Kabelbetrachtungen

Kabel-Betrachtungen

Man kann die Kabel unterteilen nach der Bauart (optisch, elektrisch), nach dem Signal, das sie übertragen (analog, digital), nach der Funktion, die sie erfüllen (S-Video, iLink, Meßkabel...), nach ihren Anschlußsteckern (BNC, Cinch....), und noch weiteren Kriterien. Im Folgenden versuche ich eine praktische Unterteilung in Bezug auf Hifi. Gleich hier eine Bemerkung zu digitalen Kabeln: Zwar übertragen alle Kabel ausschließlich analoge Signale, so werden diese jedoch oft digital interpretiert, und so ist der Betriff "digitales Kabel" oder "digitale Verbindung" entstanden.

Kabeltypen-Übersicht

Analoge Niederfrequenzkabel:
- Signal-Kabel: z.B. Cinch-Kabel zwischen CD-Player und Receiver
- Lautsprecherkabel

Analoge Hochfrequenzkabel:
- Fernsehbildsignalkabel, z.B. S-Video-Kabel, YUV-Kabel
- HF-Kabel, z.B. Antennenkabel

Kabel für die Übertragung von digitalen Signalen
- Optische Kabel für den Anschluß von Geräten mit SPDIF-Schnittstellen
- Koax-Kabel: z.B. Cinch-Kabel für den Anschluß von Geräten mit SPDIF-Schnittstellen

Datenkabel:
- Kabel für IEE1394-Verbindungen, z.B. Firewire oder iLink
- Kabel für RS232-Verbindungen
- Kabel für Ethernet-Anschlüsse

Zum weiteren Verständnis ist es auch wichtig, die Frequenzen noch mal aufzuführen, um die es hier geht:
hörbare Töne: 20 Hz bis 20.000 Hz,
Fernsehbildsignale analog (S-Video, FBAS, YUV, RGB): ca. 5 MHz
HDMI 5 GHz
Antenensignale terrestrisch 47 MHz bis 860 MHz, Satellit über 10 GHz.
Bei den digitalen Signalen finde ich keine verläßlichen Quellen. Dort kann man ja nicht einfach Bitrate = Frequenz setzen, ich verwende den Faktor 2:
SPDIF (ca. 3 MBit/Sekunde) 6 MHz.
Firewire IEE1394 (400 MBit/Sekunde) 800 MHz
100 MBit/s Netzwerk mit RJ45 und Cat5-Kabel: 200 MHz
Zu den verwendeten Einheiten siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Vorsilben_f%FCr_Ma%DFeinheiten" target="_blank" class="" rel="nofollow"> http://de.wikipedia.org/wiki/Vorsilben_f%FCr_Ma%DFeinheiten


Welche Probleme sind bei Kabeln zu erwarten?
1. Kabel schlucken einen Teil des Signals, so daß am Ende nicht das raus kommt, was man an Anfang reinsteckt, Stichwort Dämpfung, Frequenzabfall
2. Außerdem können Kabel das Signal verfälschen (Reflexionen und Überlagerungen), Stichwort Wellenwiderstand.
3. Effekte von außen werden mehr oder weniger abgeschirmt
4. Effekte von innen: mehrere Signalleitungen beeinflussen sich gegenseitig.
Diese Effekte sind sowohl frequenzabhängig (meist: höhere Frequenz bedeutet mehr Verlust) als auch längenabhängig (je länger desto größere Kabelverluste) als auch materialabhängig (Bauart und verwendete Materialien).
Das ist alles sehr allgemein, deshalb möchte ich jetzt mal auf ein paar konkrete Beispiel eingehen, wie sich diese Kabelprobleme auswirken.

Frequenzabfall.
So bezeichnet man die Tatsache, daß ein Kabel ein Signal abschwächt. Die Formel für den Frequenzabfall in dB durch ein Kabel ist:



wobei f = Frequenz, Pi = 3,14..., R = Ausgangswiderstand der Quelle, C = Kabelkapazität. Das Ergebnis ist negativ, weil das Ausgangsignal kleiner ist.

Beispiele
Kapazität eines 1 m Cinch-Kabels ca. C = 50 pF, R = 1000 Ohm, f = 20.000 Hz. Der errechnete Frequenzabfall beträgt: -0,000171 dB, also im Prinzip gar nichts.

Nimmt man ein solches Kabel als Koax-Leitung für eine SPDIF-Übertragung (eine häufige Empfehlung) hat man den folgenden Wert: die Frequenz ist 6 MHz, der Widerstand ist 75 Ohm: Der Frequenzabfall beträgt dann: -0,086dB, also auch noch vernachlässigbar.

Frequenzabfall eines Lautsprecherkabels: Frequenz 20.000 Hz, R = 0,1 Ohm, C = 1 nF (wegen der größeren Kabellänge), der Frequenzabfall beträgt 0 dB (außerhalb der Rechengenauigkeit meines Taschenrechners (15-stellig)).

Wellenwiderstand
Der Wellenwiderstand einer Leitung ist definiert als



wobei L = die Kabelinduktivität und C die Kabelkapazität ist.
Der Wellenwiderstand kann an einem beliebig langem Kabel gemessen werden. Würde man ein längeres Kabel nehmen, hätte man eine höhere Induktivität und eine höhere Kapazität, aber der Wellenwiderstand wäre gleich. Er ist auch nicht frequenzabhängig.
Welche Bedeutung hat nun der Wellenwiderstand?
Aufgabe des Kabels ist die Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Wenn das Gerät, das am Ende des Kabels die Wellen empfängt, einen andern Eingangswiderstand hat als der Wellenwiderstand des Kabels, dann werden nicht alle elektromagnetischen Wellen vom Gerät aufgenommen, sondern sie werden reflektiert und gehen zurück an das Quellgerät. Dort werden sie evtl. auch wieder reflektiert und so gehen sie hin und her und werden wegen der Dämpfung des Kabels immer schwächer. Dadurch ist das Signal, das der Empfänger kriegt, verzerrt. Der Wellenwiderstand spielt im Prinzip nur in der Hochfrequenztechnik eine Rolle.

Frequenzbereich eines Kabels
Ein analoges Cinch-Kabel überträgt einen Frequenzbereich von Gleichspannung (0 Hz) bis zur Grenzfrequenz f. Die Grenzfrequenz f ist die Frequenz, bei der das Ausgangssignal auf den halben Pegel abgeschwächt ist, d.h. 3 dB. Bei noch höheren Frequenzen ist das Ausgangssignal noch kleiner.



Bei unserem 1 m Cinch-Kabel mit 50 pF und 1000 Ohm Widerstand ist die Grenzfrequenz 3,1 MHz, bei 75 Ohm wäre sie 42 MHz.


Wenn man noch mehr wissen möchte, hier einige Hinweise:
In google sucht man nach Begriffen aus der Elektrotechnik, geeignet sind z.B. das Wort Vierpol, danach dann die weiteren Begriffe wie Dämpfung, Wellenwiderstand usw.. Auch Suchworte wie Kapazität, Induktivität liefern brauchbare Ergebnisse und nicht nur EBay-Angebote. Auf keinen Fall darf man das Wort Kabel an erster Stelle verwenden.

Einige Links zum Kabel:
http://www.naeder.de/datentechnik/support-2/fachbegriffe-main.htm
http://www.funkfreund.de/Lex_AmFu_K.htm
http://www.sat-kabel.de/scripte/koaxialkabel.htm
http://www.qsl.net/dj4uf/lehrg/a15/a15.htm

Onkel pelmazo's Senf zu Kabelbetrachtungen

Bei einem Kabel geht es eigentlich immer nur darum ein Signal oder Energie von einem Punkt A zu einem Punkt B zu übertragen. Das Kabel soll dem "Prozeß" so wenig wie möglich "im Wege stehen". Aber das ist ein unerreichbares Ideal. In der Realität gibt's immer irgendwelche Verluste. Auch bei einer Wasserleitung z.B. kommt am Ende weniger Druck raus als am Anfang reingetan wird, und Lecks sollen auch vorkommen. Warum sollte das bei Kabeln anders sein?

Kein Wunder also das es für verschiedene Anwendungszwecke verschiedene Kabel gibt, die jeweils einen eigenen Kompromiß zwischen den Anforderungen darstellen. Der Anwender hat nun die undankbare Aufgabe, den passenden Kompromiß und damit das passende Modell für seine Anforderungen zu finden. Zum Kompromiß gehört natürlich auch der Preis, und gerade im Audiosektor gibt's hier enorme Preisunterschiede. Man findet Kabel für ein und denselben Einsatzzweck, deren Preise sich um mehr als den Faktor 1000 unterscheiden.

Obwohl Kabel eigentlich eine sehr simple Aufgabe zu erfüllen haben, sind eine erstaunliche Menge verschiedener Parameter und Effekte im Spiel. Hier sind einige Effekte:

o Kabelwiderstand. Dieser führt dazu, daß sich das Kabel aufheizt wenn ein Strom durchfließt. Dadurch geht Energie verloren. In manchen Fällen ist das gewünscht, z.B. im Heizlüfter befindet sich eine Drahtwendel, die vom Strom geheizt wird. In den allermeisten Fällen jedoch sind die Verluste unerwünscht. Man muß also pro Anwendung entscheiden wieviel Verlust man tolerieren will und die Leitungsdicke und das Leitungsmaterial entsprechend wählen. Das ist in erster Linie dann relevant wenn bedeutende Mengen von Energie übertragen werden sollen, wie z.B. im Stromnetz oder evtl. auch bei Lautsprecherleitungen. Bei NF-Leitungen spielt dieser Aspekt normalerweise keine Rolle.

o Kabelinduktivität. Jede Leitung, sogar ein Supraleiter, hat eine Induktivität. Diese hängt mit dem Magnetfeld zusammen, das ein durchfließender Strom erzeugt. Da dieses Magnetfeld Energie speichert, wirkt eine Induktivität wie ein Schwungrad, das heißt es bremst Änderungen der Stromstärke. Die Induktivität einer einfachen Leitung ist ziemlich gering. So gering daß man sie im Niederfrequenzbereich normalerweise vernachlässigen kann.

o Kabelkapazität. Jedes Stück Metall bildet mit anderen Stücken Metall in der Umgebung einen Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators hängt mit dem elektrischen Feld zwischen den Metallen zusammen, welches ebenfalls Energie speichert. Ein Kondensator bremst Änderungen der Spannung. Die Kapazität einer Leitung ist üblicherweise ebenfalls recht gering und kann im NF-Bereich meist vernachlässigt werden, aber nicht ganz so leicht wie die Induktivität.

o Wellenwiderstand. Die Induktivität und die Kapazität des Kabels muß man sich über die Länge des Kabels verteilt denken. Zusammengenommen bilden diese beiden Effekte einen Widerstand für eine durch das Kabel laufende elektrische Welle. Dieser Widerstand ist ein Scheinwiderstand, er führt also nicht zur Aufheizung des Drahtes. Wenn das Kabel so gebaut ist daß Induktivität und Kapazität schön gleichmäßig sind, dann ist auch der Wellenwiderstand entlang des Kabels konstant. Das ist wichtig wenn das Kabel "elektrisch lang" ist, denn an jeder Stelle an der der Wellenwiderstand sich ändert kommt es zu Reflexionen der Wellen. Als elektrisch lang bezeichnet man (als Faustregel) ein Kabel wenn es länger als 1/10 der Wellenlänge des Signals ist. Da die Wellen umso kürzer sind je höher die Frequenz ist, spielt dieser Effekt insbesondere bei hohen Frequenzen eine Rolle. Die Geschwindigkeit einer elektrischen Welle in normalen Kabeln beträgt etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit, also etwa 20cm pro Nanosekunde. Ein Kabel der Länge 1m ist also elektrisch lang für Frequenzen oberhalb von 20MHz. Das ist tausend mal mehr als die hörbaren Frequenzen. Ein NF-Kabel ist also erst ab einer Länge von 1km elektrisch lang. Demgegenüber ist ein UKW-Antennenkabel (100MHz) schon ab 20cm elektrisch lang. Bei kürzeren Kabeln spielen Reflexionen und Wellenwiderstände wenig bis gar keine Rolle.

o Antenneneffekte. Ein Kabel kann als Antenne wirken und damit sowohl Radiowellen empfangen als auch ausstrahlen. Entscheidend ist hier u.A. die Kabellänge in Verbindung mit der Frequenz des Radiosignals. Aus diesen und anderen Parametern ergibt sich eine bestimmte Empfindlichkeit oder Gewinn, was ein Maß dafür ist wie "gut" die Antenne für eine bestimmte Frequenz ist. Für niedrige Frequenzen braucht man lange Kabel, z.B. ist ein Kabelstück eine gute Antenne für Frequenzen, deren Viertel der Wellenlänge der Länge des Kabels entspricht. NF-Kabel mit Längen im Bereich von 1m sind daher gute Antennen für Signale im zweistelligen MHz-Bereich. Das ist wieder um Größenordnungen oberhalb der Audiofrequenzen.

o Schirmung. Viele Kabel haben eine metallische Schirmung um die inneren Drähte herum. Der Zweck ist es, Störungen von den Innenleitern fernzuhalten. Wie gut das funktioniert hängt von einer Reihe von Dingen ab, weswegen das Thema Schirmung etwas komplex ist. Schirmung funktioniert recht gut für elektrische Felder (Stichwort: Faraday'scher Käfig). Auch Radiowellen (elektromagnetische Wellen) werden gut abgeschirmt. Weniger gut funktioniert die Abschirmung von Magnetfeldern, vor allem bei niedrigen Frequenzen. Dazu wären teure Spezialmaterialien erforderlich. Magnetfelder bei 50Hz sind wegen unserer Stromversorgung allgegenwärtig, und gegen die hilft Schirmung praktisch gar nicht. Bei sehr hohen Frequenzen nimmt die Wirkung der Schirmung oft auch wieder ab, z.B. weil bei Kabelbiegungen kleine Öffnungen im Schirmgeflecht entstehen können durch die kurze Wellen hindurchpassen.

o Dämpfung. Wenn man Wellen durch's Kabel schickt verlieren diese entlang des Kabels an Stärke. Das hat sehr stark mit dem Isolationsmaterial zwischen den Leitern zu tun. Luft dämpft sehr wenig, die diversen Plastikmaterialien dämpfen wesentlich mehr. Hohe Frequenzen werden mehr gedämpft als niedrige. Auch das ist ein Effekt der nur bei elektrisch langen Leitungen relevant ist. Im NF-Bereich spielt das also normalerweise keine Rolle. HF-Leitungen (z.B. Antennenleitungen) sind davon aber direkt betroffen.

o Skineffekt. Gleichstrom benutzt den ganzen Draht gleichmäßig, aber Wechselstrom benutzt mit Vorliebe die äußeren Schichten des Drahts, und zwar je höher die Frequenz ist desto dünner wird die benutzte Schicht an der Drahtoberfläche. Anders gesagt, die Stromdichte im Draht nimmt von außen nach innen ab. Der Effekt ist der, daß der Drahtwiderstand zu hohen Frequenzen hin ansteigt. Die Stromdichte nimmt zwar von außen nach innen kontinuierlich ab, insofern gibt es keine genau definierte Schichtdicke wo der Strom fließt, und keine harte Grenze zwischen leitender und nichtleitender Zone, aber im Normalfall kann man vereinfachend so tun als würde aller Strom außen mit einer bestimmten Eindringtiefe h fließen. Der Skineffekt fängt also an sich bemerkbar zu machen, wenn der Draht dicker als zwei Eindringtiefen ist. Da die Eindringtiefe von der Frequenz abhängt gibt es also für jede Drahtdicke eine Frequenz ab der sich der Skineffekt bemerkbar macht. Bei einem runden Draht von 2mm Durchmesser fängt der Effekt etwa oberhalb von 10kHz an zu wirken. Je dicker der Draht, desto niedriger die Frequenz ab der der Effekt einsetzt. Das heißt aber nicht daß dünnere Drähte besser als dickere Drähte sind, denn der Widerstand eines dickeren Drahts ist immer niedriger als der eines dünneren Drahts, auch unter Berücksichtigung des Skineffekts, nur nicht um so viel wie es sich aus dem Materialquerschnitt ergeben würde. Der dünnere Draht überholt also nie den dickeren Draht. Man kann nur einen Vorteil erreichen wenn man den dickeren Draht durch mehrere voneinander isolierte dünnere Drähte ersetzt. Aber auch das kann man nicht ohne weiteres beliebig steigern, weil durch den Proximityeffekt der Stromfluß durch benachbarte Drähte auch wieder gegenseitige Einflüsse zur Folge hat.

o Dielektrische Absorption. Das Dielektrikum ist das Isoliermaterial zwischen zwei elektrischen Leitern. In einem Kabel ist es also das Material, was zwei Drähte voneinander trennt. In den allermeisten Fällen ist es ein Plastikmaterial. Je nach Material zeigt sich ein Effekt, der eine Art Speicherwirkung zeigt. Wenn man eine Spannung anlegt, eine Zeit wartet, und die Spannung wieder wegnimmt, dann hat sich das Dielektrikum die Spannung "gemerkt" und gibt sie zu einem gewissen Grad wieder ab. Das ist verschieden von der Kabelkapazität, weil die Energie nicht im elektrischen Feld steckt, sondern anscheinend Moleküle im Material eine Orientierung erfahren. Dieser Effekt wird oft mit Verzerrungen durch Kondensatoren in Zusammenhang gebracht. Es handelt sich aber um einen sehr schwachen Effekt, der auch bei Kondensatoren nur in wenigen Fällen eine merkliche Rolle spielt, und zwar vor allem bei sehr hochohmigen Anwendungen. Merkliche Auswirkungen bei NF-Kabeln sind bisher im Bereich der Spekulation anzusiedeln, und sie dürften umso schwächer ausfallen je niederohmiger die Quelle ist.

o Laufzeit. Kein Signal breitet sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit aus. In einem Kabel ist die Ausbreitung sogar langsamer, abhängig von den Eigenschaften des Dielektrikums. Typische Plastikmaterialien führen zu einer Abbremsung auf etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit. Verglichen mit der Schallgeschwindigkeit ist das immer noch extrem schnell. Der Schall legt in der Zeit, in der das Licht 1km zurücklegt, nur 1mm zurück. Da NF-Signale ultimativ vom Ohr wahrgenommen werden sollen, müssen sie irgendwann in Schall umgewandelt werden. Effekte, die durch Laufzeiten in Kabeln verursacht sind, können also im Normalfall nur die Größenordnungen haben, die entsprechenden Effekten des Schalls im Submillimeterbereich entsprechen. Es ist also schwer vorstellbar wie Laufzeiteffekte einen im NF-Bereich merkbaren Effekt haben sollen.

o Verdrillung/Verseilung. Dies hat zum Einen mechanische Auswirkungen. So hängt zum Beispiel die Biegesteifigkeit und der minimale Biegeradius eines Kabels (neben Anderem) davon ab, wie die einzelnen Drähte darin gelegt sind. Das Ganze ist eine Wissenschaft für sich und der Normalanwender braucht sich nicht dafür zu interessieren. Es gibt aber auch elektrische Auswirkungen. Bei symmetrischer Übertragung (z.B. Telefon, oder XLR-Verbindungen) werden Drähte paarweise verdrillt. Dadurch kann man einen bestimmten Wellenwiderstand "einstellen", und wenn Störungen eingekoppelt werden, dann ist die Chance groß daß genau das umgekehrte Signal in die nächste halbe "Windung" eingekoppelt wird, so daß sich das Ganze in der Summe wieder aufhebt. Verdrillte symmetrische Leitungen können auch ohne Schirm schon eine große Störsicherheit haben, wie z.B. das Telefonnetz zeigt. Ein zusätzlicher Schirm verbessert das zusätzlich. Besonders interessant ist, daß die Störunterdrückung auch bei niederfrequenten Magnetfeldern gut ist, bei denen ein Schirm nichts hilft. Dafür wird die Unterdrückung bei höheren Frequenzen schlechter. Deswegen ist die Kombination aus verdrillten Drahtpaaren mit Abschirmung besonders gut; die zwei Methoden ergänzen sich prima. Voraussetzung ist allerdings die symmetrische Signalübertragung, was bei Hifi-NF-Verkabelung die Ausnahme ist.

o Drahtmaterial. Das bei weitem häufigste Material ist natürlich Kupfer. Es leitet den Strom sehr gut (nur Silber ist geringfügig besser) und das Metall ist gut zu Drähten zu ziehen und biegefähig. Ein Nachteil ist daß die Oberfläche zum Oxidieren neigt, und das Oxid hat schlechte elektrische Eigenschaften (man kann sogar Gleichrichter damit bauen, und das ist ein bei Kabeln sehr unerwünschter Effekt). Auch mit anderen Elementen geht Kupfer gern Verbindungen ein. Für das Kabel selbst ist das unerheblich, aber an Kontaktstellen (Stecker etc.) kann sich das bemerkbar machen. Es gibt eine Reihe von Methoden um das in den Griff zu bekommen. Man kann die Oberfläche mit einem anderen Metall veredeln, z.B. Zinn oder Silber. Man kann aber auch einfach die Luft aussperren, durch gasdichte Verbindungen (Löten, Schweißen, Kompression, etc.). Viele Legenden ranken sich auch um die kristalline Struktur von Kupfer und den Einfluß von Spuren von Sauerstoff darin. Es wird zwar ein klanglicher Vorteil von sauerstoffreiem Kupfer behauptet, ich kenne aber keine entsprechenden Nachweise dafür. Klar ist daß sauerstoffreies Kupfer etwas bessere Leitfähigkeit sowohl von elektrischem Strom als auch von Wärme hat. Sauerstoffhaltiges Kupfer neigt auch eher zu Versprödung, besonders in einer Wasserstoffatmosphäre. Auch im Vakuum (z.B. Röhren) bevorzugt man sauerstoffreies Kupfer, weil der Sauerstoff sonst ausgasen könnte. Inwiefern das alles für Kabel relevant ist sei dahingestellt. Gelegentlich findet man auch andere Drahtmaterialien, vor allem Silber, das eine etwas bessere Leitfähigkeit und vorteilhafteres Korrosionsverhalten hat (das Oxid ist leitfähig). Es ist aber im Vergleich ausgesprochen teuer. Der Nutzen gegenüber versilbertem Kupfer ist fraglich.