Die Technik der Datenübertragung im Netzwerk
Es ist wichtig zu verstehen, wie die digitale Datenübertragung funktioniert und warum LWL einen Vorteil bietet.
Analoge Übertragungstechnik
Die Bits und Bytes werden in einer analogen Technik per Hochfrequenz (HF) übertragen werden. Dazu 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.
| Kategorie | Netzwerk | Übertragungsfrequenz | Maximale Übertragungsrate | Übertragungsdistanz |
|---|
| Cat5 | 100Base-T & 10Base-T | 1～100MHz | 100Mbps | 100m |
| Cat5e | 1000Bsae-T | 1～100MHz | 1000Mbps | 100m |
| Cat6 | 1000Bsae-T | 1～250MHz | 1000Mbps/10Gbps | 100m/37~55m |
| Cat6a | 10GBase-T | 1～500MHz | 10Gbps | 100m |
| Cat7 | 10GBase-T | 1～600MHz | 10Gbps | 100m |
| Cat8 | 25/40GBase-T | 1~2000MHz | 25Gbps oder 40Gbps | 2000 MHz bei 30m |
Quelle: https://community.fs.com/de/blog/wha…it-matter.htmlGleichtaktstörungen
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 sich die Gleichtakstörungen sehr parasitär in den angeschlossenen Geräten einnisten und das Nutzsignal demodulieren können. Hierzu gibt es auch Messungen, siehe Links:
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) der Spannungszustand definiert, ab dem eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal) 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. Musik ist zeitkritisch. Wenn die Zeit bei einem fehlerhaften Paket für eine Wiederholung nicht mehr ausreicht, ist zum Beispiel das typische Knistern wie bei einer Schallplatte zu hören. Bei gravierenden Übertragungsproblemen kommt es zu Dropouts.
Lichtwellenleiter als Alternative
Lichtwellenleiter (LWL), auch bekannt als Glasfaserverbindung, verbinden das Ethernet optisch. Wo kein Metall (Kupfer oder Silber) verbaut ist, kann das Kabel weder als Antenne wirken, noch elektrische Störungen (Gleichtaktstörungen) von einem Gerät zum anderen transportieren. Neben WLAN also die perfekte galvanische Trennung. Während WLAN oft mit Empfangsproblemen zu kämpfen hat und energiestarke HF (Hochfrequenz) gleich mitbringt, gibt es diese Probleme mit LWL nicht.
Steckverbinder SFP (Small Form-factor Pluggable)
Du kennst bestimmt die SFP RJ-45 (Kupfer) Stecker und Buchsen für die typische LAN Verbindung. Diese wird für Standard-Ethernet über Twisted Pair-Kabel verwendet (z.B. CAT5 oder CAT6).
Bei LWL benötigst du SFP. SFP steht für Small Form-factor Pluggable und ist ein standardisierter, kompakter Steckverbinder, der in Netzwerkgeräten verwendet wird, um verschiedene Kommunikationsschnittstellen, wie Ethernet, zu unterstützen. Es wird typischerweise in Switches, Routern, Firewalls oder Netzwerkadaptern verwendet. Die Verbindung erfolgt über einen Transceiver.
Transceiver
Aus spannungsinduzierten 0/1-Bits werden optisch modulierte 0/1-Bits. Für den Übergang von Kupfer auf Glasfaser müssen an die LWL-Kabelenden die Transceiver Module angeschlossen werden. Deren Aufgabe ist es, den Strom in Licht umzuwandeln und umgekehrt.
Auch die Geschwindigkeiten mit SFP bis 1G und SFP+ bis 10G müssen auf der Sender- und Empfängerseite jeweils gleich sein. SFP+ Transceiver sind jedoch in der Regel abwärtskompatibel.
Transceiver haben übrigens keine eigene Clock. Diese sitzt immer auf der Netzwerkkarte.
Es hat sich herausgestellt, dass die Transceiver von einer sehr guten Qualität sein müssen. Denn auch wenn Sender und Empfänger galvanisch voneinander getrennt sind, erzeugt der Transceiver selbst elektrisches Rauschen! Bei schlechten Qualitäten wird dann nichts gewonnen.
In unserer Praxis haben sich zum Beispiel folgende Transceiver bewährt:
Glasfaser Kabel
Bei den Glasfasern gibt es unterschiedliche Normen, die nicht untereinander getauscht werden können. Die richtige Auswahl ist deshalb wichtig! Die gute Nachricht ist, dass Glasfaserkabel in guter Qualität ausgesprochen preiswert sind. Und man kann sie über längere Entfernungen einsetzen.
Bei Glasfasern können sich kurze oder lange Kabel auf die Übertragungsqualität auswirken. Bei bestimmten Protokollen wird sogar vor zu kurzen LWL Kabel gewarnt. Ursache ist der Dämpfungsfaktor.
Wenn der Laser vom Sender zu schwach und die Dämpfung zu hoch sind, dann wird das Signal zu schwach und der Empfänger kann es nicht mehr verarbeiten. Wenn der Laser vom Sender zu stark ist und die Dämpfung zu gering sind wird der Empfänger geblendet. Bei optischen Systemen muss also darauf geachtet werden, dass die Empfänger nicht übersteuert werden, denn dies wäre genauso schädlich wie ein zu schwaches Signal. Da sich Dämpfungsglieder meist klangschädlich bemerkbar machen, experimentieren viele mit unterschiedlichen Glasfaserlängen.
Basierend auf der Einfügedämpfung und der Rückflussdämpfung haben die Steckverbinder und konfektionierten Glasfaserkabel unterschiedliche Qualitätsstufen. Die Glasfaserkabel mit der geringsten Einfügedämpfung und der höchsten Rückflussdämpfung werden mit Grade A bezeichnet.
Derzeit verfügbar sind meines Wissens nur Grade B Kabel, zumal Grade A nicht abschließend formal definiert ist. Hier ist eine Auswahl von Grade B LWL Kabel:
10G-DAC- und AOC-Kabel
Eine spezielle Form sind Kabel mit fest integrierten Transceivern. Sie können sowohl elektrisch, als auch optisch sein. Ein weiterer Unterschied liegt im passiven oder aktiven Betriebsmodus.
Direct Attach Kable (DAC)
10G SFP+ Direct Attach Kable (DAC) besteht aus einem Twinax-Kupferkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist. DAC-Kabel können in zwei Kategorien unterteilt werden: passive DACs und aktive DACs. Sowohl passive als auch aktive DAC-Kabel können elektrische Signale direkt über Kupferkabel übertragen. Die aktiven DAC-Kabel haben im Inneren der Transceiver elektrische Komponenten zur Signalverstärkung.
10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC)
10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC) besteht aus einem Multimode-Glasfaserkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist und externe Energie für die Umwandlung der elektrischen in optische Signale und umgekehrt benötigt.
Vergleich DAC und AOC
Die DAC Kabel sind für kurze Entfernungen geeignet, da sie für Störungen durch EMI (Elektromagnetische Interferenz) empfänglich sind. Eine galvanische Trennung entfällt also. Der Vorteil gerade der passiven Variante ist der sehr geringe Stromverbrauch. Die AOC Kabel trennen galvanisch, verbrauchen dafür aber mehr Strom.
| Kabeltyp | Reichweite | Kabeltypen | Stromverbrauch | Biegeradius |
|---|
| Passives DAC-Kabel | <7m | Twinax copper cable | <0.15w | 24 AWG=38 mm30 AWG=23 mm |
| Aktives DAC-Kabel | 7-15m | Twinax-Kupferkabel | 0.5-1w | 24 AWG=38 mm 30AWG=23 mm |
| Aktives AOC-Kabel | Bis zu 100m | Glasfaser | ＞1w | 3.0mm |
Ratgeber: 10G-DAC- und AOC-Kabel | FS CommunityNetzwerkkarten
Damit der Audio PC mit LWL über das Netzwerk kommunizieren kann, benötigst du die passende Netzwerkkarte, auch Netzwerkadapter genannt. In unserem Fall verwenden wir eine PCIe-Karte, die idealerweise ohne Umweg über den Chipsatz direkt mit der CPU kommuniziert.
PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express und ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die für die Verbindung von verschiedenen Hardware-Komponenten in einem Computer verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen Standard, der von der PCI-SIG (PCI Special Interest Group) entwickelt wurde und vor allem in modernen Computern und Servern weit verbreitet ist.
PCIe verwendet Lanes, um Daten zu übertragen. Jede Lane besteht aus einem Sende- und einem Empfangskanal. Es gibt verschiedene Konfigurationen von PCIe-Slots, die je nach Anzahl der Lanes unterschiedlich viel Bandbreite bieten können.
Die technischen Spezifikationen für 10G sind strenger als für 1G. So sollen die Jitter-Werte bei 10G deutlich besser sein. Siehe: Optical Network Configurations – AudiophileStyle. Auch John Swenson, der Entwickler von UpTone Audio, bevorzugt SFP+ Module. Obwohl im Switch statt der möglichen 10 Gb nur 1 Gb verwendet werden. Siehe: The EtherREGEN thread for various network, cable, power experiences and experiments- AudiophileStyle.