Fehlerbestimmung in Cat-5e/6 Kabeln mithilfe TDR

Jeder der schon einmal größere Strecken Netzwerkkabel verlegt hat, kennt das Problem: Es funktioniert nicht, aber 100m Austauschen ist nicht unbedingt eine Option.
Einfache Netzwerktester können einem Mitteilen, welche Ader kaputt ist, aber nicht wo.
Abhilfe schafft da „Time-Domain-Reflectometry“, wie es auch hier angewendet wird.

Grundlagen

Hat man hochfrequente elektrische Signale, so verhalten sich Kabel nicht mehr wie man es kennt bei Gleichstrom, sondern werden zu Wellenleitern. Das hat zur Folge, dass es Kabel nicht mehr gleich Kabel ist und ein Signal von einem offenen Ende oder einem Kurzschluss Reflektiert wird. Auch die Impedanz des Kabels, Generators und Verbrauchers spielen eine Rolle, genau so wie die Schirmung.

Für den hier gezeigten Fall gilt es, einen Kabelbruch(offenes Ende) oder einen Kurzschluss festzustellen und auch zu lokalisieren. Dazu wird die Zeitbereichsreflektometrie, im Englischen Time-Domain-Reflectometry, kurz „TDR“, genannt, verwendet.
Man schickt einen Puls mit einer sehr schnellen Flanke(hohe Frequenz) in ein Kabel und wartet ob und wann es zurück kommt, Reflektiert durch einen Kurzschluss oder einem offenen Ende. Über die Zeit, die Lichtgeschwindigkeit und dem Verkürzungsfaktor kann man dann berechnen, wie weit Weg die Fehlstelle vom Anfang des Kabels ist.
Gemessen wird der Puls mit einem Oszillsokop mit ausreichend Bandbreite(>=60MHz), der Abgriff wird hochohmig am Anfang des zu messenden Kabels durchgeführt. Der Verkürzungsfaktor gibt an, wie viel langsamer sich ein Signal in einem Kabel ausbreitet, da es sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Für das hier verwendet Cat-5e beträgt er ca 0,75.
Damit ergibt sich die Formel zu Berechnung der Länge l aus der gemessenen Zeit t zwischen gesendetem Puls und dem zurück kommenden Puls zu:
l=c_0*t*0.75*0.5
c0 ist die Lichtgeschwindigkeit, 0,75 der Verkürzungsfaktor. 0,5 weil das Signal die doppelte Strecke(hin und zurück) zurücklegen musste.
Glücklicherweise sind die Reflexionen an einem Kurzschluss und an einem offenen Ende unterschiedlich, sodass man diese im Zeitlichen verlauf erkennen kann.
Ein offenes Ende wirft eine Welle so zurück, dass sie sich mit der Eingehenden Addiert, später sieht man das als einen Anstieg des Signalpegels.
Ein Kurzschluss wirk Subtrahierend, sodass man diesen an einem absinken des Pegels erkennt.
Grundsätzlich wird aber eine Welle nicht nur an einem offenen Ende oder an einem Kurzschluss reflektiert, sondern immer da wo sich die Impedanz des Übertragungsmediums(Wellenleiter) ändert. Dies ist wichtig zu beachten, da dies schon an einer Übergangsstelle zu einem anderen Kabel oder bei der Verwendung des falschen Kabels passieren kann.
Ausgerüstet mit den Grundlagen kann es nun los gehen. Es fehlt noch ein Generator für den Puls.

Signalgenerator

Hier wird kein Impulsgenerator verwendet, da es mir(cloidnerux) an einer Diode fehlte, die schnell genug ist. Dazu aber später mehr. Verwendet wird stattdessen ein Rechteckgenerator mit steilen Flanken, was auch gut funktioniert.
Die Schaltung ist folgende:
TDR Generator

Verwendet wird ein Invertierender-Schmitt-Trigger des Typs SN74AC14N, der über einen 7805 mit 5V versorgt wird. Der 74AC14 benötigt mindestens 2V, maximal 6V
Zur Schaltung an sich:
U2D bildet zusammen mit C1 und R3 einen Rechteckgenerator. Da der Ausgang des Schmitt-Triggers invertiert ist, liegt nach dem starten 5V am Ausgang an. Über den Widerstand R3 wird dann der Kondensator C1 aufgeladen, bis dieser die Schwellspannung erreicht, bei der der Schmitt-Trigger kippt und damit den Ausgang auf 0V setzt. Damit entlädt sich der Kondensator über R3 wieder bis die untere Kippspannung erreicht wird.
Es ist zu erkennen, dass die Frequenz über die Zeitkonstante von R3 und C1 eingestellt wird. Das Ausgangssignal ist ein symmetrisches Rechtecksignal.
Möchte man nun statt einem Rechtecksignal Pulse haben, so muss man eine Diode mit Serienwiderstand parallel zu R3 schalten. Die Durchlassrichtung gibt dann an, ob der Puls „negativ“ oder „positiv“ ist. Funktionell wird durch die Diode beim Auf- oder Entladen der Widerstand R3 überbrückt und der Kondensator sehr schlagartig geladen, sodass die Zeit für Laden oder Entladen sehr viel kürzer wird.

Die restlichen Schmitt-trigger „Buffern“ das Signal und sind parallel Geschaltet, sodass genug Ausgangsleistung bereit steht. Die Serienwiderstände R1, R2, R4-R6 dienen der Impedanzanpassung. Cat-5e Kabel haben 100Ω Impedanz, um Reflektionen schon direkt am Eingang zu vermeiden, muss die Impedanz von Generator und Übertragungsleitung passen. Durch die Parallelschaltung ist der effektive Widerstand 100Ω. Hier sollten die Widerstandswerte eingehalten werden. Praktisch wird man 510Ω Widerstände verwenden, da diese einfacher zu bekommen sind.

P6 ist ein 2×8 Pfostenleiste, die als Auswahlschalter fungiert. Über einen Jumper lässt sich die Ader stecken, die getestet werden soll. Es ist nicht möglich alle Adern gleichzeitig zu testen.
P7 ist eine RJ45 Buchse ohne Spulen(magnetics), das ist Wichtig, damit die Messung funktioniert.

Versuchsaufbau

Da wir nun die Schaltung haben, kann es ja los gehen.
Ich habe den Generator auf einem Stück Lochraster Aufgebaut:
Aufbau TDR-Generator

Zu sehen ist, dass mein Signal-Generator von einer 9V Batterie versorgt wird, um mobil zu sein. Das Signal wird mit einem Tekway DST1102B 100MHz DSO abgegriffen, unten rechts zu sehen.
Der Ausgang des Signalgenerators ohne angeschlossenes Kabel ist folgender:
Ausgang TDR-Generator ohne angeschlossenes Kabel

Um die Funktionsweise der TDR zu verdeutlichen wird nun einen 30m Cat-5e Kabel angeschlossen:
Verlauf Spannung mit 30m Cat-5e Kabel

Man kann sehr gut die Reflexion erkennen, die nach 270ns zurück kommt. Rechnet man die Kabellänge l=c_0*t*0.75*0.5 aus, so kommt man auf 30,35m, was sehr gut der Realität entspricht.
Wer genau hinschaut sieht aber auch, dass es nochmal eine kleinre Signalflanke gibt, die etwas später zurück kommt:
Verlauf Spannung 30m-Cat-5e Kabel, zweite Reflexion

540ns ist genau die doppelte Zeit des ersten Pulses, was ist hier passiert?
Wie schon in den Grundlagen geschrieben, wird ein Signal an jeder Asymmetrie der Impedanzen reflektiert. Hier ist es so, dass Generator- und Kabelimpedanz nicht ganz passen. Das zurücklaufende Signal wird an dem Übergang weider Reflektiert und kommt dementsprechend wieder 270ns später zurück.

Abschließend ist noch der Kurvenverlauf für einen Kurzschluss zu zeigen:
Verlauf Spannung am Ausgang des Generators bei einem Kurzschluss

Wie zu erwarten kommt die Reflexion nach 270ns, nur diesmal wird der Signalpegel verringert statt erhöht. Die zweite Reflexion nach 540ns ist am rechten Bildrand zu erkennen.

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