В телекоммуникациях и компьютерных сетях мультиплексирование (иногда сокращенно называемое мультиплексированием ) — это метод, с помощью которого несколько аналоговых или цифровых сигналов объединяются в один сигнал через общую среду . Цель состоит в том, чтобы совместно использовать дефицитный ресурс — физическую среду передачи . [ требуется ссылка ] Например, в телекоммуникациях несколько телефонных звонков могут передаваться по одному проводу. Мультиплексирование возникло в телеграфии в 1870-х годах и в настоящее время широко применяется в коммуникациях. В телефонии Джорджу Оуэну Сквайеру приписывают разработку мультиплексирования телефонных операторов в 1910 году.
Мультиплексированный сигнал передается по каналу связи, например, по кабелю. Мультиплексирование делит емкость канала связи на несколько логических каналов, по одному для каждого передаваемого сигнала сообщения или потока данных. Обратный процесс, известный как демультиплексирование, извлекает исходные каналы на приемном конце.
Устройство, выполняющее мультиплексирование, называется мультиплексором (MUX), а устройство, выполняющее обратный процесс, называется демультиплексором (DEMUX или DMX).
Обратное мультиплексирование (IMUX) имеет противоположную цель, чем мультиплексирование, а именно разбить один поток данных на несколько потоков, передавать их одновременно по нескольким каналам связи и воссоздавать исходный поток данных.
В вычислительной технике мультиплексирование ввода-вывода может также использоваться для обозначения концепции обработки нескольких событий ввода-вывода из одного цикла событий с использованием системных вызовов, таких как poll [1] и select (Unix) . [2]
Несколько цифровых потоков бит с переменной скоростью передачи данных могут эффективно передаваться по одному каналу с фиксированной полосой пропускания с помощью статистического мультиплексирования . Это асинхронный режим мультиплексирования во временной области, который является формой мультиплексирования с временным разделением.
Цифровые потоки битов могут передаваться по аналоговому каналу с помощью методов кодового мультиплексирования, таких как метод скачкообразной перестройки частоты (FHSS) и метод расширенного спектра с прямой последовательностью (DSSS).
В беспроводной связи мультиплексирование также может осуществляться посредством чередования поляризации ( горизонтальной / вертикальной или по часовой стрелке / против часовой стрелки ) на каждом соседнем канале и спутнике или посредством фазированной многоантенной решетки в сочетании со схемой связи с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).
В проводной связи пространственное мультиплексирование , также известное как множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA), представляет собой использование отдельных электрических проводников точка-точка для каждого передаваемого канала. Примерами служат аналоговый стереоаудиокабель с одной парой проводов для левого канала и другой для правого канала, а также многопарный телефонный кабель , коммутируемая звездообразная сеть , такая как телефонная сеть доступа, коммутируемая сеть Ethernet и ячеистая сеть .
В беспроводной связи пространственное разделение мультиплексирования достигается с помощью нескольких антенных элементов, образующих фазированную антенную решетку . Примерами являются мультиплексирование с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), с одним входом и несколькими выходами (SIMO) и с несколькими входами и одним выходом (MISO). Беспроводной маршрутизатор IEEE 802.11g с k антеннами в принципе позволяет обмениваться данными с k мультиплексированными каналами, каждый с пиковой скоростью передачи данных 54 Мбит/с, тем самым увеличивая общую пиковую скорость передачи данных в k раз . Различные антенны дадут различные сигнатуры многолучевого распространения (эхо), что позволит цифровым методам обработки сигналов разделять различные сигналы друг от друга. Эти методы также могут использоваться для пространственного разнесения (улучшенная устойчивость к замиранию) или формирования луча (улучшенная селективность) вместо мультиплексирования.
Частотное мультиплексирование (FDM) по своей сути является аналоговой технологией. FDM обеспечивает объединение нескольких сигналов в одну среду путем отправки сигналов в нескольких различных частотных диапазонах по одной среде. В FDM сигналы являются электрическими сигналами. Одним из наиболее распространенных приложений FDM является традиционное радио- и телевещание с наземных, мобильных или спутниковых станций или кабельное телевидение. Только один кабель достигает жилой зоны клиента, но поставщик услуг может отправлять несколько телевизионных каналов или сигналов одновременно по этому кабелю всем абонентам без помех. Приемники должны настроиться на соответствующую частоту (канал), чтобы получить доступ к желаемому сигналу. [3]
В оптической связи используется вариант технологии, называемый мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM) .
Временное мультиплексирование (TDM) — это цифровая (или в редких случаях аналоговая) технология, которая использует время вместо пространства или частоты для разделения различных потоков данных. TDM включает в себя упорядочивание групп из нескольких бит или байтов из каждого отдельного входного потока, одного за другим, и таким образом, чтобы их можно было связать с соответствующим приемником. Если это сделать достаточно быстро, приемные устройства не обнаружат, что часть времени цепи была использована для обслуживания другого логического пути связи.
Рассмотрим приложение, требующее четыре терминала в аэропорту для доступа к центральному компьютеру. Каждый терминал общался на скорости 2400 бод , поэтому вместо того, чтобы приобретать четыре отдельных контура для такой низкоскоростной передачи, авиакомпания установила пару мультиплексоров. Также установлены пара модемов на 9600 бод и один выделенный аналоговый контур связи от билетной кассы аэропорта до центра обработки данных авиакомпании. [3] Некоторые веб-прокси-серверы (например, polipo ) используют TDM в HTTP-конвейеризации нескольких HTTP- транзакций на одном и том же TCP/IP-соединении . [4]
Методы множественного доступа с контролем несущей и многоточечной связи похожи на мультиплексирование с временным разделением в том, 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 всего рассматривать как методы доступа к каналу , а не как форму мультиплексирования.
TD — это устаревшая технология мультиплексирования, которая до сих пор является основой большинства национальных сетей фиксированной телефонной связи в Европе, предоставляя голосовые и сигнальные порты 2 Мбит/с на узкополосных телефонных станциях, таких как DMS100. Каждый порт E1 или TDM 2 Мбит/с обеспечивает либо 30, либо 31 речевой временной интервал в случае систем сигнализации CCITT7 и 30 голосовых каналов для систем сигнализации Q931, DASS2, DPNSS, V5 и CASS, подключенных к клиенту. [5]
Поляризационное разделение мультиплексирование использует поляризацию электромагнитного излучения для разделения ортогональных каналов. Это находит практическое применение как в радио-, так и в оптической связи, в частности в волоконно-оптических системах передачи со скоростью 100 Гбит/с на канал .
Дифференциальная кросс-поляризованная беспроводная связь — это новый метод передачи через поляризованную антенну, использующий дифференциальную технику. [6]
Мультиплексирование орбитального углового момента является относительно новой и экспериментальной техникой мультиплексирования нескольких каналов сигналов, передаваемых с использованием электромагнитного излучения по одному пути. [7] Потенциально его можно использовать в дополнение к другим физическим методам мультиплексирования для значительного расширения пропускной способности таких систем. По состоянию на 2012 год [обновлять]он все еще находится на ранней стадии исследований, с небольшими лабораторными демонстрациями пропускной способности до 2,5 Тбит/с по одному световому пути. [8] Это спорная тема в академическом сообществе, многие утверждают, что это не новый метод мультиплексирования, а скорее особый случай мультиплексирования с разделением пространства. [9]
Кодовое разделение каналов (CDM), множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) или расширенный спектр — это класс методов, при которых несколько каналов одновременно используют один и тот же частотный спектр , и эта спектральная полоса пропускания намного выше скорости передачи битов или скорости передачи символов . Одной из форм является скачкообразное изменение частоты, другой — расширенный спектр прямой последовательности. В последнем случае каждый канал передает свои биты в виде кодированной канально-специфической последовательности импульсов, называемых чипами. Количество чипов на бит или чипов на символ является коэффициентом расширения . Эта кодированная передача обычно осуществляется путем передачи уникальной зависящей от времени серии коротких импульсов, которые размещаются в пределах чиповых времен в пределах большего битового времени. Все каналы, каждый с различным кодом, могут передаваться по одному и тому же оптоволоконному или радиоканалу или другой среде и асинхронно демультиплексироваться. Преимущества по сравнению с традиционными методами заключаются в том, что возможна переменная полоса пропускания (как и в статистическом мультиплексировании ), что широкая полоса пропускания допускает плохое отношение сигнал/шум в соответствии с теоремой Шеннона-Хартли и что с многолучевым распространением в беспроводной связи можно бороться с помощью приемников Rake .
Значимым применением CDMA является глобальная система позиционирования (GPS).
Метод мультиплексирования может быть далее расширен до метода множественного доступа или метода доступа к каналу , например, TDM в множественный доступ с временным разделением (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 свою емкость.
Мультиплексирование обеспечивается физическим уровнем модели OSI , в то время как множественный доступ также включает протокол управления доступом к среде , который является частью канального уровня .
Транспортный уровень в модели OSI, как и модель TCP/IP, обеспечивает статистическое мультиплексирование нескольких потоков данных прикладного уровня к/от одного и того же компьютера.
Кодовое мультиплексирование (CDM) — это метод, при котором каждый канал передает свои биты как закодированную последовательность импульсов, специфичную для конкретного канала. Эта кодированная передача обычно осуществляется путем передачи уникальной зависящей от времени серии коротких импульсов, которые помещаются в чиповые времена в пределах большего битового времени. Все каналы, каждый с различным кодом, могут передаваться по одному и тому же волокну и асинхронно демультиплексироваться. Другими широко используемыми методами множественного доступа являются множественный доступ с временным разделением (TDMA) и множественный доступ с частотным разделением (FDMA). Методы кодового мультиплексирования используются в качестве технологии доступа, а именно множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), в стандарте универсальной системы мобильной связи (UMTS) для мобильной связи третьего поколения (3G), определенной МСЭ. [ необходима цитата ]
Самой ранней технологией связи, использующей электрические провода, и, следовательно, разделяющей интерес к экономии, обеспечиваемой мультиплексированием, был электрический телеграф . Ранние эксперименты позволяли двум отдельным сообщениям перемещаться в противоположных направлениях одновременно, сначала используя электрическую батарею на обоих концах, затем только на одном конце.
Эмиль Бодо разработал систему временного мультиплексирования из нескольких машин Хьюза в 1870-х годах. В 1874 году квадруплексный телеграф, разработанный Томасом Эдисоном, передавал два сообщения в каждом направлении одновременно, в общей сложности четыре сообщения передавались по одному и тому же проводу одновременно. Несколько исследователей изучали акустическую телеграфию , метод частотного мультиплексирования , который привел к изобретению телефона .
В телефонии телефонная линия клиента теперь обычно заканчивается в удаленном концентраторе , где она мультиплексируется вместе с другими телефонными линиями для этого района или другой подобной области. Мультиплексированный сигнал затем передается в центральный коммутатор по значительно меньшему количеству проводов и на гораздо большие расстояния , чем линия клиента может фактически пройти. Это также верно и для цифровых абонентских линий (DSL).
Волокно в петле (FITL) — это распространенный метод мультиплексирования, который использует оптоволокно в качестве магистрали . Он не только соединяет телефонные линии POTS с остальной частью PSTN , но и заменяет DSL, подключаясь напрямую к Ethernet, подключенному к дому . Асинхронный режим передачи часто является используемым протоколом связи . [ необходима цитата ]
Кабельное телевидение долгое время транслировало мультиплексированные телевизионные каналы , а в конце 20-го века начало предлагать те же услуги, что и телефонные компании . IPTV также зависит от мультиплексирования.
В системах редактирования и обработки видео мультиплексированием называется процесс чередования звука и видео в один связный поток данных.
В цифровом видео такой транспортный поток обычно является функцией формата контейнера , который может включать метаданные и другую информацию, такую как субтитры . Аудио- и видеопотоки могут иметь переменную скорость передачи данных. Программное обеспечение, которое создает такой транспортный поток и/или контейнер, обычно называется мультиплексором или мультплексором . Демультиплексор — это программное обеспечение, которое извлекает или иным образом делает доступными для раздельной обработки компоненты такого потока или контейнера.
В цифровых телевизионных системах несколько потоков данных с переменной скоростью передачи данных мультиплексируются вместе в транспортный поток с фиксированной скоростью передачи данных с помощью статистического мультиплексирования . Это позволяет передавать несколько видео- и аудиоканалов одновременно по одному и тому же частотному каналу вместе с различными услугами. Это может включать несколько программ телевидения стандартной четкости (SDTV) (в частности, на DVB-T , DVB-S2 , ISDB и ATSC-C) или один HDTV , возможно, с одним сопутствующим каналом SDTV по одному телевизионному каналу шириной от 6 до 8 МГц. Устройство, которое выполняет это, называется статистическим мультиплексором . В некоторых из этих систем мультиплексирование приводит к транспортному потоку MPEG . Более новые стандарты DVB DVB-S2 и DVB-T2 имеют возможность передавать несколько каналов HDTV в одном мультиплексе. [ необходима цитата ]
В цифровом радио мультиплекс (также известный как ансамбль) — это ряд радиостанций, которые сгруппированы вместе. Мультиплекс — это поток цифровой информации, включающий аудио и другие данные. [10]
На спутниках связи , которые несут вещательные телевизионные сети и радиосети , это известно как многоканальный на несущую или MCPC . Там, где мультиплексирование нецелесообразно (например, когда есть разные источники, использующие один транспондер ), используется режим одного канала на несущую . [ необходима цитата ]
В FM-вещании и других аналоговых радиосредствах термин «мультиплексирование» обычно используется для обозначения процесса добавления поднесущих к аудиосигналу до того, как он поступит на передатчик , где происходит модуляция . (На самом деле, стереомультиплексный сигнал может быть сгенерирован с использованием временного мультиплексирования, путем переключения между двумя входными сигналами (левый канал и правый канал) с ультразвуковой скоростью (поднесущая), а затем отфильтровывания высших гармоник.) Мультиплексирование в этом смысле иногда называют MPX , что, в свою очередь, также является старым термином для стереофонического FM, который можно увидеть в стереосистемах с 1960-х годов.
В спектроскопии этот термин используется для обозначения того, что эксперимент проводится со смесью частот одновременно, а затем их соответствующий отклик расшифровывается с использованием принципа преобразования Фурье .
В компьютерном программировании это может означать использование одного ресурса в памяти (например, дескриптора файла) для обработки нескольких внешних ресурсов (например, файлов на диске). [11]
Некоторые методы электрического мультиплексирования не требуют физического устройства « мультиплексора », они относятся к стилю проектирования « клавиатурной матрицы » или « Чарлиплексирования »:
В высокопроизводительном секвенировании ДНК этот термин используется для обозначения того, что были добавлены некоторые искусственные последовательности (часто называемые штрихкодами или индексами ), чтобы связать данные считывания последовательностей с данным образцом и, таким образом, обеспечить возможность секвенирования нескольких образцов в одной и той же реакции.
В социолингвистике мультиплексность используется для описания количества отдельных связей между людьми, которые являются частью социальной сети . Мультиплексная сеть — это сеть, в которой участники разделяют ряд связей, вытекающих из более чем одного социального контекста, например, коллеги по работе, соседи или родственники.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Словарное определение термина «мультиплексирование» в Викисловаре
Медиа, связанные с мультиплексированием на Wikimedia Commons