Optical Frequency Division Multiplexing


Optical Frequency Division Multiplexing

Multiplexverfahren (lat. multiplex „vielfach, vielfältig“) sind Methoden zur Signal- und Nachrichtenübertragung, bei denen mehrere Signale zusammengefasst (gebündelt) und simultan über ein Medium (Leitung, Kabel oder Funkstrecke) übertragen werden. Oftmals werden Multiplexverfahren auch kombiniert, um eine noch höhere Nutzung zu erreichen. Die Bündelung erfolgt, nachdem die Nutzdaten auf ein Trägersignal moduliert wurden. Entsprechend werden sie beim Empfänger nach der Entbündelung (dem Demultiplexen) demoduliert.

Speziell das synchrone Zeitmultiplexverfahren (siehe unten) kommt auch bei der seriellen digitalen Datenübertragung, der simultanen Datenerfassung mehrerer analoger Kanäle und bei der Ansteuerung von Anzeigen (LED- und Fluoreszenzanzeigen, LC-, Plasma- und CRT-Bildschirme bzw. -displays) zum Einsatz.

Die Intentionen für die Anwendung von Multiplexing sind bei leitungsgebundener und bei Funkübertragung teilweise unterschiedlich. Bei leitungsgebundener Übertragung werden die Signale aus mehreren Quellen durch einen so genannten Multiplexer gebündelt und gemeinsam über einen statt über mehrere parallele Wege übertragen. Der Demultiplexer entbündelt die Signale dann wieder. Ziel hierbei ist es, die Kosten für die Übertragungsstrecke möglichst niedrig zu halten. Die Funktechnik eignet sich besonders, um mehrere Teilnehmer, die meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen Funkstation verbinden zu können. Beim Richtfunk als Punkt-zu-Punkt Verbindung gibt es ebenfalls Multiplextechniken. Hier wird der Hochfrequenzübertragungskanal gemeinsam für eine Vielzahl von Datenströmen benutzt.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Multiplexverfahren wurden entwickelt, um eine optimale Ausnutzung der Leitungen und Frequenzen zu erreichen, die in der Elektronik und Kommunikationstechnik als Übertragungswege zur Verfügung stehen.
Hierdurch werden die Kosten verringert und die Zuverlässigkeit erhöht, da zum Beispiel weniger Anschluss- und Verbindungsleitungen erforderlich sind. Manche technische Lösungen sind überhaupt nur mit multiplexer Signalübertragung realisierbar (z. B. die Ansprache bzw. das Auslesen einzelner Pixel digitaler Kameras und Flachbildschirme).

Beim Multiplexverfahren werden mehrere verschiedene Signale gebündelt oder zeitlich ineinander verschachtelt, um sie ohne gegenseitige Beeinflussung simultan und gemeinsam übertragen zu können.

In der Kommunikationstechnik und Signalübertragung unterscheidet man die folgenden Multiplexverfahren:

  • Raummultiplexverfahren – Übertragungskanäle (Leitungen, Richtfunkstrecken) werden zur parallelen aber exklusiven Nutzung durch mehrere Sender und Empfänger gebündelt.
  • Frequenz. bzw. Wellenlängenmultiplexverfahren – Bei Leitungsübertragung werden mehrere Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen getrennt übertragen; bei Funk- und Lichtwellenleiterübertragung werden unterschiedlichen Signalen unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen.
  • Zeitmultiplexverfahren – Mehrere Signale werden zeitversetzt übertragen. Sie sind zeitlich ineinander verschachtelt. Die Zeitfenster können synchronisiert und gleichlang oder asynchron und bedarfsabhängig sein.
  • Codemultiplexverfahren – Dieses Verfahren wird in der Funktechnik und in Datenbussen eingesetzt. Verschiedene Signalfolgen werden über eine Leitung oder eine Funkfrequenz übertragen und im Empfänger beziehungsweise mehreren Empfängern anhand ihrer unterschiedlichen Codierung erkannt und zugeordnet. Das Verfahren ähnelt dem Zeitmultiplexverfahren, jedoch ist keine Koordinierung der Zeitfenster erforderlich.

Analogien zur Veranschaulichung

  • Raummultiplexverfahren – Personen sprechen an verschiedenen Orten miteinander. Bei genügend großem Abstand stören sich die Gespräche nicht gegenseitig.
  • Frequenzmultiplexverfahren – Eine Hundepfeife oder Fledermäuse erzeugen für den Menschen unhörbare Signale. Eine Kommunikation ist parallel möglich.
  • Zeitmultiplexverfahren – In einer Schulklasse oder beim CB-Funk hat in der Regel nur je ein Sprecher gleichzeitig das Wort (asynchrones Zeitmultiplexverfahren), in Parlamenten hat jeder Redner eine Redezeit definierter Länge (synchrones Zeitmultiplexverfahren)
  • Codemultiplexverfahren – Bei vielen gleichzeitig gesprochenen Sprachen hört man seine Muttersprache heraus. Bekannte Personen erkennt man am Klang ihrer Stimme.

Begriffsunterscheidung „Multiplexing“ und „Multiple Access“

Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Multiplexverfahren wird teils von Multiplexing (oft in Verbindung mit Hardware) und teils von Multiple Access (oft als Softwarelösung) gesprochen.

Um Multiplexing im engeren Sinne handelt es sich dann, wenn am Anfang eines Übertragungsweges ein Multiplexer mehrere Signale bündelt und am Ende ein Demultiplexer diese wieder auftrennt.

Der Begriff Multiple Access wird eher dann verwendet, wenn es mehrere Sender-Empfänger-Paare (z. B. Mobilfunkteilnehmer) gibt, die sich ein Übertragungsmedium (in der Regel eine Funkschnittstelle – also die Luft in der Umgebung einer Basisstation oder eines Funkrouters) selbständig aufteilen. Das geschieht entweder mit einer zentralen Instanz (z. B. die Basisstation beim mobilen Telefonieren), die die Kanäle zuteilt, oder die Teilnehmergeräte arbeiten mit einer Kollisionserkennung.

Die Verfahren zur gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums sind bei Multiplexing und Multiple Access jedoch gleich und werden deshalb in diesem Artikel gemeinsam beschrieben.

Raummultiplexverfahren

Mit Raummultiplexverfahren (Abk. SDM für Space Division Multiplex oder SDMA für Space Division Multiple Access) bezeichnet man in der Nachrichtentechnik das Übertragen beziehungsweise das Vermitteln von mehreren Nachrichten über parallel installierte Übertragungswege, die den einzelnen Sendern und Empfängern jeweils zur exklusiven Nutzung bereitgestellt werden.

Man unterscheidet hierbei zwischen zwei verschiedenen Varianten:

  • kabelgebundenes Raummultiplexverfahren
  • kabelloses Raummultiplexverfahren

Kabelgebundene Raummultiplexverfahren

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.

Kabellose Raummultiplexverfahren

Beim kabellosen Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen ein separates Gebiet oder eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Normalerweise erfolgt eine Mehrfachausnutzung einer solchen Funkstrecke beziehungsweise 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.

Frequenzmultiplexverfahren / FDMA

Das Frequenzmultiplexverfahren, im Englischen Frequency Division Multiplex (FDM) oder Frequency Division Multiple Access (FDMA), ist sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Ein erster Vorschlag zur Vielfachausnutzung von Leitungen durch Frequenzmultiplexverfahren wurde 1886 für die Telegraphie durch Elisha Gray gemacht. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Stereotonübertragung im UKW-Radio.

Frequenzmultiplex auf Leitungen

Hierbei werden mehrere Signale auf je eine 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.

Frequenzmultiplex bei Funkübertragung

Hierbei wird ebenfalls jedes Signal auf eine eigene Trägerfrequenz moduliert, die Signalbänder werden dann zusammengefasst und zum Sender bzw. zur Antenne geleitet. 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 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 (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 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).

Optisches Wellenlängenmultiplexverfahren

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

Beim Wellenlängenmultiplexverfahren werden aus verschiedenen Spektralfarben (Lichtfrequenzen) bestehende Lichtsignale zur Übertragung in einem Lichtwellenleiter verwendet. Als Quelle für die Lichtsignale dienen vorwiegend Laser (LD) oder lichtemittierende Dioden (LED). Jede dieser so erzeugten Spektralfarben 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 dem Zeitmultiplexverfahren 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

Bei der WDM Technik wird zwischen WWDM, CWDM und DWDM unterschieden.

DWDM

Das so genannte Dichte Wellenlängen-Multiplex (Abk. DWDM für Dense Wavelength Division Multiplex) 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 10–40 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 nichtlineare Effekte, wie etwa die Polarisationsmodendispersion (PMD) hinzu.

CWDM

Eine kostengünstigere Variante stellt das Grobe Wellenlängenmultiplex (Abk. CWDM für Coarse Wavelength Division Multiplex) dar. Zur Übertragung von Signalen stehen 16 genormten Wellenlängen (Spektralfarben) mit einer Kanalbreite von 20 nm zwischen 1311 nm und 1611 nm zur Verfühgung. Je nach Faserntype 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).

WWDM

Die einfachste Möglichkeit stellt WWDM (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.

Zeitmultiplexverfahren / TDMA

Beim Zeitmultiplexverfahren (Abk. TDM für Time Division Multiplex oder TDMA für Time Division Multiple Access) werden in bestimmten Zeitabschnitten (Zeitschlitzen) die Daten (Signale) verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen. Das Zeitmultiplexverfahren unterscheidet zwischen dem synchronen und asynchronen Verfahren.

Synchrones Verfahren

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 Demultiplexen.

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

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.

Flexibles Zeitmultiplexverfahren

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.

Historische Lösungen und heutige Anwendungen

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 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, 4–6 Telegrafiesignale über eine Leitung im synchronen Zeitmultiplexverfahren zu übertragen. Heutige Anwendungsbereiche sind Übertragungstechniken, wie Integrated Services Digital Network (ISDN), Digital Subscriber Line (DSL) oder Asynchronous Transfer Mode (ATM). Das GSM-Mobilfunknetz verwendet sowohl das Zeitmultiplexverfahren als auch das Frequenzmultiplexverfahren und das Raummultiplexverfahren.

Codemultiplexverfahren

Verschiedene Signalfolgen werden über eine Leitung oder eine Funkfrequenz übertragen und im Empfänger beziehungsweise mehreren Empfängern anhand ihrer unterschiedlichen Codierung erkannt und zugeordnet. Das Verfahren ähnelt dem Zeitmultiplexverfahren, jedoch ist keine Koordinierung der Zeitfenster erforderlich – fehlerhafte Datenpakete werden zum Beispiel anhand einer Prüfsumme erkannt und erneut übertragen bzw. beim nächsten Mal decodiert.

Beispiele sind serielle (z. B. RS485, Feldbus, Profibus …) und parallele Datenbusse (z. B. der PCI-Bus im PC) mit mehreren Teilnehmern.

Auch Funk- und Infrarot-Fernsteuerungen sowie die funkgesteuerte Zentralverriegelung bei Kfz arbeiten nach diesem Verfahren.

Das UMTS arbeitet bei der Unterscheidung mehrerer Teilnehmer ebenfalls mit CDMA, Sende- und Empfangsrichtung sind jedoch auf zwei verschiedene Frequenzen verteilt (FDD).

Literatur

  • Jens R. Ohm, Hans D. Lüke: Signalübertragung: Grundlagen der digitalen und analogen Nachrichtenübertragungssysteme. 8. Auflage. Springer Berlin, Berlin 2002, ISBN 978-3-5406-7768-0. 
  • Nim K. Cheung; Kiyoshi Nosu, Gerhard Winzer; „Dense Wavelength Division Multiplexing Techniques for High Capacity and Multiple Access Communication Systems“ IEEE Journal on Selected Areas in Communications Vol. 8 No. 6 August 1990

Siehe auch

Weblinks


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