Computer and Communication (IT/CPE)
Multiplexing
Paramate Horkaew
School of Computer Engineering
Institute of Engineering, Suranaree University of Technology
Lecture Outline• Frequency Division Multiplexing
– FDM Multiplex/ Demultiplex– Analog Hierarchy– FDM Applications and Implementations
• Wave Division Multiplexing• Time Division Multiplexing
– Time Slots and Frame– Interleaving, Synchronizing, Bit Padding– Digital Signal (DS) Services– T Lines – Inverse TDM– TDM Applications
Multiplexing (MUX)ในกรณีที่ Bandwidth ของตัวกลาง กวางกวา Spectrum ของอุปกรณคูสื่อสาร ตัวกลางดังกลาวสามารถใชสงสัญญาณรวมกันได เพื่อใหการใชตัวกลางนั้นเกิดประสิทธิภาพสูงสุด
Multiplexingคือ เทคนิค ที่ใชสําหรับบริหารจัดกลาง ตัวกลาง 1 เสนทาง เพื่อใหสามารถใชสงสัญญาณ หลายสัญญาณ พรอมๆ กันได
Many-to-1 1-to-Many
Categories of MUX• FDM และ WDM ใชสําหรับ สัญญาณ Analog• TDM ใชสําหรับ สัญญาณ Digital
Frequency Division MUXBandwidth ของตัวกลาง กวางกวา Spectrum รวม ของสัญญาณที่ตองการสงทั้งหมด
สัญญาณขาวสารแตละสัญญาณจะถูก Modulate ดวย Carrier Signals ที่มีความถี่ตางกัน (เรียกวา Channels) ผลลัพธที่ไดจะเปนสัญญาณ Composite ซึ่งสงผานไปในตัวกลาง โดยมีเงื่อนไขดังนี้
• Carrier Signal แตละความถี่ตองมี ระยะหางที่พอเหมาะ สําหรับผสมสัญญาณขาวสารได
• Carrier Signal ตองมีความถี่ ไมซอนทับกับชวงของ Spectrum ของขาวสาร
Multiplexing Processอุปกรณดานสง ใหกําเนิดขาวสารในรูปสัญญาณ Analog ที่มี Spectrum ใกลเคียงกัน (อยูในยานเดียวกัน)
สัญญาณขาวสารจะถูก Modulate กับสัญญาณพาหะ (Carrier) ที่มีความถี่ตางๆ กัน (f1, f2, f3, …)
สัญญาณผลลัพธที่ไดจะนํามา บวก กันเปน Composite Signal สงไปในตัวกลาง
Demultiplexing Processอุปกรณ DEMUX จะใชอนุกรมของ Filter ที่ความถี่ตางๆ (f1, f2, f3,… ) เพื่อแยก Composite Signal ออกเปนชุดของสัญญาณที่ Modulate กอนทํา MUX
อุปกรณ Demodulator ทําหนาที่แยกสัญญาณ Carrier ออกจากสัญญาณขาวสารในสัญญาณที่ Modulate แตละชุด
อุปกรณดานรับ รับสัญญาณขาวสารที่จําแนกมาได เปนการสื่อสารที่ครบวงจร
Practical MUX/DEMUXExample 1Example 1
สมมติใหการสื่อสารดวยเสียงพูดมี Bandwidth เทากับ 4 KHz
ถาหากตองการรวมสัญญาณเสียงจํานวน 3 ชองทาง เพื่อสงผานตัวกลาง (Link) ซึ่งมี Bandwidth เทากับ 12 KHz โดยเริ่มจาก 20 ถึง 32 KHz
จงแสดงวิธีการ MUX/DEMUX สัญญาณใน Frequency Domain
SolutionSolution
เลื่อน (Modulate) สัญญาณเสียงแตละชอง ไปยังชวง Bandwidth ที่ตาง 3 ชวง ดังรูป
Example
Guard Band (GB)ในการ MUX สัญญาณที่ Modulate ในแตละชวง จะตองเวนระยะ (Guard Band)พอสมควร เพื่อปองกัน การรบกวน/ซอนทับ กันระหวางชอง เชนถาสัญญาณในแตละชองมี BW 100 kHz และตองการ GB = 10 kHz จงหา BW ของตัวกลาง
BWmedium = 5 × 100 + 4 × 10 = 540 kHz
Design Exampleตองการสงขอมูล Digital จํานวน 4 ชอง โดยแตละชองมีความเร็ว 1 Mbps ดวยดาวเทียม ซึ่งมี Bandwidth 1 MHz จงออกแบบการ Modulate/MUX ที่เหมาะสม
4 Baud
ออกแบบยอนกลับออกแบบยอนกลับ
Analog Hierarchyคือการทํา MUX เปนลําดับขั้น จากตัวกลางซึ่งมี BW แคบ ไปรวมกันที่ตัวกลางซึ่งมี BW กวาง
ตัวอยาง Analog Hierarchy ที่มีการใชงานโดย AT&T ซึ่งแบงออกเปน 4 ลําดับขั้น
มีการพิจารณา Guard Band ดวย
Design Exampleตองการสงขอมูล Digital จํานวน 4 ชอง โดยแตละชองมีความเร็ว 1 Mbps ดวยดาวเทียม ซึ่งมี Bandwidth 1 MHz จงออกแบบการ Modulate/MUX ที่เหมาะสม
4 Baud
ออกแบบยอนกลับออกแบบยอนกลับ
FDM Applicationsวิทยุ AM• สัญญาณเสียงในวิทยุ AM แตละสถานีตองการ Bandwidth 10 kHz
• ในการสื่อสารโทรคมนาคม ระบบวิทยุ AM ไดรับการจัดสรรตัวกลาง (คลื่นความถี่ในอากาศ) ในชวง 530 ถึง 1700 kHz (BW = 1170)
• เครื่องรับสามารถเลือกรับสัญญาณเสียงจากสถานีที่ตองการดวยการ Tuning
วิทยุ FM• คลายกับ AM แตละสถานีมี Bandwidth 200 kHz (คลอบคลุมยานความถี่กวางกวา ทําใหสัญญาณเสียงชัดเจนกวา)
• ระบบวิทยุ FM ไดรับการจัดสรรความถี่ในชวง 88 ถึง 108 MHz
โทรศพทเคลื่อนที่ยุคแรก• ผูใชแตละรายจะไดรับการจัดสรร BW ขนาด 30 kHz จํานวน 2 ชอง (รับ/สง) โดยที่แตละชองไดจากการ Modulate กับสัญญาณเสียง BW 3 kHz
FDM Applicationsโทรทัศน สัญญาณภาพและเสียงไดรับการจัดสรร สถานีละ 6 MHz
1 ภาพ มีความถี่ 25 Hz ประกอบดวยจํานวนเสนสแกน 625 เสน (64 µs/เสน)
ในชวง 52 µs ของเสนสแกนแตละเสนประกอบดวย 384 จุดภาพ (7 MHz)
ในทางปฎิบัติสงภาพดวยความถี่ 5.5 MHz ไมปรากฏการลดทอนที่เห็นไดชัด
เมื่อรวมกับสัญญาณสี (Chromatic) และเสียงแลว แตละสถานีมี BW = 6 MHz
ExampleExample 4Example 4
Advanced Mobile Phone System (AMPS) ใชแถบความถี่สองชวง ชวงแรก 824 ถึง 849 MHz สําหรับการสง และชวงที่สอง 869 ถึง 894 MHz สําหรับการรับ สัญญาณเสียงมี BW 3 kHz ผานการ Modulate ดวย FM ทําใหมี BW เทากับ 30 kHz ดังนั้น ผูใชแตละรายตองการ BW 30 kHz ในแตละเสนทาง
จงหาวา ณ ขณะใดๆ มีผูสามารถใชระบบ AMPS พรอมกันไดกี่ราย
SolutionSolution
แตละแถบความถี่มี BW เทากับ 25 MHz ถาหาร 25 MHz ดวย 30 KHz จะได 833.33 แตในทางปฏิบัติจะแบงเปน 832 ชอง
Wave Division MUXWDM ถูกออกแบบมาใชสําหรับการสื่อสารขอมูลควาเร็วสูงดวยใยแกวนําแสง
แนวคิดของ WDM คลายกับ FDM คือทําการ MUX ขอมูลโดยใชสัญญาณพาหะตางความถี่ ตางกันตรงที่ ความถี่นี้มีคาสูงมาก จนอยูในยานความถี่แสง
หลักการของ WDM ใชวิธีการผสมแสงซึ่งมีแถบความถี่แคบ (ความยาวคลื่นสั้น) เขาดวยกันเปนแสงที่มีแถบความถี่กวาง
การทํา MUX และ DEMUX จะใชหลักการทางฟสิกสของแสง
WDM Principalsเทคโนโลยีการทํา WDM (เชนในระบบ SONET) มีความซับซอนมาก แตสามารถอธิบายไดโดยทฤษฎีฟสิกสพื้นฐานดังนี้
ทางดานสง (MUX) ตองการรวมแสงที่มีความยาวคลื่นตางกันเขาดวยกัน
ทางดานรับ (DEMUX) ตองการแยกแสงที่มีความยาวคลื่นตางกันออกจากกัน
อุปกรณที่ทําหนาที่นี้คือ Prism ที่หักเหแสงความถี่ตางกัน ดวยมุมตางกัน ดังรูป
Time Division MUXTDM คือกระบวนการทาง Digital สําหรับการใชงาน Bandwidth ของตัวกลางรวมกัน
การเชื่อมตอ (Connection) ในแตละคูจะใช “ชวงเวลา” หนึ่งในตัวกลาง ดังรูป
สังเกตวามีเพียงการเชื่อมตอเดียวเหมือนกับ FDM ทวาแตละสวนจะถูกจัดสรรทางเวลา แทนที่จะเปนความถี่
Time Slot and Framesขอมูลในแตละการเชื่อมตอจะถูกแบงเปน Unit ซึ่งใชชวงเวลา 1 Time Slot ใน Link
MUX จะรวมขอมูลแตละ Unit สําหรับทุกการเชื่อมตอ เรียกวา Frame
เพื่อควบคุบอัตราการไหลของขอมูล ความเร็วของ Link ตองมีขนาดเปน n เทาของอัตราเร็วของขอมูล เมื่อ n คือจํานวนการเชื่อมตอ
อีกนัยหนึ่ง Bit Interval/Duration ของขอมูลที่อุปกรณตองกวางเปน n เทาของที่ Link
Example
Example 5Example 5
ตองการทํา MUX การสื่อสารความเร็ว 1 Kbps จํานวน 4 การเชื่อมตอ กําหนดให ขอมูล 1 Unit มีขนาด 1 Bit จงหา (1) Bit Duration ของขอมูล 1 Bit กอนการทํา Multiplex (2) Transmission Rate ของ Link (3) ชวงเวลาของ 1 Time Slot และ (4) ชวงเวลาของ 1 Frame
SolutionSolution
ตอบคําถามไดดังนี้ตอบคําถามไดดังนี้
1. Bit Duration ของขอมูล 1 Bit คือ 1/1 Kbps หรือ 0.001 s (1 ms)2. อัตราเร็วของ Link คือ 4×1 = 4 Kbps3. ชวงเวลาของแตละ Time Slot คือ 1/4 ms หรือ 250 ms4. ชวงเวลาของแตละ Frame คือ 1 ms
Interleavingสามารถจินตนาการ TDM เหมือนการเชื่อมตอ ดวยสวิทชหมุนสองชุด ซึ่งทํางานเขาจังหวะซึ่งกันและกัน
InterleavingInterleaving
เมื่อสวิทชอยูหนาอุปกรณ (ดาน MUX) อุปกรณตัวนั้นมีโอกาสในการสงขอมูลไปใน Link
เมื่อสวิทชอยูหนาอุปกรณ (ดาน DEMUX) อุปกรณตัวนั้นมีโอกาสในการรับขอมูลจาก Link
Example
Example 6Example 6
ตองการทํา TDM Multiplex สําหรับการสื่อสาร 4 Channel โดยถาแตละ Channel สงขอมูลดวยความเร็ว 100 Bytes/s และ Multiplex ดวยขนาด Unit 1 Byte ตอ Channel จงแสดง Frame ซึ่งเดินทางภายใน Link, ขนาดของ Frame, ชวงเวลาของแตละ Frame, อัตราเร็วของ Frame, และ Bit Rate ภายใน Link
Example
Example 7Example 7ตองการทํา TDM Multiplex สําหรับการสื่อสาร 4 Channel โดยถาแตละ Channel สงขอมูลดวยความเร็ว 100 Kbps และ Time Slot ขนาด 2 Bits ตอ Channel
จงแสดง Frame ซึ่งเดินทางภายใน Link, ชวงเวลาของแตละ Frame, อัตราเร็วของ Frame, Bit Rate และ Bit Duration ภายใน Link
Synchronizingประเด็นสําคัญของ TDM คือการทํางานที่เขาจังหวะกันระหวางดานสงและรับมิฉะนั้น การสื่อสารอาจผิดพลาดได
วิธีการควบคุมใหเกิด Sync ที่เที่ยงตรง ไดแก การเพิ่มบติจํานวนหนึ่งที่จุดเริ่มตนของ Frame (Framing Bits) ตามรูปแบบที่กําหนด (Sync. Pattern)
โดยมาก มักกําหนดใหวนซ้ํารูปแบบ 1 Bit/Frame ตามลําดับ ดังรูป
Example 8สมมติวามีแหลงกําเนิดขอมูล 4 ชุด แตละชุดสงขอมูลดวยความเร็ว 250 ตัวอักษรตอวินาที ถาหนวยของการทํา Interleaving คือ 1 ตัวอักษร และมีการเพิ่ม Synchronizing จํานวน 1 Bit ในแตละ Frame จงหา (1) อัตราเร็วของขอมูลในแตละแหลงกําเนิด (2) ชวงเวลาของแตละตัวอักษร (3) Frame Rate (4) ชวงเวลา ของแตละ Frame (5) จํานวนบิตในแตละ Frame และ (6) อัตราเร็วของขอมูลใน Link
วิธีทํา
1. อัตราเร็วขอมูลในแหลงกําเนิด 250×8 = 2000 bps = 2 Kbps2. ชวงเวลาของแตละตัวอักษร 1/250 s หรือ 4 ms3. 1 Frame มี 1 ตัวอักษรจากแตละแหลง ดังนั้น Link ตองการสงขอมูลดวย
ความเร็ว 250 Frames ตอวินาที4. ชวงเวลาของ Frame เทากับ ชวงเวลาของ Unit = 1/250 s หรือ 4 ms. 5. แตละ Frame ประกอบดวย 4×8 + 1 = 33 bits.6. อัตราเร็วขอมูลเทากับ 250×33 หรือ 8250 bps.
Bit Paddingคือเทคนิคในการปรับความเร็วของขอมูลในการทํา TDM ในกรณีที่ความเร็วของแหลงกําเนิดไมเทากัน
กรณีปกติ ถาอุปกรณ A มีความเร็ว N เทาของอุปกรณ B ในแตละ Frame จะประกอบดวยขอมูลจาก A จํานวน N Time Slot และจากอุปกรณ B 1 Time Slot
(โดยที่ขนาดของ Time Slot มีคาคงที่เทากับ Time Slot ของอุปกรณที่เร็วกวา)
กรณีพิเศษ ถาอุปกรณทั้งสองมีอัตราสวนความเร็ว ไมเปนจํานวนเต็มเทา จะตองมีการเพิ่ม Bit Padding เพื่อใหเปนไปตามเงื่อนไข
ตัวอยาง อุปกรณ A มีความเร็ว 120 kbps อุปกรณ B มีความเร็ว 200 kbps
ตองเพิ่ม Bit Padding ที่อุปกรณ A จํานวน 20 kbits ทุกๆ 1 วินาที → 100 kbps
จัดสรร Time Slot สําหรับ A 1 Bit และสําหรับ B 2 Bit ดังนั้น 1 Frame มีขอมูล 3 บิต
ดังนั้น Frame Rate เทากับ 100 000 Frame ตอวินาที, Frame Duration = 1 ms
Bit Rate = 300 kbps (เสมือนวา Time Slot ของ B มาจาก อุปกรณ 2 ตัว)
Digital Signal (DS) ServiceTDM แบบลําดับขั้นจาก Link ความเร็วต่ําไป Link ความเร็วสูง ในระบบโทรศัพท
8 kbps overhead
168 kbps overhead
1.368 Mbps overhead
16.128 Mbps overhead
T LineT-Line คือมาตรฐานการกําหนดคุณสมบัติของสายที่สามารถรองรับบริการ DS ในแตละลําดับขั้นได ดังตาราง
Service Line Rate (Mbps) Voice Channels
DSDS--11 TT--11
TT--22
TT--33
DSDS--44 TT--44 274.176274.176 40324032
1.5441.544 2424
DSDS--22 6.3126.312 9696
DSDS--33 44.73644.736 672672
DS–0 ไมเชิงเปนบริการ แตกําหนดไวสําหรับเปนบรรทัดฐานอางอิงในการทํา TDM สําหรับขั้นสูงเทานั้น
T Line for Analog Txโดยขอกําหนดมาตรฐาน T Line ออกแบบมาสําหรับขอมูล Digital
แตดวยลักษณะการทํา TDM สายสัญญาณ T Line สามารถนํามาใชสงสัญญาณ Analog จํานวนหลายคูสายได ถาสัญญาณ Analog นั้นๆ มีการสุมดวยเทคนิค PCM
T−1 Frame StructureDS-1 สงสัญญาณเสียงได 24 ชอง และมี overhead 8 kbps ซึ่งคํานวณไดดังนี้
24 × 8 + 1 Sync= 193
• 1 Time Slot = 8 Bits• 8000 sampling/s
Inverse TDMใชสําหรับการกระจายภาระของการสง ในกรณีที่ไมมี Link ความเร็วสูง จะใช Link ความเร็วต่ํามาทํา Inverse TDM แทน (Bandwidth on Demand – ใชจํานวน Link เทาที่จําเปน)
Another TDM Application2nd Generation ของโทรศัพทเคลื่อนที่ (2G)
BW ในแตละ Band ยังคงเทากับ 30 kHz และ MUX ดวยวิธี FDM
แตในแตละ Band ผูใชบริการสามารถใชรวมกันได 6 ราย โดย MUX ดวยวิธี TDM
Conclusions• Frequency Division Multiplexing
– FDM Multiplex/ Demultiplex– Analog Hierarchy– FDM Applications and Implementations
• Wave Division Multiplexing• Time Division Multiplexing
– Time Slots and Frame– Interleaving, Synchronizing, Bit Padding– Digital Signal (DS) Services– T Lines – Inverse TDM– TDM Applications