Eine Hochgeschwindigkeitsverkabelung

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1 Verkabelung und Messtechnik für Highspeed-Netzwerke HighSpeed (3) Messungen Teil 3 Messungen und Fehlersuche und Fehlersuche S. Schnapka, T. Hüsch, S. Schobert Wie anfällig ist eine Netzwerkverkabelung? Stellt ein Knick schon einen Fehler dar? In den ersten beiden Teilen dieser Artikelreihe zeigten wir, nach welchen Standards eine Netzwerkverkabelung geplant und aufgebaut wird. Nun gilt es bei auftretenden Problemen herauszufinden, wo der Fehlerteufel liegt. Hier erklären wir alle Messungen im Detail und deren Bedeutung in der Praxis. Eine Hochgeschwindigkeitsverkabelung nach der neuen Klasse E A muss in der Lage sein, bei übertragenen Frequenzen von bis zu 500MHz noch einwandfrei zu funktionieren. Dabei muss der Elektroinstallateur hochpräzise arbeiten, um Fehler zu vermeiden. Klarheit darüber, ob eine Quetschung (Bild 12) des Kabels schon einen Fehler bedeutet oder nicht, kann nur eine Messung zeigen. Hierzu kommen Kabeltester zum Einsatz, die im Frequenzbereich von 1 bis zu 1000MHz messen können. Voraussetzungen und Normen Die erforderlichen Messungen dazu definiert der Standard eindeutig und im Teil 1 (»de«-heft 21/2006) dieser Artikelreihe finden Sie eine Übersicht dazu. Hier nun die Messungen im Detail und welche Fehler damit gefunden werden können (Tabelle 2). Nachdem eine Gleichstromverbindung (siehe Teil 2 der Serie) als gegeben angenommen werden kann, beginnt man zweckmäßigerweise mit der Dämpfungsmessung. Sören Schnapka, Psiber-Data GmbH, Krailling; Thomas Hüsch, Siemon Germany, Sigurd Schobert, Redaktion»de«Fortsetzung aus»de«22/2006, S. 60 ff. Quelle: Psiber-Data Dämpfung eines Kabels Die Dämpfungsmessung ermittelt den Signalverlust auf jedem der vier Adernpaare. Dabei sendet das Handgerät (Hauptgerät) Messströme mit verschiedenen Frequenzen in das Kabel, während das korrespondierende Endgerät am anderen Ende die ankommende Signalstärke misst. Das korrespondierende Endgerät vergleicht diesen Wert mit der Sendesignalstärke, berechnet den Verlust in db und sendet das Ergebnis zum Hauptgerät zurück (Bild 5, Teil 2). Diese Ergebnisse erfasst das Hauptgerät mit allen frequenzabhängigen Werten über das gesamte Spektrum von MHz je nach Standard und zeigt es in einer Grafik an. Die waagerechte Achse stellt immer die Frequenz und die vertikale Achse den db Wert dar. Auch der Grenzwert hängt von der Frequenz ab und wird entweder grafisch dargestellt oder als schlechtester Wert (auch geringste Marge) als Frequenz angegeben (Bild 7, Teil 2, siehe oberste Grafik»Attenuation [db]«, Dämpfung). Bild 12: Solche Quetschungen wirken sich sofort auf die Übertragungseigenschaften der Datenkabel aus BERICHTIGUNG Die Abkürzung für die Einheit»Gigabit/ Sekunde«muss richtig heißen: Gbit/s. In der Folge 1 (»de«-heft 21/2006) lag ein Druckfehler in Tabelle 1 vor. Anwendung in der Praxis Liegt nur das Ergebnis der Dämpfungsmessung außerhalb der Toleranz, obwohl alle andern Ergebnisse (NEXT, FEXT,...) den geforderten Werten entsprechen, dann lässt sich dieses meistens auf die Eigenschaften des Kabels zurückführen. Seltener verursachen hier die Steckverbinder eine zu hohe Dämpfung. Entweder liegt eine zu hohe spezifische Dämpfung des Kabels vor (Herstellungsproblem) oder die installierte Kabellänge überschreitet die zulässige Länge. Was Nahnebensprechen bedeutet Nahnebensprechen (NEXT = Near End Crosstalk) stellt eine der wesentlichen Messungen dar, welche die Güte einer Installationsarbeit bewertet (Bild 13 u. 14). Auf einem Aderpaar sendet das Hauptgerät ein Signal, während an demselbem Kabelende auf den anderen Paaren die Empfangssignalstärke gemessen wird. Das Endgerät am anderen Ende der Kabelstrecke schließt das Kabel mit 100Ω ab. Dadurch entsteht keine Reflexion der Signale und somit auch keine Messungverfälschung. Das Nahnebensprechen misst der WireScope Pro von beiden Enden der Kabelstrecke aus und dabei je Ende sechs Kombinationen. Also zeichnet das Gerät insgesamt 12 Messkurven auf (Bild 7, Teil 2). Wie bei der Dämpfung trägt man auch hier das Nahnebensprechen in db über der Frequenz auf. 64 de 23-24/2006

2 Bild 13: NEXT-Messung, (Nearend cross talk), Messung an jedem Ende des Kabels Quelle: Psiber-Data Quelle: Psiber-Data PowerSum Next: Summe des Nahnebensprechens Während die Dämpfung möglichst gering sein sollte, freut sich jeder über hohe Nahnebensprechwerte. An dieser Stelle sollten wir noch kurz auf das PSNEXT (PowerSum NEXT) eingehen. Hier handelt es sich um einen berechneten und keinen gemessenen Wert. Das Messgerät berechnet, wie sich der Einfluss des Nahnebensprechens von den umgebenen Paaren auf ein Paar auswirkt, wenn alle Übersprechwerte»in Phase«sind und sich entsprechend aufaddieren (Bild 15). Dies liefert vier Kurven je Kabelende, also insgesamt acht. Es handelt sich bei PSNEXT um eine Betrachtung der schlechtestmöglichen Bild 14: Ergebnisse der NEXT-Messung, die Ergebnis-Kurven müssen unter der roten Grenzkurve liegen Bild 15: PowerSumNEXTist das kummulierte NEXT von allen anderen auf ein Paar Bedingung. In der Praxis konzentrieren wir uns aber auf das Nahnebensprechen, um Fehler zu finden. Nahnebensprechen in der Praxis Die Güte der Abschirmung zwischen den Aderpaaren zeigt das Nahnebensprechen. Dies ist wichtig, damit sich später eine Übertragung nicht selber stört. Liegen die Ergebnisse diese Messung oberhalb der Grenzwertkurve (Bild 14), also unzulässig, dann kann dies u. U. an den eingesetzten Komponenten (Stecker, Verteilerfeld) liegen. Ein Kategorie-7-Kabel und ein Kategorie-5e-Verteilerfeld bzw. -Dosen ergeben keinen Klasse-E-Link (250MHz), sondern nur Klasse D (100MHz). Das klingt eigentlich logisch, wird aber in der Praxis leider nur zu häufig falsch gemacht. Noch öfter entstehen Fehler bei der Installation. Reicht die Abschirmung nicht bis zum Ende des Kabels (Bild 16), oder wurde die Paarverdrillung nicht bis zum Anschlusspunkt beibehalten, kann es hier zu Fehlermeldungen kommen. Wichtig ist zu wissen, dass das Nahnebensprechen bei längeren Kabelstrecken vergleichsweise besser ausfällt als bei kurzen. Dies hängt damit zusammen, dass das meiste Nahnebensprechen am RJ45-Steckverbinder bzw. dessen Installation auftritt. Da bei kurzen Kabelstrecken nicht nur der nahe Steckerverbinder, sondern auch der ferne Steckerverbinder die Messung negativ beeinflusst, treten diese Fehler gerne bei Strecken kürzer als 30m auf. Der Wire- Scope Pro bietet die Möglichkeit, den genauen Fehlerpunkt zu lokalisieren. Zuerst sollte der Anwender überprüfen, an welchem Kabelende der Fehler auftritt. Erst danach macht eine Streckenanalyse einen Sinn, um die genaue Entfernung zum möglichen Nahnebensprechfehler zu ermitteln. Nicht selten werden fehlerhafte Nahnebensprechwerte auch durch verschlissene Messkabel hervorgerufen. Der Elektroinstallateur sollte darauf achten, dass Permanent-Link-Messka- de 23-24/

3 bel mindestens nach ca Steckungen am RJ45-Stecker ausgewechselt werden sollten. ACR: Verhältnis des Nahnebensprechens zur Dämpfung Beim ACR handelt es sich im Wesentlichen um eine einfache Berechnung aus Nahnebensprechen und Dämpfung (ACR = Attenuation to Crosstalk Ratio). Die Formel lautet: ACR(f) = NEXT(f) Dämpfung(f). Man könnte sie auch als den»signal- Rauschabstand«bezeichnen. Dieser Wert garantiert die funktionstüchtige Übertragung, ist allerdings für den Elektroinstallateur in der Praxis eher selten wichtig, da dieser Wert eigentlich nur dann als fehlerhaft angezeigt wird, wenn andere Messungen wie z.b. das Nahnebensprechen bereits Fehler zeigen. Beim PSACR (PowerSumACR) verhält es sich ähnlich wie beim normalen Quelle: Psiberdata Bild 16: Häufige Fehlerursache: die Abschirmung reicht nicht bis zum Kabelende das Nahnebensprechen NEXT steigt drastisch an ACR, nur mit dem Unterschied, das es auf Basis des PSNEXT berechnet wird. Rückflussdämpfung in der Theorie Bei neuen Highspeed-Netzwerken wie z. B. Gigabit-Ethernet findet die Übertragung im Full-Duplex-Verfahren statt. Dies bedeutet, die Netzwerkkarten der Übertragungsgeräte senden zur gleichen Zeit auf den korrespondierenden Aderpaaren in beiden Richtungen Daten. Also befindet sich auf jeder Kabelseite an jedem Paar je ein Sender als auch ein Empfänger. Ins Kabel gesendete Signale reflektieren an Inhomogenitäten im Kabel und würden die Empfänger stören. Bei der Messung der Rückflussdämpfung nutzt man dieses Phänomen. Das Handgerät des Wire Scope Pro hat an allen Aderpaaren sowohl Sender als auch Empfänger aufgeschaltet und misst nun die Reflexionen, die im Kabel entstehen. Wie beim Nahnebensprechen, handelt es sich bei der Messung der Rückflussdämpfung um eine frequenzabhängige Messung und sie sollte möglichst hohe Werte haben. Es sollte erwähnt werden, dass diese Messung alles andere als trivial ist. Um genaue Messwerte zu erzielen, sollte ein Kabeltester ein vektorielles Messverfahren (nach Betrag und Messungen mit einem Kabeltester Fehler in Parameter Einheit Wert mögliche Fehlerursache Hinweis Verdrahtungsplan grafische Darstellung Adervertauschungen, Kurzschlüsse und Unterbrechungen Länge m mögl. niedrig Kabellänge zur Aufmaßberechnung, NVP-Faktor genau wählen, Länge zum Fehler bei Kurzschlüssen oder damit die Länge stimmt Unterbrechungen Schleifenwiderstand Ω mögl. niedrig Zeigt wie gut die Kontaktierung ist Laufzeit ns (Nanosekunden) mögl. niedrig Dient zur Längenermittlung Laufzeitdifferenz ns (Nanosekunden) mögl. niedrig Herstellerfehler des Kabels Dämpfung db über Frequenz mögl. niedrig Herstellerfehler des Kabels, Kabel zu lang Nahnebensprechen db über Frequenz mögl. hoch Verdrillung/Abschirmung schlecht Fehler meist bei kurzen (NEXT) verarbeitet, Wahl falscher Komponenten, Strecken (< 30 m), Messkabel verschlissen Fehlersuche NEXT Locator PS NEXT db über Frequenz mögl. hoch siehe Nahnebensprechen ACR db über Frequenz mögl. hoch Dämpfung und Nahnebensprechen überpr. PS ACR db über Frequenz mögl. hoch siehe ACR Rückflussdämpfung db über Frequenz mögl. hoch Verdrillung aufgelöst, starke Knicke/ Fehler meist bei kurzen Quetschungen, Kabel gedehnt, schlechte Strecken (< 30m), Fehler- Komponenten, Messkabel verschlissen suche Return Loss Locator EL FEXT db über Frequenz mögl. hoch Fern-Nebensprechen, in der Regel ist auch das Nahnebensprechen betroffen PS EL FEXT db über Frequenz mögl. hoch siehe ELFEXT Alien-Crosstalk db über Frequenz mögl. hoch Schlechte Abschirmung der Kabel, Kabelsharing, UTP-Kabel zu parallel verlegt, Verteilerfelder mit zu hoher Packungsdichte Tabelle 2 : Übersicht der empfohlenen Messungen bzw. Zertifikationen für eine Übertragungsstrecke gemäß Norm IEC ED20 66 de 23-24/2006

4 Bild 18: Alien-Crosstalk (Fremdkabelübersprechen) tritt insbesondere bei hohen Packungsdichten von Kabeltrassen auf Quelle: Psiber-Data Bild 17: Return Loss (Rückflussdämpfungsmessung), alle Ergebnismesskurven sollten unterhalb der roten Grenzkurve liegen Phase einer Wechselgröße) verwenden. Der WireScope Pro setzt dieses Verfahren ein und und garantiert damit die Messgenauigkeit. Viele Kabeltester verwenden nur das einfachere, skalare Messverfahren (nur nach Betrag der Wechselgröße). Praxis: Rückflussdämpfung Der Rückflussdämpfung (Return Loss) kommt gerade für neuere Übertragungsverfahren (1...10Gbit/s) eine große Bedeutung zu (Bild 17). Wird die Homogenität eines Kabels gestört, entstehen an diesen Stellen Reflexionen. Prinzipiell stellt bereits ein RJ45-Steckverbinder eine solche Störungen dar. Allerdings sollten gut installierte RJ45- Systeme innerhalb der Grenzwerte liegen. Wie beim Nahnebensprechen liefern längere Kabel bessere Werte. Rückflussdämpfungsprobleme sollte der Elektroinstallateur meist auf einen Punkt genau eingrenzen können. Dazu gehören Quetschungen (zu stramm abgebunden mit Kabelbindern), zu starke Knicke oder zu enge Verlegeradien (je nach Hersteller, bis zu achtfachem Kabelduchmesser). Diese Fehler treten auch auf, wenn das Kabel beim Einziehen in Rohrsysteme zu stark gezogen wurde. Hat man die Verdrillung eines Paares aufgelöst, entstehen Reflexionen. Wird beispielsweise in der Anschlussdose einer Klasse-E-Verkabelung die Verdrillung über mehr als 1 cm aufgedrillt (Bild 11, Teil 2), ist zu erwarten, dass die Verbindung die Klasse-E-Grenzwerte nicht mehr einhält. Zur genauen Fehlerortung verfügt der Wire Scope Pro über eine Analysefunktion, die die Ursache der Reflexion mit Entfernungsangaben anzeigt. Signal-Rauschabstand ELFEXT, (Equal Level Far End Crosstalk) hört sich kompliziert an, ist aber eigentlich dasselbe wie das ACR. Also, ein Signal-Rauschabstand, bezogen auf die Kabeldämpfung und das Fern- de 23-24/

5 Quelle: Sigurd Schobert Bild 19: Hohe Packungsdichten können auch Grund für ein Alien-Crosstalk (Fremdkabelübersprechen) sein SONDERDRUCK Über diese komplette Serie»Verkabelung und Messtechnik für Highspeed-Netzwerke«aus den»de«-heften 21/2006 bis 23-24/2006 wird es einen Sonderdruck im Format DIN A5 geben. Dieser Sonderdruck kann über oder bei der Redaktion»de«angefordert werden unter Nebensprechen. Beim Fern-Nebensprechen betrachten wir anders als beim Nahnebensprechen beide Seiten des Kabels. Auf dem einen Ende wird ein Signal in ein Paar eingespeist und das Übersprechen entlang des Kabels am fernen Ende auf den anderen Aderpaaren gemessen. Verdeutlichen wir uns dies an einer Datenübertragung, bei der auf allen Paaren gleichzeitig in eine Richtung Daten übertragen werden. Ein gutes ELFEXT- Verhalten stellt hierbei sicher, dass die Störungen der umliegenden Paare nicht höher sind als das übertragene Signal. In der Praxis wird ELFEXT weniger zur Fehlersuche hergenommen, sollte aber auf dem Prüfbericht nicht fehlen. In der Regel deutet ein ELFEXT-Fehler auch auf andere vorhandene fehlerhafte Toleranzen hin. Auch beim PSELFEXT bedeutet das»ps«hier»powersum«. Das bedeutet die Beeinflussung von drei Paaren auf das vierte in Phasengleichheit, also eine Aufaddierung der Störpegel, schön zu haben, aber für den Praktiker weniger hilfreich. Fremdkabelübersprechen Eine wesentliche Neuerung in der Klasse-E A -Spezifikation stellt die Messung von Alien-Crosstalk dar, auch bezeichnet als Fremdkabelübersprechen. 10-Gigabit-Netzwerkkomponenten, die auf auf RJ45-basierenden Verkabelungen laufen, müssen mit negativen ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) sprich Signal-Rauschabstand arbeiten. Diese Komponenten führen aktive Kompensationen durch, um z. B. das eigene Übersprechen zu minimieren. Dies macht solche Systeme aber anfälliger gegenüber Einstrahlung von außen. Gerade dann wenn im Kabelkanal die parallele Verlegewege von mehreren Datenkabeln existieren, kommt es vor, dass in ein Kabel Signale von den umgebenden Kabeln induziert werden (Bild 16). Dabei spricht man von»alien-crosstalk«. In der Theorie geht man davon aus, dass ein Datenkabel von maximal sechs Kabeln umgeben ist und diese im Strang parallel zueinander verlaufen und dabei die sechs Kabel auf das»opferkabel«einwirken. Bislang gelang das Messen von Alien- Crosstalk nur mit Hilfe aufwendiger Messplätze, und das fast ausschließlich nur im Labor. Der WireScope Pro führt diese Messung auch im Feld durch. Mittels der optionalen AXTalk-Stimulatoren speist man die Signale in die benachbarten Kabel ein und der WireScope Pro misst gleichzeitig das im»opferkabel«auftretende Alien-Crosstalk. Zu Alien-Crosstalk bei geschirmten Verkabelungssystemen gibt es derzeit nur wenig Erfahrung aus der Praxis. Allerdings ist es denkbar, dass Alien- Crosstalk z. B. in Verteilerfeldern mit hoher Packungsdichte auftreten könnte (Bilder 18 und 19). Fazit Gutes handwerkliches Können ist notwendig, um moderne Netzwerke aufzubauen. Nur das Verständnis, wie Fehler entstehen können, hilft dabei, sie zu vermeiden. Praktische Schulung zum Thema Verkabelung und Messtechnik ist daher unumgänglich. (Ende des Beitrags) de 23-24/2006