Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας: Μπλοκ διάγραμμα, εργασία και εφαρμογές της

Η τεχνική της πολυπλεξίας αναπτύχθηκε το 1870, ωστόσο στα τέλη του 20ου αιώνα. έγινε πολύ πιο εφαρμόσιμο για τις ψηφιακές τηλεπικοινωνίες. Στις τηλεπικοινωνίες, το Πολυπλεξία Η τεχνική χρησιμοποιείται για το συνδυασμό και την αποστολή πολλαπλών ροών δεδομένων σε ένα μόνο μέσο. Έτσι, το υλικό που χρησιμοποιείται για την πολυπλεξία είναι γνωστό ως πολυπλέκτης ή MUX που συγχωνεύει n γραμμές εισόδου για να παράγει μια ενιαία γραμμή o/p. Η μέθοδος πολυπλεξίας χρησιμοποιείται ευρέως στις τηλεπικοινωνίες όπου πολλές τηλεφωνικές κλήσεις πραγματοποιούνται σε ένα μόνο καλώδιο. Η πολυπλεξία ταξινομείται σε τρεις τύπους όπως: διαίρεση συχνότητας, διαίρεση μήκους κύματος (WDM) , και χρονική διαίρεση. Επί του παρόντος, αυτές οι τρεις τεχνικές πολυπλεξίας έχουν γίνει ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα στις τηλεπικοινωνιακές διαδικασίες και έχουν βελτιώσει πολύ τον τρόπο με τον οποίο στέλνουμε και λαμβάνουμε ανεξάρτητα σήματα μέσω τηλεφωνικών γραμμών, ραδιοφώνου AM & FM, καθώς και οπτικών ινών. Αυτό το άρθρο εξετάζει έναν από τους τύπους πολυπλεξίας που είναι γνωστός ως FDM ή πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας – εργασία και οι εφαρμογές της.

Τι είναι η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας;

Ο ορισμός της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας είναι: μια τεχνική πολυπλεξίας που χρησιμοποιείται για να συνδυάσει περισσότερα από ένα σήματα σε ένα κοινό μέσο. Σε αυτόν τον τύπο πολυπλεξίας, σήματα με διαφορετικές συχνότητες συγχωνεύονται για ταυτόχρονη μετάδοση. Στο FDM, πολλαπλά σήματα συγχωνεύονται για μετάδοση μέσω ενός καναλιού ή μιας γραμμής επικοινωνίας όπου κάθε σήμα εκχωρείται σε διαφορετική συχνότητα στο κύριο κανάλι.

Μπλοκ διάγραμμα πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας

Το μπλοκ διάγραμμα διαίρεσης συχνότητας φαίνεται παρακάτω το οποίο περιλαμβάνει έναν πομπό και έναν δέκτη. Στο FDM, τα διαφορετικά σήματα μηνυμάτων όπως m1(t), m2(t) & m3(t) διαμορφώνονται στις διαφορετικές συχνότητες φορέα όπως fc1, fc2 και fc3. Με αυτόν τον τρόπο, τα διαφορετικά διαμορφωμένα σήματα διαχωρίζονται μεταξύ τους εντός του πεδίου συχνοτήτων. Αυτά τα διαμορφωμένα σήματα συγχωνεύονται για να διαμορφώσουν το σύνθετο σήμα που μεταδίδεται μέσω του καναλιού/μέσου μετάδοσης.

Για την αποφυγή παρεμβολών μεταξύ των δύο σημάτων μηνυμάτων, διατηρείται επίσης μια προστατευτική ζώνη μεταξύ αυτών των δύο σημάτων. Μια προστατευτική ζώνη χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει δύο μεγάλες περιοχές συχνοτήτων. Αυτό διασφαλίζει ότι τα κανάλια επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα δεν παρουσιάζουν παρεμβολές που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη μειωμένη ποιότητα των εκπομπών.

Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, υπάρχουν τρία διαφορετικά σήματα μηνυμάτων που διαμορφώνονται σε διάφορες συχνότητες. Μετά από αυτό, συγχωνεύονται σε ένα ενιαίο σύνθετο σήμα. Οι φέρουσες συχνότητες κάθε σήματος πρέπει να επιλέγονται έτσι ώστε να μην υπάρχει αλληλεπικάλυψη διαμορφωμένων σημάτων. Όπως αυτό, κάθε διαμορφωμένο σήμα εντός του πολυπλεξικού σήματος διαχωρίζεται απλώς το ένα από το άλλο εντός του πεδίου συχνότητας.

Στο άκρο του δέκτη, χρησιμοποιούνται φίλτρα διέλευσης ζώνης για τον διαχωρισμό κάθε διαμορφωμένου σήματος από το σύνθετο σήμα και αποπολυπλεκτική. Με τη μετάδοση του αποπολυπλέγματος σήματος μέσω του LPF, είναι εφικτή η ανάκτηση κάθε σήματος μηνύματος. Έτσι είναι μια τυπική μέθοδος FDM (Frequency Division Multiplexing).

Πώς λειτουργεί η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας;

Στο σύστημα FDM, το άκρο του πομπού έχει πολλούς πομπούς και το άκρο του δέκτη έχει πολλούς δέκτες. Ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη, υπάρχει το κανάλι επικοινωνίας. Στο FDM, στο άκρο του πομπού, κάθε πομπός εκπέμπει ένα σήμα με διαφορετική συχνότητα. Για παράδειγμα, ο πρώτος πομπός εκπέμπει ένα σήμα με συχνότητα 30 kHz, ο δεύτερος πομπός μεταδίδει ένα σήμα με συχνότητα 40 kHz και ο τρίτος πομπός εκπέμπει ένα σήμα με συχνότητα 50 kHz.

Μετά από αυτό, αυτά τα σήματα με διαφορετικές συχνότητες συνδυάζονται με μια συσκευή γνωστή ως πολυπλέκτης που μεταδίδει τα πολυπλεγμένα σήματα μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας. Η FDM είναι μια αναλογική μέθοδος που είναι μια πολύ δημοφιλής μέθοδος πολυπλεξίας. Στο άκρο του δέκτη, ο αποπολυπλέκτης χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των πολυπλεξικών σημάτων και στη συνέχεια μεταδίδει αυτά τα διαχωρισμένα σήματα στους συγκεκριμένους δέκτες.

Ένα τυπικό FDM έχει συνολικά n κανάλια, όπου το n είναι ένας ακέραιος αριθμός μεγαλύτερος από 1. Κάθε κανάλι μεταφέρει ένα bit πληροφοριών και έχει τη δική του συχνότητα φορέα. Η έξοδος κάθε καναλιού αποστέλλεται σε διαφορετική συχνότητα από όλα τα άλλα κανάλια. Η είσοδος σε κάθε κανάλι καθυστερεί κατά ένα ποσό dt, το οποίο μπορεί να μετρηθεί σε μονάδες χρόνου ή σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο.

Η καθυστέρηση σε κάθε κανάλι μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

dI(t) = I(t) + I(t-dt)/2 − I(t-dt)/2, όπου I(t) = 1/T + C1 *

I(t) = 1/T + C2 *

I(t) = 1/T + C3 *

όπου T = περίοδος σήματος σε μονάδες χρόνου (στην περίπτωσή μας αυτό είναι νανοδευτερόλεπτα). Τα C1, C2 και C3 είναι σταθερές που εξαρτώνται από τον τύπο του σήματος που μεταδίδεται και το σχήμα διαμόρφωσής του.

Κάθε κανάλι αποτελείται από μια σειρά φωτονικών κρυστάλλων που λειτουργούν ως φίλτρα για τα κύματα φωτός που διέρχονται από αυτά. Κάθε κρύσταλλος μπορεί να περάσει μόνο ορισμένα μήκη κύματος φωτός. άλλα αποκλείονται εξ ολοκλήρου από τη δομή τους ή από την αντανάκλαση από έναν παρακείμενο κρύσταλλο.

Το FDM απαιτεί τη χρήση ενός πρόσθετου δέκτη για κάθε χρήστη, ο οποίος μπορεί να είναι ακριβός και δύσκολο να εγκατασταθεί σε φορητές συσκευές. Αυτό το πρόβλημα έχει λυθεί με τη χρήση τεχνικών διαμόρφωσης συχνότητας όπως π.χ πολυπλεξία ορθογώνιας διαίρεσης συχνότητας (OFDM) . Η μετάδοση OFDM μειώνει τον απαιτούμενο αριθμό δεκτών εκχωρώντας διαφορετικούς υποφορείς σε διαφορετικούς χρήστες σε μία μόνο φέρουσα συχνότητα.

Απαιτεί πρόσθετους δέκτες επειδή ο σταθμός βάσης και κάθε κινητή μονάδα πρέπει να συγχρονιστούν με την πάροδο του χρόνου. Σε αυτήν την πολυπλεξία τα δεδομένα δεν μπορούν να αποσταλούν σε λειτουργία ριπής, επομένως τα δεδομένα αποστέλλονται συνεχώς, έτσι ώστε ο παραλήπτης πρέπει να περιμένει έως ότου ληφθεί το επόμενο πακέτο για να μπορέσει να αρχίσει να λαμβάνει το επόμενο. Απαιτεί ειδικούς δέκτες για να μπορούν να λαμβάνουν πακέτα με διαφορετικούς ρυθμούς από διαφορετικούς σταθμούς βάσης, διαφορετικά δεν θα μπορούσαν να τα αποκωδικοποιήσουν σωστά.

Ο αριθμός των πομπών και των δεκτών που εμπλέκονται στα συστήματα FDM ονομάζεται «ζεύγος πομπού-δέκτη» ή TRP για συντομία. Ο αριθμός των TRP που πρέπει να είναι διαθέσιμος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

NumberOfTRPs = (# πομποί) (# Λήψη πόντων) (# Κεραίες)

Για παράδειγμα, αν έχουμε τρεις πομπούς και τέσσερα σημεία λήψης (RP), θα έχουμε εννέα TRP επειδή υπάρχουν τρεις πομποί και τέσσερις RP. Για να κρατήσουμε τα πράγματα απλά, ας υποθέσουμε ότι κάθε RP έχει μια κεραία RP και κάθε TRP έχει δύο κεραίες RP. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστούμε άλλα εννέα TRPS:

Αυτή η πολυπλεξία μπορεί να είναι είτε σημείο σε σημείο ή σημείο σε πολλαπλό σημείο . Στη λειτουργία point-to-point, κάθε χρήστης έχει το δικό του αποκλειστικό κανάλι με τον δικό του πομπό, δέκτη και κεραία. Σε αυτήν την περίπτωση, θα μπορούσαν να υπάρχουν περισσότεροι από ένας πομποί ανά χρήστη και όλοι οι χρήστες θα χρησιμοποιούσαν διαφορετικά κανάλια. Στη λειτουργία point-to-multipoint, όλοι οι χρήστες μοιράζονται το ίδιο κανάλι, αλλά ο πομπός και ο δέκτης κάθε χρήστη συνδέονται με εκείνους άλλων χρηστών στο ίδιο κανάλι.

Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας έναντι πολυπλεξίας διαίρεσης χρόνου

Η διαφορά μεταξύ της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας και της πολυπλεξίας διαίρεσης χρόνου συζητείται παρακάτω.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

ο πλεονεκτήματα της πολυξίνης διαίρεσης συχνότητας ζ περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Ο πομπός & ο δέκτης του FDM δεν χρειάζεται κανένα συγχρονισμό.
• Είναι πιο απλό και η αποδιαμόρφωσή του είναι εύκολη.
• Μόνο ένα κανάλι θα έχει αποτέλεσμα λόγω της αργής στενής ζώνης.
• Το FDM ισχύει για αναλογικά σήματα.
• Ένας μεγάλος αριθμός καναλιών μπορεί να μεταδοθεί ταυτόχρονα.
• Δεν είναι ακριβό.
• Αυτή η πολυπλεξία έχει υψηλή αξιοπιστία.
• Χρησιμοποιώντας αυτήν την πολυπλεξία, είναι δυνατή η μετάδοση δεδομένων πολυμέσων με χαμηλό θόρυβο & παραμόρφωση και επίσης με υψηλή απόδοση.

ο μειονεκτήματα της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Το FDM έχει πρόβλημα αλληλοσυζήτησης.
• Το FDM ισχύει μόνο όταν προτιμώνται μερικά κανάλια μικρότερης ταχύτητας
• Παρουσιάζεται παραμόρφωση της διαμεσολάβησης.
• Το κύκλωμα FDM είναι πολύπλοκο.
• Χρειάζεται περισσότερο εύρος ζώνης.
• Παρέχει λιγότερες αποδόσεις.
• Σε σύγκριση με το TDM, η καθυστέρηση που παρέχεται από το FDM είναι μεγαλύτερη.
• Αυτή η πολυπλεξία δεν έχει δυναμικό συντονισμό.
• Το FDM χρειάζεται μεγάλο αριθμό φίλτρων και διαμορφωτών.
• Το κανάλι αυτής της πολυπλεξίας μπορεί να επηρεαστεί από το ξεθώριασμα ευρείας ζώνης
• Το πλήρες εύρος ζώνης του καναλιού δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο FDM.
• Το σύστημα FDM απαιτεί σήμα φορέα.

Εφαρμογές

Οι εφαρμογές της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας περιλαμβάνουν τις ακόλουθες.

• Παλαιότερα, το FDM χρησιμοποιείται στο σύστημα κινητής τηλεφωνίας και στην αρμονική τηλεγραφία σύστημα επικοινωνίας .
• Η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας χρησιμοποιείται κυρίως στις ραδιοφωνικές εκπομπές.
• Το FDM χρησιμοποιείται επίσης στην τηλεοπτική μετάδοση.
• Αυτός ο τύπος πολυπλεξίας μπορεί να εφαρμοστεί στο τηλεφωνικό σύστημα για να βοηθήσει στη μετάδοση πολλών τηλεφωνικών κλήσεων σε μία μόνο ζεύξη ή μία γραμμή μετάδοσης.
• Το FDM χρησιμοποιείται σε α σύστημα δορυφορικής επικοινωνίας για τη μετάδοση διαφόρων καναλιών δεδομένων.
• Χρησιμοποιείται σε συστήματα μετάδοσης FM ή στερεοφωνική διαμόρφωση συχνότητας.
• Χρησιμοποιείται σε συστήματα μετάδοσης AM/Amplitude Modulation.
• Χρησιμοποιείται για δημόσια τηλέφωνα και συστήματα καλωδιακής τηλεόρασης.
• Χρησιμοποιείται στη μετάδοση.
• Χρησιμοποιείται σε εκπομπές AM και FM.
• Χρησιμοποιείται σε ασύρματα δίκτυα, κυψελωτά δίκτυα κ.λπ.
• Το FDM χρησιμοποιείται σε συστήματα ευρυζωνικής σύνδεσης και επίσης σε μόντεμ DSL (Digital Subscriber Line).
• Το σύστημα FDM χρησιμοποιείται κυρίως για δεδομένα πολυμέσων όπως μετάδοση ήχου, βίντεο και εικόνας.

Έτσι είναι αυτό μια επισκόπηση της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας ή FDM. Αυτή είναι μια τεχνική πολυπλεξίας που διαχωρίζει το υπάρχον εύρος ζώνης σε πολλές υποζώνες όπου η καθεμία μπορεί να μεταφέρει ένα σήμα. Έτσι, αυτή η πολυπλεξία επιτρέπει ταυτόχρονες μεταδόσεις πάνω από ένα κοινό μέσο επικοινωνίας. Αυτή η πολυπλεξία επιτρέπει στο σύστημα να μεταδίδει τεράστιο όγκο δεδομένων σε έναν αριθμό τμημάτων που μεταδίδονται πάνω από ανεξάρτητες υποζώνες συχνοτήτων. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου;