mini|Zwei Steuersignale, horizontal und vertikal, in einer Übertragung: Bildabtastung einer Kathodenstrahlröhre im Zeilensprungverfahren Multiplexverfahren (lat. multiplex „vielfach, vielfältig“; vielfach auch mit MPX abgekürzt) bezeichnet eine elektronische Signal- und Nachrichtenübertragung, bei der ein Signal in Oszillation mehrere Teilsignale enthält und bündelt. Multiplex-Signale können selbst Teil eines Multiplex-Signals sein und so beliebig viele verschiedene Signal- und Datenströme ineinander enthalten. Die zunehmende Komplexität des Signals muss dabei entweder in Übertragungszeit oder Frequenz bzw. Bandbreite ausgeglichen werden. Die Übertragung erfolgt simultan über ein Medium wie eine Leitung, ein Kabel, eine Funkstrecke oder einen Datenstrom. Durch die Oszillation entsteht eine Parallelisierung sequentieller Signalfolgen.mini|Übertragung des digitalen Videotextes in der oben gezeigten Austastlücke des analogen TV-Signals (drei Farbsignale und Ton) mini|Wiedergabe eines Multiplex-Mediums (Bild und Ton): Lesekopf für zwei Medien auf einem Bandmini|Veranschaulichung einer 7-Segment-Anzeige mit synchron-sequentiellem Segment-Multiplexing 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, LCD-, Plasma- und CRT-Bildschirme sowie -displays) zum Einsatz. Verschiedene Standards der Bild-und-Ton-Übertragung, wie Fernsehnormen oder Containerformate, basieren auf Multiplexverfahren.
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 am anderen Ende des Übertragungsweges entbündelt die Signale wieder, um sie verschiedenen technischen Baugruppen zur Wiedergabe zuzuführen. Hierbei können Kosten für den Übertragungsweg gesenkt werden.
Die Funktechnik eignet sich besonders, um mehrere Teilnehmer, die meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen Funkstation verbinden zu können (Rundfunk). Auch hier werden Signale aus mehreren Quellen gebündelt, aber sie werden nicht zielgerichtet übertragen. Beim Richtfunk als Punkt-zu-Punkt-Verbindung gibt es ebenfalls Multiplextechniken. Hier wird der Hochfrequenzübertragungskanal gemeinsam für eine Vielzahl von Datenströmen benutzt.
Multiplexverfahren kommen auch bei der Wiedergabe von Medien zum Einsatz, wobei das Medium als (theoretisch unendliches) Band und die Wiedergabeposition als Lesekopf verstanden wird. Dieses Konzept hat sich über die Verdrängung von magnetgebundenen Medien durch modernere Datenspeicherverfahren hinaus erhalten.
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. Durch gemeinsame Normen und einheitliche Baugruppen verringern sich auch die Kosten in der Herstellungskette. Manche technischen Lösungen sind überhaupt nur mit multiplexer Signalübertragung realisierbar (z. B. der Tonfilm, Surround-Sound, Bildwiedergabe auf Bildschirmen, USB, Funkuhren mit Wetterdaten oder ISDN und NGN).
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, ohne dass diese sich gegenseitig ausschließen: 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. Da Frequenz und Wellenlänge fest über die Ausbreitungsgeschwindigkeit miteinander verkoppelt sind, sind Frequenz- und Wellenlängenmultiplex synonyme Verfahren. Zeitmultiplexverfahren Mehrere Signale werden zeitversetzt übertragen. Sie sind zeitlich ineinander verschachtelt. Die Zeitfenster können synchronisiert und gleich lang 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 können anhand ihrer unterschiedlichen Codierung zugeordnet werden; im Empfänger wird nur das passend kodierte Signal erkannt und ausgewertet.
Analogien zur Veranschaulichung Raummultiplexverfahren Menschen können verschiedene Instrumente in einem Musikstück unterscheiden, obwohl sie gleichzeitig gespielt und gehört, aber separat aufgenommen werden. An belebten Plätzen ist jedem ein Gespräch mit der eigenen Begleitung möglich, wenn alle eine angemessene Lautstärke einhalten. 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. Im Bereich der Audio-/Videobearbeitung spricht man auch von Multiplexing, wenn eine Videospur mit einer Tonspur durch entsprechende Software in eine einzelne Datei (z. B. *.mpeg) zusammengeführt wird.
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.
Multiplexing bei Webseiteaufrufen Wenn im Internet eine Webseite aufgerufen wird, müssen in der Regel mehrere Dateien geladen werden (html, Bilder, Style Sheets, Favicon, Video, Audio…). Für jeden dieser Aufrufe muss eine eigene Verbindung erstellt werden. Da mehrere Handshakes (Verbindungsaufbauten) hintereinander ausgeführt werden müssen (TCP, TLS, dann http), dauert das Laden der Webseite aufgrund der Paketumlaufzeit länger. Falls HTTP/2 verwendet wird, können mehrere parallele Aufrufe in einer einzigen Verbindung zusammengefasst werden. Dies wird als Multiplexing bezeichnet. Dabei besteht jedoch weiterhin das Problem des sogenannten Head-of-Line-Blocking. Das heißt, falls Pakete für einen Aufruf verloren gehen, stocken auch die anderen Aufrufe. Dies wird mit HTTP/3 weiter verbessert, da dieses auf QUIC anstelle von TCP basiert.
Raummultiplexverfahren (SDMA) Mit Raummultiplexverfahren (engl. oder ) bezeichnet man in der Nachrichtentechnik das Übertragen 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 mini|250px|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. ) 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. ), 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 oder 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.
Ein Spezialfall ist Multiple Input Multiple Output, bei dem ein logisches Signal durch mehrere kooperierende Antennen übertragen wird, um so Qualität (geringe Bitfehlerhäufigkeit) und Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich zu verbessern.
Frequenzmultiplexverfahren (FDMA)
Das Frequenzmultiplexverfahren, im Englischen (FDM) oder (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 mini|Schematische Darstellung des Frequenzmultiplexverfahrens Hierbei werden mehrere Signale auf je eine eigene 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.