Kupferkabel / Telefonkabel
Die Schaltung ist das Ersatzschaltbild einer gleichmäßig aufgebauten (homogenen) Leitung. Jede 2-adrige Leitung entspricht diesem Ersatzschaltbild. Sie ist nicht nur mit einem Widerstand, sondern auch mit einer Induktivität und Kapazität behaftet. Demzufolge ist dieser Leitungsvierpol frequenzabhängig und zu allem Überfluss auch noch ein Schwingkreis. Zusätzlich werden die elektrischen Eigenschaften durch die Leitungskonstruktion beeinflusst (Verseilungsart, Feuchtigkeit, etc.).
Theorie des symmetrischen Kabels
Das Telefonkabel ist ein symmetrisches Kabel, auf dem die Telefonverbindungen übertragen werden. Die Bezeichnung symmetrisches Kabel bezieht sich auf die elektrischen Eigenschaften des Kabels.
In das Kabel werden gleiche Signale mit gegensätzlicher Polarität eingespeist. Im Idealfall heben sich die symmetrischen Amplituden auf. Der Potentialunterschied zur Bezugserde beträgt 0V.
Die meisten Störspannungen sind asymmetrisch und haben wegen der Gleichtaktunterdrückung keinen Einfluss auf die symmetrischen Signalleitungen.
Das symmetrische Kabel in der Praxis
In der Praxis variiert die verbleibende Störspannung je nach Übertragungstechnik auf wenige µV. Um die Störquellen weiter zu entschärfen, werden die einzelnen Kabeladern verdrillt. Dadurch schneiden sich Ihre Feldlinien im 90°-Winkel. Die gegenseitige Beeinflussung wird dadurch unmöglich.
Die Datenübertragung über das symmetrische Kabel benötigt in jede Übertragungsrichtung mindestens zwei Adern (also 4 Adern, oder 2 Doppeladern). Beispielsweise für ISDN oder LAN.
Twisted Pair ist die englische Bezeichnung für ein symmetrisches Kabel, das gekreuzte bzw. verdrillte Adernpaare hat.
Probleme bei der Übertragung auf dem Kupferkabel
Die Hauptprobleme, mit denen Übertragungstechniken zu kämpfen haben:
- Übersprechen zwischen den Leitungen
- Signaldämpfung (Signalverluste) durch die Leitungslänge
- Leitungscharakteristik ist immer anders
Diese Effekte werden durch das Verdrillen der Adernpaare teilweise aufgehoben. Doch gerade mit steigender Frequenz sie wieder zu. Da helfen auch keine hochwertigen Leitungen. Deshalb müssen die Übertragungstechniken Mechanismen haben, die negativ Effekte auf die Signalqualität haben entgegen wirken.
Die heutigen Übertragungstechniken zielen darauf ab, die Beschränkungen durch die Leitungscharakteristik auszuhebeln und den Signal-Rausch-Abstand (engl. Signal to Noise Ratio, SNR) zu verbessern.
Störfaktor: Übersprechen
Die Telefonleitung ist ein elektrischer Schwingkreis, der ein Signal parallel und quer zu seiner Achse abstrahlt und auch empfangen kann. Das bedeutet, dass benachbarte Leitungen Energie abgegeben und auch aufnehmen. Man bezeichnet diesen Effekt als Übersprechen oder Nebensprechen. Der physikalische Effekt wird als kapazitives und induktives Überkoppeln bezeichnet.
In der Anfangszeit der Telefontechnik bediente man sich eines Tricks, um die Übertragungseigenschaften der Telefonkabel zu verbessern. Eine spezielle Verseiltechnik, bei der je zwei Kupferadern verdrillt, also überkreuz zueinander verlaufen, vermindern Interferenzen, kapazitive Einflüsse und negative Abstrahl-Effekte.
Bei den heutigen breitbandigen Übertragungsverfahren mit hohen Frequenzen reicht die Verseiltechnik nicht mehr aus, um das unerwünschte Abstrahlen zu verhindern.
Störfaktor: Signaldämpfung
Die Signaldämpfung (Signalverluste) kommt daher, weil lange Leitungen kapazitiv wirken, also eher Informationen speichern, als leiten. Mit der Länge der Kupferleitung nimmt die Signaldämpfung zu. Das bedeutet, die Reichweite des Signals ist begrenzt. Irgendwann ist das Signal so schwachh, dass der Empfänger das Signal vom Rauschen nicht mehr unterscheiden kann.
Der Unterschied zwischen Signal und Rauschen wird als Signal-Rausch-Abstand (engl. Signal to Noise Ratio, SNR) bezeichnet. Je höher der SNR, desto besser ist das Signal. Je niedriger der SNR, desto schlechter ist das Signal.
Hinzu kommt, dass die Signaldämpfung umso stärker auftritt, je höher die Frequenz des Signals ist. Und je höher die Frequenz, desto geringer die Reichweite. Dagegen hilft nur, die Sendeleistung (Signalstärke) so stark zu erhöhen, dass beim Empfänger noch ein erkennbares Signal ankommt. Dabei nehmen aber auch die Störungen durch Übersprechen auf benachbarte Leitungen zu. Somit steigen die Übertragungsfehler auf den Nachbarleitungen und die effektive Nutzdatenrate sinkt.
Übertragungstechnik
Die Übertragung elektrischer Signale mit hoher Geschwindigkeit (Frequenz) auf langen Kupferkabeln ist nur mit aufwendigen und komplexen Techniken möglich. Im Laufe der Zeit werden diese Techniken immer besser, allerdings kämpfen sie immer mit einer hohen Störanfälligkeit durch Übersprechen, Reflexionen und externen Störsignalen.
Eine höhere Datenrate erreicht man in der Regel durch eine höhere Bandbreite, also immer höhere Frequenzen. Doch bei höheren Frequenzen steigt auch die Signaldämpfung bei zunehmender Leitungslänge. Der Empfänger hat dann Schwierigkeiten das Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Übertragungsfehler sind die Folge und dadurch ein geringerer Datendurchsatz. Bei kürzeren Kabelstrecken reduzieren sich die Übertragungsfehler und der Datendurchsatz steigt.
Glasfaserkabel leiden nicht unter diesem Problem. Bei langen Glasfaserkabeln ist die Leitungsdämpfung nicht so groß und das Signal unterliegt nicht dem Einfluss elektromagnetischer Felder, die von anderen Leitungen ausgehen.