспомогательным несущим частотам (вместо того, чтобы модулировать по отдельности каждую такую частоту). OFDM используется в 802.11, сетях кабельного телевидения, сетях на основе ЛЭП и сотовых системах четвертого поколения (4G). Чаще всего один высокоскоростной поток цифровой информации разбивается на несколько низкоскоростных, и они параллельно передаются на вспомогательных несущих частотах. Такое разделение полезно, поскольку проблемы с ухудшением характеристик канала проще решать на уровне вспомогательных несущих: их можно заменить на более эффективные.

Мультиплексирование по времени

Одна из альтернатив FDM — мультиплексирование по времени (Time Division Multiplexing, TDM). Пользователям по очереди (циклически) предоставляется полная полоса пропускания на определенный интервал времени. Пример трех потоков данных, мультиплексированных при помощи TDM, приведен на илл. 2.21. Биты входных потоков забираются в фиксированный временной слот и выводятся в агрегирующий поток. Скорость этого потока равна сумме скоростей отдельных потоков. Для этого все потоки должны быть синхронизированы по времени. Чтобы приспособиться к небольшим временным флуктуациям, можно добавить маленькие защитные интервалы времени (аналогичные защитным полосам частот в FDM).

Илл. 2.21. Мультиплексирование по времени (TDM)