В волоконно-оптических системах связи и передачи информации используются различные методы и технологии передачи и обработки сигналов, в том числе технологии временного (TDM) и спектрального (DWDM) мультиплексирования и демультиплексирования. В настоящей статье кратко излагаются принципы построения и основы традиционных систем передачи информации, использующих TDM-технологии, их эволюция, возможности и ограничения, а также приводятся общие сравнения с системами, использующими технологии WDM-мультиплексирования.

Временное мультиплексирование

Уникальные возможности оптических волокон передавать на огромные расстояния сигналы в суперширокой полосе частот, с одной стороны, и растущая потребность в повышении информационной емкости каналов связи, с другой, обусловили необходимость разработки методов мультиплексирования (уплотнения) информационных каналов и создания мультиплексных систем.

Первым методом мультиплексирования, который сразу же стал применяться в волоконно-оптических системах и сетях связи, явился метод временного мультиплексирования.

При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи информации. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй - другого и т. д. Таким образом, информация каждого канала передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно. Каждому каналу отводится свой временной интервал или временное окно. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис. 1 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием.

Рис. 1.

Использование технологии TDM в настоящее время обеспечило ввод в широкую эксплуатацию одноканальных (по оптической несущей) волоконно-оптических линий передачи (один источник - одно волокно - один фотоприемник) со скоростями передачи 10 Гбит/с. ВОЛС с такими скоростями передачи постепенно замещают линии со скоростями 2,5 Гбит/с. В стадии практической реализации находится сейчас ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.

Скорости в 10 Гбит/с, на наш взгляд, представляют некоторую поворотную точку в TDM-технологиях. Ниже этой скорости характеристики большинства существующих волоконно-оптических трактов практически не влияют на качество передачи информации; при превышении скоростей передачи 10 Гбит/с эти характеристики должны уже более тщательно проверяться и корректироваться.

Прежде всего необходимо учитывать хроматическую дисперсию волокна - зависимость скорости распространения света от длины волны оптического излучения, обусловленную, в свою очередь, соответствующей зависимостью коэффициента преломления света в оптическом волокне от длины волны.

Дисперсия приводит к уширению оптических импульсов в волокне, и при скоростях передачи информации 10 Гбит/с (стандарт ОС-192) ее влияние на ограничение в скорости передачи проявляется уже в 16 раз сильнее, нежели при скоростях в 2,5 Гбит/с (стандарт ОС-48). Методы, которые позволяют компенсировать хроматическую дисперсию в уже проложенных оптических волокнах, в принципе разработаны, но они неизбежно приводят к возрастанию потерь в системе, ее существенному усложнению и повышению стоимости. Для стандартного одномодового волокна (типа G.652) максимальное расстояние, на которое можно передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с с помощью стандартных источников излучения и без применения специальных мер компенсации дисперсии и коррекции сигнала, ограничивается пределами 50ё 75 км.

На первых этапах создания гигабитных ВОЛС с целью подавления дисперсии в качестве источников излучения было предложено применять узкополосные полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения, близкой (но не равной) длине волны, на которой в волокне имеет место нулевая дисперсия. Это должно было бы позволить также избежать четырехволнового смешения в волокне, приводящего к перекрестным помехам в ВОЛС. Однако оказалось, что при прямой модуляции лазеров по току питания кроме амплитудной происходит и частотная модуляция, то есть изменяется длина волны излучения лазера. Это явление, известное как “чирпинг”, приводит к достаточно сильному разбросу генерируемых импульсов по спектральному составу оптического излучения и, следовательно, к проявлению таких нежелательных эффектов, как упомянутые выше четырехволновое смешение и хроматическая дисперсия.

Но даже если и удается каким-либо способом компенсировать хроматическую дисперсию волокна на скоростях передачи c 10 Гбит/с и более, начинает проявляться поляризационно-модовая дисперсия (ПМД), которая также приводит к ограничению скорости передачи информации в линии. ПМД есть следствие различия скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в одномодовом волокне, которое, в свою очередь, может быть вызвано целым рядом факторов, влияющих на величину двулучепреломления волокна и на взаимодействие (или смешение) мод.

Кроме этого, разработка TDM-систем, обеспечивающих дальнейшее (за пределы 10 Гбит/с) повышение скорости передачи информации, также требует разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения в ВОЛС. Подобные проблемы неизбежно возникают и при создании систем коррекции ошибок в ВОЛС с такими скоростями.

Таким образом, можно сказать, что TDM-технологи, даже при значительном усовершенствовании, могут быть практически использованы в ВОЛС со скоростями передачи информации в десятки Гбит/с, при этом также остается открытым вопрос экономической целесообразности таких решений. Для создания более широкополосных ВОЛС необходимо было либо прокладывать новые волоконно-оптические линии, либо искать новые решения, позволяющие мультиплексировать отдельные TDM-каналы и передавать их по одному волокну одновременно.

Спектральное мультиплексирование

Таким решением явилась разработка технологии спектрального мультиплексирования (DWDM), которые позволяют увеличивать скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по волокну нескольких TDM-каналов на различных длинах волн.

Оптическая схема построения ВОЛС, использующая DWDM-технологии, приведена на рис. 2. В схеме имеется набор оптических передатчиков, излучающих на длинах волн l n на одном конце линии, и набор соответствующих фотоприемников на другом. На каждой из этих длин волн l n может независимо передаваться один из TDM-сигналов системы, таким образом обеспечивается одновременная передача всех TDM-каналов. Необходимыми элементами таких ВОЛС являются волоконно-оптические усилители, мультиплексоры, демультиплексоры, блоки ввода-вывода оптических каналов (или мультиплексоры с устройствами ввода-вывода), коммутаторы и, естественно, волоконно-оптические кабели. Каждый из этих элементов является важным для правильного функционирования системы в целом, характеристики каждого должны быть тщательно определены и заданы.

а - Мультиплексоры с устройством ввода-вывода
b - Оптические усилители
c - Оптические переключатели
Рис. 2.

Критерии выбора компонентов для DWDM-систем определяются рядом достаточно жестких требований, главным из которых является требование о том, что все каналы должны иметь равную пропускную способность по всему оптическому пути прохождения и обработки сигналов.

Это означает, что оптические источники, мультиплексоры, демультиплексоры, оптические усилители и само волокно должны иметь характеристики, полностью обеспечивающие реализацию заданных параметров создаваемой локальной сети. Поэтому оптические характеристики пассивных и активных компонентов локальной сети, такие, как вносимые и обратные потери, дисперсия, поляризационные эффекты и пр. должны тщательно измеряться и контролироваться в зависимости от длины волны в пределах спектральной полосы DWDM-системы. Как правило, DWDM-системы содержат значительно больше сложных устройств и элементов по сравнению с системами, работающими на одной длине волны, и поэтому контроль их параметров осуществлять значительно сложнее. К таким устройствам и элементам относятся мультиплексоры и демультиплексоры, узкополосные фильтры, получаемые методами тонкопленочной технологии, сплавные биконические разветвители, устройства ввода-вывода на основе волноводных дифракционных решеток, объемные брэгговские фильтры и брэгговские фильтры на основе дифракционных решеток.

В дополнение к этому должно быть точно установлено и учтено волоконно-оптических усилителей на качество и целостность спектра оптических сигналов и, наконец, должны быть учтены и сведены к минимуму эффекты взаимодействия спектральных каналов между собой, с тем чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, которые могут привести к искажению информации в различных элементах сети.

Таким образом, даже на первый взгляд видно, что системы связи, использующие DWDM-технологии, являются более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными ВОЛС. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости строительства новых ВОЛС и сетей связи составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение DWDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит информации, т. е. сеть становится более дешевой. Кроме того, появляется возможность более гибкого маркетинга информационными каналами: можно будет приобретать или брать в аренду не только кабель или волокно, но и отдельную длину волны. Таким образом, DWDM-технологии способны обеспечить возможности многократного расширения полосы передаваемых частот в сети без ее капитальной реконструкции и прокладки нового кабеля. В настоящее время в мире уже практически реализованы и функционируют DWDM-системы с 64 спектральными каналами, на стадии завершения разработки находятся системы на 128 спектральных каналов. В 2001 году первые DWDM-системы уже появились и в России.

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.

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.

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.

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

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:

1. Терминальные. Их размещают на концах связных линий.
2. 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.

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?

1. Какие камеры используются – черно-белые, цветные?
2. Общее количество камер, которое возможно подключить к устройству.
3. Тип мультиплексора.
4. Разрешение устройства.
5. Наличие детектора, определяющего движение.
6. Можно ли подключить второй экран монитора?

При выборе мультиплексора или демультиплексора необходимо учитывать все нюансы и технические характеристики устройства.

В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing ) - 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. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.

Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.

Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM).

Мультиплексирование 3 каналов с разделением по частоте.

Технология.

Мультиплексирование с разделением по частоте (англ. 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 электромагниных колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).

Мультиплексирование с разделением по времени (TDM).

Технология.

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 длительностью 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.