CATV über Klasse F Verkabelungssysteme

Transkript

1 CATV über Klasse F Verkabelungssysteme ---- Whitepaper von Martin Roßbach, Nexans Cabling Solutions Mai 2001

2 "CATV" über Klasse F Verkabelungssysteme Die strukturierte Gebäudeverkabelung steht vor zwei großen Herausforderungen: Neue Multimediadienste im Bereich der Unternehmensverkabelung und die einheitliche Verkabelung des Privathaushaltes. Ein Dienst steht in der gegenwärtigen Diskussion in beiden Bereichen im Mittelpunkt: das Kabelfernsehen (CATV). Für den Unternehmensbereich ist die Perspektive sicherlich nicht, das an jedem Arbeitsplatz neben dem Computer und Telefon nun ein TV Gerät Einzug halten wird. Aber Hotels, Dienstleistungszentren, Betreiber von Gewerbeimmobilien, Flughäfen, Schiffsbauer etc. stellen die Notwendigkeit einer Parallelverkabelung von Telekommunikation und Fernsehen immer öfter in Frage und verlangen statt dessen eine universelle Verkabelung für alle Dienste, einschließlich Fernsehen. Welche Techniken sich im HOME Bereich durchsetzten werden, ist noch nicht absehbar. Benötigt wird dort zukünftig eine flexible Verteilung der jeweiligen Dienste in alle Räume, auf Basis möglichst einer Verkabelungsinfrastruktur..Die Verkabelung für die Datenkommunikation auf Basis von 4 paarigen symmetrischen Kabeln ist unter den dort zur Zeit eingesetzten Verkabelungen (Cat.3, Koaxialkabel) das höherwertigere. Sucht man nach einer einheitlichen und preiswerten Verkabelungsinfrastruktur, stellt daher sich die Frage inwieweit die bestehende Verkabelungskonzepte der strukturierten Gebäudeverkabelung (Klasse D,E,F) in der Lage sind analoge Fernsehsignale (CATV) zu übertragen. Was ist CATV? Der CATV Dienst wird über 75 Ohm Kabel übertragen und benutzt heutzutage Frequenzen zwischen 5 und 446 MHz (VHF). Um mehr Kanäle bereitstellen zu können, ist bereits beschlossen worden, das Übertragungsnetz in der nächsten Ausbaustufe auf bis zu 862 MHz zu erweitern ( MHz UHF). Die Signale können auf einem Hin- und Rückleiter übertragen werden. Aufgrund der guten Dämpfungseigenschaften nimmt man heutzutage dafür Koaxialkabel. Will man nun diesen Dienst auf einem symmetrischen Twisted-Pair Kabel übertragen, muss zunächst mithilfe sogenannter Baluns ein Impedanzanpassung von 75 auf 100Ohm vorgenommen werden. Danach ist der CATV Dienst auf 2 Adern übertragbar, benötigt somit 1 der 4 vorhanden Paare. Auf welche technischen Eigenschaften kommt es an? Im Gegensatz zu Datenverkabelung steht das Nahnebensprechen (NEXT) zwischen den Paaren bei der CATV Anwendung zunächst nicht im Vordergrund. Der CATV Dienst ist wie bereits erwähnt einpaarig, nicht zwei oder vierpaarig wie z.b. Ethernet oder Gigabit Ethernet. Wichtiger für die Betrachtung bei CATV ist das Dämpfungs- und Reflexionsverhalten des Links bzw. des Kanals. Vor allem die Dämpfung legt die erzielbare Reichweite der Übertragung fest: Je geringer die Dämpfung (und die Frequenz), desto größer die Reichweite. Grundsätzlich eignen sich alle Übertragungsklassen der ISO zur Übertragung des CATV Dienstes. Keineswegs sollte man dem Trugschluß unterliegen, dass sich ein 100 MHz Klasse D Link nicht zur Übertragung von CATV bei 862 MHz eigne. Er tut es sehr wohl. Auch über einen 100MHz Klasse D Link bzw. 250 MHz Klasse E kann ein CATV Signal gesendet werden. Die Frage ist nur mit welcher Signalstärke beim Empfänger und mit welcher Reichweite? Untersuchen wir das Dämpfungsbudget des CATV Dienstes beim Empfänger: Die Kabelfernsehbetreiber speisen das CATV Signal im Haushalt mit einer Stärke von 60bis 75 dbµv ein. Der Empfänger (TV) benötigt ca. 60dBµV für eine akzeptable Bildqualität. Zwischen 5-10dB Dämpfung werden durch die Baluns und Anschlusskomponenten verursacht, wodurch lediglich 5-10dB als Dämpfungsbudget für das Kabel übrig bleiben. Da dies durch kein Kabel erfüllt werden kann, ist eine Signalverstärkung im Haushalt notwendig und seit langem auch gängige Praxis. Die "Deutsche Telekom" beispielsweise installiert 20dB Verstärker in jedem Haushalt. Für den normalen Haushalt ergibt sich ein Dämpfungsbudget von ca. 35dB für den Übertragungskanal.

3 Vergleicht man dieses Budget mit den Dämpfungswerten allein der Kabel für eine 100m Strecke, so ergibt sich folgendes Bild: Dämpfungswerte der Kabel in db gemäß ISO nd edition N696, Koaxial kabel gemäß Herstellerangaben Man sieht auf den ersten Blick das sowohl für symmetrische Twisted Pair-Kabel als auch für Koaxial-Kabel eine Kanal- Länge von 100m bei Frequenzen von 862 MHz nicht realisierbar ist. Schon die Dämpfung des Kabels stößt an die Grenzwerte bzw. überschreitet diese bereits. Labormessungen mit Kabeln von 90 m Länge bestätigen dies, bei 860MHz ist das Sendesignal nicht mehr zu erkennen und liegt im Rauschbereich. 90 m STP 600MHz AWG 23 2 Baluns Verstärker 20dB Schräglage 20dB

4 Im Entwurf des Standards für den SOHO Bereich in dem der CATV Dienst unter anderem beschrieben wird, wird deshalb eine Reichweite von 50m festgelegt. Diese Vorgabe wird aller Voraussicht nach auch im Unternehmensbereich Anwendung finden. Welche Reichweite ist tatsächlich erzielbar? Messungen in unseren Labors haben folgende Werte für einen 2-Connector Übertragungskanal mit einem Cat.7 Kabel (4x2xAWG 23 PIMF 600MHz) ergeben: 50m STP 600MHz AWG 23 2 Baluns Verstärker 20dB Schräglage 20dB Bei ca. 400 MHz fällt der Pegel unter die 60dBµV Grenze und beträgt bei 860 MHz nur noch 50dBµV. Fazit: Standard-Cat.7 Kabel in Kombination mit Standard-Verstärkertechnik eignet sich nicht für den Übertragung des CATV Dienstes bis 50 m. Wer 50 m übertragen möchte, muß sehr genau aufpassen bei der Auswahl der einzelnen Komponenten bzw. möglichst von vornherein aufeinander abgestimmte Systeme beziehen. 1. Durch die Verwendung von besserem, in diesem Fall vor allem "dickerem" Cat.7 Kabel mit dem Leiterdurchmesser von AWG22 (0,64mm) kann man ca. 6dB hinzugewinnen. Seitens einiger Hersteller sind bereits Kabel auf dem Markt,die insbesondere für Multimediadienste hergestellt wurden und verbesserte Performance liefern. Diese sollten auf jeden Fall eingesetzt werden. Sie können den Frequenzbereich auf ca. 750 MHz verbessern. Theoretisch könnte natürlich das Kabel noch dicker gemacht werden, aber darunter würde zugleich die Montagefreundlichkeit leiden. Mit dem Kabel alleine ist das Problem also nicht zu lösen. 2. Zusätzlich muß die Verstärker- bzw. Umwandlungstechnik optimiert werden. Im Test wurde ein Verstärker mit einer Leistung von 20dB benutzt und Baluns mit Dämpfungswerten von ca. 5dB pro Balun. An beiden Stellen kann optimiert werden. Die emv Vorschrift in Verbindung mit heutigen Konstruktionen lässt Verstärkungen von maximal ca. 48 db zu. Eine Verstärkung um 35 db gilt gegenwärtig durchaus als möglich. Seitens der Baluns gelten Dämpfungswerte von ca. 2,5 db als erzielbar. Bei maximaler Ausschöpfung der Spielräume in der Verstärkertechnik sind abhängig vom Kabeltyp mathematisch folgende Reichweiten erzielbar:

5 Cable type Max. cable length Length of each of the 2 patchcords Total channel length Cat 6 UTP 25 m 1 m 27 m 20 m 3 m 26 m 15 m 5 m 25 m Cat 7 STP (AWG 23) 70 m 1 m 72 m 65 m 3 m 71 m 58 m 5 m 68 m Cat 7+ / Cat 8 (AWG 22) 80 m 1 m 82 m 75 m 3 m 81 m 68 m 5 m 78 m In der Diskussion sind zunehmend auch Konzepte zur beidseitigen Signalverstärkung bzw. zur Zwischenverstärkung. Durch eine erneute Verstärkung an Zwischenpunkten, (Transition Points bzw. Consolidation Points) oder am Empfangsgerät können letztlich die 90 bzw. 100m dann doch noch realisiert werden. Welche Rolle spielt der Steckverbinder? Während Dämpfung hauptsächlich durch das Kabel bestimmt wird, wird das Reflektionsverhalten eines Link überwiegend durch den Steckverbinder festgelegt. Sofern es um die Übertragung des CATV Dienstes alleine geht, ist also vor allem auf den Return Loss Wert des Steckverbinders und auf die Abstimmung von Kabel und Stecker zu achten. Obwohl zur Zeit noch keine exakten Messungen über den Einfluß des Steckverbinders auf CATV vorliegen, spricht gegenwärtig aber einiges dafür, dass bereits hochwertige und sehr gut auf das Kabel abgestimmte Steckbinder der Kategorie Cat.6 für die Übertragung geeignet sind und somit eingesetzt werden können. Schwieriger für die Steckverbinder wird es erst, wenn das "Application Sharing" bzw die Mehrfachnutzung eines Ports unterstützt werden soll. Dann treten neue elektrische, und vor allem mechanische Anforderungen auf. Application Sharing? Mit "Application Sharing" beschreibt man die Mehrfachnutzung eines 4 paarig aufgelegten RJ45 Ports mit mehreren, in der Regel unterschiedlichen Diensten. Die am häufigsten herangezogene Kombination ist die Kombination Telefon, Daten und Fernsehen, wobei für Telefon 1 Paar, für Daten 2 Paare und für das Fernsehen wiederum ein Paar benötigt werden. Die Mehrfachnutzung der Ports wird ermöglicht durch die Frequenztrennung. Signale unterschiedlicher Frequenzen stören sich nicht gegenseitig. Ursprünglich sollten sich die Dienste in folgende Frequenzbereiche einteilen. < 100 KHz Sprache < 50 MHz Daten > 50 MHz TV Inzwischen kommt es aber durch neuen Normen für Datenübertragung Klasse E und Klasse F und durch Definition der Rückkanäle für CATV im unteren Frequenzbereich (5-48 MHz) zu einer weitgehenden Überlappung der Bereiche. Die nachfolgende Grafik zeigt den Störeinfluß eines ungeschirmten 10BaseT Ethernetsignals auf das CATV Signal.

6 50m FTP 250MHz 2 Baluns Verstärker 20dB Schräglage 20dB zusätzlich 10Mbit Ethernet Voll duplex Paketlänge 64 Byte max Netzlast Mit ca. 45 dbµv bei 10MHz ist das Ethernetsignal in ähnlicher Größenordnung wie das TV-Nutzsignal zu erkennen. Die Datenkommunikation ist in der Lage die TV Signale empfindlich zu stören. Um dies zu vermeiden, müssen wir uns doch wieder dem NEXT Verhalten des Kanals zuwenden. Ein Übersprechen der Signale der Datenanwendung auf das Fernsehbild und umgekehrt kann nur vermieden werden, wenn mindestens Cat.7 Kabel und Steckverbinder eingesetzt werden, die den Anforderungen für das Nahnebensprechen aus der Welt der Datenprotokolle genügen. Die Messungen zeigen, sofern die NEXT Werte den Anforderungen der Datenprotokolle erfüllen, genügen Sie auch Anforderungen der Kombination "Datenprotokoll und CATV". Datenprotokolle sind bis 600 MHz definiert, somit reicht die Cat.7 voll und ganz. Eine verbesserte Paarschirmung über 600 MHz hinaus macht nur Sinn, wenn man zwei CATV Signale unterschiedlicher Betreiber auf einem Port gleichzeitig übertragen möchte. Dies kann zurecht als eher unwahrscheinlich gelten. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl der Steckverbinder sind die mechanischen Eigenschaften. Der Steckverbinder muß möglichst komfortabel und preiswert das Aufsplitten der Dienste unterstützen. Mehrere Möglichkeiten bieten sich dabei an:

7 1. Das Aufsplitten innerhalb des Steckverbinders durch eine Art Kammersystem zur Aufnahme von 1 oder 2- paarigen Patchkabeln. 2. Das Aufsplitten außerhalb des Steckverbinders: Splitter-Patchkabel bzw. Verteilerboxen in Schreibtischen oder anderen Möbeln Die Verwendung von Splitterkabeln ist nicht sonderlich beliebt und gilt als unhandlich. Komfortabler sind da schon Verteilerboxen, die mit Patchkabeln auch unterschiedlicher Längen angefahren werden können. Aber wünschenswert ist sicherlich die Option direkt im Steckverbinder eine Aufteilung vornehmen zu können. Alle Steckverbinder, die jetzt für den SOHO Standard im Gespräch sind, basieren auf einer Art Kammersystem, welches diese Aufteilung ermöglicht. Aber auch der Kategorie 7 Stecker GG45 kann über einen zusätzlichen Adapter diese Aufteilung unterstützen. Der GG45 hat daneben noch den Vorteil der Rückwärtskompatibiltät zu RJ45, d.h. der Anschlussport kann, wenn kein Cable Sharing benötigt wird, auch mit ganz normalen RJ45 Patchkabeln für Telefon oder Daten genutzt werden. Hybride Patchkabel, mit zwei unterschiedlichen Steckern an beiden Enden können dadurchvermieden werden. Situation im Standard In den einschlägigen Standards für den Büro- und Geschäftsbereich ISO wird CATV nicht erwähnt. In der Liste der unterstützen Anwendungen fehlt das "Fernsehen". Beachtung findet dieser Dienst allerdings im Standardisierungsentwurf für den SOHO Bereich ( ISO/IEC JTC 1/SC 25: Information Technology -Integrated Cabling for all Services other than Mains Power in Homes, SOHO (Small Office, Home Office), and Buildings" Dort werden Anwendungsbereiche beschrieben: - Steuer- und Regelungstechnik in Gebäuden, (Control/Command Communications for Buildings (CCCB) - Kommunikations- und Informationssysteme (Informations und Communications Technologies (ICT) - Multimediasysteme (Home Entertainment and other broadband Multimedia resources (HEM) In der Gruppe HEM wiederum werden die Anwendungen : HIFI, CCTV, Radio and TV zusammengefasst. Während für CCCB und ICT eine Verkabelung der Klasse D gefordert wird, werden für die Anwendungsgruppe HEM zwei verschiedene Verkabelungsmöglichkeiten beschrieben: symmetrische Kabel spezifiziert bis 1 GHz und Koaxialkabel bis 3 GHz (vor allem für das Satellitenfernsehen). Die Performancewerte für die symmetrische Verkabelung wurden ursprünglich der Klasse F entnommen und erweitert bis 1 GHz. Inzwischen gibt es Tendenzen die Anforderungen für das Kabel und den Connector deutlich zu verschärfen und Komponenten zu fordern, die in Anlegung an die ISO Standards bis 1200 MHz definiert wurden. Aus Sicht des CATV Dienstes alleine ist dies, wie oben gesehen, nicht gerechtfertigt. Dort wird zwar ein gegenüber der Kategorie 7 verbessertes Kabel benötigt, aber nicht unbedingt Komponenten mit einem positiven ACR Wert bis 1200 MHz. Diese würden, nach heutigem Kenntnisstand, das Reichweitenproblem nicht lösen.

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