Geschirmte und abgeschirmte Verkabelung

Geschirmte und geschirmte Twisted-Pair-Kupferkabel gibt es schon seit geraumer Zeit. In den 1980er Jahren als weltweiter Standard eingeführt, haben sich geschirmte (F/UTP und U/FTP) und vollständig geschirmte (S/FTP) Kabel in einigen Märkten bis heute gehalten, während viele andere auf ungeschirmte (UTP) Kabel umgestiegen sind.

In jüngster Zeit haben jedoch die zunehmende Verbreitung von 2,5/5GBASE-T- und 10GBASE-T-Netzwerkausrüstungen und die Ratifizierung des 10BASE-T1L Single Pair Ethernet (SPE)-Protokolls die kommerzielle Rentabilität geschirmter und abgeschirmter Systeme wiederhergestellt und die Akzeptanz dieser Systeme in zuvor ungeschirmten Märkten gefördert.

In diesem wettbewerbsintensiven Umfeld finden viele verwirrende und oft widersprüchliche Aussagen ihren Weg auf den Markt, die sowohl Verkabelungsexperten als auch Endbenutzer vor Herausforderungen stellen. Dieses Whitepaper befasst sich mit den häufigsten Fragen, Problemen und Missverständnissen in Bezug auf geschirmte und abgeschirmte Verkabelung.

Einführung und die Geschichte der Abschirmung

In den 1980er Jahren wurde die LAN-Verkabelung entwickelt, um die ersten Computernetzwerke zu unterstützen, die in kommerziellen Gebäuden auftauchten. Diese ersten Netzwerke wurden in der Regel durch die IBM Token Ring-Übertragung unterstützt, die 1985 als IEEE 802.5 standardisiert wurde. Die Verkabelung für das Token Ring-Netzwerk bestand aus „IBM Typ 1“-Kabeln, die mit einzigartigen hermaphroditischen Steckern verbunden waren. IBM-Typ-1-Kabel bestehen aus 2 lose verdrillten, foliengeschirmten, 150-Ohm-Paaren, die von einem Gesamtgeflecht umgeben sind. (d. h. 2-pair S/FTP), wie in
Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: IBM. Typ 1 Kabel

Dieses Medium war aus mehreren Gründen eine optimale Wahl für die Unterstützung von LAN-Topologien der ersten Generation. Sein Design nutzte die Fähigkeit des Twisted-Pair-Übertragungsprotokolls zur Maximierung der Entfernung (Token Ring diente für Entfernungen bis zu 100 Metern) und der Datenraten unter Verwendung kostengünstiger Transceiver. Darüber hinaus verbesserten die Folien und das Geflecht das Übersprechen und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auf ein Niveau, das mit dem Twisted-Pair-Design und den Fertigungsmöglichkeiten der ersten Generation noch nicht erreicht werden konnte.

1990 erkannten die Experten der LAN-Branche die Leistung und Zuverlässigkeit, die Switched Ethernet gegenüber Token Ring bot. Gleichzeitig waren die Design- und Fertigungsmöglichkeiten für Twisted-Pair-Kabel so weit fortgeschritten, dass einzelne Folien nicht mehr erforderlich waren, um eine interne Nebensprechisolierung zu gewährleisten, und Gesamtabschirmungen nicht mehr notwendig waren, um die Immunität gegen äußere Störquellen in den 10BASE-T- und 100BASE-T-Betriebsbändern zu gewährleisten. Die Veröffentlichung der 10BASE-T-Anwendung im Jahr 1990 und der ersten Ausgabe der allgemeinen Verkabelungsnorm ANSI/EIA/TIA-568 im Jahr 1991 in Verbindung mit den niedrigeren Kosten der ungeschirmten Twisted-Pair-Verkabelung (UTP) führte dazu, dass die UTP-Verkabelung zu dieser Zeit das bevorzugte Medium für neue LAN-Netzwerke war.

Mit der Entwicklung der Ethernet-Anwendungstechnologie zur Unterstützung von Übertragungsraten von 10 Gb/s, 25 Gb/s und 40 Gb/s kam es zu einem deutlichen Wiederaufleben der Spezifikation von abgeschirmten und vollständig geschirmten Twisted-Pair-Verkabelungssystemen. Dieses Whitepaper befasst sich mit den praktischen Vorteilen von Abschirmungen und Schirmen und damit, wie sie die Leistung herkömmlicher UTP-Verkabelungsdesigns, die für die Übertragung hoher Bandbreiten vorgesehen sind, verbessern können. Außerdem werden gängige Mythen und Missverständnisse über das Verhalten von Abschirmungen und Schirmen ausgeräumt.

Ausgewogene Übertragung

Der Vorteil einer symmetrischen Twisted-Pair-Verkabelung für die Datenübertragung wird deutlich, wenn man die in Gebäuden vorkommenden Signaltypen untersucht. Elektrische Signale können sich entweder im Gleichtakt oder im differentiellen (d. h. „symmetrischen“) Modus ausbreiten. Der Gleichtakt beschreibt ein Signalschema zwischen zwei Leitern, bei dem sich die Spannung phasengleich ausbreitet und auf die Erde bezogen ist. Beispiele für Gleichtaktübertragungen sind Gleichstromkreise, Gebäudeenergie, Kabelfernsehen, HLK-Schaltungen und Sicherheitseinrichtungen. Elektromagnetisches Rauschen, das von Störern wie Motoren, Transformatoren, Leuchtstoffröhren und HF-Quellen verursacht wird, breitet sich ebenfalls im Gleichtakt aus. Praktisch jedes Signal und jeder Störertyp in der Gebäudeumgebung breitet sich im Gleichtakt aus, mit einer bemerkenswerten Ausnahme: Twisted-Pair-Verkabelung ist für symmetrische oder differentielle Übertragung optimiert. Die differentielle Übertragung bezieht sich auf zwei Signale, die gleich groß, aber um 180° phasenverschoben sind und sich über die beiden Leiter eines verdrillten Paares ausbreiten. In einer symmetrischen Schaltung sind zwei Signale aufeinander bezogen und nicht ein Signal auf die Masse. In einer symmetrischen Schaltung gibt es keine Masseverbindung, so dass diese Art von Schaltungen von Natur aus immun gegen Störungen durch die meisten Gleichtaktstörer sind.

Theoretisch koppelt das Gleichtaktrauschen auf jeden Leiter eines perfekt symmetrischen verdrillten Paares gleichermaßen ein. Differentialmodus-Transceiver erkennen den Unterschied in der Spitze-zu-Spitze-Größe zwischen den beiden Signalen auf einem Twisted-Pair, indem sie einen Subtraktionsvorgang durchführen. In einem perfekt symmetrischen Verkabelungssystem würde das induzierte Gleichtaktsignal als zwei gleiche Spannungen erscheinen, die vom Transceiver einfach subtrahiert werden, was zu einer perfekten Störfestigkeit führt.

In der Praxis sind Twisted-Pair-Kabel jedoch nicht perfekt symmetrisch, und ihre Grenzen müssen von Anwendungsentwicklern und Systemspezialisten gleichermaßen verstanden werden. Die TIA- und ISO/IEC-Ausschüsse gehen bei der Festlegung von Ausgleichsparametern wie TCL (Transverse Conversion Loss), TCTL (Transverse Conversion Transfer Loss) und ELTCTL (Equal Level Transverse Conversion Transfer Loss) in ihren Normen für strukturierte Verkabelungen höherer Qualität (d. h. Kategorie 6 und höher) äußerst sorgfältig vor. Wenn man die Leistungsgrenzen für diese Parameter untersucht und feststellt, wann sie sich der für verschiedene Ethernet-Anwendungen erforderlichen Störungstoleranz annähern, wird deutlich, dass die praktische Betriebsbandbreite, die durch ein akzeptables Maß an Gleichtaktstörfestigkeit definiert ist, etwa 30 MHz beträgt.

Während dies für Anwendungen wie 100BASE-T und 1000BASE-T eine mehr als ausreichende Störfestigkeit bietet, zeigt die Modellierung der Shannon-Kapazität, dass dieses Niveau keinen Spielraum für die Mindestanforderungen an die Störfestigkeit von 10GBASE-T bietet. Glücklicherweise verbessert die Verwendung von Abschirmungen die Störfestigkeit erheblich, verdoppelt die verfügbare Shannon-Kapazität und erhöht die praktischen Betriebsbandbreiten für zukünftige Anwendungen erheblich.

Eine Auswirkung der verschlechterten Twisted-Pair-Signalbalance über 30 MHz ist die modale Konvertierung, die auftritt, wenn differentielle Signale in Gleichtaktsignale umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Umwandlung kann sich negativ auf die Störfestigkeit der Umgebung auswirken und zum Übersprechen zwischen Paaren und symmetrischen Kabeln beitragen und muss nach Möglichkeit minimiert werden. Eine Abschirmung kann das Potenzial für eine Modalumwandlung verringern, indem sie das von der Umgebung auf das Twisted-Pair-Kabel eingekoppelte Rauschen begrenzt.

Grundlagen der Lärminterferenz

Alle Anwendungen erfordern positive Signal-Rausch-Abstände (SNR), um innerhalb der zugewiesenen Bitfehlerraten (BER) zu übertragen. Das bedeutet, dass das zu übertragende Datensignal größer sein muss als alle auf die Übertragungsleitung (d. h. die strukturierte Verkabelung) eingekoppelten Störer zusammen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann Rauschen auf drei verschiedene Arten in die Twisted-Pair-Verkabelung eingekoppelt werden:

1. Differentielles Rauschen (Vd): Rauschen, das von einem benachbarten Twisted-Pair- oder symmetrischen Kabel ausgeht.

2. Umgebungslärm (Ve): Rauschen, das durch ein äußeres elektromagnetisches Feld verursacht wird.

3. Erdschleifenrauschen (Vg): Rauschen, das durch einen Potenzialunterschied zwischen Leiterenden entsteht.

Verschiedene Anwendungen sind je nach ihren Fähigkeiten unterschiedlich empfindlich gegenüber Störungen durch diese Rauschquellen. Beispielsweise gilt die 10GBASE-T-Anwendung allgemein als extrem empfindlich gegenüber Fremdnebensprechen (Kopplung von Kabel zu Kabel im Differenzmodus), da die digitale Signalverarbeitung (DSP) das interne Paar-zu-Paar-Nebensprechen in jedem Kanal elektronisch auslöscht. Im Gegensatz zum Paar-zu-Paar-Nebensprechen kann das Fremdnebensprechen nicht durch DSP aufgehoben werden. Da das Ausmaß des Fremdnebensprechens im Vergleich zum Ausmaß des Paar-zu-Paar-Nebensprechens sehr gering ist, hat das Vorhandensein von Fremdnebensprechen nur minimale Auswirkungen auf die Leistung anderer Anwendungen, wie z. B. 100BASE-T und 1000BASE-T, die teilweise oder gar keine Algorithmen zur Unterdrückung des Nebensprechens verwenden.

Abbildung 2: LAN-Rauschquellen

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt sowohl die Störanfälligkeit (Störfestigkeit) als auch das Störpotenzial (Emissionen) eines Systems gegenüber externen Quellen und ist ein wichtiger Indikator für die Fähigkeit eines Systems, mit anderen elektronischen/elektrischen Geräten zu koexistieren. Störfestigkeit und Störaussendung stehen in einem reziproken Verhältnis zueinander, d. h. die Fähigkeit des Verkabelungssystems, die Störfestigkeit aufrechtzuerhalten, ist proportional zum Abstrahlungspotenzial des Systems. Interessanterweise wird zwar viel unnötigerweise Wert auf Störfestigkeitserwägungen gelegt, aber es ist eine anerkannte Tatsache, dass strukturierte Verkabelungssysteme keine anderen Geräte oder Systeme in der Telekommunikationsumgebung abstrahlen oder stören!

Differenzielle Rauschstörer: Alien Crosstalk und internes Paar-zu-Paar-Crosstalk sind Beispiele für Differentialmode-Störer, die durch ein geeignetes Verkabelungssystem minimiert werden müssen. Die Störanfälligkeit von Differentialmode-Quellen hängt von der Systembalance ab und kann durch Isolierung oder Trennung von Leitern, die sich gegenseitig stören, verbessert werden. Eine Verkabelung mit verbesserter Ausgewogenheit (d. h. Kategorie 6 und höher) weist eine bessere Leistung bei internem und externem Nebensprechen auf. Da kein Kabel perfekt symmetrisch ist, werden Strategien wie die Verwendung von dielektrischem Material zur Trennung von Leitern oder die Verwendung von Metallfolie zur Isolierung von Leitern eingesetzt, um die Nebensprechleistung weiter zu verbessern. So hat beispielsweise die Kategorie 6A F/UTP-Verkabelung nachweislich eine wesentlich bessere Fremdnebensprechleistung als die UTP-Verkabelung der Kategorie 6A, da ihre Gesamtfolienkonstruktion die Fremdnebensprechkopplung praktisch auf Null reduziert. Die Kategorie 7A S/FTP bietet nachweislich eine wesentlich bessere Paar-zu-Paar- und Fremdnebensprechleistung als jede Kategorie 6A-Verkabelung, da die individuelle, mit Folie versehene Twisted-Pair-Konstruktion sowohl die Paar-zu-Paar- als auch die Fremdnebensprechkopplung auf nahezu Null reduziert. Diese überragenden Crosstalk-Werte konnten nicht allein durch eine konforme Balanceleistung erreicht werden.

Umgebungslärm-Störer: Umgebungsrauschen ist elektromagnetisches Rauschen, das sich aus magnetischen Feldern (H), die durch induktive Kopplung entstehen (ausgedrückt in A/m), und elektrischen Feldern (E), die durch kapazitive Kopplung entstehen (ausgedrückt in V/m), zusammensetzt. Die Magnetfeldkopplung tritt bei niedrigen Frequenzen auf (d. h. 50 Hz oder 60 Hz), bei denen die Ausgewogenheit des Verkabelungssystems mehr als ausreichend ist, um die Störfestigkeit zu gewährleisten, was bedeutet, dass ihre Auswirkungen bei allen Arten von symmetrischen Verkabelungen vernachlässigt werden können. Elektrische Felder können jedoch je nach Frequenz Gleichtaktspannungen auf symmetrischen Kabeln erzeugen. Die Größe der induzierten Spannung kann unter der Annahme modelliert werden, dass das Verkabelungssystem in gleicher Weise wie eine Schleifenantenne[1] für Störungen empfindlich ist. Zur Vereinfachung der Analyse stellt Gleichung (1) ein vereinfachtes Modell einer Schleifenantenne dar, das sich für die Bewertung der Auswirkungen auf das elektrische Feld eignet, das durch verschiedene Bandbreiten der Störquellen sowie durch das Abstandsverhältnis der verdrillten Kabel zur Grundplatte erzeugt wird. Beachten Sie, dass ein detaillierteres Modell, das insbesondere den Einfallswinkel der elektrischen Felder einbezieht, erforderlich ist, um die tatsächliche gekoppelte Störspannung genau zu berechnen.

Wo:
λ = die Wellenlänge der störenden Rauschquelle

A = die Fläche der Schleife, die durch die gestörte Länge des Kabelleiters (l) gebildet wird, der in einer durchschnittlichen Höhe (h) über der Grundplatte aufgehängt ist

E = die elektrische Feldstärke der Störquelle

Die Wellenlänge λ der Störquelle kann von 5.000 km für ein 60-Hz-Signal bis zu weniger als 1 m für HF-Signale im 100-MHz-Band und höher reichen. Die Dichte der elektrischen Feldstärke variiert je nach Störer, hängt von der Nähe zur Quelle ab und wird normalerweise bei einem Abstand von 0,3 m zur Quelle auf Null reduziert. Die Gleichung zeigt, dass ein 60-Hz-Signal zu einer elektrischen Feldstörung führt, die nur im Tausendstel-mV-Bereich gemessen werden kann, während Quellen, die im MHz-Bereich arbeiten, eine ziemlich große elektrische Feldstörung erzeugen können. Als Richtwert gelten 3 V/m als angemessene Annäherung an das durchschnittliche elektrische Feld in einer leichten industriellen/gewerblichen Umgebung und 10 V/m als angemessene Annäherung an das durchschnittliche elektrische Feld in einer industriellen Umgebung.

Abbildung 3: Gleichtaktströme

Die eine Variable, die sich auf die Größe der durch das elektrische Feld gekoppelten Spannung auswirkt, ist die Schleifenfläche A, die durch Multiplikation der gestörten Länge der Verkabelung (l) mit der durchschnittlichen Höhe (h) von der Grundplatte berechnet wird. Die Querschnittsansicht in Abbildung 3 zeigt die Gleichtaktströme, die durch ein elektrisches Feld erzeugt werden. Es sind diese Ströme, die unerwünschte Signale auf dem äußersten leitenden Element der Verkabelung (d. h. die Leiter selbst in einer UTP-Umgebung oder die Gesamtabschirmung in einer geschirmten/vollgeschirmten Umgebung) induzieren. Es wird schnell deutlich, dass die Gleichtaktimpedanz, die durch den Abstand (h) zur Erdungsebene bestimmt wird, in UTP-Umgebungen nicht sehr gut kontrolliert wird. Diese Impedanz hängt von Faktoren wie dem Abstand zu metallischen Kabelkanälen, metallischen Strukturen in der Umgebung der Paare, der Verwendung nicht-metallischer Kabelkanäle und der Position der Anschlüsse ab. Umgekehrt bietet diese Gleichtaktimpedanz einen besseren Schutz vor Störungen durch elektrische Felder als eine UTP-Verkabelung!

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Gesamtanfälligkeit von Twisted-Pair-Kabeln für Störungen durch elektrische Felder sowohl von der gut definierten als auch von der kontrollierten Umgebung in geschirmten/vollgeschirmten Kabeln abhängt, da der Schirm und/oder die Abschirmung als Erdungsebene fungiert. Durchschnittliche Näherungswerte für (h) können bei UTP-Verkabelung zwischen 0,1 und 1 m liegen, sind aber bei geschirmten und vollgeschirmten Kabeln wesentlich eingeschränkter (d. h. weniger als 0,001 m). Das bedeutet, dass geschirmte und vollständig geschirmte Kabel theoretisch das 100- bis 1.000-fache der Gleichgewichtsleistung der Verkabelung und des Vorhandenseins eines Schirms oder einer Abschirmung bieten. Gut abgestimmte Kabel (d. h. der Kategorie 6A und höher) sollten gegen elektromagnetische Störungen bis zu 30 MHz immun sein. Das Vorhandensein einer Abschirmung oder eines Schirms ist notwendig, um elektromagnetische Störungen bei höheren Frequenzen zu vermeiden, was für Anwendungen der nächsten Generation besonders wichtig ist. So kann man beispielsweise davon ausgehen, dass eine neue Anwendung, die DSP-Techniken verwendet, einen Mindest-SNR von 20 dB bei 100 MHz erfordert. Da die minimale Isolierung, die durch die Balance allein erreicht wird, ebenfalls 20 dB bei 100 MHz beträgt, ist die Hinzufügung eines Schirms oder einer Abschirmung notwendig, um sicherzustellen, dass diese Anwendung über genügend Spielraum für die Störfestigkeit verfügt.

Erdschleifen

Masseschleifen entstehen, wenn mehr als eine Masseverbindung vorhanden ist und der Unterschied im Gleichtaktspannungspotenzial an diesen Masseverbindungen Rauschen in die Verkabelung einbringt (erzeugt), wie in Abbildung 4 dargestellt. Es ist ein Irrglaube, dass Gleichtaktrauschen aus Erdschleifen nur auf Schirmen und Abschirmungen auftreten kann; dieses Rauschen tritt regelmäßig auch auf den verdrillten Kabeln auf. Ein wichtiger Punkt in Bezug auf die von Erdschleifen erzeugte Spannung ist, dass ihre Wellenform direkt mit dem Profil der Wechselstromversorgung des Gebäudes zusammenhängt. In den USA liegt die primäre Störfrequenz bei 60 Hz und den damit verbundenen Oberwellen, die oft als AC-Brumm“ bezeichnet werden. In anderen Regionen der Welt liegt die primäre Rauschfrequenz bei 50 Hz und den zugehörigen Oberwellen.

Da jedes Twisted-Pair mit einem Balun-Transformator und einer Gleichtaktstörungsschaltung sowohl an den NIC- als auch an den Netzwerkausrüstungsenden verbunden ist, können Unterschiede in den Windungsverhältnissen und Gleichtakt-Erdimpedanzen zu Gleichtaktstörungen führen. Das Ausmaß des induzierten Rauschens auf den Twisted-Pairs kann durch die Verwendung von Gleichtaktabschlüssen, Drosseln und Filtern in den Geräten reduziert, aber nicht eliminiert werden.

Erdungsschleifen auf der Abschirmung entstehen in der Regel aufgrund eines Potenzialunterschieds zwischen der Erdungsverbindung an der Fernmeldeerdungsschiene (TGB) und der Gebäudeerdungsverbindung, die durch das Gehäuse der Netzwerkausrüstung am Ende der Verkabelung im Arbeitsbereich hergestellt wird. Beachten Sie, dass die Gerätehersteller nicht verpflichtet sind, einen niederohmigen Gebäudeerdungspfad von der abgeschirmten RJ45-Buchse durch das Gerätegehäuse herzustellen. Manchmal ist das Gehäuse durch eine RC-Schutzschaltung von der Gebäudeerde isoliert, in anderen Fällen ist die abgeschirmte RJ45-Buchse vollständig von der Gehäuseerde isoliert.

Abbildung 4: Einführung von Erdschleifen

In den TIA- und ISO-Normen wird der Schwellenwert für die Entstehung einer übermäßigen Erdungsschleife als derjenige festgelegt, bei dem die Potenzialdifferenz zwischen der an der Abschirmung am Ende der Verkabelung im Arbeitsbereich gemessenen Spannung und der am Erdungsdraht der Steckdose für die Stromversorgung des Arbeitsplatzes gemessenen Spannung 1,0 Vrms überschreitet. Dieser Potenzialunterschied sollte vor Ort gemessen und korrigiert werden, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Netzwerkausrüstung zu gewährleisten, aber Werte über 1,0 Vrms sind in Ländern wie den USA, die über sorgfältig konzipierte und spezifizierte Gebäude- und Erdungssysteme verfügen, sehr selten. Da die durch Erdschleifen induzierte Gleichtaktspannung zudem niederfrequent ist (d. h. 50 Hz oder 60 Hz und deren Oberschwingungen), reicht die Ausgleichsleistung der Verkabelungsanlage allein aus, um die Störfestigkeit unabhängig von der tatsächlichen Spannungshöhe zu gewährleisten.

Gestaltung von Bildschirmen und Abschirmungen

Die Abschirmung bietet die Vorteile einer deutlich verbesserten Paar-zu-Paar-Nebensprechleistung, einer Fremdnebensprechleistung und einer Störfestigkeit, die von keiner anderen Verkabelungsstrategie erreicht werden kann. F/UTP-Kabel der Kategorie 6A und niedriger sind mit einer Gesamtfolie ausgestattet, die vier verdrillte Paare umgibt, wie in Abbildung 5 dargestellt. S/FTP-Kabel der Kategorie 7 und höher sind mit einem Gesamtgeflecht ausgestattet, das vier einzeln mit Folie abgeschirmte Paare umgibt (siehe Abbildung 6). Manchmal sind optionale Ableitungsdrähte vorgesehen.

Abschirmungsmaterialien werden nach ihrer Fähigkeit ausgewählt, die Immunität gegenüber Störungen durch elektrische Felder zu maximieren, indem sie die ankommenden Wellen reflektieren, ihre Absorptionseigenschaften und ihre Fähigkeit, einen Signalpfad mit niedriger Impedanz zu bilden. In der Regel führen leitfähigere Abschirmungsmaterialien zu einer stärkeren Reflexion des eingehenden Signals. Feste Aluminiumfolie ist das bevorzugte Abschirmungsmedium für Telekommunikationskabel, da sie eine 100-prozentige Abdeckung gegen Leckagen im Hochfrequenzbereich (d. h. über 100 MHz) sowie einen geringen elektrischen Widerstand bietet, wenn sie ordnungsgemäß mit der Erde verbunden ist. Die Dicke der Folienabschirmung wird durch den Skin-Effekt der störenden Rauschströme beeinflusst. Der Skin-Effekt ist ein Phänomen, bei dem die Eindringtiefe des Rauschstroms mit zunehmender Frequenz abnimmt. Typische Foliendicken sind 1,5 mils (0,038 mm) bis 2,0 mils (0,051 mm), um die maximale Eindringtiefe eines 30-MHz-Signals zu erreichen. Dieser Ansatz stellt sicher, dass Signale mit höheren Frequenzen die Folienabschirmung nicht durchdringen können. Signale mit niedrigeren Frequenzen stören die verdrillten Paare nicht, da sie eine gute Balance aufweisen. Geflechte und Drahtseile verleihen den Kabeln zusätzliche Festigkeit und verringern den elektrischen Endwiderstand der Abschirmung, wenn das Kabelsystem ordnungsgemäß mit der Erde verbunden ist.

Abbildung 5: F/UTP-Konstruktion

Abbildung 6: S/FTP-Konstruktion

Erdung und Verkabelungssysteme

ANSI/TIA-607-D definiert die Infrastruktur für die Erdung und Abschirmung von Telekommunikationsanlagen in Gebäuden, die an der Erde der Servicegeräte (Strom) beginnt und sich durch das gesamte Gebäude erstreckt. Es ist wichtig zu wissen, dass die Infrastruktur sowohl für UTP- als auch für geschirmte/vollgeschirmte Verkabelungssysteme gilt. Die Norm schreibt vor, dass:

1. Die primäre Erdungsschiene (PBB) für die Telekommunikation ist mit der Erdung der Gebäudeausrüstung (Strom) verbunden. Die tatsächlichen Methoden, Materialien und geeigneten Spezifikationen für die einzelnen Komponenten des Erdungs- und Potentialausgleichssystems für die Telekommunikation variieren je nach System- und Netzgröße, Kapazität und örtlichen Vorschriften.

2. Falls verwendet, werden die sekundären Telekommunikations-Bonding-Sammelschienen (SBB) über das Telekommunikations-Bonding-Backbone (TBB) mit dem PBB verbunden.

3. Alle Gestelle und metallischen Leitungen sind mit dem PBB verbunden.

4. Die Verkabelungsanlage und die Telekommunikationsgeräte sind an den Gerätegestellen oder angrenzenden metallischen Leitungen geerdet. Es ist beabsichtigt, dass IT-Ausrüstungen über den erforderlichen AC- oder DC-Erdungspfad des Gebäudes hinaus, wie in der Norm beschrieben, einen nachweisbaren zusätzlichen und spezifischen Erdungspfad erhalten.

Die TIA- und ISO-Normen sehen einen zusätzlichen Schritt für die Erdung von geschirmten und abgeschirmten Kabelsystemen vor. Insbesondere muss die Kabelabschirmung mit dem PBB oder SBB an der Stelle verbunden werden, an der die Kabel im Rack abgeschlossen werden. Diese Anforderung soll die optimale Konfiguration einer Erdungsverbindung unterstützen, um das Auftreten von Erdungsschleifen zu minimieren, berücksichtigt jedoch, dass entlang der Verkabelung mehrere Erdungsverbindungen vorhanden sein können. Da die Möglichkeit einer Erdung am Arbeitsplatz durch die Geräte bei der Entwicklung der in ANSI/TIA-607-D spezifizierten Erdungs- und Verbindungsempfehlungen berücksichtigt wurde, besteht keine Notwendigkeit, die Erdung des geschirmten Systems am PC oder Gerät des Endbenutzers ausdrücklich zu vermeiden.

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen einer Erdverbindung und einer Schirmverbindung zu beachten. Eine Erdungsverbindung verbindet das geschirmte Kabelsystem mit dem PBB oder SBB, während eine geschirmte Verbindung die elektrische Fortsetzung des Kabelschirms durch die geschirmten Telekommunikationsanschlüsse über die gesamte Länge der Verkabelung aufrechterhält. Ein Teil der Funktion des Schirms oder der Abschirmung besteht darin, einen niederohmigen Erdungspfad für Rauschströme zu schaffen, die auf dem Abschirmungsmaterial induziert werden. Die Einhaltung der TIA- und ISO-Spezifikationen für die Parameter der Kabel- und Verbindungshardware-Übertragungsimpedanz und der Kopplungsdämpfung gewährleistet, dass ein niederohmiger Pfad durch alle geschirmten/abgeschirmten Verbindungspunkte im Verkabelungssystem aufrechterhalten wird. Für eine optimale Fremdnebensprech- und Rauschimmunität sollte die Kontinuität der Abschirmung im gesamten End-to-End-Verkabelungssystem aufrechterhalten werden. Die Verwendung von UTP-Patchkabeln in geschirmten/abgeschirmten Verkabelungssystemen wird nicht empfohlen.

Es wird empfohlen, dass die Endnutzer des Gebäudes eine Validierung durchführen, um sicherzustellen, dass geschirmte und abgeschirmte Verkabelungssysteme ordnungsgemäß an der PBB oder SBB geerdet sind. Ein empfohlener Inspektionsplan lautet wie folgt:

1. Sichtprüfung, um sicherzustellen, dass alle Gerätegestelle/Schränke/Metallleitungen mit einem 6 AWG-Leiter an den PBB oder SBB angeschlossen sind.

2. Führen Sie eine Sichtprüfung durch, um sicherzustellen, dass alle geschirmten Patchpanels mit mindestens 12 AWG-Leitern an den PBB oder SBB angeschlossen sind, sofern dies nicht in den Herstelleranweisungen angegeben ist.

3. Führen Sie eine Gleichstromwiderstandsprüfung durch, um sicherzustellen, dass jede Schalttafel- und Schrank-Erdungsverbindung einen Gleichstromwiderstand von <1 Ω zwischen dem Erdungspunkt der Schalttafel/des Schranks und dem PBB oder SBB aufweist. (Hinweis: Einige lokale/regionale Normen schreiben einen maximalen Gleichstromwiderstand von <5 Ω an dieser Stelle vor.) 4. Dokumentieren Sie die Sichtprüfung, die Ergebnisse der Gleichstromprüfung und alle anderen anwendbaren Kupfer-/Faserprüfungsergebnisse.

Der Mythos Antenne

Es ist ein weit verbreiteter Mythos, dass Abschirmungen und Schirme als Antennen fungieren können, weil sie aus langen Metallstücken bestehen. Die Befürchtung ist, dass Abschirmungen und Schirme Signale aus der Umgebung „anziehen“ oder Signale ausstrahlen können, die auf den verdrillten Paaren erscheinen. Tatsache ist, dass sowohl Abschirmungen und Schirme als auch die symmetrischen verdrillten Kupferpaare in einem UTP-Kabel bis zu einem gewissen Grad wie eine Antenne wirken. Der Unterschied besteht darin, dass, wie das vereinfachte Modell der Schleifenantenne zeigt, das Rauschen, das auf den Schirm oder die Abschirmung eingekoppelt wird, 100 bis 1.000 Mal kleiner ist als das Rauschen, das auf ein ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel in derselben Umgebung eingekoppelt wird. Dies ist auf die gut definierte und kontrollierte Gleichtaktimpedanz der internen Paare gegenüber der durch die Abschirmung bereitgestellten Grundplatte zurückzuführen. Im Folgenden werden die beiden Arten von Signalstörern analysiert, die die Störfestigkeit einer symmetrischen Twisted-Pair-Verkabelung beeinträchtigen können: Störer unter 30 MHz und Störer über 30 MHz.

Abbildung 7: UTP VS. F/UTP-Empfindlichkeit

Bei Frequenzen unter 30 MHz können Störströme aus der Umgebung die Abschirmung durchdringen und die verdrillten Paare beeinflussen. Das vereinfachte Modell der Schleifenantenne zeigt jedoch, dass die Stärke dieser Signale wesentlich geringer ist (und aufgrund der Absorptionsverluste der Aluminiumfolie größtenteils gedämpft wird), was bedeutet, dass ungeschirmte verdrillte Paare in derselben Umgebung tatsächlich einer viel höheren elektrischen Feldstärke ausgesetzt sind. Die gute Nachricht ist, dass die Gleichgewichtsleistung des Kabels selbst bis 30 MHz ausreicht, um eine minimale Störanfälligkeit gegenüber diesen Störquellen zu gewährleisten, unabhängig vom Vorhandensein einer Gesamtabschirmung.

Bei Frequenzen über 30 MHz können Rauschströme aus der Umgebung aufgrund von Skineffekten den Schirm nicht durchdringen, und die internen verdrillten Paare sind vollständig immun gegen Störungen. Leider reicht die Ausgleichsleistung nicht mehr aus, um eine angemessene Störfestigkeit für UTP-Verkabelungen bei diesen höheren Frequenzen zu gewährleisten. Dies kann sich nachteilig auf die Fähigkeit des Verkabelungssystems auswirken, die SNR-Werte aufrechtzuerhalten, die für Anwendungen mit DSP-Technologie erforderlich sind.

Das Potenzial eines Kabels, sich wie eine Antenne zu verhalten, kann experimentell überprüft werden, indem man zwei symmetrische Kabel in Reihe schaltet, ein Signal in ein Kabel einspeist, um eine Sendeantenne über einen bestimmten Frequenzbereich zu simulieren, und die Störungen auf einem benachbarten Kabel misst, um eine Empfangsantenne zu simulieren[2]. Als Faustregel gilt: Je höher die Frequenz der Rauschquelle, desto größer ist das Störpotenzial. Wie in Abbildung 7 dargestellt, ist die Kopplung zwischen zwei UTP-Kabeln (schwarz) mindestens 40 dB schlechter als die Interaktion zwischen zwei ordnungsgemäß geerdeten F/UTP-Kabeln (blau). Es ist anzumerken, dass eine Marge von 40 dB einer 100-mal geringeren Spannungskopplung entspricht und somit die modellierten Vorhersagen bestätigt werden. Es ist offensichtlich, dass das UTP-Kabel wesentlich mehr abstrahlt und empfängt (d. h. sich wie eine Antenne verhält) als das F/UTP-Kabel!

Ein zweiter Antennenmythos hängt mit der irrigen Annahme zusammen, dass Gleichtaktsignale, die auf einem Schirm oder einer Abschirmung auftreten, nur über einen niederohmigen Erdungspfad abgeleitet werden können. Die Befürchtung ist, dass ein nicht geerdeter Schirm Signale abstrahlt, die „hin und her springen“ und sich über den Schirm „aufschaukeln“. Tatsache ist, dass ein ungeerdeter Schirm aufgrund des Tiefpassfilters, der durch seinen Widerstand, die verteilte Shunt-Kapazität und die Serieninduktivität gebildet wird, Signale mit höheren Frequenzen immer noch erheblich dämpft. Die Auswirkungen, die sich ergeben, wenn beide Enden eines verdrillten Folienkabels ungeerdet bleiben, können ebenfalls mit der oben beschriebenen experimentellen Methode überprüft werden. Wie in Abbildung 8 zu sehen ist, ist die Kopplung zwischen zwei UTP-Kabeln (schwarz dargestellt) immer noch mindestens 20 dB schlechter als die Interaktion zwischen zwei ungeerdeten F/UTP-Kabeln (blau dargestellt). Es ist zu beachten, dass 20 dB Spielraum einer 10-mal geringeren Spannungskopplung entsprechen. Selbst unter ungünstigsten Bedingungen verhält sich das UTP-Kabel eher wie eine Antenne als das F/UTP-Kabel!

Abbildung 8: UTP VS. Ungeerdete F/UTP-Empfindlichkeit

Die modellierten und experimentellen Ergebnisse widerlegen den Antennenmythos eindeutig. Es ist eine Tatsache, dass Schirme und Abschirmungen im Vergleich zu ungeschirmten Konstruktionen oberhalb von 30 MHz auch bei unsachgemäßer Erdung eine wesentlich bessere Störfestigkeit bieten.

Der Mythos der Erdschleife

Es ist ein weit verbreiteter Mythos, dass Erdschleifen nur bei geschirmten und abgeschirmten Kabelsystemen auftreten. Die Befürchtung ist, dass Erdschleifen, die aus einem Unterschied im Spannungspotenzial zwischen den Erdungsanschlüssen eines geschirmten Verkabelungssystems resultieren, übermäßige Gleichtaktströme verursachen, die die Datenübertragung beeinträchtigen können. Tatsache ist, dass sowohl die Abschirmungen als auch die symmetrischen verdrillten Paare in einem UTP-Kabel durch Spannungsunterschiede an den Enden des Kanals beeinflusst werden.

Der Unterschied in der Gleichtaktimpedanz des Transformators am NIC und an der Netzwerkausrüstung führt natürlich dazu, dass auf jedem Twisted-Pair ein Gleichtaktstörstrom induziert wird. Die Erdung des geschirmten Systems an mehreren Stellen kann ebenfalls zu Gleichtaktstörströmen führen, die auf der Abschirmung induziert werden. Diese Gleichtaktstörströme haben jedoch keinen Einfluss auf die Datenübertragung, da ihre Wellenform unabhängig von der Höhe der Spannung immer mit dem Profil des Gebäudewechselstroms (d. h. 50 Hz oder 60 Hz) verbunden ist. Aufgrund der ausgezeichneten Ausgewogenheit der Verkabelung bei niedrigen Frequenzen werden Gleichtaktströme, die entweder direkt von Impedanzdifferenzen der Geräte oder von einer Abschirmung induziert werden, vom Transceiver als Teil des Differenzübertragungsalgorithmus einfach herausgefiltert.

Warum abgeschirmte/vollgeschirmte Verkabelung verwenden?

Die Leistungsvorteile von abgeschirmten und vollständig abgeschirmten Systemen sind zahlreich und umfassen unter anderem:

1. Reduziertes Paar-zu-Paar-Nebensprechen bei vollständig geschirmten Designs

2. Reduziertes Übersprechen bei geschirmten und vollständig geschirmten Konstruktionen

3. Abgeschirmte Kabel der Kategorie 6A sind in der Regel kleiner als 6A-UTP-Kabel und ermöglichen eine bessere Auslastung der Leitungen.

4. Erheblich verbesserte Störfestigkeit bei allen Frequenzen und insbesondere oberhalb von 30 MHz, wenn sich die Kabelbalance deutlich zu verschlechtern beginnt

5. Hervorragende Wärmeableitung für weniger restriktive Bündelungsanforderungen bei der Unterstützung von Fernversorgungsanwendungen (z. B. Power over Ethernet oder PoE) und/oder beim Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen

Schlussfolgerungen

Die erreichbare SNR-Marge hängt von den kombinierten Eigenschaften der Verkabelungsbalance und der Gleichtakt- und Differenzstörfestigkeit ab, die durch Abschirmungen und Schirme gewährleistet wird. Anwendungen sind auf eine positive SNR-Marge angewiesen, um eine ordnungsgemäße Signalübertragung und minimale BER zu gewährleisten. Mit der Einführung von 10GBASE-T ist klar geworden, dass die Rauschisolierung, die durch eine gute Balance allein bereitgestellt wird, kaum ausreicht, um die Übertragungsziele zu unterstützen. Die Vorteile von F/UTP- und S/FTP-Verkabelungsdesigns in Bezug auf Nebensprechen und Störfestigkeit haben die Aufmerksamkeit der Entwickler von 4-paarigen und einpaarigen Anwendungen und der Systemspezialisten geweckt. Es wird oft gesagt, dass sich in der Telekommunikationsbranche bei der Spezifikation des bevorzugten Medientyps ein Kreis geschlossen hat. Tatsächlich stellen die heutigen geschirmten und vollständig geschirmten Verkabelungssysteme eine Verschmelzung der besten elektrischen Leistungsmerkmale der letzten beiden Generationen von LAN-Verkabelungen dar: hervorragende Ausgewogenheit zum Schutz vor niederfrequenten Störungen und Abschirmung zum Schutz vor hochfrequenten Störungen.

Rev. F 6/22