Кіріспе
Электроникада және сигнал өңдеуде сигналдарды ортақ ортада бір сигналға біріктіру әдісі – мультиплекстеу. Телекоммуникация және компьютерлік желілерде мультиплекстеу (кейде муксинг деп қысқартылады) – бірнеше аналогты немесе цифрлық сигналдарды ортақ ортада бір сигналға біріктіру әдісі. Мақсаты – физикалық тарату ортасы сияқты шектеулі ресурсты бөлісу. Мысалы, телекоммуникацияда бірнеше телефон қоңырауларын бір сым арқылы таратуға болады. Мультиплекстеу 1870 жылдары телеграфта пайда болды және қазір байланыс саласында кеңінен қолданылады. Телефонияда Джордж Оуэн Скьер 1910 жылы телефондық арналық мультиплекстеуді әзірлегені үшін марапатталды. Мультиплекстелген сигнал кабель сияқты байланыс арнасы арқылы жіберіледі. Мультиплекстеу байланыс арнасының сыйымдылығын әрбір хабарлама сигналы немесе дерек ағыны үшін бірнеше логикалық арналарға бөледі. Демультиплекстеу деп аталатын кері процесс қабылдаушы жағында бастапқы арналарды бөліп шығарады. Мультиплекстеуді жүзеге асыратын құрылғы мультиплексор (MUX) деп, ал кері процесті жүзеге асыратын құрылғы демультиплексор (DEMUX немесе DMX) деп аталады. Инверстік мультиплекстеудің (IMUX) мақсаты мультиплекстеуден өзгеше – дерек ағынын бірнеше ағымға бөліп, оларды бірнеше байланыс арналары арқылы бір уақытта тарату және бастапқы дерек ағынын қайта құру. Компьютерлік жүйелерде I/O мультиплекстеуі бір оқиға циклынан бірнеше кіріс/шығыс оқиғаларын өңдеу концепциясын білдіру үшін де қолданылады, мысалы, poll және select (Unix) сияқты жүйелік шақырулармен.
multiplexing in electronics and signal processing
In telecommunications and computer networking, multiplexing (sometimes contracted to muxing) is a method by which multiple analog or digital signals are combined into one signal over a shared medium. The aim is to share a scarce resource a physical transmission medium. For example, in telecommunications, several telephone calls may be carried using one wire. Multiplexing originated in telegraphy in the 1870s, and is now widely applied in communications. In telephony, George Owen Squier is credited with the development of telephone carrier multiplexing in 1910. The multiplexed signal is transmitted over a communication channel such as a cable. The multiplexing divides the capacity of the communication channel into several logical channels, one for each message signal or data stream to be transferred. A reverse process, known as demultiplexing, extracts the original channels on the receiver end. A device that performs the multiplexing is called a multiplexer (MUX), and a device that performs the reverse process is called a demultiplexer (DEMUX or DMX). Inverse multiplexing (IMUX) has the opposite aim as multiplexing, namely to break one data stream into several streams, transfer them simultaneously over several communication channels, and recreate the original data stream. In computing, I/O multiplexing can also be used to refer to the concept of processing multiple input/output events from a single event loop, with system calls like poll and select (Unix).
Түрлері
Бірнеше өзгермелі бит жылдамдығы бар цифрлық бит ағындары статистикалық мультиплекстеу арқылы бірыңғай тұрақты ені бар арна арқылы тиімді түрде берілуі мүмкін. Бұл – уақыт доменіндегі асинхронды мультиплекстеу, ол уақыт бөлісу мультиплекстеуінің бір түрі. Цифрлық бит ағындарын кодтық бөлісу мультиплекстеу техникалары арқылы, мысалы, жиілік секірумен тарату спектрі (FHSS) және тікелей тізбекпен тарату спектрі (DSSS) арқылы аналогтық арна арқылы беруге болады. Сымсыз байланыста мультиплекстеуді әрбір жақын арна мен спутникте полярлануды (көлденең/тік немесе сағат тілі бойынша/сағат тіліне қарсы) ауыстыру арқылы немесе фазалық көп антенналық массивті көп кіріс-көп шығыс байланыс (MIMO) схемасымен біріктіру арқылы жүзеге асыруға болады.
Ғарышты бөлу мультиплексі
Сымдық байланыста кеңістіктік бөлу мультиплексі, сондай-ақ кеңістіктік бөлуге көп кіреберіс (SDMA) деп аталады, әрбір берілетін арна үшін жеке нүктеден нүктеге электр өткізгіштерін пайдалануды білдіреді. Мысалдарға аналогты стерео аудио кабель, сол арна үшін бір, оң арна үшін бір жұп сымдары бар, көп жұпты телефон кабельі, телефондық желі сияқты коммутацияланған жұлдыз тәрізді желі, коммутацияланған Ethernet желісі және тор желісі жатады. Сымсыз байланыста кеңістіктік бөлу мультиплексі фазалық массивті антенна құрайтын бірнеше антенна элементтері арқылы жүзеге асырылады. Мысалдар: көп кіріс және көп шығыс (MIMO), бір кіріс және көп шығыс (SIMO) және көп кіріс және бір шығыс (MISO) мультиплексі. IEEE 802.11g сымсыз маршрутизаторы k антенналармен k мультиплекстелген арналармен байланыс орнатуға мүмкіндік береді, олардың әрқайсысының ең жоғары биттік жылдамдығы 54 Мбит/с, осылайша жалпы ең жоғары биттік жылдамдығы k есеге артады. Әртүрлі антенналар әртүрлі көп жолды таралудың (эхо) сипаттамаларын береді, бұл сандық сигналды өңдеу техникаларына әртүрлі сигналдарды бір-бірінен ажыратуға мүмкіндік береді. Бұл техникалар кеңістіктік әртүрлілендіру (әлсіреуге төзімділікті арттыру) немесе сәуле пішіндіру (селективтілікті жақсарту) үшін де қолданылуы мүмкін, мультиплекстеуден гөрі.
Жиілікті бөлу мультиплексі
Жиілікпен бөлу мультиплексі (FDM) – бұл аналогтық технология. FDM бірнеше сигналды бір ортаға біріктіруді, оларды бір орта арқылы әртүрлі жиілік диапазондарында жіберу арқылы іске асырады. FDM-де сигналдар электр сигналдары болып табылады. FDM-нің ең көп таралған қолданыстарының бірі – жердегі, мобильдік немесе спутниктік станциялардан, сондай-ақ кабельдік теледидар арқылы дәстүрлі радио және теледидар хабарларын тарату. Тұтынушының үйіне тек бір кабель жетеді, бірақ қызмет провайдері сол кабель арқылы барлық абоненттерге бір мезгілде бірнеше телеарнаны немесе сигналды кедергісіз жібере алады. Қабылдағыштар қажетті сигналды алу үшін тиісті жиілікке (арнаға) түйінделуі керек. Оптикалық байланыста толқын ұзындығы бойынша бөлу мультиплексі (WDM) деп аталатын технологияның түрі қолданылады.
Уақытты бөлумен мультиплекс
Уақыт бойынша мультиплекстеу (УМ) – әр түрлі дерек ағындарын бөлу үшін кеңістік немесе жиілік орнына уақытты пайдаланатын цифрлық (немесе сирек жағдайларда аналогтық) технология. УМ әрбір жеке кіріс ағынынан бірнеше бит немесе байтты топтап, оларды тиісті қабылдағышпен байланыстыруға мүмкіндік беретіндей етіп тізбектейді. Егер бұл жеткілікті жылдамдықпен жасалса, қабылдау құрылғылары схема уақытының бір бөлігі басқа логикалық байланыс жолына қызмет етуге жұмсалғанын байқамайды. Мысалы, әуежайдағы төрт терминалдың орталық компьютерге жетуін қарастырайық. Әр терминал 2400 бод жылдамдығымен байланыс жасайды, сондықтан мұндай төмен жылдамдықты беру үшін төрт жеке схеманы алудың орнына, әуе компаниясы бірнеше мультиплекстер орнатқан. Сондай-ақ, 9600 бодтық модемдер және әуежайдың билет кассасынан әуе компаниясының дерек орталығына арналған бір арнаулы аналогты байланыс желісі орнатылған. Тасымалдау сезіміне негізделген көптеген қолжеткізу және көп нүктелі байланыс әдістері уақыт бойынша мультиплекстеуге ұқсас, себебі бірнеше дерек ағыны бір ортада уақыт бойынша бөлінеді, бірақ сигналдар бір сигналға біріктірілмей, жеке бастау тегінен шыққандықтан, оларды мультиплекстеу түрі емес, арнаға қолжеткізу әдістері ретінде қарастыру дұрыс. УМ – бұл Еуропадағы көптеген ұлттық телефон желілерінің негізін құратын, DMS100 сияқты тар жолақты телефон стансаларында 2 Мбит/с дауыс және сигнализация порттарын қамтамасыз ететін көне технология. Әрбір E1 немесе 2 Мбит/с УМ порты CCITT7 сигнализациялық жүйелері үшін 30 немесе 31 сөйлеу уақыт тілімін, ал клиенттік Q931, DASS2, DPNSS, V5 және CASS сигнализациялық жүйелеріне қосылған жағдайда 30 дауыс арнасын қамтамасыз етеді.
Поляризациялық-бөлінулік мультиплексі
Поляризациялық бөлініс мультиплексі ортогональды арналарды бөлу үшін электромагниттік сәулеленудің поляризациясын қолданады. Ол радио және оптикалық байланыста, әсіресе 100 Гбит/с каналдық оптикалық талшықты тарату жүйелерінде қолданылады. Дифференциалдық көлденең поляризацияланған сымсыз байланыс – дифференциалдық техниканы пайдалана отырып, поляризацияланған антенналық таратудың жаңа әдісі.
Орбиталық бұрыштық импульсті мультиплекстеу
Орбиталық бұрыштық импульсті мультиплекстеу – электромагниттік сәулеленуді пайдалана отырып, бір арна бойынша бірнеше сигналдарды мультиплекстеудің салыстырмалы түрде жаңа және тәжірибелік әдісі. Оны басқа физикалық мультиплекстеу әдістерімен бірге қолдану арқылы мұндай жүйелердің беріліс сыйымдылығын едәуір арттыруға болады. 2012 жылғы мәліметтер бойынша, бұл әлі де зерттеудің бастапқы сатысында, кішкентай зертханалық демонстрациялар арқылы бір жарық жолы бойынша 2,5 Тбит/с-қа дейін жолақты кеңдікке қол жеткізілді. Бұл академиялық қауымдастықта дау тудыратын мәселе, көптеген мамандар бұл мультиплекстеудің жаңа әдісі емес, кеңістіктік бөлу мультиплексінің ерекше жағдайы екенін айтады.
Кодты бөлу арқылы мультиплекс
Кодты бөлу мультиплексілеу (CDM), кодты бөлумен көптеген қолжетімділік (CDMA) немесе кең спектрлі тарату – бірнеше арналардың бір уақытта бірдей жиілік спектрін пайдаланатын техникалар класы, мұнда спектрлік ені биттік немесе символдық жылдамдықтан әлдеқайда жоғары. Оның бір түрі – жиілік секіру, екіншісі – тікелей тізбекпен кең спектрлі тарату. Соңғы жағдайда әрбір арна өз биттерін кодталған, арнаға тән импульстар тізбегі түрінде жібереді, оларды «чиптер» деп атайды. Битке шаққан чиптер саны немесе символға шаққан чиптер саны – тарату коэффициенті. Бұл кодталған беріліс әдетте уақытқа тәуелді қысқа импульстардың бірегей тізбегін беру арқылы жүзеге асырылады, олар үлкен бит уақыты шегінде чип уақытында орналастырылады. Әрқайсысы өзгеше кодталған барлық арналар бір талшық, радиоарна немесе басқа да орта арқылы берілуі мүмкін және асинхронды түрде мультиплекстеуден босатылуы мүмкін. Конвенциялық техникаларға қарағанда артықшылықтары: өзгермелі жолақтың ені болуы мүмкін (статистикалық мультиплекстеу сияқты), кең жолақтың ені Шеннон-Хартли теоремасына сәйкес сигналдың шуға қатынасының нашар болуына мүмкіндік беруі, сондай-ақ сымсыз байланыстағы көп жолды таралуды «гребіл» қабылдағыштармен жеңуге болады. CDMA-ның маңызды қолданысы – Жаһандық позициялау жүйесі (GPS).
Көп қол жеткізу әдісі
Көптеулеу техникасы, мысалы, TDM уақытты бөліп көптеуге қол жеткізу (TDMA) және статистикалық көптеулеуге тасымалдағыш сезімімен көптеуге қол жеткізу (CSMA) сияқты, көптеуге қол жеткізу әдісі немесе арнаға қол жеткізу әдісі ретінде одан әрі дамытылуы мүмкін. Көптеуге қол жеткізу әдісі бір физикалық ортаға қосылған бірнеше хабар таратушыларға оның сыйымдылығын бөлісуге мүмкіндік береді. Көптеулеу OSI моделінің физикалық қабатымен қамтамасыз етілсе, көптеуге қол жеткізу деректер байланысы қабатының бөлігі болып табылатын медиаға қол жеткізуді басқару протоколын да қамтиды. OSI моделіндегі транспорттық қабат, сондай-ақ TCP/IP моделі бір компьютерге/онынан бірнеше қолданбалық қабат дерек ағындарын статистикалық көптеулеуді қамтамасыз етеді. Кодтық бөліс көптеулеу (CDM) – әрбір арна өзінің биттерін кодталған арнаға тән импульстік тізбек ретінде жіберетін техника. Бұл кодталған беріліс әдетте уақытқа тәуелді қысқа импульстердің бірегей сериясын беру арқылы жүзеге асырылады, олар үлкен бит уақытында чип уақытында орналасады. Әрқайсысы әртүрлі кодқа ие барлық арналар бір талшық арқылы және асинхронды түрде көптеуді тоқтатуға (демультиплекстеуге) мүмкін. Көптеуге қол жеткізудің басқа кеңінен қолданылатын әдістері – уақытты бөліп көптеуге қол жеткізу (TDMA) және жиілікті бөліп көптеуге қол жеткізу (FDMA). Кодтық бөліс көптеулеу техникалары, атап айтқанда кодтық бөліс көптеуге қол жеткізу (CDMA), үшінші буын (3G) ұялы байланысы үшін Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) стандартында ITU анықтаған қолжетімділік технологиясы ретінде қолданылады.
Телеграф
Электр сымдарын пайдаланатын ең алғашқы байланыс технологиясы, сонымен қатар мультиплекстеудің арқасында қол жеткізілген экономикалық тиімділікке қызығушылық танытқан – электр телеграфы. Алғашқы тәжірибелер екі жеке хабардың бір уақытта қарама-қарсы бағытта таралуына мүмкіндік берді, бастапқыда екі басында электр батареясын қолданып, кейіннен тек бір басында ғана. Эмиль Бодо 1870 жылдары бірнеше Хьюз машиналарын қолданатын уақыттық мультиплекстеу жүйесін жасады. 1874 жылы Томас Эдисонның жетілдірген төрттік телеграфы әр бағытта екі хабарды бір мезгілде жіберді, яғни төрт хабар бір сым арқылы бір уақытта өтті. Бірнеше ғалымдар акустикалық телеграфияны зерттеді, бұл жиілік бөлісінің мультиплекстеу әдісі еді, және осының нәтижесінде телефон ойлап табылды.
Телефония
Телефонияда клиенттің телефон желісі қазіргі уақытта қашықтағы концентратор қорабында аяқталады, онда ол сол маңайдағы немесе басқа ұқсас аймақтың басқа телефон желілерімен бірге мультиплекстеледі. Мултиплекстелген сигнал орталық коммутациялық кеңсеге клиенттің желісінің іс жүзінде жете алатын қашықтықтан әлдеқайда ұзақ қашықтыққа және едәуір аз сымдар арқылы жеткізіледі. Бұл цифрлық абоненттік желілерге (DSL) қатысты да солай. Оптикалық талшықтың шеңберде (Fiber in the loop - FITL) пайдаланылуы – оптикалық талшықты негіз ретінде қолданатын, мультиплекстеудің кең таралған әдісі. Ол тек қарапайым телефон желілерін (POTS) PSTN-нің қалған бөлігімен байланыстырып қана қоймай, DSL-ді үйге сымдалған Ethernet желісіне тікелей қосылу арқылы алмастырады. Асинхронды беріліс режимі (Asynchronous Transfer Mode) көбінесе қолданылатын байланыс протоколы болып табылады. Кабельдік теледидар көптен бері мультиплекстелген телеарналарды таратып келеді, ал 20-шы ғасырдың соңында телефон компаниялары ұсынатын қызметтердің орнына өзі де сондай қызметтерді ұсына бастады. IPTV да мультиплекстеуге тәуелді.
Видео өңдеу
Видео өңдеу және өңдеу жүйелерінде мультиплекстеу – аудио және бейнені біртұтас дерек ағынына біріктіру процесін білдіреді. Цифрлық видеода мұндай тасымалдау ағыны көбінесе контейнер форматының құрамы болып табылады, онда метадеректер және басқа да ақпараттар, мысалы, субтитрлер де болуы мүмкін. Аудио және бейне ағындары өзгермелі биттік жылдамдыққа ие болуы мүмкін. Мұндай тасымалдау ағынын және/немесе контейнерді жасауға арналған бағдарламалық жасақтаманы әдетте мультиплексер немесе муксер деп атайды. Ал, ағынның немесе контейнердің құрамындағы компоненттерді бөліп шығарып, жеке өңдеуге қолжетімді ететін бағдарламалық жасақтама демуксер деп аталады.
Цифрлық хабар тарату
Цифрлық теледидар жүйелерінде бірнеше өзгермелі биттік жылдамдығы бар деректер ағындары статистикалық мультиплекстеу арқылы біртұтас биттік жылдамдықты тасымалдау ағынына біріктіріледі. Бұл бірнеше бейне және аудио арналарды бір жиілік арнасы арқылы бір уақытта, түрлі қызметтермен бірге беруге мүмкіндік береді. Бұл бірнеше стандартты сападағы теледидар (SDTV) бағдарламаларын (әсіресе DVB-T, DVB-S2, ISDB және ATSC-C) немесе бір HDTV-ді, мүмкін бір SDTV серіктес арнасымен бірге 6-8 МГц ені бар телеарнаны қамтуы мүмкін. Осыны іске асыратын құрылғы статистикалық мультиплексер деп аталады. Көптеген жүйелерде мультиплекстеу нәтижесінде MPEG тасымалдау ағыны пайда болады. Жаңа DVB стандарттары – DVB-S2 және DVB-T2 бір мультиплексте бірнеше HDTV арналарын тасымалдау қабілетіне ие. Цифрлық радиода мультиплекс (кейде ансамбль деп те аталады) – бір-біріне топтастырылған бірнеше радиостанциялардың жиынтығы. Мултиплекс – аудио және басқа да деректерді қамтитын цифрлық ақпарат ағыны. Теледидар және радио желілерін таситын байланыс спутниктерінде бұл бір тасымалдаушыға бірнеше арна немесе MCPC (Multiple Channel Per Carrier) деп белгіленеді. Мултиплекстеу тиімді болмаған жағдайларда (мысалы, бір транспондерді пайдаланатын әртүрлі көздер болғанда) бір тасымалдаушыға бір арна режимі қолданылады.
Аналогты хабар тарату
FM радио хабарларын таратуда және басқа да аналогты радио орталарында мультиплекстеу – бұл аудио сигналға модуляция жасалатын хабар таратушыға кірмес бұрын, оған қосалқы тасымалдаушыларды қосу процесі. (Шынында, стерео мультиплекс сигналын екі (сол және оң арна) кіріс сигналдарын ультрадыбыстық жылдамдықпен (қосалқы тасымалдаушы) алмастыру арқылы жасауға болады, содан кейін жоғары гармоникаларды сүзіп тастау қажет. Бұл уақыттық бөлістеу мультиплекстеуі болып табылады.) Осы мағынадағы мультиплекстеу кейде MPX деп аталады, бұл 1960-шы жылдардан бері стерео жүйелерде қолданылып келген стереофониялық FM үшін бұрынғы термин.