Licht

Übertragung

Kabel und Leitungen für digitale Steuersignale der Lichttechnik

Um Nachrichten zu übertragen, werden meist elektrische Leitungen eingesetzt. Um mit Kabeln die Informationen von A nach B zu übermitteln, werden je nach Übertragungsprotokoll verschiedene Anforderungen an das Kabel gestellt.

 

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Das Problem

Mikrofonkabel eignen sich nicht zur Übertragung von DMX 512. Dabei fängt man sich auch gleich einen „Konter“ ein, indem der Kollege hingeht, mehrere Geräte zusammensteckt und dann zufrieden sagt: „Geht doch. Außerdem, warum sonst sind meine Geräte (Low-cost) mit dem dreipoligen XLR-Steckverbinder ausgestattet.“ Jetzt nicht aus der Ruhe bringen lassen und mit folgenden Argumenten das „Re“ platzieren.

Definitionen

Damit ein Empfänger ein Digitalsignal richtig interpretieren kann, sind folgende Definitionen zu beachten: Die Anstiegszeit tr (Risetime) bestimmt die Zeit, in der die Spannung von 10 % auf 90 % der Gesamtamplitude (100 %) ansteigt – bereits bekannt durch die Definition von Filtergüten bei Dimmern. Ab 100 % beginnt die Dachschräge, wobei ein Überschwingen auftreten kann. Die Abfallzeit tf (Falltime) ist ebenfalls in den Grenzen 10 % bis 90 % definiert. Um die Impulsbreite zu definieren, also die Zeit wie breit ein Bit ist (z. B. 4 µs bei DMX 512) wird zwischen den 50 %-Werten der Gesamtamplitude bestimmt. Nun muss man der Zeitspanne von 0 % bis 10 % (bis die Risetime beginnt) einen Namen geben, wie td (Delaytime) und am Ende des Bits natürlich den Zeitabschnitt zwischen 100 % und 90 % als ts (Storage time).

 

Zeitdiagram eines Rechteckimpuls
Kenngrößen von realen Impulsen:
tr = Risetime
tf = Falltime
td = Delaytime
(Bild: Herbert Bernstädt)

Digitalsignal ungleich Tonsignal

Nun obliegt es dem Empfänger bzw. der Definition des Protokolls innerhalb welcher Grenzen die Verfälschung des Signals durch die Leitung noch toleriert werden. So kann es durchaus sein, dass ein Endgerät eines Herstellers am Rande der Übertragungskette das Protokoll noch einwandfrei lesen kann, da der Empfangsbaustein größere Toleranzen richtig interpretiert, während das Gerät eines anderen Herstellers, obwohl im gleichen Netzwerk, die Abweichungen als andere Bitwerte interpretieren kann. Somit können Bitfolgen fehlerhaft verstanden werden und daraus Kommunikationsabbrüche resultieren. Weiter ist zu bedenken, dass wenn bei der Digitaltechnik von Übertragungen von z. B. 10 Mbit/s die Rede ist, eine weit höhere Frequenz durch die Leitung übertragen werden muss, da die Rechteckform des Bits sich gemäß Fourier-Transformationen aus vielen Oberwellen und einer Grundschwingung addiert. Somit müssen weit höhere Frequenzen übertragen werden, damit die Rechteckform des Digitalsignals möglichst aufrechterhalten wird.

 

Simulierte Fourieranalyse eines Rechtecksignals
Simulierte Fourieranalyse eines Rechtecksignals. Ein Rechtecksignal (Digitalsignal) setzt sich aus vielen höheren Oberwellen zusammen. (Bild: Herbert Bernstädt)

Codeaufbau

Damit noch nicht genug, selbst der Codeaufbau kann Einfluss auf die Übertragungsfrequenz haben. Man unterscheidet zwischen NRZ-Code (Non Return to Zero) und RZ-Code (Return to Zero), sowie CMI-Code (Coded mark Inversion), CD-Code (Conditioned Diphase Code) oder AMI-Code (Alternate Mark Inversion).

Beim NRZ-Code werden die Bits seriell so übertragen wie wir es vom DMX-Signal bereits kennen. Damit können mehrere logische „Einsen“ mit High-Signal hintereinander stehen, wodurch ein Gleichspannungsanteil in der Übertragung anwächst. Weiterhin fehlt bei der Puls-Decodierung jegliche Taktinformation. Deshalb benötigt man bei diesem Codeverfahren bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s eine Bandbreite von 20 MHz. Bemi Return to Zero-Verfahren dagegen wird jede „Eins“ mit einem Highlevel- und einem Lowlevel-Signal dargestellt. Somit lässt sich bei Übertragung vieler Einsen hintereinander die Taktfrequenz erkennen. Bei Übertragung von Nullen hingegen nicht. Dem kann man mit einem Signal mit positiven und negativen Leveln begegnen, indem eine Null als Folge von Lowlevel Highlevel gesendet wird, und eine Eins als Highlevel positiv und die nächste Eins als Highlevel negativ, wobei das Highlevel-Signal einer Eins doppelt so lang ist wie das Highlevel-Signal einer Null. Somit werden auch Gleichspannungsanteile vermieden. Die weiteren Verfahren sind Varianten, jedoch bleibt festzuhalten, dass z. B. für eine Übertragung mit dem RZ-Code bei 10 Mbit/s nur eine Bandbreite von 10 MHz benötigt wird.

 

Bitsignale in verschiedenen Übertragungscodes
a) NRZ-Code mit T = Bitlänge
b) AMI-Code
(Bild: Herbert Bernstädt)

 

Übertragungsarten

Zur Übertragung von Digitalsignalen zur Informationsübermittlung verwendet man der Begrifflichkeit nach Fernmeldekabel. Die Übertragungseigenschaften von Fernmeldekabeln werden nicht nur wie bei Stromkabeln zur Leistungsversorgung nach Spannungsfall und Leiterquerschnitt beschrieben. Vielmehr spielt die geometrische Form des Aufbaus und auch Größen wie Induktivität, Ableitung und Kapazität eine Rolle.

Dabei finden in der Veranstaltungstechnik zur Datenübertragung hauptsächlich vier Kabeltypen Verwendung: Einmal das Koaxialkabel, das wir als Antennenkabel von Fernsehern her kennen, dem Twisted-Pair (TP) Kabeltyp, den Lichtwellenleiter, wobei hier statt elektrischer Signale optische Signale übertragen werden. Damit ist mit dem Lichtwellenleiter von Natur aus keine Brummschleife möglich (Galvanische Trennung), und es ist unempfindlich gegenüber jeglichen elektrischen und magnetischen Feldern bzw. Störstrahlungen. Als letzte Übertragungsart sei noch die Übertragung mit dem Wireless LAN-Kabel erwähnt, welches zwar aufgrund des geringen Kupferanteils ebenfalls eine galvanische Trennung darstellt, aber für Störstrahlungen sehr empfänglich ist. Die letzten beiden Übertragungsarten sind für sich soweit komplex, dass man diese zu anderer Zeit einmal erörtern kann, aber hier nicht weiter Bezug genommen wird.

Parameter

Grundsätzlich ist ein Kupferkabel ein reelles Bauteil und weist damit endliche Parameter auf. Man kann deshalb ein Ersatzschaltbild für eine Leitung erstellen, dessen Parameter von der realen Beschaffenheit abhängig sind.

 

Schaltbild Vierpol
a) Kabel als ideale Verbindungsleitung
b) Übertragungsmodell
c) Beispiel Ersatzschaltbild eines Kabels
(Bild: Herbert Bernstädt)

 

Nimmt man ein Kabel, so wird der Wirkwiderstand vom Leitermaterial wie z. B. Kupfer, vom Querschnitt des Leiters und natürlich von der Länge bestimmt. So stellt der Widerstand (R1) den Leitungswiderstand des Kabels dar, die Induktivität (L) ist das Magnetfeld, das jeder Leiter um sich aufbaut, wenn ein Strom fließt, die Kapazität (C), die sich über lange Strecke nebeneinanderliegender Kabel bildet, und zuletzt noch das Isolationsmaterial (G/R, bzw. Ri). Die primären Kenngrößen des Kabels sind also von der Leitungslänge anhängig. Damit man diese Parameter zur Berechnung oder Vergleich heranziehen kann, werden sie auf eine Kabellänge von 1.000 m festgelegt. Man spricht dann statt von Widerstand von Widerstandsbelag, analog dazu von Induktivitätsbelag, Ableitungsbelag und Kapazitätsbelag, mit den Einheiten Ohm/km, Henry/km, Siemens/km und Farad/km. Statt dem Gleichstromwiderstand einer Ader kann bei paarig verseilten Adern auch der Schleifenwiderstand angegeben werden. Der Schleifenwiderstand setzt sich aus Hin- und Rückleitungswiderstand zusammen.

 

Simulation von Signalverfälschung durch reales Kabel
Wird ein reelles Kabel mit einem Digitalsignal gespeist, so folgt nach Beschaffenheit des Kabels eine abweichende Kurvenform am Ausgang (Bild: Herbert Bernstädt)

Betrachtet man das Ersatzschaltbild, so wird deutlich, dass eine Induktivität in Längsrichtung und eine Kapazität zwischen den Leitern angeordnet ist. Da der induktive Widerstand mit zunehmender Frequenz immer größer wird und gleichzeitig der kapazitive Widerstand bei zunehmender Frequenz immer kleiner bzw. bei sehr hohen Frequenzen einem Kurzschluss gleichkommt, geht aus der Schaltung deutlich hervor, dass es sich um einen Tiefpass 2. Ordnung handelt, also einen Filter, der hohe Frequenzen effektiv abblockt. Durch Einsatz kapazitätsarmer Leitungen kann die Dämpfung erheblich reduziert werden bzw. mit gutem kapazitätsarmen Kabel lassen sich erheblich längere Reichweiten erzielen als es mit Standardkabeln möglich ist.

 

Bodediagram Kabel
Obere Grenzfrequenz durch LC-Tiefpasscharakteristik eines Kabels (Bild: Herbert Bernstädt)

Bei niedrigen Frequenzen gelten die soeben getroffenen Definitionen wie z. B. innerhalb einer Tonübertragung mit Mikrofonkabeln. Müssen wir jedoch größere Bandbreiten übertragen, wie es bei vielen Digitalprotokollen erforderlich ist, sind noch weitere Parameter von Bedeutung.

Skin-Effekt

Bei höheren Frequenzen wirkt sich ein weiterer Effekt auf den Widerstand einer Leitung aus. Er entsteht aus folgendem, kausalem Zusammenhang: Jeder Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld. Wir wissen auch, dass ein Leiter, der ein Magnetfeld schneidet ebenfalls eine Spannung induziert. Weiterhin ist die Größe des resultierenden Stroms abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfelds. Für einen Stromleiter bedeutet dies, dass bei hohen Frequenzen der Stromfluss in das benachbarte Kupfer, welches ebenfalls einen Leiter darstellt, eine Gegenspannung induziert. Die Folge ist, dass die Stromdichte in der Mitte der Leitung sehr gering ist und zum Rand hin zunimmt. Der Strom fließt beinahe ausschließlich auf der Außenhaut des Leiters. An der Oberfläche der Leitung ist die Stromdichte am höchsten, da weiter außen kein weiteres Kupfer mit Stromfluss ein Gegenfeld induziert. Folglich findet bei sehr hohen Frequenzen der Stromfluss beinahe nur noch auf der Oberfläche des Leiters statt. Der Begriff für diesen Effekt heißt Skin-(Haut) Effekt. In der Praxis begegnet man diesem Effekt, indem man z. B. die Oberfläche des Leiters versilbert, denn Silber hat eine höhere Leitfähigkeit als Kupfer. Auch kann man die Oberfläche vergolden, jedoch liegt der Gewinn der Übertragungsleistung hier daran, dass eine Goldoberfläche wesentlich kleinere Oberflächenrauigkeit aufweist und somit der Stromweg verkürzt wird. Zuletzt kann man dem Effekt auch begegnen, indem man mehrere isolierte Leiter verwendet, und somit die Oberfläche größer wird.

 

Darstellung des Skineffekts
a) je höher die Frequenz desto kleiner ist der wirksame Querschnitt für den Strom
b) Typischer Widerstandsverlauf eines Cat.5-Kabels mit 0,6 mm Drahtstärke
(Bild: Herbert Bernstädt)

Wellenwiderstand

Idealerweise geht man davon aus, dass wenn am Anfang eines Kabels Spannung anliegt, diese auch sofort am Ende der Leitung vorhanden ist. Jedoch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit sehr wohl endlich. So benötigt der Strom, der am Anfang der Leitung einfließt, bei einem 100 Meter langen Kabel selbst bei Lichtgeschwindigkeit einen Zeitraum von 33 Nanosekunden bis dort am Ende ein Stromfluss registriert wird. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die in jedem Kabeltyp anders ausfällt, zu definieren, hat man den Begriff der Phasengeschwindigkeit NVP (Nominal Velocity of Propagation) eingeführt. Damit wird das Verhältnis der Laufgeschwindigkeit im Kabel zur Lichtgeschwindigkeit in % ausgedrückt.

Wenn nun am Leitungsanfang eine Spannungsquelle eingeschaltet wird, dann soll ein Strom fließen, gemäß U= I*R. Jedoch wie hoch wird der Strom I sein, wenn die Weiterleitung noch über 33 Nanosekunden dauert, um dann auf den eigentlichen Lastwiderstand zu treffen, dessen Wert ja für die Stromhöhe ausschlaggebend ist. So bleibt der Spannungsquelle zunächst nichts Anderes übrig als so viel Strom in die Leitung zu schicken, wie dem ersten Anschein an Widerstandswert am Leitungsbeginn anliegt. Diese eingespeiste Energie wird von den L- und C-Anteilen der Leitung als Energiespeicher weitergeleitet und bildet für die angenommene Energiemenge den komplexen Widerstand der Leitung, der aus den C- und L-Komponenten hervorgerufen wird und gemäß dem Eindringen der Stromwelle als Wellenwiderstand (Z) bezeichnet wird. Erreicht nun die Stromwelle den realen Widerstand am Ende der Leitung, und ist dieser Widerstand gleich groß wie der Wellenwiderstand Z, dann wurde von der Leitung genau so viel Strom von der Quelle aufgenommen wie auch der Verbraucher benötigt. Ist dies nicht der Fall, also der Widerstand des Endgeräts ist größer als Z, dann wurde zu viel Energie in die Leitung eingespeist. Diese Energie wird dann am zu hohen Lastwiderstand einfach zurückgesendet, sprich reflektiert. Der reflektierte Überschuss fließt zurück, so dass sich auf der Leitung ein Strom einstellt welcher der angeschlossenen Last entspricht. Diese Reflexionen führen zu Impulsverzerrungen und können zu fehlerhaften Übertragungen führen. Deshalb soll die Ausgangs- und Eingangsimpedanz der am Kabel angeschlossenen Geräte dem Wellenwiderstand entsprechen (angepasst sein), damit keine Reflexionen auftreten. Die Wellenwiderstände von symmetrischen Kabeln für die Nachrichtentechnik sind in EN 50713 genormt, dabei hat sich bei symmetrischen geschirmten und ungeschirmten Kabeln 100 Ohm durchgesetzt.

Anwendung Ohm
Symmetrische Kabel
für Nachrichtentechnik
100, 1202, 1503
Koaxialkabel für
Hochfrequenz
50, 60, 75
Symmetrisches
Antennenkabel
240
Leitungen der
Niederfrequenztechnik
600

wird hauptsächlich in Frankreich verwendet
oft bei IBM Token Ring gefordert

 

Bei langen Leitungen wird ein Teil des Wechselstroms über die verteilte Kapazität kurzgeschlossen, so dass nur ein Bruchteil der Leistung am Verbraucher ankommt. Wenn nur noch 10 % der Spannung beim Verbraucher ankommen, was ca. 1/100tel der ursprünglichen Leistung entspricht, wirkt sich der Widerstand am Ende der Leitung nicht mehr aus. Somit ist es dann unerheblich ob am Signalkabelende ein Leerlauf, Abschlusswiderstand oder Kurzschluss herrscht. Der Wellenwiderstand ist dann gleich dem Eingangswiderstand einer „unendlich“ langen Leitung.

 

darstellung der Energiewellen
a) Feldverteilung einer drahtgebundenen Wellenausbreitung
b) Wellenwiderstand abhängig von der Frequenz. Bei Frequenzen ab ca. 2 MHz geht der Imaginäranteil gegen null. Der Abstand zwischen zwei gleichen Strom- bzw. Spannungswerten wird Wellenlänge (Lambda) genannt
(Bild: Herbert Bernstädt)

 

Grafik der Übertragungsstrecke
Einfluss des Busabschlusswiderstands auf die Übertragungsstrecke. (Bild: Herbert Bernstädt)

Leitungsdämpfung

Einer der wichtigsten Begrenzungsparameter für die Leitungslänge ist die Leitungsdämpfung. Denn sie gibt an, wie viel Signalamplitude am Ausgang gegenüber dem Eingang anliegt und begrenzt somit die maximal einsetzbare Kabellänge. Hierbei fließen Skin-Effekt, ohmsche Verluste in Längsrichtung und die kapazitiven Verlustwiderstände ein. Üblicherweise wird die Leitungs- (Kabel-) Dämpfung für eine Strecke von 100 m angegeben.

 

Grafik der dämpfung
Beispiel der Dämpfung eines Kabels mit 0,6 mm Draht der Kategorie 5 (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Nebensprechen

Das Nebensprechen (Übersprechen) ist die Beeinflussung bzw. die Ankopplung (in der Regel kapazitiv) der Signale in benachbarten Leitungspaaren. Das Übersprechen ist abhängig von der Frequenz, aber unabhängig von der Leitungslänge. Man kann das Nebensprechen weiter unterteilen, indem man nun unterscheidet, ob das Signal am Kabelende neben dem Einspeisepunkt ein Übersprechen verursacht, oder ob man ein Signal im benachbarten Kabel gegenüber der Einspeisequelle misst. Dementsprechend werden die Pegelunterschiede, die natürlich wieder in dB angegeben sind, mit Next, aNN [dB] (Near End Crosstalk) nahem Nebensprechen oder FEXT, aFN [dB] (Far End Crosstalk) entfernten Nebensprechen unterschieden.

 

Diagramm Pegel zur Frequenz
NEXT Nahnebensprechen (Bild: Herbert Bernstädt)

Attenuation Crosstalk Ratio (ACR)

Um Digitalsignale möglichst fehlerfrei zu übertragen, ist ein großer ACR-Wert vorteilhaft. Mit ACR wird das Verhältnis des Nutzsignals zum Störpegel bezeichnet. Der ACR setzt sich hauptsächlich aus der längenabhängigen Leitungsdämpfung und dem Leitungslängen unabhängigen Nebensprechen zusammen. Mit dem Nebensprechen (NEXT) werden die Störeinflüsse charakterisiert. Bei abgeschirmtem Kabel sind äußere Einflüsse so gering, dass diese Vereinfachung auch zutrifft. Bei ungeschirmten Kabeln sind EMV-Einflüsse größer und beeinflussen das ACR negativ, aber nicht in starken Maßen, sondern nur ein klein wenig mehr wie auf der Grafik zu sehen ist.

 

Diagramm Pegel zueinander
ACR = Differenz von Nebensprechen zur Dämpfung (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Nun stellen wir einmal die Parameter unterschiedlicher Kabeltypen gegenüber:

Kabel für Mikrofon DMX Cat.5 Koaxial (Video)
Bezeichnung NE-CP SD-FCY MO-KAT VI-75
Wellenwiderstand analog 110 Ohm 1–100 MHz
90–110 Ohm
1 MHz
75 Ohm
Dämpfung k. A. dB/100 m
1 MHz = 1,9
dB/10 m
1 MHz = 0,28
10 MHz = 0,8
100 MHz = 2,7
dB/100 m
1 MHz = 0,9
Kapazität (1 kHz) k. A. 66 pF/m 57 pF/m 56 pF/m
Leiterwiderstand k. A. 56 Ohm/km 130 Ohm/km 35 Ohm/km

Kabeltypen von Perivox

Somit wird aus dem Vorausgesagten deutlich, warum z. B. Mikrofonkabel denkbar ungeeignet sind für digitale Übertragungen bzw. ein reines Glücksspiel darstellen. Und haben wir bis jetzt nicht unseren Kollegen mit dem Mikrofonkabel überzeugen können, so haben wir ihn wenigstens verwirrt.

Kabeltypen

Koaxialkabel

Während normale Leitungen die Adern nebeneinander führen, schließt bei einer Koaxialleitung die zweite Leitung die erste Leitung ein. Also befindet sich die eine Leitung im Innern der anderen Leitung. So gesehen ist die Leitung koaxial angeordnet.

koax kabel
Koaxialer Aufbau innenliegender Leiter mit viel Abstand zur umgebenden Ader / Schirmung (Bild: Herbert Bernstädt)

In der Veranstaltungstechnik findet man das Koaxialkabel nicht nur, um Fernseher mit Signalen zu versorgen, sondern auch um kleine Netzwerke von Lichtstellanlagen aufzubauen. Diese Netzwerke basieren meist auch auf Ethernet und werden ihrer Einfachheit und kostengünstigen Weise halber auch Thin-Ethernet genannt. Dabei wird der Bus zur Vermeidung von Störungen mit einem 50 Ohm Bus-Abschlusswiderstand versehen. Das Koaxialkabel stand zu Beginn des Ethernets weit vorne, denn es nutzte aufgrund seiner Geometrie einen Effekt, der bei sehr hohen Frequenzen auftritt, aus.

Netzwerkkarte und Kabel
Netzwerkkarte wird mit einem T-Verbindungsstück in den Strang geschaltet. Die Steckverbinder sind als BNC-Steckverbinder (Bayonet-Neill-Concelman) bekannt. (Bild: Herbert Bernstädt)

Um zwei Lichtstellanlagen zu vernetzen, kann man auf das einfache Thin-Ethernet zurückgreifen, welches mit dem Koaxialkabel die physikalische Verbindung herstellt. Vorteil bei Thin-Ethernet ist, dass dort im Gegensatz zum später behandelten Twisted Pair Ethernet keine zusätzlichen Komponenten wie Hub oder Switch benötigt werden und aufgrund der einfachen Verkabelung auch sehr wenig Verdrahtungsfehler vorkommen. Typische Anwendungen sind z. B. Havarie-Konfigurationen oder die Nutzung eines gemeinsamen Druckers und natürlich Funktionstests. Das hierfür eingesetzte Koaxialkabel wird als Typ RG-58, Thinnet-Kabel, 10 Base-2-Kabel, Cheapernet oder Thin-Ethernet-Kabel bezeichnet. Da inzwischen viele große Lichtstellanlagen auf der Basis von PC-kompatiblen Motherboards arbeiten, finden dort auch übliche Netzwerkkarten ihren Einsatz. Vor noch nicht allzu langer Zeit war es üblich, beide Anschlüsse BNC und RJ45 auf einer Karte für beide Netztypen bereitzuhalten. So sind auch heute noch viele Lichtstellanlagen mit BNC-Steckverbindern versehen, um ein Thin-Ethernet aufzubauen:

 

Anschlussterminal Lichtstellpult
Lichtstellwerk mit Netzwerkanschluss für Thin-Ethernet. AUI kennzeichnet den Anschluss für einen Thick-Ethernet-Transceiver (Bild: Herbert Bernstädt)

Hiermit lassen sich kleine Peer to Peer Netzwerke aufbauen, bei denen die Stationen gleichberechtigt sind. Jedoch empfiehlt es sich nicht mehr als 10 Stationen einzusetzen, da sonst das Datenvolumen die Anlage ausbremst. Mit der Umwandlung in ein Serverbasierenden System kann dagegen die Performance gesteigert werden, da hier die Resourchenfreigabe und Datensicherung zentralisiert erfolgen kann.

Prinzipbild zusammenschalten von Thin Ethernet
Thin Ethernet die einfache Methode über Koaxialkabel Geräte miteinander zu verbinden (Bild: Herbert Bernstädt)

Das Thin Ethernet weist folgende Merkmale auf:

IEEE-Standard IEEE 802.3
Topologie Bus
Kabeltyp RG-58,
10 Base-2
Datenrate 10 Mbit/s
Max. Anzahl der
Stationen im Netz
Bis 30
Max. Kabellänge,
Segmentlänge
185 m
Weitere Hardware Nein

Vollständigerhalber sei hier nur kurz der Begriff Thick-Ethernet bzw. 10 Base-5 erwähnt, was aber in der Veranstaltungstechnik sich nicht etablieren konnte. Um Mehr Stationen am Netz zu betreiben und noch größere Entfernungen zu überbrücken hat man das Thick-Ethernet entwickelt. Um die Signale unverstärkt über größere Entfernungen zu übermitteln, wird ein Koaxialkabel eingesetz dessen innenleiter einen noch größeren Abstand zum Umgebenden Leiter aufweist. Dieses meist in gelb gehaltene Kabel ist relativ star und schwer zu verlegen. Weiterhin können nicht einfache passive T-Stücke zur Anbindung einer Station verwendet werrden, sondern aktive Transiver, woduch zudem noch spezielle Netzwerkkarten hinzukommen. Auf dem obrigen Bild erkennen Wir den Anschluss für den Transiver mit AUI gekennzeichnet.

IEEE-Standard IEEE 802.3
Topologie Bus
Kabeltyp RG-11,
10 Base-5
Datenrate 10, 100 Mbit/s
Max. Anzahl der
Stationen im Netz
Bis 100
Max. Kabellänge,
Segmentlänge
500 m
Weitere Hardware Transceiver
statt T-Stück

 

Twisted-Pair-Kabel

Der Name Twisted Pair beschreibt den Kabelaufbau. Es wird immer ein Kabelpaar ineinander verdrillt. Erst durch das Verdrillen wird die für die Übertragungstechnik benötigte Störfestigkeit erreicht. Denn wenn Leitungen dich nebeneinander geführt werden, dann entsteht ein sogenanntes Übersprechen. Das bedeutet, dass das Magnetfeld, das durch den Stromfluss erzeugt wird, einen benachbarten Leiter durchdringt und dort ebenfalls einen Stromfluss induziert. Man spricht dann von induktivem Übersprechen. Diese Art des Übersprechens lässt sich verringern, indem die Einzeldrähte eines Leiterpaares dicht aneinandergelegt und verdrillt werden. Durch das Verdrillen ist einmal die Hinleitung und einmal die Rückleitung nahe der benachbarten Leitung. Die Stromrichtungen sind dabei jeweils umgekehrt und somit heben sich die Magnetfelder über die Strecke gesehen wieder auf.

Kabel
Einfach parallel liegende Kabel eignen sich zur Leistungsübertragung, aber nicht zur Übertragung schnellerer Signale (Bild: Herbert Bernstädt)
gedrehtes Kabel
Kompensation des magnetischen Einflusses durch Verdrillen (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Gedrilltes Kabel Wirkweise
Verdrillen der Leitungen Aus dem Schaubild wird ersichtlich, warum durch einfaches Verdrillen das Übersprechen neutraliesiert wird (Bild: Herbert Bernstädt)

Die Twisted Pair Kabel bestehen oft aus 4 oder 6 verdrillten Paaren und werden in Kurzform auch TP-Kabel genannt. Nun kann man diese gedrillten Kabel auch noch mit einem Schirm versehen. Dieser Schirm kann das gesamte Kabel umfassen, oder auch die einzelnen Paare separat. So ergeben sich folgende Definitionen von Datenübertragungskabeln:

 

S Screened
UTP Unshielded-Twisted-Pair Alle ungeschirmt verdrillten Paare sind
gemeinsam geschirmt für bessere
EMV-Eigenschaften

 

Lichtlein mit Geschrimtes und ungeschirmtes Kabel
Link: Lchtlein mit UTPUnshielded-Twisted-Pair – ungeschirmtes verdrilltes Kabel
Rechts: Lichtlein mit STP = Shielded-Twisted-Pair – Jedes Adernpaar ist geschirmt und das Gesamtkabel ebenfalls.
(Bild: Herbert Bernstädt)

Aufgrund der Übertragungseigenschaften werden die Kabel in bestimmte Kategorien eingeteilt. Die einzelnen Kategorien spezifizieren bestimmte Übertragungseigenschaften der TP-Kabel, wie Impedanz, Bandbreite, Dämpfung und Übersprechen.

  • Kategorie 1: Kabel für analoge Sprachübertragung und Übertragung mit Bitraten von wesentlich weniger als 1 Mbit/s
  • Kategorie 2: Übertragungen von Bitraten bis 4 Mbit/s über mittlere Entfernungen, z. B. für kleine Token-Ring-Netzwerke und ISDN, für Sprache und RS232-Schnittstellen
  • Kategorie 3: TP / STP-Kabel mit einer Datenübertragung bis 16 MHz für Übertragungen von Bitraten bis 10 Mbit/s, z. B. Ethernet 10Base-T bis 100 m
  • Kategorie 4: UTP / STP-Kabel mit einer Datenübertragung bis 20 MHz für Übertragungen von Bitraten bis 20 Mbit/s über größere Entfernungen als Kategorie 3 bei 10Base-T oder für 16 MHz Token Ring).
  • Kategorie 5: erweitert mit einer Datenübertragung bis 100 MHz für Bitraten über 20 Mbit/s.
  • Kategorie 5e: Für Gigabit-Ethernet bis 1 Gbit/s
  • Kategorie 6: Der Frequenzbereich dieser Kabel ist auf 250 MHz festgelegt
  • Kategorie 6a: Diese vergrößerte D-Klasse umfasst den Frequenzbereich bis 625 MHz und ist für 10-Gigabit-Ethernet
  • Kategorie 7: Diese Kategorie dient für Datenkabel mit einer Übertragungsfrequenz von 600 MHz
  • Kategorie 8: Als Frequenzbereich sind 800 MHz vorgesehen. Kabel der Kategorie-8 sind durch die Verfahren der Videokompression und der IP-Netze nicht zwingend erforderlich und deshalb selten zu finden

Wird ein Netzwerk mit verdrillten Kabeln als physikalische Verbindung sternförmig aufgebaut, spricht man von einem Twisted-Pair-Ethernet. Dies ist die zurzeit gängigste Art in der Beleuchtungstechnik ein Ethernet-Netzwerk aufzubauen. Dabei ist der Einsatz mit einem Hub oder Switch charakteristisch. Ein Hub kann dabei passiv oder aktiv sein. Ein aktiver Hub erfüllt zusätzlich noch eine Boosterfunktion und wird in der Datentechnik auch als Konzentrator bezeichnet. Als Steckverbinder werden RJ45-Steckverbinder eingesetzt (Registered Jack = genormter Stecker). Die Geräte werden mit Straight-Kabel über einen Hub miteinander verbunden. Möchte man nur zwei Geräte ohne einen Hub verbinden, dann kann man dies mit einem Crossover-Kabel versuchen. Dabei ist das Sender-Adernpaar 1 und 2 mit dem Empfänger-Adernpaar 3 und 6 verbunden, während bei dem 1:1-Kabel (Straight) das Sender-Kabelpaar 3 und 6 mit dem Empfänger-Adernpaar 3 und 6 verbunden ist.

IEEE-Standard IEEE 802.3
Topologie Bus, Ring, Stern
Kabeltyp 10 Base-T
100 Base TX/VG
1000 Base CX
Datenrate 10, 100, 1.000 Mbit/s
Max. Kabellänge,
Segmentlänge
100 m zwischen Verteiler
und Station
Weitere Hardware Hub, aktiver Hub, Switch

Die Netzwerkkarte eines Lichtstellpults wird über RJ45 Steckverbinder und einem Cat.5-Kabel über einen Hub zu weiteren Geräten angeschlossen.

 

 

RJ45 Stecker
RJ45 Stecker Vorder und Rückseite (Bild: Herbert Bernstädt)
RJ45 im Ethercon Gehäuseeinbau-Stecker
Nachrüsten mit einer 100-MHz-Netzwerkkarte um für heutige Ansprüche gewappnet zu sein. Roadtauglichkeit durch EtherCon-Steckverbinder (RJ45 Steckverbinder wird im XLR-Gehäuse integriert). (Bild: Herbert Bernstädt)

Lichtwellenleiterkabel

Licht hat den unschlagbaren Vorteil, dass elektrostatische oder magnetische Felder überhaupt keinen Einfluss auf die Signalqualität einer Übertragung haben. Es lassen sich sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erzielen und kann über weite Distanzen übertragen. Aber man muss die elektronischen Signale erst in ein Lichtmuster umwandeln, indem z. B. eine Laser- oder IR- oder Leuchtdiode elektrische Signale in Lichtwellen wandelt und auf der anderen Seite ein Fototransistor das Licht wieder in elektrische Signale zurückwandelt. Auch der Aufbau eines Lichtwellenkabels kann sehr unterschiedlich erfolgen, jedoch haben sie gemeinsam, dass eine transparente Faser aus Glas oder Kunststoff das Licht leitet. Damit das Licht nicht austritt, wird es natürlich von der Grenzfläche reflektiert. Bereits hierbei ergeben sich unterschiedliche Qualitätsmerkmale, die an anderer Stelle diskutiert werden können. Damit die empfindliche Faser nicht allzu schnell verletzt wird, umgibt die Faser meist eine Polsterschicht, Außenhülle, Kunststoffgarn und zuletzt ein Kabelmantel. Damit ist die Leitung sehr empfindlich bei einem gleichzeitig hohen Anschaffungspreis.

Das Lichtwellenleiterkabel weist folgende Merkmale auf:

IEEE-Standard IEEE 802.3
Topologie Bus, Ring
Kabeltyp 10 Base-F/FL/FB/FP
100 Base FX/SX
1000 Base SX/LX
Datenrate 10, 100, 1.000 Mbit/s
Max. Kabellänge,
Segmentlänge
550 m zwischen Verteiler
und Station, insgesamt bis zu 40 km
Weitere Hardware Hub, aktiver Hub, Switch, Medienkonverter

Vollständigkeitshalber sollte man noch die drahtlose Übermittlung mittels Richtfunk erwähnen, die aber naturbedingt mit atmosphärischen Störungen sowie von Schnee und Regen bereits beeinträchtigt werden kann.

Die Qualität des Kabels hängt sehr davon ab wie gleichmäßig ein Kabel gefertigt wird bzw. wie groß die Fertigungstoleranzen sind. Unregelmäßigkeiten im Kabel können durchaus Wellenreflexionen hervorrufen und somit die Kommunikation der Geräte verhindern. Natürlich sorgt der physikalische Aufbau des Kabels für grundlegende Übertragungseigenschaften. Aber je höher die Übertragungsraten werden, desto höher wird auch der Anspruch an das zu verwendende Kabel.

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