Multiplex und Multiplexing
Unter Multiplexing sind Verfahren zu verstehen, um mehrere Verbindungen oder Datenströme zur gleichen Zeit bzw. verschachtelt zu übertragen. Auf diese Weise werden Übertragungsstrecken und Übertragungssysteme besser ausgenutzt.
Unterschied: Multiplexing und Multiple Access
Sowohl bei Multiplexing, als auch bei Multiple Access handelt es sich um Verfahren, die den gemeinsamen Zugriff oder die Nutzung eines Übertragungsmediums regeln.
Multiplexing sind Verfahren, bei denen ein Multiplexer mehrere Signale am Anfang eines Übertragungswegs bündelt und am Ende des Übertragungswegs ein Demultiplexer sie wieder auseinandertrennt.
Bei Multiple Access geht es darum, dass sich Teilnehmer das Übertragungsmedium teilen und der Zugriff darauf selbständig geregelt wird. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder entscheidet eine zentrale Komponente über die Zuteilung der Zugriffsrechte oder die Teilnehmer arbeiten mit einer Kollisionserkennung, die dann wirksam wird, wenn zwei Teilnehmer gleichzeitig senden.
SDM - Space Division Multiplex
SDM wird auch als Raummultiplex oder Raumlagenvielfach bezeichnet. Man unterscheidet zwischen kabelgebundenem und kabellosem Raummultiplex.
Damit ist das Übertragen bzw. Vermitteln von mehreren Signalen über mehrere Übertragungswege gemeint. Dabei wird ein Übertragungsweg einem Signal exklusiv zur Verfügung gestellt.
Das kabelgebundene Raummultiplex ist das älteste und das gebräuchlichste Raummultiplexverfahren. Es wird immer noch in der Telekommunikation angewendet. Kernstück ist die Kreuzschienenverteilung (engl. cross bar switching), die auch als Koppelfeld bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Koppelpunkt-Matrix, die zweidimensional in Zeilen und Spalten angeordnet ist. In den Kreuzungspunkten befinden sich die Koppelpunkte, die je eine Zeile mit einer Spalte verbinden können. In der Matrix kann durch Steuerbefehle zum Ein- und Ausschalten der Koppelpunkte, eine Verbindung hergestellt bzw. aufgehoben werden. Die Durchschaltung der Verbindung erfolgt in der Regel mehradrig (Sprechadern und Steueradern).
Daraus ergibt sich, wie in der Vermittlungstechnik gefordert, eine absolute Erreichbarkeit, bei der jeder Sender jeden Empfänger erreichen kann. Allerdings wird dieses Verfahren mit einem großen Platzbedarf bezahlt.
Das kabellose Raummultiplexverfahren wird üblicherweise bei Richtfunkstrecken eingesetzt. Und zwar immer dann, wenn eine Frequenz mehrfach genutzt wird. Dabei wird die gleiche Frequenz mit einem ausreichend großen räumlichen Abstand an zwei unterschiedlichen Orten genutzt. Der Abstand muss so groß sein, dass sich die Übertragungen nicht gegenseitig stören können.
Das kabellose Raummultiplexverfahren kommt in der Regel bei der Frequenzzuteilung zum Einsatz. Zum Beispiel beim Rundfunk, zellularen Mobilfunk und in Richtfunknetzen. Dort werden die zugeteilten Frequenzen mehrfach an unterschiedlichen Orten vergeben und genutzt.
FDM - Frequency Division Multiplex
FDM bezeichnet man als Frequenzmultiplex oder Frequenzlagenvielfach.
Beim Frequenzmultiplex wird ein breites Frequenzband in mehrere schmale Frequenzbänder aufgeteilt. Jedes einzelne Frequenzband hat eine Trägerfrequenz. Dieser Trägerfrequenz wird jeweils ein einzelner Datenkanal zugewiesen. Die Daten werden gleichzeitig und unabhängig voneinander übertragen.
Das Frequenzmultiplex hat allerdings auch Nachteile. Das macht sich in der Nutzung der Frequenzen bemerkbar. So ist die Übertragungsqualität von der Lage der Frequenzen auf dem Frequenzband abhängig. Nicht jeder Frequenzbereich ist gleich gut geeignet.
Frequenzmultiplex eignet sich für die Übertragung von analogen Signalen, wie sie zum Beispiel bei der Übertragung von Fernsehsignalen und Sprache vorkommen. Frequenzmultiplex wurde in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts zur Übertragung von Telefongesprächen auf Kupferkabeln eingesetzt. Damit wurde Bandbreite gespart. Weil es zu Bandbreiten-Engpässen kam, wurde es in den 60er Jahren durch das Zeitmultiplex-Verfahren abgelöst.
Frequenzmultiplex wird Hauptsächlich in Richtfunksystemen verwendet.
TDM - Time Division Multiplex
TDM wird auch als Zeitmultiplex oder Zeitlagenvielfach bezeichnet.
Das Zeitmultiplex überträgt die Verbindungen über zeitlich verschachtelte Kanäle. Alle Kanäle werden in einem festen Raster in einer bestimmten Zeit abgearbeitet. Jeder Kanal ist einem festen Zeitfenster (Time-Slot) zugeordnet.
Zeitmultiplex stellt jedem einzelnen Übertragungskanal in regelmäßigen Abständen die gesamte Bandbreite des Übertragungsmediums für einen festgelegten kurzen Zeitpunkt zur Verfügung. Die Datenströme werden zeitlich zerhackt übertragen. Der Empfänger setzt die einzelnen Datenstromteile wieder zusammen.
Zeitmultiplex eignet sich für digitale Signale. Der Datenstrom lässt sich beliebig aufteilen und wieder zusammensetzen.
In der Regel leiden Übertragungssysteme mit TDM, dass sie bei einem hohen Datenaufkommen nicht effizient arbeiten und wertvolle Bandbreite verschenken. Aus diesem Grund hat jedes TDM-System Mechanismen, um mehrere Kanäle zusammenzufassen. So ist es möglich variable Blöcke in Abhängigkeit der Kanalauslastung zu erzeugen. So wird der mittlere Datendurchsatz gesteigert und die Belastung der einzelnen Kanäle reduziert.
WDM - Wavelength Division Multiplex
DWDM wird auch als Wellenlängenmultiplex oder Wellenlängenvielfach bezeichnet. Es ist dem Frequenzmultiplex sehr ähnlich.
Bei der Verwendung von Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium wird jede Farbe des Lichts einer bestimmten Frequenz (elektromagnetischen Welle) zugeordnet. Jede Farbe des Lichts hat eine andere Wellenlänge. Durch die Verwendung unterschiedlicher Farben (Frequenzen) lassen sich auf einem Lichtwellenleiter mehrere Datenkanäle unabhängig voneinander betreiben. Diese Technik nennt man Wellenlängenmultiplex.
WDM, ein rein optisches Multiplexsystem. Es arbeitet, ähnlich wie Farbfilter, die nur genau definierte Wellenlängen des Lichtes (Farbspektrum) durchlassen. Die Signale werden auf mehreren voneinander unabhängigen Wellenlängen (Licht) über eine Glasfaser übertragen. Zusammen übertragen beeinflussen sie sich nicht.
Diese Methode entspricht dem Prinzip des Frequenzmultiplexverfahrens. Wobei die Wellenlänge mit der Frequenz vergleichbar ist.
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex
OFDM ist ein Vielfachträgerverfahren. Es verteilt den Datenstrom innerhalb eines breiten Frequenzbandes auf viele schmale Träger (Subbänder). Die Trägerfrequenzen werden orthogonal angeordnet. Die Trägerfrequenzen liegen exakt im Nulldurchgang ihrer Nachbarträger. Die Nachbarträger überlappen sich genau zu dem Zeitpunkt, wo der mittige Träger sich im Nulldurchgang befindet. Man spricht auch davon, dass die Subträger orthogonal zueinander versetzt sind. Dadurch wird das Frequenzspekturm besser ausgenutzt.
Wegen der Schmalbandigkeit der einzelnen Träger, kann man davon ausgehen, dass der Phasenverlauf und das Dämpfungsverhalten in den Subbändern weitgehend gleich bleibt. Dadurch entfällt eine aufwendige Kanalentzerrung.
Kommt es innerhalb des Frequenzspektrums zu Störungen, dann ist nicht der gesamte Datenstrom betroffen, sondern nur ein einzelner Träger. Insbesondere bei schmalbandigen Störungen wird nur ein Teil der Träger beeinflusst. Im Vergleich zu einem Einträgerverfahren müssen im Störungsfall weniger Daten wiederholt übertragen werden. OFDM zeichnet sich deshalb als äußerst robust aus.
Mit einer geeigneten Fehlererkennung (zum Beispiel Forward Error Correction) kann der Empfänger aus den gestörten Eingangssignalen die fehlerhaften Daten rekonstruieren.
Mit Equalizern und Korrekturfunktionen lässt sich bei OFDM eine festgelegte Übertragungsrate sicherstellen. Das Modulationssignal wird für jeden einzelnen Träger mit der Inverse Fast-Fourier-Transformation (IFFT) erzeugt. Bei diesem Verfahren steigt der Berechnungsaufwand mit der Anzahl der Subträger. Doch diese fest programmierten Funktionen lassen sich leicht in die Hardware implementieren. Das ist einfacher, als wenn man für jeden Datenstrom einen eigenen Signalgenerator in die Hardware baut.
OFDM in Kombination mit FEC heißt COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Dieses Verfahren kann gestörte Frequenzbereiche ausblenden und je nach Übertragungsqualität der Subträger unterschiedlich modulieren. Dazu wird der serielle Datenstrom in mehrere parallele Datenströme aufgeteilt.
Um die Datenrate zu erhöhen, sendet man mehrere Symbole gleichzeitig auf verschiedenen Trägerfrequenzen (FDM, Frequency Division Multiplex). Signale mit längerer Dauer brauchen eine geringere Bandbreite. Die Datenrate wird erhöht und die Unempfindlichkeit gegenüber Mehrwegeausbreitung verbessert.
Beim Zugriffsverfahren, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access) genannt, werden den Sub-Trägern unterschiedliche Nutzer zugewiesen. In einem Funksystem können sich damit mehrere Teilnehmer eine Basisstation teilen.
CDM - Code Division Multiplexing
CDM wird auch als Codemultiplexing bezeichnet. Es ähnelt dem Zeitmultiplexverfahren.
Die Signale werden mit einer unterschiedlichen Codierung übertragen. Anhand der Codierung kann der Empfänger das Signal, das an ihn gesendet wird erkennen.
CDM bzw. CDMA findet weitreichende Anwendung. Zum Beispiel bei RS485, Feldbus und Profibus. Aber auch beim alten PCI-Bus. Ebenso arbeiten Funk- und Infrarot-Fernsteuerungen und die funkgesteuerte Zentralverriegelung im Auto mit diesem Verfahren.
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