Технология dwdm принцип работы

Структура мультиплексора

Узнать о схеме мультиплексора можно из специального плана, которым оснащено каждое, поступающее в продажу, устройство. Поступающая информация логического типа попадает на концы коммутатора, и затем через него идет к выходу. На вход попадают данные об адресных каналах, из которых исходит вся поступающая информация.

Сам мультиплексор может иметь свой вход управления, дающий право на проход по каналу входа до канала выхода. Также существуют мультиплексоры с тремя вариациями расположения входа и выхода и системы работы. Все особенности структуры мультиплексора зависят от его модели, их можно уточнить сразу при покупке или на сайте производителя.

Не стоит забывать про этот аспект, ведь два внешне похожих друг на друга мультиплексора могут разительно отличаться друг от друга по своим характеристикам.

Что такое демультиплексор

Демультиплексор является логическим прибором, требуемым для выбора канала подачи сигнала на выбранный пользователем информационный выход. По факту он является полной противоположностью мультиплексору.

В нем информация наоборот проходит от выхода ко входу, что позволяет подобному устройству качественно работать в паре с правильно подобранным мультиплексором. При отправке информации по общему сигналу с делением по времени хода требуется применение обоих устройств (и мультиплексора и демультиплексора) для распределения данных сигнала между приемниками информации.

В основе схемы прибора используется примитивный дешифратор двоичного кода. Нужно уточнить, что такое применение дешифратора может сильно упростить строение демультиплексора за счет простоты конфигурации самого вторичного устройства. Для этого нужно к каждому логическому элементу добавить дополнительный вход. Иначе подобное устройство называют дешифратором, имеющим вход разрешения работы.

Регулируемый усилитель

Наряду с отправкой параллельных данных в последовательном формате по одной линии передачи или соединению, другое возможное использование многоканальных мультиплексоров — в устройствах цифрового аудио в качестве микшеров или где, например, усиление аналогового усилителя может регулироваться цифровым образом.

Усилитель с цифровой регулировкой

Здесь усиление напряжения инвертирующего операционного усилителя зависит от соотношения между входным резистором R _IN и его резистором обратной связи Rƒ, как определено в руководствах по операционному усилителю.

Один 4-канальный SPST-переключатель, сконфигурированный как мультиплексор 4-к-1 канала, соединен последовательно с резисторами, чтобы выбрать любой резистор обратной связи для изменения значения Rƒ . Комбинация этих резисторов будет определять общее усиление напряжения усилителя ( Av ). Затем усиление напряжения усилителя можно отрегулировать цифровым способом, просто выбрав соответствующую комбинацию резисторов.

Цифровые мультиплексоры иногда также называют «селекторами данных», поскольку они выбирают данные для отправки на выходную линию и обычно используются в коммуникационных или высокоскоростных коммутационных сетях, таких как приложения LAN (локальная вычислительная сеть) и интернет.

Некоторые интегральные микросхемы имеют один инвертирующий элемент, подключенный к выходу, чтобы обеспечить положительный логический выход (логическая «1») на одном элементе и дополнительный отрицательный логический выход (логическая «0») на другом элементе.

Можно сделать простые схемы мультиплексора из стандартных элементов «И» и «ИЛИ», как мы видели выше, но обычно мультиплексоры / селекторы данных доступны в виде стандартных пакетов ic, таких как общий мультиплексор с 8 входами в 1 TTL 74LS151 или TTL 74LS153 Dual Мультиплексор 4 входа на 1 линию. Схемы мультиплексора с гораздо большим числом входов могут быть получены путем каскадного соединения двух или более устройств меньшего размера.

Символ мультиплексора на схеме

Мультиплексоры не ограничиваются простым переключением нескольких различных входных линий или каналов на один общий выход. Существуют также типы, которые могут переключать свои входы на несколько выходов и иметь конфигурации 4-к-2, 8-к-3 или даже 16-к-4 и т.д. И пример простого двухканального 4-входного мультиплексора (4- к-2) приводится ниже:

Здесь, в этом примере, 4 входных канала переключаются на 2 отдельные выходные линии, но возможны и более крупные конфигурации. Эту простую конфигурацию 4-в-2 можно использовать, например, для переключения аудиосигналов для стерео предварительных усилителей или микшеров.

Описание и принцип работы

Мультиплексирование — это общий термин, используемый для описания операции отправки одного или нескольких аналоговых или цифровых сигналов по общей линии передачи в разное время или на разных скоростях, и как таковое устройство, которое мы используем для этого, называется мультиплексором. Приобрести мультиплексор вы можете на Алиэкспресс:

Мультиплексор, сокращенно «MUX» или «MPX», представляет собой комбинационную логическую схему, предназначенную для переключения одной из нескольких входных линий на одну общую выходную линию с помощью управляющего сигнала. Мультиплексоры работают как быстродействующие многопозиционные поворотные переключатели, соединяющие или контролирующие несколько входных линий, называемых «каналами», по одному за раз.

Мультиплексоры могут представлять собой либо цифровые схемы, выполненные из высокоскоростных логических элементов, используемых для переключения цифровых или двоичных данных, либо они могут быть аналоговыми типами, использующими транзисторы, полевые МОП-транзисторы или реле для переключения одного из входов напряжения или тока на один выход.

Основным типом мультиплексора является однонаправленный поворотный переключатель, как показано на рисунке.

Поворотный переключатель, также называемый пластинчатым переключателем, поскольку каждый слой переключателя известен как пластина, представляет собой механическое устройство, вход которого выбирается вращением вала. Другими словами, поворотный переключатель — это ручной переключатель, который можно использовать для выбора отдельных линий данных или сигналов, просто повернув его входы «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Итак, как мы можем выбрать каждый ввод данных автоматически с помощью цифрового устройства.

В цифровой электронике мультиплексоры также известны как селекторы данных, поскольку они могут «выбирать» каждую входную линию и состоят из отдельных аналоговых переключателей, заключенных в единый пакет ИС, в отличие от селекторов «механического» типа, таких как обычные переключатели и реле.

Они используются в качестве одного из методов уменьшения количества логических элементов, требуемых в конструкции схемы, или когда требуется, чтобы одна линия данных или шина данных передавали два или более различных цифровых сигналов. Например, один 8-канальный мультиплексор.

Как правило, выбор каждой входной линии в мультиплексоре контролируется дополнительным набором входов, называемых линиями управления, и в соответствии с двоичным состоянием этих управляющих входов, либо «ВЫСОКИМ», либо «НИЗКИМ», соответствующий вход данных подключается напрямую к выходу. Обычно мультиплексор имеет четное количество 2 n строк ввода данных и количество «управляющих» входов, которые соответствуют количеству входов данных.

Обратите внимание, что мультиплексоры отличаются по работе от кодеров. Кодеры могут переключать n-битный шаблон ввода на несколько выходных строк, которые представляют двоичный кодированный (BCD) выходной эквивалент активного входа. Мы можем построить простой мультиплексор 2 в 1 из базовых логических «НЕ И» элементов, как показано на рисунке

Мы можем построить простой мультиплексор 2 в 1 из базовых логических «НЕ И» элементов, как показано на рисунке.

Устройство

Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Коммутатор обслуживает управляющая схема, в которой имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие).

Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n{\displaystyle n} и числом адресных входов m{\displaystyle m} действует соотношение n=2m{\displaystyle n=2^{m}}, то такой мультиплексор называют полным. Если n<2m{\displaystyle n<2^{m}}, то мультиплексор называют неполным.

Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всего устройства.

В качестве управляющей схемы обычно используется дешифратор. В цифровых мультиплексорах логические элементы коммутатора и дешифратора обычно объединяются.

Обобщённая схема мультиплексора

Обобщённая схема мультиплексора.

Входные логические сигналы X_i поступают на входы внутреннего коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаётся слово адресных сигналов A_k (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), иногда этот вход обозначают на схемах CS (от англ. Chip Select — «выбор микросхемы»), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y. Логический уровень разрешающего сигнала в разных конкретных моделях мультиплексоров может быть как логическая 1, так и логический 0, но в подавляющем количестве типов мультиплексоров выпускаемых промышленностью разрешающий сигнал логический 0. В разных типах мультиплексоров при запрещающем состоянии передачи на входе E на выходе Y может быть состояние 0 или 1.

Кроме этого, некоторые мультиплексоры имеют выход, который может принимать три состояния: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние — отключённый выход (высокоимпедансное состояние, часто говорят, Z-состояние — выходное сопротивление велико, выходной внутренний логический вентиль отключается от выхода специальным внутренним ключом). Такое техническое решение облегчает наращивание количества входных сигналов мультиплексора каскадированием нескольких микросхем мультиплексоров, при этом выходы микросхем просто электрически соединяются. Перевод мультиплексора в третье состояние производится подачей на вход OE (от англ. Output Enable) логической 1, чаще логического 0 — опять же зависит от модели конкретного мультиплексора.

Логическая схема мультиплексора[править]

Основная статья: Шифратор и дешифратор

Заметим, что дешифратор имеет входов и выходов, причём на все выходы дешифратора подаётся кроме выхода , на который подаётся , где — число, которое кодируется его входами.

Тогда давайте построим дешифратор -to- (это значит, что у дешифратора имеется входов и выходов), на вход ему подадим значения входов , , , , а выходы этого дешифратора обозначим как , , , , а потом с помощью гейта соединим выход дешифратора с входом мультиплексора, потом соединим все гейты с выходом с помощью гейта , у которого входов и один выход. Давайте разберёмся, почему эта схема правильная: очевидно, что если входы , , кодируют вход , то это значит, что только выход дешифратора будет иметь , тогда как на остальных выходах будет , значит, что значения на входах , , , , , , на ответ никак повлиять не могут. Теперь, если на входе было , то на выходе будет , если же на входе был , то на выходе будет .

Краткий обзор мультиплексора

Мультиплексоры являются коммутационными цепями, которые просто переключают или направляют сигналы через себя, и, будучи комбинационной схемой, они не имеют памяти, поскольку нет пути обратной связи по сигналам. Мультиплексор является очень полезной электронной схемой, которая используется во многих различных устройствах, таких как маршрутизация сигналов, передача данных и приложения управления шиной данных.

При использовании с демультиплексором параллельные данные могут передаваться в последовательной форме по одному каналу передачи данных, например по оптоволоконному кабелю или телефонной линии, и снова преобразовываться в параллельные данные. Преимущество состоит в том, что требуется только одна последовательная строка данных вместо нескольких параллельных линий данных. Поэтому мультиплексоры иногда называют «селекторами данных», так как они выбирают данные в линию.

Мультиплексоры также могут использоваться для коммутации аналоговых, цифровых или видеосигналов, причем ток переключения в аналоговых цепях питания ограничен величиной от 10 мА до 20 мА на канал, чтобы уменьшить тепловыделение.

В следующей статье о комбинационных логических устройствах мы рассмотрим противоположность мультиплексора, называемого демультиплексором, который занимает одну входную линию и соединяет ее с несколькими выходными линиями.

2-х канальный мультиплексор

Вход А этого простого мультиплексора схемы 2-1, построенной из стандартных логических элементов действует, чтобы контролировать какой вход (I  или I ₁ ) передается на выход Q.

Из приведенной выше таблицы истинности мы можем видеть, что, когда вход выбора данных A в логике 0, вход I ₁ передает свои данные через схему мультиплексора логического элемента «НЕ И» на выход, в то время как вход I блокируется. Когда выбор данных A в логике 1, происходит обратное, и теперь вход I  передает данные на выход Q, в то время как вход I ₁ блокируется.

Таким образом, применяя либо логическую «0», либо логическую «1» в точке A, мы можем выбрать соответствующий вход, I  или I _1, при этом схема будет немного похожа на однополюсный переключатель двойного хода (SPDT).

Поскольку у нас есть только одна линия управления, (A), то мы можем переключать только 2 1 входа, и в этом простом примере 2-входной мультиплексор соединяет один из двух 1-битных источников с общим выходом, создавая 2-в-1 мультиплексор. Мы можем подтвердить это в следующем булевом выражении.

и для нашей схемы 2-входного мультиплексора можно упростить к:

Мы можем увеличить количество входных данных, которые будут выбраны в дальнейшем, просто следуя той же процедуре, и более крупные схемы мультиплексоров могут быть реализованы с использованием меньших 2-в-1 мультиплексоров в качестве их основных строительных блоков. Таким образом, для мультиплексора с 4 входами нам потребуется две строки выбора данных, поскольку 4 входа представляют 2 2 линии управления данными, дающие схему с четырьмя входами, I  , I ₁ , I ₂ , I ₃ и двумя линиями выбора данных A и B, как показано.

Сферы применения

Мультиплексоры могут применяться в делителях частоты, триггерных и сдвигающих устройствах, пр. Также используются для превращения параллельного двоичного кода в последовательный.

На практике чаще всего приборы используются в телекоммуникациях, видеонаблюдении, записи. Применение мультиплексора в сетях связи снижает себестоимость обслуживания сети.

С таким оборудованием организация передачи ста/двести разговорных сигналов происходит без прокладки телефонного кабеля. Стоканальный и более прибор прекрасно справляется с поставленными задачами. А экономия существенная.

Также мультиплексоры эффективны при организации видеоконференцсвязи. Двухсторонняя передача данных, обработка, отображение данных в реальном времени на расстоянии – часть функций, которые выполняет коммутатор.

Технический центр «ЖАиС» продает мультиплексоры, системы сбора данных и коммутации от ведущих производителей. Хотим частично ознакомить вас с предлагаемым ассортиментом.

Знакомство с принципом работы мультиплексора и демультиплексора; получение навыков работы по определению временных диаграмм и составлению таблиц соответствия

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ ИДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ

Цель работы: знакомство с принципомработы мультиплексора и демультиплексора; получение навыков работы по определению временных диаграмм и составлению таблицсоответствия.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Мультиплексорыи демультиплексоры – логические схемы, осуществляющие многопозиционнуюкоммутацию цифровых сигналов.

Мультиплексор– логическая схема, осуществляющая коммутацию цифровых сигналов с одного входана один из нескольких выходов, в зависимости от состояния адресных входов (кодаадреса).

Демультиплексор– логическая схема, осуществляющая коммутацию цифровых сигналов с одного изнескольких входов на один выход, в зависимости от состояния адресных входов(кода адреса).

Входы:информационные; адресные и разрешающие (стробирующие) (служебные).

Выходы:информационные (прямые и/или инверсные).

Мультиплексорымогут быть объединены для наращивания разрядности. 2 способа: в пирамидальнуюсхему либо последовательным соединением разрешающих входов и внешних логическихэлементов. Так же могут быть объединены демультиплексоры.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Мультиплексор:

1) 0110

2) 10010011

Демультиплексор:

1) 1000

2) 10010001

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Таблицысоответствия:

Таблица 1 –четырехразрядный мультиплексор:

Таблица 2 –восьмиразрядный  мультиплексор:

Таблица 3 –четырехразрядный демультиплексор:

Таблица 4 –восьмиразрядный демультиплексор:

Временные диаграммы:

Диаграмма 4 – восьмиразрядный  демультиплексор:

Вывод. Впроцессе выполнения работы мы на практике познакомились с работоймультиплексора и демультиплексора, а также получили практические навыки посоставлению временных диаграмм и таблиц соответствия.

Устройство

Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Коммутатор обслуживает управляющая схема, в которой имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие).

Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n{\displaystyle n} и числом адресных входов m{\displaystyle m} действует соотношение n=2m{\displaystyle n=2^{m}}, то такой мультиплексор называют полным. Если n<2m{\displaystyle n<2^{m}}, то мультиплексор называют неполным.

Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всего устройства.

В качестве управляющей схемы обычно используется дешифратор. В цифровых мультиплексорах логические элементы коммутатора и дешифратора обычно объединяются.

Обобщённая схема мультиплексора

Обобщённая схема мультиплексора.

Входные логические сигналы X_i поступают на входы внутреннего коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаётся слово адресных сигналов A_k (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), иногда этот вход обозначают на схемах CS (от англ. Chip Select — «выбор микросхемы»), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y. Логический уровень разрешающего сигнала в разных конкретных моделях мультиплексоров может быть как логическая 1, так и логический 0, но в подавляющем количестве типов мультиплексоров выпускаемых промышленностью разрешающий сигнал логический 0. В разных типах мультиплексоров при запрещающем состоянии передачи на входе E на выходе Y может быть состояние 0 или 1.

Кроме этого, некоторые мультиплексоры имеют выход, который может принимать три состояния: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние — отключённый выход (высокоимпедансное состояние, часто говорят, Z-состояние — выходное сопротивление велико, выходной внутренний логический вентиль отключается от выхода специальным внутренним ключом). Такое техническое решение облегчает наращивание количества входных сигналов мультиплексора каскадированием нескольких микросхем мультиплексоров, при этом выходы микросхем просто электрически соединяются. Перевод мультиплексора в третье состояние производится подачей на вход OE (от англ. Output Enable) логической 1, чаще логического 0 — опять же зависит от модели конкретного мультиплексора.

Методы мультиплексирования

Для выполнения частотного мултиплексирования, нужно для каждого потока выделить персональный частотный период. До начала процесса работы с сигналами требуется переместить спектр каждого канала, находящегося в другой частоте, чтобы они не смогли контактировать с другими сигналами.

Также для максимальной надежности, между частотами создают небольшие интервалы, обеспечивающие дополнительную защиту. Этот способ используется в электрических и оптических линиях. Использование этой защиты является необходимым, так как при ее отсутствии возможна потеря сигнала, которая может повлечь за собой неприятные последствия. Кроме того защита обеспечивает устойчивость сигнала, сохраняя его на качество на протяжении всего пути от входа в устройство до выхода из него.

Также существует временной вариант мультиплексирования, использующийся при отправке сигнала в сплошном потоке, на передаче которого затрачивается какой-то промежуток времени. Для выполнения этого способа нужно обеспечить доступ циклов к общей среде перенаправления потоков, входящих на небольшой промежуток времени.

Нужно учесть, что требуется устранить возникновение накладки каналов друг на друга, так как это перемешивает получаемую информацию. Данный метод обычно применяется в работе с цифровыми каналами связи, которые требуют в работе чуть больше времени, чем аналоговые.

Соответственно, использование временного метода обеспечивает наилучшую сохранность данных, что рационально при использовании с цифровыми мультиплексорами.

Выбор выходной линии демультиплексора

Как и в предыдущей схеме мультиплексора, добавляя больше входов адресной строки, можно переключать больше выходов, давая от 1 до 2 n выходов линии данных.

Некоторые стандартные микросхемы демультиплексора также имеют дополнительный вывод, который отключает или предотвращает передачу входа на выбранный выход. Также некоторые имеют встроенные защелки на своих выходах для поддержания логического уровня на выходе после изменения адресных входов.

Однако в схемах стандартного типа декодера адресный вход будет определять, какой из отдельных выходных данных будет иметь то же значение, что и входные данные со всеми другими выходными данными, имеющими значение логического «0».

Реализация вышеуказанного логического выражения с использованием отдельных логических элементов потребует использования шести отдельных элементов, состоящих из элементов «И» и «НЕ», как показано ниже.