Übertragung auf metallischen Leitern (2): Parameter und Grundtypen

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Teil 9 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Mit der Zeit haben sich bestimmte Parameter als besonders wichtig für die Charakterisierung von Kabeln und Verkabelungssystemen abgezeichnet. Außerdem sehen wir uns in dieser Folge die Grundtypen des Twisted Pair an und kommen zu den historischen Anfängen der Entwicklung von Spezifikationen.

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). Wir wollen sie deshalb in diesem Abschnitt nochmals zusammenstellen.

Die Impedanz ist der Wellenwiderstand einer Leitung. Innerhalb eines Übertragungssystems müssen Sender und Empfänger an die im Wesentlichen 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 beim Kabel auf die Länge bezogen, damit man Maximallängen für bestimmte Anwendungen berechnen kann. Sie wird, dargestellt, in dB ausgedrückt, und sollte möglichst gering sein.

Die Nahnebensprechdämpfung wurde im letzten Abschnitt hergeleitet und gibt an, wie stark das Signal, das 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. Wir leiten es deshalb hier kurz her. Wir wissen, dass die Qualität eines Übertragungskanals durch das Signal/Rauschverhältnis (S/N) am Eingang des Empfängers maßgeblich bestimmt wird. Sei nun der Übertragungskanal ein Kabel. Eine hohe Kabeldämpfung a führt zu einem kleinen Signalpegel S am Empfängereingang. Ebenso führt eine hohe Nahnebensprechdämpfung NEXT zu einem geringen Nebensprechen zwischen den Paaren, also einem geringen Störsignal N. Damit es jetzt übersichtlich bleibt, leiten wir nur proportional näherungsweise her. Es ist

Logarithmiert man obige Gleichung, so verwandelt sich die Division in eine Subtraktion und man erhält den Zusammenhang in Bild 2.

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.

Letztlich ist ACR ein Maß für die »Systemreserve« eines Verkabelungssystems, da ein hohes ACR und ein hohes S/N wegen der in Teil 7 vorgestellten Zusammenhänge vielstufige Codes ermöglicht und auch für die Zukunft eine hohe Kanalkapazität sichert, da durch möglichst geringe Zeichenrate die Gefahr einer EMV-Verletzung nicht so groß ist.

Grundtypen des Twisted Pair

Man muss zwischen mindestens drei Grundtypen des verdrillten Kabels unterscheiden:

  • 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, das wie UTP aufgebaut ist, jedoch pro Adernpaar geschirmt.

Lange Jahre wurde die Szene von den IBM-Kabeltypen in STP- oder UTP-Ausführung beherrscht, auf die wir gleich noch kommen. Durch Fortschritte bei der Kabelherstellung haben sich heute in der Praxis schließlich neben dem Sternvierer vier wesentlich 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.

Alle Vierdrahtleitungen können für echte Duplexverbindungen eingesetzt werden.

Entwicklung von Spezifikationen und Normen für Niederfrequenzkabel

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. Die Normung hat nicht sofort auf die Probleme der Verkabelung reagiert. Vielmehr war es wohl eine Herstellerempfehlung, in der überhaupt zum ersten Male Begriffe wie Impedanz und Dämpfung auftauchten: der DIX-»Standard« (DIX = Digital, Intel, Xerox) für das alte Ethernet mit dem gelben Koaxialkabel, etwa Anfang der achtziger Jahre.

Diese Herstellerempfehlungen haben sich dann auch in den entsprechenden Varianten der LAN-Standards nach IEEE 802 niedergeschlagen. Anfang der achtziger Jahre hat dann IBM sein STP-Kabel definiert und nannte es IVS Typ 1 (IVS = IBM Verkabelungs-System).

Man kann sagen, dass bis Mitte der achtziger Jahre bei den Anwendern kaum Bedarf nach systematischer, LAN-Typ- neutraler Grundverkabelung bestanden hat und auch die Verkabelungssysteme keine besondere Ausprägung in heterogener Hinsicht besaßen. Die Fraktionen Token Ring und Ethernet stritten sich in den Unternehmen um die Vormachtstellung. Erst als klar wurde, dass sich wohl auf absehbare Zeit kein einzelner Netztyp durchsetzen konnte, wurde der Gedanke der unabhängigen Grundverkabelung interessant.

Dem Strom des Marktes und entsprechenden Entwicklungen auf dem Ethernet-Bereich folgend, hat IBM 1985 die sogenannte IVS Typ-3-Spezifikation für »Telephone Twisted Pair«, also UTP-Kabel amerikanischer Bauart freigegeben. Hierzu muss man wissen, dass der in der Bundesrepublik Deutschland überall zu findende Sternvierer für die Telefonverkabelung in den USA kaum verbreitet ist. Grundsätzlich hat ein Sternvierer mit vier untereinander verdrillten Leitungen bei der Datenübertragung schlechtere Bedingungen im Rahmen der Nebensprechdämpfung, weil durch die völlige Verseilung der Adernpaare die gegenseitige induktive und kapazitive Einkopplung von Signalen auf gegenläufigen Leiterpaaren wesentlich inniger ist als bei der paarweisen Verseilung des UTP. Dies hat in der Vergangenheit immer wieder zu Missverständnissen geführt.

Das UTP-Kabel ist nicht mit dem Sternvierer vergleichbar, auch wenn beide zum Telefonieren benutzt werden. Der Begriff UTP ist sehr weitläufig. Der Bereich »UTP« reicht heute von Kabeln, die so schlecht wie ein Telefonkabel der dreißiger Jahre sind bis hin zu Kabeln, die durchaus vergleichbar mit dem IBM STP IVS Typ 1 oder sogar in mancher Hinsicht besser sind.

Die IVS Typ-3-Spezifikation war die erste Spezifikation, die Aussagen über das Hochfrequenzverhalten eines Niederfrequenzkabels machte, aber das ist es ja gerade, was man im Fall der LANs braucht. Die Spezifikation wurde mit Hilfe der Kabelindustrie erstellt, hatte aber keinerlei Aussagen zu Nebensprechen und Dämpfung jenseits von 1 MHz, weil dies zu dem damaligen Zeitpunkt schwierig für die Kabelhersteller war. Die Spezifikation war ursprünglich auch nur dazu gedacht, den Kunden, die dies wünschten, den Aufbau von 4-Mbit/s-Token-Ringen über UTP zu ermöglichen. Obwohl schon abzusehen war, dass man alle wesentlichen Informationsdienste, also Telefon, ISDN, Terminalverkehr für synchrone und asynchrone Terminals, Ethernet, Token Ring und vielleicht FDDI auf IVS Typ-3-Kabel realisieren konnte, führte die unsichere Normung zu einer großen Planungsunsicherheit bei den Anwendern.

Der nächste wesentliche Fortschritt war die Entwicklung des EIA/TIA 568 Commercial Building Telecommunications Standard. Dieser Standard wurde maßgeblich von den Erfahrungen im Rahmen der LAN-Standardisierung nach IEEE 802/ ISO 8802 beeinflusst. Dieser Standard geht allerdings sehr stark von den Verhältnissen in den Vereinigten Staaten aus. Für Europa ist eher der ISO/IEC Standard 11801 von Bedeutung, da er auch auf die europäischen gesetzlichen Gegebenheiten Rücksicht nimmt. Beide Standards beziehen sich jedoch auf eine Grundvorstellung eines universellen Verkabelungssystems, die erst in späteren Folgen erarbeitet wird.

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