Difference between revisions of "Modulation Methods/Tasks and Classification"

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|Untermenü=Vielfachzugriffsverfahren
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|Untermenü=Multiple Access Methods
|Vorherige Seite=Nichtlineare Modulationsverfahren
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|Vorherige Seite=Nonlinear_Digital_Modulation
|Nächste Seite=PN–Modulation
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|Nächste Seite=Direct-Sequence Spread Spectrum Modulation
 
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== # OVERVIEW OF THE FIFTH MAIN CHAPTER # ==
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In the last chapter of the book&nbsp; "Modulation Methods",&nbsp; two examples of modern digital modulation methods are discussed,&nbsp; namely &nbsp; '''&raquo;CDM&laquo;''' &nbsp; and &nbsp;'''&raquo;OFDM&laquo;''' &nbsp; which are also frequently used as multiple access methods under the names &nbsp;'''&raquo;CDMA&laquo;'''&nbsp; and &nbsp;'''&raquo;OFDMA&laquo;'''.&nbsp;
  
Im letzten Kapitel des Buches &bdquo;Modulationsverfahren&rdquo; werden mit ''CDM'' und ''OFDM'' zwei Beispiele moderner digitaler Modulationsverfahren behandelt, die häufig auch unter den Bezeichnungen ''CDMA'' bzw. ''OFDMA'' – als Vielfachzugriffsverfahren angewandt werden.
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*&nbsp; In&nbsp; $\rm CDMA$&nbsp; $($"Code Division Multiple Access"$)$,&nbsp; a specific spreading sequence is provided for each subscriber.&nbsp; Such spreading sequences – and thus also the overall signal are high-frequency compared to the useful signal,&nbsp; so this method is also known as&nbsp; "Band Spreading".&nbsp;&nbsp; It is used in particular in third-generation cellular networks such as&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|$\rm UMTS$]].&nbsp;
  
Bei '''CDMA''' (''Code Division Multiple Access'') wird für jeden Teilnehmer eine spezifische Spreizfolge bereitgestellt. Solche Spreizfolgen – und damit auch das Gesamtsignal – sind im Vergleich zum Nutzsignal hochfrequent, so dass dieses Verfahren auch als Bandspreizung bezeichnet wird. Insbesondere wird es in den Zellularnetzen der dritten Generation wie zum Beispiel [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|UMTS]] eingesetzt.
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*&nbsp; $\rm OFDM$&nbsp; $($"Orthogonal Frequency Division Multiplex"$)$&nbsp; is a multicarrier modulation method based on the orthogonality of the carriers used,&nbsp; which are usually very many.&nbsp; Due to its advantageous properties,&nbsp; it is frequently used in wired systems&nbsp; $($example: &nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|$\rm xDSL)$]]&nbsp; and since 2010 also in mobile systems.&nbsp; In particular, it is used in fourth-generation&nbsp; $\rm (4G)$&nbsp; cellular networks as a multiple access method&nbsp; $\rm  (OFDMA)$.&nbsp;&nbsp; More detailed information can be found in the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/General_Information_on_the_LTE_Mobile_Communications_Standard|$\rm LTE$]]&nbsp; of the book&nbsp; "Mobile Communications".
  
Bei '''OFDM''' (''Orthogonal Frequency Division Multiplex'') handelt es sich um  ein Mehrträger–Modulationsverfahren, das auf der Orthogonalität der verwendeten, meist sehr vielen Träger basiert. Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften wird es zunehmend bei leitungsgebundenen (xDSL) und bei mobilen Systemen angewandt. Insbesondere findet es in den Zellularnetzen der vierten Generation (4G) als Vielfachzugriffsverfahren (''OFDMA'') Anwendung. Genaueres im Kapitel [[Mobile_Kommunikation/Allgemeines_zum_Mobilfunkstandard_LTE|LTE]] des Buches „Mobile Kommunikation”.
 
  
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This chapter deals in detail with
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#the&nbsp; &raquo;tasks of multiple access methods&laquo;&nbsp; in general,
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#a general description of&nbsp; &raquo;band spreading techniques and CDMA&laquo;,
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#some&nbsp; &raquo;realization aspects and applications of CDMA&laquo;,
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#a&nbsp; &raquo;general description of OFDM&laquo;&nbsp;,
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#some&nbsp; &raquo;realization aspects and applications of OFDM&laquo;.
  
Weitere Informationen zum Thema sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im Versuch &bdquo;Digitale Modulationsverfahren&rdquo; des Praktikums „Simulation Digitaler Übertragungssysteme ”. Diese (ehemalige) LNT-Lehrveranstaltung an der TU München basiert auf
 
  
*der Lehrsoftware [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Programme/CDMA.zip CDMA] &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die ZIP-Version des Programms und 
 
*der zugehörigen [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Texte/Code_Division_Multiple_Access.pdf Praktikumsanleitung]  &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die PDF-Version.
 
  
  
Das erste Unterkapitel &bdquo;Multiplexer und Demultiplexer&rdquo; ist wie folgt gegliedert:
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==Multiplexer and demultiplexer==
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So far, we have always assumed a single message source that transmits information
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*to a single sink&nbsp; (&raquo;'''point-to-point connection'''&laquo;),&nbsp; or
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*supplies several participants at the same time&nbsp; (&raquo;'''point-to-multipoint connection'''&laquo;, &nbsp;"broadcast").
  
  
==Multiplexer und Demultiplexer==
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However,&nbsp; this rarely corresponds to the situations that occur in practice.&nbsp;  Rather,&nbsp; a communication system - at least one that is economically viable - serves many subscribers who want to send information while acting as a message sink for the other subscribers.
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'').  
 
  
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For each class of application,&nbsp; there is usually only a limited amount of frequency bandwidth available.&nbsp; In radio systems in particular,&nbsp; bandwidth - since it cannot be increased at will - is an important resource.&nbsp;
  
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.  
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The &nbsp;"World Administrative Radio Conference"&nbsp; (WARC)&nbsp; coordinates the use of the frequencies available today and in the future worldwide.&nbsp;  Engineers have the task of using the frequency band made available for an application as effectively as possible and thus supplying as many subscribers as possible.
  
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.  
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[[File:EN_Mod_T_5_1_S1_neu2.png|right|frame| Schematic diagram for multiplexing]]
  
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The graphic shows the procedure:
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*The&nbsp; $K$&nbsp; source signals &nbsp;$q_1(t)$, ... , $q_K(t)$&nbsp; are each suitably modulated,&nbsp; combined by the multiplexer&nbsp; $\rm (MUX)$&nbsp; to form the transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; and then transmitted via the common physical channel.
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*The demultiplexer&nbsp; $\rm (DEMUX)$&nbsp; has the task of extracting the information for the &nbsp;$K$&nbsp; subscribers&nbsp; (sinks)&nbsp; from the received signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; and forwarding it to the desired subscriber.
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<br clear=all>
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==FDMA, TDMA, and CDMA==
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[[File: EN_Mod_T_5_1_S2.png |right|frame|Diagram of FDMA, TDMA and CDMA multiple access methods ]]
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The diagram with the three axes, namely&nbsp; "time",&nbsp; "frequency"&nbsp; and&nbsp; "power"&nbsp; illustrates three widely used&nbsp; &raquo;'''Multiple Access Methods'''&laquo;, namely
  
[[File:P_ID1858__Mod_T_5_1_S1_neu100.png | Prinzipschaltbild für Multiplexverfahren]]
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#&nbsp; Frequency Division Multiple Access&nbsp; $\rm (FDMA)$,
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#&nbsp; Time Division Multiple Access&nbsp; $\rm (TDMA)$, and
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#&nbsp; Code Division Multiple Access&nbsp; $\rm (CDMA)$.  
  
  
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.  
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"Multiple Access Method"&nbsp; indicates that there are several transmitter-receiver pairs that independently share a transmission medium.
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*In mobile communications,&nbsp; this transmission medium is the radio interface,&nbsp; in simplified terms the&nbsp; "air”&nbsp; in the environment of a base station.
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*The allocation is done either with a central instance in the base station or the subscribers work with collision detection.
  
==FDMA, TDMA und CDMA==
 
  
Die folgende Grafik mit den drei Achsen Zeit, Frequenz und Leistung verdeutlicht drei weit verbreitete Vielfachzugriffsverfahren, nämlich
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&raquo;'''Multiplexing'''&laquo;,&nbsp; on the other hand,&nbsp; is when a multiplexer bundles several signals at the beginning of a transmission path &nbsp;(as shown in the &nbsp;[[Modulation_Methods/Tasks_and_Classification#Multiplexer_and_demultiplexer|$\text{previous diagram}$]])&nbsp; and a demultiplexer splits this common signal again at the end.&nbsp; In this case, the abbreviations FDM, TDM and CDM are used instead of FDMA, TDMA and CDMA:
* ''Frequency Division Multiple Access'' (FDMA),  
+
#&nbsp; Frequency Division Multiplexing&nbsp; $\rm (FDM)$,  
* ''Time Division Multiple Access'' (TDMA), und
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#&nbsp; Time Division Multiplexing&nbsp; $\rm (TDM)$, and
* ''Code Division Multiple Access'' (CDMA).  
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#&nbsp; Code Division Multiplexing&nbsp; $\rm (CDM)$.  
  
  
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.  
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The processes shown in the diagram can be characterized as follows:
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*In &nbsp;"Frequency Division Multiple Access",&nbsp; each of the &nbsp;$K$&nbsp; users is allocated only a portion of the total bandwidth &nbsp;$B$&nbsp; and can transmit continuously (analog or digital) within it.&nbsp; As already described in detail in the introductory chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Zielsetzung_von_Modulation_und_Demodulation|"Objectives of Modulation and Demodulation"]],&nbsp; all users can transmit simultaneously at different carrier frequencies without any deterioration in transmission quality.&nbsp; The prerequisite is that no user occupies more than the currently permissible bandwidth &nbsp;$B/K$&nbsp; and that filters with arbitrarily steep edges are also available for channel separation.&nbsp; Otherwise,&nbsp; protective distances between the individual frequency bands must be observed.
  
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''.
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*In &nbsp;"Time Division Multiple Access",&nbsp; on the other hand,&nbsp; all&nbsp;$K$&nbsp; subscribers use the entire frequency band &nbsp;$B$, but only for a fraction &nbsp;$(1/K)$ &nbsp;of the time.&nbsp; In the case of time-continuous symbols,&nbsp; time division multiplexing requires intermediate storage at the transmitter,&nbsp; blockwise transmission at a data rate that is higher by a factor of &nbsp;$K$,&nbsp; and a facility at the receiver,&nbsp; which reassembles the blocks in the individual time slots to form a continuous data stream.
  
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*In &nbsp;"Code Division Multiple Access",&nbsp; the same frequency band of width &nbsp;$B$&nbsp; is shared by all subscribers at all times;&nbsp; they are virtually on top of each other in terms of power.&nbsp; In order to be able to separate the subscriber signals at the receiver, they are multiplied at the transmitter by a periodic binary sequence with a higher frequency than the useful bandwidth by a factor of &nbsp;$J ≥ K$,&nbsp; which corresponds spectrally to a band spreading by this factor &nbsp;$J$.&nbsp;&nbsp;
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*This is referred to as &nbsp;&raquo;'''PN modulation'''&laquo;&nbsp; or &nbsp;"Direct Sequence Spread Spectrum".&nbsp; If &nbsp;$J$&nbsp; mutually orthogonal spread sequences are found,&nbsp; then under ideal conditions,&nbsp; up to &nbsp;$J$&nbsp; users can occupy the common channel simultaneously without mutual interference,&nbsp; but each only with the useful bandwidth &nbsp;$B/J$&nbsp; (based on the data rate).&nbsp; Due to the band spreading,&nbsp; however,&nbsp; each user occupies the entire frequency band &nbsp;$B$&nbsp; at all times.
  
[[File: P_ID1859__Mod_T_5_1_S2_neu.png | Vielfachzugriffsverfahren FDMA, TDMA und CDMA]]
 
  
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For the sake of completeness,&nbsp; another multiple access method should be mentioned:&nbsp; Space Division Multiple Access&nbsp; $\rm (SDMA)$.&nbsp;
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*Here,&nbsp; the use of group antennas&nbsp; (also called antenna arrays)&nbsp; at the transmitter enables selective spatial propagation of the signal components.&nbsp;
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*The individual users are separated at the receiver by the spatial position of the respective end devices.
  
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.
 
  
  
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 $B$.
 
  
  
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==Application examples==
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'''(1)'''&nbsp; [[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation#Time_Division_Multiplex_methods|$\text{Time Division Multiplexing}$]]&nbsp;  $\rm (TDM)$&nbsp; has been used for a very long time,&nbsp; for example in the &nbsp;"Plesiochronous Digital Hierarchy"&nbsp; $\rm (PDH)$&nbsp; standardized in 1972.
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*Starting from a data rate of &nbsp;$\text{2.048 Mbit/s}$,&nbsp; the higher bit rates &nbsp;$\text{8.448, 34.368, 139.264}$&nbsp; and &nbsp;$\text{564.992 Mbit/s}$&nbsp; are obtained,&nbsp; in each case by quadrupling,&nbsp; taking into account a certain overhead. &nbsp;
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*Since 1988,&nbsp; there is still the &nbsp;"Synchronous Digital Hierarchy"&nbsp; $\rm (SDH)$&nbsp; with the data rates &nbsp;$\text{155.52, 622.08, 2488.32, 9953.28, 39813.12 Mbit/s ≈ 40 Gbit/s}$&nbsp; $($in each case exactly the factor $4)$,&nbsp; which is used in the newer optical systems.
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[[File: P_ID1860__Mod_T_5_1_S2_neu.png | Vielfachzugriffsverfahren FDMA, TDMA und CDMA]]
+
'''(2)'''&nbsp; The oldest multiplexing method is &nbsp;[[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation#Channel_bundling_.E2.80.93_Frequency_Division_Multiplexing|$\text{Frequency Division Multiplexing}$]]&nbsp; $\rm (FDM)$,&nbsp; which has been used since the early days of analog broadcasting technology in the 1930s.&nbsp;
 +
*For example,&nbsp; the "VHF II" range – in Germany better known as "UKW" – covers the frequency range from &nbsp;$\text{87.5}$&nbsp; to &nbsp;$\text{108 MHz}$, i.e. a bandwidth of &nbsp;$\text{20.5 MHz}$.&nbsp;
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*With the original frequency grid of &nbsp;$\text{300 kHz}$,&nbsp;&nbsp;$K = 68$&nbsp; channels could be provided.&nbsp; Nowadays,&nbsp; the channel spacing is usually narrower,&nbsp; with &nbsp;$\text{150 kHz}$&nbsp; intervals.
  
==Anwendungsbeispiele==
 
Zeitmultiplex (TDM) wird schon sehr lange eingesetzt, zum Beispiel in der 1972 standardisierten ''Plesiochronous Digital Hierarchy'' (PDH). Ausgehend von der Datenrate 2.048 Mbit/s ergeben sich die höheren Bitraten 8.448, 34.368, 139.264 und 564.992 Mbit/s, jeweils durch eine Vervierfachung unter Berücksichtigung eines gewissen Overheads. Seit 1988 gibt es daneben die ''Synchronous Digital Hierarchy'' (SDH) mit den Datenraten 155.52, 622.08, 2488.32, 9953.28 und 39813.12 Mbit/s ≈ 40 Gbit/s (jeweils genau Faktor 4), die in den neueren optischen Systemen zum Einsatz kommt.
 
  
Das älteste Multiplexverfahren ist FDM, das bereits seit den Anfängen der analogen Rundfunktechnik in den 1930er Jahren eingesetzt wird. Beispielsweise umfasst der VHF II–Bereich – besser bekannt als UKW – den Frequenzbereich von 87.5 bis 108 MHz, also eine Bandbreite von 20.5 MHz. Mit dem ursprünglichen Frequenzraster von 300 kHz konnten somit $K =$ 68 Kanäle bereitgestellt werden. Heutzutage wird das Kanalraster mit 150 kHz Abstand meist enger gewählt.  
+
'''(3)'''&nbsp; The European mobile communications standard &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|$\rm GSM$]]&nbsp; ("Global System for Mobile Communications")&nbsp; introduced in the early 1990s also uses an FDMA component in addition to a TDMA component&nbsp; (eight time slots per frequency channel).&nbsp;
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*For the connection from the mobile station to the base station &nbsp; &rArr; &nbsp; "uplink",&nbsp; the frequency range &nbsp;$890.1$ ... &nbsp;$914.9 \ \rm MHz$&nbsp; is used and in the opposite direction&nbsp; &rArr; &nbsp; "downlink"&nbsp; the range &nbsp;$935.1$ ... &nbsp;$959.9 \ \rm MHz$.
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*The entire bandwidth &nbsp;$B\text{ = 24.8 MHz}$&nbsp; available in the so-called&nbsp; "D band"&nbsp; for uplink and downlink is divided by&nbsp; "Frequency Division Multiplexing"&nbsp; $\rm (FDMA)$&nbsp; into &nbsp;$124$&nbsp; bands, each &nbsp;$\text{200 kHz}$&nbsp; wide.&nbsp;
 +
*The maximum possible number of channels is thus&nbsp; (theoretically) &nbsp;$\text{8 · 124 = 992}$.&nbsp; However,&nbsp; since neighboring cells must not use the same frequencies,&nbsp; as this would result in a considerable loss of quality at the cell boundaries,&nbsp; the maximum possible number of channels for the GSM system is &nbsp;$\text{330}$&nbsp; $($reuse factor $3)$.
  
Der Anfang der 1990er Jahre eingeführte europäische Mobilfunkstandard GSM benutzt neben einer TDMA–Komponente (8 Zeitschlitze pro Frequenzkanal) ebenfalls eine FDMA–Komponente. Die gesamte im sog. D–Band zur Verfügung stehende Bandbreite $B =$ 24.8 MHz – bei der Verbindung von der Mobilstation zur Basisstation (Uplink) der Frequenzbereich 890.1 ... 914.9 MHz und in der Gegenrichtung (Downlink) der Bereich 935.1 ... 959.9 MHz – wird per Frequenzmultiplex (FDMA) in 124 jeweils 200 kHz breite Bänder unterteilt. Die maximal mögliche Kanalzahl beträgt somit (theoretisch) 8 · 124 = 992. Da allerdings benachbarte Zellen nicht die gleichen Frequenzen benutzen dürfen, da es sonst an den Zellgrenzen zu einem beträchtlichem Qualitätsverlust kommen würde, ergibt sich für das GSM–System eine maximal mögliche Kanalzahl von 330 (Reuse–Faktor 3).  
+
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'''(4)'''&nbsp; &nbsp;"Orthogonal Frequency Division Multiplex"&nbsp; $\rm (OFDM)$,&nbsp; which is described in detail in the &nbsp;[[Modulation_Methods/Allgemeine_Beschreibung_von_OFDM|"second part of this chapter"]],&nbsp; is of great importance.  
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*Both the wired &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|$\rm DSL$]]&nbsp; ("Digital Subscriber Line")&nbsp; and the 4G mobile communications system &nbsp;[[Mobile_Communications/General_Information_on_the_LTE_Mobile_Communications_Standard|$\rm LTE$]]&nbsp; ("Long Term Evolution")&nbsp; are based on this.  
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*These are multi-carrier systems in which the individual spectral functions overlap but do not interfere with each other due to orthogonality.
 +
  
Von großer Bedeutung ist ''Orthogonal Frequency Division Multiplex'' (OFDM), auf dem sowohl DSL (''Digital Subscriber Line'') als auch das 4G–Mobilfunksystem LTE (Long Term Evolution) aufbaut. Hierbei handelt es sich um ein Mehrträgersystem, bei dem sich die einzelnen Spektralfunktionen zwar überlappen, aber auf Grund von Orthogonalität nicht stören. Das OFDM–Prinzip wird in Kapitel 5.5 (sowie in den Kapiteln 5.6 bis 5.8) detailliert beschrieben.  
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'''(5)'''&nbsp; Before that, we will look at different variants of band spreading methods and &nbsp;"Code Division Multiple Access"&nbsp; $\rm (CDMA)$ in the three following chapters.&nbsp; This is used,&nbsp; for example,&nbsp; in the 3G mobile communications standard &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|$\rm UMTS$]]&nbsp; ("Universal Mobile Telecommunications System").&nbsp;
  
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==Exercises for the chapter==
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[[Aufgaben:Exercise_5.1:_FDMA,_TDMA_and_CDMA|Exercise 5.1: FDMA, TDMA and CDMA]]
  
Vorher betrachten wir aber in den Kapiteln 5.2 bis 5.4 verschiedene Varianten von bandspreizenden Verfahren und ''Code Division Multiple Access'' (CDMA), das zum Beispiel im 3G–Mobilfunkstandard UMTS (''Universal Mobile Telecommunications System'') Anwendung findet.
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[[Aufgaben:Exercise_5.1Z:_GSM_System/E–Band|Exercise 5.1Z: GSM System/E–Band]]
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
 
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Latest revision as of 17:11, 19 January 2023

# OVERVIEW OF THE FIFTH MAIN CHAPTER #


In the last chapter of the book  "Modulation Methods",  two examples of modern digital modulation methods are discussed,  namely   »CDM«   and  »OFDM«   which are also frequently used as multiple access methods under the names  »CDMA«  and  »OFDMA«

  •   In  $\rm CDMA$  $($"Code Division Multiple Access"$)$,  a specific spreading sequence is provided for each subscriber.  Such spreading sequences – and thus also the overall signal – are high-frequency compared to the useful signal,  so this method is also known as  "Band Spreading".   It is used in particular in third-generation cellular networks such as  $\rm UMTS$
  •   $\rm OFDM$  $($"Orthogonal Frequency Division Multiplex"$)$  is a multicarrier modulation method based on the orthogonality of the carriers used,  which are usually very many.  Due to its advantageous properties,  it is frequently used in wired systems  $($example:   $\rm xDSL)$  and since 2010 also in mobile systems.  In particular, it is used in fourth-generation  $\rm (4G)$  cellular networks as a multiple access method  $\rm (OFDMA)$.   More detailed information can be found in the chapter  $\rm LTE$  of the book  "Mobile Communications".


This chapter deals in detail with

  1. the  »tasks of multiple access methods«  in general,
  2. a general description of  »band spreading techniques and CDMA«,
  3. some  »realization aspects and applications of CDMA«,
  4. a  »general description of OFDM« ,
  5. some  »realization aspects and applications of OFDM«.



Multiplexer and demultiplexer


So far, we have always assumed a single message source that transmits information

  • to a single sink  (»point-to-point connection«),  or
  • supplies several participants at the same time  (»point-to-multipoint connection«,  "broadcast").


However,  this rarely corresponds to the situations that occur in practice.  Rather,  a communication system - at least one that is economically viable - serves many subscribers who want to send information while acting as a message sink for the other subscribers.

For each class of application,  there is usually only a limited amount of frequency bandwidth available.  In radio systems in particular,  bandwidth - since it cannot be increased at will - is an important resource. 

The  "World Administrative Radio Conference"  (WARC)  coordinates the use of the frequencies available today and in the future worldwide.  Engineers have the task of using the frequency band made available for an application as effectively as possible and thus supplying as many subscribers as possible.

Schematic diagram for multiplexing

The graphic shows the procedure:

  • The  $K$  source signals  $q_1(t)$, ... , $q_K(t)$  are each suitably modulated,  combined by the multiplexer  $\rm (MUX)$  to form the transmitted signal  $s(t)$  and then transmitted via the common physical channel.
  • The demultiplexer  $\rm (DEMUX)$  has the task of extracting the information for the  $K$  subscribers  (sinks)  from the received signal  $r(t)$  and forwarding it to the desired subscriber.


FDMA, TDMA, and CDMA


Diagram of FDMA, TDMA and CDMA multiple access methods

The diagram with the three axes, namely  "time",  "frequency"  and  "power"  illustrates three widely used  »Multiple Access Methods«, namely

  1.   Frequency Division Multiple Access  $\rm (FDMA)$,
  2.   Time Division Multiple Access  $\rm (TDMA)$, and
  3.   Code Division Multiple Access  $\rm (CDMA)$.


"Multiple Access Method"  indicates that there are several transmitter-receiver pairs that independently share a transmission medium.

  • In mobile communications,  this transmission medium is the radio interface,  in simplified terms the  "air”  in the environment of a base station.
  • The allocation is done either with a central instance in the base station or the subscribers work with collision detection.


»Multiplexing«,  on the other hand,  is when a multiplexer bundles several signals at the beginning of a transmission path  (as shown in the  $\text{previous diagram}$)  and a demultiplexer splits this common signal again at the end.  In this case, the abbreviations FDM, TDM and CDM are used instead of FDMA, TDMA and CDMA:

  1.   Frequency Division Multiplexing  $\rm (FDM)$,
  2.   Time Division Multiplexing  $\rm (TDM)$, and
  3.   Code Division Multiplexing  $\rm (CDM)$.


The processes shown in the diagram can be characterized as follows:

  • In  "Frequency Division Multiple Access",  each of the  $K$  users is allocated only a portion of the total bandwidth  $B$  and can transmit continuously (analog or digital) within it.  As already described in detail in the introductory chapter  "Objectives of Modulation and Demodulation",  all users can transmit simultaneously at different carrier frequencies without any deterioration in transmission quality.  The prerequisite is that no user occupies more than the currently permissible bandwidth  $B/K$  and that filters with arbitrarily steep edges are also available for channel separation.  Otherwise,  protective distances between the individual frequency bands must be observed.
  • In  "Time Division Multiple Access",  on the other hand,  all $K$  subscribers use the entire frequency band  $B$, but only for a fraction  $(1/K)$  of the time.  In the case of time-continuous symbols,  time division multiplexing requires intermediate storage at the transmitter,  blockwise transmission at a data rate that is higher by a factor of  $K$,  and a facility at the receiver,  which reassembles the blocks in the individual time slots to form a continuous data stream.
  • In  "Code Division Multiple Access",  the same frequency band of width  $B$  is shared by all subscribers at all times;  they are virtually on top of each other in terms of power.  In order to be able to separate the subscriber signals at the receiver, they are multiplied at the transmitter by a periodic binary sequence with a higher frequency than the useful bandwidth by a factor of  $J ≥ K$,  which corresponds spectrally to a band spreading by this factor  $J$.  
  • This is referred to as  »PN modulation«  or  "Direct Sequence Spread Spectrum".  If  $J$  mutually orthogonal spread sequences are found,  then under ideal conditions,  up to  $J$  users can occupy the common channel simultaneously without mutual interference,  but each only with the useful bandwidth  $B/J$  (based on the data rate).  Due to the band spreading,  however,  each user occupies the entire frequency band  $B$  at all times.


For the sake of completeness,  another multiple access method should be mentioned:  Space Division Multiple Access  $\rm (SDMA)$. 

  • Here,  the use of group antennas  (also called antenna arrays)  at the transmitter enables selective spatial propagation of the signal components. 
  • The individual users are separated at the receiver by the spatial position of the respective end devices.



Application examples


(1)  $\text{Time Division Multiplexing}$  $\rm (TDM)$  has been used for a very long time,  for example in the  "Plesiochronous Digital Hierarchy"  $\rm (PDH)$  standardized in 1972.

  • Starting from a data rate of  $\text{2.048 Mbit/s}$,  the higher bit rates  $\text{8.448, 34.368, 139.264}$  and  $\text{564.992 Mbit/s}$  are obtained,  in each case by quadrupling,  taking into account a certain overhead.  
  • Since 1988,  there is still the  "Synchronous Digital Hierarchy"  $\rm (SDH)$  with the data rates  $\text{155.52, 622.08, 2488.32, 9953.28, 39813.12 Mbit/s ≈ 40 Gbit/s}$  $($in each case exactly the factor $4)$,  which is used in the newer optical systems.


(2)  The oldest multiplexing method is  $\text{Frequency Division Multiplexing}$  $\rm (FDM)$,  which has been used since the early days of analog broadcasting technology in the 1930s. 

  • For example,  the "VHF II" range – in Germany better known as "UKW" – covers the frequency range from  $\text{87.5}$  to  $\text{108 MHz}$, i.e. a bandwidth of  $\text{20.5 MHz}$. 
  • With the original frequency grid of  $\text{300 kHz}$,  $K = 68$  channels could be provided.  Nowadays,  the channel spacing is usually narrower,  with  $\text{150 kHz}$  intervals.


(3)  The European mobile communications standard  $\rm GSM$  ("Global System for Mobile Communications")  introduced in the early 1990s also uses an FDMA component in addition to a TDMA component  (eight time slots per frequency channel). 

  • For the connection from the mobile station to the base station   ⇒   "uplink",  the frequency range  $890.1$ ...  $914.9 \ \rm MHz$  is used and in the opposite direction  ⇒   "downlink"  the range  $935.1$ ...  $959.9 \ \rm MHz$.
  • The entire bandwidth  $B\text{ = 24.8 MHz}$  available in the so-called  "D band"  for uplink and downlink is divided by  "Frequency Division Multiplexing"  $\rm (FDMA)$  into  $124$  bands, each  $\text{200 kHz}$  wide. 
  • The maximum possible number of channels is thus  (theoretically)  $\text{8 · 124 = 992}$.  However,  since neighboring cells must not use the same frequencies,  as this would result in a considerable loss of quality at the cell boundaries,  the maximum possible number of channels for the GSM system is  $\text{330}$  $($reuse factor $3)$.


(4)   "Orthogonal Frequency Division Multiplex"  $\rm (OFDM)$,  which is described in detail in the  "second part of this chapter",  is of great importance.

  • Both the wired  $\rm DSL$  ("Digital Subscriber Line")  and the 4G mobile communications system  $\rm LTE$  ("Long Term Evolution")  are based on this.
  • These are multi-carrier systems in which the individual spectral functions overlap but do not interfere with each other due to orthogonality.


(5)  Before that, we will look at different variants of band spreading methods and  "Code Division Multiple Access"  $\rm (CDMA)$ in the three following chapters.  This is used,  for example,  in the 3G mobile communications standard  $\rm UMTS$  ("Universal Mobile Telecommunications System"). 

Exercises for the chapter


Exercise 5.1: FDMA, TDMA and CDMA

Exercise 5.1Z: GSM System/E–Band