Modulation Methods/Tasks and Classification

1. Modulation Methods
2. Vielfachzugriffsverfahren
3. Tasks and Classification

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Multiplexer und Demultiplexer

Bisher sind wir stets von einer einzigen Nachrichtenquelle ausgegangen, die Informationen

• zu einer einzigen Sinke überträgt (Punkt–zu–Punkt–Verbindung), oder
• mehrere Teilnehmer gleichzeitig versorgt (Punkt–zu–Mehrpunkt–Verbindung, Broadcast).

Dies entspricht aber eher selten den in der Praxis auftretenden Situationen. Vielmehr versorgt ein Kommunikationssystem – zumindest ein wirtschaftlich tragbares – viele Teilnehmer, die Informationen versenden wollen und gleichzeitig für die anderen Teilnehmer als Nachrichtensinken fungieren.

Für jede Klasse von Anwendungen steht in der Regel nur eine beschränkte Frequenzbandbreite zur Verfügung. Insbesondere bei Funksystemen ist die Bandbreite – da nicht beliebig vermehrbar – eine wichtige Ressource. Die World Administrative Radio Conference (WARC) koordiniert weltweit die Nutzung der heute und zukünftig verfügbaren Frequenzen. Ingenieure haben die Aufgabe, das für eine Anwendung zur Verfügung gestellte Frequenzband so effektiv wie möglich zu nutzen und damit möglichst viele Teilnehmer zu versorgen.

Die Grafik zeigt die Vorgehensweise. Die $K$ Quellensignale $q_k(t)$ werden jeweils geeignet moduliert, vom Multiplexer (MUX) zum Sendesignal $s(t)$ zusammengefasst und anschließend über den gemeinsamen physikalischen Kanal übertragen. Der Demultiplexer (DEMUX) hat die Aufgabe, die Informationen für die $K$ Teilnehmer (Sinken) aus dem Empfangssignal $r(t)$ zu extrahieren.

FDMA, TDMA und CDMA (1)

Die folgende Grafik mit den drei Achsen Zeit, Frequenz und Leistung verdeutlicht drei weit verbreitete Vielfachzugriffsverfahren, nämlich

• Frequency Division Multiple Access (FDMA),
• Time Division Multiple Access (TDMA), und
• Code Division Multiple Access (CDMA).

Mit der hier angegebenen Bezeichnung geht man davon aus, dass es mehrere Sender–Empfänger–Paare gibt, die sich ein Übertragungsmedium selbständig aufteilen. Beim Mobilfunk ist beispielsweise dieses Übertragungsmedium die Funkschnittstelle, vereinfacht ausgedrückt die „Luft” in der Umgebung einer Basisstation. Die Kanalzuteilung geschieht entweder mit einer zentralen Instanz in der Basisstation oder die Teilnehmer arbeiten mit einer Kollisionserkennung.

Dagegen spricht man von Multiplexing, wenn am Anfang eines Übertragungsweges ein Multiplexer mehrere Signale bündelt (wie im Bild im letzten Abschnitt dargestellt) und am Ende ein Demultiplexer dieses gemeinsame Signal wieder auftrennt. Abkürzend verwendet man anstelle von FDMA, TDMA und CDMA in diesem Fall FDM, TDM und CDM – also Frequency (Time, Code) Division Multiplexing.

Die Bildbeschreibung folgt im nächsten Abschnitt. Der Vollständigkeit halber soll vorher ein weiteres Vielfachzugriffsverfahren erwähnt werden: Space Division Multiple Access (SDMA). Hier wird durch die Verwendung von Gruppenantennen (auch Antennen–Arrays genannt) beim Sender eine selektive räumliche Ausbreitung der Signalkomponenten ermöglicht. Die Trennung der einzelnen Nutzer beim Empfänger erfolgt demzufolge durch die räumliche Position der jeweiligen Endgeräte.

FDMA, TDMA und CDMA (2)

Die in der Grafik unten nochmals dargestellten Verfahren lassen sich wie folgt charakterisieren:

• Bei Frequency Division Multiple Access (FDMA) bekommt jeder der $K$ Nutzer nur einen Teil der gesamten Bandbreite $B$ zugewiesen und kann darin zeitkontinuierlich (analog oder digital) übertragen. Wie in Kapitel 1.1 bereits im Detail beschrieben, können so alle Nutzer gleichzeitig mit unterschiedlicher Trägerfrequenz senden, ohne dass sich dadurch die Übertragungsqualität verschlechtert. Voraussetzung ist, dass kein Nutzer mehr als die gerade noch zuläsige Bandbreite $B/K$ belegt und dass außerdem Filter mit beliebig steilen Flanken zur Kanalseparierung verfügbar sind. Anderenfalls sind Schutzabstände zwischen den einzelnen Frequenzbändern einzuhalten.
• Bei Time Division Multiple Access (TDMA) nutzen dagegen alle $K$ Teilnehmer das gesamte Frequenzband $B$, allerdings nur jeweils zu einem Bruchteil $(1/K)$ der Zeit. Bei zeitkontinuierlich anfallenden Symbolen erfordert dieses Zeitmultiplexverfahren eine Zwischenspeicherung beim Sender, eine blockweise Übertragung mit einer um den Faktor $K$ höheren Datenrate sowie eine Einrichtung beim Empfänger, der die Blöcke in den einzelnen Zeitschlitzen wieder zu einem kontinuierlichen Datenstrom zusammenfügt.

•Bei Code Division Multiple Access (CDMA) wird das gleiche Frequenzband der Breite B von allen Teilnehmern zu allen Zeiten gemeinsam benutzt; sie liegen leistungsmäßig quasi übereinander. Um die Teilnehmersignale am Empfänger separieren zu können, werden sie am Sender mit einer gegenüber der Nutzbandbreite um den Faktor J ≥ K höherfrequenten periodischen Binärfolge multipliziert, was spektral gesehen einer Bandspreizung um diesen Faktor J entspricht. Man spricht von PN–Modulation oder von Direct Sequence Spread Spectrum. Findet man J zueinander orthogonale Spreizfolgen, so können bei idealen Bedingungen bis zu J Nutzer den gemeinsamen Kanal ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig belegen, allerdings jeder einzelne nur mit der Nutzbandbreite B/J (bezogen auf die Daten). Durch die Bandspreizung belegt aber jeder Nutzer das gesamte Frequenzband B.

• Bei Code Division Multiple Access (CDMA) wird das gleiche Frequenzband der Breite $B$ von allen Teilnehmern zu allen Zeiten gemeinsam benutzt; sie liegen leistungsmäßig quasi übereinander. Um die Teilnehmersignale am Empfänger separieren zu können, werden sie am Sender mit einer gegenüber der Nutzbandbreite um den Faktor $J ≥ K$ höherfrequenten periodischen Binärfolge multipliziert, was spektral gesehen einer Bandspreizung um diesen Faktor $J$ entspricht. Man spricht von PN–Modulation oder von Direct Sequence Spread Spectrum. Findet man $J$ zueinander orthogonale Spreizfolgen, so können bei idealen Bedingungen bis zu $J$ Nutzer den gemeinsamen Kanal ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig belegen, allerdings jeder einzelne nur mit der Nutzbandbreite $B/J$ (bezogen auf die Daten). Durch die Bandspreizung belegt aber jeder Nutzer das gesamte Frequenzband $B$.

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