周波数分割多重

電気通信において、周波数分割多重化( FDM ) とは、通信媒体で利用可能な全帯域幅を一連の重複しない周波数帯域に分割し、各帯域で別々の信号を伝送する技術です。これにより、マイクロ波無線リンク、ケーブル、光ファイバーなどの単一の伝送媒体を複数の独立した信号で共有できます。別の用途としては、個別のシリアル ビットまたは高速信号のセグメントを並列に伝送することです。

周波数分割多重化の最も一般的な例は、ラジオやテレビの放送です。この放送では、異なる周波数の複数の無線信号が同時に空中を通過します。もう 1 つの例はケーブル テレビです。ケーブル テレビでは、多数のテレビ チャンネルが 1 本のケーブルで同時に伝送されます。FDM は、電話システムで大容量の幹線を介して複数の電話通話を送信したり、通信衛星でアップリンクおよびダウンリンクの無線ビームで複数のデータ チャネルを送信したり、ブロードバンドDSL モデムでツイスト ペア電話線を介して大量のコンピューター データを送信したりするなど、さまざまな用途で使用されています。

光ファイバー通信では、波長分割多重と呼ばれる類似の技術が使用され、異なる波長(周波数) を使用して複数のデータ チャネルが 1 本の光ファイバー上で送信されます。

FDM システムで送信される複数の個別の情報 (変調) 信号 (ケーブル TV システムで送信されるテレビ チャンネルのビデオ信号など) は、ベースバンド信号と呼ばれます。ソース側では、各周波数チャンネルに対して、電子発振器がキャリア信号 (情報を「運ぶ」役割を果たす単一周波数の安定した振動波形)を生成します。キャリアの周波数はベースバンド信号よりはるかに高くなります。キャリア信号とベースバンド信号は、変調回路で結合されます。変調器は、キャリア信号の振幅、周波数、位相などのいくつかの側面をベースバンド信号で変更し、データをキャリアに 「乗せる」のです。

搬送波をベースバンド信号で変調（混合）すると、搬送周波数の近くの周波数の和（f _C + f _B）と差（f _C − f _B）にサブ周波数が生成されます。変調信号からの情報は、搬送周波数の両側の側波帯で運ばれます。したがって、チャネルによって運ばれるすべての情報は、搬送周波数の周りに集まった狭い周波数帯域にあり、これはチャネルの 通過帯域と呼ばれます。

同様に、追加のベースバンド信号は、他の周波数のキャリアを変調するために使用され、他の情報チャネルを作成します。キャリアは、各チャネルが占有する周波数帯域、つまり個別のチャネルの通過帯域が重複しない程度に周波数が離れています。すべてのチャネルは、同軸ケーブル、光ファイバーなどの伝送媒体、または無線送信機を使用した空中を介して送信されます。チャネル周波数が、通過帯域が重複しない程度に離れている限り、個別のチャネルは互いに干渉しません。したがって、使用可能な帯域幅は「スロット」またはチャネルに分割され、それぞれが個別の変調信号を伝送できます。

たとえば、ケーブルテレビシステムで使用される同軸ケーブルの帯域幅は約 1000 MHzですが、各テレビチャンネルの通過帯域は 6 MHz 幅しかないため、ケーブル上には多くのチャンネルを収容する余地があります (最新のデジタルケーブルシステムでは、各チャンネルがサブチャンネルに分割され、最大 10 個のデジタルテレビチャンネルを伝送できます)。

ケーブルや光ファイバーの送信先、または無線受信機では、各チャネルごとに局部発振器がそのチャネルの搬送周波数で信号を生成し、それが入力変調信号と混合されます。周波数が減算され、そのチャネルのベースバンド信号が再び生成されます。これを復調と呼びます。結果として得られるベースバンド信号は、他の周波数からフィルタリングされ、ユーザーに出力されます。

20 世紀の電話会社は、長距離電話接続のために、チャネル バンクによって複数の段階で多重化された何千もの音声回線を伝送するL キャリアや同様の同軸ケーブルシステムを使用していました。

より短い距離では、ベルシステムのK キャリアや N キャリアなどのさまざまなシステムで、より安価な平衡ペアケーブルが使用されました。これらのケーブルではそれほど大きな帯域幅は使用できなかったため、12 の音声チャネル (両側波帯)、後には 24 の音声チャネル (片側波帯)のみが4 本のワイヤに多重化され、各方向に 1 対ずつ、数マイル (約 10 km) ごとに中継器が配置されました。12チャネル キャリア システムを参照してください。20 世紀末までに、FDM 音声回線はまれになりました。現代の電話システムでは、FDM の代わりに時分割多重(TDM) を使用するデジタル伝送が採用されています。

20 世紀後半以降、デジタル加入者線(DSL) では、離散マルチトーン(DMT) システムを使用してスペクトルを周波数チャネルに分割してきました。

かつては一般的だった FDM システムは、たとえばL キャリアで使用されていましたが、8 MHz の範囲で動作する水晶フィルターを使用して、8140 ～ 8188 kHz の範囲で 48 kHz 帯域幅の 12 チャネルのチャネル グループを形成します。8140 ～ 8184 kHz の範囲でキャリアを選択し、上側サイドバンドを選択すると、このグループは 8248 kHz のキャリアによって標準範囲の 60 ～ 108 kHz に変換されます。このようなシステムは、DTL (Direct To Line) および DFSG (Directly Formed Super Group) で使用されます。

DTL プレーンを使用すると、132 個の音声チャネル (2SG + 1G) を形成できます。変調および周波数プランは、図 1 および図 2 に示されています。DTL 技術を使用すると、回線に直接配置できる最大 132 個の音声チャネルを形成できます。DTL により、グループおよびスーパー グループ機器が不要になります。

DFSG は同様の手順で、8 kHz で多数のスーパー グループを直接形成することができ、グループ機器も不要になり、次の機能を提供できます。

• コスト7%～13%削減
• 設置と保守に必要な機器が少ない
• 機器の削減による信頼性の向上

DTL と DFSG はどちらも、低密度システム (DTL を使用) と高密度システム (DFSG を使用) の要件に適合できます。DFSG 端末は、2 つのスーパー グループの代わりに多数のスーパー グループが結合されている点を除いて、DTL 端末に似ています。600 チャネル (10 スーパー グループ) のマスターグループは、DFSG に基づく例です。

FDM は、搬送波に最終的に変調する前に信号を結合するためにも使用できます。この場合、搬送信号はサブキャリアと呼ばれます。例としては、ステレオ FM送信があります。この送信では、複合信号の周波数変調の前に、38 kHz のサブキャリアを使用して左右の差信号を中央の左右の合計チャネルから分離します。アナログNTSCテレビ チャネルは、ビデオ、カラー、オーディオのサブキャリア周波数に分割されます。DSL では、同じ導体上で音声とアップストリームおよびダウンストリームのデータ送信に異なる周波数を使用します。これも周波数デュプレックスの例です。

周波数分割多重化が複数のユーザーが物理的な通信チャネルを共有できるようにするために使用される場合、それは周波数分割多重アクセス（FDMA）と呼ばれます。^[1]

FDMA は、異なる送信機からの 無線信号を分離する従来の方法です。

1860 年代から 1870 年代にかけて、何人かの発明家が音響電信や高調波電信という名前で FDM を試みました。実用的な FDM が実現したのは電子時代になってからでした。その間、彼らの努力により電気音響技術の基礎的な理解が進み、電話が発明されました。

• 直交周波数分割多重方式(OFDM)
• 非直交周波数分割多重方式(N-OFDM)

一般的な

• Harold PE Stern、Samy A. Mahmoud (2006)。「通信システム: 分析と設計」、Prentice Hall。ISBN 0-13-040268-0。