Kabelnetzfehler sicher lokalisieren

Das ist im Alltag beim Rufen vor einem entfernten Objekt (z. B. Berg oder Hauswand) zu beobachten. Ein Teil des erzeugten Schalls kehrt als Echo in Richtung der Quelle, also zum Rufenden zurück.

Oder das Radar: Hier wird aus der Zeitspanne zwischen dem Beginn der Aussendung eines elektromagnetischen Impulses und dem Zeitpunkt des Eintreffens seines Echos an der Sendeantenne der Abstand eines reflektierenden Objekts messtechnisch ermittelt. Oft sind in der Nachrichtentechnik derartige Reflexionen unerwünscht, beim TDR (Time Domain Reflectometer – Zeitbereichsreflektometer) bilden sie die physikalische Grundlage für ihre Funktion.

Echos im Kabel

In Kabelnetzen werden Koaxialkabel bestehend aus Seele, Dielektrikum und Schirmung verwendet. Schickt man nun in einen Kabelabschnitt mit einem angepassten Impulsgenerator (Ausgangsimpedanz des Impulsgenerators = Wellenwiderstand des Kabels, in der Regel 75Ω) einen kurzen Impuls in das Kabel hinein und horcht auf ein Echo, so wird man drei unterschiedliche Phänomene verzeichnen (Bild 1).

Bild 1: Kabelabschluss

1. Ein Extremfall der Fehlanpassung ist das Fehlen eines Abschlusswiderstandes (offenes Kabel, Z = ∞). Hier tritt ein eindeutiger Echoimpuls gleicher Polarität auf.

2. Unter der Voraussetzung, dass das Kabel impedanzmäßig korrekt abgeschlossen ist, ist kein rücklaufender Impuls zu beobachten. Der Grund: Der vorlaufende Impuls wird vollständig von der Abschlussimpedanz absorbiert. Dieses Verhalten weist auch eine sehr lange Leitung auf, denn an ihrem Ende ist der Sendeimpuls durch die Leitungsdämpfung so geschwächt, dass er nicht mehr existent ist. Damit ist am Leitungseingang unabhängig vom Grad der Fehlanpassung am Leitungsende kein Echo feststellbar.

3. Der zweite Extremfall der endseitigen Fehlanpassung ist der Kurzschluss, Z = 0. An ihm wird der einlaufende Impuls mit umgekehrter Polarität in Richtung Kabelanfang reflektiert.

Die Zeit, die zwischen Aussendung des Prüfimpulses und Eintreffen des Echos vergeht, lässt sich über die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kabel in den Abstand der Impedanzänderung zum Kabelanfang umrechnen. Die Amplitude des Echos ist ein Hinweis auf die Höhe der Ausbreitungsdämpfung im Kabel.

Von der Laufzeit zur Länge

Bei der Ermittlung der Gesamtlaufzeit vom Absenden des Prüfimpulses bis zum Eintreffen seiner Reflexion jeweils am Kabelanfang spielt der Verkürzungsfaktor ν eine wichtige Rolle. Man muss wissen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit v einer elektromagnetischen Welle in Materie stets geringer ist, als im Vakuum (c0 ≈ 300 · 106 m/s). Das ist natürlich auch im Koaxialkabel der Fall. ν = v/c0 ist nun der Quotient aus der echten Durchlaufgeschwindigkeit des Impulses und der Lichtgeschwindigkeit und wird als Verkürzungsfaktor ν (oft auch als PV: Propagation Velocity = Ausbreitungsgeschwindigkeit) bezeichnet. Als material- und geometrieabhängige Größe wird sie in der Regel vom Kabelhersteller im Datenblatt angegeben. Man kann sie aber auch messtechnisch ermitteln. Dazu muss man nur die Zeit messen, die der Prüfimpuls zum Durchlaufen einer Kabelstrecke bekannter Länge benötigt und ins Verhältnis zu der Laufzeit im Vakuum setzen. Bei handelsüblichen Koaxialkabeln in allen Ebenen des Verteilnetzes liegt der Verkürzungsfaktor bei 0,7 … 0,9.

Zusammenfassend: Die Zeit, die vom Aussenden des Prüfimpulses bis zur Ankunft des Echos am Impulsreflektometer vergeht, ist durch die Länge des Kabels und die echte, unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors bekannte Laufgeschwindigkeit des Prüfimpulses gegeben. Dabei ist die Länge des Kabels zweimal zu berücksichtigen: Einmal für den Hinlauf des Impulses bis zum Kabelende und einmal für den Rücklauf des Echos bis zum Kabelanfang. Ist die Gesamtlaufzeit TL ermittelt, kann man daraus die Kabellänge l berechnen:

Kabellänge:

Impulsdauer

Die Impulsdauer ist in Abhängigkeit von der Kabellänge loder dem Ereignisabstand (Fehlerentfernung) zu wählen: Kurze (und deshalb energiearme) Impulse erlauben nur kurze Reichweiten, dafür aber mit hoher örtlicher Auflösung. Für lange Kabel sind breite Impulse erforderlich, wobei die örtliche Auflösung abnimmt.

Wegen dieses Zusammenhangs kann die Impulsbreite automatisch an den Messbereich eines TDRs gekoppelt werden. Typische Impulsbreiten sind im CATV-Bereich 1 … 25 ns. Mit der Impulsbreite verbunden ist eine sogenannte Totzone. Diese gibt den Längenbereich am Anfang des Kabels an, in dem rückkehrende Echos durch den noch abgehenden Sendeimpuls verformt oder verdeckt werden. Totzonen entsprechen also der Sendeimpulsbreite.