Datenübertragung

Sicherstellung der Signalintegrität für mehr Datenübertragung – schnell und zuverlässig

Mit der Zunahme von Multi-Source-Sensorik, dem Internet der Dinge, Industrie 4.0 und neuen vernetzten Gesamtsystemen müssen immer mehr Daten schnell, zuverlässig und sicher übertragen werden.

Die Sicherstellung der Signalintegrität durch die Erfüllung der Anforderungen an die Datenzuverlässigkeit und -geschwindigkeit ist entscheidend für Ingenieure, die datenintensive Anwendungen entwickeln und vernetzen, welche auf konstante Ströme akkurater Daten angewiesen sind. Vor allem bei hohen Bitraten und über große Entfernungen können Effekte wie Rauschen, Verzerrungen, Einfüge-/Rückkopplungsverluste und Nebensprechen die elektrischen Signale so stark beeinträchtigen, dass Fehler auftreten und ein Gerät oder System ausfällt.

 

Beim Vermeiden solcher Risiken ist die Leistung des Steckverbinders nur ein Teil der Gleichung. Die Qualität und Leistung des Kabels selbst, die Schnittstelle zwischen der Steckverbinder-Verkabelung und den angeschlossenen Geräten sowie die Qualität von Sender und Empfänger sind weitere Schlüsselfaktoren für eine fehlerfreie Datenübertragung.

 

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 dielektrische 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 Dämpfung (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.

Unsere Lösungen

Was wir meinen, wenn wir von ‘Sicherstellung der Signalintegrität’ sprechen

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Signalintegrität

Übertragungsmedien

Datenprotokolle

Datensicherheit

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Signalintegrität

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.

Die Fischer MiniMax™ Series mit 9 Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit einem einzigen Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.

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.
Stecker mit optimierter Impedanz. Zur Optimierung der Impedanzanpassung werden Faktoren wie der Kontaktdurchmesser, der Abstand zwischen den Kontakten, der Kontaktformfaktor und die Art der Materialien für alle Komponenten berücksichtigt. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Unterschiede zwischen einem Steckverbinder ohne und einem mit Designoptimierung für die Impedanzanpassung.
  • 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)
Vermeidung von Nebensprechen. Um das Nebensprechen zu minimieren, sind sowohl die Lage der Stifte als auch die Zuordnung der Signale zum Stiftlayout entscheidend. In den Abbildungen 3 und 4 werden zwei Fälle von Nebensprechen mit unterschiedlicher Signalzuordnung im selben Steckverbinder verglichen.
  • 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.

Übertragungsmedien

Zu den physikalischen Medien, über die Datenströme übertragen werden, gehören Kupferkabel (die gebräuchlichsten sind verdrillte Paare (Twisted Pair) und Koaxialkabel) und Glasfaserkabel.

 

Kupfer ist ein weit verbreitetes Medium, das die Übertragung von Strom und Daten in ein und demselben Kabel erlaubt und sich eher für kurze Entfernungen eignet. Unser Kupferkabel-Produktportfolio umfasst eine große Auswahl an Niederspannungs-, Hochspannungs-, Koax-, Triax- und Hybrid-Kontakttypen.

 

Glasfaserkabel erlauben die Übertragung über größere Entfernungen und mit höheren Bandbreiten als elektrische Kabel. Über Glasfaser werden Signale mit geringerer Dämpfung übertragen als über Metalldrähte. Außerdem ist Glasfaser unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen – gegenüber Kupfer als Übertragungsmedium ist dies ein entscheidender Vorteil für EMI-empfindliche Anwendungen.

 

Eine besondere Herausforderung bei Übertragungen über Glasfaser ist die Verbindung zwischen zwei Fasern. Hierfür gibt es mehrere Lösungen, unter anderem:

  • Die Stoßverbindung, die wir bei unseren Glasfaserprodukten anbieten: Stoßverbindungen liefern eine hohe optische Leistung aufgrund Ihrer Eigenschaft, speziell vorbereitete Enden zweier Fasern in sehr engen physischen Kontakt zu bringen
  • Expanded-Beam-Produkte, die eine Linse vor der Faser verwenden, um das aus der Faser austretende Licht zu bündeln, wobei Staub, Schmutz und andere Verunreinigungen auf der Faserendfläche toleriert werden; diese Lösung bietet jedoch eine geringere optische Leistung als die Stoßverbindung

Verluste durch Einfüge- und Rückflussdämpfung können durch zwei erweiterte Methoden zum Polieren der Ferrulen bei Steckverbindern mit Glasfaser-Stoßverbindungen weiter reduziert werden:

  • Die UPC-Polierung (Ultra Physical Contact) mit einer feineren Faseroberfläche ist ideal zur Verringerung der Einfügedämpfung und kann zur Verringerung der Rückreflexion (Rückflussdämpfung) auf bis zu -50 dB oder mehr beitragen.
  • Die APC-Polierung (Angled Physical Contact) die in einem Winkel von 8 Grad durchgeführt wird, eignet sich besonders für hochpräzise Anwendungen, die sehr empfindlich auf Rückflussdämpfung reagieren, da sie das reflektierte Licht in der Ummantelung austreten lässt und so die Rückreflexion auf -60 dB oder mehr reduziert.

Glasfaserleitungen sind als Multimode– oder Singlemode-Fasern erhältlich. Erstere eignet sich nachweislich besser für Fernanwendungen, letztere für kurze Distanzen. In Bezug auf die Gesamtkosten ist die Multimode-Technologie überlegen, da sie weniger teure Sender und Empfänger erfordert.

Glasfaserleitungen können nicht nur große Datenmengen über große Entfernungen übertragen, sondern eignen sich auch hervorragend für sensorische Anwendungen. Da die physikalischen Eigenschaften des in die Faser eintretenden Lichts durch Dehnung, Temperatur oder Schall beeinflusst werden können, erfassen faseroptische Sensoren alle wichtigen Informationen über Betriebsumgebungen, z. B. in der Öl- und Gasindustrie. Die in der faseroptischen Sensorik verwendeten Technologien ermöglichen sowohl lokale Messpunkte als auch verteilte Messungen entlang der gesamten Faser.

Datenprotokolle

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.

 

Zu den typischen Protokollen gehören Ethernet, USB, SDI, DP sowie das Standardprotokoll für die simultane Übertragung von Audio und Video. Das Protokoll definiert die Anzahl der Kontakte für jeden Steckverbinder, z. B. 4 Kontakte für USB 2.0, 9 für USB 3.0, 8 für Ethernet Cat 5e (1 Gbit/s) und 19 für das Standard-Audio/Video-Protokoll. Zur Reduzierung von Interferenzen sind besondere konstruktive Vorgaben für die Stiftkonfiguration des Steckverbinders sowie spezielle Materialien sowohl für den Steckverbinder als auch für das Kabel erforderlich.

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 sowie das Standard-Audio/Video-Protokoll. 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.

 

Unter Umständen lässt sich ein komplexes System nicht mit einem einzigen Protokoll konfigurieren. In diesem Fall besteht die Lösung darin, einen Protokolladapter oder einen Transceiver zu verwenden, der ein bestimmtes Protokoll in ein anderes umwandeln kann, ohne das Signal zu beeinträchtigen.

Single Pair Ethernet beschreibt die Übertragung von Ethernet über ein einziges Paar verdrillter Kupferdrähte. Neben der Datenübertragung über Ethernet ermöglicht SPE auch eine parallele Stromversorgung von Endgeräten über Power over Data Line (PoDL). Ohne die SPE-Technologie werden dafür zwei Leitungspaare für Fast Ethernet (100 MB) und vier Leitungspaare für Gigabit Ethernet benötigt. Neben der Platz- und Gewichtsersparnis durch weniger Kabel bietet SPE eine Übertragungsrate von 10 GBit/s. In Kombination mit miniaturisierten Steckverbindern ist SPE eine Netzwerktechnologie mit revolutionärem Potenzial für das Internet der Dinge (IoT), das industrielle IoT (IIoT) und Industrie 4.0-Systeme, mit deren Hilfe Ingenieure Verbindungslösungen mit hoher Dichte und hoher Geschwindigkeit entwickeln können, die einfach zu integrieren und zu installieren sind.

Datensicherheit

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.

 

Electromagnetic compatibility (EMC) means that a circuit has been designed with a shield that prevents such disruptions. EMC shielding refers to any method used to protect a sensitive signal from external electromagnetic signals, or to prevent a stronger signal from leaking out and interfering with surrounding electronics. This is achieved by using a metallic screen that absorbs the electromagnetic interference transmitted through the air like in a Faraday cage.

 

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.

Das CERN vertraut auf die 360°-EMV-geschirmte Fischer Core Series Brass für wesentliche Verbindungsaufgaben in Messgeräten, Vakuumpumpen und Kammern für Überwachungs- und Sicherheitsgeräte. Diese Serie eignet sich besonders zur Vermeidung elektromagnetischer Interferenzen und hält extremen Temperaturschwankungen stand.

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