Metallische Leiter und optische Übertragungstechnik

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Teil 5 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Ab einer gewissen Größenordnung werden in einem Unternehmen oder einer Organisation metallische Leiter und Glasfaserkabel verwendet. Beide haben mit ihrer Konstruktion eng verbundene Eigenschaften. Man kann sie natürlich wild durch die Gegend legen. Sinnvoller ist jedoch eine systematisierte Verkabelungsstrategie, die die Kabel dort einsetzt, wo ihre Eigenschaften am besten zu dem, was man machen möchte, passen.

Video zu diesem Teil: Seminar Optische Netze, Teil 3

In der Diskussion über moderne Verkabelungssysteme haben sich vier Parameter als besonders wichtig herausgestellt, nämlich die Impedanz, die Dämpfung (attenuation, a), die Nahnebensprechdämpfung (Near End Crosstalk, NEXT) und das Dämpfungs-/Nahnebensprechdämpfungsverhältnis (Attenuation-to-Crosstalk Ratio ACR).

Die Impedanz ist der Wellenwiderstand einer Leitung. Innerhalb eines Übertragungssystems müssen Sender und Empfänger an die i. w. durch die Bauform des Kabels bestimmte Impedanz angepasst werden, damit es gut funktionieren kann. Es gibt keine »gute« oder »schlechte« Impedanz. Sie sollte nur überall gleich sein.

Die Dämpfung gibt letztlich an, wie stark die Ausgangsleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung noch ist. Normalerweise wird sie bei Kabeln auf die Länge bezogen, damit man Maximallängen für bestimmte Anwendungen berechnen kann. Sie wird, wie in den letzten Abschnitten dargestellt, in dB ausgedrückt, und sollte möglichst gering sein.

Die Nahnebensprechdämpfung gibt an, wie stark das Signal, welches in einem Paar eines vier- oder mehradrigen Kabels läuft, bezogen auf ein anderes Adernpaar abgeschwächt wird. Sie wird ebenfalls in dB ausgedrückt. Damit es innerhalb eines Kabels nicht zu wüster Promiskuität der Informationsströme kommt, sollte sie möglichst groß sein.

Das ACR ist ein in letzter Zeit immer häufiger verwendetes, praktisches Maß. Die Qualität eines Übertragungskanals wird durch das Signal/Rauschverhältnis (S/N) am Eingang des Empfängers maßgeblich bestimmt, weil für den Empfänger wichtig ist, ob er das eigentliche Nutzsignal aus der Mischung aus Nutzsignal und Störung wieder herausfischen kann. Möchte man auf einem Übertragungskanal ein bestimmtes S/N erreichen, so geht dies sowohl mit hoher Nahnebensprechdämpfung NEXT bei hoher Signaldämpfung a, als auch mit kleiner Nahnebensprechdämpfung NEXT bei kleiner Signaldämpfung. Das Maß NEXT – a wird auch als ACR bezeichnet. Es ist also weniger für die Spezifikation des Verhaltens eines Kabels, als vielmehr für die zusammenfassende Beschreibung der gewünschten Leistung eines Verkabelungssystems geeignet.

Man muss zwischen mindestens drei Grundtypen metallischer Leiter unterschieden:

Sternvierer, die normale Telefonverkabelung, bei der vier Adern um sich selbst gemeinsam verdrillt sind, und die üblicherweise nur eine sehr geringe Übertragungskapazität haben.

Unshielded Twisted Pair UTP, bei dem zwei Adernpaare jeweils verdrillt sind. Hier sind die Paare gegeneinander ungeschirmt, es kann jedoch ein statischer Gesamtschirm existieren.

Shielded Twisted Pair STP, welches wie UTP aufgebaut ist, jedoch pro Adernpaar geschirmt.

Durch Fortschritte bei der Kabelherstellung haben sich heute in der Praxis schließlich neben dem Sternvierer vier wesentliche verschiedene grundsätzliche Ausführungen für Datenkabel etablieren können:

  1. Shielded Twisted Pair STP mit zwei einzeln mit Folie geschirmten Paaren, einem Gesamtschirm und einem Wellenwiderstand von 150 Ohm
  2. Unshielded Twisted Pair UTP völlig ohne Abschirmung mit vier Paaren und einem Wellenwiderstand von 100 Ohm
  3. Screened Unshielded Twisted Pair S-UTP, bei dem der Gesamtschirm entweder als Folie (St) oder als Folie und Geflecht (St-C) ausgeführt ist. Es gibt zwei oder vier Paare mit einem Wellenwiderstand von 100 Ohm.
  4. Screened Shielded Twisted Pair S-STP mit zwei oder vier einzeln mit Folie geschirmten Paaren, Gesamtschirm als Geflecht und Wellenwiderstand 100 Ohm.

An einem Ersatzschaltbild, welches eine unendlich kleine Scheibe eines metallischen Leiters darstellt, kann man klar machen, wo seine Probleme liegen. Jeder metallische Leiter ist ein Tiefpass. Das bedeutet, dass hohe Frequenzen umso mehr gedämpft werden, je länger der Leiter ist. Populär gesagt, wächst der Innenwiderstand der Spulen mit der Frequenz und der innenwiderstand des durch die beiden Adern gebildeten Kondensators sinkt, womit die höheren Frequenzen immer weiter kurzgeschlossen werden. Höhere Frequenzen sind aber wichtige Komponenten eines Signals. Je länger das Kabel wird, desto mehr werden sie abgewürgt. Damit kommt man irgendwann zu einem Punkt, an dem man keine sinnvolle Datenübertragung mehr über das Kabel machen kann.

Weitere Effekte sind Nah- und Fernnebensprechen. Sie treten dann auf, wenn mehrere Adernpaare zu einem Kabel zusammengefasst werden. Wegen der allgemeinen elektromagnetischen Wechselwirkung erzeugen Signale auf einem Adernpaar auch einen „Schatten“ auf dem jeweils anderen. Der stört natürlich. Das ist das Nahnebensprechen oder NEXT (Near End Cross Talk). Ein Kabel befindet sich normalerweise in einer Umwelt, in der es ebenfalls elektromagnetische Wirkungen gibt, die umso mehr auf das Kabel einwirken, je weiter entfernt sie vom Einspeisepunkt des Signals entfernt sind. Das Signal wird ja mit der Entfernung immer schwächer. Diese Effekte nennt man Fernnebensprechen oder FEXT (Far End Cross Talk).

S-UTP hat sich am Markt durchgesetzt. Neben der reinen Bauform spielen natürlich auch das Leitermaterial und der physische Aufbau der einzelnen Adern eine gewichtige Rolle bei der Übertragungskapazität.

Im Gegensatz zu anderen Bereichen der Nachrichtentechnik haben sich sichere Spezifikationen und Normen für Niederfrequenzkabel erst sehr spät entwickelt. Dies hat sicherlich zwei wesentliche Gründe. Zum einen sieht das OSI-Referenzmodell keinerlei Betrachtungen über das Medium vor, da zu Beginn der Arbeiten an diesem Modell in den frühen siebziger Jahren hier keine wesentlichen Alternativen zum Telefonkabel bestanden. Zum anderen hat die LAN-Entwicklung in ihrer ersten Phase zunächst eine Vielzahl herstellerspezifischer Lösungen hervorgebracht, die alle an einen bestimmten Kabeltyp gebunden waren. Heute ist die Norm ISO 11801 für die Inhouse-Verkabelung maßgeblich, auch wenn laufend noch an ihr gearbeitet wird.

Entsprechend der Situation bei den Kabeln ist auch die Wahl des Datensteckers nicht trivial. Die heute angebotenen Stecker sind von äußerst unterschiedlicher Qualität. Bedenkt man aber, dass je nach Installation heute bis zu 90% der Fehler in LANs Fehler des Kabelsystems sind, stellt man fest, wie wichtig eine qualitativ hochwertige Verkabelung ist.

Der bei LANs heute wohl bekannteste Stecker ist der RJ-45-Stecker (Western Plug). Dieser Stecker ist kompakt und an fast jedem Telefon für die Verbindung zwischen Hörer und Apparat zu finden, meist aus durchsichtigem Kunststoff gefertigt. Man kann durchaus geschirmte Stecker bauen, leider gibt es keine Norm.

Im neuen ISO/IEC-Standard 11801 für Verkabelungssysteme gibt es keine Koaxialkabel mehr, die ja im privaten Bereich durchaus noch vorkommen.

Optische Übertragungstechnologie

Die optische Übertragungstechnologie zeichnet sich durch einige Eigenschaften aus, die für ein Netz von besonderer Bedeutung sind. Zur Zeit entwickelt sich die Lichtleiter-Technologie zur generellen Übertragungstechnik der Zukunft. Offen ist lediglich die Frage, welchen Stellenwert diese Technologie auf der Gebäude-Etage und im Arbeitsplatzbereich haben wird. Im RZ, im Geländebereich und bei öffentlichen Netzen ist die Lichtleitertechnologie heute ohne Konkurrenz.

Die wesentlichen Vorteile optischer Übertragungstechnik sind hohe verfügbare Bandbreite, die prinzipiell bis in den Multigigabit- bzw. in den Terabit-Bereich reicht, und geringe (annähernd frequenzunabhängige!) Signaldämpfung für die Überbrückung großer Distanzen zwischen aktiven Netzkomponenten, Störsicherheit und Abhörsicherheit. Lichtwellenleiter strahlen so gut wie kein Licht an die Umgebung ab und sind lediglich durch Spezialeinrichtungen abhörbar. Nachteilig sind allerdings etwas höhere Kosten für Verbindungen. Teilt man allerdings die Kosten durch die mögliche Datenrate, sind optische Wege sehr preiswert, Endgeräte können diese hohen Datenraten jedoch heute noch nicht nutzen. Der Aufbau eines optischen Übertragungssystems unterscheidet sich nicht wesentlich von einer konventionellen Sender-Empfänger-Anlage mit elektrischen Komponenten.

Das zu übertragende (elektrische) Signal wird zur Übertragung aufbereitet (kodiert) und einem elektro-optischen Wandler zugeführt. Hierbei ändert sich die Strahlung der zugehörigen Lichtquelle zeitlich entsprechend der Signalquelle. Die generierten Lichtimpulse werden in einen Lichtwellenleiter (LWL) eingekoppelt und dort bis zu einem Strahlungsempfänger geführt, der die optischen Signale wieder in elektrische Signale umwandelt. Nach einer eventuell erforderlichen Regenerierung und Verstärkung kann das Signal vom Empfänger dekodiert und ausgewertet werden.

Die Dämpfung eines Lichtwellenleiters ist wie bei allen anderen Leitern frequenzabhängig (Wellenlänge des Lichtes), in völligem Gegensatz zu anderen Leitern ist die Dämpfung über die Wellenlänge nicht linear oder irgendwie exponentiell steigend oder fallend, sondern es gibt vielmehr in Abhängigkeit vom verwendeten Material ausgeprägte Dämpfungsminima und -maxima. Erstere sind natürlich prädestiniert für die Nachrichtenübertragung, so dass sich die Festlegung des Wellenlängenbereiches für die Übertragung danach richtet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von sog. »Fenstern«, die für die uns interessierenden Komponenten bei 850, 1310 und 1550 nm liegen. Es ist also durchaus nicht jede Strahlungsquelle für ein optisches Übertragungssystem geeignet. In optischen Datenübertragungssystemen werden in der Regel Halbleiter-Strahlungsquellen eingesetzt, meist Laserdioden.

Für das eigentliche Übertragungsmedium gibt es eine Vielzahl von meist unpräzisen Bezeichnungen: Glasfaser, Lichtleiter, Lichtleitfaser, Lichtwellenleiter. In englischsprachiger Literatur wird der Lichtwellenleiter (LWL) häufig als ‚optical fiber‘ bezeichnet. Prinzipiell besteht ein LWL aus einer dünnen zylindrischen Faser aus Quarzglas, es gibt aber auch welche aus Plastik (POF Plastic Optical Fiber). Der Kern der Faser weist einen größeren Brechungsindex (Brechzahl n1) auf als der Mantel (Brechzahl n2).

Die Weiterleitung der Lichtwellen in einem LWL beruht auf dem Prinzip der Totalreflexion an Grenzschichten zwischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte. Ein Lichtstrahl wird hierbei total reflektiert, falls gilt: cos g > n2 /n1. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird durch weitere Totalreflexion der Strahl im LWL gehalten. Ebenso wie bei herkömmlichen Leitern treten beim LWL Dämpfungsverluste bei der Übertragung von Signalen auf. Diese Verluste sind jedoch, unter bestimmten Voraussetzungen, nicht so stark wie bei elektrischen Leitern. Somit lassen sich vergleichsweise lange Distanzen ohne zusätzliche Verstärkung überbrücken.

Ein wichtiges Maß zur Klassifizierung der Übertragungsleistung eines Lichtwellenleiters stellt das sog. Bandbreiten-Längenprodukt bzw. Bitraten-Längenprodukt dar, da es für jeden Fasertyp annähernd konstant ist. Es gibt an, welche Datenraten bei gegebener Leitungslänge in der Faser übertragen werden können, bzw. welche maximale Leitungslänge von einer Faser bei vorgegebener Datenrate verkraftet wird.

Lichtwellenleiter lassen sich anhand der Anzahl der geführten Wellen sowie der Art des Brechungsverlaufs unterscheiden. Im Kern eines Lichtwellenleiters breiten sich Lichtanteile unterschiedlicher Einstrahlungswinkel aus. Die Strahlen, die hierbei durch häufige Reflexion an der Grenzschicht Kern/Mantel einen längeren Weg in der Faser zurücklegen, werden auch als Strahlen hohen Modes bezeichnet, Strahlen, die nahe entlang der Faserachse geführt werden, als Strahlen niedrigen Modes. Tragen bei einem Lichtwellenleiter mehrere Moden zur Signalübertragung bei, werden sie auch als Multimodefasern bezeichnet.

Multimodefasern sind gekennzeichnet durch einen relativ großen Kerndurchmesser, so dass bei Lichtquellen mit großem Abstrahlwinkel wie z. B. Lumineszenzdioden mehrere Moden innerhalb der Faser ausbreitungsfähig sind und somit eine hinreichend große Lichtleistung in die Faser eingekoppelt werden kann.

Leider haben diese Fasern auch einen großen Nachteil: da die Lichtgeschwindigkeit in der Faser eine Konstante ist, benötigt das Licht, welches mehr oder weniger im Zick-Zack durch die Faser läuft, mehr Zeit als das Licht, was entlang der optischen Achse läuft. Man hat keinen Einfluss darauf, wie die Verteilung der Elemente eines Impulses, der auf einer Glasfaser übertragen werden soll, auf diese unterschiedlichen Ausbreitungsmoden ist. Durch die unterschiedlichen Laufzeiten kann es zu erheblichen Impulsverformungen kommen, die sich letztlich in einer Senkung der erzielbaren Datenrate, die ja durch die Anzahl der in einer Zeiteinheit aufeinanderfolgenden Impulse gekennzeichnet ist, niederschlägt. Verformte Impulse werden einfach „breiter“ und man muss entsprechende Pausen lassen, da sich die Impulse sonst mischen und es zu Übertragungsfehlern kommt.

Diesen Effekt nennt man auch Modendispersion oder intermodale Dispersion. Sie ist bei einfachen optischen Systemen die dominierende Dispersionsform. Andere Dispersionsmöglichkeiten wollen wir hier nicht mehr behandeln.

Bei Multimodefasern kann man noch eine weitere Unterscheidung in Bezug auf die Art des Brechungszahlverlaufes innerhalb der Faser machen. Man unterscheidet Stufenprofil- und Gradientenprofilfasern. Bei Stufenprofilfasern besitzen Kern und Mantel eine feste Brechzahl, die Dichten der jeweiligen Materialien sind jeweils konstant. Die Gradientenprofilfaser weist einen parabolischen Brechzahlverlauf im Kern auf. Man senkt damit die Modendispersion deutlich, weil es zu Ausgleichseffekten hinsichtlich der Laufzeit unterschiedlicher Moden kommt. Die Gradientenindexprofilfaser ist heute die in LANs am häufigsten verwendete Faser und ist in einfachen Formen bis zu 1 Gigabit/s. auf einer Distanz von bis zu 300 m brauchbar, ganz neue Fasern schaffen auch das Zehnfache.

Lichtwellenleiter, bei denen durch einen sehr kleinen Kerndurchmesser (etwa 5 oder 10 µm) lediglich ein Mode, der quasi die Achse des Kerns darstellt, durchgelassen wird, werden als Monomodefaser bezeichnet. Monomodefasern stellen höhere Anforderungen an die einzusetzende Strahlungsquelle, da praktisch nur ein Mode eingekoppelt werden kann. Aus diesem Grund kommen hier ausschließlich Laser-Dioden als Sender zum Einsatz. Die Monomodefasern sind auch teurer in Herstellung, Verlegung und wegen der erforderlichen Präzision auch komplizierter anzuschließen. Allerdings kann sich der Aufwand lohnen: der Rekord für die Übertragung auf Monomodefasern steht bei über 10 Terabit/s. (!!!) auf eine Distanz von 100 km ohne Zwischenverstärker. Diese Leistung wird sicherlich nicht in allen Fällen benötigt.

In dem an den LWL gekoppelten Empfänger wandeln Photodetektoren die optischen Impulse wieder in elektrische Signale um.

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