Multiplextechnik

Die Multiplextechnik ist ein Teilgebiet der Nachrichtentechnik, das darauf ausgerichtet ist, viele einzelne Nachrichtenkanäle zu bündeln und zusammen über einen gemeinsamen Übertragungsweg zu übertragen. Das wichtigste Anwendungsgebiet für die Multiplextechnik ist das Verbindungsnetz des Telefonnetzes (manchmal auch als Verbindungsleitungsnetz bezeichnet). Als Verbindungsnetz bezeichnet man das Netz zwischen den Teilnehmervermittlungsstellen. An die Teilnehmervermittlungsstellen in den einzelnen Ortschaften sind die Telefone angeschlossen. Ein Gespräch von einem Telefon, das kein Ortsgespräch ist, wird über eine dieser Verbindungsleitungen zu der Teilnehmervermittlungsstelle vermittelt, an der das angewählte Telefon hängt. Damit man nun nicht für jedes Telefongespräch über eine Verbindungsleitung eine eigene Leitung gebraucht wird, wurden dafür hochbitratige Übertragungswege installiert, die sehr viele Nachrichtenkanäle gleichzeitig übertragen können. Aber auch im Zugangsnetz, das aus den Teilnehmeranschlussleitungen besteht, mit denen die Telefone an die Teilnehmervermittlungsstellen angeschlossen werden, wird Multiplextechnik eingesetzt.

Entwicklung der Multiplextechnik

Frequenzmultiplex

Die Multiplextechnik hat sich im Laufe der Zeit der Fortschritte in der Übertragungstechnik bedient. Bis zu Beginn der Digitalisierung in den 1980er Jahren hat man das Verbindungsnetz fast ausschließlich als Richtfunknetz realisiert. Als Alternative hätten damals nur hochwertige Kupferkabel zur Verfügung gestanden. Bei Kupferkabeln nimmt aber die Dämpfung proportional zur Entfernung zu, während die Funkfeldstärke nur logarithmisch abfällt. Daher kann man mit einer terrestrischen Richtfunkstrecke wesentlich größere Strecken ohne Verstärkung überbrücken als mit Kupferkabeln. Das bedeutet einen erheblichen Kostenvorteil. Allerdings werden Funksignale bei Regen stärker gedämpft, so dass die überbrückbare Entfernung in der Praxis doch stärker begrenzt ist. Seit dieser Zeit ist Deutschland mit einem Netz von Richtfunktürmen im Abstand von 30 bis 70 km überzogen. Die Multiplextechnik dieser Zeit ist dadurch fast ausschließlich analoge Trägerfrequenztechnik, das Multiplexverfahren wird Frequenzmultiplex genannt.

Zeitmultiplex

Die analoge Trägerfrequenztechnik ist aus heutiger Sicht sehr teuer, da sie viele diskrete Bauelemente benötigt. Ein erster wichtiger Schritt zur Digitalisierung war, nicht mehr einzelne analoge Signale auf eine in viele Bänder aufgeteilte Trägerfrequenz zu modulieren, sondern die analogen Sprachsignale zu digitalisieren, mehrere dann zu einem gemeinsamen digitalen Signal zu bündeln, und dieses eine digitale Signal dann über eine Richtfunkstrecke zu senden. Diese digitalen Multiplexverfahren wurden von der CEPT standardisiert, um zu international einsetzbaren Verfahren zu kommen, es wurde eine Grundbitrate für ein Telefongespräch festgelegt und eine Hierarchie von Multiplexstufen.

Als technische Grundlage für die Digitalisierung eines Sprachsignals wurde in Europa 8-Bit-PCM festgelegt. Der Grundtakt, mit dem das analoge Signal abgetastet wird, hat eine Frequenz von 8 kHz. Somit ergibt sich eine Bitrate von 64 kBit/s (8 kHz x 8 Bit) für die Übertragung eines Telefongesprächs. Das ist die Grundbitrate, auch als DS0 (DS von Digital Signal) oder B-Kanal bezeichnet. Das erste, so genannte Primär-Multiplexsignal besteht aus 30 Kanälen für jeweils ein digital codiertes Sprachsignal. Es wird abgekürzt als DS1 bezeichnet, bzw. E1 (E für Europa). Die Deutsche Bundespost hat es sogar als D1 bezeichnet, (D für Deutschland).

Jeweils vier von diesen Primär-Multiplexsignalen werden dann wiederum zu einem Signal mit 120 Kanälen gebündelt. Das ist dann die zweite Hierarchiestufe DS2 bzw. E2. Davon können wiederum vier Signale zu einem Signal mit 480 Kanälen gebündelt werden usw. In Nordamerika und im von Japan dominierten asiatisch-pazifischen Raum ist man denselben Weg gegangen, allerdings mit technischen Abweichungen. DS0 hat 56 kb/s und die Multiplexfaktoren sind anders.

Dieses erste System einer Multiplexhierachie wurde wegen des verwendeten Gleichlaufverfahrens Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH) genannt. Die standardisierte Toleranz des Gleichlaufverfahrens beträgt maximal 50 ppm, so dass eine ausreichende Sprachqualität gewährleistet ist. Das Multiplexverfahren ist ein relativ einfaches Zeitmultiplexverfahren.

Die PDH hat einen großen Nachteil: will man in ein Multiplexsignal, das noch freie Kanäle hat, ein weiteres Signal einfügen, muss man es wieder in alle einzelnen Signale aufteilen, den neuen hinzufügen, jedes einzelne Signal dann durch Stopfbits wieder neu auf einen gemeinsamem Takt synchronisieren, und diese danach wieder zur ursprünglichen Bitrate zusammenmultiplexen. Dieses Verfahren ist aufwendig und teuer. Es wurde also ein Nachfolger festgelegt, der ihn vermeidet: die Synchrone Digitale Hierarchie (SDH). Außerdem ist es gelungen, die europäische, nordamerikanische und japanische Multiplexhierarchie in den Bitraten zu vereinheitlichen: ab 155 Mb/s und höher sind sie gleich. Die Verfahren, wie die einzelnen Signale aber gebündelt werden, unterscheiden sich noch immer.

Wellenlängenmultiplex

In den 1990er Jahren wurde auch die Glasfasertechnologie langsam kostengünstig, so dass begonnen wurde, das Verbindungsnetz vom Richtfunk weg auf Glasfaser umzustellen. Zunächst war dies nur eine neue Übertragungstechnologie, es wurden Single-Mode-Glasfasern verlegt und das digitale Multiplexsignal, welches vorher über Richtfunk übertragen wurde, wurde nun in ein optisches Signal gewandelt und dieses mit einer einzigen Wellenlänge übertragen. Zu Beginn dieses Jahrhunderts wurden nun Technologien entwickelt, die es erlauben, auf einer Glasfaser mehrere optische Signale gleichzeitig zu übertragen, und vor allem mehrere optische Signale zu bündeln bzw. zu entbündeln, ohne sie vorher in elektrische Signale zu wandeln. Diese Verfahren werden mit Wellenlängenmultiplex bezeichnet. Die erreichbaren Bitraten sind dadurch um ein Vielfaches gestiegen, und die internationale Standardisierung hat nun nach PDH und SDH für den Weitverkehrsbereich das OTN (Optisches Transportnetz) mit Bitraten bis 40 Gigabit/s definiert.