Das Problem: Microfonkabel sich nicht zur Übertragung von DMX512 eignen. Dabei fängt man sich auch gleich einen "Konter" ein, indem der Kollege hingeht, mehrere Geräte zusammensteckt und dann zufrieden sagt "geht doch", außerdem warum sonst sind meine Geräte (Low-cost) mit dem dreipoligen XLR-Steckverbinder ausgestattet". Jetzt nicht aus der Ruhe bringen lassen und mit folgenden Argumente das "Reh" plazieren.

Digitalsignal ungleich Tonsignal
Damit ein Empfänger ein Digitalsignal richtig interpretieren kann, sind folgende Definitionen zu beachten. Die Anstiegszeit tr (Risetime) bestimmt die Zeit, in der die Spannung von 10% auf 90% der Gesammtamplitude (100%) ansteigt - bereits bekannt durch die Definition von Filtergüten bei Dimmern. Ab 100% beginnt die Dachschräge wobei ein Überschwingen auftreten kann. Die Abfallzeit tf (Falltime) ist ebenfalls in den Grenzen 10% bis 90% definiert. Um die Impulsbreite zu definieren, also die Zeit wie breit ein Bit ist (z.B. 4 µsek bei DMX 512) wird zwischen den 50% Werten der Gesamtamplitude bestimmt. Nun muss man der Zeitspanne von 0% bis 10% bis die Risetime beginnt einen Namen geben wie td (Delaytime) und am Ende des Bits natürlich den Zeitabschnitt zwischen 100% und 90% als ts (Storage time).

Kenngrößen von Realen Impulsen

Nun obliegt es dem Empfänger bzw. der Definition des Protokolls innerhalb welchen Grenzen die Verfälschung des Signales durch die Leitung noch toleriert werden. So kann es durchaus sein, das ein Endgerät eines Herstellers am Rande der Übertragungskette das Protokoll noch einwandfrei lesen kann, da der Empfangsbaustein größere Tolleranzen richtig interpretiert, währen ein Gerät eines anderen Herstellers, obwohl im gleichen Netzwerk das andere Gerät ersetzt hat, die Abweichungen als andere Bitwerte interpretieren kann, und somit Bitfolgen fehlerhaft verstanden werden und so zu Kommunikationsabbrüchen führen kann. Weiter ist zu bedenken das wenn bei der Digitaltechnik von Übertragungen von z.B. 10 MBit/sek. die Rede ist, eine weit höhere Frequenz durch die Leitung übertragen werden muss, da die Rechteckform des Bits, gemäß Fouriertransformationen sich aus vielen Oberwellen und einer Grundschwingung zusammenaddiert. Somit müssen weit höhere Frequenzen übertragen werden, damit die Rechteckform des Digitalsignals möglichst aufrecht erhalten wird.


Ein Rechtecksignal (Digitalsignal) setzt sich aus vielen höheren Oberwellen zusammen.

Damit noch nicht genug, selbst der Codeaufbau kann Einfluss auf die Übertragungsfrequenz haben. Man unterscheidet zwischen NRZ-Code (Non Return to Zero) und RZ-Code (Return to Zero), CMI-Code (Coded mark Inversion), CD-Code (Conditioned Diphase Code) oder AMI-Code (Alternate Mark Inversion). Beim NRZ-Code, werden die Bits seriell so übertragen wie wir es vom DMX-Signal bereits kennen. Damit können mehrere Logische "Einsen" mit High Signal hintereinander stehen, wodurch ein Gleichspannungsanteil in der Übertragung anwächst. Weiterhin fehlt bei der Puls-Decodierung jegliche Taktinformation. Deshalb benötigt man bei diesem Codeverfahren bei einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s eine Bandbreite von 20 MHz. Bei Return to Zero Verfahren dagegen wird jede "Eins" mit einem Highlevel und einem Lowlevelsignal dargestellt. Somit läßt sich bei Übertragung vieler Einsen hintereinander die Taktfrequenz erkennen. Bei Übertragung bei Nullen hingegen nicht. Dies kann man mit einem Signal mit Positiven und Negativen Leveln begegnen, indem eine Null als Folge von Lowlevel Highlevel gesendet wird, und eine Eins als Highlivel positiv und die nächste eins als Highlevel negativ, wobei das Highlevelsignal einer Eins doppelt so lang ist wie das Highlevelsignal einer Null. Somit werden auch Gleichspannungsanteile vermieden. Die weiteren Verfahren sind Varianten, jedoch bleibt festzuhalten das z.B. für eine Übertragung mit dem RZ-Code bei 10 Mbit/s nur eine Bandbreite von nur 10 MHz benötigt wird.


a) NRZ-Code mit T = Bitlänge
b) AMI-Code

Kabel
Grundsätzlich ist ein Kupferkabel ein reelles Bauteil und weist damit endliche Parameter auf. Man kann deshalb ein Ersatzschaltbild für eine Leitung erstellen, dessen Parameter von den realen Beschaffenheit abhängig sind.

a) Kabel als Ideale Verbindungsleitung
b) Übertragungsmodell
c) Beispiel Ersatzschaltbild eines Kabels

Nimmt man ein Kabel, so besteht der Wirkwiderstand vom Leitermaterial wie z.B. Kupfer, vom Querschnitt des Leiters und natürlich von der Länge. So stellt der Widerstand (R1) den Leitungswiderstand des Kabels dar, die Induktivität (L) ist das Magnetfeld das jeder Leiter um sich aufbaut wenn ein Strom fließt, die Kapazität (C), die sich die über lange Strecke nebeneinander liegenden Kabel bildet, und zuletzt noch das Isolationsmaterial (G/R, bzw. Ri). Die primären Kenngrößen des Kabels sind also von der Leitungslänge anhängig. Damit man diese Parameter zur Berechnung oder Vergleich heranziehen kann, werden sie auf eine Kabellänge von 1000 m festgelegt. Man spricht dann statt von Widerstand von Wiederstandsbelag, analog dazu von Induktivitätsbelag, Ableitungsbelag und Kapazitätsbelag, mit den Einheiten Ohm/km, Henry/Km, Siemens/Km und Farad/Km. Statt dem Gleichstromwiderstand einer Ader kann bei paarig verseilten Adern auch mit Schleifenwiderstand angegeben werden. Der Schleifenwiderstand setzt sich aus Hin und Rückleitungswiderstand zusammen.


Wird ein reelles Kabel mit einem Digitalsignal gespeißt, so folgt nach Beschaffenheit des Kabels eine abweichende Kurvenform am Ausgang.

Betrachtet man sich das Ersatzschaltbild, so wird deutlich das eine Induktivität in Längsrichtung und eine Kapazität zwischen den Leitern angeordnet ist. Da der Induktive Widerstand mit zunehmender Frequenz immer größer wird und gleichzeitig der kapazitive Widerstand bei zunehmender Frequenz immer kleiner wird bzw. bei sehr hohen Frequenzen einem Kurzschluss gleichkommt, geht aus der Schaltung deutlich hervor, dass es sich um ein Tiefpass 2. Ordnung handelt, also einen Filter der hohe Frequenzen effektiv abblockt. Durch Einsatz kapazitätsarmer Leitungen kann die Dämpfung erheblich reduziert werden bzw. Mit gutem kapazitätsarmem Kabel lassen sich erheblich längere Reichweiten erzielen, als es mit Standardkabeln möglich ist.

Obere Grenzfrequenz durch LC-Tiefpasscharakteristik eines Kabels

Bei niedrigen Frequenzen gelten die soeben getroffene Definition wie z.B. innerhalb einer Tonübertragung also unseren eingesetzten Microfonkabeln. Müssen wir jedoch größere Bandbreiten übertragen wie bei vielen Digitalprotokollen erforderlich ist, sind noch weitere Parameter von Bedeutung.

Wellenwiderstand
Idealer Weise geht man davon aus, das wenn man am Anfang eines Kabels Spannung anliegt, diese auch sofort am Ende der Leitung vorhanden ist. Jedoch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit sehr wohl endlich. So benötigt der Strom der am Anfang der Leitung einfließt, bei einem 100 Meter langen Kabel selbst bei Lichtgeschwindigkeit einen Zeitraum von 33 Nanosekunden bis dort am Ende ein Stromfluss registriert wird. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeit die in jedem Kabeltyp anders ausfällt zu definieren, hat man den Begriff der Phasengeschwindigkeit NVP (Nominal Velocity of Propagation) eingeführt. Damit wird das Verhältnis der Laufgeschwindigkeit im Kabel zur Lichtgeschwindigkeit in % ausgedrückt.
Wenn nun am Leitungsanfang eine Spannungsquelle eingeschaltet wird, dann soll ein Strom Fließen gemäß U= I*R. Jedoch wie hoch wird der Strom I sein, wenn die Weiterleitung noch über 33 Nanosekunden dauert um dann auf den eigentlichen Lastwiderstand zu treffen, dessen Wert ja für die Stromhöhe ausschlaggebend ist. So bleibt der Spannungsquelle zunächst nichts anderes übrig als so viel Strom in die Leitung zu schicken, wie es den ersten Anschein an Widerstandswert an dem Leitungsbeginn anliegt. Diese eingespeißte Energie wird von den L und C Anteilen der Leitung als Energiespeicher weitergeleitet und bilden für die angenommene Energiemenge den komplexen Widerstand der Leitung der aus den C und L Komponenten hervorgerufen wird und gemäß dem Eindringen der Stromwelle als Wellenwiderstand (Z) genannt wird. Erreicht nun die Stromwelle den realen Widerstand am Ende der Leitung, und ist dieser Widerstand gleich groß wie der Wellenwiderstand Z, dann wurde von der Leitung genau so viel Strom von der Quelle aufgenommen wie auch der Verbraucher benötigt. Ist dies nicht der Fall, also der Widerstand des Endgerätes ist größer als Z, dann wurde zuviel Energie in die Leitung eingespeißt. Diese Energie wird dann am zu hohen Lastwiderstand einfach zurückgesendet, sprich reflektiert. Der reflektierte Überschuss fließt zurück, sodass sich auf der Leitung ein Strom einstellt der der angeschlossenen Last entspricht. Diese Reflexionen führen zu Impulsverzerrungen und können zu fehlerhaften Übertragungen führen. Deshalb soll die Ausgangs und Eingangsimpedanz der am Kabel angeschlossenen Geräte dem Wellenwiderstand entsprechen (angepassen), damit keine Reflexionen auftreten. Die Wellenwiderstände von sysmetrischen Kabeln für die Nachrichtentechnik sind in EN 50713 genormt, dabei hat sich bei symetrischen geschirmten und ungeschirmten Kabel 100 Ohm durchgesetzt.

Bei langen Leitungen wird ein Teil des Wechselstromes über die verteilte Kapazität kurzgeschlossen, so dass nur ein Bruchteil der Leistung am Verbraucher ankommt. Wenn nur noch 10% der Spannung beim Verbraucher ankommt, was ca. 1/100tel der ursprünglichen Leistung entspricht, wirkt sich der Widerstand am Ende der Leitung nicht mehr aus. Somit ist es dann unerheblich ob am Signalkabelende ein Leerlauf, Abschlusswiderstand oder Kurzschluss herrscht. Der Wellenwiderstand ist dann gleich den Eingangswiderstand einer "unendlich" langen Leitung.


a) Feldverteilung einer drahtgebundenen Wellenausbreitung
b) Wellenwiderstand abhängig von der Frequenz. Bei Frequenzen ab ca. 2 MHz geht der Imaginäranteil gegen Null. Der Abstand zwischen zwei gleichen Strom bzw. Spannungswerten wird Wellenlänge Lampta genannt.

Einfluss des Busabschlusswiderstand auf die Übertragungsstrecke.

Koaxialkabel
Während Normale Leitungen die Adern nebeneinander führen, schließt bei einer Koaxialleitung die zweite Leitung die erste Leitung ein. Also befindet sich die eine Leitung im Innern der anderen Leitung. So gesehen ist die Leitung Koaxial angeordnet.


Koaxialer Aufbau, innenliegender Leiter mit viel Abstand zur umgebenden Ader - Schirmung

In der Veranstaltungstechnik findet man das Koaxialkabel nicht nur um Fernseher mit Signalen zu versorgen, sondern auch um kleine Netzwerke von Lichtstellanlagen aufzubauen. Diese Netzwerke basieren meist auch auf Ethernet und werden Ihrer Einfachheit und kostengünstigen Weise auch Thin-Ethernet genannt. Dabei wird der Bus zur Vermeidung von Störungen mit einem 50 Ohm Bus-Abschlusswiderstand versehen. Das Koaxialkabel stand zu Beginn des Ethernets weit vorne, denn es nutzte aufgrund seiner Geometrie einen Effekt der bei sehr hohen Frequenzen auftritt aus.


Netzwerkkarte wird mit einem T-Verbindungsstück in den Strang geschaltet. Die Steckverbinder sind als BNC-Steckverbinder (Bayonet-Neill-Concelmann) bekannt.

Um zwei Lichtstellanlagen zu vernetzen, kann man auf das einfache Thin-Ethernet zurückgreifen welches mit dem Koaxialkabel die Physikalische Verbindung herstellt. Vorteil bei Thin-Ethernet ist, dass dort im Gegensatz zum später behandelten Twisted Pair Ethernet keine Zusätzliche Komponenten wie einen Hub oder Switch benötigt wird und aufgrund der einfachen Verkabelung auch sehr wenig Verdrahtungsfehler vorkommen. Typische Anwendung sind z.B. Havariekonfigurationen oder die Nutzung eines gemeinsamen Druckers und natürlich Funktionstests. Das hierfür eingesetzte Koaxialkabel wird als Typ RG-58, Thinnet-Kabel, 10 Base-2-Kabel, Cheapernet oder Thin-Ethernet-Kabel bezeichnet. Da inzwischen viele große Lichtstellanlagen auf der Basis von PC-kompatiblen Motherboards arbeiten, finden dort auch übliche Netzwerkkarten ihren Einsatz. Vor noch nicht allzulanger Zeit war es üblich beide Anschlüsse BNC und RJ45 auf einer Karte für beide Netztypen bereitzuhalten. So sind auch heute viele Lichtstellanlagen noch mit der BNC-Steckverbinder versehen um ein Thin-Ethernet aufzubauen:


Lichtstellwerk mit Netzwerkanschluss für Thin-Ethernet, AUI kennzeichnet den Anschluss für ein Thick-Ethernet-Transiver.

Hiermit lassen sich kleine Peer to Peer Netzwerke aufbauen, bei denen die Stationen gleichberechtigt sind. Jedoch empfiehlt es sich nicht mehr als 10 Stationen einzusetzen, da sonst das Datenvolumen die Anlage ausbremst. Mit der Umwandlung in ein Serverbasierenden System kann dagegen die Performance gesteigert werden, da hier die Resourchenfreigabe und Datensicherung zentralisiert erfolgen kann.


Thin-Ethernet Netzwerk

Das Thin Ethernet weist folgende Merkmale auf:

Vollständigerhalber sei hier nur kurz der Begriff Thick-Ethernet bzw. 10 Base-5 erwähnt, was aber in der Veranstaltungstechnik sich nicht etablieren konnte. Um Mehr Stationen am Netz zu betreiben und noch größere Entfernungen zu überbrücken hat man das Thick-Ethernet entwickelt. Um die Signale unverstärkt über größere Entfernungen zu übermitteln, wird ein Koaxialkabel eingesetz dessen innenleiter einen noch größeren Abstand zum Umgebenden Leiter aufweist. Dieses meist in gelb gehaltene Kabel ist relativ star und schwer zu verlegen. Weiterhin können nicht einfache passive T-Stücke zur Anbindung einer Station verwendet werrden, sondern aktive Transiver, woduch zudem noch spezielle Netzwerkkarten hinzukommen. Auf dem obrigen Bild erkennen Wir den Anschluss für den Transiver mit AUI gekennzeichnet.

Twisted-Pair-Kabel
Der Name Twisted Pair beschreibt den Kabelaufbau. Es wird immer ein Kabelparr ineinander verdrillt. Erst durch das Verdrillen wird die für die Übertragungtechnik benötigte Störfestigkeit erreicht. Denn wenn Leitungen dich nebeneinander geführt werden, dann entsteht ein sogenanntes Übersprechen. Das Bedeutet, das dass Magnetfeld das durch den Stromfluss erzeugt wird, ein benachtbarten Leiter durchdringt und dort ebenfalls einen Stromfluss induziert. Man spricht dann von Induktiven Übersprechen. Diese Art des Übersprechen läßt sich verrringern, indem die Einzeldrähte eines Leiterparres dicht aneinandergelegt und verdrillt werden. Durch das Verdrillen ist einmal die Hinleitung und einmal die Rückleitung nahe der benachbarten Leitung. Die Stromrichtungen sind dabei jeweils umgekehrt und somit heben sich die Magnetfelder über die Strecke gesehen wieder auf.

a) Einfach parralellliegende Kabel eignen sich zur Leistungübertragung aber nicht zur Übertragung schnellerer Signale.

b) Kompensation Magnetischen Einfluss durch Verdrillen

Wirkung des Verdrillen der Leitung

Die Twisted Pair Kabel bestehen oft aus 4 oder 6 verdrillten Paaren und werden in Kurzform auch TP-Kabel genannt. Nun Kann man diese gedrillten Kabel auch noch mit einem Schirm versehen. Dieser Schirm kann das gesamte Kabel umfassen, oder auch die einzelnen Paare separat. So ergeben sich folgende Definitionen von Datenübertragungskabeln:

Aufgrund der Übertragungseigenschaften werden die Kabel in bestimmte Kategorien eingeteilt. Die einzelnen Kategorien spezifizieren bestimmte Übertragungseigenschaften der TP-Kabel, wie die Impedanz, die Bandbreite, die Dämpfung und das Übersprechen.

Wird ein Netzwerk mit verdrillten Kabeln als physikalische Verbindung sternförmig aufgebaut, spricht man von einem Twisted-Pair-Ethernet. Dies ist die zur Zeit gängigste Art in der Beleuchtungstechnik ein Ethernet-Netzwerk aufzubauen. Dabei ist der Einsatz mit einem Hub oder Switch charakteristisch. Ein Hub kann dabei Passiv oder aktiv sein. Ein Aktiver Hub erfüllt zusätzlich noch eine Boosterfunktion und wird in der Datentechnik auch als Konzentrator bezeichnet. Als Steckverbinder werden RJ 45 Steckverbinder eingesetzt. (Registered Jack = genormter Stecker). Die Geräte werden mit Straight-Kabel über einen Hub miteinander verbunden. Möchte man nur zwei Geräte ohne einen Hub verbinden, dann kann man dies mit einem Crossover-Kabel versuchen. Dabei ist das Sender-Adernparr 1 und 2 mit dem Empfängeradernparr 3 und 6 verbunden, während bei dem 1:1 Kabel (Straight) das Sender-Kabelparr 3 und 6 mit dem Empfängeradernparr 3 und 6 verbunden ist.

Netzwerkkarte eines Lichtstellpultes wird über RJ45 Steckverbinder und einem CAT 5 Kabel über einem Hub zu weiteren Geräten angeschlossen.


RJ 45 Steckverbinder


Nachrüsten mit einer 100 MHz Netzwerkkarte um für heutige Ansprüche gewappnet zu sein. Roadtauglichkeit durch Ethercon Steckverbinder (RJ45 Steckverbinder wird im XLR-Gehäuse integriert).

Weitere Grundlagenartikel und intressante Produkttests finden Sie in den Fachzeitschriften der Production Partner.

Vielen Dank für Ihr Intresse
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