Ein Modell des Nahnebensprechens an PIMF-Datenkabeln Martin Backmann, Dr. Christian Pfeiler, Andreas Waßmuth  NK NETWORKS, Nürnberg

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1  Kopplungswiderstand von Paaren mit Folienschirm
     Zur Messung des Kopplungswiderstandes von paarigen Kabeln wird ein Paar im Gleichtakt gegen den Schirm betrieben. Für die Messung des Kopplungswiderstandes eines PIMF-Elementes kann somit näherungsweise von einer koaxialen Anordnung ausgegangen werden. Besteht der Außenleiter dieser Anordnung aus einer um einen Radius r gewickelten Folie mit der Breite b, der Schlaglänge l und der Leitschichtdicke d mit der Leitfähigkeit k so gilt nach /4/ für den Kopplungswiderstand, (1)   mit dem Gleichstromwiderstand   und dem Steigungswinkel   sowie der Eindringtiefe  . 

Der Kopplungswiderstand des einzelnen PIMF- Elementes ist bis zu Frequenzen von f0 ~ 1 MHz konstant und entspricht einem Wert, der etwas größer ist als der Gleichstromwiderstandsbelag. Erst bei sehr großen Schlaglängen liegt etwa der  Gleichstromwiderstandsbelag vor. Bei Frequenzen größer als f0 folgt ein frequenzproportionaler Anstieg, der anhand der Wirkung der Induktivität des gewickelten Schirmes veranschaulicht werden kann. Diese Frequenzgang- Schematik sowie die Auswirkungen von Änderungen der wesentlichen Eingangsgrößen zeigt Bild 1.

Bild 1  Typ. Frequenzgang des Kopplungswiderstan-              des eines einzelnen PIMF - Elementes und Wir-              kungsrichtung der wesentlichen Einflußgrößen

 

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2  Nebensprechen von PIMF-Kabeln
     Das Nebensprechen zwischen zwei PIMF-Elementen erfolgt nach einem mehrstufigen Mechanismus: 

1. Das beeinflussende Element wird am A-Ende mit einem symmetrischen Signal (Gegentaktsignal) angeregt. Ein Teil dieses Signales konvertiert aufgrund von Unsymmetrien des beeinflussenden Elementes in den Gleichtaktmodus (unsymmetrisches System). Dadurch wird ein Strom in den Paarschirmen hervorgerufen.
2. Der Strom bewirkt eine Spannung im Gleichtaktsystem des beeinflußten Elementes. Dieser Beeinflussungsmechnismus wird durch den Kopplungswiderstand des Elementes beschrieben; der Kopplungswiderstand ist genau als Quotient der unsymmetrischen Spannung in einem Koaxialele- ment und des Schirmstromes definiert.
3. Aufgrund von Unsymmetrien des beeinflußten Elementes konvertiert ein Teil des Signales des unsymmetrischen Systems in das symmetrische System des beeinflußten Elementes und wird als Nebensprechen detektiert. 

2.1  Modellierung des Nebensprechens
     Für die genauere Modellierung werden folgende Vereinfachungen angenommen: 

• Die Signalamplituden im symmetrischen und unsymmetrischen System sind unabhängig von der Rich- tung der Konversion und der Frequenz immer über die Erdunsymmetriedämpfung a_LCL (engl. longi- tudinal conversion loss) verbunden.
• Eine Stromverteilung in den Paarschirmen wird nicht berücksichtigt.
• Das unsymmetrische System ist am E - Ende nicht abgeschlossen; die ankommenden Teilwellen werden totalreflektiert.
• Die Überlagerung von Teilwellen ist immer konstruktiv; die Phasenlagen der Teilwellen werden nicht berücksichtigt.
• Der Dämpfungsbelag und die Ausbreitungsgeschwindigkeit sind im Gleich- und Gegentaktsystem identisch.
• Die Leitungen werden als homogen über die Länge angesehen. 

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1. Eine Teilwelle, die zunächst in das Gleichtaktsystem konvertiert, dann mittels direktem Nahneben- sprechen in das beeinflußte Element übertritt und schließlich in das Gegentaktsystem konvertiert. Nach /4/ gilt für das Nahnebensprechen zwischen zwei koaxialen Elementen:  , (2)            Damit folgt für die erste Teilwelle eine Dämpfungssumme von: 
2. Eine Teilwelle, die zunächst in das Gleichtaktsystem konvertiert, bei einem Durchlaufen der Leitung gedämpft und am E-Ende reflektiert wird, mittels Fernnebensprechen in das beeinflußte Element über-tritt und dann in das Gegentaktsystem konvertiert.
3. Eine Teilwelle, die zunächst in das Gleichtaktsystem konvertiert, mittels Fernnebensprechen in das beeinflußte Element übertritt, am E - Ende reflektiert und bei einem Durchlaufen der Leitung gedämpft wird und dann in das Gegentaktsystem des beeinflußten Elementes konvertiert. Für das Fernneben- sprechen gilt nach /4/:  Die Dämpfungssummen sind für die Teilwellen 2) und 3) identisch: 
4. Eine Teilwelle, die zunächst das beeinflussende Element durchläuft, ins Gleichtaktsystem konvertiert, das E-Ende des beeinflußten Elementes mittels Nahnebensprechen nach Gleichung (2) erreicht und schließlich an das A - Ende des beeinflußten Elementes läuft. Die Dämpfung dieses Pfades ist:

Bei größeren Längen verschiebt sich das charakteristische Maximum des Nahneben- sprechens zu kleineren Frequenzen hin bei gleichzeitiger Verminderung des Maximalwertes. Wesentliche Einflußgrößen auf das Nahneben- sprechen sind die Erdunsymmetriedämpfung und des Kopplungswiderstand der PIMF-Elemente. Eine Vermiderung der Erdunsymmetriedämpfung um 1 dB führt zu einer Verminderung der Nah- nebensprechdämpfung um 2 dB. Durch eine Verbesserung des Kopplungswiderstandes der  PIMF-Elemente reduzieren sich die Scheitel- werte der Nahnebensprech-Maxima und es ist möglich, die Cat.6-Forderung bei unveränderter Erdunsymmetrie zu erfüllen.

Bild 2  Schematische Darstellung der Beeinflussungs-            pfade des Nahnebensprechmodells

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3  Vergleich der Modelle mit Messungen

     Bild 4 zeigt die Gegenüberstellung von Rechnung und Messung des Kopplungswiderstandes an einem PIMF-Element. Die Variante 1) entspricht einem Standardaufbau eines Kategorie 5 PIMF-Kabels mit    AWG 22- Leiter; die Variante 2) ist eine Modifikation. Eine aussagekräftige Größe ist das Verhältnis zwischen dem Wert des Gleichstromwiderstandes bei kleinen Frequenzen und dem 100 MHz-Wert. Bei der Kategorie 5-Variante des AWG 22-PIMF beträgt dieses Verhältnis etwa 200; bei Kabeltypen, die sicher die Cat.6-Grenzwerte einhalten, sind Werte im Bereich von 20 typisch. 

Bild 4  Vergleich von Rechnung (links) und Messung (rechts) des Kopplungswiderstandes von zwei
           PIMF-Elementen (1: AWG 22 Kategorie 5; 2: Modifikation)

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Bild 5  Messung der Nahnebensprechdämpfung an unterschiedlichen Längen eines PIMF-Kabels
           der Kategorie 5

     Das Bild 5 zeigt Messungen des Nahnebensprechens an einem PIMF-Kabel der Kategorie 5 bei ver- schiedenen Kabellängen. Der Vergleich zu Bild 3 zeigt tendenziell eine gute Übereinstimmung. Es wird allerdings deutlich, daß noch weitere Effekte eine Rolle spielen; bei den größeren Längen steigen die Kurven bei größeren Frequenzen im Gegensatz zu Bild 3 wieder an. Dies ist auf den direkten Durchgriff elektrischer oder magnetischer Felder an Schirminhomogenitäten, möglicherweise auch im Bereich der Anschlüsse an die Baluns, zurückzuführen. 
     Bei kürzeren Längen zeigen sich deutlich Effekte von Leitungsresonanzen. Dies wird im Modell nicht berücksichtigt. Es zeigt aber, daß den Abschlüssen von Gleich- und Gegentaktwellen der beteiligten Paare große Bedeutung zukommt. 

4  Schlußfolgerungen für den Aufbau von Datenkabeln der Kategorie 6 

     Das vorgestellte Modell ermöglicht eine verbesserte Auslegung von PIMF-Datenkabeln. Es basiert auf einem Kopplungsmodell, das die Konversion zwischen Gegen- und Gleichtaktmodus und den Kopplungs- widerstand des foliengeschirmten Paares sowie die Theorie des Nebensprechens zwischen koaxialen Leitungen berücksichtigt. Damit veranschaulicht das Modell zudem unerwartete Unterschiede zwischen Nebensprechmessungen an Produktions- und typischen Installationslägen.

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Bild 6  Nahnebensprechdämpfung und Betriebsdämpfung des Kategorie 6-Kabels UC600 SS22 4P
           (NK Networks), Länge der Kabelprobe l = 90 m

Literatur 

/1/ ---  ISO/IEC 11801:1995: Information technology - Generic cabling for customer premises. 
/2/ ---  E DIN 44312-5:1996-08: Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme 
           Teil 5: Verkabelungsstreckenklasse E. 
/3/ Waßmuth, A. Quo vadis Kupferkabel? Zukunft der symmetrischen Datenübertragungskabel. 
            telekom praxis, Heft 1/1996, S. 28-32 
/4/ Kaden, H. Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. Springer-Verlag, 1959 
 

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