El acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) divide la banda asignada de frecuencia en pequeños canales de frecuencia. Entonces, cada transmisor y receptor utiliza una frecuencia separada.
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) es una técnica que permite transmitir varias señales de información simultáneamente a través de un mismo medio físico, como un cable o una onda electromagnética. En FDMA, el ancho de banda disponible se divide en bandas de frecuencia más estrechas y cada usuario recibe una banda o canal independiente, de modo que varios transmisores pueden comunicarse al mismo tiempo sin interferirse entre sí.
Qué es FDMA y cómo se relaciona con FDM
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) es un método utilizado para transmitir múltiples señales simultáneamente a través de un único canal de comunicación. Al dividir el ancho de banda disponible en distintas bandas de frecuencia, la FDM permite que cada señal ocupe una porción única del espectro, evitando así interferencias entre ellas.
El acceso múltiple por división de frecuencia es la aplicación de este principio para permitir que varios usuarios compartan un mismo medio de comunicación. La FDM se centra en combinar y transportar varias señales por una ruta común, mientras que la FDMA asigna a cada transmisor y receptor un canal de frecuencia específico dentro del espectro disponible.
La FDM permite que varios usuarios compartan el mismo medio de comunicación asignando sus señales a diferentes frecuencias portadoras, lo que permite que cada usuario transmita de forma independiente sin interferencias. Esta separación permite la transmisión simultánea de datos, lo que hace que el proceso sea eficiente y eficaz.
La multiplexación por división de frecuencia se puede utilizar con señales analógicas o digitales. En el caso de las señales analógicas, se modulan con una portadora de alta frecuencia, que se desplaza al rango de frecuencias correspondiente a cada sub-banda.
En el caso de las señales digitales, se utilizan técnicas como la modulación por codificación de pulsos (PCM) o la multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), que permiten transmitir datos binarios como combinaciones de sub-portadoras ortogonales.
División del ancho de banda
Mediante este procedimiento, el ancho de banda total del canal de transmisión B es dividido en N porciones, asignando cada una de estas fraccciones B/N a un subcanal.
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) funciona según el principio de dividir el ancho de banda disponible en bandas de frecuencia más pequeñas, cada una asignada a una señal o flujo de datos diferente. Cada banda se modula con su señal respectiva, lo que permite la transmisión simultánea de múltiples señales por un único canal de comunicación.
La asignación de ancho de banda es un aspecto fundamental de la Multiplexación por División de Frecuencia (MFD). Implica dividir el ancho de banda total disponible de un canal de comunicación en varias bandas de frecuencia no superpuestas.
Cada banda se asigna a una señal o flujo de datos específico. Cada canal de frecuencia corresponde a una banda de frecuencia diferente, lo que permite la transmisión de múltiples señales a distintas frecuencias sin interferencias.
| Parámetro | Significado |
|---|---|
| BT | espectro total asignado. |
| BG | banda de guarda en ambos extremos de BT. |
| BC | ancho de banda de una canal (un usuario) |
| N | número de canales soportados simultáneamente por FDMA. |
El número de canales N soportados simultáneamente por FDMA es:
El proceso comienza con el análisis del ancho de banda total y el número de señales a transmitir. A las señales se les asignan rangos de frecuencia distintos, con bandas de guarda entre ellas para evitar la superposición y garantizar la integridad de la señal.
Estas bandas de guarda actúan como búferes, impidiendo que las señales adyacentes se mezclen. Se usan bandas de guarda o bandas de seguridad en los extremos y entre subcanales.
Es importante que las sub-bandas estén separadas entre sí por unas bandas vacías llamadas bandas de guarda, que evitan que las señales se solapen y provoquen interferencias. El tamaño de las bandas de guarda depende del tipo de modulación y del nivel de ruido del canal.
Funcionamiento del sistema FDMA
El esquema básico de la MDF consiste en tres elementos principales: un multiplexor, un canal de transmisión y un demultiplexor.
El multiplexor es el dispositivo que recibe las señales de los diferentes canales y las combina en una sola señal modulada en frecuencia, que ocupa todo el ancho de banda del canal de transmisión.
El canal de transmisión es el medio físico por el que se envía la señal multiplexada, como un cable coaxial o una onda de radio. El demultiplexor es el dispositivo que recibe la señal multiplexada y la separa en las señales originales de cada canal, que se envían a los receptores correspondientes.
La multiplexación se lleva a cabo mediante un dispositivo llamado multiplexor (MUX), que recibe las señales de entrada y las modula con portadoras de diferentes frecuencias, asignándoles una sub-banda del ancho de banda total. Las señales moduladas se suman y se envían por el medio de comunicación.
La demultiplexación se lleva a cabo mediante un dispositivo llamado demultiplexor (DEMUX), que recibe la señal combinada y la filtra con filtros pasabanda, que seleccionan la sub-banda correspondiente a cada señal. Las señales filtradas se demodulan y se recuperan las señales originales.
En el receptor, estas señales se demodulan y se separan para recuperar su forma original. Un conjunto de filtros paso banda se utiliza en el receptor para aislar cada banda de frecuencia y recuperar las señales originales sin interferencias.
Proceso en el transmisor
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) es una tecnología de multiplexación que asigna múltiples flujos de datos a diferentes bandas de frecuencia y transmite las bandas de frecuencia como canales simultáneamente a través de una única ruta de transmisión.
En el lado emisor, las bandas de frecuencia asignadas a los múltiples flujos de datos se tratan como canales, que se envían a través de un único trayecto de transmisión mediante multiplexación.
Los bits se agrupan en símbolos que se transmiten sobre distintas frecuencias portadoras (que no deben interferir con frecuencias de los datos originales). Los transmisores son de banda angosta o frecuencia limitada.
La multiplexación por división de frecuencia se realiza mediante la modulación de cada señal sobre una frecuencia portadora diferente. Las señales moduladas resultantes se combinan en una única señal compuesta que se envía sobre un enlace que tiene B suficiente para acomodarlas.
Transmisión por el canal
La señal compuesta contiene simultáneamente todos los canales asignados. Cada señal conserva su propia posición dentro del espectro de frecuencias, por lo que las señales pueden viajar juntas a través de un cable, una fibra óptica o una onda de radio.
La FDM depende intrínsecamente de la disponibilidad de suficiente ancho de banda para soportar múltiples canales, lo que la hace ideal para aplicaciones como la radiodifusión y las telecomunicaciones.
La multiplexación por división de frecuencia permite transmitir múltiples señales a través de un único medio de comunicación. Al asignar a cada señal una banda de frecuencia distinta dentro del espectro disponible, la FDM garantiza que las señales no interfieran entre sí.
Proceso en el receptor
En el lado receptor, los flujos de datos transmitidos son extraídos por dispositivos capaces de seleccionar bandas de frecuencia específicas.
En el receptor, el demultiplexor usa filtros para descomoponer la señal multiplexada en las señales componentes que la constituyen. Las señales individuales se pasan después a un demoludador que las separa de sus portadoras y las pasa a líneas de salida.
En el receptor, primero el demodulador de RF baja la señal transmitida a una frecuencia central para luego aplicar filtro pasa banda (FPB) a cada canal y demodular en forma independiente cada canal de datos.
El receptor debe seleccionar la banda correspondiente a cada usuario, rechazar las bandas vecinas y recuperar la señal original mediante filtrado y demodulación.
FDMA en el dominio temporal y espectral
Representación en el dominio temporal
Dominio temporal: en la Figura 3.4, se muestra como utilizar FDM para multiplexar tres canales telefónicos de calidad de voz.
Los dispositivos de entrada (teléfonos) generan una señal con un rango de frecuencia similar. Dentro del multiplexor, estas señales similares se modulan sobre distintas frecuencias portadoras.
Las señales moduladas resultantes se combinan en una única señal compuesta que se envía sobre un enlace que tiene B suficiente para acomodarlas.
En el receptor, el demultiplexor usa filtros para descomoponer la señal multiplexada en las señales componentes que la constituyen. Las señales individuales se pasan después a un demoludador que las separa de sus portadoras y las pasa a líneas de salida.
Representación en el dominio espectral
Dominio espectral : en la figura 3.5 se puede ver como la N señales de datos, cada una con espectros distintos, son moduladas cada una por portadoras diferentes y a la vez son desplazadas en frecuencia, cada una ocupando una canal de transmisión distinto.
Finalmente, se combinan las salidas de los N moduladores y se envían al modulador de RF, igualmente se ilustra el espectro de la señal transmitida usando la técnica de FDM para el caso de N señales que se transmiten en forma simultánea.
La separación espectral entre canales evita que las señales se superpongan. En los extremos del espectro total y entre canales adyacentes se reservan bandas de guarda para compensar las limitaciones de los filtros y de la modulación.
Ejemplo sencillo: emisoras de radio
Para entender mejor cómo funciona la MDF, podemos imaginar un ejemplo sencillo. Supongamos que tenemos tres emisoras de radio que quieren transmitir sus programas a través del aire.
Si todas usaran la misma frecuencia, se produciría una interferencia y no se podría escuchar ninguna. Sin embargo, si cada una usa una frecuencia diferente dentro de un rango determinado, por ejemplo entre 520 y 1605 KHz, rango de frecuencia usado para la transmisión en AM, se pueden evitar las interferencias y los receptores pueden sintonizar la emisora que deseen.
Este ejemplo representa el principio básico de FDMA: cada transmisor ocupa una frecuencia diferente y cada receptor selecciona la frecuencia correspondiente al servicio que desea recibir.
Comparación con otras técnicas de multiplexación
La multiplexación es una técnica fundamental en los sistemas de comunicación que permite la transmisión de múltiples señales a través de un único canal, mejorando significativamente la eficiencia de la transmisión de datos.
Existen varios tipos principales de multiplexación, cada uno con una estrategia diferente para dividir y gestionar el ancho de banda disponible o los recursos del canal.
Multiplexación por división de tiempo
La multiplexación por división de tiempo (TDM) adopta un enfoque diferente al dividir el canal de comunicación en intervalos de tiempo.
A cada señal se le asigna un intervalo de tiempo específico en una secuencia repetitiva, de modo que varias señales puedan compartir el mismo canal sin solaparse.
La multiplexación por división en el tiempo (TDM) es una tecnología de multiplexación que divide varios flujos de datos en intervalos de tiempo asignados como canales, y los transmite en la misma frecuencia a través de una única vía de transmisión.
La diferencia principal es que FDMA separa a los usuarios en frecuencia, mientras que TDM los separa en tiempo.
Multiplexación por división de código
La multiplexación por división de código (CDM) , también conocida como acceso múltiple por división de código (CDMA), utiliza códigos únicos para distinguir entre diferentes señales transmitidas en la misma banda de frecuencia.
Cada señal se codifica con un código específico, lo que permite la transmisión simultánea de múltiples señales independientes sin interferencias.
La multiplexación por división de código (CDM) es una tecnología de multiplexación que mezcla con los datos códigos identificadores únicos para cada dispositivo, combina las señales en una sola banda de frecuencia y, a continuación, transmite las señales combinadas simultáneamente a través de una única vía de transmisión.
Multiplexación por división de longitud de onda
La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es similar a la FDM, pero está diseñada específicamente para la comunicación por fibra óptica.
En WDM, se transmiten múltiples flujos de datos simultáneamente a través de una sola fibra óptica, y a cada flujo se le asigna una longitud de onda (o color) de luz única.
Esta técnica permite un ancho de banda extremadamente alto y es esencial para las redes modernas de fibra óptica de alta velocidad.
Multiplexación por división de frecuencia ortogonal
La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) es una forma avanzada de FDM que utiliza múltiples frecuencias portadoras ortogonales.
Al garantizar que las frecuencias portadoras sean matemáticamente ortogonales, la OFDM puede transmitir múltiples canales en estrecha proximidad sin interferencia entre portadoras.
Esta técnica es altamente eficiente y se utiliza en el acceso de banda ancha, la radiodifusión de audio digital, la radiodifusión de vídeo digital y las redes de área local inalámbricas.
FDMA, FDD y acceso múltiple
El envío y la recepción tienen lugar simultáneamente durante las comunicaciones móviles en smartphones o teléfonos móviles y las llamadas telefónicas en teléfonos fijos, con un único canal que se utiliza para la transmisión bidireccional de datos de audio.
Esta transmisión bidireccional también puede considerarse un tipo de tecnología de multiplexación. Términos como "FDD-LTE" y "TD-LTE" (TDD-LTE suele abreviarse como TD-LTE) aparecen a menudo en las especificaciones técnicas de productos como los smartphones.
FDD significa "dúplex por división de frecuencia" y TDD, "dúplex por división de tiempo ". Ambos términos se refieren a la transmisión bidireccional.
La evolución a largo plazo (LTE), por su parte, es el estándar de telecomunicaciones del sistema de comunicaciones móviles de 4ª generación (4G), y éste también incluye el acceso múltiple (OFDMA en el caso de 4G).
Por tanto, "FDD-LTE" indica tanto la transmisión bidireccional como el esquema de acceso múltiple utilizado.
FDD significa "dúplex por división de frecuencia", en el que se asignan frecuencias diferentes a la descarga (recepción de datos por el dispositivo) y a la carga (envío de datos por el dispositivo) para implementar la transmisión bidireccional.
En cambio, TDD significa "time-division duplex" (dúplex por división de tiempo), en el que se utiliza la misma banda de frecuencia para la descarga y la carga, los datos de audio se dividen a lo largo del eje temporal y el envío y la recepción de datos de voz se alternan a intervalos muy cortos.
Por tanto, estrictamente hablando, TDD no proporciona envío y recepción simultáneos, aunque esto no produce efectos audibles antinaturales en el caso de las llamadas de voz.
Aplicaciones de FDMA y FDM
Radiodifusión y televisión
La FDM se utiliza ampliamente en diversos campos, como la radiodifusión y la televisión, donde permite la transmisión de diferentes canales a través de la misma red.
En radiodifusión, la FDM permite que diferentes estaciones transmitan simultáneamente sin interferencias, ofreciendo contenido diverso a los oyentes.
En el sector de la radiodifusión, la FDM permite la transmisión de múltiples canales de radio y televisión en un único espectro de frecuencias. A cada estación se le asigna una banda de frecuencia específica, lo que garantiza que las señales no interfieran entre sí.
Un ejemplo del uso de la FDM para la comunicación inalámbrica es la radiodifusión de televisión digital terrestre en Japón.
Hay una única vía de transmisión, el aire, y las señales que contienen datos de imagen y audio se emiten desde múltiples emisoras de televisión en diferentes frecuencias.
En el lado receptor, el usuario puede ver los programas de televisión de su elección seleccionando frecuencias específicas. La FDM también se utiliza para la radiodifusión analógica.
Telefonía
En telecomunicaciones, la FDM permite que múltiples llamadas se realicen simultáneamente a través de un único cable.
En telecomunicaciones, la FDM permite la transmisión simultánea de múltiples llamadas telefónicas o flujos de datos a través del mismo medio físico, como un cable o fibra óptica.
Esta capacidad para gestionar múltiples conversaciones simultáneamente es esencial para la operación eficiente de la red y el uso rentable de la infraestructura.
La telefonía utiliza sistemas FDM para transmitir varias llamadas telefónicas por una misma línea troncal o un mismo satélite.
Internet y transmisión de datos
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) también desempeña un papel fundamental en la transmisión de datos e internet.
Facilita la transferencia simultánea de múltiples flujos de datos a través de la misma conexión de banda ancha.
Esta capacidad es especialmente crucial para los servicios de internet DSL (línea de abonado digital), que utilizan las líneas telefónicas existentes para ofrecer acceso a internet de alta velocidad.
La FDM mejora la eficiencia del ancho de banda al permitir un mayor uso del mismo para la transmisión simultánea de datos y voz.
La FDM divide el ancho de banda disponible en canales separados para la comunicación de datos y voz por internet, lo que permite a los usuarios navegar por la web y realizar llamadas telefónicas simultáneamente sin interferencias.
Fibra óptica y centros de datos
En centros de datos e infraestructuras de red, la FDM facilita la transmisión eficiente de datos al permitir la coexistencia de múltiples flujos de datos en un único cable de fibra óptica, maximizando el rendimiento y reduciendo la latencia.
La transmisión de datos utiliza sistemas FDM para enviar grandes cantidades de información por un mismo cable o fibra óptica.
Comunicación inalámbrica
La comunicación inalámbrica utiliza sistemas FDM para aprovechar el espectro radioeléctrico y aumentar la capacidad y la calidad del servicio.
La FDM y sus formas avanzadas, como la OFDM, también son fundamentales para las redes celulares y la televisión digital, permitiendo la comunicación móvil de alta velocidad para 4G LTE y 5G, así como estándares robustos de radiodifusión de televisión digital como DVB-T y ATSC 3.0.
Al comprender qué es la multiplexación por división de frecuencia, podemos apreciar cómo facilita una comunicación fluida y eficiente en diversas aplicaciones, manteniendo el flujo de información y entretenimiento en nuestra vida diaria.
¿Qué es FDMA? ¿Y FDM?
Ventajas de FDMA
FDMA permite el acceso continuo y simultáneo de varios usuarios. Cada usuario dispone de una banda de frecuencia durante el tiempo que dura la comunicación, sin tener que esperar un intervalo temporal específico.
La FDM ofrece varias ventajas que la convierten en la opción preferida en diversas aplicaciones de comunicación. En primer lugar, permite el uso eficiente del ancho de banda disponible al permitir que múltiples señales compartan el mismo medio de comunicación.
En FDM, cada señal se modula en una frecuencia portadora única, lo que resulta en una señal transmitida que transporta múltiples flujos de datos simultáneamente.
- Acceso continuo y simultáneo de varios usuarios.
- Incremento del número de usuarios mediante la reducción del ancho de banda.
- Permite aprovechar el ancho de banda disponible y aumentar la eficiencia del canal.
- Permite transmitir varias señales independientes sin necesidad de sincronización temporal.
- Permite utilizar diferentes tipos y niveles de modulación para cada señal según sus características y requerimientos.
- Permite adaptarse a las condiciones del canal y al nivel de ruido mediante el ajuste del tamaño y la posición de las sub-bandas.
- La MDF tiene varias ventajas, como la posibilidad de transmitir más información con menos recursos, la reducción de las interferencias entre canales y la mejora de la calidad de la señal.
- La FDM admite la transmisión simultánea de datos y voz, mejorando la experiencia del usuario al proporcionar servicios ininterrumpidos.
Esta capacidad es crucial para maximizar la capacidad de los canales de comunicación, especialmente en entornos con recursos limitados.
Además, la FDM proporciona un alto nivel de seguridad y privacidad, ya que cada señal ocupa una banda de frecuencia distinta, lo que reduce el riesgo de interferencias y escuchas ilegales.
Además, los sistemas FDM son relativamente fáciles de implementar y mantener, lo que los convierte en soluciones rentables para muchos servicios de radiodifusión y telecomunicaciones.
Desventajas y limitaciones de FDMA
FDMA requiere una precisión de frecuencia muy alta. Una desviación de la frecuencia asignada puede provocar interferencias con los canales adyacentes y degradar la calidad de la comunicación.
La calidad disminuye al disminuir el espacio entre canales. Cuando los canales se colocan demasiado cerca, los filtros deben separar señales con frecuencias muy próximas y aumenta el riesgo de interferencia.
Se requiere mejores filtros en el receptor. Los filtros deben seleccionar la banda del usuario y rechazar las señales procedentes de canales vecinos.
Se necesita un transmisor y un receptor por cada canal. Esta estructura puede aumentar la complejidad y el coste del sistema cuando crece el número de usuarios.
- Requiere un mayor ancho de banda que otras técnicas, debido a las bandas de guarda y al solapamiento espectral.
- Requiere un mayor nivel de potencia que otras técnicas, debido a la suma de las señales moduladas.
- Requiere un mayor nivel de complejidad que otras técnicas, debido al uso de filtros, moduladores y demoduladores.
- La MDF también tiene algunas limitaciones, como la necesidad de sincronizar los multiplexores y los demultiplexores, la pérdida de parte del ancho de banda por el uso de filtros y guardas entre bandas y la vulnerabilidad al ruido y a la atenuación en el canal de transmisión.
Este sistema requiere una gestión precisa de la frecuencia para asignar y mantener eficazmente las distintas bandas.
Una asignación eficaz del ancho de banda es crucial para maximizar la capacidad del canal y garantizar una comunicación eficiente.
La FDM requiere una planificación espectral cuidadosa porque las bandas de guarda reducen la parte del ancho de banda que puede utilizarse para transportar información.
Comparación general de FDMA, TDMA y CDMA
| Técnica | Recurso dividido | Forma de separación |
|---|---|---|
| FDMA | Frecuencia | Cada usuario utiliza una banda de frecuencia diferente. |
| TDMA | Tiempo | Cada usuario utiliza un intervalo temporal diferente. |
| CDMA | Código | Cada usuario utiliza un código identificador diferente en la misma banda. |
| OFDM | Subportadoras ortogonales | Los datos se distribuyen entre múltiples portadoras matemáticamente ortogonales. |
Para la comunicación inalámbrica se utilizan varios tipos de multiplexación, entre los que destacan los siguientes:
- Multiplexación por división de frecuencia (FDM)
- Multiplexación por división de tiempo (TDM)
- Multiplexación por división de código (MDC)
Al aprovechar estas diversas técnicas de multiplexación (división de frecuencia, división de tiempo, división de longitud de onda y división de código), los sistemas de comunicación pueden transmitir múltiples señales, flujos de datos o canales a través de un único canal de comunicación, maximizando el uso del ancho de banda disponible y garantizando una transmisión de datos confiable y de alta capacidad.