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Symmetrisches Kupferkabel / Telefonkabel

Das Telefonkabel ist ein symmetrisches Kupferkabel, auf dem die Telefonverbindungen übertragen werden.
In den symmetrischen Kupferkabeln werden je zwei Kupferadern zu Paaren verseilt. Oft werden auch je zwei Paare zu einem Sternvierer verseilt.
Es gibt auch die Variante, bei der je vier Adern miteinander verdrillt werden und somit zwei kreuzförmig verseilte Doppeladern bilden.
Durch das Verdrillen der Adernpaare heben sich Beeinflussungen durch äußere Felder größtenteils gegenseitig auf. Zusätzlich reduzieren unterschiedliche Schlaglängen der Adernpaare das Übersprechen zwischen benachbarten Adernpaaren im selben Kabel.
In der Regel bietet ein elektrisch leitender Schirm, in Form einer Aluminiumfolie und/oder einem Metallgeflecht, zusätzlichen Schutz gegen störende äußere elektromagnetische Felder.

Heute werden entsprechende Kabel für alle Arten der Signalübertragung bevorzugt eingesetzt. In der Netzwerktechnik werden sie als Twisted-Pair-Kabel (TP-Kabel) bezeichnet. Twisted-Pair ist die englische Bezeichnung für ein symmetrisches Kabel, das an gekreuzten bzw. verdrillten Adernpaaren zu erkennen ist.

Ersatzschaltung eines symmetrischen Kupferkabels

Ersatzschaltbild einer Homogenen Leitungen

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, was man eigentlich nicht möchte. Zusätzlich werden die elektrischen Eigenschaften durch die Leitungskonstruktion beeinflusst (Verseilungsart, Feuchtigkeit, etc.).

Theorie des symmetrischen Kupferkabels

Theorie des symmetrischen Kupferkabels

Die Bezeichnung symmetrisches Kabel bezieht sich auf die elektrischen Eigenschaften des Kabels. In das Kabel werden gleiche Signale mit gegensätzlicher Polarität eingespeist. Man bezeichnet das als differenzielle Signalübertragung. Das heißt, auf der einen Ader wird das Signal positiv übertragen und auf der anderen Ader das selbe Signal negativ bzw. invertiert übertragen. Im Idealfall heben sich die symmetrischen Amplituden rechnerisch auf. Der Potentialunterschied zur Bezugserde beträgt 0 Volt.
Die meisten Störspannungen sind asymmetrisch und haben wegen der Gleichtaktunterdrückung keinen Einfluss auf die symmetrischen Signalleitungen.

In der Praxis variiert die verbleibende Störspannung je nach Übertragungstechnik um 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. Insgesamt also 4 Adern oder 2 Doppeladern, wie es der Fachmann ausdrückt. Das gilt beispielsweise für ISDN oder Ethernet. Andere Systeme arbeiten auf nur einer Doppelader (2 Adern = 1 Adernpaar) und verfügen über einen Halb-Duplex-Betrieb, bei dem zwischen den zwei Übertragungsrichtungen abgewechselt wird.

Probleme bei der Übertragung auf dem Kupferkabel

Die Hauptprobleme, mit denen Übertragungstechniken auf Kupferkabel zu kämpfen haben:

Diese Effekte werden durch das Verdrillen der Adernpaare teilweise aufgehoben. Doch gerade bei steigender Frequenz nehmen sie wieder zu. Da helfen auch keine hochwertigen Leitungen. Deshalb müssen die Übertragungstechniken Mechanismen haben, die negative Effekte auf die Signalqualität 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 abgeben und auch aufnehmen. Man bezeichnet das 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. Hier muss man das Kabel mit einem Gesamtschirm und zusätzlich einer Adernpaarschirmung versehen.

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 höheren 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.

Übersicht: Leitungen und Kabel

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