Методы мультиплексирования и демультиплексирования сигналов
студент 2 - курса РЭТ,
Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина,
Казахстан, г. Астана
Наурыз Каныш Жанабергенкызы
научный руководитель, старший преподаватель
Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина,
Казахстан, г. Астана
научный руководитель, магистр, старший преподаватель
Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина, Казахстан, г. Астана
Прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в «чистом» виде, или «смешанный» поток, который объединяет в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования [1].
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 [2].
Виды физических каналов приведены на рисунке 1 [3].
Рисунок 1 - Виды физических каналов
Демультиплексирования (demultiplexing) - разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков [1].
Задача мультиплексирования (multiplexing) - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи [4].
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, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети [1].
Существует множество способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале, и важнейшим из них является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение физический канал и передает по нему данные. Очень распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне [4].
Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию - разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки [5].
Существует три основных метода мультиплексирования [4]:
- 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.
Виды мультиплексирования приведены на следующих рисунках 2 и 3 [6, 7].
Рисунок 2 – FDM - Frequency Division Multiplexing
Рисунок 3 - ТDM, Time Division Multiplexing (а), WDM, Wavelength Division Multiplexing (б)
Частотное мультиплексирование (FDM) (рисунок 2).
Мультиплексирование с разделением частоты используется в телефонных сетях для организации передачи голосового сигнала, а также может применяться в кабельном телевидении. 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 (таблица 1) [8]:
Таблица 1 - Три стандартизованных уровня иерархии уплотненных абонентских подканалов
Номера уровней | Название группы | Особенности |
1 - ый уровень | Базовая группа | 12 абонентских подканалов в полосе шириной в 48 кГц от 60 кГц до 108 кГц (стандарт наиболее распространенный). |
2 - ой уровень | Супергруппа | 5 базовых групп (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. |
Мультиплексирование с разделением по времени (TDM) (рисунок 3, а).
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. 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 [9].
Мультиплексирование с TDM широко применяются в сетевых технологиях PDH, SDH/SONET, АТМ, Ethernet, PON [8].
Кроме выше перечисленных сетевых технологии, TDM - мультиплексирование применяется и в различных видах радиосвязи.
В последнее время, в использовании метода FDM мультиплексирования появился некий парадокс. Это связано, с одной стороны, что техника уплотнения аналоговых данных стала уступать технике уплотнения цифровых данных по TDM - технологии 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 метод волнового уплотнения светового излучения (WDM). А волна и частота, как известно, – обратно пропорциональные параметры. По сему, частотное мультиплексирование логически «влилось» в волновое мультиплексирование [8]
Волновое мультиплексирование (WDM) (рисунок 3, б).
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. Волновое мультиплексирование (WDM) технология передачи в системе в оптических системах, где различные источники используют разную длину волны. При этом два и более оптических сигналов объединяются и передаются по одному общему оптическому пути. Эта технология позволяет объединение передачи нескольких потоков данных по одному физическому волконно-оптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них. Благодаря этому удалось в 16-160 раз увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно [10].
Путь развития способов мультиплексирования с разделением по длине волны шел по следующей схеме: WDM → DWDM → HDWDM → CWDM (таблица 2) [8].
Таблица 2 - Путь развития способов мультиплексирования с разделением по длине волны
Номера этапов | Особенности |
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. |
Настоящее время мультиплексирования с разделением по длине волны WDM - применяется в магистральных и зоновых сетях, а также для модернизации транспортных сетей ГТС [11].
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 [8].
Список использованных источников
1 Особенности мультиплексирования и демультиплексирования сигналов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www. intuit. ru/studies/courses/1/1/lecture/10?page=2 Дата обращения: 09.12.2017.
2Словари и энциклопедии на Академике. Режим доступа: https://dic. academic. ru/dic. nsf/ruwiki/57631. Дата обращения: 10.12.2017.
3. Передача информации. Каналы связи. Локальные сети. Электронный ресурс: https://multiurok. ru/files/pieriedacha-informatsii-kanaly-sviazi-lokal-nyie-s. html. Дата обращения: 11.12.2017.
4Виктор Олифер, Наталья Олифер. Основы сетей передачи данных. Режим доступа: https://www. intuit. ru/studies/courses/1/1/info. Дата обращения: 11.12.2017.
5, Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2010. — 944 е.: ил.
6Почему в WiMax и LTE используют OFDM. Режим доступа: https://habrahabr. ru/post/129101/?mobile=no. Дата обращения: 12.12.2017.
7Официальный сайт компании «Чэнду Eoptolink». Режим доступа: http://www. /news/1255-tdm-white-paper. html. Дата обращения: 13.12.2017.
8 Методы мультиплексирования и множественный доступ. Электронный ресурс. Режим доступа: https://optikcable. ru/poleznaya-informaciya/metody_multipleksirovaniya_i_mnozhestvennyy_dostup/. Дата обращения: 14.12.2017.
9 Дмитрий Ганьжа. Мультиплексирование. Журнал сетевых решений/LAN. 1997, № 06.
10 Александр Берлин. Высокоскоростные сети связи. Режим доступа: https://www. intuit. ru/studies/courses/2289/589/lecture/12638?page=4. Дата обращения: 14.12.2017.
11 Ещё о технологиях передачи данных по оптике. Волновое мультиплексирование сигналов. Режим доступа: http://www. pvsm. ru/telekomy/10169. Дата обращения: 15.12.2017.
