Site Loader

Содержание

схема, из чего состоит, применение

Определение что такое мультиплексор

Мультиплексор представляет собой комбинированное цифровое устройство, обеспечивающее поочередную передачу на один выход нескольких входных сигналов. Он позволяет передавать (коммутировать) сигнал с желаемого входа на выход, в этом случае выбор требующегося входа реализуется определенной комбинацией управляющих сигналов. Число мультиплексных входов принято называть количеством каналов, их может быть от 2 до 16, а число выходов называют разрядами мультиплексора, обычно это 1 — 4.

Мультиплексоры по способу передачи сигналы различают на:

  1. Аналоговые
  2. Цифровые

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Так, аналоговые устройства при помощи непосредственного электрического соединения подключают вход к выходу, в таком случае его сопротивление составляет порядка нескольких единиц – десятков Ом. Их поэтому называют коммутаторами или ключами. Цифровые (дискретные) же устройства не имеют прямой электрической связи входа и выхода, они только копируют на выход сигнал – «0» или «1».

Принцип действия мультиплексора

В общем виде принцип действия мультиплексора можно объяснить на примере коммутатора, обеспечивающего соединение входов с выходом устройства. Работа коммутатора обеспечивается на основе управляющей схемы, в которой существуют адресные и разрешающие входы. Сигналы с адресных входов указывают, какой именно информационный канал соединен с выходом.

Разрешающие входы применяют для увеличения возможностей – увеличения разрядности, синхронизации с протеканием работы прочих механизмов и пр. Для создания управляющей схемы мультиплексора обычно используют дешифратор адреса.

Сфера применения мультиплексора

Мультиплексоры предназначены для использования в качестве универсального логического элемента при реализации любых функций, число которых равных количеству адресных входов.

Их широко используют с целью коммутации отдельных шин, отходящих линий или их групп в энергетике.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В микропроцессорных системах их устанавливают на удаленные объекты для реализации возможности передачи информации по одной линии от нескольких, размещенных на удаленном расстоянии друг от друга датчиков.

Также мультиплексоры в схемотехнике используют в делителях частоты, при создании схем сравнения, счетчиков, генераторов кодов и пр., для трансформации параллельного двоичного кода в последовательный.


Число каналов мультиплексоров, выпускаемых отечественной промышленностью сегодня, обычно насчитывает 4, 6, 10 и 16. Для построения схем, имеющих большее число входов, используют так называемую схему каскадного дерева, которая позволяет создавать устройства с произвольным числом входных линий на основе серийно выпускаемых мультиплексоров.

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.

Схема применения оптического мультиплексора

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.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу. Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи ключей:

Рисунок 1. Коммутатор (мультиплексор), собранный на ключах.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Рассмотрим таблицу истинности логического элемента «И-НЕ»:

Теперь один из входов элемента будем рассматривать как информационный вход электронного ключа, а другой вход — как управляющий. По таблице истинности отчетливо видно, что пока на управляющий вход Y подан логический уровень ‘0’ сигнал со входа X на выход Out не проходит. При подаче на управляющий вход Y логической ‘1’, сигнал, поступающий на вход X, поступает на выход Out. То есть логический элемент «И» можно использовать в качестве электронного ключа. При этом не важно какой из входов элемента «И» будет использоваться в качестве управляющего входа, а какой — в качестве информационного. ОстаЈтся только объединить выходы элеметов «И» на один выход. Это делается при помощи элемента «ИЛИ». Такая схема коммутатора приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема мультиплексора, выполненая на логических элементах.

В этой схеме можно одновременно включать несколько входов на один выход. Однако обычно это приводит к непредсказуемым последствиям. Кроме того, для управления требуется много входов, поэтому в состав мультиплексора включают дешифратор. Это позволяет управлять переключением входов микросхемы на выход при помощи двоичных кодов:

 

Рисунок 2. Принципиальная схема мультиплексора, управляемого двоичным кодом.

Мультиплексор изображается на принципиальных схемах как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Обозначение мультиплексора на принципиальных схемах.

Задача передачи сигнала с одного входа микросхемы на один из нескольких выходов называется демультиплексированием. Демультиплексор можно построить на основе точно таких же схем логического “И” существенным  отличием от мультиплексора является возможность объединения нескольких входов в один без дополнительных схем. Для выбора конкретного выхода демультиплексора, как и в мультиплексоре, используется двоичный дешифратор. Cхема демультиплексора приведена на следующем рисунке:

Рисунок 4. Принципиальная схема демультиплексора, управляемого двоичным кодом.


[Назад] [Содержание] [Вперёд]

Что такое мультиплексор и демультиплексор

22.12.2020

Что такое оптические мультиплексоры (MUX) и демультиплексоры (DEMUX)?

Мультиплексоры и демультиплексоры – это оптические устройства, выполняющие функции объединения и коммутации нескольких информационных каналов в сетях и волоконно-оптических трактах. На входные порты мультиплексора поступают потоки данных, которые объединяются в общий трафик и передаются через выходной порт по оптоволоконной линии связи. На приемной стороне происходит обратный процесс, позволяющий выделить исходные сигналы и отправить их по назначению.

На сегодняшний день используются две категории мультиплексоров и демультиплексоров:

  • активного типа – оборудование потребляет электроэнергию для своего функционирования. Область применения – цифровые системы PDH и SDH;
  • пассивного типа – оборудование не нуждается во внешнем источнике электропитания. Мультиплексирование/демультиплексирование сигналов осуществляется при помощи специальных фильтров. Сфера использования – системы спектрального уплотнения WDM.

Рисунок 1 — Внешний вид оптического мультиплексора

Пассивные WDM мультиплексоры


Оптоволоконные WDM мультиплексоры/демультиплексоры представляют собой пассивные, протоколонезависимые устройства, объединяющие/разделяющие несколько сигналов, поступающих на их входы в оптическом формате. Уплотнение каналов реализуется специальными методами за счет передачи каждого канала на определенной длине волны. Суммарный информационный поток передается по одному или двум волокнам.

Отличия мультиплексоров и демультиплексоров WDM

Мультиплексоры WDM выполняют объединение каналов с различными длинами волн и передают групповой трафик на приемную сторону. Демультиплексоры производят обратные действия с выделением отдельных частотных каналов. Конструкция оборудования, изготовленного на основе пассивных фильтров, полностью идентична, а входы/выходы работают в прямом и обратном направлении.

Единственное отличие существует в мультиплексном оборудовании CWDM, отличающемся реализацией функций мультиплексирования/демультиплексирования посредством каскада последовательно соединенных одноканальных фильтров. В мультиплексоре фильтры выстраиваются по принципу возрастания длины волны, а в демультиплексоре – по принципу убывания с целью выравнивания затухания в каждом канале.

Рисунок 2 — Каскад CWDM фильтра

Выгода применения WDM мультиплексоров/демультиплексоров

В обычных системах передачи цифрового трафика по оптоволокну, таких как SDH, существует возможность передачи только одного канала данных по паре оптических волокон. Установка мультиплексоров/демультиплексоров позволяет организовать передачу до 96 каналов по тем же двум волокнам. Огромный прирост производительности способствует популярности этого оборудования у операторов связи, интернет-провайдеров, владельцев мультисервисных сетей.

Применение систем WDM-мультиплексирования исключает необходимость постоянного наращивания емкости волоконно-оптических кабелей и затрат на их приобретение и прокладку. Преимущества решения особенно ярко проявляются на протяженных ВОЛС, проложенных в малодоступной местности. При росте объема передаваемого трафика достаточно установить WDM-мультиплексоры, чтобы увеличить пропускную способность в десятки раз.

Виды WDM мультиплексоров

Выпускается несколько видов WDM мультиплексоров, отличающихся количеством уплотняемых каналов и частотной сеткой:
  • CWDM – система грубого спектрального уплотнения, позволяющая объединять до 18-ти отдельных каналов на длинах волн от 1270 нм до 1610 нм. Шаг частотной сетки составляет 20 нанометров, давая возможность применять недорогие лазерные передатчики с более широким спектром излучения. Таким образом, этот вариант более экономичен по сравнению с другими WDM-системами.

Рисунок 3 — Схема CWDM структуры

Мультиплексоры CWDM объединяют и разделяют сигналы на несущих длинах волн благодаря использованию тонкопленочного фильтра на каждом канале передачи/приема. Фильтры соединяются последовательно, формируя целую цепочку устройств по числу организуемых каналов. В состав тонкопленочного фильтра входят четыре компонента: непосредственно оптический фильтр, фокусирующие С/G-линзы, корпус в виде пластикового бокса.
  • DWDM – система с более плотным спектральным уплотнением, реализуемым за счет сокращения межканального интервала до 0,5 – 0,8 нм и применения лазеров с узким спектром излучения. Производители оборудования используют два диапазона длин волн: C – от 1530 до 1625 нм и L – от 1568 до 1610 нм. Применение С-диапазона позволяет применять эрбиевые (EDFA) и рамановские усилители, увеличивающие дальность работы по ВОЛС. DWDM-оборудование работает по одной из частотных сеток: 100 ГГц с межканальным расстоянием 0,8 нм и 48-ю мультиплексируемыми каналами, 50 ГГц с интервалом между каналами 0,4 нм, обеспечивающим мультиплексирование 96 каналов. Единственным недостатком этого решения является более высокая стоимость.

Рисунок 4 — Схема DWDM структуры

DWDM-мультиплексоры производятся на базе фильтров AWG, представляющих собой массив волноводов из диоксида кремния. В состав фильтра входят несколько функциональных элементов, обеспечивающих передачу и прием оптических сигналов по оптоволокну: 

  • С-линза – выполняет функцию фокусирования световых лучей из массива волноводов в оптическое волокно на передаче и из оптического волокна в массив волноводов на приеме;
  • массив волноводов – кристалл с отдельными дорожками, соответствующими длинам волн;
  • фокусирующая пластина – предназназначена для стыковки волноводных дорожек и оптических волокон в соответствии с длинами волн.

Дорожки волноводов размещаются в определенных местах вдоль плоскости кристалла, позволяя осуществить пространственное разделение каналов.

Как происходит мультиплексирование? 

Рассмотрим процесс мультиплексирования нескольких каналов с разной длиной волны. Оптические сигналы поступают на фокусирующую пластину, на которой происходит их фокусировка и интерференция. На выходе образуется мультиплексный сигнал, распространяющийся одновременно по всем дорожкам массива волноводов. С-линза фокусирует этот сигнал в оптическое волокно для последующей передачи по волоконно-оптической линии связи. На приемной стороне выполняется обратный процесс демультиплексирования.

Световое излучение на всех длинах волн проходит одинаковый путь по массиву волноводов. Поэтому, вносимое затухание для мультиплексоров AWG на любой длине волны одинаково и составляет 5 – 7 дБ.


Рисунок 5 — Мультиплексирование и демультиплексирование длин волн

Почему стоит выбрать нас?

АО «Компонент» предлагает качественные и надежные CWDM мультиплексоры/демультиплексоры и DWDM мультиплексоры/демультиплексоры. Мы также изготавливаем готовые решения в корпусах 19″:

Рисунок 6 — Оптический мультиплексор/демультиплексор в корпусе 19″ производства АО «Компонент»

Обращайтесь к нам при необходимости срочного повышения производительности оптоволоконной сети или магистральной ВОЛС любого масштаба и протяженности. Наши менеджеры помогут выбрать оборудование, полностью соответствующее специфике проекта и особенностям топологии сети.

Глава№1 – CWDM для «чайников»

Глава№1 – CWDM для «чайников»

1.То, что CWDM это грубое оптическое уплотнение, пожалуй знают все.
2. Модули CWDM, как правило, всегда ДВУХВОЛОКОННЫЕ
3. Грубым этот способ оптического уплотнения назван потому, что расстояние между каналами составляет 20nm, в отличие от DWDM где «расстояние» между каналами составляет 0,8nm.
4. У CWDM есть основной диапазон 1310-1610 и к нему недавно были добавлены 1270 и 1290,
то есть полный список длин волн CWDM — 1270,1290,1310, 1330, 1350, 1370, 1390,1410, 1430, 1450, 1470, 1490, 1510,1530, 1550, 1570, 1590,1610 всего 18 волн, или лямбд.
5. Лямбда — от имени греческой буквы, которая обозначает длину волны в физике. Лямбда = длина волны.
6. Для работы модуля CWDM нужно 2 длины волны, две лямбды.
7. У модуля CWDM передатчик (лазер) четко «заточен» на длину волны передачи, а приемник — широкополосный, то есть, приемник может принимать любую длину волны, которую вы в него включите.
8. Из вышесказанного следует то, что любой CWDM модуль будет работать с любым другим модулем, в независимости от длины волны. (часто cwdm модули могут быть использованы вместо обычных двухволоконок, притом любой с любым образуют пару)
9. Разная длина волны — проще свет разного цвета, по аналогии, желтый, красный, зеленый и т.д.
9. Мультиплексоры — это устройства, которое объединяет множество световых потоков разного цвета в одно или два волокна, и наоборот — разбирает многоцветный световой поток на отдельные лямбды.

10. Есть два подхода — одноволоконный и двухволоконный.
а) В двухволоконной схеме для передачи используется 2 волокна, одно на передачу, другое на прием. На передающей стороне стоит устройство MUX, на принимающей стороне стоит устройство DEMUX. Все потоки передачи включаются в MUX, объединяются, а с другой стороны, в DEMUX разбираются по длине волны и включаются в приемники модулей. В обратную сторону работает другая пара MUX-DEMUX. В каждой паре может быть использован полный набор из 18 длин волн. Устройство Mux и Demux с каждой стороны исполняется в одном корпусе. Недостаток — необходимость наличия 2х волокон для такой системы. (Данная система считается устаревшей и редко используется)
б) В одноволоконной схеме для передачи используется только одно волокно, у мультиплексора может быть не более 18 лямбд. Это позволяет включить не более 9 эзернет каналов. Каждая лямда используется либо на прием, либо на передачу. Если в точке А, эта длина волны используется на передачу, то в точке B она будет использоваться на прием.
Именно одноволоконная схема используется повсеместно, именно о ней мы будем дальше говорить.

11. В одноволоконной схеме, которую мы будем дальше обсуждать, количество оптических каналов в мультиплексоре в два раза больше, чем количество эзернет каналов, (каналов модуль-модуль)Почему? (см. п.2 и п.6)Именно поэтому важно различать оптические и эзернет каналы.
12. Для мультиплексора безразлично, на какой скорости вы осуществляете передачу, 1G или 10G. Мультиплексор пассивное устройство, в соседних портах могут работать устройства разной скорости.

13. Мультиплексор имеет разъемы LC/UPC для подключения к модулям (потому что практически у всех модулей CWDM разъемы LC),
и разъем для подключения в линию например SC/UPC или SC/APC, или любой другой. Мультиплексор можно «упаковать» в патчпанель,
тогда разъемы такого мультиплексора могут быть любыми — FC, LC, SC и т д. Некоторые «хвостики», включая разъем линии, могут иметь APC
полировку, быть зеленого цвета, это делается для снижения отраженного сигнала, как правило, при мултиплексировании в составе систем
CWDM каналов телевидения или DWDM.

14. И для телевидения, и для DWDM используются EDFA усилители, работающие в одном и том же диапазоне 1528nm-1577nm, так называемый диапазон
С-band. Поэтому для пропускания этого потока необходимо сразу 3 канала CWDM — 1530, 1550, 1570.

16. Модули CWDM  бывают любого типа — и1G, и 4, и 8, и 10G, всех видов разъемов, SFP, GBIC, XFP, SFP+, X2, XENPAK
То, что модули CWDM безумно дороги — миф, на данный момент цена на обычные модули и на модули CWDM одинаковая,
разница только в том, что модули на 3 и 20 км CWDM не производятся. Почему? (читай п. 17)

17. Работа оптических систем основана на понятии оптического бюджета, то есть разницы между оптической мощностью лазера передатчика
и оптической чувствительностью приемника, выраженной в децибелах. Для 20км модулей это порядка — 9-11dB, для 40км модулей — 14-19dB,
для 80км — 24-26dB, 120km — 32dB, 150km -36dB. В волокне затухание весьма маленькое — от 0,2db/km (на длине волны 1550) до 0,35db/km (на длине волны 1310)
Но на мультиплексорах затухание весьма ощутимо, оно может достигать 5-6dB на некоторых длинах волн, а если учесть, что мультика то два,
при некоторый неблагоприятных обстоятельствах, затухание 2х мультиплексоров может полностью «съесть» бюджет модулей 20км. Что уж говорить про модули
еще меньшей дальности. Именно поэтому модули 20км на 1G вообще НЕ ПРОИЗВОДЯТСЯ, а на 10G начали недавно появляться по причине того,
что в области мультиплексоростроения были достигнуты огромные успехи. Но об этом дальше.(читай п.)

18. На передачу данных,в том числе и CWDM, есть некоторые физические ограничения, которые накладывают отпечаток на номенклатуру модулей. Об этом подробнее
а) Дальность работы модулей на 1G достигает 150km, то есть существуют модули 1G CWDM на 40,80,120 и 150km
б) Дальность работы модулей 10G ограничивается хроматической дисперсией и НЕ МОЖЕТ ПРЕВЫШАТЬ 80км. Поэтому модули 10G (SFP+, XFP, X2 и XENPAK)
существуют на 20, 40 и 80 км.
в) У волокна 652A и 652B существует водяной пик (см. рисунок, зеленый график), поэтому
модулей 10G в диапазоне 1350-1450 не существует, этот диапазон для 10G признается нестабильным.
г) Затухание в направлении от 1270 до 1550 падает от 0,4dB/km до 0,2dB/km, а потом немного растет,
поэтому модули 1G на диапазоне 1270-1450 достигают только 120км, модулей 1270-1450 1G 150km НЕ СУЩЕСТВУЕТ.

Итак обобщим.
SFP 1G 40km…150km — 1470-1610
SFP 1G 40km…120km — 1270-1610
SFP+, XFP, X2, XENPAK 20km…40km…80km -1270-1330 и 1470-1610

Вывод: На скорости 10G можно пропустить по одному волокну максимум 6 езернет каналов (12лямбд) на расстояние от 20 до 80км, на скорости 1G можно пропустить 4 езернет канала на расстояние 150км, или 9 езернет каналов на расстояние 120км.

В заключение Главы №1 немного справочных материалов:
Таблица затуханий на разных длинах волн.
Эта таблица была рассчитана на базе опубликованного графика (см. рисунок),
а потом подтверждена практическими измерениями на базе лабораторных катушек.
У нас на предприятии есть катушки 42km, 20km, 10km, 6km, 3km.

 

Технология DWDM

Плотное спектральное уплотнение DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing) — это современная технология передачи большого числа оптических каналов по одному волокну, которая лежит в основе нового поколения сетевых технологий. В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосо-ориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet-технологий и разнообразных сетевых приложений. С крупномасштабным развертыванием сетей передачи данных происходит модификация самой архитектуры сетей. Именно поэтому требуются фундаментальные изменения в принципах проектирования, контроля и управления сетями. В основе нового поколения сетевых технологий лежат многоволновые оптические сети, базирующиеся на плотном волновом мультиплексировании DWDM.

Описание технологии

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц (нм), (Табл. 1). В тоже время большие дебаты продолжаются вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц (нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

Сетка 100 ГГц

В рисунке 1 перечислены каналы DWDM в частотной сетке 100 ГГц, согласно рекомендациям ITU-T G.694.1. Все сетки, кроме одной — 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание.

Рисунок 1. Частотная сетка каналов DWDM 100 ГГц

Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов:

  1. Тип используемых оптических усилителей (кремниевый или фтор-цирконатный)
  2. Скорость передачи на канал — 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64)
  3. Влияние нелинейных эффектов

Следует отметить, что все эти факторы тесно взаимосвязаны между собой.

Стандартные EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток — большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает. Так для канала STM-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

Сетка 50 ГГц

Рисунок.2 Распределение каналов DWDM 50 Ггц и 100 ГГц

Более плотный, пока нестандартизированный частотный план сетки с интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Наряду с этим преимуществом у данной сетки есть свои минусы.

Во-первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии (линии на основе только оптических усилителей).

Во-вторых, малое межканальное расстояние ~0,4 нм может ограничить возможность мультиплексирования каналов STM-64. Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 c интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только в случае, если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает.

В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

Мультиплексоры DWDM

В отличии от более традиционных WDM, мультиплексоры DWDM имеют две особенности:

  1. Использование только одного окна прозрачности 1550 нм в пределах области С-band 1530-1560 нм и L-band 1570-1600 нм
  2. Малые расстояние между мультиплексными каналами — 0,8 нм или 0,4 нм

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов — до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускается использование других устройств, не имеющих аналогов в системах WDM и работающих в режиме добавления/вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, то говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению c WDM-мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM-устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM-устройств по сравнению WDM.

Рисунок 3. Схема построения DWDM-мультиплексора

На рисунке 3(а) представлена типовая схема DWDM-мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (Arrayed Waveguide Grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция — образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов и длины волноводов структуры AWG, рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

На рисунке 3(б) представлен другой способ построения мультиплексора, который базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин. Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

Транспондеры и трансиверы

Для передачи данных на длине волны из сетки DWDM можно использовать два типа устройств — трансиверы и транспондеры DWDM. Трансиверы DWDM обладают различными форм-факторами и могут использоваться в пассивных решениях DWDM.

Рисунок 4. Схема транспондера

В отличии от трансиверов, транспондеры позволяют преобразовать длину волны излучения оконечного устройства в длину волны DWDM для передачи в мультиплексор. На входы оптического мультиплексора поступают оптические сигналы, параметры которых соответствуют стандартам, определенным рекомендациями G.692. Транспондер может иметь разное количество оптических входов и выходов, но, если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Применение оптических усилителей

Развитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала, (Рис. 5а). Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимально допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал. Далее регенераторы усиливают этот сигнал в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов. После преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора.

Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

Рисунок 5. Схема решений с использованием оптических усилителей

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления, (Рис.5б). В отличии от регенераторов, такое «прозрачное» усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приёмник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

В отличии от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому наряду с коэффициентом усиления одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

Применение устройств ROADM

Использование перенастраиваемого оптического мультиплексора ввода/вывода (ROADM) дает возможность гибкого развертывания и удаленного конфигурирования спектральных каналов.

Рисунок 6. Типовая схема использования ROADM в системах DWDM

На любом узле сети ROADM возможно переключение состояния спектрального канала на ввод/вывод и сквозную передачу без прерывания действующих услуг. При работе с перестраиваемым лазером ROADM обеспечивает гибкое управление спектральными каналами. ROADM позволяют строить сети с несколькими кольцами или смешанные сети на основе технологии селекторного переключения спектральных каналов (WSS). 

Построение сетей DWDM

Городские DWDM-сети, как правило, строят с использованием кольцевой архитектуры, что позволяет применять механизмы защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не более 50 мс. Возможно построение сетевой инфраструктуры на оборудовании нескольких производителей с дополнительным уровнем распределения на базе оборудования Metro DWDM. Этот уровень вводится для организации обмена трафиком между сетями с оборудованием разных фирм.

Рисунок 7. Система уплотнения DWDM с усилением сигнала

В технологии DWDM минимальная дискретность сигнала — это оптический канал или длина волны. Использование целых длин волн с емкостью канала 2,5 или 10 Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдано для построения больших транспортных сетей. Но транспондеры-мультиплексоры позволяют организовать обмен трафиком между подсетями на уровне сигналов STM-4/STM-1/GE. Уровень распределения можно строить и на базе SDH-технологии. Но DWDM имеет большое преимущество, связанное с прозрачностью каналов управления и служебных каналов (например, служебной связи). При упаковке SDH/ATM/IP-сигналов в оптический канал структура и содержимое пакетов не изменяются. Системы DWDM проводят только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Поэтому соединение подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно рассматривать как соединение парой оптических кабелей.

При использовании оборудования разных производителей, две подсети передачи данных одного производителя соединяют через DWDM-сеть другого производителя. Система управления, подсоединенная физически к одной подсети, может управлять и работой другой подсети. Если бы на уровне распределения использовалось SDH-оборудование, то это было бы невозможно. Таким образом, на базе DWDM сетей можно объединять сети разных производителей для передачи разнородного трафика.

CWDM — спектральное уплотнение оптических каналов / Хабр

Вступление

Я работаю в малой, по меркам нашего города, Интернет-компании. В последние 5 лет наша оптическая сеть разрасталась семимильными шагами. Изначально топология сети была выбрана неверно, а именно шинная топология. В следствии чего, если на промежуточном узле связи случался сбой (длительное отключение электроэнергии, зависание оборудования и т.д.), то он влиял на все узлы связи, расположенные дальше. Очевидным решением данной проблемы было, перестроить сеть в соответствии с топологией логическая звезда. Для этого требовалось подключить каждый узел связи отдельным волокном. Но тут всплыла другая проблема, количество свободных волокон было катастрофически мало. Прокладка новых ВОЛС от основных узлов связи финансово затратно. Выходом из сложившейся ситуации стало внедрение CWDM.

CWDM

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — мультиплексирование с разреженным спектральным разделением. Другими словами, это технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах. Сетка длин волн CWDM заключается в диапазоне от 1271 нм до 1611 нм с шагом в 20 нм.
Принцип работы CWDM прост. Каждый приемопередающий модуль генерирует сигнал на определенной частоте. Перед тем, как попасть в оптическое волокно, сигнал с модулей объединяется мультиплексором и передается в волокно. На приемном конце, сигнал разделяется демультиплексором. Для того, чтобы оптическая сеть из топологии шина, преобразовалась в топологию звезда, демультиплексор должен не только принимать сигнал на заданной длине, а также дальше пропускать сигнал не изменяя его. Для этого мы использовали OADM.
OADM

OADM (Optical Add Drop Multiplexor) — это мультиплексор оптического ввода-вывода CWDM системы, который извлекает из оптической линии сигнал на заданной длине волны, а все остальное излучение пропускает без изменений.
OADM модуль имеет четыре интерфейса:
Com – получает сигнал со стороны мультиплексора
Express – пропускает сигнал дальше
Add – входящая линия на определенной длине волны
Drop – исходящая линия на определенной длине волны
SFP

Трансиверы SFP (Small Form Factor Pluggable) — промышленный стандарт модульных компактных приемопередатчиков, используемых для передачи данных. Каждый SFP CWDM трансивер работает по двум волокнам, на двух разных длинах волн – приемник на одной длине волны и передатчик по другой.
Практическая реализация

На практике мы использовали мультиплексор (MUX) с 8 каналами, приемопередающие трансиверы SFP, и OADM модули. Используемые длины волн представлены в таблице.

Ниже представлена реализованная схема.
Заключение

Проблемы

При внедрении CWDM мы столкнулись с некоторыми проблемами. На каждом узле связи оптические кроссы оконечены SC разъемами. У SFP-модулей разъемы LC. При заказе OADM модулей, была сделана ошибка, OADM модули были заказаны с LC разъемами. При внедрении CWDM приходилось использовать кучу патчкордов, LC и SC розеток, которые давали неслабые затухания в оптическую линию связи, в следствии чего, SFP-модули на отдаленных узлах отказывались работать. Плюс OADM модули вносят затухание от 0,8 до 1,2 дБ. Решением было, отказ от переходных патчкородов, и розеток. Оптические кроссы были переварены на LC разъемы.
Преимущества

  • Система CWDM независима от питания. Питание необходимо только для активного оборудования. Что в нашем случае мы и хотели добиться. При падении узла связи остальные узлы работают
  • Увеличение объема передаваемого трафика до 8 раз на одно волокно
  • Возможность монтажа OADM-модулей в различных местах (в кроссах, муфтах и т.д.)
  • Внедрение системы CWDM дешевле прокладки новых оптических линий на длинные расстояния

Знакомство с принципами работы

Допустим, вы отправляете электронное письмо со своего компьютера другу в другой город. Ваша электронная почта покидает ваш дом и присоединяется к другим сообщениям, передаваемым в вашем районе. Сообщения из вашего района попадают в более крупную линию передачи и объединяются с другими сообщениями из вашего города. В конце концов, ваша электронная почта будет отправлена ​​в правильное место назначения в правильном городе.

Как все эти сообщения объединяются и передаются без путаницы? Это делается с помощью метода, называемого мультиплексированием.В телекоммуникационных приложениях используются несколько различных типов мультиплексирования. Давайте рассмотрим основы работы мультиплексирования и различные используемые типы мультиплексирования. (Чтобы узнать о физической инфраструктуре электросвязи, см. «Подъем на телекоммуникационную башню — как технологии меняют будущее самой опасной работы Америки».) единственная среда, например телефонная линия.Входные сигналы могут быть аналоговыми или цифровыми. Цель мультиплексирования — обеспечить более эффективную передачу сигналов по заданному каналу связи, тем самым снижая стоимость передачи.

Устройство, называемое мультиплексором (часто сокращенно «мультиплексор»), объединяет входные сигналы в один сигнал. Когда мультиплексированный сигнал необходимо разделить на составляющие его сигналы (например, когда ваша электронная почта должна быть доставлена ​​по назначению), используется устройство, называемое демультиплексором (или «демультиплексором»).

Мультиплексирование было первоначально разработано в 1800-х годах для телеграфии. Сегодня мультиплексирование широко используется во многих телекоммуникационных приложениях, включая телефонию, интернет-связь, цифровое вещание и беспроводную телефонию.

Мультиплексирование с временным разделением

При мультиплексировании с временным разделением (TDM) каждому входному сигналу (или потоку данных) назначается временной интервал фиксированной длины на канале связи. Каждый отправитель передает блок данных в течение назначенного ему временного интервала.

Например, предположим, что входные потоки от трех передающих устройств мультиплексируются в один сигнал для передачи по одному физическому каналу. Устройство 1 передает блок данных в течение временного интервала 1, устройство 2 передает блок данных в течение временного интервала 2, а устройство 3 передает блок данных в течение временного интервала 3. После того, как устройство 3 передает, цикл начинается снова с каждым устройством передачи. в свою очередь, в назначенный ему временной интервал.

Недостатком стандартного TDM является то, что каждое передающее устройство имеет зарезервированный временной интервал в каждом цикле, независимо от того, готово ли оно к передаче.Это может привести к пустым слотам и недоиспользованию мультиплексированного канала связи.

Статистический TDM (STDM) представляет собой усовершенствование по сравнению со стандартным TDM. В STDM, если отправитель не готов к передаче в цикле, следующий готовый отправитель может передавать. Это уменьшает количество неиспользуемых слотов и увеличивает использование канала связи. Блоки данных STDM известны как пакеты и должны содержать информацию заголовка для идентификации получателя.

Приложения, использующие TDM, включают услуги междугородной телефонной связи по проводной линии T-1 и стандарт глобальной системы мобильной связи (GSM) для сотовых телефонов.STDM используется в сетях с коммутацией пакетов для LAN и интернет-коммуникаций.

Мультиплексирование с частотным разделением

При мультиплексировании с частотным разделением (FDM) каждому сигналу назначается собственный частотный диапазон (или канал) в большей полосе частот. Частотные диапазоны каналов не могут перекрываться. Полосы частот часто разделяются неиспользуемым блоком частотного спектра для уменьшения помех.

FDM используется в основном для аналоговой передачи. Его можно использовать как в проводной, так и в беспроводной среде.

Примером приложения, использующего FDM, является FM-радио. FM — это полоса частот от 88 МГц до 108 МГц в более широком радиочастотном спектре. Каждая радиостанция передает на частоте, присвоенной ее каналу (например, 95,7 МГц, 98,3 МГц и т. Д.).

Еще одно приложение, использующее FDM, — кабельное телевидение. Кабель телевизионной передачи передает все доступные каналы на назначенных им частотах. Когда вы выбираете кабельный канал с помощью пульта ДУ, приставка обрабатывает сигнал на частоте, назначенной этому каналу.

Мультиплексирование с кодовым разделением каналов

При мультиплексировании с кодовым разделением каналов (CDM) сигналы от нескольких отправителей передаются в назначенной полосе частот. CDM использует принцип, известный как расширение спектра, при котором передаваемые сигналы распределяются по всем частотным каналам в назначенной полосе.

Проще говоря, каждый сигнал в системе CDM мультиплексируется с помощью кода расширения, назначаемого отправителю. Эта модуляция кода расширения увеличивает полосу пропускания, необходимую для сигнала.Приемник знает код расширения и использует его для демультиплексирования сигнала.

Хотя он увеличивает полосу пропускания, необходимую для передачи, CDM имеет то преимущество, что он более безопасен, чем другие типы мультиплексирования. При передаче CDM сигнал отдельного пользователя смешивается с сигналами других пользователей в полосе частот. Без кода расширения, необходимого для демультиплексирования отдельного сигнала, передачи CDM кажутся приемному устройству просто шумом.

CDM используется в сотовых телефонных системах.

Всего один уровень OSI

Как видите, передача электронной почты с ПК или изображения с телефона — дело сложное. Мы лишь прикоснулись к сложностям мультиплексирования; существуют и другие типы мультиплексирования, и существует множество вариантов тех, которые мы обсуждали. А мультиплексирование — это только одна задача на одном уровне модели взаимодействия открытых систем (OSI), которая описывает архитектуру для обеспечения обмена данными между системами.(Получите некоторую справочную информацию в разделе Введение в модель OSI.)

Что такое мультиплексор, как он работает и схема мультиплексора

Термин «мультиплексор », который также обычно называют « MUX » или « MPX », относится к выбору одного выхода из множества доступных входов. Профессор Шанкар Балачандран (IIT-M) объясняет мультиплексирование как метод передачи большого количества единиц информации по небольшому количеству каналов или линий, а цифровой мультиплексор — это комбинационная логическая схема, которая выбирает двоичную информацию из одного из множества входов. строк и направляет его на одну строку вывода.

В этой статье мы узнаем , как работают эти мультиплексоры, как разработать их для нашего проекта, а также опробуем практический пример на макете , чтобы проверить работу оборудования.

Основы мультиплексоров:

Лучший способ понять мультиплексоры — посмотреть на однополюсный многопозиционный, как показано ниже. Здесь коммутатор имеет несколько входов D0, D1, D2 и D3, но имеет только один вывод выхода (Out). Ручка управления используется для выбора одного из четырех доступных данных, и эти данные будут отражены на стороне вывода.Таким образом, пользователь может выбрать требуемый сигнал среди множества доступных сигналов.

Это простой пример механического мультиплексора. Но в электронной схеме, которая включает в себя высокоскоростное переключение и передачу данных, мы должны иметь возможность очень быстро выбирать требуемый вход с помощью цифровых схем. Управляющие сигналы (S1 и S0) делают то же самое, они выбирают один вход из множества доступных на основе подаваемого им сигнала. Таким образом, тремя основными и минимальными терминами на любом мультиплексоре будут входные входные контакты, выходные контакты и управляющий сигнал

.

Входные контакты: Это доступные сигнальные контакты, из которых необходимо выбрать один.Эти сигналы могут быть цифровыми или аналоговыми.

Выходной контакт: У мультиплексора всегда будет только один выходной контакт. Сигнал выбранного входного контакта будет обеспечиваться выходным контактом.

Штырь управления / выбора: Штырьки управления используются для выбора входного сигнала штифта. Количество контактов управления на мультиплексоре зависит от количества входных контактов. Например, мультиплексор с 4 входами будет иметь 2 сигнальных контакта.

Для понимания рассмотрим мультиплексор с 4 входами, показанный выше.Он имеет два управляющих сигнала, с помощью которых мы можем выбрать одну из четырех доступных входных линий. В приведенной ниже таблице истинности показано состояние контактов управления (S0 и S1) для выбора необходимого входного контакта.

Теперь, когда мы поняли основы мультиплексоров, давайте взглянем на мультиплексоры с 2 входами и мультиплексоры с 4 входами, которые наиболее часто используются в схемах приложений.

Мультиплексоры с 2 входами:

Как следует из названия, для мультиплексора с 2 входами у нас будет 2 линии входа и одна линия выхода .Также у него будет только один контрольный вывод для выбора между двумя доступными входными выводами. Графическое представление мультиплексора 2: 1 показано ниже.

Здесь входные контакты обозначены как D0 и D1, а выходной контакт назван как out. Пользователь может выбрать один из входов, который является либо D0, либо D1, используя контрольный вывод S0. Если S0 поддерживается на низком уровне (логический 0), то вход D0 будет отражаться на выходном контакте, а если вход S0 остается на высоком уровне (логическая 1), то вход D1 будет отражаться на выходном контакте.Таблица истинности, представляющая то же самое, показана ниже

.

Как видно из таблицы выше, когда управляющий сигнал S0 равен 0, Выход отражает значения сигнала D0 (выделен синим), и аналогично, когда управляющий сигнал S0 равен 1, Выход отражает значения сигнала D1 (выделено в красный). Есть несколько специализированных пакетов IC, которые будут работать как мультиплексоры прямо из пакета, но поскольку мы пытаемся понять конструкции комбинационной логики, давайте создадим вышеупомянутый мультиплексор с 2 входами, используя логические элементы.Логическая схема для мультиплексора с 2 входами показана ниже

.

Логическая схема использует только логические элементы NAND и, следовательно, может быть легко построена на монтажной плате или даже на макете. Логическое выражение для логической диаграммы может быть задано как

.
  Out = S  0  '.D  0 ' .D  1  + S  0  '.D  0  .D  1  + S  0  .D  0  .D  1  '+ S  0  0 . Д  1   

Мы можем упростить это логическое выражение, исключив общие термины, так что логическая диаграмма станет намного более простой и легкой для построения. Ниже приводится упрощенное логическое выражение.

  Выход = S  0  ’.D  0  + S  0  .D  1   

Мультиплексоры высшего порядка (мультиплексор 4: 1):

Как только вы поймете принцип работы мультиплексора 2: 1, вам будет легко понять и мультиплексор 4: 1. Просто у него будет 4 входных контакта и 1 выходной контакт с двумя линиями управления . Эти две линии управления могут формировать 4 разных комбинационных логических сигнала, и для каждого сигнала будет выбран один конкретный вход.

Количество управляющих линий для любого мультиплексора можно найти с помощью следующих формул

  2  Количество управляющих линий  = Количество входных линий  

Так, например, мультиплексор 2: 1 будет иметь 1 линию управления, потому что 2 1 = 2, а мультиплексор 4: 1 будет иметь 2 линии управления, потому что 2 2 = 4.Аналогичным образом вы можете рассчитать для любых мультиплексоров более высокого порядка.

Также распространено объединение с мультиплексорами более низкого порядка, такими как MUX 2: 1 и 4: 1, для формирования MUX более высокого порядка, например мультиплексора 8: 1. Теперь, например, давайте попробуем реализовать мультиплексор 4: 1, используя мультиплексор 2: 1. Чтобы построить мультиплексор 4: 1 с использованием мультиплексора 2: 1, нам нужно объединить три мультиплексора 2: 1 вместе.

Конечный результат должен дать нам 4 входных контакта, 2 контакта управления / выбора и один выходной контакт. Для достижения первых двух MUX подключаются параллельно, а затем выход этих двух подается как вход на 3 rd MUX, как показано ниже.

Линия управления / выбора первых двух MUX соединяется вместе, образуя единую линию (S 0 ), а затем линия управления 3 rd MUX используется в качестве второго сигнала управления / выбора. Таким образом, мы получаем мультиплексор с четырьмя входами (W0, W1, W2 и W3) и только одним выходом (f). Таблица истинности для мультиплексора 4: 1 показана ниже.

Как вы можете видеть в таблице выше, для каждого набора значений, предоставленных контактам управляющего сигнала (S0 и S1), мы получаем разные выходные данные от входных контактов на нашем выходном контакте.Таким образом, мы можем использовать MUX для выбора одного из четырех доступных входных контактов для работы. Обычно эти управляющие контакты (S0 и S1) управляются автоматически с помощью цифровой схемы. Существуют определенные специализированные микросхемы, которые могут действовать как MUX и облегчать нам работу, поэтому давайте взглянем на них.

Практическая реализация мультиплексора с использованием IC 4052:

Всегда интересно строить и проверять что-то на практике, чтобы теория, которую мы изучаем, имела больше смысла.Итак, давайте построим схему мультиплексора 4: 1 и проверим, как она работает. ИС, которую мы здесь используем, — это MC14052B с двумя мультиплексорами 4: 1 внутри. Распиновка MC14052B показана ниже

.

Здесь контакты X0, X1, X2 и X3 — это четыре входных контакта, а контакт X — соответствующий ему выходной контакт. Управляющие контакты A и B используются для выбора требуемого входа на выходной контакт. Вывод Vdd (вывод 16) должен подключаться к напряжению питания, равному + 5В, а выводы Vss и Vee должны быть заземлены.Вывод Vee предназначен для включения, который является активным нижним выводом, поэтому мы должны заземлить его, чтобы включить эту микросхему. MC14052 — это аналоговый мультиплексор, что означает, что на входные контакты также можно подавать переменное напряжение, и то же самое можно получить через выходные контакты. На изображении в формате GIF показано, как ИС выдает переменное входное напряжение на основе предоставленных управляющих сигналов. Входные контакты имеют напряжение 1,5 В, 2,7 В, 3,3 В и 4,8 В, которое также получается на выходном контакте на основе заданного управляющего сигнала.

Мы также можем собрать эту схему на макетной плате и проверить, работают ли они.Для этого я использовал две кнопки, которые являются входами для управляющих контактов A и B. И использовал серию комбинаций делителей потенциала, чтобы обеспечить переменное напряжение для контактов 12, 14, 15 и 11. Выходной контакт 13 подключен к ВЕЛ. Переменное напряжение, подаваемое на светодиод, заставляет его изменять яркость в зависимости от управляющих сигналов. Схема мультиплексора после сборки будет выглядеть примерно так, как показано ниже

.

Полное рабочее видео схемы мультиплексора также можно найти внизу этой страницы.Надеюсь, вы поняли, как работают мультиплексоры, и знаете, где их использовать в своих проектах. Если у вас есть какие-либо мысли или сомнения, оставьте их в разделе комментариев ниже, и я постараюсь на них ответить. Вы также можете использовать форумы, чтобы разрешить свои технические сомнения и поделиться своими знаниями с другими членами этого сообщества.

Типы, различия и их применение

В крупномасштабных цифровых системах требуется одна линия для передачи двух или более цифровых сигналов — и, конечно же! за один раз можно разместить один сигнал в одной строке.Но то, что требуется, — это устройство, которое позволит нам выбирать; и сигнал, который мы хотим разместить на общей линии, такая схема называется мультиплексором. Функция мультиплексора состоит в том, чтобы выбрать вход из любых «n» входных линий и подать его на одну выходную линию. Функция демультиплексора — инвертировать функцию мультиплексора. Краткие формы мультиплексора и демультиплексора — мультиплексор и демультиплексор. Некоторые мультиплексоры выполняют операции как мультиплексирования, так и демультиплексирования.Основная функция мультиплексора состоит в том, что он объединяет входные сигналы, обеспечивает сжатие данных и совместно использует один канал передачи. В этой статье дается обзор мультиплексора и демультиплексора.


Что такое мультиплексор и демультиплексор?

Внутрисетевая передача, мультиплексор и демультиплексор являются комбинационными схемами. Мультиплексор выбирает вход из нескольких входов, после чего он передается в виде одной строки. Альтернативное название мультиплексора — MUX или селектор данных.Демультиплексор использует один входной сигнал и генерирует множество. Так что он известен как Demux или распространитель данных.

Мультиплексор и демультиплексор

Что такое мультиплексор?

Мультиплексор — это устройство с несколькими входами и одной линией выхода. Строки выбора определяют, какой вход подключен к выходу, а также увеличивают объем данных, которые могут быть отправлены по сети в течение определенного времени. Его также называют селектором данных.

Однополюсный многопозиционный переключатель представляет собой простой пример неэлектронной схемы мультиплексора, и он широко используется во многих электронных схемах.Мультиплексор используется для высокоскоростной коммутации и состоит из электронных компонентов. Мультиплексор

Мультиплексоры

могут работать как с аналоговыми, так и с цифровыми приложениями. В аналоговых приложениях мультиплексоры состоят из реле и транзисторных ключей, тогда как в цифровых приложениях мультиплексоры построены из стандартных логических вентилей. Когда мультиплексор используется для цифровых приложений, он называется цифровым мультиплексором.

Типы мультиплексоров

Мультиплексоры подразделяются на четыре типа:

  • Мультиплексор 2-1 (1 строка выбора)
  • Мультиплексор 4-1 (2 строки выбора)
  • Мультиплексор 8-1 (3 строки выбора)
  • 16- 1 мультиплексор (4 строки выбора)
Мультиплексор 4-к-1

Мультиплексор 4X1 состоит из 4-х входных битов, 1-выходного бита и 2-х управляющих битов.Четыре входных бита — это 0, D1, D2 и D3 соответственно; только один из входных битов передается на выход. O / p ‘q’ зависит от значения управляющего входа AB. Управляющий бит AB определяет, какой бит данных i / p должен передавать выходной сигнал. На следующем рисунке показана принципиальная схема мультиплексора 4X1 с использованием логических элементов И. Например, когда управляющие биты AB = 00, тогда разрешены более высокие логические элементы AND, в то время как оставшиеся логические элементы AND ограничены. Таким образом, входные данные D0 передаются на выход «q»

4X1 Mux

. Если управляющий вход изменяется на 11, то все вентили, кроме нижнего логического элемента И, ограничиваются.В этом случае на выход передается D3, а q = D0. Если управляющий вход изменен на AB = 11, все вентили отключены, кроме нижнего логического элемента И. В этом случае на выход передается D3, а q = D3. Лучшим примером мультиплексора 4X1 является IC 74153. В этой IC o / p такое же, как и для i / p. Другим примером мультиплексора 4X1 является IC 45352. В этой IC o / p является дополнением к i / p

Мультиплексор 8-к-1

Мультиплексор 8-к-1 состоит из 8 входных линий, одна строка вывода и 3 строки выбора.

Мультиплексор 8-к-1
8-1 Схема мультиплексора

Для комбинации входа выбора линия данных соединяется с линией выхода. Схема, показанная ниже, представляет собой мультиплексор 8 * 1. Мультиплексор 8-к-1 требует 8 вентилей И, одного логического элемента ИЛИ и 3 линий выбора. В качестве входа комбинация входов выбора передается на логический элемент И с соответствующими строками входных данных.

Подобным образом всем логическим элементам И предоставляется соединение. В этом мультиплексоре 8 * 1 для любого входа строки выбора один вентиль И дает значение 1, а остальные все вентили И дают 0.И, наконец, с помощью логических элементов ИЛИ складываются все элементы И; и это будет равно выбранному значению.

Схема мультиплексирования 8-к-1

Преимущества и недостатки мультиплексора

Преимущества мультиплексора включают следующее.

  • В мультиплексоре можно уменьшить использование количества проводов
  • Это снижает стоимость, а также сложность схемы
  • Реализация ряда комбинированных схем может быть возможна с использованием мультиплексора
  • Mux не требует K-карт и упрощения
  • Мультиплексор может сделать схему передачи менее сложной и экономичной
  • Рассеивание тепла меньше из-за аналогового коммутируемого тока, который колеблется от 10 мА до 20 мА.
  • Возможности мультиплексора можно расширить для переключения аудиосигналов, видеосигналов и т. Д.
  • Надежность цифровой системы можно повысить с помощью MUX, поскольку он уменьшает количество внешних проводных соединений.
  • MUX используется для реализации нескольких комбинационных схем
  • Логическая схема может быть упрощена с помощью MUX

Недостатки мультиплексора включают следующее.

  • Дополнительные задержки, необходимые для портов переключения и сигналов ввода / вывода, которые распространяются по мультиплексору.
  • Порты, которые можно использовать одновременно, имеют ограничения
  • Порты переключения можно обрабатывать путем добавления сложности микропрограммного обеспечения
  • Управление мультиплексором может осуществляться с помощью дополнительных портов ввода-вывода.
Приложения мультиплексоров

Мультиплексоры используются в различных приложениях, в которых необходимо передавать несколько данных по одной линии.

Система связи

Система связи имеет как сеть связи, так и систему передачи.Используя мультиплексор, можно повысить эффективность системы связи, разрешив передачу данных, таких как аудио- и видеоданные, из разных каналов по одиночным линиям или кабелям.

Компьютерная память

Мультиплексоры используются в компьютерной памяти для поддержания огромного объема памяти в компьютерах, а также для уменьшения количества медных линий, необходимых для подключения памяти к другим частям компьютера.

Телефонная сеть

В телефонных сетях несколько аудиосигналов объединяются в одну линию передачи с помощью мультиплексора.

Передача из компьютерной системы спутника

Мультиплексор используется для передачи сигналов данных из компьютерной системы космического корабля или спутника в наземную систему с использованием спутника GSM.

Что такое демультиплексор?

Демультиплексор — это также устройство с одним входом и несколькими выходными линиями. Он используется для отправки сигнала на одно из многих устройств. Основное различие между мультиплексором и демультиплексором заключается в том, что мультиплексор принимает два или более сигналов и кодирует их по проводам, тогда как демультиплексор делает обратное тому, что делает мультиплексор.

Демультиплексор

Типы демультиплексора

Демультиплексоры подразделяются на четыре типа

  • Демультиплексор 1-2 (1 линия выбора)
  • Демультиплексор 1-4 (2 линии выбора)
  • Демультиплексор 1-8 (3 линии выбора)
  • Демультиплексор 1–16 (4 линии выбора)
Демультиплексор 1–4

Демультиплексор 1–4 содержит 1 входной бит, 4 выходных бита и управляющие биты. Принципиальная схема демультиплексора 1X4 показана ниже.

1X4 Demux

Бит i / p рассматривается как Data D.Этот бит данных передается в бит данных линий o / p, который зависит от значения AB и управляющего i / p.

Когда управляющий i / p AB = 01, верхний второй вентиль AND разрешен, а остальные вентили AND ограничены. Таким образом, на выход передается только бит данных D, а Y1 = Data.

Если бит данных D низкий, выход Y1 низкий. Если бит данных D высокий, выход Y1 высокий. Значение выхода Y1 зависит от значения бита данных D, остальные выходы находятся в низком состоянии.

Если управляющий вход изменится на AB = 10, то будут запрещены все вентили, кроме третьего логического элемента И сверху. Затем бит данных D передается только на выход Y2; и Y2 = Данные. . Лучшим примером демультиплексора 1X4 является IC 74155.

1-8 Демультиплексор

Демультиплексор также называется распределителем данных, поскольку для него требуется один вход, 3 выбранных линии и 8 выходов. Демультиплексор принимает одну единственную строку входных данных и затем переключает ее на любую из линий вывода.Принципиальная схема демультиплексора от 1 до 8 показана ниже; он использует 8 вентилей И для выполнения операции.

1-8 Цепь демультиплексора

Входной бит считается данными D и передается на выходные линии. Это зависит от значения управляющего входа АВ. Когда AB = 01, верхний второй вентиль F1 включен, в то время как остальные вентили И отключены, и бит данных передается на выход, давая F1 = данные. Если D низкий, F1 низкий, а если D высокий, F1 высокий. Таким образом, значение F1 зависит от значения D, а остальные выходы находятся в низком состоянии.

Преимущества и недостатки демультиплексора

Преимущества демультиплексора r включают следующее.

  • Демультиплексор или демультиплексор используется для разделения взаимных сигналов обратно на отдельные потоки.
  • Функция Demux полностью противоположна MUX.
  • Для передачи аудио- или видеосигналов требуется комбинация мультиплексирования и демультиплексирования.
  • Demux используется в качестве декодера в системах безопасности банковских секторов.
  • Эффективность системы связи можно повысить за счет комбинации Mux & Demux.

К недостаткам демультиплексора можно отнести следующее.

  • Может произойти потеря полосы пропускания
  • Из-за синхронизации сигналов могут иметь место задержки
Приложения демультиплексора

Демультиплексоры используются для подключения одного источника к нескольким адресатам. Эти приложения включают следующее:

Система связи

Мультиплексор и демультиплексор используются в системах связи для выполнения процесса передачи данных.Демультиплексор принимает выходные сигналы от мультиплексора и на стороне приемника преобразует их обратно в исходную форму.

Арифметико-логический блок

Выход ALU подается как вход на демультиплексор, а выход демультиплексора подключается к нескольким регистрам. Выходные данные ALU могут храниться в нескольких регистрах.

Последовательно-параллельный преобразователь

Этот преобразователь используется для восстановления параллельных данных.В этом методе последовательные данные подаются на вход демультиплексора с регулярным интервалом, а счетчик подключается к демультиплексору на входе управления для обнаружения сигнала данных на выходе демультиплексора. Когда все сигналы данных сохранены, выход демультиплексора может считываться параллельно.

Разница между мультиплексором и демультиплексором

Основное различие между мультиплексором и демультиплексором обсуждается ниже.

Мультиплексор Демультиплексор
Мультиплексор (Mux) — это комбинационная схема, которая использует несколько входов данных для генерации одного выхода. Демультиплексор (демультиплексор) также является комбинационной схемой, которая использует один вход, который может быть направлен на несколько выходов.
Мультиплексор включает несколько входов и один выход Демультиплексор включает один вход и несколько выходов
Мультиплексор — это селектор данных Демультиплексор — это распределитель данных
Это цифровой переключатель Это цифровая схема
Работает по принципу «многие к одному» Работает по принципу «один ко многим»
В мультиплексоре используется параллельное преобразование в последовательное. в демультиплексоре используется параллельное преобразование
Мультиплексор, используемый в TDM (мультиплексирование с временным разделением на конце передатчика Демультиплексор, используемый в TDM (мультиплексирование с временным разделением находится на конце приемника
мультиплексор называется MUX Демультиплексор называется Demux
Он не использует ny дополнительных вентилей при проектировании В этом случае дополнительные вентили необходимы при проектировании демультиплексора
В мультиплексоре управляющие сигналы используются для выбора конкретного входа, который должен быть отправлен на выход. Демультиплексор использует управляющий сигнал, чтобы мы могли включить несколько выходов.
Мультиплексор используется для повышения эффективности системы связи с использованием передаваемых данных, таких как передача звука и видео. Демультиплексор получает сигналы o / p от мультиплексора и меняет их на уникальную форму на конце приемника.
Мультиплексоры различных типов: 8-1 MUX, 16-1 MUX и 32-1 MUX. Демультиплексоры различных типов: 1-8 демультиплексор, 1-16 демультиплексор, 1-32 демультиплексор.
В мультиплексоре набор строк выбора используется для управления конкретным входом В демультиплексоре выбором выходной линии можно управлять с помощью значений битов n строк выбора.

Ключевые различия между мультиплексором и демультиплексором

Ключевые различия между мультиплексором и демультиплексором обсуждаются ниже.

  • Комбинированные логические схемы, такие как мультиплексор и демультиплексор, используются в системах связи, однако их функции точно противоположны друг другу, поскольку одна работает с несколькими входами, а другая работает только с входом.
  • Мультиплексор или мультиплексор — это устройство типа N-to-1, тогда как демультиплексор — это устройство 1-to-N.
  • Мультиплексор используется для преобразования нескольких аналоговых или цифровых сигналов в один сигнал o / p через разные линии управления. Эти управляющие линии могут быть определены с помощью такой формулы, как 2n = r, где «r» — это количество сигналов i / p, а «n» — количество требуемых управляющих линий.
  • Метод преобразования данных, используемый в MUX, параллелен последовательному, и его нетрудно понять, поскольку он использует разные входы.Однако DEMUX работает совершенно противоположно MUX, как преобразование из последовательного в параллельный. Таким образом, количество выходов в этом случае может быть достигнуто.
  • Демультиплексор используется для преобразования одного i / p-сигнала в несколько. Количество управляющих сигналов можно определить, используя ту же формулу MUX.
  • И мультиплексор, и демультиплексор используются для передачи данных по сети с меньшей полосой пропускания. Но мультиплексор используется на стороне передатчика, тогда как Demux используется на стороне приемника.

Это основная информация о мультиплексорах и демультиплексорах.Надеюсь, вы получили некоторые фундаментальные представления об этой теме, наблюдая за логическими схемами и их приложениями. Вы можете написать свое мнение по этой теме в разделе комментариев ниже.

Фото

мультиплексор

http://tcllib.sourceforge.net/doc/multiplexer.html

Теперь в Tcllib есть модуль мультиплексора. См. Приведенный выше URL-адрес для получения подробной информации об этом пакете.


multiplexer.tgz — это «мультиплексор» Tcl, или, другими словами, сервер, который обрабатывает связь «один-ко-многим».Один клиент отправляет ему некоторые данные, а он отправляет их всем другим клиентам. Первоначально созданный davidw, теперь он является частью tcllib.

CMcC Я переписал это как класс incrtcl под названием Mux, его можно найти здесь: [L1]


schlenk Мультиплексор также можно создать с помощью новой команды Tcl chan create, представленной в TIP 219.

Это простой пример мультиплексора, который создает новый доступный для записи канал, который мультиплексирует свой вывод на несколько внешних каналов. Для пакета

 требуется Tcl 8.5
  пакет требует snit

  snit :: type multiplexer {
       constructor {mode args} {
           # Обрабатывать аргументы ...
           установить цели $ args
           убит 0
           set chan [chan create $ mode $ self]
       }
       destructor {
           # ... удалить внутреннее состояние ...
           если вернется {$ dead}
           мертвый 1
           поймать {закрыть $ chan}
       }

       дескриптор метода {} {return $ chan}
       переменный чан
       переменная мертвая 0
       переменные цели ""

       метод finalize {dummy} {
           если вернется {$ dead}
           мертвый 1
           $ самоуничтожение
       }
       инициализация метода {фиктивный режим} {
         if {"читать" в $ mode} {
             ошибка "Для этого типа канала поддерживается только запись"
         }
               return {инициализировать финализировать запись часы}
       }
       метод чтения {фиктивное количество} {}
       метод записи {фиктивные данные} {
         # мультиплексировать записанные данные,
         # может потребоваться дополнительная обработка, если кодировки цели
         foreach targetchan $ target {
             установить состояние [chan configure $ targetchan]
             chan configure $ targetchan -encoding binary \
                                        -перевод двоичный \
                                        -eofchar {}
             помещает -nonewline $ targetchan $ data
             chan configure $ targetchan {*} $ state
         }
         длина строки $ data
       }
       метод seek {фиктивная база смещения} {}
       метод configure {фиктивные аргументы} {}
       метод смотреть {фиктивные события} {}
       блокировка метода {фиктивный isblocking} {}
   }

   proc multiplexer_open {args} {
       return [[дескриптор мультиплексора% AUTO% {*} $ args]]
   } 

Пример использования:

 set fd [open somefile.txt w +]
 установить ch [multiplexer_open write stderr $ fd]
 помещает $ ch "Некоторое сообщение"
 # не реализовал управление буферизацией, поэтому очистить явно ...
 промывка $ ch 

Мультиплексоры — Qorvo

Новые продукты

Ознакомьтесь с последними новинками в нашем портфеле продуктов.

Учить больше

5G Инновации

Qorvo прокладывает путь к 5G.

Учить больше

Литейные технологии

Узнайте о наших передовых технологиях в литейном производстве!

Учить больше

Бесплатная электронная книга: 5G RF для чайников, 2-е издание

Будьте готовы к будущему Интернета вещей и мобильной связи.

Учить больше

GaN инновации

Технология GaN

Qorvo помогает вам оставаться на связи и защищать.

Учить больше

Связаться

Свяжитесь с Qorvo по телефону, электронной почте или через форму.

Учить больше

Видение Корво

Наше путешествие к лучшему и более взаимосвязанному завтра.

Учить больше

Блог Qorvo

Ознакомьтесь с последними тенденциями в области радиочастот, практическими статьями, советами по дизайну и многим другим от экспертов Qorvo.

Учить больше

Почему Qorvo?

Ознакомьтесь с главными причинами, по которым стоит работать в Qorvo.

Учить больше

Раздел 3.1. Мультиплексоры | Компьютерные и коммуникационные сети (мягкая обложка)

3.1. Мультиплексоры

Мультиплексоры используются в сети для максимальной пропускной способности линии с высокой пропускной способностью. Независимо от типа мультиплексора, мультиплексирование — это метод, который позволяет множеству источников связи передавать данные по одной физической линии. Схемы мультиплексирования можно разделить на три основные категории: мультиплексирование с частотным разделением, мультиплексирование с разделением по длине волны и мультиплексирование с разделением по времени.

3.1.1. Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)

При мультиплексировании с частотным разделением (FDM) частотный спектр делится на полосы частот или каналы, в которых каждому пользователю может быть назначена полоса.На рисунке 3.1 показано, как n частотных каналов мультиплексируются с использованием FDM. Когда несколько каналов мультиплексируются вместе, выделяется определенная защитная полоса, чтобы каналы были хорошо разделены.

Рисунок 3.1. Мультиплексор с частотным разделением каналов (FDM) с n входами

Для реализации мультиплексора исходные частоты на любом из n входов мультиплексора повышаются, каждый на разную постоянную величину. Затем комбинируются n новых частотных диапазонов, чтобы никакие два канала не занимали одну и ту же часть спектра.Несмотря на защитные полосы между каналами, любые два соседних канала частично перекрываются, поскольку спектры каналов не имеют резких границ. Это перекрытие обычно создает пиковый шум на краю каждого канала. FDM обычно используется по медным проводам или микроволновым каналам и подходит для аналоговых схем.

3.1.2. Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)

Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) в основном такое же, как FDM, как показано на рисунке 3.2. WDM был изобретен как разновидность мультиплексирования с частотным разделением каналов и в основном представляет собой метод мультиплексирования различных длин волн вместо частот.На рисунке n оптических волокон соединяются в оптическом мультиплексоре, энергия каждого из которых соответствует разной длине волны. N оптических линий объединены в один общий канал для передачи в удаленный пункт назначения. В демультиплексоре каждый кадр, включая n каналов, разбивается на столько оптических волокон, сколько было на входной стороне. На каждом выходе демультиплексора настроенный фильтр уточняет полезный сигнал на настроенной длине волны, и, таким образом, все другие длины волн игнорируются.

Рисунок 3.2. Мультиплексор с разделением по длине волны (WDM) с n входами

Основная проблема WDM по сравнению с FDM заключается в том, что оптическая система, использующая дифракционную решетку, является полностью пассивной и, следовательно, очень надежной. При более высокоскоростных вариациях WDM количество каналов очень велико, а длины волн близки к 0,1 нм. Такие системы называются DWDM (плотный WDM). В главе 14 представлена ​​более подробная информация о WDM и его приложениях.

Пример.

Рассмотрим практическую систему мультиплексирования со 100 каналами, каждый со скоростью 10 Гбит / с. Вычислите количество полнометражных фильмов в секунду, которые могут быть переданы с помощью этой системы WDM.

Решение.

Общая скорость передачи данных этого WDM составляет 100 x 10 или 1000 Гбит / с. Поскольку для фильма (технология MPEG-2) требуется полоса пропускания 32 Гбит / с, система может передавать примерно 34 полнометражных фильма в секунду.

3.1.3. Мультиплексирование с временным разделением каналов

При использовании мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM) пользователи чередуются заранее определенным образом, каждый из которых периодически получает всю полосу пропускания в течение части общего времени сканирования. Учитывая n входов, время делится на кадры, и каждый кадр далее подразделяется на временные интервалы или каналы. Каждому каналу назначен один вход. (См. Рисунок 3.3.) Этот тип мультиплексирования может использоваться только для цифровых данных. Пакеты поступают по n линиям, и мультиплексор просматривает их, формируя кадр с n каналами на исходящем канале.На практике размер пакета варьируется. Таким образом, для мультиплексирования пакетов переменного размера требуется дополнительное оборудование для эффективного сканирования и синхронизации. TDM может быть синхронным или статистическим.

Рисунок 3.3. Мультиплексор с временным разделением каналов с n входами


Синхронный TDM

В синхронном TDM мультиплексор сканирует все линии без исключения. Время сканирования для каждой строки назначается заранее; до тех пор, пока это время для конкретной строки не изменяется системой управления, сканер должен оставаться на этой строке, независимо от того, есть ли данные для сканирования в течение этого временного интервала.Следовательно, синхронный мультиплексор не работает эффективно, хотя его сложность остается низкой.

Если синхронный мультиплексор запрограммирован на создание кадров одинакового размера, отсутствие данных в любом канале потенциально приводит к изменениям средней скорости передачи данных в текущем канале. Помимо этой проблемы, иногда необходимо синхронизировать скорость передачи аналоговых и цифровых данных, объединяемых в мультиплексоре. В таких случаях фиктивные импульсы могут быть добавлены к входной линии с недостаточной скоростью передачи битов.Этот метод синхронизации скорости передачи данных называется вставкой импульсов.

Пример.

Рассмотрим объединение трех аналоговых источников и четырех идентичных цифровых источников через мультиплексор с временным разделением, как показано на рисунке 3.4. Мы хотели бы использовать всю максимальную пропускную способность этого мультиплексора 240 Кб / с. Аналоговые линии с полосой пропускания 5 кГц, 2 кГц и 1 кГц соответственно подвергаются дискретизации, мультиплексированию, квантованию и 5-битному кодированию.Цифровые линии мультиплексированы, и каждая передает 8 Кбит / с. Найдите частоту наполнения пульса.

Рисунок 3.4. Интегрированное мультиплексирование аналоговых и цифровых сигналов

Решение.

Каждый аналоговый вход дискретизируется с частотой, в два раза превышающей его соответствующую полосу пропускания, в соответствии с правилом дискретизации Найквиста. Следовательно, у нас есть 5 x 2 + 2 x 2 + 1 x 2 = 16 тыс. Выборок в секунду. После кодирования мы получаем всего 16 000 x 5 = 80 Кбит / с на аналоговых линиях.Суммарная доля цифровых линий тогда составляет 170 — 80 = 90 Кбит / с. Поскольку каждая цифровая линия должна генерировать 22,5 Кбит / с, в то время как существует фактическая скорость 8 Кбит / с, каждая цифровая линия должна добавлять разницу в 14,5 Кбит / с вставки импульсов, чтобы сбалансировать конечную скорость передачи битов мультиплексора.

Рассмотрим мультиплексор с n доступными каналами. Если количество запрашивающих входных источников m больше, чем n каналов, мультиплексор обычно реагирует блокировкой, когда неназначенные источники не передаются и поэтому остаются неактивными.Пусть t a и t d будут двумя средними временами, в течение которых данный вход становится активным и бездействующим, соответственно. Предположим, что линия передачи имеет n каналов, доступных для линии передачи, но этот мультиплексор m имеет входы, где m> n.

Если активны более n входов, мы можем выбрать только n из m активных источников и навсегда заблокировать другие. Если один из n выбранных каналов переходит в режим ожидания, мы можем обслуживать один из других запросов.Обычно блокировка используется, когда каналы необходимо удерживать в течение длительного времени. Традиционная телефонная система является одним из примеров; каналы назначаются в начале вызова, а другие вызывающие абоненты блокируются, если канал недоступен. Предполагая, что значения t a и t d случайны и экспоненциально распределены, вероятность того, что источник активен, может быть получена с помощью

Уравнения 3.1

Пусть p j будет вероятностью того, что j из m входов активны; для 1 Дж м,

Уравнение 3.2

Таким образом, вероятность того, что j из n каналов на линии передачи используются, P j , может быть выражена нормализацией p j по n входам как или

Уравнение 3.3

Причина нормировки в том, что никогда не может быть равным 1, так как nm; согласно правилу полной вероятности, мы можем сказать только. Вероятность блокировки таких мультиплексоров, P n , может быть вычислена путем простого принятия j равным n в уравнении (3.3), обозначая, что все n каналов заняты. Если мы также подставим = t a / (t d + t a ), вероятность блокировки может быть получена, когда j = n:

Уравнение 3.4

Предыдущее обсуждение может быть завершено с использованием основных Теория вероятности позволяет найти среднее количество занятых каналов или ожидаемое количество занятых каналов как

Уравнение 3.5


Пример.

TDM с 12 входами становится в среднем на 2 мкс активным и 1 мкс неактивным на каждой входной линии. Кадры могут содержать только пять каналов. Найдите вероятность того, что источник активен, и вероятность того, что используются три канала.

Решение.

Мы знаем, что m = 12 и n = 5; так как t a = 2 мкс и t d = 1 мкс:

и вероятность того, что все пять каналов используются, составляет


Статистический TDM

Статистический TDM, временные интервалы кадра распределяются динамически в зависимости от потребности.Этот метод удаляет все пустые слоты в кадре и заставляет мультиплексор работать более эффективно. Между тем, компромисс такого метода заключается в том, что к каждому исходящему каналу должны быть приложены дополнительные служебные данные. Эти дополнительные данные необходимы, потому что каждый канал должен нести информацию о том, какой линии он принадлежит. В результате в статистическом мультиплексоре длина кадра является переменной не только из-за разных размеров каналов, но также из-за возможного отсутствия некоторых каналов.

Рассмотрим мультиплексор с n доступными каналами. Если количество запрашивающих входных источников, m, больше, чем n каналов, мультиплексор обычно реагирует ограничением, в результате чего неназначенные источники частично передаются или ограничиваются. Проектирование мультиплексоров с m> n связано с тем, что все m источников не могут быть практически активными одновременно. В некоторых системах мультиплексирования ограничение используется особенно для приложений, в которых источники не передают непрерывно, и нацелено на наилучшее использование выходной линии мультиплексирования.За счет динамического назначения активных источников каналам мультиплексный выход может обеспечить более эффективное использование каналов. Например, некоторые спутниковые или микроволновые системы обнаруживают информационную энергию и назначают пользователю канал только тогда, когда пользователь активен.

Рассмотрим те же определения, что и в случае блокировки для t a , t d , m, n (m> n) и. Точно так же предположим, что значения t a и t d случайны и имеют экспоненциальное распределение.Предположим также, что исходящая линия передачи имеет n доступных каналов, но мультиплексор имеет m входов, где m> n. Если активны более n входов, мы можем динамически выбирать n из m активных источников и временно блокировать другие источники. При временной блокировке источник вынужден потерять или обрезать данные на короткий период времени, но источник может вернуться к сценарию сканирования, если канал станет свободным. Этот метод максимизирует использование общей линии передачи и предлагает метод использования полосы пропускания мультиплексора в режиме молчания.Обратите внимание, что количество данных, потерянных из каждого источника, зависит от t a , t d , m и n. Подобно случаю блокировки, можно определить как = t a / (t d + t a ), и вероятность того, что ровно k из m источников будут активными, равна

Уравнение 3.6

Следовательно , P C , вероятность отсечения или вероятность того, что неактивный источник обнаружит, что по крайней мере n источников заняты в то время, когда он становится активным, может быть получена путем рассмотрения всех m источников за пределами n активных источников минус 1 (исследуемый источник):

Уравнение 3.7

Понятно, что среднее количество используемых каналов составляет. Среднее количество занятых каналов затем может быть получено с помощью

Уравнения 3.8


Пример.

Для мультиплексора с десятью входами, шестью каналами и = 0,67 найдите вероятность ограничения.

Решение.

Поскольку m = 10, n = 6, P c 0.65.

Мультиплексная ПЦР в реальном времени для начинающих

Если название не раскрывает, мультиплексная ПЦР в реальном времени включает в себя одновременную амплификацию нескольких мишеней ДНК или РНК в одной реакции ПЦР. Это требует наличия определенной пары праймеров и комплементарного ДНК-связывающего зонда для каждой исследуемой мишени.

Мультиплексная ПЦР возникла в конце 1980-х годов как быстрый метод обнаружения мутаций в гене, ответственном за мышечную дистрофию Дюшенна.Сегодня этот метод широко используется в качестве исследовательского инструмента для анализа экспрессии генов и геномики, а также имеет клиническое применение в диагностике, мониторинге вирусной нагрузки, генетическом тестировании и многом другом.

Каковы преимущества мультиплексной ПЦР в реальном времени?

Установка эксперимента мультиплексной ПЦР требует больших усилий, чем одноплексный эксперимент ПЦР в реальном времени. Тем не менее, как только установка будет создана, исследователь может получить множество преимуществ, в том числе:

  • Долгосрочная экономия времени и средств — оптимизированные установки могут привести к экономии затрат на персонал, а также на dNTPS и другие реагенты
  • Повышенная пропускная способность по сравнению с обычной ПЦР в реальном времени
  • Снижение влияния ошибок дозирования за счет меньшего количества этапов дозирования
  • Превосходная нормализация данных благодаря возможности добавления внутреннего эталона к каждой реакции ПЦР

В некоторых областях самой большой привлекательностью является возможность получить больше данных из очень ограниченного количества просматриваемого материала, например.g., сырье напугано или выход нуклеиновой кислоты низкий. Для исследовательских проектов, которые обычно сосредоточены на одной и той же группе генов, мультиплексирование также является привлекательным вариантом, поскольку помимо преимуществ, описанных выше, он также обеспечивает более высокую пропускную способность, чем это возможно при одноплексных ПЦР-реакциях.

Рабочий процесс мультиплексной ПЦР в реальном времени

На первый взгляд, типичный рабочий процесс мультиплексирования не сильно отличается от рабочего процесса одноплексной ПЦР в реальном времени.Однако есть несколько ключевых отличий. Давайте взглянем.

Выбор репортера

В первой части нашей серии статей о ПЦР в реальном времени мы объяснили, чем ПЦР в реальном времени отличается от традиционной или конечной ПЦР. Напомним, что конечные реакции ПЦР обычно анализируются качественно с помощью электрофореза в агарозном геле. Хотя иногда можно оценить концентрацию ампликона путем сравнения полос ДНК с маркером известной концентрации, этот подход не подходит для приложений, требующих точного количественного определения мишеней ДНК или РНК.

В ПЦР в реальном времени количественный мониторинг амплификации матрицы становится возможным благодаря присутствию флуоресцентной репортерной молекулы в каждой реакции ПЦР, которая дает флуоресцентный сигнал по мере увеличения количества ампликона ПЦР.

Когда дело доходит до флуоресцентных репортеров для ПЦР в реальном времени, есть два основных варианта:

  1. Неспецифические ДНК-связывающие красители , которые интеркалируют дцДНК независимым от последовательности образом, например, SYBR зеленый
  2. Зонды гасителя флуоресценции, специфичные для последовательности , e.г., TaqMan. Они специально разработаны с учетом комплементарности целевой последовательности и обычно состоят из 3 компонентов: ДНК-связывающей области, 5’-флуорофора и 3’-гасителя. Во время ПЦР вновь образованная целевая ДНК связывается зондом. По мере того как полимераза Taq распространяется по матрице, она в конечном итоге встречает 3’-гаситель и расщепляет его за счет присущей ему 5’-3 ’экзонуклеазной активности. Когда гаситель отключен, флуорофор излучает измеримый сигнал.

Проба на успех!

Учитывая неспецифический характер SYBR Green и других красителей в этой категории, их следует использовать с особой осторожностью в установках мультиплексной ПЦР.Теоретически должна быть возможность различать несколько мишеней, если температуры плавления (Tm) их ампликонов достаточно разные, но в целом это рассматривается как рискованный подход, особенно когда существует более надежный вариант, а именно датчики флуоресцентного тушителя.

Существует ряд онлайн-инструментов для разработки зондов и праймеров с опциями для мультиплексной ПЦР. Кроме того, производители и поставщики зондов обычно готовы дать подробные советы по конструкции зонда и экспериментальной установке.А пока вот несколько общих советов для начала:

  • Стремитесь разработать зонды с температурой плавления прибл. На 7-8 ° C выше, чем Tm соответствующей пары праймеров. Это позволяет зонду сначала связать мишень, сводя к минимуму риск того, что последовательности-мишени ускользнут от обнаружения.
  • Имейте в виду, что конкуренция между целями за компоненты реакции может привести к обнаружению целей с большим изобилием, в то время как цели с низким содержанием искажены. Единственный способ снизить этот риск — тщательно спроектировать пары праймеров и оптимизировать условия реакции (температура отжига, номер цикла и т. Д.), так что каждая реакция ПЦР в мультиплексной установке работает с одинаковой эффективностью. Выбор основной смеси для ПЦР, оптимизированной для мультиплексной ПЦР, также может помочь снизить конкуренцию за реагенты.
  • Количество доступных флуоресцентных меток и перекрытие их спектральных профилей может затруднить планирование экспериментов. Выберите флуорофоры, спектрально отличные друг от друга, и, если возможно, убедитесь, что ваша самая многочисленная цель обнаруживается наименее интенсивным красителем и наоборот.
  • Стандартный прибор для ПЦР в реальном времени имеет 4 или 5 каналов для определения цвета.Если вы хотите оценить более 4 или 5 целей одновременно (проверьте, что может делать ваш прибор), вы можете проверить исследовательскую литературу для альтернативных установок, основанных на зондах с шариками или химически маркированными зондами, на предмет возможности включения более крупных целевые числа.
  • Подтвердите настройку мультиплекса, запустив одновременно одноплексные и мультиплексные реакции на одном планшете для ПЦР, прежде чем приступить к мультиплексным экспериментам «на самом деле».

А как насчет ловушек?

Есть несколько серьезных ошибок, связанных с мультиплексированием, которые стоит выделить еще раз.Во-первых, конкуренция за реагенты и нежелательные взаимодействия между компонентами в мультиплексной реакции ПЦР могут сильно повлиять на точность результатов. К ним относятся нежелательные взаимодействия между праймерами и другими праймерами, праймерами и зондами, а также ингибирование ПЦР. Чем больше мишеней исследуется в одной реакции, тем труднее смягчить эти проблемы, поэтому тщательный дизайн праймера и зонда, а также обширная проверка являются обязательными.

Особенно рискованный сценарий может возникнуть, когда одна из исследуемых целей очень многочисленна по сравнению с другими.Эта мишень, вероятно, достигнет фазы плато амплификации намного раньше, чем мишень с низкой численностью, возможно, даже до того, как мишень с низкой численностью подвергнется обнаружимой амплификации. Риск состоит в том, что реагенты затем станут ограничивающими для цели с низким содержанием, что приведет к значению Ct, которое неверно отражает его численность, что приведет к сомнительным результатам. Решением для этого является ограничение праймера . Проще говоря, это включает ограничение концентрации праймера для наиболее распространенной мишени, чтобы она быстрее достигла плато (поскольку праймеры истощаются).При этом должно остаться достаточно реагентов для амплификации и точного представления оставшихся мишеней.

Планирование и проверка — ключ к успеху!

Помимо советов, которыми мы поделились здесь, стандартные соображения для ПЦР в реальном времени, такие как выбор домашнего гена, выбор внутреннего стандарта, дизайн и оптимизация праймеров, настройка реакции (например, макет планшета), экспериментальные контроли и реплики, а также пост-запуск Контроль качества не менее важен и в мультиплексной ПЦР. Все эти соображения подробно рассматриваются в нашей серии ПЦР в реальном времени.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *