Übertragung auf metallischen Leitern (1): Niederfrequenzkabel

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Teil 8 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Für die Übertragung von Daten in den verschiedenen Formen von Rechnernetzen und insbesondere lokalen Netzen stehen folgende Medien zur Verfügung: verdrillte Leitungen mit oder ohne Abschirmung (Niederfrequenzkabel), Koaxialkabel (Hochfrequenzkabel), Lichtwellenleiter und Luft. Wir besprechen die wichtigsten Eigenschaften der metallischen Leiter und die mit ihnen zusammenhängenden Übertragungsverfahren und Übertragungstechniken in den nächsten Folgen. Danach befassen wir uns mit optischer Übertragungstechnik. Verkabelungssysteme können wir erst betrachten, wenn wir beide Alternativen gut kennen.

Auch angesichts hoher auf ihnen erzielbarer Datenraten bis hin zum Gigabit-Bereich sind die im Zusammenhang mit LANs benutzten verdrillten Leitungen mit und ohne Abschirmungen physikalisch gesehen Niederfrequenzkabel. Dadurch kosten sie relativ wenig, sind aber in ihren Möglichkeiten auch begrenzt.

Im Markt haben wir folgende grundsätzliche Bauformen, die es dann grundsätzlich in vielen Hunderten Varianten geben kann:

UTP Unshielded Twisted Pair paarweise verdrillte Kabel ohne Schirmung
S-UTP Screened UTP paarweise verdrillte Kabel mit Gesamtschirm
STP Shielded Twisted Pair paarweise verdrillte Kabel mit Schirmung für jedes Paar
S-STP Screened STP paarweise verdrillte Kabel mit Schirmung für jedes Paar und zusätzlichem Gesamtschirm.

Glücklicherweise gibt es seit einigen Jahren Standards für die Inhouse-Verkabelung, die die Sortenvielfalt erheblich einschränken. Auf diese Standards kommen wir aber erst viel später, weil sie auch die optische Übertragung berücksichtigen.

Das z. B. in Deutschland gerne als Telefonkabel verwandte Kabel nach der Bauart »Sternvierer« hat keine verdrillten Paare, sondern alle vier Drähte sind miteinander verdrillt. Es spielt für LANs keine Rolle. (siehe Bild 1)

Der Name legt irgendwie nahe, dass man von diesem Kabel bei der Übertragung hoher Frequenzen nicht allzu viel erwarten sollte. Für LANs bis zu 10 Gbit/s werden sie jedoch mit bestimmten Entfernungsrestriktionen, die von LAN-Typ und Produkt abhängen, im Rahmen einer universellen Verkabelungsstruktur gerne benutzt, nicht zuletzt aus Kostengründen. Absolut erstklassige Kabel können auf einer Entfernung von 100m ohne größere nachrichtentechnische Tricks eine Datenrate bis zu 1 Gigabit/s, danach wird es problematisch, aber die Industrie hat hier Lösungen gefunden, auf die wir gesondert eingehen. Obwohl die in der Datenkommunikation vorkommenden Verbindungskabel verdrillt sind, haben sie in grober Näherung die wesentlichen Charakteristika von Doppelleitungen. Wir können also zur Vereinfachung diese Charakteristika besprechen.

Physikalische Eigenschaften von Leitungen
Ein Leiterpaar, das einen Übertragungsweg bildet, wird üblicherweise als Leitung bezeichnet. Die elektrischen Eigenschaften einer Leitung mit der Länge l werden beschrieben durch den Widerstand R und die Induktivität L, die am Eingang der Leitung gemessen werden, wenn die beiden Leiter am Ausgang kurzgeschlossen werden und durch die Kapazität C und den Leitwert G zwischen den beiden Leitern. Die Messung muss mit einer Frequenz erfolgen, deren Wellenlänge größer ist als die Länge l der Leitung.

Im Folgenden betrachten wir der Einfachheit halber homogene Leitungen mit konstantem Leiterquerschnitt und Leiterabstand sowie gleichförmiger Isolation zwischen den Leitern. Die elektrischen Eigenschaften, normiert bei einer Leitungslänge von 1 km, werden als Leitungsbeläge (R’, L’, C’, G’) bezeichnet.

Für die Betrachtung von Leitungseigenschaften kann man sich die Leitung in infinitesimal kleine Abschnitte zerlegt vorstellen, für die sich dann ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Elementen angeben lässt, die in Wirklichkeit kontinuierlich über die Leitung verteilt sind (Bild 2).

Ein wichtiges Maß für die Beurteilung der Übertragung auf einer Leitung ist die Dämpfung für Spannung und Leistung. Sind Vi und Pi die am Anfang einer Leitung angelegte Spannung bzw. Leistung und Vo bzw. Po die am Ende der Leitung zur Verfügung stehende Spannung bzw. Leistung, dann werden 20 lg (Vi/Vo) bzw. 10 lg (Pi/Po) als 1 dB Dämpfung bezeichnet.

Die Dämpfung einer Leitung führt in der Praxis z. B. zu einer Aussage darüber, in welchen Abständen Zwischenverstärker eingebaut werden müssen, um ein Signal mit einer gewünschten Stärke beim Empfänger ankommen zu lassen. Man ist natürlich an möglichst geringen Dämpfungen interessiert.

Es gibt verschiedene Ursachen der Dämpfung. Wegen der im letzten Abschnitt hergeleiteten Abhängigkeiten ist die Bedämpfung hoher Frequenzen besonders relevant. Aus der Ersatzschaltung wird mit einer kleinen Hervorhebung klar, dass eine symmetrische Doppelleitung einen Kettentiefpass mit Grenzfrequenz bildet, mit lk Länge des Leiters. (siehe Bild 4)

Ein kleines Beispiel zeigt, wie abhängig das gesamte Frequenzverhalten von der Länge ist: Für ein Kabel mit 0,7 mH/km und 30 nF/km ist die Grenzfrequenz ungefähr 5 MHz bei einer Leitungslänge von 1 km, aber 5 GHz bei einer Leitungslänge von nur 1 m. Bitte vergleichen Sie auch die im nächsten Abschnitt angegebenen Dämpfungscharakteristika realer Leitungen.

Ein weiterer für den Anschluss an Geräte zu betrachtender Faktor ist die Impedanz Z der (unendlich langen) Leitung, ihr Wellenwiderstand am Eingang. In komplexer Schreibweise ist die Impedanz in Bild 6 verdeutlicht.

Wenn eine Leitung am Anfang und am Ende mit Z abgeschlossen wird, so wird vermieden, dass reflektierte Wellenzüge vom Ende der Leitung aus rücklaufen und hinlaufende Wellenzüge bedämpfen.

Eine Hilfsvorstellung ist, dass durch den Abschlusswiderstand die Leitung so ins »Unendliche« verlängert wird, dass keine Reflexionen auftreten können. Die Impedanz ist frequenzabhängig. Man wird bei einem Kabel daher nur für einen bestimmten, relativ kleinen Frequenzbereich eine optimale Anpassung erzielen können.

Die hier gemachten theoretischen Aussagen beziehen sich auf das Verhalten einer Leitung gegenüber einer einzelnen Sinusschwingung fester Frequenz. Die in der Praxis bei der Bitübertragung auftretenden eher rechteckförmigen Schwingungen sind (siehe Teile 6 und 7) durch einen breiten Spektralbereich gekennzeichnet. Das Verhalten einer Leitung ist dann anders. Die effektive Leistung kann meist nur durch Messungen bestimmt werden, hängt aber von der unterschiedlichen Bedämpfung der Harmonischen über die Leitungslänge ab. In keinem Falle allerdings ist die Leitung für eine Rechteckschwingung »besser«.

Nebensprechdämpfung
Ebenfalls wichtig in vieladrigem Kabel ist der Effekt des Nebensprechens, der durch kapazitive und induktive Kopplung zwischen Adernpaaren entsteht. Die induktive Kopplung entsteht durch die Wirkung des durch den Stromfluss induzierten magnetischen Feldes, das seinerseits wieder Spannungen und Ströme in den in seinem quadratisch an Intensität abnehmenden Wirkungsbereich befindlichen Leitern induziert. Weitere Kopplungen haben induktiven oder kapazitiven Charakter gegen »Erde«. Sodann gibt es noch Kopplungen, die durch das Zusammenwirken frequenzabhängiger Komponenten entstehen. Da die Kopplungen derart unterschiedlich sind, ist ein zusammenfassendes Maß notwendig, die Nebensprechdämpfung.

Wir blicken auf die Bild 7. Das Bild zeigt zwei betriebsmäßig abgeschlossene Adernpaare, so wie wir sie bei LANs z. B. im Rahmen einer sternförmigen Grundverkabelung vorfinden, wie sie z.B. bei Ethernet 10Base-T vorgesehen ist. Durch eine Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand Z1 entsteht am Eingang des Adernpaares 1 eine Spannung U1A. Wenn zwischen den Adernpaaren 1 und 2 eine Kopplung besteht, wird dadurch am »nahen« Ende des Adernpaares 2 eine Spannung U2A hervorgerufen, am »fernen« Ende des Adernpaares 2 die Spannung U2B.

Als Nahnebensprechdämpfung definiert man Bild 8. Als Fernnebensprechdämpfung definiert man Bild 9.

Die unterstrichenen Größen sind komplex. Für die Datenübertragung ist speziell die Nahnebensprechdämpfung von Bedeutung. Beim Nebensprechen befindet sich der Signalempfänger, der an das gestörte Adernpaar 2 angeschlossen ist, am gleichen nahen Ende des Kabels, an dem auch der störende Sender an das Adernpaar 1 angeschlossen ist. Diese Störung ist größer als die durch das Fernnebensprechen hervorgerufene Störung. Allerdings nimmt die Nahnebensprechdämpfung mit zunehmender Frequenz ab. Die Nahnebensprechdämpfung in Adernpaaren eines Vierers, STP oder UTP ist auch deshalb wichtig, weil bei der Datenübertragung im LAN neuerdings meist mit Vollduplex gearbeitet wird. Das Problem des Nahnebensprechens tritt nicht nur bei LANs auf, sondern auch z. B. bei ISDN. Das Nahnebensprechen ist in diesen Fällen im Grunde genommen ein Echo der Sendung auf der einen Leitung wie auf der anderen. Für ISDN sind extra sogenannte Echo-Kompensationsschaltkreise entwickelt worden. Diese Technik findet bei LANs nur bei Gigabit Ethernet Anwendung. Man kann Nebensprechen und andere Störungen im Wesentlichen durch eine geeignete Abschirmung reduzieren. Dies führt zu den unterschiedlichen Bauformen von Niederfrequenzkabeln.

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