High-Speed-Daten Steckverbinder

Das Aufkommen der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in den letzten Jahrzehnten und die Nachfrage nach einer größeren Bandbreite in den kommenden Jahren veranlassen  Ingenieure in jedem Teil des Verbindungssystems ,von  Softwareentwicklern bis zu  Anbietern von Kabelverbindungen, ihre Produkte zu optimieren und somit den neuen Anforderungen gerecht zu werden.

Die Leistung einer symmetrischen Verkabelung unterliegt einer Vielzahl von Parametern. In erster Linie sind dies: Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung (Reflexion), Nahnebensprechen (NEXT) und Fernnebensprechen (FEXT).

Die Einfügedämpfung, kurz “Dämpfung” genannt, ist die Energiemenge, die ein Signal bei der Übertragung über eine Kabelverbindung verliert. Diese Dämpfung ist hauptsächlich auf elektrische und ohmsche Verluste zurückzuführen. Die Einfügedämpfung eines Kabels hängt natürlich von seiner Länge ab – je länger das Kabel, desto höher die Einfügedämpfung. Die Einfügedämpfung entsteht auch an allen Verbindungsstellen entlang einer Kabelverbindung (d.h. in Steckern und Spleißen).

Neben der Einfügedämpfung ist die Rückflussdämpfung ein wichtiger Parameter sowohl bei Kupfer- als auch bei Glasfasersystemen. Die Rückflussdämpfung misst nicht den Verlust über eine Verbindung, sondern die von der Quelle eingespeiste Leistung im Vergleich zu der zur Quelle zurückreflektierten Leistung. Zusammengefasst ist die Rückflussdämpfung der Verlust von Signalleistung aufgrund von Signalreflexion oder -rückfluss durch eine Diskontinuität in einer Glasfaserverbindung oder eine Fehlanpassung der Impedanz der Übertragungsleitung. Diese Impedanz-Fehlanpassung kann durch ein in die Leitung eingefügtes Gerät oder durch die Abschlusslast entstehen.

Der Reflexionsverlust ist der gravierendste Faktor für den Signalverlust im Stecker, während die Einfügedämpfung der bedeutendste Faktor für den Verlust im Kabel selbst ist.

Für eine optimale Verbindungsleistung müssen sowohl die Rückflussdämpfung als auch die Einfügedämpfung optimiert und in die Berechnung des Verbindungsbudgets einbezogen werden.

Verbindungskonzepte, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ermöglichen sollen, müssen die Signalintegrität durch Unterdrückung externer abgestrahlter elektromagnetischer und hochfrequenter Störungen (EMI/RFI) gewährleisten.

Um die erfolgreiche Datenübertragung vom Sender eines Geräts zu seinem Empfänger mit hoher Geschwindigkeit zu gewährleisten, müssen Steckverbinder und Kabel optimal aufeinander abgestimmt werden. Die wichtigsten zu berücksichtigenden Einflussparameter sind: Steckverbinderdesign, Kabellänge, Kabelleistung (Dämpfung) sowie kontrollierte und wiederholbare Kabelkonfektionierungs- und Vergussprozesse für über 1 Gbit/s.

Bei der Entwicklung und Charakterisierung achten die Ingenieure daher unter anderem auf die folgenden kritischen Parameter:

• Impedanzanpassung (Verhältnis von V/I oder E/H): Wie das Konzept des Widerstands bei niedrigen Frequenzen kann das Konzept der Impedanz bei hohen Frequenzen als das Verhältnis des elektrischen Feldes zum magnetischen Feld für eine transversale elektromagnetische Welle (TEM) angesehen werden. Bei einer Kommunikationsverbindung müssen die Impedanzwerte von Quelle, Kabelverbinder und Empfänger möglichst ähnlich sein, um keinen Signalverlust durch Reflexion zu verursachen.

• Leitungsverzögerung: die Latenzzeit der Signalübertragung
• Einfügedämpfung: der Signalverlust aufgrund dielektrischer oder ohmscher Verluste
• Rückflussdämpfung: der Verlust von Signalleistung aufgrund von Signalreflexion oder Rückfluss durch eine Diskontinuität in einer Glasfaserverbindung oder einer Übertragungsleitung
• Nebensprechen: Bei manchen Kommunikationsverbindungen gibt es mehrere parallele Verbindungen, die gleichzeitig funktionieren müssen. Das Problem tritt auf, wenn das elektromagnetische Feld einer Verbindung in ein anderes Feld einkoppelt und Störungen verursacht. Zwei bekannte Parameter in diesem Zusammenhang sind das Nahnebensprechen (NEXT) und das Fernnebensprechen (FEXT)

• EMV-Abschirmung: Die Abschirmung für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist eine Möglichkeit, ein empfindliches Signal vor externen elektromagnetischen Signalen zu schützen und zu verhindern, dass elektromagnetische Störungen (EMI) oder Hochfrequenzstörungen (RFI) auf empfindliche Elektronik einwirken und umgekehrt.

Um eine hohe Übertragungsleistung zu gewährleisten, müssen alle Komponenten einer Verbindung, einschließlich der Elektronik und der Kabelanschlüsse, den einschlägigen Normen entsprechen, wobei ein Konformitätsverfahren auf Komponentenebene sehr zu empfehlen ist.

Beachten Sie, dass in vielen Szenarien die Anwendung vom normspezifischen Aufbau abweicht. In diesen Fällen müssen Sie die gesamte physikalische Ebene einer Verbindung als Ganzes untersuchen – was wir als Testen auf Systemebene bezeichnen. Dazu gehören die Durchführung von SerDes-Simulationen (Serializer/Deserializer) sowie die Erstellung von Augendiagrammen und BER-Timing-Kurven (Bitfehlerrate), um das Jitter-Budget zu analysieren.

Datenprotokolle geben die normativen Werte von Datenübertragungsparametern (Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung, Übersprechen, Rauschen) vor, um die Kompatibilität der verschiedenen Komponenten eines Systems – Sender, Empfänger, Kabel, Stecker – zu gewährleisten, damit sie ordnungsgemäß interagieren können.

Unsere Hochleistungs-Konnektivitätslösungen sind mit den meisten gängigen Datenprotokollen kompatibel: USB 2.0, USB 3.2 Gen 1 und Gen 2 bis zu 10 Gbit/s, Ethernet bis zu 10 Gbit/s und Audio/UHD Video. Wir bieten auch Single-Pair-Ethernet-Lösungen an, die Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s mit oder ohne Power over Data Line (PoDL) übertragen können, z.B. für robuste industrielle Anwendungen und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) im Bereich Verteidigung und Sicherheit.

Das Design sowohl des Steckers als auch des Kabels ist für jedes verwendete Datenprotokoll optimiert – oder für eine Kombination von Protokollen, falls Ihr Gerät eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit mehreren Protokollen benötigt.

Nach der Optimierung des Designs für ein bestimmtes Protokoll muss ein physischer Prototyp einer Steckverbinder-Kabel-Baugruppe getestet werden, um die vollständige Charakterisierung mit einem Vektor-Netzwerkanalysator zu validieren. Die S-Parameter der Kabelkonfektion werden gemessen und mit den in der Protokollspezifikation festgelegten Zielwerten verglichen. Weicht einer der Parameter ab, wird das Design so lange angepasst, bis die Kabelbaugruppe alle Protokollanforderungen erfüllt – erst dann kann das Produkt als “protokollkonform” bezeichnet werden.

Nicht alle Probleme hinsichtlich der Datenverlässlichkeit betreffen die physische Umgebung. Die Notwendigkeit, Steckverbinder und Kabel gegen äußere Einflüsse abzuschirmen, beinhaltet auch die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI). Diese Störungen können sich auf diverse empfindliche elektronische Geräte auswirken und eine Vielzahl von Problemen verursachen – von einem einfachen Rauschen auf einer Kommunikationsleitung bis hin zur vollständigen Unterbrechung eines sicherheitskritischen Signals. Die Abschirmung schützt Signale vor Störungen durch externe elektromagnetische Signale und verhindert, dass die erzeugten Signale die umgebenden Komponenten, Drähte, Kabel und Sensoren stören.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bedeutet, dass ein Schaltkreis mit einer Abschirmung versehen wurde, die solche Störungen verhindert. Der Begriff EMV-Abschirmung erstreckt sich auf jede Methode, die dazu dient, ein empfindliches Signal vor externen elektromagnetischen Signalen zu schützen bzw. zu verhindern, dass ein stärkeres Signal nach außen dringt und die umgebende Elektronik stört. Dies wird durch die Verwendung einer metallischen Abschirmung erreicht, welche die durch die Luft übertragenen elektromagnetischen Störungen wie in einem Faradayschen Käfig absorbiert.

360°-EMV-geschirmte Steckverbinder spielen daher eine wichtige Rolle bei der Signalintegrität und der sicheren, zuverlässigen und genauen Datenübertragung in elektronischen Geräten, Anlagen und Systemen in Branchen wie der Medizin-, Verteidigungs- und Luftfahrtelektronik, dem öffentlichen Personennahverkehr, der industriellen Prüf- und Messtechnik sowie in Navigations- und Fahrzeugsteuerungssystemen.

Bei der Kabelabschirmung stehen drei Typen zur Auswahl: Geflecht, Verdrillung und Folie. Die Abschirmung besteht aus einer leitfähigen Hülle, welche die isolierten Drähte im Inneren des Kabels umgibt. Sie soll verhindern, dass Rauschen, das von anderen Kabeln oder elektronischen Geräten in der Nähe ausgeht – und sogar Rauschen, das von benachbarten Drähten innerhalb eines Kabels ausgeht, wie z. B. Nebensprechen –, die Signale innerhalb des Kabels stört oder unterbricht. Sie verhindert außerdem die Abstrahlung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) aus dem Kabel heraus nach außen und vermeidet damit, dass Netzwerkkabel erkennbare, erfassbare Signale aussenden.

Für die Datensicherheit sind außerdem die Kodierung und die Datenverschlüsselung von größter Bedeutung. Die Daten werden vom Sender durch das System kodiert und müssen vom Empfänger richtig “verstanden” (oder dekodiert) werden, damit die Datenübertragung fehlerfrei erfolgen kann. Die Datenverschlüsselung stellt sicher, dass die jeweiligen Empfänger zum Zugriff auf die Informationen berechtigt sind.