Multiplexverfahren

Grundidee und Zweck

Multiplexverfahren sind elektronische Verfahren der Signal- und Nachrichtenübertragung. Mehrere Teilsignale werden gebündelt oder zeitlich ineinander verschachtelt und gemeinsam über ein Übertragungsmedium wie Leitung, Kabel, Funkstrecke oder Datenstrom übertragen. Ein Multiplex-Signal kann wiederum Teil eines weiteren Multiplex-Signals sein. Die höhere Komplexität muss durch mehr Übertragungszeit oder durch Frequenz beziehungsweise Bandbreite ausgeglichen werden.

Ziel ist die optimale Nutzung vorhandener Leitungen und Frequenzen. Dadurch können weniger Anschluss- und Verbindungsleitungen nötig sein, was Kosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht. Bei einer leitungsgebundenen Verbindung bündelt ein Multiplexer die Signale mehrerer Quellen; ein Demultiplexer trennt sie am Ende wieder. Multiplexverfahren ermöglichen unter anderem Tonfilm, Surround-Sound, Bildschirmanzeigen, USB, ISDN und NGN.

Wichtige, kombinierbare Grundformen sind Raummultiplex, Frequenz- oder Wellenlängenmultiplex, Zeitmultiplex und Codemultiplex. Anschaulich entspricht Raummultiplex getrennten Gesprächen oder Instrumenten, Frequenzmultiplex gleichzeitig hörbaren und unhörbaren Tönen, Zeitmultiplex abwechselnden Sprechern und Codemultiplex dem Erkennen der eigenen Sprache oder einer bekannten Stimme.

Raum- und Frequenzaufteilung

Beim Raummultiplexverfahren (SDM oder SDMA) stehen mehreren Sendern und Empfängern parallele Übertragungswege jeweils exklusiv zur Verfügung. Kabelgebunden werden mehrere Leitungen als Leitungsbündel (trunk) parallel verlegt. Eine Kreuzschienenverteilung, auch Koppelfeld, ist eine Matrix aus Leitungen und Schaltern: Jeder Sender kann jeden Empfänger erreichen, wenn die Leitung frei und der passende Schalter aktiv ist.

Kabellos werden für Gruppen von Verbindungen getrennte Gebiete oder Richtfunkstrecken verwendet. Bei Frequenzknappheit kann dieselbe Frequenz mit ausreichendem räumlichem Abstand mehrfach verwendet werden, damit keine störenden Interferenzen entstehen. Anwendungen sind Richtfunknetze, Rundfunk, Fernsehen und zellularer Mobilfunk. Multiple Input Multiple Output überträgt ein logisches Signal mit mehreren kooperierenden Antennen und verbessert dadurch Bitfehlerhäufigkeit und Datenrate.

Beim Frequenzmultiplex (FDM oder FDMA) erhält jedes Signal einen eigenen Frequenzbereich beziehungsweise eine eigene Trägerfrequenz. Auf Leitungen werden Signale auf Trägerfrequenzen moduliert, zu einem breitbandigen Signal zusammengefasst und gleichzeitig übertragen. Zwischen den Bändern bleiben Schutzbänder (guard bands), damit sie sich nicht stören. Der Empfänger trennt die Bänder mit Filtern, ergänzt gegebenenfalls Trägerfrequenzen und demoduliert die Signale.

Frequenzmultiplex wurde vor allem auf Kupfer-Fernverbindungsleitungen im Telefonnetz genutzt; heute wird es noch etwa im Kabelfernsehen verwendet. Bei Funk werden die zusammengefassten Frequenzbänder ausgestrahlt und im Empfänger gefiltert oder mit dem Superheterodyn-Verfahren getrennt. Beispiele sind terrestrischer Rundfunk und Satellitenfernsehen. GSM, DECT und Bluetooth kombinieren Frequenz- und Zeitmultiplex. OFDM verteilt ein Signal auf mehrere, auch tausend, orthogonale Unterträger; ihre Kreisfrequenzen sind ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz. OFDM wird unter anderem bei LTE, DVB-T und digitalen Funkkameras verwendet.

Wellenlängen- und Polarisationsmultiplex

Wellenlängenmultiplex (WDM oder WDMA) ist optischer Frequenzmultiplex über Glasfaserkabel. Laser- oder Leuchtdioden erzeugen schmalbandige Lichtwellenlängen. Jede Wellenlänge bildet einen eigenen Kanal, auf den ein Sendesignal moduliert wird. Optische Koppelelemente bündeln die Kanäle; passive optische Filter oder wellenlängensensible opto-elektrische Empfänger trennen sie am Ziel wieder. Optische Multi- und Demultiplexer, Verstärker und Crossconnects erlauben auch rein optische Netze.

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) nutzt besonders dicht beieinanderliegende Wellenlängen im C- oder L-Band: 0,4 nm (50 GHz) bis 1,6 nm (200 GHz) Abstand. Mit thermostatierten DFB-Laserdioden und hochwertigen Filtern sind etwa 10–100 Gbit/s pro Kanal bei bis zu 80 Kanälen möglich; mit C- und L-Band bis zu 160 Kanäle. Optische Verstärker sind je nach Netzdesign und Faser alle 80–200 km, elektrische Daten-Regeneration etwa alle 600–2000 km erforderlich. Bei mindestens 10 Gbit/s kann chromatische Dispersion auftreten, ab 40 Gbit/s zusätzlich Polarisationsmodendispersion (PMD). Nichtlineare Störungen umfassen Vierwellenlängen-Mischung und Kreuz-Phasen-Modulation.

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex) stellt 18 genormte Wellenlängen zwischen 1271 nm und 1611 nm im Abstand von 20 nm bereit. Es erreicht bis 10 Gbit/s pro Kanal und bis 70 km ohne Signalverstärkung und wird für Metropolitan Area Networks eingesetzt. WWDM überträgt meist gleichzeitig die Signale aus dem 1310-nm- und 1550-nm-Fenster auf einer Faser.

Beim Polarisationsmultiplex werden zwei Polarisationsrichtungen getrennt moduliert; bei gleicher Datenrate halbiert sich die benötigte Bandbreite. Für 100 Gbps über Lichtwellenleiter im Weitverkehrsnetz wird DPQPSK oder PMQPSK verwendet: Beide Richtungen sind mit QPSK moduliert, zusammen beträgt die Schrittgeschwindigkeit 25 Gbaud. Polarisationsselektive, meist kohärente Empfänger mit schnellen Signalprozessoren folgen den sich ändernden Polarisationsrichtungen.

Zeitmultiplex in Kommunikationsnetzen

Beim Zeitmultiplex (TDM oder TDMA) teilen sich mehrere Sender einen Kanal, indem sie ihre Daten in Zeitabschnitten, den Zeitschlitzen, übertragen. Beim synchronen Verfahren (STD) weist der Multiplexer jedem Sender einen festen Zeitabschnitt zu. Jede Verbindung erhält dadurch eine konstante Datenübertragungsrate, und der Sender ist an seiner Position im Datenstrom erkennbar. Der Nachteil: Sendet ein Teilnehmer gerade nichts, bleibt sein Zeitschlitz ungenutzt.

Beim asynchronen Verfahren (ATD) dürfen nur Sender mit tatsächlich vorhandenen Daten Zeitschlitze nutzen. Dadurch können freie Zeitabschnitte von anderen Datenströmen verwendet werden; dies heißt auch dynamisches Multiplexen. Da ein Zeitschlitz nicht mehr allein seinen Datenstrom kennzeichnet, enthält jedes Datenpaket eine Kanalinformation, einen Header oder Channel Identifier. Der Demultiplexer ordnet die Pakete damit wieder zu. Das Verfahren heißt daher auch Adressen-Multiplexen oder label-multiplexing. Es nutzt den Kanal wirtschaftlicher, verursacht aber größere Pakete und mehr Aufwand beim Demultiplexen.

FTDMA, auch Minislot-Verfahren, eignet sich bei geringen Anforderungen an die Latenzzeit und überträgt beispielsweise dynamische Segmente bei FlexRay. Zeitmultiplex ist drahtgebunden und drahtlos einsetzbar. Der Pantelegraph von Giovanni Caselli übertrug ab 1865 zwei Bilder zeilenweise multiplex. Jean-Maurice-Émile Baudots Apparatur von 1874 übertrug vier bis sechs Telegrafiesignale synchron über eine Leitung. Heutige Anwendungen umfassen ISDN, ATM und die U_p0-Schnittstelle; GSM nutzt Zeit-, Frequenz- und Raummultiplex.

Anzeigen, Tasten und Charlieplex

Bei Bildschirmen, LEDs und Tasten verringert Zeitmultiplex den Verdrahtungsaufwand. Optische Reize kann der Mensch zeitlich nicht sehr hoch auflösen: Werden Zeilen oder Spalten einer Anzeige schnell nacheinander angesteuert, erscheinen die Elemente gleichzeitig aktiv. In einer LED-Matrix wählen elektronische Schalter Zeilen und Spalten. Eine Entkopplung verhindert unerwünschte Stromwege über andere Elemente; LEDs helfen dabei, weil sie Strom nur in einer Richtung leiten.

Tastenfelder lassen sich entsprechend abfragen: Die Steuerung aktiviert nacheinander Spalten und beobachtet die Zeilen. Um mehr als zwei gleichzeitig gedrückte Tasten sicher zu erkennen, sind Dioden zur Entkopplung nötig, etwa bei Keyboards. Bei 64 Tasten reichen 8 + 8 = 16 Leitungen statt 64; 48 Signalleitungen werden eingespart. Beim Charlieplex-Verfahren sind Tri-State-Komponenten erforderlich. Für ein Tastenfeld mit 66 Tasten ohne Dioden genügen 12 Leitungen, also 54 weniger als bei Einzelabfrage.

Codes, gemeinsame Zugriffe und Webverbindungen

Beim Codemultiplex (CDM oder CDMA) werden verschiedene Signalfolgen über dieselbe Leitung oder Funkfrequenz übertragen. Der Empfänger erkennt und bewertet nur das passend codierte Signal. Die Codes haben eine minimale Kreuzkorrelation, sodass beim falschen Empfänger praktisch kein Ausgangssignal entsteht. Anders als beim Zeitmultiplex ist je nach Verfahren keine Abstimmung von Zeitfenstern nötig. Beispiele sind Funkfernsteuerungen und funkgesteuerte Zentralverriegelungen in Kraftfahrzeugen. UMTS unterscheidet mehrere Teilnehmer mit CDMA und trennt Sende- und Empfangsrichtung zusätzlich auf zwei Frequenzen (FDD).

Multiplexing im engeren Sinn bezeichnet das Bündeln durch einen Multiplexer und das spätere Auftrennen durch einen Demultiplexer. In der Audio- und Videobearbeitung kann es auch das Zusammenführen einer Videospur und einer Tonspur in eine Datei wie *.mpeg bedeuten. Multiple Access beschreibt eher mehrere Sender-Empfänger-Paare, etwa Mobilfunkteilnehmer, die sich ein Medium selbständig teilen. Eine Basisstation kann Kanäle zuteilen, oder Geräte arbeiten mit Kollisionserkennung. Die zugrunde liegenden Verfahren zur gemeinsamen Mediennutzung sind jedoch gleich.

Beim Aufruf einer Webseite müssen meist mehrere Dateien geladen werden. Ohne HTTP/2 benötigt jeder Aufruf eine eigene Verbindung und die Handshakes TCP, TLS und http erhöhen die Ladezeit. HTTP/2 fasst parallele Aufrufe in einer Verbindung zusammen. Bei Paketverlust kann jedoch Head-of-Line-Blocking auftreten: Auch andere Aufrufe stocken. HTTP/3 verbessert dies, weil es QUIC statt TCP verwendet.