주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM)는 넓은 도로를 몇 개의 차선으로 나누는 것과 같이 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것이다. 즉, 겹치지 않는 주파수 대역을 갖는 각각의 신호들이 합쳐져 전송된다.

주파수 분할 다중화에서는 각 송신 장치에서 발생한 신호들이 서로 다른 반송파 주파수로 변조되고 변조된 신호가 링크를 통해 전달될 수 있는 하나의 복합 신호로 합쳐진다. 반송파 주파수는 변조 신호들을 수용할 수 있을 만큼 서로 충분히 떨어져 있어야 한다. 즉, 각 신호가 이동하는 대역인 채널을 보호 대역(guard band)만큼 떨어뜨려 인접한 채널 간의 간섭을 막는다. 따라서 주파수 분할 다중화는 전송할 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 대역폭이 클 경우에 적용할 수 있다. 그렇다고 디지털 신호를 보내는 데 사용할 수 없다는 것은 아니다.

[ 그림 7-4 ] 는 FDM의 개념을 그림으로 표현한 것이다. 전송 경로가 네 부분으로 나누너 있는 데 각 경로는 장치에서 신호가 전송되는 채널을 나타낸다.

[ 그림 7-5 ] 는 보호 대역을 고려해 큰 대역폭을 채널 여러 개로 나누는 개념을 나타낸 것으로, 시간 영역과 주파수 영역 관점에서 표현하였다.

[ 그림 7-6 ] 은 주파수 분할 다중화 과정을 시간 영역에서 개념적으로 나타낸 것이다. 각 전화는 유사한 주파수 영역의 신호를 만들어낸다. 이 신호들은 다중화기 내부에서 f1, f2, f3과 같이 각기 다르 반송파 주파수로 변조된다. 이렇게 변조된 신호들은 하나의 복합 신호로 합쳐져 큰 대역폭의 링크를 통해 전송된다. 다중 복구기는 수신된 복합 신호를 분리하기 위해 필터(filter)를 사용한다. 복조기에서는 반송파에서 신호만 분리하여 수신 장치로 보낸다.

전화 신호를 다중화하는 예를 주파수 영역에서 살펴보면 [ 그림 7-7 ] 과 같다. 음성의 대역폭이 4KHz라면 첫 번째 채널은 20~24KHz 대역을, 두 번째 채널은 24KHz~28KHz 대역을, 세 번째 채널은 28KHz~32KHz 대역을 사용하게 된다. 그다음에 이 신호들을 하나로 합하여 전송한다. 수신 측에서는 대역 통과 필터(Band-Pass Filter, BPS)를 사용하여 각각의 채널을 분리해낸다. 대역 통과 필터는 해당 주파수 대역만 통과시키고 나머지는 모두 제거한다. 실제로는 해당 주파수 대역의 신호만 정확하게 분리해내는 대역 통과 필터가 없기 떄문에 어느 정도 겹치는 부분이 존재할 수밖에 없다. 따라서 채널 간의 간섭을 줄이기 위해 채널과 채널 사이에 보호 대역을 설정한다.

주파수 분할 다중화는 라디오 방송이나 케이플 TV에 사용된다. 라디오는 공기를 전송 매체로 사용하고 있으며 AM 라디오 방송에는 530KHz~1,700KHz 대역이 할당되어 있다. 각 AM 라디오 방송국은 10KHz의 대역폭을 사용하되 서로 다른 반송파 주파수를 사용하는데 이는 방송국이 자기 신호를 전송할 때 다중화한다는 의미다. 공기로 전파되는 신호는 이 모든 신호들을 합한 것이다. 수신 장치는 이 신호를 받아서 원하는 신호만 걸러낸다.

예제 7-1

50KHz의 대역폭을 갖는 5개의 채널을 FDM으로 다중화하려고한다. 채널 간 간섭을 줄이기 위해 5KHz의 보호 대역이 필요하다면 전송에 필요한 최소 대역폭을 계산하시오.

5개의 채널이 존재하고 채널 간 간섭을 줄이기 위해 보호 대역은 4개가 필요하다.

따라서 전송에 필요한 최소 대역폭은 (5x50KHz) + (4x5KHz) = 270KHz이다.

FM 라디오 방송에는 88MHz~108MHz 대역이 할당되어 있으며, 각 FM 라디오 방송국은 200KHz의 대역폭을 사용한다. 과거 아날로그 TV 방송도 FDM을 사용하였으며, 각 TV 방송국은 6MHz의 대역폭을 사용하였다.