Процесс мультиплексирования представляет собой процедуру уплотнения данных для передачи такого потока по общей линии связи с целью значительного повышения пропускной способности информационного канала (Рис 1). Коммутационное устройство, способное создавать уплотненные потоки данных, называется мультиплексором (MUX). Обратный процесс, т.е. разуплотнение данных, называетсядемультиплексированием. А устройство с такой коммутацией именуется демультиплексором (DEMUX).
Рис 1. Мультиплексирование и демультиплексирование данных
Существует три основных метода мультиплексирования:
- частотное мультиплексирование (FDM, Frequency Division Multiplexing) или, более точно, мультиплексирование с разделением частоты
- временное мультиплексирование (ТDM, Time Division Multiplexing) или мультиплексирование с разделением времени
- волновое мультиплексирование (WDM, Wavelength Division Multiplexing) или мультиплексирование с разделением по длине волны.
Частотное мультиплексирование (FDM).
Мультиплексирование с разделением частоты (Рис 2) используется в телефонных сетях для организации передачи голосового сигнала, а также может применяться в кабельном телевидении.
Рис 2. Частотное мультиплексирование и демультиплексирование
Основная идея частотного мультиплексирования заключается в следующем. На первом этапе идет процесс разделения общего широкополосного канала связи на отдельные полосы частот (подканалы), на которые накладываются абонентские частотные диапазоны. На втором этапе, чтобы избежать взаимного влияния уплотненных пользовательских диапазонов, в каждый подканал добавляется страховая частотная неинформативная полоса, так называемая полоса расфильтровки. Речевой спектр гармоник включает в себя ширину частот от 300 Гц до 3400 Гц. Таким образом, размер каждого подканала равен 4 кГц, где 3,1 кГц - голосовой информативный диапазон + 0,9 кГц - полоса расфильтровки. В методе частотного мультиплексирования предусмотрено три стандартизованных уровня иерархии уплотненных абонентских подканалов:
1-ый уровень, базовая группа - 12 абонентских подканалов в полосе шириной в 48 кГц от 60 кГц до 108 кГц. Этот стандарт наиболее распространенный.
2-ой уровень, супергруппа - 5 базовых группа (60 абонентских подканалов) в полосе шириной в 240 кГц от 312 кГц до 552 кГц.
3-ий уровень, главная группа - 10 супергрупп (600 абонентских подканалов) в полосе шириной 2520 кГц от 564 кГц до 2048 кГц.
Надо сказать, что в использовании метода мультиплексирования с разделением частоты появился некий парадокс. С одной стороны, эта техника уплотнения аналоговых данных (FDM) стала уступать технике уплотнения цифровых данных (TDM) из-за своего существенного недостатка – появления шумов при наращивании усиления голосового сигнала. А с другой стороны с использованием оптического волокна в качестве новой среды передачи данных явился на свет (оборот в тему!) метод волнового уплотнения светового излучения (WDM). А волна и частота, как известно, – обратно пропорциональные параметры. По сему, частотное мультиплексирование логически “влилось” в волновое мультиплексирование. Повысился статус!
Временное мультиплексирование (TDM).
Мультиплексирование с разделением по времени (Рис 3) широко применяются в сетевых технологиях PDH, SDH/SONET, АТМ, Ethernet, PON.
Рис 3. Временное мультиплексирование и демультиплексирование
Суть этого метода мультиплексирования с разделением времени заключается в следующем: с помощью TDM-мультиплексора входные абонентские каналы последовательно подключаются к общему каналу связи на определенный интервал времени, так называемый тайм-слот, а на приемной стороне демультиплексор разуплотняет общий поток на отдельные выборки и распределяет их по соответствующим приемным абонентским каналам.
Волновое мультиплексирование (WDM)
Мультиплексирование с разделением дины волны появилось с возникновением оптического волокна. Волновое мультиплексирование - процедура уплотнения спектра оптических инфракрасных волн, использующая уникальное свойство оптического волокна на WDM-мультиплексирование (Рис 4). Суть этого явления такова: на одном оптическом волокне с помощью волнового оптического мультиплексора появилась возможность уплотнить целый спектр несущих лазерных волн и соответственно на стадии приема - разуплотнить этот световой поток на отдельные волны, используя оптический демультиплексор. Такая возможность значительно увеличивает пропускную способность волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Рис 4. Волновое мультиплексирование и демультиплексирование
Путь развития способов мультиплексирования с разделением по длине волны шел по следующей схеме: WDM → DWDM → HDWDM → CWDM, где
1-ый этап: 2-х и 3-х канальное мультиплексирование (WDM)
2-ой этап: плотное мультиплексирование (DWDM) до 88 каналов
3-ий этап - высокоплотное мультиплексирование (HDWDM) до 256 каналов
4-ый этап - разреженное мультиплексирование (CWDM) до 16 каналов.
Исторически первыми появились двухволновые WDM-сплиттеры, работающие в дуплексном режиме на длинах волн из второго и третьего окон прозрачности оптического волокна в 1310 нм и 1550 нм (см. в рубрике “Полезная информация” нашего сайта под названием “Окна прозрачности и спектральные диапазоны оптического волокна”). Позже в WDM-сплиттер была добавлена третья волна в 1490 нм. Такие недорогие мультиплексоры в силу своей простоты при установки и подключении незаменимы в оптических сетях типа PON. Пара волн 1310/1490 нм, работая в интерактивном режиме, используется в Интернете и IP-телефонии. А волна 1550 нм предназначена для кабельного телевидения. Появление плотного мультиплексирования DWDM (Dense WDM) было связано с потребностью увеличения пропускной способности оптических сетей (PON) и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Но только тогда DWDM стало реальным и эффективным, когда в ВОЛС начали внедрять оптические эрбиевые усилители (EFDA). И тут встала необходимость выбрать и стандартизировать три главных определяющих параметра при таком способе уплотнения оптического сигнала: опорная волна, диапазон рабочих частот и шаг между каналами. Выбор пал на волну 1550 нм из второго окна прозрачности оптического волокна. Задание спектрального диапазона и расстояния между каналами определяет, так называемый, частотный план или частотная сетка. Для DWDM по рекомендации ITU-T G.694.1 определен частотный план в волновом диапазоне 1528.77 – 1568.77 нм с шагом 0.8 нм или в частотном измерении в промежутке 196.1 – 191.1 ТГц с шагом 100 ГГц. В настоящее время разработан частотный план с уменьшенным шагом в 50 ГГц (0.4 нм) для высокоплотного мультиплексирования HDWDM (High Dense WDM), а в экспериментальных системах уже предлагается HDWDM c частотными сетками с канальными промежутками в 25 ГГц (0.2 нм) и 12.5 ГГц (0.1 нм)!
Однако процесс высокоплотного мультиплексирования не может быть бесконечен и безусловно имеет свой логический предел. И главным критерием востребованности систем типа HDWDM является прежде всего цена приемо-передающих компонентов ВОЛС. Для сравнительно недорогого и качественного волнового уплотнения было разработано разреженное CWDM (Coarse WDM) мультиплексирование с частотным планом (ITU-T G.694.2) в диапазоне 1270 – 1610 нм с шагом 20 нм, Такая частотная сетка задает 18 частот для мультиплексирования от 4 до 16 каналов.
Широкое применение оптического волокна в технологиях PON и FTTH с использованием волнового спектрального мультиплексирования в каналах ВОЛС привело к кардинальному прорыву в области построения актуальных сетей передачи данных с высочайшей скоростью и небывалой пропускной способностью.
Теперь о множественном доступе. Множественный доступ - это способ разделения общего ресурса канала связи между участниками информационного обмена. При этом эффективность и достаточность множественного доступа как такового и как процедуры коллективного взаимодействия пользователей, может состояться только при наличии технологии, значительно увеличивающей пропускную способность канала связи. В этом контексте множественный доступ в зависимости от того, какая схема работает на увеличение пропускной способности канала связи, разделяется на следующие типы:
С использованием методов мультиплексирования
- множественный доступ с разделением частоты (FDMA)
- множественный доступ с разделением времени(TDMA)
- множественный доступ с разделением по длине волны(WDMA).
С использованием других методов
- множественный доступ с передачей полномочия или маркера (ТРМА)
- множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружения коллизий (CSMA/CD).
Множественный доступ ТРМА использует детерминированный маркерный метод передачи данных, иногда такой способ именуется эстафетным, так как право передачи запускается по эстафете от абонента к абоненту. Этот метод предполагает обязательно кольцевую топологию расположения абонентов, причем строятся два кольца: одно кольцо является резервным в случае аварийных ситуациях или сбоях. Суть метода такова. По кольцу непрерывно вращается маркер (token), специальный управляющий пакет. Отсюда еще одно название метода – токеновый! Так вот, если маркер свободный - он дает право абоненту на передачу. Абонент, получивший свободный маркер, делает маркер занятым, присоединяет к нему свой пакет информации и пускает такую посылку по кругу. Остальные абоненты в кольце анализируют эту посылку на предмет адресата. Если абоненту не адресована посылка, он пускает ее по кругу. Если абонент находит в посылке свой адрес, он принимает инфо, маркер помечает как принятый и пускает посылку снова по кольцу. Передающий абонент, получивший обратно свою посылку с отметкой о приеме, удаляет свой информационный пакет, помечает token (маркер) как свободный и отправляет чистенький token дальше по кольцу. Все снова повторяется. Множественный доступ с передачей маркера успешно применяется в технологиях Token Ring и FDDI.
Множественный доступ CSMA/CD использует метод коллективного доступа с опознаванием несущей частоты и обнаружением коллизий. Такой множественный метод доступа не позволяет создать коллизию, т.е. ситуацию одновременной передачи данных по общему каналу нескольких пользователей. Информационной единицей является кадр, наложенный (модулированный) на несущую частоту (5-10 МГц). Заголовок кадра содержит адреса отправителя и получателя кадра. Принцип работы такого доступа основан на двух основополагающих моментах: первый, каждый абонент определяет ситуацию, когда он может передать кадр, второй, каким образом должен вести себя передающий абонент в случае одновременного начала передачи кадра другим абонентом. Ситуация – свободен канал связи или нет, определяется прохождением по каналу несущей информацию (кадр) частоты. Чтобы уловить суть алгоритма данного метода, рассмотрим работу абонента №1. Итак, абонент №1, которому необходимо передать данные, определил, что в канале связи присутствует несущая, т.е. канал связи занят: наш абонент берет технологическую паузу (9.6 мкс). После паузы он опять переходит в режим прослушивания канала связи на предмет несущей частоты, Несущая – есть! Кто-то ведет передачу, абонент №1 снова берет технологическую паузу. Несущей – нет! Канал связи свободен, начинается передача кадра. Сразу же передающий абонент №1 следит за состоянием канала связи на факт обнаружения коллизии. Все пользователи участвуют в прослушке канала, анализируя пришедший кадр, и тот абонент, чей адрес записан в заголовке кадра, начинает прием кадра. Остальные абоненты игнорируют “чужой” кадр. Если абонент №1 не обнаружил коллизию в течение всей передачи кадра, процесс приема-передачи инфо заканчивается корректно. Если абонент №1 обнаружил факт коллизии, передача кадра прекращается, абонент №1 вбрасывает в канал связи специальный сигнал, получив который одновременно сработавший пользователь прекращает свою передачу, а наш абонент берет случайную паузу, после которой он пытается продолжить передачу текущего кадра по вышеуказанному алгоритму. В схеме алгоритма заложено 16 попыток, чтобы корректно завершить прием-передачу текущего кадра. Если из-за коллизий все-таки не получается завершить передачу текущего кадра в рамках данного алгоритма, такой злосчастный кадр просто отбрасывается передающим абонентом №1 и его приемным визави. Далее – опять кто первый! Множественный метод с опознаванием несущей и обнаружения коллизий хорошо зарекомендовал себя в сетях Ethernet.
Не затрагиваем другие схемы множественного доступа, которые применяются в беспроводной связи таких, как: CDMA (с кодовым разделением), OFDMA (с ортогональным разделением частот), SDMA (с пространственным мультиплексированием). Эта тема другой статьи.
В предыдущих уроках мы рассмотрели такое типичное для компьютерных сетей оборудование, как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Однако ввиду все более тесной интеграции компьютерных и телефонных сетей (сетей связи вообще) для администраторов и даже пользователей знание общих принципов организации телефонных сетей становится все более обязательным, в особенности если они работают с глобальными сетями. Поэтому в данном уроке мы и решили рассмотреть такую технологию (точнее, технологии), как мультиплексирование.
Прокладка и эксплуатация низкоскоростной магистральной линии между двумя АТС обходится почти во столько же, во сколько и высокоскоростной линии, так как основные затраты приходятся отнюдь не на покупку медного или оптического кабеля, а, вообще говоря, на рытье траншеи для укладки кабеля. Для передачи нескольких телефонных разговоров по одной физической линии телефонные компании и разработали технологии уплотнения, или мультиплексирования.
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ В ДВУХ СЛОВАХ
Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.
В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.
ЧАСТОТНОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами (см. Рисунок 1).
Рисунок 1.
При частотном мультиплексировании весь частотный диапазон разбивается
на несколько каналов. Чтобы каналы не перекрывались, они отделены друг
от друга защитными интервалами.
Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. Наибольшее распространение получил стандарт, согласно которому двенадцать голосовых каналов шириной 4000 Гц мультиплексируются в диапазоне частот от 60 до 108 кГц. Такой блок называется группой. Диапазон с 12 до 60 кГц используется иногда для другой группы.
Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Физически мультиплексирование осуществляется следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны.
ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Современный мир становится все более компьютеризованным и, как следствие, цифровым; разумеется, эта тенденция не обошла стороной и телефонные сети. Цифровые системы получают все более широкое распространение, и в итоге частотное мультиплексирование уступает свое место временному мультиплексированию. Однако, прежде чем человеческую речь, по природе своей аналоговую, можно будет передавать по цифровой сети, ее надо преобразовать в дискретную форму. Это достигается с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse-Code Modulation). Поэтому в современных цифровых телефонных сетях связи временное мультиплексирование тесно связано с импульсно-кодовой модуляцией.
Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации должна вдвое превышать максимальную частоту спектра частот аналогового сигнала для его корректного воспроизведения, таким образом, измерения амплитуды должны производиться 8000 раз в секунду в случае человеческой речи. Значение амплитуды приближается 8-разрядным двоичным числом, поэтому скорость передачи должна составлять 64 кбит/с. Как следствие, в цифровых сетях информационный канал на 64 кбит/с - базовый для исчисления скорости всех более емких каналов связи.
ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс (см. Рисунок 2). Последнее значение соответствует циклу дискретизации, так как при ИКМ каждую 1/8000 долю секунды необходимо производить измерение амплитуды аналогового сигнала. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (time slot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр.
Рисунок 2.
При временном мультиплексировании вся пропускная способность исходящей
линии предоставляется на фиксированный промежуток времени входящей линии
меньшей емкости.
В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E-1) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с.
Система E-1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу E-2 образуют 4 канала E-1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E-3 - четыре канала E-2 (или шестнадцать каналов E-1) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E-3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию.
Принцип последовательного мультиплексирования каналов проиллюстрирован на Рисунке 3. Четыре канала E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причем на этом и последующих уровнях мультиплексирование осуществляется побитно, а не побайтно, как это имело место в случае мультиплексирования 30 голосовых каналов в один канал E-1. Суммарная емкость четырех каналов E-1 составляет 8,192 Мбит/с, в то время как полная емкость E-2 равна в действительности 8,448 Мбит/с. Избыточные биты используются для обрамления и восстановления синхронизации. Затем четыре канала E-2 мультиплексируются в один канал E-3 и т. д.
Рисунок 3.
Как малые притоки сливаются в одну большую реку, так и низкоскоростные
линии объединяются в высокоскоростные с помощью иеархии мультиплексоров.
Принятый в Северной Америке и Японии, стандарт определяет канал T-1 (формат кадра DS1). Канал T-1 состоит из 24 мультиплексированных голосовых каналов, причем изначально предполагалось, что амплитуда аналогового сигнала будет выражаться 7-разрядным двоичным числом, а один бит использоваться для целей управления (сигнализации). Кроме того, помимо 192 бит каждый кадр имеет еще один бит для синхронизации. Таким образом, общая емкость канала T-1 составляет 1,544 Мбит/с. Однако в конце концов все 8 бит были отведены под данные, а сигнализация стала осуществляться одним из следующих двух способов. При сигнализации по общему каналу 193-й бит в каждом нечетном кадре служит для целей синхронизации, а в каждом четном - для сигнализации. Суть другого метода заключается в том, что каждый канал имеет свой собственный подканал для передачи сигнальной информации (один бит в каждом шестом кадре).
СИНХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ
Необходимость принятия единого стандарта для систем связи в Европе и Америке, а также потребность в повышении максимальной скорости передачи и встроенных средствах управления сетью связи привели к разработке синхронной цифровой иерархии SDH (к сожалению, североамериканский вариант этого стандарта под названием SONET несколько отличается от европейского, хотя эти различия не столь существенны, как в случае, например, иерархии каналов T-1, T-2... и E-1, E-2...).
В SDH синхронный транспортный модуль (STM-1) образует нижний уровень иерархии. Он эквивалентен синхронному транспортному сигналу STS-3c в иерархии SONET с емкостью 155,52 Мбит/с. Четыре модуля STM-1 мультиплексируются в STM-4 (=STS-12c) c емкостью 622,08 Мбит/с, а четыре модуля STM-4 - в STM-12 (=STS-48c) с емкостью 2,488 Гбит/с. Иерархия определяет и более высокие уровни.
Мультиплексирование осуществляется побайтно, а не побитно, т. е., например, когда четыре потока данных STM-1 объединяются в STM-4, мультиплексор сначала отправляет один байт из первого потока, затем один байт из второго и т. д. по кругу.
Одно из наиболее важных отличий синхронной от плезиохронной иерархии - это возможность выделения нужного канала вплоть до уровня E-1 без демультиплексирования всего транспортного сигнала. Это привело к появлению принципиально иного типа мультиплексоров - мультиплексоров с добавлением и выделением отдельных каналов (в английской терминологии - add-drop multiplexer, а в русской технической литературе их кратко называют мультиплексорами ввода/вывода).
Кроме того, многие мультиплексоры стали выполнять и функции кроссовой коммутации (впрочем, может быть и наоборот, но это уже спор о курице и яйце). Мультиплексоры с кроссовой коммутацией (cross-connect multiplexor) позволяют осуществлять концентрацию и разделение потоков (функции мультиплексирования и демультиплексирования) наряду с переключением цифровых сигналов с одного канала на другой в соответствии с определенными правилами (функции коммутации).
ИНВЕРСНОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
В случае, когда организации необходимо иметь линию определенной пропускной способности, а предлагаемые емкости или слишком малы (например, Е-1), или слишком велики (скажем, E-3), тогда-то и пригодится устройство под названием инверсный мультиплексор. Данное устройство позволяет распределять входящий поток данных между несколькими исходящими линиями с меньшей емкостью, чем совокупный объем получаемых данных в единицу времени (см. Рисунок 4). Таким образом, например, заказчик может получить канал, эквивалентный по емкости двум E-1. Преимуществом такого подхода по сравнению с независимым подключением двух линий E-1 состоит, например, в том, что инверсный мультиплексор позволяет динамически распределять нагрузку между ними.
Рисунок 4.
Инверсное мультиплексирование заставляет вспомнить течение реки: огибая
острова, она разбивается на протоки, которые затем опять сливаются воедино.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном уроке мы рассмотрели основные технологии мультиплексирования, применяемые в телефонных сетях. Телефония все теснее переплетается с миром компьютеров, во всяком случае, все чаще и чаще они используют одну и ту же транспортную сеть как в глобальных, так и локальных сетях, не говоря уже о том, что такая "горячая" технология ATM появилась, как один из вариантов широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг. И, кстати говоря, ATM было бы правильнее назвать асинхронным временным мультиплексированием. Предшественник ATM, технология асинхронного временного разделения (Asynchronous Time Division, ATD), был разработан в лабораториях France Telecom как вариация TDM. Ее важнейшим отличием от TDM стало динамическое предоставление канала, а не на все время соединения (телефонного разговора); заголовок же позволял определить, к какому соединению принадлежат данные. Как следствие, доступная емкость использовалась более эффективно. Теперь наследник ATD претендует на роль единой технологии как глобальных, так и локальных сетей. Но это уже тема другого разговора.
Дмитрий Ганьжа - ответственный редактор LAN. С ним можно связаться по адресу:
Мультиплексирование
Компьютерные сети Лекция №2 6 сем.
Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов
Сравнение способов коммутации
В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование - это уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.
В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором .
Задача мультиплексирования - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.
Задача демультиплексирования - разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.
Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов.
Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами (см. Рисунок 2.1).
Рисунок 2.1.
При частотном мультиплексировании весь частотный диапазон разбивается на несколько каналов. Чтобы каналы не перекрывались, они отделены друг от друга защитными интервалами.
Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. Наибольшее распространение получил стандарт, согласно которому двенадцать голосовых каналов шириной 4000 Гц мультиплексируются в диапазоне частот от 60 до 108 кГц. Такой блок называется группой. Диапазон с 12 до 60 кГц используется иногда для другой группы.
Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Физически мультиплексирование осуществляется следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны.
На сегодняшний день приобретение дополнительной техники или специальных устройств является достаточно дорогим удовольствием. Для того, чтобы сохранить свои финансовые затраты, довольно часто используют такие устройства, как мультиплексор и демультиплексор, которые являются своеобразными селекторами данных.
В случае с мультиплексором есть возможность через один выход пропустить информацию с нескольких входов. А демультиплексор действует с точностью наоборот – распределяет полученные данные с одного входа на разные выходы.
Мультиплексор представляет собой такое оборудование, которое содержит в себе несколько входов сигнала, один или несколько входов управления и лишь один общий выход. Данное устройство дает возможность передавать определенный канал из одного из имеющихся входов на специальный и единственный выход.
При всем этом выбирается вход с помощью подачи определенной комбинации сигналов управления. Чаще всего мультиплексор необходим там, где нужно обустраивать для передачи сигналов большое количество каналов (сигналов), а денег и технического оснащения для этого нет.
Работоспособность данного типа устройства основана на том, что сигнал связи, даже в случае, если он один, очень часто не применяется на всю мощность. По этой причине имеется лишнее место для запуска других потоков информации по одной линии.
Разумеется, что если все эти потоки пускаются в изначальном виде и в одно и то же время, то на выходе получится обычная мешанина информационных данных, которую будет практически нереально расшифровать. Из-за этого мультиплексор производится при помощи разделения потоков информации разнообразными методами.
Разделение по частотным полосам – это когда все потоки данных идет в одно и то же время, но с разной частотой. При этом не происходит смешивание потоков. Кроме этого, есть возможность пустить потоки в различных временных линиях. Также особо популярным является способ кодирования. В этом случае все потоки обозначаются специальными знаками, кодируются и одновременно отправляются.
Мультиплексоры классифицируют по нескольким критериям: по месту использования или по своим целевым задачам и так далее.
Линия связи мультиплексора и демультиплексора
Основным различием мультиплексоров считается то, каким образом происходит уплотнение сигналов в один сплошной поток.
Мультиплексирование бывает таких видов:
- временного характера;
- пространственного типа;
- кодовым;
Как правило, если каналы являются проводными, то в применении актуальны первые два метода, а для беспроводных каналов применяются все четыре варианта. Обычно, если речь идет о мультиплексоре, то подразумевается проводное устройство.
По этой причине стоит более подробно ознакомиться с частотным и временным методами:
Методы мультиплексирования
Чтобы исполнить частотное мультиплексирование необходимо для всех потоков определить определенный частотный период. Перед самим процессом нужно переместить спектра всех каналов, что входят в период иной частоты, что не будет никак пересекаться с иными сигналами. Кроме того, для обеспечения надежности, меж частотами делают определенные интервалы для дополнительной защиты. Данный метод применяют и в электрических, и в оптических связных линиях.
Временной вариант
Временное мультиплексирование и демультиплексирование
Чтобы передать каждый сигнал в сплошном потоке, что входит, имеется определенное количество времени. В этом случае, перед устройством стоит особая задача – гарантировать доступ циклов к общей среде перенаправления для потоков, которые входят на маленький временной промежуток.
При этом необходимо сделать так, чтобы не возникло нежелательное накладывание каналов друг на друга, которое смешивает информацию. Для этого используют специальные интервалы для защиты, которые ставят меж этими самыми каналами.
Этот способ используют, как правило, для цифровых связных каналов.
Классификация мультиплексоров
Мультиплексоры существуют таких видов:
- Терминальные. Их размещают на концах связных линий.
- Ввода и вывода. Такие устройства встраивают в разрыв связных линий, чтобы из сплошного потока выводить определенные сигналы. При их помощи можно обойтись без дорогостоящих мультиплексоров терминального типа.
Также мультиплексоры классифицируются таким способом:
Аналоговые мультиплексоры
Ключи аналогового типа являются специальными аналого-дискретными элементами. Аналоговый ключ может быть представлен в качестве отдельно взятого устройства. Набор такого рода ключей, которые работают на единственный выход с цепями выборки определенного ключа, являются специальным аналоговым мультиплексором. Аналоговое оборудование в каждый период времени выбирает определенный входной канал и направляет его на специальное устройство
Цифровые мультиплексоры
Цифровые оборудования делятся на мультиплексоры второго, первого и иных высоких уровней. Цифровые мультиплексоры дают возможность принимать сигналы цифрового типа из устройств низкого уровня. При этом можно их записать, образовать цифровое течение высокого уровня. Таким образом, входящие потоки синхронизируются. Также можно отметить, что они обладают одинаковыми скоростями.
Области применения
Видеомультиплексоры применяют в телевизионной технике и различных дисплеях, в системах охранного видеонаблюдения. На мультиплексировании базируется GSM-связь и разнообразные входные модемы провайдеров в интернете. Также данные устройства применяют в GPS-приемниках, в волоконно-оптических связных линиях широкополосного типа.
Мультиплексоры используют в различных делителях частоты, специальных триггерных элементах, особых сдвигающихся устройствах и так далее. Их могут применять для того, чтобы преобразовать определенный параллельный двоичный код в последовательный.
Схема применения оптического мультиплексора
Структура мультиплексора
Мультиплексор состоит из специального дешифратора адреса входной линии каналов, разнообразных схем, в том числе и схемы объединения.
Структуру мультиплексора можно рассмотреть на примере его общей схемы. Входные данные логического типа поступают на выходы коммутатора, и далее через него направляются на выход. На вход управления подается слова адресных каналов. Само устройство тоже может обладать специальным входом управления, который дает возможность проходить или не проходить входному каналу на выход.
Существуют типы мультиплексоров, которые обладают выходом с тремя состояниями. Все нюансы работы мультиплексора зависят от его модели.
Демультиплексор
Демультиплексор представляет собой логическое устройство, которое предназначено для того, чтобы свободно переключать сигнал с одного входа информации на один из имеющихся информационных выходов. На деле демультиплексор является противоположностью мультиплексору.
Во время передачи данных по общему сигналу с разделением по временному ходу необходимо как использование мультиплексоров, так и применение демультиплексоров, то есть прибор обратного функционального назначения. Это устройство распределяет информационные данные из одного сигнала между несколькими приемниками данных.
Особым отличием данного типа устройства от мультиплексоров считается то, что есть возможность обледенить определенное количество входов в один, не применяя при этом дополнительных схем. Но для того, чтобы увеличить нагрузку микросхемы, на выходе устройства для увеличения входного канала рекомендуется установить специальный инвертор.
В схеме самого простого такого устройства для определенного выхода применяется двоичный дешифратор. Стоит отметить, что при подробном изучении дешифратора, можно сделать демультиплексор гораздо проще. Для этого необходимо ко всем логическим элементам, которые входят в структуру дешифратора прибавить еще вход. Данную структуру достаточно часто называют дешифратором, который имеет вход разрешения работы.
На что следует обратить внимание при выборе мультиплексора?
- Какие камеры используются – черно-белые, цветные?
- Общее количество камер, которое возможно подключить к устройству.
- Тип мультиплексора.
- Разрешение устройства.
- Наличие детектора, определяющего движение.
- Можно ли подключить второй экран монитора?
При выборе мультиплексора или демультиплексора необходимо учитывать все нюансы и технические характеристики устройства.
мультиплекси́рование - уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM)
Мультиплексирование 3 каналов с разделением по частоте
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM , Frequency Division Multiplexing ) предполагает размещение в пределах полосы пропускания канала нескольких каналов с меньшей шириной. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов на разных частотах (в разных частотных полосах).
Основные применения
Используется в сетях мобильной связи (см. FDMA) для разделения доступа, в волоконно-оптической связи аналогом является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, Wavelength Division Multiplexing ) (где частота - это цвет излучения излучателя), в природе - все виды разделений по цвету (частота электромагнитных колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).
Мультиплексирование с разделением по времени (TDM)
Мультиплексирование с разделением по времени (англ. TDM , Time Division Multiplexing ) предполагает кадровую передачу данных, при этом переход с каналов меньшей ширины (пропускной способности) на каналы с большей освобождает резерв для передачи в пределах одного кадра большего объёма нескольких кадров меньшего.
На рисунке: А, В и С - мультиплексируемые каналы с пропускной способностью (шириной) N и длительностью кадра Δt; E - мультиплексированный канал с той же длительносью Δt но с шириной M*N, один кадр которого (суперкадр ) несёт в себе все 3 кадра входных мультиплексируемых сигналов последовательно , каждому каналу отводится часть времени суперкадра - таймслот, длиной Δt M =Δt/M
Таким образом, канал с пропускной способностью M * N может пропускать M каналов с пропускной способностью N, причём при соблюдении канальной скорости (кадров в секунду) результат демультиплексирования совпадает с исходным потоком канала (А, В или С на рисунке) и по фазе, и по скорости, т. е. протекает незаметно для конечного получателя.
Основные применения
- беспроводные TDMA-сети, Wi-Fi, WiMAX;
- канальная коммутация в PDH и SONET/SDH;
- пакетная коммутация в ATM, Frame Relay, Ethernet, FDDI;
- коммутация в телефонных сетях;
- последовательные шины: PCIe, USB.
CDMA (англ. Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) - технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разные ПСП. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, её использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.
В CDMA (Code Division Multiple Access) для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала - шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.
При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). На изображении ниже показан пример, демонстрирующий применение метода для генерации сигнала. Сигнал данных с длительностью импульса Tb комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна (зам: ширина полосы пропускания пропорциональна , где = время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна и ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна . Так как много меньше , ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина называется фактором распространения или базой сигнала и определяет в известной мере верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией одновременно.