CoaXPress-Kabellänge

CoaXPress Überlegungen zur Kabellänge

Der CoaXPress-Standard ist eine bekannte Schnittstelle zur Downstream-Übertragung von schnellen Datenströmen (in der Regel von einer Kamera zu einem Framegrabber), langsameren Steuerdaten und Gleichstrom (vom Framegrabber zur Kamera) über ein gemeinsames Koaxialkabel. Seit seiner Veröffentlichung im Jahre 2010 lautet bis heute eine der häufigsten Fragen von Kunden und Anwendern: „Welche maximale Kabellänge kann ich in meinem System erreichen?“ Die typische Antwort auf diese Frage ist: „Es kommt darauf an …“.

Um diese Frage zu beantworten, beleuchtet dieser Artikel die grundlegenden Eigenschaften von Koaxialkabeln, die deren maximale Übertragungsdistanz bestimmen, erklärt deren Auswirkungen im Kontext des CoaXPress-Standards und stellt Lösungen vor, mit denen sich die Grenzen des Standards erweitern lassen.

Koaxialkabel: Dämpfung und Frequenz

Koaxialkabel – kurz Koaxkabel – wurden im 19. Jahrhundert mit dem Ziel entwickelt, Signalstörungen zwischen parallelen Leitungen wirksam zu verhindern. Moderne Koaxialkabel werden häufig zur Übertragung und zum Empfang von hochfrequenten elektrischen Signalen in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, das von Radiosendern bis zu Hochgeschwindigkeits-Computern reicht.
Die maximale Länge eines Koaxialkabels wird in erster Linie durch die Signaldämpfung auf dem Kabel begrenzt. Diese Kabeldämpfung wird in der Regel in Dezibel pro 100 Fuß oder 100 Meter (dB/100 ft oder dB/100 m) angegeben und ist frequenzabhängig, d. h. sie ändert sich in Abhängigkeit von der übertragenen Frequenz.
Die folgende Grafik zeigt typische Dämpfungs-Frequenz-Kurven von vier verschiedenen Kabeln, die für denselben Anwendungsbereich vorgesehen sind. Die Dämpfungskennlinien werden in der Regel von den Kabelherstellern bereitgestellt und beziehen sich auf die Frequenzbereiche, die für den jeweiligen Anwendungszweck relevant sind.

In der obigen Grafik ist Kabel A ein dünnes und leichtes Kabel mit einem Durchmesser von nur 2,5 mm; es weist die höchste Dämpfung der vier Kabel auf. Die Kabel B und C haben den gleichen Außendurchmesser von 7 mm, jedoch unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Kabel B ist flexibel aufgebaut und für Anwendungen vorgesehen, bei denen Kabel während des Betriebs mehreren Biegezyklen ausgesetzt sind. Kabel C ist ein eher normales Kabel, das in festen Installationen mit begrenzten Biegezyklen verwendet wird. Kabel D ist ein dickes und schweres Kabel mit einem Außendurchmesser von 10 mm; es dämpft das Signal insgesamt nur gering.

Um die maximal nutzbare Kabellänge in einem System zu bestimmen, muss bekannt sein, welche Signaldämpfung der Empfänger noch toleriert. Am Beispiel eines Systems, in dem die vom Empfänger zulässige Signaldämpfung bei 3000 MHz -17 dB beträgt: Wir können einfach die bekannte Kabeldämpfung bei der Zielfrequenz mit der maximal zulässigen Signaldämpfung multiplizieren, die in diesem Fall -17 dB beträgt. Wenn wir die maximale Kabellänge bei 3000 MHz für die Kabel A, B, C und D berechnen, erhalten wir Folgendes:

Wie dieses Beispiel zeigt, ist die Antwort „Es kommt darauf an“ immer noch die richtige. Die Signaldämpfung entlang des Kabels hängt wesentlich von mehreren Faktoren ab – darunter der Durchmesser des Innenleiters, der Aufbau als massiver Kupferdraht oder als flexiblere Litze sowie von der Materialqualität und den verwendeten Isolationswerkstoffen. Als schnelle Faustformel gilt: dünne und leichte Kabel weisen eine höhere Signaldämpfung auf und erlauben daher nur kürzere Kabellängen, während dicke und schwere Kabel das Signal weniger dämpfen und somit längere Kabelstrecken ermöglichen. Bei Kabeln ähnlicher Qualität und mit einem ähnlichen Durchmesser kann die Dämpfung in Abhängigkeit von ihren mechanischen Eigenschaften variieren:

• Mehr Flexibilität (Innenleiter aus Litze) = höhere Dämpfung
• Geringere Flexibilität (Innenleiter aus Volldraht) = geringere Dämpfung

Kabellänge im CoaXPress-Standard

Wie bereits erwähnt, müssen wir zur Berechnung der maximalen Kabellänge bei einer bestimmten Frequenz die maximale Dämpfung kennen, die der Systemempfänger bei dieser Frequenz zulässt, sowie die entsprechende Signaldämpfung im Kabel. Der CoaXPress-Standard definiert nicht nur die maximal zulässige Signaldämpfung auf der Empfängerseite, sondern auch die maximal zulässige Dämpfung für Kabel. Das Ziel ist eine höhere Benutzerfreundlichkeit: Kabelhersteller können Standardprodukte zertifizieren, die mit allen anderen CoaXPress-zertifizierten Komponenten wie Kameras und Framegrabbern kompatibel sind. Die folgende Tabelle zeigt die maximal zulässige Dämpfung von schnellen, also hochfrequenten Signalen für Empfänger und Kabel:

Die Differenz zwischen der maximalen Dämpfung für Empfänger und Kabel schafft eine Sicherheitsmarge, bei der die Kabel einige Meter kürzer sein müssen als die vom Empfänger tolerierte maximale Länge. Diese Marge garantiert, dass alle handelsüblichen, CoaXPress-zertifizierten Kabel mit zertifizierten Framegrabbern und Kameras kompatibel sind. Wenn wir zum Beispiel mit Kabel A, B, C und D zurückkehren, erhalten wir die folgenden maximalen Längen:

Auch hier zeigt sich: Die richtige Antwort lautet erneut „Es kommt darauf an֧“. Nehmen wir beispielsweise Kabel C: In einem CXP-12-System kann es bis zu 34 m lang sein, während dasselbe Kabel in einem CXP3-System bis zu 110 m lang sein darf! Dies zeigt, dass auch Systemparameter die maximal unterstützte Kabellänge beeinflussen können.

Der CoaXPress-Standard definiert auch die maximal zulässige Dämpfung für die niederfrequenten Signale zur Kamerasteuerung, die vom Framegrabber zur Kamera übertragen werden. Die folgende Tabelle zeigt die maximal zulässige Dämpfung von niederfrequenten Signalen für Empfänger und Kabel:

Im Beispiel mit den Kabeln A, B, C und D hat die Dämpfung von niederfrequenten Signalen keinen Einfluss auf die maximale Kabellänge, da die maximal mögliche Länge durch die Dämpfungswerte der High-SpeedSignale bestimmt wird, die deutlich restriktiver sind. Da CoaXPress sowohl hochfrequente Daten- als auch niederfrequente Steuersignale über dasselbe Koaxialkabel überträgt, bestimmt der Frequenzbereich mit der höchsten Dämpfung die maximal mögliche Kabellänge. Die folgende Grafik zeigt die Ergebnisse unter Verwendung der maximal zulässigen Signaldämpfungs-Parameter für niedrige Frequenzen:

Neben der Signaldämpfung entlang des Kabels kann die Kabellänge auch durch den GleichstromGesamtwiderstand des Kabels (Hin- und Rückleitung) beeinflusst werden. Der Grund dafür ist die Möglichkeit von CoaXPress, die Kamera über dasselbe Koaxialkabel mit Strom zu versorgen, das auch für die Datenübertragung verwendet wird. Diese als Stromversorgung über CoaXPress (Power over CoaXPress, PoCXP) bezeichnete Funktion erlaubt einen Spannungsabfall von 3,5 V bei einem maximalen Strom von 703 mA, was einen maximalen Gleichstromwiderstand auf Hin- und Rückleitung von 4,98 ergibt.

Wenn wir diesen Parameter auf die Kabel A, B, C und D anwenden, erhalten wir die folgenden maximalen Kabellängen:

Diese Ergebnisse zeigen, dass der Gleichstromwiderstand für dünne Kabel wie Kabel A wichtiger ist. Da der Gleichstromwiderstand bei allen CXP-Geschwindigkeiten gleich ist, ist die maximale Länge für Kabel A auf 19 m begrenzt, während der Gleichstromwiderstand für die Kabel B, C und D keinen Einfluss hat.

Anhand aller Dämpfungswerte für Hoch- und Niederfrequenzsignale sowie des Gleichstromwiderstands über Hin- und Rückleitung lässt sich die folgende Grafik mit den maximalen Kabellängen erstellen:

Außerdem gibt es in Bezug auf den CoaXPress-Standard ein häufiges Missverständnis hinsichtlich der maximalen Kabellänge, die als Beispiel im Standarddokument angegeben ist. Der CoaXPress-Standard verwendet das Kabel Belden 1694A als Referenz im Dokument, um die Auswirkungen der erforderlichen Parameter auf die Kabellänge zu veranschaulichen. Die Ergebnisse für das Belden 1694A werden häufig fälschlich als allgemeine Maximalwerte für CoaXPress-Kabellängen interpretiert; dabei handelt es sich, wie in diesem Artikel gezeigt, lediglich um die Werte für ein spezifisches Kabel.

Standardmäßige CoaXPress-Kabel

In der Praxis müssen CoaXPress-Anwender die hier dargestellte Analyse zur Kabellänge jedoch nicht selbst durchführen. Mehrere Unternehmen bieten vorkonfektionierte Kabelsätze an, die die Anforderungen des CoaXPress-Standards erfüllen. Viele dieser Unternehmen lassen ihre Kabel auch von der Japan Industrial Imaging Association (JIIA) zertifizieren, die den CoaXPress-Standard verwaltet. Diese Zertifizierung garantiert die Interoperabilität aller CoaXPress-Komponenten (Kameras, Framegrabber und Kabel).

Hier finden Sie eine Liste von Unternehmen, die standardmäßige CoaXPress-Kabel anbieten:

• 3M
• Alysium-Tech GmbH
• Components Express, LLC.
• HIRAKAWA HEWTECH CORP.
• NISSEI ELECTRIC CO., LTD.
• ROCKCOM