Введение

Метод объединения нескольких сигналов в один сигнал на общей среде передачи. Мультиплексирование в электронике и обработке сигналов.

В телекоммуникациях и компьютерных сетях мультиплексирование (иногда сокращается до муксирования) – это метод, посредством которого несколько аналоговых или цифровых сигналов объединяются в один сигнал на общей среде передачи. Цель состоит в совместном использовании ограниченного ресурса – физической среды передачи. Например, в телекоммуникациях несколько телефонных вызовов могут передаваться по одному проводу. Мультиплексирование возникло в телеграфии в 1870-х годах и сейчас широко применяется в системах связи. В телефонии Джорджу Оуэну Скьеру приписывают разработку мультиплексирования телефонных каналов в 1910 году. Мультиплексированный сигнал передается по каналу связи, такому как кабель. Мультиплексирование разделяет пропускную способность канала связи на несколько логических каналов, по одному для каждого передаваемого сообщения или потока данных. Обратный процесс, известный как демультиплексирование, извлекает исходные каналы на принимающей стороне. Устройство, выполняющее мультиплексирование, называется мультиплексором (MUX), а устройство, выполняющее обратный процесс, – демультиплексором (DEMUX или DMX). Инверсное мультиплексирование (IMUX) имеет обратную цель по сравнению с мультиплексированием, а именно – разделить один поток данных на несколько потоков, передать их одновременно по нескольким каналам связи и воссоздать исходный поток данных. В вычислительной технике I/O мультиплексирование также может использоваться для обозначения концепции обработки нескольких событий ввода/вывода из одного цикла событий, с использованием системных вызовов, таких как poll и select (Unix).

Типы

Многочисленные цифровые потоки данных с переменной битовой скоростью могут эффективно передаваться по одному каналу с фиксированной полосой пропускания посредством статистического мультиплексирования. Это асинхронный режим мультиплексирования во временной области, являющийся разновидностью мультиплексирования с разделением по времени. Цифровые потоки данных могут передаваться по аналоговому каналу с использованием методов мультиплексирования с кодовым разделением каналов, таких как частотно-скачущая расширенная спектральная модуляция (FHSS) и расширенная спектральная модуляция с прямой последовательностью (DSSS). В беспроводной связи мультиплексирование также может быть реализовано путем чередования поляризации (горизонтальной/вертикальной или по часовой стрелке/против часовой стрелки) на каждом соседнем канале и спутнике, или посредством фазированной антенной решетки в сочетании со схемой многовходной многовыходной связи (MIMO).

Мултиплексирование с разделом пространства

В проводных коммуникациях мультиплексирование с пространственным разделением, также известное как множественный доступ с пространственным разделением (SDMA), предполагает использование отдельных электрических проводников для каждого передаваемого канала. Примеры включают аналоговый стерео аудиокабель, с одной парой проводов для левого канала и другой для правого канала, а также многопарный телефонный кабель, коммутируемую звездную сеть, такую как сеть телефонного доступа, коммутируемую сеть Ethernet и mesh-сеть. В беспроводной связи мультиплексирование с пространственным разделением достигается с помощью нескольких антенных элементов, формирующих фазированную антенную решетку. Примерами являются мультиплексирование с множественным входом и множественным выходом (MIMO), с одиночным входом и множественным выходом (SIMO) и с множественным входом и одиночным выходом (MISO). Беспроводной маршрутизатор IEEE 802.11g с k антеннами теоретически позволяет осуществлять связь по k мультиплексированным каналам, каждый с пиковой скоростью передачи данных 54 Мбит/с, тем самым увеличивая общую пиковую скорость передачи данных в k раз. Различные антенны обеспечивают различные характеристики многолучевого распространения (эхо), что позволяет использовать методы цифровой обработки сигналов для разделения различных сигналов. Эти методы также могут быть использованы для пространственного разнесения (повышенной устойчивости к затуханию) или формирования диаграммы направленности (повышенной селективности) вместо мультиплексирования.

Мультиплексирование с разделением частоты

Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) по своей сути является аналоговой технологией. FDM позволяет объединять несколько сигналов в одну среду передачи, отправляя их в различных, четко определенных диапазонах частот по одному каналу. В FDM сигналы представляют собой электрические сигналы. Одной из наиболее распространенных областей применения FDM является традиционное радио- и телевещание с наземных, мобильных или спутниковых станций, а также кабельное телевидение. К жилому району абонента подводится только один кабель, однако поставщик услуг может одновременно передавать по этому кабелю несколько телевизионных каналов или сигналов всем абонентам, не вызывая взаимных помех. Для приема желаемого сигнала приемники должны быть настроены на соответствующую частоту (канал). В оптических коммуникациях используется аналогичная технология, называемая мультиплексированием по длине волны (WDM).

Мультиплексирование с разделением по времени

Мультиплексирование с разделением по времени (TDM) – это цифровая (или в редких случаях аналоговая) технология, использующая время, а не пространство или частоту, для разделения различных потоков данных. TDM предполагает последовательное объединение групп из нескольких битов или байтов из каждого отдельного входного потока, друг за другом, таким образом, чтобы они могли быть соотнесены с соответствующим приемником. Если это выполняется достаточно быстро, принимающие устройства не обнаружат, что часть времени канала была использована для обслуживания другого логического пути связи. Рассмотрим приложение, требующее подключения четырех терминалов в аэропорту к центральному компьютеру. Каждый терминал обменивался данными со скоростью 2400 бод, поэтому, вместо приобретения четырех отдельных каналов для передачи данных с такой низкой скоростью, авиакомпания установила пару мультиплексоров. Также установлены пара модемов со скоростью 9600 бод и один выделенный аналоговый канал связи от кассы аэропорта в центр обработки данных авиакомпании. Методы множественного доступа с контролем несущей и многоточечной связи схожи с мультиплексированием с разделением по времени тем, что несколько потоков данных разделяются по времени на одной и той же среде, но поскольку сигналы имеют отдельные источники, а не объединяются в один сигнал, их лучше рассматривать как методы доступа к каналу, а не как форму мультиплексирования. TDM – это устаревшая технология мультиплексирования, которая по-прежнему является основой большинства национальных фиксированных телефонных сетей в Европе, обеспечивая порты для голоса и сигнализации со скоростью 2 Мбит/с на узкополосных телефонных станциях, таких как DMS100. Каждый порт E1 или TDM со скоростью 2 Мбит/с предоставляет 30 или 31 временных интервалов для речи в случае сигнальных систем CCITT7 и 30 голосовых каналов для подключенных клиентских сигнальных систем Q931, DASS2, DPNSS, V5 и CASS.

Мультиплексирование поляризацией-разделением

Мультиплексирование с разделением по поляризации использует поляризацию электромагнитного излучения для разделения ортогональных каналов. Оно применяется как в радиосвязи, так и в оптической связи, в частности, в волоконно-оптических системах передачи данных со скоростью 100 Гбит/с на канал. Дифференциальная кроссполяризованная беспроводная связь – это новый метод передачи с использованием поляризованных антенн и дифференциальной схемы.

Мультиплексирование орбитального углового момента

Мультиплексирование с орбитальным угловым моментом – относительно новый и экспериментальный метод мультиплексирования нескольких каналов сигналов, переносимых электромагнитным излучением по одному каналу связи. Он потенциально может использоваться в дополнение к другим физическим методам мультиплексирования для существенного увеличения пропускной способности таких систем. По состоянию на 2012 год технология все еще находилась на ранней стадии исследований, с небольшими лабораторными демонстрациями полосы пропускания до 2,5 Тбит/с по одному световому пути. Эта тема вызывает споры в академическом сообществе, многие считают, что это не новый метод мультиплексирования, а скорее частный случай мультиплексирования с разделением по пространству.

Мультиплексирование с разделением кода

Мультиплексирование с кодовым разделением (CDM), множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) или широкополосная связь – это класс технологий, при которых несколько каналов одновременно используют один и тот же частотный спектр, причем ширина этого спектра значительно превышает скорость передачи битов или символов. Один из видов – частотное переключение, другой – прямое распространение спектра. В последнем случае каждый канал передает свои биты в виде кодированной последовательности импульсов, специфичной для данного канала, называемых чипами. Количество чипов на бит или на символ является коэффициентом разнесения. Такая кодированная передача обычно осуществляется путем передачи уникальной, изменяющейся во времени серии коротких импульсов, которые размещаются в пределах временных интервалов чипов внутри более длительного интервала бита. Все каналы, каждый со своим кодом, могут передаваться по одному и тому же волоконно-оптическому, радиоканалу или другой среде и асинхронно разделяться. Преимущества по сравнению с традиционными методами заключаются в возможности использования переменной полосы пропускания (как и при статистическом мультиплексировании), в том, что большая полоса пропускания позволяет достичь приемлемого отношения сигнал/шум в соответствии с теоремой Шеннона-Хартли, и в возможности борьбы с многолучевым распространением в беспроводной связи с помощью рекеров. Важным применением CDMA является глобальная система позиционирования (GPS).

Метод многократного доступа

Метод мультиплексирования может быть расширен до метода множественного доступа или метода доступа к каналу, например, TDM в множественный доступ с разделением по времени (TDMA) и статистическое мультиплексирование в множественный доступ с контролем несущей (CSMA). Метод множественного доступа позволяет нескольким передатчикам, подключенным к одной и той же физической среде, совместно использовать ее пропускную способность. Мультиплексирование обеспечивается физическим уровнем модели OSI, в то время как множественный доступ также включает в себя протокол управления доступом к среде передачи, который является частью канального уровня. Транспортный уровень в модели OSI, а также в модели TCP/IP обеспечивает статистическое мультиплексирование нескольких потоков данных прикладного уровня к/от одного и того же компьютера. Мультиплексирование с кодовым разделением (CDM) – это техника, при которой каждый канал передает свои биты в виде кодированной последовательности импульсов, специфичной для данного канала. Эта кодированная передача обычно осуществляется путем передачи уникальной зависящей от времени серии коротких импульсов, которые размещаются в пределах длительности чипа в пределах большей длительности бита. Все каналы, каждый с разным кодом, могут передаваться по одному и тому же волокну и асинхронно демультиплексироваться. Другими широко используемыми методами множественного доступа являются множественный доступ с разделением по времени (TDMA) и множественный доступ с разделением по частоте (FDMA). Методы мультиплексирования с кодовым разделением используются в качестве технологии доступа, а именно множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), в стандарте универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS) для мобильной связи третьего поколения (3G), определенной ITU.

Телеграфная служба

Самой ранней технологией связи, использующей электрические провода и, следовательно, проявляющей интерес к экономии, обеспечиваемой мультиплексированием, был электрический телеграф. Ранние эксперименты позволили двум раздельным сообщениям передаваться одновременно в противоположных направлениях, сначала с использованием электрической батареи на обоих концах, а затем только на одном конце. Эмиль Бодо разработал систему временного мультиплексирования, использующую несколько аппаратов Хьюза в 1870-х годах. В 1874 году Томас Эдисон разработал четырехплексный телеграф, который одновременно передавал два сообщения в каждом направлении, то есть всего четыре сообщения по одному проводу. Несколько исследователей изучали акустическую телеграфию – технику частотного мультиплексирования, что привело к изобретению телефона.

Телефония

В телефонии телефонная линия абонента обычно заканчивается на удалённом концентраторе, где она мультиплексируется вместе с другими телефонными линиями для данного района или аналогичной зоны. Мультиплексированный сигнал затем передаётся в центральный коммутатор по значительно меньшему количеству проводов и на гораздо большие расстояния, чем это практически возможно для линии абонента. Это также справедливо и для цифровых абонентских линий (DSL). Оптоволоконная линия (FITL) – распространённый метод мультиплексирования, использующий оптическое волокно в качестве магистрали. Она соединяет не только телефонные линии POTS с остальной частью PSTN, но и заменяет DSL, подключаясь напрямую к проводной сети Ethernet в доме. В качестве протокола связи часто используется режим асинхронной передачи (ATM). Кабельное телевидение давно использует мультиплексированные телевизионные каналы, а в конце XX века начало предлагать те же услуги, что и телефонные компании. IPTV также основано на мультиплексировании.

Обработка видео

В системах редактирования и обработки видео мультиплексирование — это процесс объединения аудио- и видеопотоков в единый согласованный поток данных. В цифровом видео такой транспортный поток обычно является характеристикой контейнерного формата, который может включать метаданные и другую информацию, например, субтитры. Аудио- и видеопотоки могут иметь переменную скорость передачи данных. Программное обеспечение, создающее такой транспортный поток и/или контейнер, обычно называют мультиплексором или муксером. Демультиплексор (демуксер) — это программное обеспечение, которое извлекает или предоставляет компоненты такого потока или контейнера для раздельной обработки.

Цифровое вещание

В цифровых телевизионных системах несколько потоков данных с переменной битовой скоростью мультиплексируются в транспортный поток с фиксированной битовой скоростью посредством статистического мультиплексирования. Это позволяет одновременно передавать несколько видео- и аудиоканалов по одному частотному каналу вместе с различными сервисами. Это могут быть несколько телевизионных программ стандартной четкости (SDTV) (особенно в системах DVB-T, DVB-S2, ISDB и ATSC-C), или один HDTV, возможно, с одним сопровождающим каналом SDTV, в пределах одного телевизионного канала шириной от 6 до 8 МГц. Устройство, выполняющее это, называется статистическим мультиплексором. В ряде этих систем мультиплексирование приводит к формированию MPEG транспортного потока. Новые стандарты DVB, DVB-S2 и DVB-T2, способны передавать несколько каналов HDTV в одном мультиплексе. В цифровом радио мультиплекс (также известный как ансамбль) представляет собой группу радиостанций. Мультиплекс – это поток цифровой информации, включающий аудио и другие данные. На спутниках связи, обеспечивающих вещание телевизионных и радиосетей, это известно как многоканальный канал на несущей (MCPC). В случаях, когда мультиплексирование нецелесообразно (например, при использовании различных источников с одним транспондером), применяется режим одного канала на несущую.

Аналоговое вещание

В FM-вещании и других аналоговых радиоканалах мультиплексирование – это термин, обычно применяемый к процессу добавления субносителей к аудиосигналу перед его подачей в передатчик, где осуществляется модуляция. (На самом деле, стерео мультиплексный сигнал может быть сформирован с использованием временного мультиплексирования, путем переключения между двумя входными сигналами (левый и правый каналы) с ультразвуковой частотой (поднесущая), с последующей фильтрацией высших гармоник.) Мультиплексирование в этом смысле иногда называют MPX, что, в свою очередь, также является устаревшим термином для стереофонического FM, который использовался в стереосистемах начиная с 1960-х годов.