マルチプレクサ：複数の信号を選択・結合する装置

基本動作と種類

最も単純なマルチプレクサは、制御可能なスイッチである。一組の入力チャネルは、選択入力の制御によって一つの出力へ接続される。デジタル電子回路では、選択器は、どの入力を通過させるかを指定する2進コードである。代表的な構成には2対1、4対1、8対1、およびそれ以上の規模があり、この比率は入力数と単一出力との関係を示す。アナログマルチプレクサは連続した電圧または電流を経路選択し、波形の忠実性を維持しなければならない。一方、デジタルマルチプレクサは離散的な論理信号を経路選択する。より広い通信および信号処理の文脈では、時間分割、周波数分割、波長分割の手法により、多数の低速チャネルをより高速な複合信号へ結合する装置もマルチプレクサと呼ばれる。

実装と特性

物理的な実装は用途によって異なる。デジタルマルチプレクサは、論理ゲート、トランスミッションゲート、または3ステート・バッファから構成されることが多く、小規模な集積回路では選択可能なスイッチのツリー構造が実装される。アナログマルチプレクサでは、歪みや漏れを抑えるため、パストランジスタ、CMOSトランスミッションゲート、あるいは専用のアナログスイッチを用いる。電気通信では、回路と信号プロトコルによってチャネルを交互に配置または重畳し、多重化を実現できる。

検討すべき主な性能特性は次のとおりである。

• 挿入損失またはオン抵抗：アナログ信号の振幅および帯域幅に影響する。
• 伝搬遅延：デジタル切替やタイミングに敏感なシステムで重要となる。
• 分離度とクロストーク：未使用のチャネルが選択中のチャネルに及ぼす影響の程度を示す。
• 帯域幅と直線性：オーディオ、無線周波数、高速データの用途で特に重要である。

一般的な用途と例

マルチプレクサは、複数の信号源が限られた資源を共有する必要がある場面で広く利用される。典型例には、多数のセンサ入力で一つのアナログ・デジタル変換器を共有すること、単一の表示装置に向けて映像源を選択すること、デジタル論理回路やプロセッサ内で信号を経路選択すること、プログラマブル論理デバイスに設定可能な相互接続を構成することがある。電気通信では、マルチプレクサが単一の通信チャネル上で送信するためにチャネルを結合し、遠端のデマルチプレクサがそれらを再び分離する。

その他の実用的な用途には、以下がある。

• デジタル電話およびパケットネットワークにおける時分割多重化。
• 光通信および無線システムにおける波長分割多重化と周波数分割多重化。
• 帯域幅を効率的に利用するための、パケット交換ネットワークにおける統計的多重化。
• 複数のデータ源が一つの演算装置に入力されるCPUやマイクロコントローラ内の制御・経路選択論理。

デマルチプレクサとの関係とネットワークの例

マルチプレクサは論理的にはデマルチプレクサの逆である。多くのシステムでは、送信側のmuxと受信側のdemuxを対にして、元のチャネル群を再構成する。ただし、一部のネットワークアーキテクチャでは、受信側は文字どおりのデマルチプレクシングではなく追加の処理を行う。たとえば、ネットワークアドレス変換のような技術では、多数のプライベートホストが単一のパブリックIPアドレスを共有できる。このため、ホストごとに単純な一対一のデマルチプレクシングを行うことなく、複数の論理ストリームを一つのネットワーク識別子へ実質的に多重化する。したがって、多重化の概念は現代の通信スタックにおける物理層とプロトコル層の両方に現れる。

歴史と注目すべき事実

多重化の概念は、電気通信技術およびコンピューティング技術とともに発展してきた。初期の電話システムでは、一本のケーブルで伝送できる通話数を増やすため、単純な多重化方式が用いられた。デジタル電子回路の発展に伴い、高精度のデジタルマルチプレクサと時分割方式が一般的になった。光通信では、スペクトルを波長に分割することでチャネルを結合する高度な方法が使われる。デジタル設計において、マルチプレクサは汎用関数生成器としても利用される。適切な入力値を選ぶことで任意のブール関数を実装できるため、組合せ論理における汎用性の高い構成要素となっている。

設計上の考慮事項と区別

マルチプレクサの選定または設計では、技術者は複雑さ、コスト、信号完全性の均衡を図る。アナログマルチプレクサではオフセット、歪み、漏れ電流などの非理想性に注意が必要であり、デジタルマルチプレクサは低遅延かつ少ないゲート数を目的に選ばれる。「mul-dex」という語が、マルチプレクサとデマルチプレクサの組を指す非公式な呼称として使われることもある。基本的な電子技術については電子工学の一般的な資料を、信号とシステムについては信号処理に関する資料を参照できる。多重化戦略の詳細は、電気通信とネットワーキングにおける多重化技術を扱う資料で確認できる。実用的なネットワークの例としては、プライベートネットワークのゲートウェイの背後で複数ホストを共有させる構成があり、多重化の原理が層をまたいで機能することを示している。