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Ethernet Twisted-Pair-Kabel mit RJ-45-SteckernAls Twisted-Pair-Kabel oder Kabel mit verdrillten Adernpaaren bezeichnet man in der Telekommunikations-, Nachrichtenübertragungs- und Computertechnik Kabeltypen, bei denen die beiden Adern eines Adernpaares miteinander verdrillt sind und unterschiedliche Adernpaare mit verschieden starker Verdrillung, der sogenannten Schlaglänge, in einem Kabel verseilt sind. Verdrillte Adernpaare bieten Schutz gegen den störenden Einfluss von äußeren magnetischen Wechselfeldern auf die übertragenen Signale. Unterschiedliche Schlaglängen der Adernpaare reduzieren dabei ein Übersprechen zwischen benachbarten Aderpaaren im Kabel. Ein elektrisch leitender Schirm (oft aus Aluminiumfolie und/oder Kupfergeflecht) bietet zusätzlich Schutz gegen störende äußere elektromagnetische Felder.
Verdrillte Adernpaare werden mit symmetrischen Signalen beaufschlagt, um am fernen Ende einer (längeren) Kabelstrecke die Differenz zwischen den Signalen der beiden Adern – mittels Transformator oder Differenzverstärker – bilden zu können und um damit das sendeseitige Signal bestmöglich am Empfangsort rekonstruieren zu können (Gleichtaktunterdrückung/CMR).
Kabel mit verdrillten Adernpaaren werden schon sehr lange zur Signal- und Datenübertragung eingesetzt, in der Computertechnik anfangs für den Parallelanschluss des Druckers (die so genannte Centronics-Schnittstelle). Heute werden entsprechende Kabel für alle Arten der Signalübertragung, unter anderem in der Netztechnik eingesetzt, zum Beispiel bei Ethernet-Kabeln, strukturierten Verkabelungen oder in der Feldbustechnik.
Inhaltsverzeichnis
Leitungsaufbau
verseilte Adernpaare mit FarbcodesTwisted-Pair-Kabel enthalten Adernpaare aus je zwei miteinander verdrillten (englisch twisted) Paaren (englisch pair) von Einzeladern.
Details:
- Ader: Kunststoffisolierter Kupferleiter. Bei Installations-/Verlegekabeln als starre Ader (Draht) mit einem üblichen Durchmesser von 0,40 mm oder 0,6 mm. Die Standardbezeichnung eines typischen Twisted-pair-Kabels ist dem entsprechend 4x2x0,4 oder 4x2x0,6.
0,6 -> der Durchmesser; 2 -> Adern verlaufen in einem Paar; 4 -> Anzahl der Adernpaare
Bei flexiblen Patchkabeln als Litze mit einem üblichen Durchmesser von 0,40 bis 0,50 mm. Häufig wird die Stärke des Kupferleiters auch in AWG (American Wire Gauge) angegeben; die üblichen Größen reichen dann von AWG27 bis AWG22 (je kleiner die AWG-Zahl, desto dicker der Leiter).
- Paar: Je zwei Adern sind zu einem Paar verdrillt, mehrere Adernpaare im Kabel miteinander verseilt.
- Leiterbündel oder Seele: Bezeichnet die im Kabel (oft vier) miteinander verseilten Paare. Bei mehr als einem Adernpaar werden die Schlaglängen unterschiedlich gewählt, um ein Neben-/Übersprechen zu verringern.
- Kabelmantel: Umfasst die Seele. Besteht meist aus Kunststoffgeflecht und glatter Hülle darüber. Verwendetes Material sind oft PVC oder halogenfreies Material wie PE oder Aramid.
- Schirm: Metallische Umhüllung von einzelnen Adernpaaren und/oder der Seele. Der Schirm besteht aus Metallfolie, metallisierter Kunststofffolie, Drahtgeflecht oder Kombinationen daraus.
Zusätzlich zu den Adernpaaren können weitere Elemente im Kabel vorhanden sein, wie zum Beispiel:
- Beidraht als elektrische Masseleitung
- Fülladern aus Kunststoff zum Ausfüllen von Hohlräumen zwischen den Paaren
- Trennelemente aus Kunststoff, um die Paare auseinander zu halten
- Ein Kunststofffaden (zum Beispiel aus Nylon) zwischen Gesamtschirm und Kabelmantel, mit dem auf einfache Weise der Kabelmantel entfernt werden kann: den Faden mit einer Zange festhalten und im spitzen Winkel zurückziehen. Der Faden schneidet dabei die Umhüllung auf, diese kann nun einfach entfernt werden.
Schirmung
Bei Verwendung ungeschirmter Kabel oder Steckverbinder besteht wegen der eingesetzten Trenntransformatoren im Signalweg zwischen den Netzgeräten keine Masseverbindung. Der Schirm begünstigt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Abhörsicherheit; Wechselwirkungen mit anderen Geräten werden vermindert.
Bei differenzieller beziehungsweise symmetrischer Signalübertragung ist eine Masseverbindung über einen Schirm nicht erforderlich, sofern keine Gleichtaktstörungen unterdrückt werden müssen. Ein zusätzlicher Schirm stört den Schutzmechanismus des Verdrillens nicht, er bietet zusätzlich einen Schutz gegenüber Gleichtaktstörungen.
Die Schirmung dient dazu, die Immunität zu verbessern und die Störaussendung zu unterdrücken. Bei einer Verkabelungsstrecke wird der Schirm auf beiden Seiten an den jeweiligen Komponenten aufgelegt. Die entstehenden Ausgleichsströme wirken nach dem Prinzip der Lenzschen Regel dem magnetischen Feldanteil einer elektromagnetischen Welle entgegen. Ideal sind 360°-Kontaktierungen. Die Schirmwirkung einer Leitung wird als Transferimpedanz gemessen.
Schirmausführungen
Twisted-Pair-Kabel gibt es unter anderem in zwei- und vierpaariger Ausführung. Bei aktuellen Netzinstallationen werden vorzugsweise vierpaarige Kabel verwendet. Da die alten Bezeichnungen nicht einheitlich und damit oft verwirrend oder sogar widersprüchlich sind, wurde mit der Norm ISO/IEC-11801 (2002)E ein neues Bezeichnungs-Schema der Form XX/YZZ eingeführt.
Dabei steht:
- XX für die Gesamtschirmung: U = Ungeschirmt, F = Foliengeschirmt, S = Geflechtschirm, SF = Geflecht- und Folienschirm
- Y steht für die Aderpaarschirmung: U = Ungeschirmt, F = Foliengeschirmt, S = Geflechtschirm
- ZZ steht immer für TP = Twisted Pair
Grundsätzlicher Aufbau eines UTP-KabelsUTP (Unshielded Twisted Pair)
Neue Bezeichnung nach ISO/IEC-11801 (2002)E: U/UTP
Kabel mit ungeschirmten Paaren und ohne Gesamtschirm. Im deutschsprachigen Raum werden UTP-Kabel kaum eingesetzt, weltweit sind es jedoch die meistverwendeten Kabel für Ethernet-LANs (> 90 %). Für Übertragungsverfahren bis Gigabit-Ethernet reicht ein UTP-Kabel der Kategorie 5e aus. Erst für zukünftige Techniken werden geschirmte Kabel benötigt (10-Gigabit-Ethernet), aber auch hier wird es einen Standard geben, der mit UTP-Kabeln funktioniert – allerdings mit der Einschränkung, dass nur geringere Reichweiten möglich sein werden. Im Gespräch sind bis zu 50 m auf UTP-Kabeln gegenüber 90 m auf STP-Kabeln.
Ein UTP-Kabel ist wegen seines geringen Außendurchmessers und der fehlenden Schirme einfach zu verarbeiten und in der Regel preisgünstiger als STP-Kabeltypen.
Grundsätzlicher Aufbau eines U/FTP-, U/STP-KabelsFTP (Foiled Twisted Pair)
Neue Bezeichnung nach ISO/IEC-11801 (2002)E: U/FTP
Die Adernpaare sind mit einem metallischen Schirm (meist eine aluminiumkaschierte Kunststofffolie) umgeben. Bei Schirmung jeweils eines Paares spricht man auch von PiMF (Paar in Metallfolie), umfasst der Schirm zwei Paare wird dies auch als ViMF (Vierer in Metallfolie) bezeichnet. Die aktuelle Version der EN50173–1 bezeichnet diese Kabel mit FTP. Durch diese zusätzliche Schirmung besitzt das FTP-Kabel einen geringfügig größeren Außendurchmesser und ist dadurch schlechter zu verlegen (größerer Biegeradius) als UTP-Kabel. Das Übersprechen zwischen den einzelnen Adernpaaren kann jedoch durch die Schirmung verringert werden (siehe auch Elektromagnetische Verträglichkeit).
S/FTP-KabelS/FTP, F/FTP oder SF/FTP (Screened Foiled Twisted Pair)
Neue Bezeichnung nach ISO/IEC-11801 (2002)E: S/FTP (Geflecht), F/FTP (Folie), SF/FTP (Geflecht+Folie)
Aufbau wie bei FTP, jedoch mit zusätzlicher metallischer Gesamtschirmung um die Leiterbündel. Der Gesamtschirm kann als Folie oder als Drahtgeflecht oder aus beidem zusammen ausgeführt sein. Gemäß aktueller EN50173 werden diese Kabel mit einem F für einen Folienschirm bezeichnet, ein S steht für einen Kupfergeflechtschirm. Der Bedeckungsgrad des Geflechts sollte über 30 % liegen, um gegenüber niederfrequenten Feldern eine hinreichende Abschirmung zu erzielen.
Grundsätzlicher Aufbau eines S/UTP-Kabels
F/UTP-KabelS/UTP (Screened Unshielded Twisted Pair)
Neue Bezeichnung nach ISO/IEC-11801 (2002)E: S/UTP
Aufbau wie bei UTP, jedoch mit zusätzlichem metallischen Schirm um die Leiterbündel. Der Gesamtschirm kann als Folie oder als Drahtgeflecht oder aus beidem zusammen ausgeführt sein. Besteht der Gesamtschirm nur aus einer Folie, wird so ein Kabel auch als F/UTP-Kabel bezeichnet; besteht der Gesamtschirm aus Folie und Drahtgeflecht auch als SF/UTP-Kabel.
ITP (Industrial Twisted Pair)
ITP ist eine industrielle Kabelvariante mit S/STP-Kabelaufbau. Während typische Netzwerkadern vier Aderpaare aufweisen, beschränkt sich ITP auf lediglich zwei Aderpaare.
WARP-Technologie
Eine neue Technologie für 10-Gigabit-Ethernet, mit der ebenfalls Leitungslängen von 100 m erreicht wurden, hat das Schweizer Unternehmen R&M (Reichle & De-Massari) auf den Markt gebracht. Sie kombiniert die Vorteile aus geschirmter und ungeschirmter Technik. Bei dieser sogenannten „WARP-Technologie“ – das Kürzel steht für „Wave Reduction Patterns“ – sind Kabel und Module mit etwa 1 bis 2 cm langen Metallfoliensegmenten und Metallplatten geschirmt. Anders als bei bisherigen Schirmungen sind die Foliensegmente aber nicht kontaktiert und liegen nicht auf Erd-Potenzial. Sie sind durch kleine Zwischenräume voneinander getrennt und hängen elektrisch sozusagen „in der Luft“. Eine Eigenschaft dieser „schwebenden Schirmung“ ist, dass sie praktisch keine Kapazitäten zur Erde aufbaut. Somit beeinträchtigt sie die Bandbreite der Übertragung nicht, bietet aber trotzdem einen maßgeblichen Schutz gegen Nahübersprechen etc.
Die Kombination von solch „unterbrochener“ Schirmung und symmetrischer Signalübertragung führt dazu, dass Störungen, die sich auf beide Adern gemeinsam auswirken (Gleichtakt-Störungen), durch die Symmetrie der Signale eliminiert werden; es wird ausschließlich die Differenz zwischen den beiden Adern eines „Twisted Pairs“ (eines verdrillten Adernpaares) ausgewertet. Und alle jene Störungen, die sich nur auf eine der beiden Adern auswirken könnten, werden durch das Verdrillen der Adern im Kabel und zum Großteil von dieser speziellen Schirmung abgefangen.
Kategorien
Für eine leichtere Klassifizierung der einzelnen Kabel wurden Kategorien definiert, die jeweils einem spezifischen Anforderungsprofil entsprechen. Die Kategorien 1 und 2 sind nur informell definiert; die Kategorien 3 und 4 sind kommerziell nicht mehr relevant (aber in Altinstallationen noch anzutreffen). Im Folgenden finden sich die sieben definierten Kategorien:
Kategorie 1
Cat-1-Kabel sind auf maximale Betriebsfrequenzen bis 100 kHz ausgelegt und sind deshalb für die Datenübertragung ungeeignet. Sie werden zur Sprachübertragung, zum Beispiel bei Telefonanwendungen, verwendet. Nur UTP-Kabel.
Kategorie 2
Cat-2-Kabel sind für maximale Frequenzen bis 1 oder 1,5 MHz geeignet; sie werden zum Beispiel für eine Hausverkabelung beim ISDN-Primärmultiplexanschluss verwendet.
Kategorie 3
Cat-3-Kabel sind ein häufig in den USA verlegter Typ. Cat-3 war in Amerika für lange Zeit der Standardkabeltyp bei allen Telefon-Verkabelungen. Es sind nicht abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel, die auf maximale Betriebsfrequenzen von 16 MHz ausgelegt sind und für Übertragungskapazitäten von bis zu 16 Mbit/s verwendet werden. Cat-3-Kabel haben drei Wicklungen pro Zoll für jedes verdrehte Paar von Kupferleitern. Eine andere Eigenschaft ist, dass die Leitungen mit Kunststoff (Perfluor, FEP) isoliert werden, so dass eine niedrige Streuung auftritt. Dies ist auch wichtig bei der Verlegung des Kabels, so sollte Cat-3 bei der Verlegung von Telefonkabel immer gegenüber Cat-5 bevorzugt werden, da Cat-3 einen höheren Widerstand gegenüber Cat-5 vorweisen kann und damit die Signalübertragung für Telefonanlagen etc. leichter zu identifizieren ist.
Die Kabel sind ISDN-tauglich. 10-MBit-Ethernet (10BaseT) kann problemlos auf Cat-3-Kabel betrieben werden, zusätzlich wurde der 100BaseT4-Standard entwickelt. Er ermöglicht 100 Mbit/s auf bestehenden Kategorie-3-Installationen, wobei alle vier Adernpaare verwendet werden – 100BaseT4 hat außerhalb von Amerika praktisch keine Verbreitung.
Cat-3-Kabel werden heute kaum noch im Verkauf angeboten. Meist werden Cat-5-Kabel verwendet.
Kategorie 4
Cat-4-Kabel sind ein häufig in den USA verlegter Typ. Cat-4 bot nur einen kleinen Fortschritt in der Geschwindigkeit im Vergleich zu Cat-3 an und wurde im allgemeinen zugunsten von Cat-5 ignoriert. Über Cat-4-Kabel können 20 Mbit/s übertragen werden.
Kategorie 5
20-Meter-Netzwerkkabel der Kategorie 5Cat-5-Kabel sind die heute überwiegend anzutreffende installierte Basis; sie werden für Signalübertragung mit hohen Datenübertragungsraten benutzt. Die spezifische Standardkennzeichnung ist EIA/TIA-568. Cat-5-Kabel sind für Betriebsfrequenzen bis 100 MHz bestimmt. Wegen der hohen Signalfrequenzen muss bei der Verlegung und Montage, insbesondere bei den Anschlussstellen der Adern, besonders sorgfältig gearbeitet werden.
Kabel der Kategorie 5 werden häufig bei strukturierten Verkabelungen von Computernetzen wie zum Beispiel Fast- oder Gigabit-Ethernet verwendet. Dies hat die weite Verbreitung von 1000Base-T (Gigabit-Ethernet) gefördert, da hierzu lediglich eine Cat-5-Leitung benötigt wird.
Das Cat-5e-Kabel ist eine genauer spezifizierte Version von Cat-5, die hauptsächlich im deutschsprachigen Raum Europas für die Verwendung in Langstrecken-100Base-T-Netzverbindungen zum Tragen kommt. Sorgfältig vorgenommene Installationen, die ursprünglich als Cat-5 installiert und abgenommen wurden, erfüllen meist auch die Norm Cat-5e.
Die Bezeichnungen EIA/TIA-568A und EIA/TIA-568B werden aber auch informell verwendet, um die beiden in diesem Standard festgelegten Zuordnungen der farblich gekennzeichneten Adernpaare zu den Anschlusskontakten des RJ-45-Steckers zu bezeichnen; dies sagt in diesem Falle jedoch nichts über die Übertragungsqualität aus.
Die Prüfwerte für Kabel und Stecker Cat-5e EIA/TIA-568A-5 entsprechen den neueren Werten nach Class D aus ISO/IEC 11801:2002 oder EN 50173-1:2002.
Kategorie 6
Das Cat-6-Kabel wird durch die EN50288 definiert. Cat-6-Kabel sind für Betriebsfrequenzen bis 250 MHz bestimmt. Bei größeren Längen leidet die Übertragungsgeschwindigkeit, geringe Überlängen sind aber je nach Außeneinflüssen unbedenklich. Sicherheit gibt letztlich die Überprüfung mit einem entsprechenden Testgerät, das die Einhaltung der Grenzwerte der aktuellen EN50173-1, IS 11801, beziehungsweise der EIA/TIA 568B2.1 verifiziert.
Anwendungsfelder für Cat-6 sind Sprach- und Datenübertragung sowie Multimedia und ATM-Netze. Leistungsfähiger sind Kabel nach Cat-6a (500 MHz) nach EIA/TIA 568B2.1 Anhang 10d (Entwurf). In der Normierungsphase von 10GBase-T war eine neue Cat-6-Spezifikation mit einer Bandbreite von 625 MHz geplant, da es einen Übertragungsmodus von 10GBase-T (IEEE 802.3an, verabschiedet 2006) gibt, der dies unterstützt. Dieser wird aber derzeit nicht weiter verfolgt, da er gegenüber Cat-6a neue Steckertypen erforderlich gemacht hätte. In einigen Publikationen und Verkaufskatalogen findet sich ein Begriff Cat 6 enhanced oder Cat-6e, dabei handelt es sich um keine Norm. Häufig soll damit einem Produkt eine Tauglichkeit für 10GBase-T über mindestens 55 m zugesichert werden.
Cat.6a/Class Ea
Category 6 Cable (Cat.6a) ist ein Kabelstandard für 10-Gigabit-Ethernet (10GBase-T) und andere Netzwerk-Protokolle. Er wurde von den Gremien von ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Electrotechnical Commission) und EIA/TIA (Electronic Industries Alliance / Telecommunications Industry Association) festgelegt.
Der neue Standard Cat.6a fordert höhere technische Bedingungen für die Unterbindung von Nebensignaleffekten und Rauschen. Mit Cat.6a-Kabeln wird eine Übertragungsfrequenz von bis zu 500 MHz erreicht, was für den Einsatz in Gigabit-Ethernet relevant ist.
Allerdings garantieren Cat.6a-Komponenten nach EIA/TIA nicht, dass die gesamte Verkabelungsstrecke (Channel) normkonform ist. Dies ist nur beim Standard ISO/IEC Class Ea der Fall. Die Anforderungen an diesen Standard sind höher als jene des EIA/TIA-Standards für Cat.6a und jene des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) für 10-Gigabit-Ethernet.
Mit Class Ea erreicht man eine einheitliche, durchgängige Leistungsfähigkeit der gesamten Verkabelungsstrecke und besseren Schutz für die Signalübertragung bis 500 MHz, die bei 10-Gigabit-Ethernet zum Einsatz kommt. Der ISO/IEC-Standard bietet dem Anwender somit mehr Reserven und höhere Betriebssicherheit.
Kategorie 7
Globaler Standard (Klasse F bzw FA bis 1000 MHz) außer in den USA.
Cat-7-Kabel haben vier einzeln abgeschirmte Adernpaare (Screened/Foiled shielded Twisted Pair S/FTP) innerhalb eines gesamten Schirms. Cat-7-Kabel sind für Betriebsfrequenzen bis 1000 MHz bestimmt. Ein Cat-7-Kabel erfüllt die Anforderungen der Norm IEEE 802.3an und ist damit für 10-Gigabit-Ethernet geeignet.
Da der aus vorigen Kategorien bekannte Stecker RJ-45 diese Spezifikationen aufgrund der engen Kontaktanordnung nicht erfüllen kann, sind alle RJ-45-CAT-7-Patchkabel ein Etikettenschwindel (wie auch RJ-45-CAT-7-Netzwerkdosen und -Panels). Um Netzwerkkomponenten gemäß CAT-7 herzustellen, wurden eigens neue Steckverbindungen konzipiert, welche im wesentlichen den Abstand zwischen den Adernpaaren vergrößern. Folgende Produkte sind verfügbar:
- Nexans GG45
- BKS MMJ-3000pro / KERPEN ELine 1200 EC7 (proprietär = Patent ist fix an BKS Kabel Service AG Schweiz als Hersteller gebunden)
- Siemon TERA
- Belden 1885NH
Die Marktverbreitung dieser Steckverbindungen führt jedoch noch ein Nischendasein, da derzeit alle gängigen Endgeräte RJ-45-basierend sind, so dass ein solcher Umstieg an jedem Endgerät einen entsprechenden Adapter erfordern würde - außer beim GG-45, der neben dem GG-45-Stecker auch "normale" RJ-45-Stecker und damit Patchkabel aufnimmt. Heutzutage wird oftmals für qualitativ hochwertige Netzwerkverkabelungen eine CAT-7-Leitung in Verbindung mit CAT6-Netzwerkdosen/-Patchpanels genutzt, was die gesamte Netzwerkstrecke ungeachtet der "guten" CAT-7-Leitung auf CAT-6 degradiert. Darüber hinaus gibt es auch mit einigen modernen Anwendungen Schwierigkeiten mit der Schirmung.
Zertifizierung
Damit ein Kabel gemäß einer der vorgenannten Kategorien zertifiziert werden kann, muss es bestimmte Anforderungen erfüllen. Beispielsweise müssen für ein Cat-5-Zertifikat die folgenden Anforderungen vollständig erfüllt werden:
Wiremap Kontrolle der korrekten Verdrahtung Leitungswellenwiderstand Leitungswellenwiderstand des Kabels Dämpfung Verringerung der Amplitude Länge Länge der Übertragungsstrecke DC-Widerstand Ohmscher Widerstand NEXT (near end crosstalk) Nahübersprechen FEXT (far end crosstalk) Fernübersprechen ELFEXT (equal level far end crosstalk) Verhältnis des übersprechenden Ausgangspegels zum eigentlichen Ausgangspegel ACR (Attenuation To Crosstalk Ratio) Dämpfung-Übersprech-Verhältnis powersum NEXT Leistungssumme des Nahübersprechens powersum ELFEXT Leistungssumme der elektromagnetische Koppelung am entfernten Kabelende powersum ACR Leistungssumme des Dämpfung-Übersprech-Verhältnis Return Loss Rückflussdämpfung NVP (nominal velocity of propagation) verzögerte Signallaufzeit gegenüber der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Propagation Delay Signallaufzeit Delay Skew Signallaufzeitunterschied auf verschiedenen Aderpaaren Siehe auch
- Twisted Quad
- Registered Jack (Steckverbindernorm für Ethernet über Twisted-Pair)
- TERA (Proprietär - nicht RJ45)
- BKS (Proprietär - nicht RJ45)
- Skew Delay
- Patchkabel
- Crosskabel
- Auflegestandard
- Symmetrisches Kabel
Weblinks
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