Wichtig ist zu wissen, dass die digitale „0“ und „1“ in einer analogen Technik per Hochfrequenz (HF) übertragen werden. Dabei wertet ein Controller die unterschiedliche Spannungszustände aus. Es gibt es verschiedene Standards. Ein Cat5-Kabel überträgt die Daten mit einer Frequenz von bis zu 100MHz und schafft damit maximal eine Rate von 100Mbps. Ein CAT6a-Kabel überträgt bis 500MHz mit einem maximalen Durchsatz von 10Gbps. Diese Signale lassen sich natürlich über ein Oszilloskop messen.
Eye pattern Diagramm
Das Eye pattern oder Augenmusterdiagramm lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Signals zu. Dabei wird über ein Oszilloskop die Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen zu einem zusammengesetzten Bild erstellt. Im Bild unten wird auf der Ordinate (y-Achse vertikal „Voltage“) der Spannungszustand definiert, ab dem eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal „Time“) ist der Zeitverlauf angegeben. Über die Spannungszustände und dem Zeitverlauf ergibt sich so zum Beispiel eine Bitsequenz von 011 (Gelb).
Während die Latenz eine feste Zeit zwischen zwei Ereignissen definiert, beschreibt Jitter die Schwankungen innerhalb dieser Zeit. Diese Schwankungen können im Eye pattern Diagramm an den Schnittstellen der aufeinanderfolgender Wellenformen gemessen werden.
Wenn sich über die verschiedenen Bitsequenzen auf dem Oszilloskop in der Mitte ein großes Auge erkennen lässt, ist die Signalqualität in Ordnung. Störungen in den Spannungsverläufen, zum Beispiel Verschiebungen durch Jitter oder eine zu geringe Steilheit in den Flanken können zu Fehlinterpretationen der Bitsequenzen führen. Durch die Prüfsummen wird das fehlerhafte Datenpaket zwar erkannt, aber wenn das zu oft passiert gehen Datenpakete verloren.
Einer unbestätigten Theorie zufolge verursacht Jitter Amplitudengeräusche in den Chips und auf der Grundebene der Leiterplatte auf jedem Eingangssignal (nicht nur Ethernet sondern für alle digitalen Übertragungen). Diese AM (Amplitudenmodulation) wird in PM (Phasenmodulation) umgewandelt. Dieses Jitter/Phasenrauschen (das gleiche, nur ausgedrückt im Zeit- oder Frequenzbereich) breitet sich aus – sowohl mit Schnittstellen wie Ethernet, USB, S/PDIF, I2S, als auch in den Chips auf den Boards. Selbst ein DAC mit einer perfekten Uhr, die direkt neben dem DAC-Chip sitzt, wird von all dem vorgelagerten Jitter/Phasenmodulation beeinflusst, die in den Chips und auf der Leiterplatte kurz davor stattgefunden hat.
Durch Messungen bestätigt sind für Klangveränderungen die Mitübertragung von Störungen über Signalmasse oder Schutzleiter ursächlich!
Gleichtaktstörungen
Unter Gleichtaktstörungen werden Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung sowohl auf der Hinleitung als auch der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten. Es hat sich gezeigt, dass Switche und Router von einer Stromversorgung mit geringem Ripple Noise profitieren.
Hochfrequenzanteile (RFI – RadioFrequency Interference) können sich sehr parasitär in Geräten einnisten und das Nutzsignal demodulieren. Wer zum Beispiel mit dem Smartphone in die Nähe eines Röhrenverstärkers kommt, wird die Funksignale im GHz-Bereich hören.
LAN Kabel
Daraus folgt die Erkenntnis, dass es auch auf eine gute Qualität der Kabel ankommt! Schon beim Kauf eines industriellen LAN Kabels ist auf die technische Spezifikation zu achten! UTP Kabel sind ungeschirmte Kabel und STP Kabel sind geschirmte Kabel. Zum Beispiel können Magnetfelder (EMI – ElectroMagnetic Interference) die Datenübertragung beeinflussen. Diese Signale können die Leistung deines Netzwerkes beeinträchtigen und Störungen verursachen. Dies bedeutet, dass die Datenübertragung jedes Mal vorübergehend unterbrochen wird. Ein abgeschirmtes STP Kabel sorgt dafür, dass das Risiko von Störungen erheblich reduziert wird.
Störungen können durch elektromagnetische Interferenzen zwischen verschiedenen Signalen verursacht werden. Wenn das Netzwerkkabel beispielsweise durch ein Rohr verlegt wird, in dem auch ein Koaxial- oder ein Stromkabel verläuft, kann es zu Störungen kommen. Verlege also Netzwerk- und Stromkabel nie direkt nebeneinander!
Messungen haben gezeigt, dass unbeschirmte LAN Kabel durch HF-Anteile Gleichtaktstörungen an angeschlossene Geräte weitergeben. Separate Isolatoren zeigten nur dann eine gute Entstörung, wenn es sich um einen im Kabel integrierten Isolator handelte.
Siehe zum Beispiel das fis Magic LAN Kabel, bei dem mit kleinen Schaltern der Schirm getrennt werden kann. Messungen zeigten durchgängig, dass die Schirmung am Empfänger die störungfreieste und klangbeste Alternative war. Das LAN Kabel ist mit einem integrierten Isolator erhältlich. Die Besonderheit ist der integrierte Netzwerkisolator mit einem extra entwickelten Platinenlayout. Die separaten Netzwerkisolatoren haben oft den Nachteil, dass ein Übergang zwischen Stecker und Buchse stattfinden muss. Und dann hat man drei Teile in der Hand: LAN Kabel zum Isolator, den Isolator als solches und ein zweites LAN Kabel zum Empfänger. Wenn die Platine für die galvanische Trennung direkt im Kabel verlötet wird, vermeidet man schlecht sitzende Kontakte und Übergangswiderstände.
Zusammenfassung
Keiner bestreitet, dass es sehr robuste Prüfmechanismen für die bitidentische Datenübertragung gibt. Es muss schon sehr viel passieren, dass Datenpakete verloren gehen. Dies hörst du dann über Knistergeräusche wie von einer Schallplatte oder bei großen Störungen über Dropouts. Unabhängig von einer perfekten bitidentischen Übertragung können LAN Kabel jedoch Gleichtaktstörungen an angeschlossene Geräte weitergeben!
Die Datenübertragung erfolgt in einer analogen Technik über unterschiedliche Spannungszustände. Die Signalqualität kann gut über ein Oszilloskop geprüft werden. Hier kommt unter anderem die Kabelqualität ins Spiel. Bei schlechten Kabel werden eventuell die Spannungsunterschiede nicht mehr richtig erkannt oder es kommt zu zeitlichen Verschiebungen (Jitter).
UTP-Kabel (unbeschirmt) sollen aufgrund ihrer Störungsanfälligkeit (EMI/RFI) vermieden werden. Aber auch STP Kabel (geschirmt) können große Probleme bereiten, wenn sie über die Gehäusemasse Störungen an angeschlossene Geräte weitergeben. Deshalb haben Messungen gezeigt, dass es gut ist die Schirmung an einer Stelle zu unterbrechen. Mit einer aufgelegten Schirmung nur auf dem Empfänger ließ sich das bisher störungsfreieste und klanglich beste Ergebnis erzielen.
Netzwerkisolatoren können kontraproduktiv sein, wenn sie separat verwendet werden. Vermutlich sind die Übergangswiderstände zwischen verschiedenen Steckern und Buchsen die Ursache für schlechtere Messwerte als ohne Isolator. Als messtechnisch und klanglich beste Alternative gelten derzeit im Kabel integrierte Netzwerkisolatoren wie das fis Magic LAN Kabel.