В компьютерных схемах используется множество деталей, которые по отдельности кажутся бесполезными (и в большинстве случае они таковими и являются). Но стоит их, придерживаясь законов физики, собрать в логическую систему, как они могут оказаться просто незаменимыми. Хорошим примером являются мультиплексоры и демультиплексоры. Они играют важную роль при создании систем связи. Мультиплексор - это несложно. И вы сами в этом убедитесь прочитав статью.
Мультиплексор - это что?
Под мультиплексором понимают устройство, которое выбирает один из нескольких входов, а потом подключает к своему выходу. Всё зависит от состояния двоичного кода. Мультиплексор используется как переключатель сигналов, который имеет несколько входов и только один выход. Механизм его работы можно описать такой таблицей:
Подобные таблицы можно увидеть при изучении программирования, а конкретнее - при решении задач логического выбора. Сначала про аналоговый мультиплексор. Они соединяют входы и выходы напрямую. Существует оптический мультиплексор, который является более сложными. Они просто копируют получаемые значения.
Что такое демультиплексор?
Под демультиплексором понимают устройство с одним входом и множеством выходов. Что к чему будет подключаться - определяет двоичный код. Для этого он считывается, и выход, который имеет необходимое значение, подключается к входу. Как видите, данные устройства не обязательно должны действовать в паре для полноценной работы, а своё название получили из-за выполняемого функционала.
Схема мультиплексора
Давайте рассмотрим схему мультиплексора. Самая большая часть - это элемент И-ИЛИ. Он может иметь разное количество входов, начиная от двух и теоретически до бесконечности. Но, как правило, больше чем на 8 входов их не делают. Каждый отдельный вход называется инвертором. Те, что расположены слева, называют информационными. Посередине находятся адресные входы. Справа обычно подключается элемент, который определяет, будет ли работать сам мультиплексор. Это может быть дополнено входом с инверсией. Для письменного обозначения количества входов и для показа, что это мультиплексор, используют записи такого типа: «1*2». Под единицей понимают количество выводов, что идут в утройство. Двойка используется для обозначения выхода и обычно равна 1. В зависимости от количества адресных входов определяется, какой будет разряд у мультиплексора, и в данном случае используется формула: 2 n . Вместо n как раз и подставляют необходимое значение. В данном случае 2 2 = 4. Если для двоичного или троичного мультиплексора разница количества входов и выходов составляет соответственно два и три, то говорят, что они полные. При меньшем значении они неполные. Вот такое устройство имеет мультиплексор. Схема дополнительно представлена в виде изображения, чтобы вы имели самое полное представление о его строении.
Схема демультиплексора
Для коммутации каналов в демультиплексорах используются только логические элементы «И». Учитывайте, что КМОП-микросхемы часто строятся с применением ключей на полевых транзисторах. Поэтому к ним не применяется понятие демультиплексора. Можно ли сделать так, чтобы одно устройство могла изменить свои свойства на диаметрально противоположные? Да, если поменять местами информационные выходы и входы, вследствие чего к названию "мультиплексор" можно добавлять префикс «де-». По своему предназначению они похожи на дешифраторы. Несмотря на имеющуюся разницу, оба прибора в отечественных микросхемах обозначаются одними и теми же буквами - ИД. Демультиплексоры выполняют однооперандные (одновходные, унитарные) логические функции, которые имеют значительное количество возможных вариантов реакции на сигнал.
Виды мультиплексоров
В основном различают всего два вида мультиплексоров:
- Терминальные. Данный тип мультиплексоров располагают на концах линии связи, по которой осуществляется передача каких-то данных.
- Ввода/Вывода. Они применяются в качестве инструментария, который устанавливается в разрыв линии связи, чтобы вывести несколько каналов информации из общего потока. Таким способом обходят необходимость установки терминальных мультиплексоров, которые являются более дорогими механизмами.
Стоимость мультиплексоров
Стоит подметить, что мультиплексоры - удовольствие не из дешевых. Самый дешевый на сегодняшний момент стоит больше 12 тысяч рублей, верхний предел - 270 000. Но даже при таких ценах они всё равно почти всегда выгодней прокладки новой линии. Но такая выгода присутствует, только если есть квалифицированные кадры, которые смогут выполнить весь объем работ надлежащим образом и установят правильно мультиплексор. Цена может немного повыситься, если нет штатного специалиста. Но их всегда можно нанять в специализированных компаниях.
Мультиплексирование
Мультиплексирование сигналов осуществляется из-за значительной стоимости самих каналов связи, а также из-за затрат с их обслуживанием. К тому же с чисто физической точки зрения то, что имеется сейчас, не используется на полную мощность. Установка мультиплексора для работы в системе является более выгодной в денежном отношении, чем организация нового канала. К тому же на этот процесс приходится тратить меньше времени, что тоже предполагает определённые материальные выгоды.
В рамках статьи ознакомимся с принципом действия частотного мультиплексирования. При нём под каждый входящий поток в общем канале связи специально выделяют отдельный диапазон частот. А перед мультиплексором ставят задачу, чтобы он переносил спектр каждого из входящих спектров в другой интервал значений. Это делается для исключения возможности пересечения разных каналов. Чтобы они не превратились в помеху один для другого даже при выходе за отведённые рамки, используют технологию защитных интервалов. Она заключается в том, что оставляют определённую частоту между каждым каналом, которая примет на себя удар неполадок и не скажется на общем состоянии системы. Применено FDMA-мультиплексирование может быть в оптических и электрических линиях связи.
Из ограниченности ресурсов создалась возможность усовершенствования механизма. В конечном результате всё вылилось в процесс под названием «временное мультиплексирование». При данном механизме в общем высокоскоростном потоке отводится небольшой временной промежуток для передачи одного входного сигнала. Но это не единственный вариант реализации. Может быть и такое, что отведена определённая часть времени, которая циклично повторяется через заданный интервал. В общем перед мультиплексором в данных случаях стоит задача обеспечения циклического доступа к среде передачи данных, которая должна быть открыта входящим потокам на протяжении небольших промежутков.
Заключение
Мультиплексор - это то, что расширяет возможности коммуникаций. В рамках статьи были рассмотрены приборы, используемые для передачи данных, которые позволяют значительным образом экономить на данной статье расходов. Также было кратко рассмотрено их схематическое строение и понятие мультиплексирования, его особенности и применение. Таким образом, мы рассмотрели теоретическую базу. Она понадобится для перехода к практике при желании исследовать мультиплексоры и демультиплексоры.
Цифровой мультиплексор представляет собой логическое комбинированное устройство, которое предназначено для управляемой передачи информации от нескольких источников данных в выходной канал. По сути, этот прибор представляет собой несколько цифровых позиционных переключателей. Получается, что цифровой мультиплексор является коммутатором входных сигналов в одну выходную линию.
Этот прибор имеет три группы входов:
- адресные, на которых определяет то, какой информационный вход необходимо подключить к выходу;
- информационные;
- разрешающие (стробирующие).
В выпускаемых цифровой мультиплексор имеет максимально 16 информационных входов. Если проектируемое устройство требует большего количества, в таком случае строится структура так называемого мультиплексорного дерева из нескольких микросхем.
Цифровой мультиплексор может использоваться для синтеза практически любого логического устройства, благодаря чему существенно снижается количество используемых в схемах логических элементов.
Правила синтеза приборов на базе мультиплексоров:
- строится карта Карно для выходной функции (по значениям переменных функций);
- выбирается порядок использования в схеме мультиплексора;
- строится маскирующая матрица, которая должна соответствовать порядку используемого мультиплексора;
- необходимо наложить полученную матрицу на карту Карно;
- после этого проводится минимизация функции отдельно для каждой области матрицы;
- на основе результатов минимизации необходимо построить схему.
Теперь от теории перейдем к практике. Рассмотрим, где же применяются такие устройства.
Гибкие мультиплексоры предназначены для формирования цифровых потоков (первичных) со скоростью 2048 кбит/с из (речь), а также данных цифровых интерфейсов кроссовой коммутации электронных каналов со скоростью 64 кбит/с, передачи цифрового потока по сети IP/Ethernet и для конвертации линейной сигнализации и физических стыков.
С помощью такого устройства можно скоммутировать до 60 (в некоторых моделях эта цифра может быть больше) аналоговых окончаний в 1 или 2 или 128 абонентских комплектов на четыре потока Е1. Обычно в качестве аналоговых окончаний выступают линии ТЧ, имеющие внутриполосную сигнализацию, либо сигнализация реализуется на отдельном канале. Данные речевых каналов могут сжиматься до 32 или 16 кбит/с на один канал, для этого используется кодировка АДИКМ.
Гибкие мультиплексоры позволяют использовать широковещательные соединения, то есть подавать сигналы с одного из цифровых или аналоговых каналов на несколько других. Часто применяются для подачи радиовещательных программ одновременно в несколько различных пунктов.
Оптические мультиплексоры - это приборы, предназначенные для работы с потоками данных при помощи световых пучков, которые различаются амплитудной или фазовой а также длиной волны. К достоинствам таких приборов можно отнести устойчивость к внешним воздействиям, техническую безопасность, защиту от взлома передаваемой информации.
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:
— аналоговые;
— цифровые.
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 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.
3.7. Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему единственному выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует управляющему двоичному коду.
Ну и частное определение: мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.
Структуру мультиплексора можно представить различными схемами, например, вот этой:
Рис. 1 – Пример схемы конкретного мультиплексора
Самый большой элемент здесь это элемент И-ИЛИ на четыре входа. Квадратики с единичками - инверторы.
Разберем выводы. Те, что слева, а именно D0-D3, называются информационными входами. На них подают информацию, которую предстоит выбрать. Входы А0-А1 называются адресными входами. Сюда и подается двоичный код, от которого зависит, какой из входов D0-D3 будет подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y . Вход С – синхронизация, разрешение работы.
На схеме еще есть входы адреса с инверсией. Это чтобы сделать устройство более универсальным.
На рисунке показан, как еще его называют, 4Х1 мультиплексор. Как мы знаем, что число разных двоичных чисел, которые может задавать код, определяется числом разрядов кода как 2 n , где n – число разрядов. Задавать нужно 4 состояния мультиплексора, а, значит, разрядов в коде адреса должно быть 2 (2 2 = 4).
Для пояснения принципа работы этой схемы посмотрим на её таблицу истинности:
Так двоичный код выбирает нужный вход. Например, имеем четыре объекта, и они подают сигналы, а устройство отображения у нас одно. Берем мультиплексор. В зависимости от двоичного кода к устройству отображения подключается сигнал от нужного объекта.
Микросхемой мультиплексор обозначается так:
Рис. 2 – Мультиплексор как МКС
Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и много выходов. Двоичный код определяет, какой выход будет подключен ко входу.
Другими словами, демультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких своих выходов и подключает его к своему входу или, ещё, это переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий один вход и несколько выходов.
Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода. И частное определение: демультиплексор - это устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный.
Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы двоичного кода в позиционный, в которых вводят дополнительный вход стробирования.
Из-за сходства схем мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексором и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.
Например, К561КП1, работающая как переключатель 8х1 и переключатель 1х8 (то есть, как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или выходами). Кроме того, в КМОП микросхемах помимо переключения цифровых сигналов (логических 0 или 1) существует возможность переключения аналоговых.
Другими словами, это переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами. К примеру, с помощью коммутатора можно переключать сигналы, поступающие на вход усилителя (селектор входов). Рассмотрим схему селектора входов УМЗЧ . Построим её с использованием триггеров и мультиплексора.
Рис. 3 - Селектор входных сигналов
Итак, разберем работу. На триггерах микросхемы DD1 собран кольцевой счетчик нажатий кнопки разрядностью 2 (два триггера - 2 разряда). Двухразрядный двоичный код поступает на адресные входы D0-D1 микросхемы DD2. Микросхема DD2 представляет собой сдвоенный четырехканальный коммутатор.
В соответствии с двоичным кодом к выходам микросхемы А и В подключаются входы А0-А3 и В0-В3 соответственно. Элементы R1, R2, C1 устраняют дребезг контактов кнопки.
Дифференцирующая цепь R3C2 устанавливает триггеры в нулевое состояние при включении питания, при этом к выходу подключается первый вход. При нажатии на кнопку триггер DD1.1 переключается в состояние лог. 1 и к выходу подключается второй вход и т. д. Перебор входов идет по кольцу, начиная с первого.
С одной стороны просто, с другой немного неудобно. Кто его знает, сколько раз нажали на кнопку после включения и какой вход подключен к выходу сейчас. Хорошо бы поставить индикатор подключенного входа.
Вспоминаем семисегментный дешифратор. Переносим дешифратор с индикатором на схему коммутатора и первые два входа дешифратора (на схеме обозначен как DD3), т. е. 1 и 2 (выводы 7 и 1) подключаем к прямым выходам триггеров DD1.1 DD1.2 (выводы 1 и 13). Входы дешифратора 4 и 8 (выводы 2 и 6) соединяем с корпусом (т. е. подаем лог. 0). Индикатор будет показывать состояние кольцевого счетчика, а именно цифры от 0 до 3. Цифра 0 соответствует первому входу, 1 - 2-му и т. д.
Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства, используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства, используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быть снова сгруппированы в параллельные данные.
Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства, используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства, используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быт ь снова сгруппированы в параллельные данные.
Мультиплексоры
Мультиплексор служит для объединения в единый транспортный поток цифровых потоков от различных источников – кодеров сжатия, выходов других мультиплексоров, выходов приемников – декодеров и т.д. Приходящие сигналы могут иметь разную временнýю базу (то есть формироваться с несколько различающимися тактовыми частотами), и задача мультиплексора – сформировать асинхронный поток с сохранением синхронизирующей информации каждого из компонентов.
Принцип действия мультиплексора основан на свойствах буфера памяти – информация записывается в него с одной тактовой частотой, а считывается с другой, более высокой частотой. Если представить себе цепочку последовательно соединенных буферов, синхронизированных таким образом, что выходные пачки импульсов не перекрываются во времени, это и будет мультиплексор.
Основным параметром мультиплексора считается выходная скорость транспортного потока, которая у большинства моделей составляет55…60 Мбит/с. Существуют и образцы со скоростью до 100 Мбит/с. Разумеется, устанавливаемая на выходе скорость потока должна быть по крайней мере не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Превышение скорости выходного потока компенсируется введением нулевых пакетов на выходе мультиплексора.
Демультиплексором называется функциональный узел компьютера, предназначенный для коммутации (переключения) сигнала единственного информационного входа D на один из n информационных выходов. Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени подается значение входного сигнала, определяется адресным кодом A0,A1…,Am-1. Адресные входы m и информационные выходы n связаны соотношением n2m. В качестве демультиплексора может быть использован дешифратор DC. При этом информационный сигнал подается на вход разрешения Е (от англ. enable – разрешение). Стробируемый демультиплексор с информационным входом D, адресными входами А1, А0 и стробирующим входом С показан на рисунке 2.1. Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора. Применительно к мультиплексорам и демультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.
Демультиплексоры используют для коммутации отдельных линий и многоразрядных шин, преобразования последовательного кода в параллельный. Как и мультиплексор, демультиплексор включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логическими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них (рис.1.1)