| de-Special 21/2004 | |
Kabelmesstechnik |
Klare Sicht reicht nichtOptische Polymerfasern installieren, konfektionieren, abnehmen: Vieles ist anders als bei Kupfer, manches sogar einfacher. Einige Punkte, auf die man für eine erfolgreiche Installation achten muss, nennt dieser Artikel. Und zum Nachweis des Erfolgs hilft nur eins: Messen!
Die Anwendung in der Industrie kommt nicht erst durch Industrial Ethernet: POF – Polymer Optical Fiber – ist mechanisch robust und von Natur aus unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Deshalb nutzen Feldbus-Organisationen wie Sercos, Profibus und Interbus die »Plastikfaser« längst als Übertragungsmedium für schwierige Umgebungen. Datenraten bis 16 Mbit/s transportiert die POF bis zu 70 m weit. Erst dann muss man auf andere Fasertypen wie HCS – Hard Clad Silica Fiber – übergehen.
Jetzt dringt die preiswerte POF auch in Heim und Büro vor. Denn mit Datenraten von 100 Mbit/s bei einer Reichweite von rund 50 m kann sie ein ganzes Eigenheim oder eine Büroetage mit TV, Video, Multimedia (IEEE 1394b, Firewire) oder Breitband-Internet (Fast Ethernet) versorgen. Einziger Hemmschuh sind die Aktivkomponenten. Doch die sind im Kommen, bei sinkenden Preisen.
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Damit wird sich POF vom exotischen Übertragungsmedium für Spezialanwendungen zum gewöhnlichen Installationsmaterial entwickeln. Doch noch nicht jeder Elektroinstallateur ist gewohnt, mit ihr umzugehen. Was ist bei der Planung und bei der Ausführung zu beachten?
Zwei Effekte begrenzen die Reichweite der POF. Eine theoretische Grenze ist durch die Multimodenausbreitung gegeben: In dem vergleichsweise breiten Faserkern können die Lichtstrahlen sehr unterschiedlich vagabundieren und sich damit verschieden schnell ausbreiten, so dass sich die ursprünglich »sauberen« Eingangsimpulse schon nach etwa 100 m bis zur Unkenntlichkeit verformen. Je kürzer die Impulse, umso schneller stört der Effekt. Das Produkt aus möglicher Bandbreite und möglicher Länge ist weitgehend konstant und wird zur Charakterisierung einer Faser benutzt. Ein typischer Wert ist z.B. 10 MHz · 100 m.
In der Praxis der Gebäudeverkabelung ist es jedoch eher die Dämpfung, die die Reichweite begrenzt. Ein typischer POF-Dämpfungswert ist 0,16 dB pro m bei 650nm Lichtwellenlänge (Laserquelle) oder 0,23dB pro m bei 660nm, wie sie die üblichen roten LED-Quellen ausstrahlen. Geht man von einer Sendeleistung von –8 dBm (Leistung in dB, bezogen auf 1mW, gemessen am Senderstecker) und einer Empfängerempfindlichkeit von –21 dBm aus (gemessen an der Empfängerbuchse), so hat man eine Dämpfungsreserve von 13 dB und kann rein rechnerisch 56 m überbrücken.
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Das gilt jedoch für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, z.B. die direkte Verbindung zwischen einem Multimedia-Gerät mit optischer Firewire-Schnittstelle und einem PC mit optischer IEEE-1394b-Schnittstellenkarte. Bei einer strukturierten, anwendungsneutralen Gebäudeverkabelung nach EN 50173 führt der Übertragungsweg mindestens über ein Rangierfeld im Verteilerschrank (Bild 1) und zwei Anschlussdosen in der Wand (Bild 2). Und jede Steckverbindung hat eine Dämpfung in der Größenordnung von 1 ... 2,5 dB, verkürzt also die mögliche Übertragungslänge um rund 5 ... 10 m.
Um größere Entfernungen zu überwinden, kann man die Sendeleistung erhöhen. Interbus schafft es z.B. mit zusätzlichen rund 3 dB Sendeleistung auf 70 m Distanz. Allerdings gibt es nicht nur eine technische, sondern auch eine sicherheitsrelevante Grenze. Bleibt die Lichtleistung unter 1 mW und liegt das Licht im sichtbaren Bereich, so sind keine Maßnahmen für den Personenschutz nötig (Sicherheitsklasse 2 nach IEC 60825-1) – ein praktischer Vorteil, den auch der Elektroinstallateur nicht missen will.
Um ein exaktes Dämpfungsbudget aufzustellen, muss man die Systemdaten kennen, wie sie die Normen oder die Hersteller spezifizieren. Sie sind je nach Anwendung, z.B. Firewire, Ethernet oder Interbus, unterschiedlich – wenn auch nicht wesentlich, da dieselbe Sende- und Empfangstechnologie eingesetzt wird. Wenn man außerdem die POF nach dem Prinzip der anwendungsneutralen Verkabelung installieren möchte, muss man von verallgemeinerten Werten ausgehen.
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Das verfügbare Dämpfungsbudget ergibt sich aus der Differenz
D = PSender – PEmpf
| D | verfügbares Dämpfungsbudget [dB] |
| PSender | minimale Sendeleistung [dBm] |
| PEmpf | minimale Empfängerempfindlichkeit [dBm] |
Der oben beispielhaft genannte Wert von 13 dB gilt für Firewire (IEEE 1394b) und kann als ungünstigste Bedingung für Heimverkabelungen genommen werden: Wenn Firewire funktioniert, geht auch Ethernet über POF. Das Dämpfungsbudget kann man nun verteilen auf
D = l · dPOF + n · DSteck
| D | Gesamtdämpfung [dB] |
| l | Faserlänge [m] |
| dPOF | Faserdämpfung [dB/m] |
| n | Anzahl der Steckverbindungen |
| DSteck | Dämpfung einer Steckverbindung |
Mit diesem Budget muss man also auskommen. Wie beim Finanziellen muss man also darauf achten, dass keine ungeplanten »Nebenkosten« entstehen, z.B. Verluste durch zu enge Biegeradien. Aber das hat der Elektroinstallateur in der Hand. Und wie überall, ist es hier vorteilhaft, mit gewissen Reserven zu arbeiten.
Im Prinzip lässt sich POF so einfach installieren wie Kupferleitungen und mit wenigen Arbeitsgängen aufschalten (Bild 3).
Temperaturen: POF funktioniert zwar je nach Hersteller bis herab zu –20°C oder –40°C, wird aber spröde. Deshalb werden als minimale Verarbeitungstemperatur teils –5°C, teils +5°C angegeben. Zwar wird niemand bei grimmigem Frost mit Fausthandschuhen POF konfektionieren wollen. Aber auch das Einziehen sollte man lassen.
Zugbelastung: Eine POF-Doppelader verträgt kurzzeitig 100 N – genug zum Einziehen per Ziehstrumpf oder Draht. Fasern ohne innere Zugentlastung würden jedoch auf Dauer unter dieser Last »fließen« und damit ihre optischen Eigenschaften ändern. Deshalb ist langfristig nur 1 N zugelassen. Die Faser muss also nach dem Verlegen entspannt im Kabelkanal oder im Installationsrohr ruhen.
Biegeradien: Die meisten Fasern lassen sich ohne Schaden kurzzeitig auf 25 mm Radius biegen, haben aber dann eine zusätzliche Dämpfung von ca. 0,5 dB. Mehrfaches Biegen kann eine bleibende Verformung und damit eine bleibende Dämpfung verursachen. Großzügige Radien sind also vorteilhaft, damit alles Licht »um die Kurve kommt«.
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Faserendflächen: Auf die Dämpfung der Steckverbindung hat der Elektroinstallateur entscheidenden Einfluss. Einerseits hängt sie von der Wahl der Steckertypen ab. Präzisionssteckverbindungen, die einen direkten physikalischen Kontakt der beiden Faserenden herstellen, also ohne einen Luftspalt zu lassen, erreichen auch bei wiederholtem Stecken vergleichbare, niedrige Dämpfungswerte. Andererseits hat die Bearbeitung und Behandlung der Faserendflächen bei der Konfektionierung wesentlichen Einfluss auf das Übertragungsverhalten. Schleifen und Polieren (Bild 4) führt i.A. zu besseren Resultaten als die Hot-Plate-Methode, bei der die Faserenden auf eine erhitzte, spiegelglatte Platte gedrückt werden. Mit gut polierten Endflächen lassen sich Dämpfungswerte von deutlich unter 1 dB erreichen.
Um die grobe Funktion einer POF-Installation festzustellen, reicht im Prinzip eine Taschenlampe. Diese Art der Durchgangsprüfung »auf Sicht« ist einfacher, als Kupferleitungen »durchzuklingeln«! Ob man das errechnete Dämpfungsbudget einhält, kann man damit nicht prüfen. Hier hilft nur messen. Aber wie?
Man benötigt einen optischen Sender (stabilisierte Lichtquelle), einen optischen Leistungspegelmesser (Bild 5) und zwei Referenzkabel. Zunächst werden Sender und Pegelmesser über die beiden Referenzkabel miteinander verbunden und eingeschaltet (Bild 6 oben). Am Pegelmesser liest man den Pegel ab und notiert ihn – oder speichert ihn – als Referenzwert. Jetzt schaltet man die Installationsstrecke dazwischen und liest wieder ab (Bild 6 unten). Die Differenz ist die Streckendämpfung. Messgeräte mit Referenzwertspeicherung zeigen sie direkt in dB.
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Dieses Verfahren entspricht der Methode 1 der EN 61280-4-1, die im Mai 2004 ratifiziert wurde (Prüfverfahren für Lichtwellenleiter-Kommunikationsuntersysteme – Teil 4-1: Lichtwellenleiter-Kabelanlagen – Dämpfungsmessung in Mehrmoden-LWL-Kabelanlagen). Sie wird dort als »two-jumper reference« bezeichnet, weil zwei Referenzkabel benötigt werden. Streckenmessungen mit einem Referenzkabel sind i.d.R. nicht möglich, weil man das Messgerät nicht direkt mit der Anschlussbuchse in der Wand oder im Verteilerfeld verbinden kann.
Bei der Referenzmessung wurde also eine Steckverbindung mitgemessen und »herausreferenziert«. Das Messergebnis repräsentiert damit nicht die echte Channel-Dämpfung – wenn man die Begriffe aus der Kupfer-LAN-Verkabelung auf die optische Installation überträgt – sondern einen zu geringen Wert. Nach den meisten Prüfvorschriften soll man deshalb rechnerisch eine Dämpfung von 1,5 dB hinzuschlagen. Eine andere Möglichkeit ist jedoch, bei der Streckenmessung einfach ein zusätzliches Patchkabel in den Übertragungsweg einzufügen. Weil die Dämpfung der Steckverbindungen in der Regel unter 1,5 dB liegt, ist der Messwert günstiger und trotzdem realistisch.
Eine letzte Verantwortung liegt ohnehin beim Benutzer, der seine optischen Steckverbindungen rein halten und pfleglich behandeln muss. Die Messung gibt jedoch dem Elektroinstallateur wie dem Auftraggeber die Gewissheit, dass die Installation ordnungsgemäß ausgeführt wurde und funktionstauglich ist.
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