Multipleks

Kako naj več podatkov iz več virov pošiljamo po isti (pozor: eni!) prenosni poti?
Kako naj na isti vhod računalnika pošiljamo podatke iz več naprav?
Kako naj isti AD pretvornik uporabimo za pretvorbo več napetostnih signalov?

Multipleks je postopek, s katerim izmed več vhodnih kanalov (analognih signalov ali digitalnih stanj) izberemo enega, ki se prenese na izhod. Kanal izberemo s pomočjo izbirnih signalov.
Z uporabo multipleksa si lahko več naprav deli bodisi isti postopek, napravo ali prenosno pot.

Značilnosti multipleksa (MUX) so torej: več vhodnih "kanalov", eden izhodni kanal in ustrezno število izbirnih vhodov. Z izbirnimi vhodi iziramo kanal, s katerega signal ali podatke prenašamo na izhod multiplekserja. Ilustracija je na sliki.
Vsak od kanalov pride na vrsto na vsako četrto pretvorbo AD-pretvornika.

Slika: Ilustracija multipleksa. Z izbirnima vhodoma S₁ in S₀ izbiramo enega od 4 vhodnih kanalov.

Pri komunikacijskih omrežjih se uporablja tudi soroden (pravzaprav obraten) postopek, kjer se združeni podatkovni tok zopet razdeli napravam, katerim so bili namenjeni vhodni tokovi. Ta postopek se imenuje demultipleksiranje. Na sliki je prikazan shematičen prikaz para multipleks-demultipleks.

Slika: Multipleks in demultipleks. Pri demultipleksu z izbirnimi vhodi izbiramo,
na kateri izhodni kanal bomo usmerili vhodni signal ali tok podatkov.

Primeri uporabe multipleksa:

Pri analogno-digitalni pretvorbi večjega števila signalov potrebujemo z uporabo multipleksa en sam analogno-digitalni pretvornik. »Kanal«, ki bo dobil dostop do AD pretvornika, lahko izberemo s selekcijskimi krmilnimi signali. Ker je AD pretvornik relativno drag element, to pomeni prihranek.
Več telefonskih pogovorov (digitaliziranih, v obliki podatkov) lahko z uporabo multipleksa poteka po isti fizični povezavi. Kanali pošiljajo svoje podatke po skupni poti ciklično vsak določen kratek čas. Z multipleksom tako bolje izkoristimo kapaciteto povezave in s tem prihranimo. Opomba: pogovori, spremenjeni v podatke, se morajo prenašati v »stisnjeni« obliki ("hitreje kot poteka govor"). V eni sekundi se mora namreč prenesti enosekundni posnetek govora vseh priključenih naprav, sicer bi v pogovoru imeli »luknje«.
Več radijskih povezav lahko poteka istočasno preko istega "prostora", le na različnih frekvenčnih območjih.
Pri računalniških komunikacijah naprava multiplekser skrbi za zlivanje podatkovnih tokov v skupni podatkovni tok, ki se nato prenaša po eni fizični liniji. Na drugi strani je seveda potreben obraten postopek, ki napravam na drugi strani »razdeli« njim namenjene podatkovne tokove.

Za izvedbo multipleksa moramo uporabiti elektronsko (integrirano) vezje – multiplekser, oziroma istoimensko napravo.

Če želimo multipleksirati analogne signale, potrebujemo analogni multiplekser.
Če pa želimo multipleksirati digitalne signale, potrebujemo digitalni multiplekser.
Če želimo multipleksirati digitalne podatkovne tokove, potrebujemo ITK napravo multiplekser, ki je v bistvu digitalni multiplekser..

Analogni multiplekser

...uporabljamo za analogne merilne, video in druge signale, ki si na ta način delijo skupni AD-pretvornik.

Sestava na sliki je običajen sestavni del pri vmesnikih za merjenje signalov iz senzorjev in drugih virov, ko niso potrebne najvišje hitrosti AD pretvorbe.

Slika: Analogni multipleks uporabljamo pri merjenju večjega števila signalnih napetosti, v tem primeru 4.
Za vse štiri uporabimo isti AD pretvornik. Pogosta možnost je ciklično izbiranje kanalov in s tem
merjenje vseh kanalov navidezno vzporedno (istočasno).

Analogni signali so priključeni na vhode analognega multiplekserja. Z izbirnima signaloma S1 in S0 izberemo, kateri od signalov naj dobi električno "prevodno pot" do izhodne sponke, ki vodi na nadaljnjo analogno obdelavo (ojačenje, filtriranje...) ter končno na analogno digitalni pretvornik. Kanale lahko izbiramo programsko, prav tako tudi različne režime izbiranja kanalov: ciklično, samo izbrani kanal in podobno.

Jedro postopka je integrirano vezjeza analogni multipleks. Na spodnji sliki je primer takšnega vezja ter primer elektronskega vezja, ki je izdelano za opisani namen.

Slika integriranega vezja analognega multiplekserja / demultiplekserja.
Vezje lahko deluje tudi kot demultiplekser, ko je naloga obratna: en analogni signal "razdeljujemo" večjemu številu naprav.

Kartica za multipleks analognih signalov

Slika vezja, ki sprejme 16 analognih signalov, jih predojači in pošlje po
enem izhodnem kanalu k AD pretvorniku, nameščenem v računalniku.
Možna je kaskadna vezava takšnih multiplekserjev, s čimer
lahko sprejmemo še veliko več analognih signalov.

Digitalni multiplekser

Digitalni multiplekser je vezje, ki "nultipleksira" digitalne signale.
Iz skupine vhodnih digitalnih signalov se z izbirnimi krmilnimi signali izbire eden, ki se "prenese" na izhodni priključek. S primernim izbiranjem lahko izbiramo vhodne signale po želenem režimu - krožno, samo posamezen kanal itd.

Slika: Logično vezje digitalnega (dvojnega) multiplekserja. Ugotovimo lahko, da je izhodni signal v resnici logična funkcija vhodnih signalov (Ci) in krmilnih signalov (SELECTA,B). S signaloma STROBE lahko vezje onemogočimo (izhode prisilimo v stanje 0).

Fizični izgled (tloris) tega integriranega vezja.

Električno gledano sta analogni in digitalni multiplekser v zasnovi različni vezji.

Multiplekser – ITK naprava

iz sveta svetu informacijske in komunikacijske tehnologije (IKT) skrbi za zvezo med več pari oddaljenih računalnikov po skupni prenosni poti. Cilj in ideja sta podobna kot pri obravnavanem multipleksu.

Slika: Multiplekser - ITK naprava

Tehnična izvedba multipleksa

Če želimo trajno delovanje multipleksa - ne le posamezne občasne izbire kanalov - mora biti izbiranje kanalov tekoče.
Kako lahko več signalov istočasno poteka po isti liniji?

Razpoložljivo kapaciteto fizičnega kanala (prenosnega sredstva) je treba razdeljevati vsem logičnim kanalom.

Glede na to, kaj se pri uporabi skupne prenosne poti "razdeljuje", ločimo

časovni multipleks, vsaka naprava dobiva skupno prenosno sredstvo na razpolago za kratek čas,
frekvenčni multipleks, vsaka naprava dobi na voljo del razpoložljive pasovne širine (določeno območje nosilnih frekvenc, na katerih lahko pošilja)
valovnodolžinski multipleks (pri optičnih prenosih podatkov), kjer vsaka naprava dobi na razpolago svojo "barvo" svetlobe, s katero prenaša svoje signale

Podrobneje ...

Kaskadna vezava multiplekserjev omogoča nadaljnjo koncentracijo signalov. Podatkovni promet iz več multiplekserjev prevzema nadrejeni multiplekser. Pri tem mora "nadrejeni" multiplekser omogočati takšno prenosno kapaciteto (hitrost prenašanja podatkov), kot je seštevek prenosnih kapacitet nanj priključenih naprav.

PREIZKUSI SVOJE ZNANJE!

1. NALOGA:
a) Iz logične sheme digitalnega multiplekserja preriši samo tista logična vrata, ki sodelujejo pri izbiranju enega od vhodnih signalov, na primer signal 1C0.

b) Zapiši logično funkcijo za del vezja iz prejšnje naloge.

c) Določi logična stanja izbirnih signalov SELECT A, SELECT B, STROBE G1, da se bo na izhod "preneslo" stanje z vhoda 1C0?

d) Zapiši zaporedje krmilnih signalov SELECT A, SELECT B, STROBE G1, pri katerem bodo vhodni kanali izbrani eden za drugim (1C0 --> 1C1 --> 1C2 --> 1C3) ?

e) Na spodnji sliki je prikazana uporaba multiplekserja in demultiplekserja. Razloži učinek skupnih krmilnih signalov S₂, S₁ in S₀ za oba sklopa:

ODGOVORI