Twisted Pair

Ein Twisted Pair ist ein Aderpaar, dessen beide Leiter mit einer festgelegten Schlaglänge umeinander gedreht sind — bei Netzwerkkabeln typischerweise ein Schlag alle ein bis zwei Zentimeter, bei jedem Paar im Kabel etwas anders. Die Verdrillung ist kein Fertigungsrest und keine Zugentlastung, sondern das entscheidende Konstruktionsmerkmal: Sie ist der Grund, warum ein ungeschirmtes Kabel neben einer Stromleitung liegen kann, ohne dass die Verbindung zusammenbricht.

Ausführliche Erklärung

Ein Magnetfeld, das sich ändert, treibt in jeder Leiterschleife eine Spannung — und wie groß sie ist, hängt von der Fläche ab, die die Schleife aufspannt. Zwei parallel geführte Adern bilden eine lange, schmale Schleife; ein Störfeld aus einer benachbarten Leitung koppelt in diese Fläche ein, und das Ergebnis liegt als Spannung zwischen den beiden Adern — also genau dort, wo das Nutzsignal steht.

Die Verdrillung greift diesen Mechanismus an zwei Stellen an. Sie verkleinert erstens die Fläche, weil die Adern eng aneinanderliegen. Und sie kehrt zweitens deren Orientierung mit jedem halben Schlag um: Was im einen Abschnitt eine Spannung in die eine Richtung treibt, treibt sie im nächsten in die andere, und über die Länge der Strecke bleibt in der Summe sehr wenig übrig.

Beschrieben hat das Alexander Graham Bell schon 1881, in einer Zeit, in der Telegrafen- und Bahnstromleitungen den frisch gebauten Telefonnetzen dazwischenfunkten. Sein Patent auf den Telephone-Circuit begründet die verdrillte Führung damit, dass die beiden Adern eines Paares durch den Schlag abwechselnd dieselbe Lage zu allen übrigen Adern einnehmen; deshalb, so das Patent, sei bei verdrillten Adern ihr Abstand zueinander für die Störfreiheit ohne Belang. Das Argument ist bis heute unverändert gültig, und die Bauform hat inzwischen mehr Kilometer im Boden als jede andere.

Verdrillen entfernt nichts — es verschiebt

Hier liegt der Punkt, an dem die verbreitete Kurzfassung „Verdrillung unterdrückt Störungen" zu kurz greift. Die Verdrillung sorgt dafür, dass die Störung auf beiden Adern gleich anliegt. Sie ist damit vom Gegentakt in den Gleichtakt gewandert — aus dem Bereich, in dem das Nutzsignal lebt, in einen Bereich, den der Empfänger ignorieren kann. Weg ist sie erst, wenn am Ende ein symmetrischer Eingang sitzt, der nur die Differenz der beiden Adern auswertet.

Twisted Pair und symmetrische Übertragung sind deshalb keine zwei unabhängigen Maßnahmen, sondern zwei Hälften derselben. Ein verdrilltes Paar an einem unsymmetrischen Eingang bringt fast nichts, und ein symmetrischer Eingang an zwei parallel geführten Adern ebenfalls wenig.

Daraus folgt die eigentliche Qualitätsgröße eines Datenkabels, und sie heißt nicht Schirmung, sondern Symmetrie: Beide Adern müssen elektrisch möglichst gleich sein — gleiche Länge, gleicher Isolationsaufbau, gleiche Kapazität gegen Erde. Wo diese Gleichheit verletzt wird, wandelt sich Gleichtakt teilweise zurück in Gegentakt, und die Störung ist wieder da. Eine gequetschte Stelle, ein angeschnittener Leiter, ein einseitig aufgedrehtes Paar: Jedes davon ist eine Unsymmetrie.

Warum jedes Paar anders gedreht ist

In einem vieradrigen Datenkabel liegen vier Paare nebeneinander, und jedes davon ist selbst eine Störquelle für die anderen — das Nebensprechen. Hätten alle dieselbe Schlaglänge, lägen die Adern über die ganze Strecke in gleichbleibender Lage zueinander, und die Einkopplung würde sich aufaddieren statt sich auszumitteln. Deshalb bekommt jedes Paar eine eigene Schlaglänge. Die unterschiedlichen Drehungen sind mit bloßem Auge erkennbar, sobald man den Mantel abzieht.

Die zweite Wirkung: ein definierter Wellenwiderstand

Die Verdrillung hält die beiden Adern in einem konstanten Abstand. Damit sind Kapazität und Induktivität je Meter festgelegt — und damit der Wellenwiderstand des Paares. Er ist der Grund, warum die einschlägigen Normen überhaupt Zahlen nennen können: 100 Ohm für die symmetrische Gebäudeverkabelung nach ISO/IEC 11801 und TIA-568, 110 Ohm für AES3, rund 120 Ohm für RS-485 und die darauf aufsetzenden Busse.

Und daraus folgt die Regel, die auf jeder Baustelle gebrochen wird: Am Auflegepunkt darf das Paar nur ein kurzes Stück aufgedreht werden. TIA-568 nennt dafür 13 Millimeter, gemessen von der letzten Schlagstelle bis zur Schneidklemme. Was darüber hinausgeht, ist zweierlei zugleich — eine Stelle ohne Verdrillung, an der eingekoppelt wird, und eine Stoßstelle im Wellenwiderstand, an der reflektiert wird.

Wo Twisted Pair überall steckt

Die Bauform überträgt weit mehr als Ethernet, und das ist für die Planung der interessante Teil: Es sind fast immer dieselben Kabelwege, dieselben Verlegeregeln und dieselben Fehlerbilder.

Bei analogem Audio zählt allein die Störfestigkeit; der Wellenwiderstand spielt dort keine Rolle, weil die Wellenlängen kilometerlang sind. Bei allem Digitalen zählt beides.

Häufiges Missverständnis

„Geschirmt ist besser als verdrillt" ist der Irrtum, der beim Einkauf die meisten Fehlentscheidungen erzeugt, und er verwechselt zwei Mechanismen gegen zwei verschiedene Störarten. Die Verdrillung wirkt gegen magnetische Einkopplung, wie sie von stromdurchflossenen Leitungen in der Nähe ausgeht. Der Schirm wirkt gegen elektrische Felder und gegen hochfrequente Einstrahlung. Das eine ersetzt das andere nicht. Ein ungeschirmtes Kabel mit sauberer Symmetrie schlägt in der Praxis regelmäßig ein geschirmtes, dessen Schirm an einem Ende nicht richtig aufgelegt ist — denn ein einseitig oder gar nicht aufgelegter Schirm wirkt nicht, und ein beidseitig aufgelegter kann bei Potentialunterschieden zwischen zwei Gebäudeteilen selbst Ströme führen. Welcher Aufbau wann sinnvoll ist, steht bei der Schirmung.

Der zweite ist handwerklich und begegnet einem an fast jeder nachträglich gesetzten Dose: „Ein paar Zentimeter aufdrehen schadet nicht." Es schadet erst dann sichtbar, wenn die Strecke mehr leisten muss als bisher. Eine Verbindung mit weit aufgedrehten Paaren läuft mit Gigabit-Ethernet oft klaglos und fällt in dem Moment aus, in dem eine Kamera mit 10 Gigabit oder ein AV-over-IP-Gerät daran soll — und dann sucht man den Fehler im Gerät.

Der dritte betrifft die Begriffe selbst. „Verdrillt" beschreibt den Kabelaufbau, „symmetrisch" das Übertragungsverfahren. Ein Cinch-Verlängerungskabel wird nicht dadurch symmetrisch, dass seine Adern verdrillt sind.

Nicht zu verwechseln mit

• Schirmung: eine leitfähige Hülle um Paar oder Kabel. Anderer Mechanismus, andere Störart, eigene Anforderungen an die Auflegung.
• Sternvierer: vier Adern, bei denen jeweils zwei gegenüberliegende parallel geschaltet ein Signalleiter bilden. Dieser Aufbau mittelt das Störfeld noch besser aus als ein Paar und ist bei Mikrofonleitungen verbreitet — er hat dafür eine höhere Kapazität je Meter.
• Verseilung des Gesamtkabels: Dass mehrere Paare gemeinsam verdrallt im Mantel liegen, ist Fertigungstechnik und dient der Flexibilität und der Formstabilität. Die störunterdrückende Wirkung steckt im Paar, nicht im Bündel.
• Symmetrische Übertragung: das Verfahren am Sender und Empfänger. Twisted Pair ist das Medium, das dieses Verfahren erst wirksam macht — aber die beiden Begriffe bezeichnen nicht dasselbe.

Aus der Praxis

In einem Neubau sind zwölf Netzwerkdosen gesetzt worden, alle vom Elektriker aufgelegt, alle „geprüft" im Sinne von: Der Rechner bekommt eine Verbindung. Ein Jahr später kommen Deckenlautsprecher mit AV-over-IP, zwei Access Points und vier PoE-Kameras dazu. Drei Strecken laufen nicht stabil, zwei Kameras starten immer wieder neu.

Jede Fehlersuche beginnt beim Soll: Was soll diese Verkabelung übertragen — heute und in zehn Jahren? Eine Strecke für einen Bürorechner und eine Strecke für zeitkritische Audio- und Videodaten mit gleichzeitiger Stromversorgung sind unterschiedliche Anforderungen an dieselbe Leitung. Solange das nicht festgelegt ist, gibt es keinen Maßstab, an dem eine Dose „richtig" ist.

Der Weg dorthin ist unspektakulär: messen statt vermuten. Eine Zertifizierungsmessung über den Permanent Link zeigt Nebensprechen und Rückflussdämpfung und findet damit genau die Fehler, die eine Verbindungsprüfung übersieht — aufgedrehte Paare, gequetschte Stellen, Module der falschen Kategorie. Dazu gehört die Sichtprüfung an den Dosen: Wie weit sind die Paare geöffnet, sitzt der Mantel bis unmittelbar an die Klemmstelle, ist die Zugentlastung gesetzt.

Erst danach kommen Geräte und Komponenten ins Spiel — und die Erfahrung aus solchen Situationen ist, dass die Nacharbeit fast immer an den Auflegestellen liegt und nicht am Kabel in der Wand. Ausgetauscht werden Module und Patchkabel, nicht die Installation.

Verknüpfte Inhalte

Warum die Gegenstelle die Störung erst wegrechnet, steht bei der symmetrischen Übertragung; warum die feste Geometrie des Paares einen Zahlenwert ergibt, beim Wellenwiderstand. Die Schirmungsvarianten und ihre Notation behandeln Schirmung und Schirmungsnotation, die Leistungsklassen der Kabel die Kabelkategorien. Was an Netzwerkinfrastruktur im Haus zusammenkommt, steht bei den Grundlagen des Heimnetzwerks, die Stromversorgung über dieselbe Leitung bei Power over Ethernet.

Quellen

Die Verdrillung als Mittel gegen induktive Störung und ihre Begründung gehen auf Bells Patent von 1881 zurück, das für diese Seite im Volltext eingesehen wurde. Die Nennwellenwiderstände und die Anforderungen an Nebensprechen stammen aus ISO/IEC 11801 und ANSI/TIA-568, der Wert für AES3 aus der AES3-Norm, die differentiellen Steuerschnittstellen aus TIA-485 und TIA-422.