Multiplexverfahren

Schematische Darstellung einer Kreuzschienenverteilung

Das kabelgebundene Raummultiplexverfahren ist das einfachste und älteste Multiplexverfahren. Hierbei werden zur gleichzeitigen Unterstützung von individuellen Verbindungen mehrere Leitungen parallel installiert. Diese parallelen Leitungen werden auch als Leitungsbündel (engl. trunk) bezeichnet.

Die einfachste Anwendung dieses Verfahrens sind die schon in der Anfangszeit der Telekommunikation und bis heute gebräuchlichen mehradrigen Kabel. Eine andere Methode des Raummultiplexverfahrens ist die Kreuzschienenverteilung (engl. cross bar switching), die auch als Koppelfeld bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine Matrix aus mehreren Leitungen mit vielen Schaltern. Hier zeigt sich einer der Vorteile des Raummultiplexverfahrens: Durch diese Matrix ist sichergestellt, dass jeder Sender jeden Empfänger erreichen kann, sofern die Leitung frei und der Schalter aktiv ist.

Beim kabellosen Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen ein separates Gebiet oder eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Normalerweise erfolgt eine Mehrfachausnutzung einer solchen Funkstrecke oder eines Gebietes mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens oder des Zeitmultiplexverfahren oder einer Kombination aus beiden.

Das Raummultiplexverfahren wird notwendig, wenn die Anzahl der zu übertragenden Verbindungen steigt und gleichzeitig Frequenzknappheit besteht. Dann wird die gleiche Frequenz mit ausreichendem räumlichen Abstand mehrfach benutzt. Der ausreichende räumliche Abstand ist notwendig, um zwischen den verschiedenen Sendern mit gleicher Sendefrequenz störende Interferenzen zu vermeiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren unter anderem in den Richtfunknetzen und bei der Frequenzzuteilung beim Rundfunk, Fernsehen und zellularem Mobilfunk.

Ein Spezialfall ist Multiple Input Multiple Output, bei dem ein logisches Signal durch mehrere kooperierende Antennen übertragen wird, um so Qualität (geringe Bitfehlerhäufigkeit) und Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich zu verbessern.

Schematische Darstellung des Frequenzmultiplexverfahrens

Hierbei werden mehrere Signale auf je eine eigene Trägerfrequenz moduliert. Da bei der Modulation zwei identische Seitenbänder entstehen, wird bei den Trägerfrequenzsystemen der Nachrichtentechnik ein Seitenband und die Trägerfrequenz selbst unterdrückt. Die entstehenden, schmalen Frequenzbänder werden zu einem breitbandigen Signal zusammengefasst und dann gemeinsam übertragen. Die Übertragung der Signale erfolgt dabei gleichzeitig und unabhängig voneinander.

Der Empfänger muss die Trägerfrequenzen wieder ergänzen und kann mit Hilfe von Filtern die Signale wieder trennen, um sie dann durch Demodulation in ihre ursprüngliche Frequenzlage zurückzuwandeln. Zur Vermeidung von Interferenzen und um eine bessere Trennung der Signale im Empfängerfilter zu erreichen, werden unbenutzte, sogenannte Schutzbänder (engl. guard bands) zwischen den einzelnen Frequenzbändern freigelassen.

Angewendet wurde Frequenzmultiplex vor allem auf den (Kupfer-)Fernverbindungsleitungen im Telefonnetz. Inzwischen wird im Telefonnetz meist Zeitmultiplex oder Wellenlängenmultiplex genutzt, die das Glasfasernetz verwenden.

Heute kommt das Frequenzmultiplex noch bei der Übertragung von Informationen über Breitbandverteilnetze, wie etwa dem Kabelfernsehen zum Einsatz. Auch bei den Rundfunk- und Fernsehsignalen wird nur ein Seitenband übertragen, allerdings wird die Trägerfrequenz nicht unterdrückt, da sich dadurch die Empfänger vereinfachen lassen.

Hierbei wird ebenfalls jedes Signal auf eine eigene Trägerfrequenz moduliert, die Signalbänder werden dann zusammengefasst und ausgestrahlt. Die Trägerfrequenz ist die Mittenfrequenz der abgestrahlten Funkwelle. Im Empfänger werden die von der Antenne kommenden Frequenzbänder durch Filterung oder das Superheterodyn-Verfahren aufgeteilt und anschließend demoduliert.

Klassische Beispiele sind der terrestrische Rundfunk und das Satellitenfernsehen.

Heutige Anwendungsbereiche sind die Richt- und Mobilfunktechnik in der Telekommunikation. Das russische Satellitennavigationssystem GLONASS verwendet ebenfalls das Frequenzmultiplexverfahren. Zudem ist dieses Verfahren mit dem Zeitmultiplexverfahren kombinierbar, zum Beispiel beim Global System for Mobile Communications (GSM), bei Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) oder bei Bluetooth.

Eine Weiterentwicklung des FDM ist das OFDM (engl. Orthogonal Frequency Division Multiplexing) bei dem ein Signal auf mehrere (tausend) Unterträger verteilt wird, deren Frequenzen orthogonal zueinander stehen, das heißt, dass deren Kreisfrequenzen jeweils ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz sind. Anwendung findet das OFDM heute vor allem bei LTE, DVB-T und digitalen Funkkameras.

Anmerkung: Die Zuweisung unterschiedlicher Frequenzen zu unterschiedlichen (räumlich getrennten) Sendestationen (z. B. Mobilfunkzellen) bezeichnet man üblicherweise nicht als Frequenzmultiplex. Hier spricht man von Frequenzplanung oder Raummultiplex (SDM).

Das Wellenlängenmultiplexverfahren (engl. Wavelength Division Multiplex, WDM oder Wavelength Division Multiple Access, WDMA) ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, das bei der Übertragung von Daten (Signalen) über Glasfaserkabel (Lichtwellenleiter) verwendet wird.

Wellenlängenmultiplexverfahren Mittels Arrayed-Waveguide Grating. Der Lichtweg von (1) nach (5) funktioniert als optischer Demultiplexer und von (5) nach (1) als opt. Multiplexer.

Beim Wellenlängenmultiplexverfahren werden aus verschiedenen Wellenlängen (siehe: Frequenzbänder der optischen Datenkommunikation) bestehende Lichtsignale zur Übertragung in einem Lichtwellenleiter verwendet. Als Quelle für die Lichtsignale dienen vorwiegend Laserdioden (LD) oder lichtemittierende Dioden (LED). Jede dieser so erzeugten schmalbandigen Wellenlängenbereiche bildet somit einen eigenen Übertragungskanal, auf den man nun die Daten (Signale) eines Senders modulieren kann. Die so modulierten Daten (Signale) werden dann durch optische Koppelelemente gebündelt und gleichzeitig sowie unabhängig voneinander übertragen. Am Ziel dieser optischen Multiplexverbindung werden die einzelnen optischen Übertragungskanäle durch passive optische Filter oder wellenlängensensible opto-elektrische Empfängerelemente wieder getrennt. Das Verfahren ist mit anderen optischen Multiplexverfahren kombinierbar.

Inzwischen gibt es mikrooptische Bauteile, die einzelne optische Kanäle ohne vorherige Wandlung zu elektrischen Signalen verstärken, trennen und schalten (routen) können. Damit können rein optische Netze realisiert werden. Wesentliche Komponenten dieser Technik sind optische Multi- und Demultiplexer, optische Verstärker und optische Crossconnects, die die Kanäle durch Filter trennen.

Siehe auch: Arrayed-Waveguide Grating (Bild rechts).

Bei der Wellenlängen-Multiplex Technik wird heute zwischen Dense (DWDM), Coarse (CWDM) und Wide Wavelength Division Multiplex (WWDM) unterschieden.

Das so genannte Dichte Wellenlängen-Multiplex (engl. Dense Wavelength Division Multiplex, DWDM) gilt zurzeit als leistungsstärkste Variante. Hier liegen die zur Übertragung im Glasfaserkabel verwendeten Wellenlängen (Spektralfarben) sehr dicht beieinander. Der Frequenzbereich der Wellenlängen liegt üblicherweise im C- oder L-Band bei einem Frequenzabstand von 0,4 nm (50 GHz) bis 1,6 nm (200 GHz). Diese geringen Frequenzabstände können nur erreicht werden, indem temperatur- und wellenlängenstabilisierte Laser (thermostatierte DFB-Laserdioden) und hochwertige Filter eingesetzt werden. Hierdurch erhält man Datenübertragungsraten um 10–100 Gbit/s pro Kanal bei bis zu 80 Kanälen. Durch Kombination des C- und L-Bandes sind bis zu 160 Kanäle möglich.
Je nach Hersteller, Netzdesign und Glasfasertyp sind optische Verstärker alle 80–200 km erforderlich sowie eine elektrische Daten-Regeneration alle circa 600–2000 km. Aus diesem Grund ist der hauptsächliche Anwendungsbereich dieser Variante der Einsatz über weite Entfernungen im Wide- und Global Area Network.

Je höher die Datenrate auf einem Kanal, umso größer werden Beeinflussungen durch Dispersion. Bei Datenraten ab 10 Gbit/s muss mit Beeinflussungen durch chromatische Dispersion gerechnet werden, bei Datenraten ab 40 Gbit/s kommen weitere Effekte, wie etwa die Polarisationsmodendispersion (PMD) hinzu. Diese linearen Verzerrungen treten innerhalb jedes Kanals getrennt auf und können zumindest teilweise kompensiert werden, entweder durch Hardware-Kompensatoren oder durch schnelle Signalprozessoren. In Wellenlängen-Multiplexsystem kann es darüber hinaus auch zu nichtlinearen Verzerrungen kommen, durch welche die optische Leistung in einem Kanal die Übertragung der Nachbarkanäle stört. Bei der Vierwellenlängen-Mischung entsteht aus drei optischen Frequenzen eine vierte, die in einen anderen Übertragungskanal fallen kann. Durch die Kreuz-Phasen-Modulation ändert die Leistung eines optischen Kanals den Brechungsindex der Faser und damit die Phase der Nachbarkanäle, wodurch auch eine Depolarisation eintreten kann.

Eine kostengünstigere Variante stellt das Grobe Wellenlängen-Multiplex (engl. Coarse Wavelength Division Multiplex, CWDM) dar. Zur Übertragung von Signalen stehen 18[4] genormte Wellenlängen mit einem Kanalabstand von 20 nm zwischen 1271 nm und 1611 nm zur Verfügung. Je nach Fasertyp und Systemhersteller können nicht immer alle Wellenlängen genutzt werden. Diese „grobe“ Aufteilung der Wellenlängen wurde gewählt, um kostengünstigere Laser und Komponenten verwenden zu können. Es werden Datenübertragungsraten bis 10 Gbit/s pro Kanal und Leitungsreichweiten bis 70 km ohne Signalverstärkung erreicht. Als Einsatzgebiete gelten Netzverbindungen im Stadtbereich (so genannte Metropolitan Area Network).

Die einfachste Möglichkeit stellt WWDM (engl. wide wavelength division multiplex) dar. Am häufigsten kommt die Technik zur Anwendung, um gleichzeitig die Signale aus dem 1310-nm- und 1550-nm-Fenster auf einer Faser zu übertragen.

Synchrones Verfahren

Beim Synchronen Verfahren (Abk. STD für Synchronous Time Division) wird jedem Sender durch den Multiplexer ein fester Zeitabschnitt zur Übertragung seiner Daten (Signale) auf dem Übertragungskanal zugeordnet.

Dies hat den Vorteil, dass jede Verbindung eine konstante Datenübertragungsrate erhält. Zusätzlich ist jederzeit ein Sender durch seine Position auf dem Übertragungskanal identifizierbar. Dies vereinfacht am Ziel den notwendigen Prozess des Demultiplexens.

Der Nachteil ist, dass, wenn ein Sender keine Daten (Signale) sendet, der entsprechende Zeitabschnitt ungenutzt bleibt. Der Übertragungskanal wird in einem solchen Fall nicht optimal ausgelastet.

Asynchrones Verfahren

Durch das asynchrone Verfahren (Abk. ATD für Asynchronous Time Division) wird der Nachteil des synchronen Verfahrens vermieden, so dass ungenutzte, zugeordnete Zeitabschnitte auch von anderen Datenströmen belegt werden können. Dies geschieht, indem nur jene Sender auf den Übertragungskanal zugreifen dürfen, die auch wirklich Daten (Signale) senden. Weil aber die eindeutige Zuordnung von Zeitabschnitt und Datenstrom so verloren geht, ist es notwendig, jedem Datenpaket eine Kanalinformation (andere Bezeichnungen: Header, Channel Identifier) hinzuzufügen. Anhand dieser Kanalinformation kann der Demultiplexer am Ziel des Übertragungskanals die Datenpakete dem richtigen Strom wieder zuteilen. Deshalb wird das asynchrone Verfahren auch teilweise als Adressen-Multiplexen oder label-multiplexing bezeichnet. Durch diese bedarfsgerechte Zuweisung der Zeitabschnitte wird der Übertragungskanal sehr ökonomisch genutzt. Wenn alle Sender Daten (Signale) übertragen, erhalten alle eine konstante Datenübertragungsrate. Freie Zeitabschnitte durch nicht aktive Sender werden von den anderen Sendern mitbenutzt, wodurch deren Datenübertragungsrate steigt. Dies bezeichnet man dann auch als dynamisches Multiplexen. Als Nachteil gilt, dass die Datenpakete durch die Kanalinformation sowie der Aufwand des Demultiplexens größer werden.

Das flexible Zeitmultiplexverfahren (Flexible Time Division Multiple Access/FTDMA) wird auch als Minislot-Verfahren bezeichnet. Das Verfahren ist vorteilhaft, wenn geringe Anforderungen hinsichtlich der Latenzzeit bestehen. Das Verfahren wird z. B. eingesetzt um dynamische Segmente bei FlexRay zu übertragen.

Da die Wahrnehmung des Menschen nicht in der Lage ist, optische Reize zeitlich sehr hoch aufzulösen, bietet es sich bei Anzeigen wie Bildschirmen bzw. LEDs an, die Information per Zeitmultiplex auszugeben. Da Menschen auch nicht beliebig schnell tippen können, gelten analoge Überlegungen für Eingaben zum Beispiel bei Tastaturen. Durch Multiplex-Verfahren ist es möglich, den Verdrahtungsaufwand gegenüber einzeln angeschlossenen LEDs oder Tasten (je nach deren Anzahl erheblich) zu verringern. Diese Art Zeitmultiplex könnte unter „asynchron“ eingeordnet werden, aufgrund der gegenüber der Nachrichtenübertragung anderen Zielsetzung jedoch wird eine derartige Einordnung im Allgemeinen nicht vorgenommen.

Anordnung von 35 Leucht­dioden als 7×5-Matrix

Mehrere Anzeigeelemente, beispielsweise Leuchtdioden werden zu einer Matrixanordnung verschaltet. Über an den Zeilen- bzw. Spaltenanschlüsse angeschlossene elektronischer Schalter (Transistoren, im Bild nicht dargestellt) kann jede Zeile bzw. Spalte nacheinander angesteuert werden. Diese Ansteuerung erfolgt so schnell, dass für das Auge alle angesteuerten Elemente gleichzeitig zu leuchten scheinen; siehe dazu die Animation in der Einleitung des Artikels. Im Allgemeinen muss dafür Sorge getragen werden, dass der Strom nur den direkten Strompfad durch das Anzeigeelement im Kreuzungsbereich von aktivierter Zeile und Spalte nimmt (Entkopplung). Der indirekte Weg über mehrere Anzeigeelemente ist unerwünscht. Bei der Benutzung von Leuchtdioden erfolgt die Entkopplung dadurch, dass diese Strom nur in einer Richtung leiten.

Neben der naheliegenden Verschaltung einer Matrixanzeige zu einer Matrixschaltung können auch mehrere scheinbar einzelne Leuchtdioden in einem Gerät zu einer Matrixschaltung verschaltet sein.

Analog lassen sich Tasten bzw. Tastenfelder verschalten. Die Steuerung aktiviert die Spalten nacheinander, während sie an den Zeilen auf ankommende Signale achtet. Um mehr als zwei gleichzeitig gedrückte Tasten sicher zu erkennen, müssen zur Entkopplung der Tasten untereinander Dioden verwendet werden. Dieser Aufwand wird z. B. bei Keyboards betrieben; bei schreibmaschinenartigen Computertastaturen hingegen begnügt man sich im Allgemeinen damit, die Verkopplung bei mehr als zwei gedrückten Tasten zu ignorieren.

Für ein Tastenfeld von 64 Tasten genügen 8 + 8 = 16 Leitungen; man spart gegenüber der Einzelabfrage jeder Taste 48 Signalleitungen ein.

Eine Variante des Zeitmultiplexverfahren ist das Charlieplex-Verfahren. Dabei kommt man mit noch weniger Leitungen aus; dafür werden aber Tri-State-Komponenten benötigt.[5]

Für ein Tastenfeld von 66 Tasten (ohne Dioden) genügen 12 Leitungen, man spart gegenüber der Einzelabfrage 54 Leitungen ein.

Das Zeitmultiplexverfahren ist wie das Frequenzmultiplexverfahren sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Die ersten bekannten Anwendungen des Zeitmultiplexverfahren gehen auf den Italiener Giovanni Caselli und den Franzosen Jean-Maurice-Émile Baudot zurück. Caselli entwickelte den Pantelegraphen mit dem ab 1865 zwei Bilder zeilenweise multiplex übertragen wurden. Baudots 1874 entwickelte Apparatur machte es möglich, vier bis sechs Telegrafiesignale über eine Leitung im synchronen Zeitmultiplexverfahren zu übertragen. Heutige Anwendungsbereiche sind Übertragungstechniken, wie Integrated Services Digital Network (ISDN), Asynchronous Transfer Mode (ATM) oder U_p0-Schnittstelle. Das GSM-Mobilfunknetz verwendet sowohl das Zeitmultiplexverfahren als auch das Frequenzmultiplexverfahren und das Raummultiplexverfahren.