Das
Codemultiplexverfahren
(
Code Division Multiplex
,
CDM
oder
Code Division Multiple Access
,
CDMA
) ist ein
Multiplexverfahren
, das die gleichzeitige Ubertragung verschiedener
Nutzdatenstrome
auf einem gemeinsamen Frequenzbereich ermoglicht. Der gemeinsam genutzte Frequenzbereich weist dabei als wesentliche Eigenschaft eine großere
Bandbreite
auf, als der Nutzdatenstrom belegt. Zur
Frequenzspreizung
und zur Unterscheidung der verschiedenen Datenstrome werden spezielle
Spreizcodes
eingesetzt.
Anwendungen von CDMA liegen im Bereich der digitalen Signalubertragung in
Mobilfunknetzen
der
dritten Generation
(3G) wie
CDMA2000
und
UMTS
. Weitere Anwendungsbereiche fur synchrones CDMA sind die Satellitennavigationssysteme
Global Positioning System
(GPS) und
Galileo
.
Erzeugung eines CDMA-Signals
Bei CDMA steht die Trennung und Unterscheidung unterschiedlicher und parallel ubertragener Datenstrome uber ein gemeinsames und dediziert genutztes Frequenzband im Vordergrund. Zur Unterscheidung werden die Datenstrome mit speziellen
Spreizcodes
codiert, wobei diese Codefolgen zusatzlich bestimmte Eigenschaften wie
Orthogonalitat
aufweisen und in bestimmten Anwendungen auf
Pseudozufall
basieren, wodurch auf Empfangerseite durch
Korrelation
mit der Spreizcodefolge die ursprunglichen Nutzdatenstrome voneinander getrennt gewonnen werden konnen. Gegenuber den klassischen Multiplexverfahren wie dem
Frequenzmultiplex
und dem
Zeitmultiplex
erfolgt bei dem Codemultiplex eine Uberlagerung der einzelnen Datenstrome sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich.
In der rechten Abbildung ist die Erzeugung eines bandgespreizten Signals dargestellt: Die oben dargestellte Quelldatenfolge, bestehend aus vier Bits (
1-0-1-0
) mit einer Bitdauer von
T
b,
wird mit einer hoherfrequenten Spreizcodefolge multipliziert, um das unten dargestellte, bandgespreizte und zu ubertragende Sendesignal zu erhalten. Die einzelnen Elemente der Spreizdatenfolge werden als
Chips
bezeichnet und weisen eine Lange von
T
c
auf. In der Abbildung ist die
Chiprate
(cps) 10-mal so hoch wie die zu ubertragende
Bitrate
(bps), womit sich eine Bandspreizung um ungefahr den Faktor 10 ergibt. Die resultierenden Bandbreiten liegen, je nach Anwendung, im Bereich von einigen MHz.
Fur das Codemultiplexverfahren muss fur jeden Teilnehmer eine eigene Spreizdatenfolge vorliegen, welche zu allen anderen benutzten Codefolgen eine moglichst minimale
Kreuzkorrelation
aufweist. Solche Codefolgen werden auch als
orthogonal
bezeichnet. Ein Beispiel sind die streng orthogonalen
Walsh-Codes
. Generell gilt der Zusammenhang, dass je langer die Codefolge ist, umso geringer ist die Nutzdatenrate. Dafur erhoht sich die Anzahl moglicher Nutzer, bzw. verringert sich die Sendeleistung. Je nach Anwendung konnen den Sendern unterschiedlich lange Codemuster zugewiesen werden, wie dies bei UMTS erfolgt. Fur eine Bruttodatenrate von 1,92 Mbps wird bei diesem Verfahren eine Codefolge mit der Lange 4 Bit verwendet. Bei 30 kbps ist die Codefolge 256 Bit lang. Dabei wird eine konstante Chip-Rate von 3,84 Mcps eingesetzt.
Walsh-Code mit vier Chips, wie er beim synchronen CDMA Anwendung findet
Bei synchronen CDMA mussen alle Teilnehmer untereinander den zur Bandspreizung eingesetzten Code zeitlich exakt gleich ausrichten. Dies bedeutet, dass keine sogenannten
Codephasenverschiebung
en zulassig sind. Dies ist nur bei bestimmten technischen Anwendungen moglich, beispielsweise bei der Funkstrecke (
Downlink
) von der
Base Transceiver Station
(BTS) zu den einzelnen mobilen Teilnehmern nach dem Mobilfunkstandard CDMA2000.
Im synchronen Fall ist es moglich, streng orthogonale Folgen wie den Walsh-Code einzusetzen, um damit das gegenseitige Ubersprechen (engl.
Multi User Interference
, MUI) zu minimieren. Daneben werden bei synchronen CDMA auch Pseudozufallsfolgen wie
Gold-Folgen
eingesetzt, wie zum Beispiel bei dem Mobilfunkstandard UMTS und bei dem Global Positioning System (GPS).
Bei asynchronen CDMA besteht keine Moglichkeit, die
Codephasenverschiebung
zwischen den Teilnehmern zu steuern. In diesem Fall ist nicht mehr die
Kreuzkorrelation
zwischen den einzelnen Codefolgen bestimmend, sondern die
ungerade Kreuzkorrelation
, welche beliebige Verschiebungen zwischen den Codefolgen erlaubt.
Typischerweise werden bei asynchronen CDMA
Pseudozufallsdatenfolgen
mit wesentlich langerer Periodenlange als ein Symbolintervall zur Bandspreizung eingesetzt. Die Optimierung dieser Codefolgen erfolgt nicht auf besonders gute gegenseitige Orthogonalitat, womit von Symbol zu Symbol stark unterschiedliche Korrelationseigenschaften vorliegen. Diese Schwache muss durch eine entsprechende
Kanalkodierung
kompensiert werden. Der Vorteil von asynchronen CDMA liegt allerdings darin, dass damit eine große Anzahl von zwar nur naherungsweise orthogonalen Codefolgen fur eine große Anzahl unterschiedlicher Teilnehmer zur Verfugung steht.
Ein Anwendungsbereich von asynchronen CDMA liegt bei der Funkstrecke (
Uplink
) von den mobilen Teilnehmern zur Base Transceiver Station (BTS) nach dem Mobilfunkstandard CDMA2000. Aber auch allgemeine Bandspreizverfahren wie
Direct Sequence Spread Spectrum
(DSSS) zahlen zu den asynchronen CDMA-Verfahren. Bei DSSS steht dabei die Bandspreizung gegenuber dem Codemultiplexverfahren und der Mehrfachnutzung im Vordergrund.