Übertragung auf metallischen Leitern (3): Datenstecker und HF-Kabel

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Teil 10 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Entsprechend der Situation bei dem Kabel 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 Prozent der Fehler in LANs Fehler des Kabelsystems sind, stellt man fest, wie wichtig eine qualitativ hochwertige Verkabelung ist. In diesem Teil stellen wir einige kurze Stecker vor. Außerdem kommen wir noch kurz zu HF-Kabeln.

Der Hermaphrodit des IBM Verkabelungssystems IVS bietet vier Kontakte allererster Güte und ist extrem stabil aufgebaut. Er kann gleichzeitig als Stecker und als Buchse verwendet werden, daher die griechische Bezeichnung. Der Stecker ist voll geschirmt, und es gibt auch Ausführungen mit BALUNS(Balanced/Unbalanced Adapter) – das sind kleine Tansformatoren, die den Ausgleich zwischen dem elektrisch unsymmetrischen (Unba-lanced) Betrieb der Koaxialkabel, wie sie an Terminals der Reihe 3270 und früheren Geräten zu finden sind, und dem elektrisch symmetrischen Betrieb (Balanced) der STP-Leitungen schaffen und dabei eine Impedanzwandlung (93-Ohm-Koaxialkabel zu 150-Ohm-STP) vornehmen. Der Stecker ist vollständig geschirmt und benötigt aufgrund seiner Größe ein Standard-Einbaumaß.

Der Hermaphrodit wird in der Standardisierung und mittlerweile auch im neuen IBM Verkabelungssystem vom RJ-45-Stecker (Western Plug) verdrängt. Dieser winzige Stecker ist an fast jedem Telefon für die Verbindung zwischen Hörer und Apparat zu finden, meist aus durchsichtigem Kunststoff gefertigt. Man kann durchaus geschirmte Stecker bauen, eine Norm fehlt jedoch. Aufgrund seiner geringen Größe kann man auf dem gleichen Platz viermal so viele RJ-45-Buchsen wie IBM Hermaphroditen unterbringen, was besonders in der Patchfeldtechnik von Vorteil ist. Qualitativ ist der RJ-45 nicht besonders hoch einzustufen, bleibt man mit dem Fuß in einem Datenkabel hängen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sowohl Stecker als auch Buchse ruiniert sind, groß. Allerdings hat sich die Industrie in den letzten Jahren um Verbesserungen bemüht, die vor allem bei einer Schirmung und einer Verbesserung mechanischer Qualitäten zu sehen sind. Mittlerweile ist der Western Plug aus der Standardisierung für Verkabelungssysteme nicht mehr wegzudenken.

Dennoch macht der Stecker niemanden richtig glücklich. Eigentlich ist er nämlich nur bis 3 MHz spezifiziert, soll aber mit Kabeln jenseits der 300 MHz Bandbreite zusammen benutzt werden. Alle heute bekannten Verbesserungen des Steckers sind herstellerspezifisch. Natürlich kann man an das Plastikgehäuse Nasen angießen, die es unmöglich machen, einen verbesserten, z. B. geschirmten RJ-45 eines Herstellers in eine Buchse eines anderen Herstellers zu stecken. Alle Hersteller scheinen sich darin einig zu sein, von dieser Möglichkeit massiv Gebrauch zu machen. Schlechte RJ-45 Stecker führen zu Problemen mit Verteilern für Hochgeschwindigkeitsnetze, da sie eine so hohe Abstrahlung aufweisen, dass man eigentlich gar keinen Verteiler mehr benötigt. Schließlich geben die Hersteller gerne an, dass man einen Stecker 2.000 Mal einstecken und wieder herausziehen kann, ohne dass die Kontakte nachlassen. Dies ist aber nicht die Realität, was ist, wenn man den Stecker nach 3 Jahren herauszieht und dann wieder irgendwo einsteckt?

Einen Kompromiss zwischen den genannten Alternativen stellt der TAED-Stecker dar. Auch diesen Stecker haben Sie wahrscheinlich zu Hause; das ist der, mit dem Sie die meisten Telefone, Anrufbeantworter und Faxgeräte in entsprechende Wanddosen stecken. Die Telekom hat in den letzten Jahren sehr viele ältere Anschlüsse auf diese Technik umgerüstet. Man bekommt durchaus drei Buchsen in eine Einbaudose. Man kann den Stecker mit Schirmung bauen, dies wird auch gemacht. Der TAED-Stecker ist der Stecker für das ISDN. Außerdem kommen in ein Doseneinbaumaß am Arbeitsplatz ein Datenanschluss und eine oder zwei Telefon/ISDN-Anschlüsse unter. Der Stecker ist gegenüber physischer Gewalt wesentlich resistenter als der RJ-45. Leider spielt dieser Stecker heute keine große Rolle mehr.

Für Unentschlossene gibt es dann Modulardosen, die mit dem Kabel verlegt werden können und erst im Augenblick der Anschaltung eines Endgerätes mit einem Modul für eine bestimmte Stecker-Technik zur aktiven Dose werden. Vorteile sind hier Modularität und Planungsflexibilität, nachteilig ist, dass noch ein weiterer Satz Kontakte in den Datenweg kommt und die Dämpfung erhöht.

Glücklicherweise sind im Rahmen des Standards ISO 11801/EN 50173 eine Reihe von Prüfungen der Zuverlässigkeit von Steckverbindern vorgesehen.

Die bislang genannten Stecker sind für härtere Anforderungen, wie sie z.B. in Industrienetzen gefordert werden, absolut ungeeignet. Hier gibt es verschiedene Weiterentwicklungen und konkurrierende Konzepte. Diese richten sich nach den international genormten Schutzklassen, welche bestimmte Belastbarkeiten festlegen. Siehe zu den Schutzklassen die Bild 8.

Zunächst einmal wird für die (harmlose) Schutzklasse IP20 der RJ-45 Western Plug nach EN 60603-7 mit zusätzlicher Verriegelung angeboten.

Eine andere Weiterentwicklung des RJ-45-Steckers ist für die Schutzklasse IP-67 gedacht. Steckverbindungen nach dieser Klasse dürfen ruhig einmal richtig nass werden.

Vom bekannten Marktführer für Industrienetze, der Firma Hirschmann, wird jedoch der klassische M-12-IndustrieSteckverbinder der Schutzklasse IP-67, aber für Ethernet, favorisiert. Die Schutzklasse IP-67 besagt, daß man ein diese Schutzklasse entsprechendes Teil in einem sehr weiten Temperaturbereich betreiben kann und es auch unbeschadet für einige Sekunden untertauchen kann, allerdings darf es nicht dauerhaft baden gehen, das wäre dann wieder eine andere Schutzklasse. Der Stecker ist vierpolig und zeichnet sich durch eine ganz besonders einfache und robuste Installation durch Push-and-Pull-Technik aus.

Der M-12-Stecker ist allerdings nur bis 100 MHz geschirmt spezifiziert. Andere Stecker kommen z.B. von der Fa. Siemon, die einen gekapselten RJ-45 mit Bajonett- oder Schraubverschluss mit einer Grenzfrequenz von bis zu 250 MHz anbietet und der Fa. Härting, die einen gekapselten Stecker mit einem Übertragungsgereich bis hin zu 600 MHz entwickelt hat.

Für allgemeine Anwendungen, also auch für den Bürobereich, arbeitet man an weiteren Steckern bis 600 MHz. Hier gibt es zwei wesentliche Ansätze.

Der Steckverbinder nach IEC 603-7-7 hat 12 Kontakte, acht oben und vier unten. Damit kann man Vier- oder Achtdrahtleitungen unterschiedlich anschließen, so z.B. für hohe Geschwindigkeiten 2 Paare an den unteren vier Pins und zwei weitere an den oberen Pins 1-2 und 7-8. Für Anforderungen geringerer Bandbreite bis 250 MHz reicht es, wenn man die oberen vier Paare benutzt. Die Zukunft dieses Steckverbinders ist in der Normung aber ungewiss, obwohl diese Alternative vor allem von der Fa. Nexans vorangetrieben wird, hinter der der Weltkonzern Alcatel steckt. Vom US-Hersteller Siemon kommt der Vorschlag für den Steckverbinder IEC 61076-3-104. Hier wurden die Lizenzen für das Steckgesicht kostenlos vergeben, um eine hohe Akzeptanz zu erreichen. Das hat bei der Standardisierung für Ethernet ja auch schon gut geklappt.

Hochfrequenzkabel

Da die über eine Leitung übertragbare Bitrate im Wesentlichen von deren Bandbreite abhängt, befassen wir uns kurz mit wesentlichen Eigenschaften metallischer Leiter bei Hochfrequenz und der einzigen bislang für LANs verwendete Bauform, dem Koaxialkabel, allerdings verbunden mit dem Hinweis, dass schon seit vielen Jahren keine Neuinstallationen mit Koax-Kabel mehr vorgenommen werden.

Es gibt eine große Anzahl von Effekten und Phänomenen bei der Übertragung hoher Frequenzen auf dazu entworfenen physikalischen Leitern. Das wesentlichste Phänomen im Rahmen der bei Lokalen Netzen benutzten Frequenzbereiche ist der Skineffekt. Er überwiegt im Allgemeinen bei hohen Frequenzen noch die durch kapazitiven und induktiven Leitungsbelag hervorgerufenen Tiefpasseigenschaften. Er besagt, dass bei sehr hohen Frequenzen der Strom fast nur noch in einer dünnen Schicht an der Leiteroberfläche fließt, während tiefer im Leiterinneren fast kein Strom mehr fließt. Die Ursache ist, dass der im Leiter fließende Strom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das seinerseits im Leiter eine elektrische Feldstärke erzeugt, die so gerichtet ist, dass sie dem fließenden Strom entgegenwirkt. Prinzipiell ist diese Ursache die gleiche wie für den frequenzabhängigen Wechselstromwiderstand einer Spule, basierend auf Selbstinduktion. Der Skineffekt bewirkt also eine Erhöhung des ohmschen Widerstandes des Leiters, da das Leiterinnere weitgehend stromlos ist. Die bei Niederfrequenzkabel gemachten Aussagen zu Nebensprechdämpfung und Impedanzverhalten gelten dem Effekt nach gleichermaßen.

Eine Koaxialleitung oder ein Koaxialkabel besteht aus einem Innenleiter mit dem Radius ri und einem Außenleiter mit dem Radius ra. Der Zwischenraum zwischen den Leitern ist bei der Leitung mit Luft oder einem festen Isolationsmaterial, bei Kabel immer mit einer Isolationsmasse, ausgefüllt. Wegen des Skineffektes ist der Außenleiter, obwohl er hohl ist, für hohe Frequenzen fast so gut wie ein massiver Leiter gleichen Durchmessers geeignet. In der Praxis ist dieser Durchmesser ca. 0,7 bis 5 cm, während Doppelleitungen ca. 1 bis 3 mm Durchmesser haben. Für die elektrische Übertragung kann in den Außenleiter ein Innenleiter gelegt werden, der nicht vom Strom im Außenleiter beeinflusst wird, da das Magnetfeld im Inneren des Außenleiters vernachlässigbar gering ist. Die Dämpfung eines Koaxialkabels ist wegen der geringeren Leitungsbeläge ebenfalls geringer. Ein optimales Verhältnis von Außen- zu Innenleiterdurchmessern ist 3,6. Koaxialkabel können eine Bandbreite von bis zu 400 MHz unterstützen. Wir unterscheiden heute drei wesentliche Typen von Koaxialkabel:

  • 50-Ohm-Koaxialkabel nach der IEEE 802.3 CSMA/CD-LAN-Norm, wie sie früher für 10Base-5 und 10Base-2 Verwendung gefunden haben.
  • 75-Ohm-Koaxialkabel nach der IEEE 802.7 Breitband-Norm. Diese Kabel wurden in Breitbandnetzen eingesetzt.
  • 93-Ohm-RG 62 Koaxialkabel für den IBM 3270 Terminalbereich.

Heute interessieren wenn überhaupt im Zusammenhang mit LANs nur noch die Kabel nach IEEE 802. Hier gibt es das so genannte »Standard«-Ethernet-Kabel und das »Cheapernet«-Kabel. Das Standardkabel für 10Base-5 hat einen Kupferinnenleiter von 2,17 mm Durchmesser, der zunächst von einem Dielektrikum und dann von einem Schirm (Außenleiter) umgeben ist. Der Außenleiter hat zwischen 6,15 und 8,28 mm Durchmesser und ist seinerseits wiederum von einem feuerhemmenden Kunststoffaußenmantel aus Teflon FEP oder PVC umgeben. Insgesamt ist das Kabel zwischen 9,25 und 10,29 mm dick und wird meist in gelber Farbe geliefert (Yellow Cable). Es besitzt dann Kennungen (rote Ringe) im Abstand von 2,5 m. Seine Impedanz ist, wie schon gesagt, 50 ± 2 Ohm, und es darf bei einer Länge von 500 m eine Dämpfung von höchstens 6,0 dB bei 5 MHz und 8,5 dB bei 10 MHz haben. Das Standardkabel ist relativ schwer und erlaubt nur einen minimalen Biegeradius von 20 bis 25 cm, mehr ist in der Praxis immer besser. Deshalb ist man noch darauf verfallen, ein anderes billigeres und leichteres Kabel zuzulassen, das Cheapernet-Kabel RG 58 (Thin Wire). Es hat ebenfalls eine Impedanz von 50 ± 2 Ohm und die gleichen Grenzwerte für die Dämpfung wie das Standardkabel, aber nur bezogen auf eine maximale Segmentlänge von 185 m, es ist also viel schlechter. Sein Innenleiter sind flexible Litze aus verzinnten Kupferadern mit einem Durchmesser von ca. 0,89 mm umgeben von einem Dielektrikum und einem Schirm (Außenleiter) aus Kupferlitze, der etwa bei 2,95 mm Durchmesser beginnt. Das Ganze wird von einem Außenmantel umgeben, der schließlich zu einem Gesamtdurchmesser von ca. 5 mm und einem minimalen Biegeradius von 8 cm führt. Ein Cheapernet-Segment kann lediglich 30 Anschlüsse aufnehmen.

Es gibt noch eine Reihe weiterer Sonderbauformen von Koaxialkabeln, z. B. Kabel mit mehr als einer »Seele« , wie sie gerne von IBM verwendet werden, oder Kabel mit mehr als einem Schirm (Außenleiter), wie sie z. B. die Firma SIEMENS bei der industriellen Vernetzung in rauhen Umgebungen erfolgreich einsetzt. Wir wollen hier aber nicht mehr näher auf diese unterschiedlichen Bauformen eingehen.

Es gibt bei LANs (und hier eigentlich auch nur im Ethernet-Bereich) zwei charakteristische Konnektoren: Standard-N-Konnektoren und TAPs. Ein Standard-N-Konnektor ist eine »normale« Koaxialkabelkupplung mit Schraubverbindung, in die das Koaxialkabel eingeklemmt oder eingelötet wird.

Das TAP besteht aus zwei Blöcken, zwischen die das Koaxialkabel unverrückbar eingeklemmt wird. Dann kann man eine Verbindung bis zum Innenleiter und eine andere Verbindung bis zum Außenleiter bohren. Das TAP heißt in der US-Literatur auch Vampir-TAP, und dies nicht zu unrecht. Ein TAP-Anschluss kann also hergestellt werden, ohne dass das Koaxialkabel aufgetrennt werden muss. Die Installation eines TAP-Anschlusses dauert ca. 15 Minuten. Nachteilig ist zweierlei: Auch bei bester Technologie wird man es nicht verhindern können, dass die eingebohrten Verbindungen und die Leiter an den Stellen, wo sie aufeinander treffen, auf Dauer korrodieren. Dies hat bei älteren Ethernet-Installationen schon zu einem erheblichen Restaurationsaufwand geführt. Das Auftreten dieses Effektes ist nicht nur von der Qualität der Komponenten, sondern auch und maßgeblich von der Umgebung der Installation abhängig. Entfernt man ein TAP, so sind die dann im Kabel übrigbleibenden Löcher nicht mehr für eine neue TAP-Verbindung brauchbar, da sie (jetzt viel schneller) korrodieren. Man kann die Löcher mit einer speziellen Paste zuschmieren. Auch für Cheapernet-Kabel gelten die beiden Alternativen TAP- oder N-Barrel-Konnektor, die wegen ihrer Form auch T-Stecker heißen.

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