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Steckverbinder Vergleich von vierpaarigem zu einpaarigem (Single Pair) Ethernet

| Autor/ Redakteur: Matthias Fritsche / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Die Anforderungen an die Verkabelung und Verbindungstechnik sind im Vergleich von einpaarigem zu vierpaarigem Ethernet recht unterschiedlich, wie dieser Beitrag zeigt.

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Bild 1: SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 als IP20-Ausführung.
Bild 1: SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 als IP20-Ausführung.
(Bild: Harting)

Hinsichtlich der Übertragungslänge sowie auch den HF-Anforderungen zeigen sich beim Single Pair Ethernet (SPE, Bild 1) im Vergleich zum vierpaarigem Ethernet (MPE) deutliche Unterschiede. Insbesondere am benötigten Bandbreitenbedarf ist dies zu ersehen. Siehe nachfolgende Tabelle:

Migration von MPE aus SPE

Hohe Datenraten über ein Adernpaar – Wieso also nicht vier SPE-Strecken in bestehender In­frastruktur vereinen? Diese Idee, quasi vierpaarige Verkabelungen für SPE mittels „cable sharing“ zu benutzen, drängt sich ja geradezu auf. In Sonderfällen ist dies zwar möglich, aber technisch und wirtschaftlich nicht wirklich sinnvoll. Zum einen erfordern SPE-Verkabelungen im Vergleich zu MPE höhere Bandbreiten, insbesondere beim Übersprechen, und im Vergleich zu MPE mit 100 m Übertragungslänge gibt es bisher bei SPE erst kürzere Übertragungslängen von 40 m bei 1000Base-T1 für geschirmte Kabel. Damit muss in diesem Migrationsszenario der Anwender die installierten Verkabelungen Strecke für Strecke neu für SPE überprüfen. Somit ist auch die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich. Um beispielsweise eine installierte Cat.-6A-Verkabelung für 1000Base-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten und die entsprechenden HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Selbst wenn das alles optimal passt, kann man dann mit SPE 4 × 1 Gbit/s übertragen, wobei doch diese Cat.-6A-Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können.

Die Verbindungstechnik für Single Pair Ethernet

Einzelne Steckverbinderarten sind untrennbar mit einer bestimmten Anwendung verbunden und natürlich international genormt. Bekannte Beispiele dafür sind die RJ45-Steckverbinder für Ethernet und die prägnanten HDMI- oder DVI-Steckverbinder für die Videoübertragung. Ge­norm­te Interfacesteckverbinder sind somit die Voraussetzung für die erfolgreiche Markteinführung neuer Netzwerktechniken wie SPE, denn nur mit genormten Schnittstellen ist es möglich, unterschiedlichste Geräte in einem einheitlichen Datennetz miteinander zu verbinden. Die Auslegung der SPE-Steckverbinder nach IEC 36171-6 erfolgte nach den Vorgaben aus den zugehörigen IEEE-802.3-Normen und weiteren Marktanforderungen.

Auslegung der elektrischen Kennwerte

Nennspannung:

Für die reine Ethernet-Übertragung wird üblicherweise ein differenzielles Spannungssignal von ±1V verwendet. Für die Festlegung der Nennspannung eines SPE-Steckverbinders ist jedoch die parallele Nutzung der beiden Adern auch für die Fernspeisung zu berücksichtigen. Das hierfür bei SPE verwendete Verfahren nennt sich Power over Data Line (PoDL) und ist gemäß IEEE 802.3bu [1] genormt. Ähnlich wie bei PoE ist die maximale Nenn­spannung 48 VDC und damit ergibt eine maximale Speisespannung des Power Sourcing Equipment (PSE) von 60 VDC. Anders als bei PoE sind bei PoDL weitere typische Bordnetzspannungen mit 12 und 24 VDC definiert, wie sie in Fahrzeugen eingesetzt werden.

Isolationsspannung:

Auch wenn in den SPE-Normen IEEE 802.3 [1 bis 8] mit Rücksicht auf die größte Anwendergruppe in der Automobilindustrie keine expliziten Angaben zu den Isolationsanforderungen definiert sind, werden für die üblichen Anwendungen in der Gebäude- und Industrieverkabelung die gleichen Anforderungen wie für vierpaariges Ethernet mit 1,5 kV (rms) Kontakt zu Schirm und 1,0 kV (rms) Kontakt zu Kontakt (siehe beispielsweise Abschnitt 126.5.1 IEEE 802.3bz [8]) angesetzt.

Nennstrom:

Für die Auslegung des Nennstromes sind ebenfalls die PoDL-Anforderungen maßgeblich. Im aktuellen Standard ist in Tabelle 104-1 [1] die maximale Einspeiseleistung mit 63,3 W angegeben, was einer maximalen Versorgungsleistung am Powered Device (PD) von 50 W entspricht. Dadurch ergibt sich bei minimal zulässiger Speisespannung ein Strom von 1,36 A bei 48 V. Um ein zukunftsfähiges Interface zu spezifizieren wird jedoch ein Nennstrom von 4 ADC gewählt. Hintergrund: Gemäß dem National Electric Code (NEC) für den nordamerikanischen Markt ist die maximale Leistung für NEC-Class-2-Geräte auf 100 W beschränkt und dies ist auch die maximale Fernspeiseleistung beim PoE-Standard IEEE 802.3bt [2]. Damit werden auch zukünftige PoDL-Erweiterungen unterhalb 100 W bleiben und für die in der industriellen Automation verwendete 24-V-Versorgungsspannung ergibt sich gerundet der maximale Nennstrom von 4 A.

HF-Übertragungsparameter

SPE nutzt zur Datenübertragung eine Vollduplexverbindung über ein differenzielles Adernpaar mit einer Impedanz von 100 Ω. Um eine kleinere Störempfindlichkeit besonders für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu realisieren, wurde für SPE eine geringere Codierung mit PAM3 bis 1000­Base-T1 und PAM4 für 2,5/5/10G­Base-T1 gewählt. Dadurch erhöht sich im Vergleich zu „mehrpaarigen Ether­net-Standards“ (MPE) der Bandbreitenbedarf enorm. So sind aktuell bei IEEE 802.3ch [6] für Multigigabit-SPE bis zu 4 GHz bei 10GBase-T1 (Vergleich bei 10GBase-T nur 500 Mhz) in Diskussion. Damit steigen die HF-Anforderungen an die Kabel- und Verbindungstechnik und ein sehr symmetrischer Aufbau der Steckverbinder ist notwendig, um die HF-Anforderungen zuverlässig zu erfüllen. Aus diesem Grunde sind die Kontakte beim Steckverbinder T1 Industrial symmetrisch im vollständig geschlossenen Schirmgehäuse angeordnet. Somit sind die Koppelkapazitäten und -induktivitäten beider Leiter zur Schirmung oder der Leiterplatte identisch und die differenzielle Datenübertragung wird nicht gestört (Bild 1 und 2).

Bild 2: SPE-Buchse zur Platinenmontage.
Bild 2: SPE-Buchse zur Platinenmontage.
(Bild: Harting)

Ebenso sind beide Kontakte parallel zur Leiterplatte und nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Signalweg in beiden Leiterwegen identisch und Signallaufzeitunterschiede werden vermieden (siehe auch [5] und Bild 3).

Bild 3: Simulationsmodell mit symmetrischem Aufbau des Steckgesichtes nach IEC 63171-6.
Bild 3: Simulationsmodell mit symmetrischem Aufbau des Steckgesichtes nach IEC 63171-6.
(Bild: Harting)

Ausreichende Reserve für zukünftig höhere Bandbreiten

Ziel der Konstruktionsauslegung für das SPE-Interface war es, alle elektrischen Parameter mit ausreichender Reserve für zukünftige höhere Bandbreiten und die Anforderungen hinsichtlich Fernspeisung (PoDL) zu berücksichtigen sowie im Markt akzeptierte und verbreitete Gehäusebauformen zu wählen. Dabei wurde auch großer Wert auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Markttrend nach miniaturisierten Schnittstellen und hoher Robustheit sowie gute Handhabbarkeit und optimale Auslegung des Anschlussbereiches passend zu den zu verwendenden Adern- und Kabeldurchmessern gelegt.

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