Fig 1 - Telefoontoren in Stockholm met 5000 lijnen

Fig.1 - Telefoontoren in Stockholm met 5000 lijnen

Fig 2 - Straatbeeld (USA) voor en nadat de luchtlijnen vervangen zijn door kabels

Fig 2 - Straatbeeld (USA) voor en nadat de luchtlijnen vervangen zijn door kabels

Fig 3 - Porseleinen isolatoren voor luchtlijnen

Fig 3 - Porseleinen isolatoren voor luchtlijnen

Fig 4 - Luchtlijnen en spoorwegen liepen meestal samen van stad naar stad

Fig 4 - Luchtlijnen en spoorwegen liepen meestal samen van stad naar stad

 Fig 5 - Omgevallen “luchtlijnen”

Fig 5 - Omgevallen “luchtlijnen”

Fig 6 - Een van de eerste grondkabels voor telegrafie geïsoleerd met Gutta Percha uit 1877

Fig 6 - Een van de eerste grondkabels voor telegrafie geïsoleerd met Gutta Percha uit 1877

Fig 7 - Kabel leggen in de 50er jaren

Fig 7 - Kabel leggen in de 50er jaren

Fig 8 - Kabels aan elkaar lassen, meestal in een tent

Fig 8 - Kabels aan elkaar lassen, meestal in een tent

Fig 9 - Tweedraadsversterker (buizen)

Fig 9 - Tweedraadsversterker (buizen)

Fig 10 - Draaggolf apparatuur

Fig 10 - Draaggolf apparatuur

 Fig 11 - Draaggolfkabel met papier isolatie (1955)

Fig 11 - Draaggolfkabel met papier isolatie (1955)

Fig 12 - Polyetheen kabel voor binnen en buiten (grondkabel)

Fig 12 - Polyetheen kabel voor binnen en buiten (grondkabel)

Fig 13 - Glasvezel aansluitingen in het aansluitnet

Fig 13 - Glasvezel aansluitingen in het aansluitnet

Fig 14 - Koper- en glasvezelkabels (blauw) in kabelkelder

Fig 14 - Koper- en glasvezelkabels (blauw) in kabelkelder

Fig 15 - Zeekabel (coax) met versterker

Fig 15 - Zeekabel (coax) met versterker

Fig 16 - Zeekabel met glasvezel

Fig 16 - Zeekabel met glasvezel

 

16 - Een web van lijnen

Inleiding

Sinds het begin van de elektrische telecommunicatie (begin 19de eeuw) worden luchtlijnen, en later kabels, gebruikt om berichten te verzenden over grotere afstanden dan met louter de stem en gebaren te overbruggen zouden zijn. Later kwam door het werk van Hertz en Marconi ook radio als transport middel van berichten beschikbaar. Dit venster beperkt zich echter tot luchtlijnen en kabels. Het gebruik ervan voor vermogenstransport valt ook buiten deze canon.
De toenemende vraag naar capaciteit en naar het overbruggen van grotere afstanden tegen lagere kosten bracht een hele ontwikkeling op kabelgebied op gang. Toen men in staat was om de inhoud van berichten in de communicatie te digitaliseren (halverwege 20ste eeuw) kwam glas op als medium, naast koper, om berichten over te verzenden.
Overigens zijn ook in de mobiele communicatie kabels onontbeerlijk. Bij mobiele communicatie gaan de verbinding tussen mobieltje en plaatselijk zendmasten via radio. Vanaf de zendmast gaat de verbinding met kabels, soms met tussenschakeling van een straalverbinding, naar het telecommunicatie netwerk.

Het eerste begin

De uitvinding van de batterij door de Italiaan Volta in 1800 is het begin geweest van de ontwikkeling van kabels om elektrische stroom over te brengen. Ze werden eerst gebruikt om elektrisch vermogen over te brengen naar bijvoorbeeld motoren of lampen, en pas later in de 19de eeuw ook berichten (informatie). Voor beide toepassingen werden in eerste instantie luchtlijnen gebruikt.
De eerste vorm van telecommunicatie was telegrafie. De bekendste  vorm daarvan was het door een schakelaar of seinsleutel korter of langer inschakelen van een elektrische stroom aan het begin van een draad, volgens de code ontwikkeld door de Engelsman Samuel Morse. De herhaalde inschakelingen, de Morse seinen, werden aan het einde van de draad als punten en strepen zichtbaar gemaakt, bijvoorbeeld met een elektromagneet die een pen op een bewegende papierband drukte.
Met de uitvinding van de microfoon en de telefoon kon men ook geluid overbrengen. De microfoon, aan het begin van de draad, varieerde de stroomsterkte door die draad overeenkomstig het opgevangen geluid. Aan het eind van de draad zette een telefoon of luidspreker de wisselende stromen weer om in geluid.
Luchtlijnen hadden het voordeel dat men deze relatief eenvoudig kon maken door een geleidende draad, van eerst ijzer en later koper, aan palen of muren te hangen. Men leerde al snel dat het dan belangrijk was dat zoveel mogelijk van de stroom die de draad in ging er aan het einde weer uit kwam. Dat hield in dat de draad een lage weerstand moest hebben voor de stroom en dat op de bevestigingspunten zo weinig mogelijk stroom kon afvloeien naar de aarde en daarmee zijn bestemming niet bereikte. (Droge) lucht is op zich een goede isolator, maar de bevestigingspunten van de draad waren dat in het begin niet. Deze bevestigingspunten hebben een hele ontwikkeling doorgemaakt. In eerste instantie werden de draden bij wijze van spreken gewoon aan een spijker gehangen. Daardoor ging op die punten al relatief veel stroom verloren en was de te overbruggen afstand beperkt. De komst van de porseleinen isolatoren heeft ervoor gezorgd dat er grote afstanden konden worden overbrugd.

Van luchtleidingen naar kabels

De telefonie heeft vanaf de introductie in de tweede helft van de 19de eeuw een geweldige groei doorgemaakt. Omdat iedere klant (abonnee) met zijn eigen draad (later twee draden) aan een centraal schakelpunt (centrale) moest worden aangesloten groeide met name in de steden het luchtlijnennetwerk uit tot een onbeheersbare omvang. Daar kwam bij dat in de steden de elektrische tram werd ingevoerd en als dan een gebroken luchtleiding op de tramdraden viel was dat niet zo gezond voor de betreffende bellers.
De centrales onderling werden ook verbonden door luchtleidingen. Omdat die over grotere afstand (kilometers) liepen waren ze erg kwetsbaar. Een stevige wind bijvoorbeeld kon de luchtleidingen omblazen vooral als de palen begonnen te rotten. Luchtleidingen hadden dan ook hoge onderhoudskosten.
Eén van de oplossingen die men daarvoor vond was de draden te voorzien van een isolerende laag en ze dan te bundelen in een kabel. Aangezien men eind 19de, begin 20ste eeuw nog geen kunststoffen had, gebruikte men eerst gutta percha, een soort natuurlijke rubber en later, nog voor het begin van de 20ste eeuw, papier als isolatie. Dit waren de voorlopers van de papier loodkabels zoals die nu nog gebruikt worden. Lood werd als buitenmantel gebruikt om te voorkomen dat water de kabel kon binnendringen want nat papier isoleert niet.
In eerste instantie legde men de kabels in speciaal daarvoor geconstrueerde goten die de kabels een zekere bescherming gaven. Later is men in Nederland overgestapt op het direct in de grond leggen van kabels die met een extra mantel van staal  werden beschermd.

Transmissie eigenschappen van kabels

Rond het begin van de 20ste eeuw was het gelukt om met luchtleidingen telefonisch de afstand Amsterdam - Parijs te overbruggen zonder dat de geluidssterkte van het gesprek onacceptabel zacht werd. Het kostte wel bijna 180.000 kilo koper voor een dubbeldraad van 5 mm doorsnede. Vandaar dat internationaal bellen zo duur was.
Toen men kabels begon te leggen kwam men er al snel achter dat de demping ervan veel hoger was dan die van luchtlijnen en bovendien ook nog toenam met de frequentie (hoogte van de tonen). Dat komt doordat de aders dicht bij elkaar liggen waardoor er een hogere elektrische capaciteit tussen de aders optreedt dan bij luchtlijnen. Gevolg was dat de wisselstroom uit de microfoon een onevenredig hogere demping ondervindt naarmate de frequentie hoger wordt en de kabel langer. Hierdoor werd de bruikbare lengte van de kabel aanzienlijk beperkt. Men kon deze demping grotendeels opheffen door meer zelfinductie, die de invloed van de capaciteit verminderd, aan de kabel toe te voegen door er op bepaalde afstanden spoelen tussen te schakelen. Men noemde dat puppiniseren naar de onderzoeker Puppin die hier de eerste praktische toepassingen mee maakte. Het nadeel was wel dat de frequentieband waar de demping minder sterk was werd beperkt tot 300 tot 3400 Hertz. Dat betekent dat er wel spraak over de kabel ging met voldoende kwaliteit, maar dat muziek over de kabel eigenlijk niet meer te genieten was.
Het puppiniseren van de kabels werd vanwege de daaraan verbonden kosten vooral toegepast op de kabels tussen de centrales onderling en bij hoge uitzondering op de kabels van de centrale naar de huis- of bedrijfsaansluiting.

Versterkte verbindingen

Met de uitvinding van de elektronenbuis en later de transistor kreeg men de mogelijkheid om elektrische signalen te versterken. Door de elektrische stroom die bij een telefoongesprek door de aderparen loopt onderweg te versterken kan men langere afstanden overbruggen met dunnere aderparen.
In eerste instantie maakte men versterkers die het signaal in beide richtingen versterkte. Immers de bellers willen elkaar kunnen horen. Omdat een versterker echter maar in één richting kan versterken moest men bij iedere versterker d.m.v. transformatoren het geluid voor de beide richtingen van elkaar scheiden en na de versterkers weer samenvoegen. Dat leidde echter bij meerdere versterkers achter elkaar tot rondzingen en een slechte verstaanbaarheid. Men vond daarom al snel uit dat je het signaal moest splitsen aan het begin van een verbinding tussen twee centrales en pas aan het eind weer samenvoegen i.p.v. bij iedere versterker afzonderlijk. Nadeel was dan wel dat over het hele traject 4 draden nodig waren i.p.v. twee. Echter de verstaanbaarheid was veel beter. Daarom wordt tegenwoordig alle (telefonie) communicatie “4 draads” gedaan (d.w.z. met gescheiden zend- en ontvangst wegen) of het nu vast of mobiel is.

Meer gesprekken over één aderpaar

Door de versterker kon men grotere afstanden overbruggen, maar voor ieder telefoongesprek had je tussen de beide partijen twee of vier draden nodig. Er kon namelijk maar één gesprek tegelijkertijd over een aderpaar. In de radiotechniek had men inmiddels uitgevonden dat als er meerdere zenders tegelijkertijd uitzonden, ze door filteren (afstemmen) in de ontvanger toch apart te beluisteren waren, mits de draaggolven met daarop de uit te zenden signalen ver genoeg in frequentie uit elkaar lagen. Deze techniek ging men ook op kabels toepassen. Men maakte apparatuur waarmee men een gesprek eerst op een draaggolf zette. Meerdere draaggolven die 4 of 6 Kilo Hertz uit elkaar lagen, konden dan over één aderpaar worden verzonden en aan de ontvangstkant weer worden gescheiden. In eerste instantie waren 12 gesprekken over één aderpaar mogelijk. Later werd dit opgevoerd tot 48 gesprekken. Hiervoor werden speciale draaggolf kabels gemaakt omdat die, anders dan de eerdere kabels, een frequentie bereik van een veelvoud van 4 of 6 Kilo Hertz moesten doorlaten.
Voor deze toepassing  ontwikkelde men ook de coaxiale (“coax”) kabel die een veel groter frequentiebereik had dan een kabel bestaande uit afzonderlijke aders. In Nederland heeft PTT de draaggolf kabels voor telefonie maar in beperkte mate vervangen door coax kabels. De reden was de opkomst van straalzenders waarmee men tot de introductie van de glasvezelkabel de groei in de gevraagde transmissie capaciteit kon opvangen. Wel werden coax kabels veel toegepast om TV en radio signalen te vervoeren. Ook binnen de centrales werd veel gebruik gemaakt van coax kabel.

De glasvezelkabel

Een revolutionaire verbetering in de overdracht van informatie werd bereikt door de invoering van glasvezelkabel. Hierbij wordt de informatie overgebracht door lichtsignalen door een uiterst dunne glasvezel te sturen.
De snelle groei van de inzet van dit nieuwe medium werd mogelijk door drie parallelle ontwikkelingen:
  • De vooruitgang in de glastechnologie, waardoor men licht over steeds grotere afstanden via een glasvezel kon transporteren.
  • De voortschrijdende digitalisering van spraak en video signalen en (modulatie) technieken om steeds meer informatie (bits per seconde) te bundelen.
  • De verbeteringen in de zogenaamde opto-couplers (overgang van elektrisch signaal naar glas) die het verzenden van signalen met steeds hogere bitsnelheden mogelijk maakte.

Net als bij de koperkabels heeft er in de glasvezelkabels een hele ontwikkeling plaatsgevonden die geleid heeft tot hogere bitsnelheden tegen lagere kosten. Een voorbeeld is het gebruik van meerdere kleuren (DWDM = Dense Wavelength Division Multiplex) in één glasvezel vergelijkbaar met de ontwikkeling van de draaggolfkabel.
Waar glasvezelkabels in eerste instantie gebruikt werden om telefooncentrales met elkaar te koppelen in de tachtiger jaren van de vorige eeuw, worden ze nu ook meer en meer ingezet in bedrijfsnetwerken en om eindpunten (aansluitingen thuis, op kantoor, mobiele zendmasten etc.) met de telecommunicatienetwerken te verbinden. Over enige jaren zullen ze daar de koperkabels verdrongen hebben. De snelheid van dit proces wordt vooral bepaald door de investeringen die nodig zijn om een glasvezelkabelnet te leggen. Tot het zover is, blijven er ook nog ontwikkelingen om op bestaande koper en coax kabels de snelheid met steeds geavanceerder modulatie technieken op te voeren. Dat is in veel gevallen goedkoper dan nieuwe glasvezelkabel leggen. Waar eind vorige eeuw de bitsnelheid van een modem over een aderpaar van een koperkabel, afhankelijk van de te overbruggen afstand, beperkt was tot circa 33 Kbit/s is nu 20 Mbit/s (600 keer zo snel) met zogenaamde DSL techniek al heel gewoon. Wel dient men er rekening mee te houden dat de hoogste snelheid meestal maar in één richting, namelijk van netwerk naar randapparaat, wordt bereikt.
Op de hoofdverbindingen binnen het telecommunicatienetwerk zijn tegenwoordig snelheden van 10 Gbit/s standaard en is 100 Gbit/s (1,5 miljoen spraakkanalen) over een glasvezel al op enkele trajecten ingevoerd. En de ontwikkeling is hier nog steeds volop gaande.

Zeekabels

Een bijzondere tak in de kabelfamilie vormen de zeekabels. Hun functie is hetzelfde als die van “landkabels” maar ze onderscheiden zich door de veel hogere eisen die eraan gesteld worden. Je moet hierbij denken aan:
  • De afstanden die overbrugd moeten worden waardoor er meestal versterkers in de kabel noodzakelijk zijn.
  • Het ”kabel vijandige” milieu waarin ze liggen, waardoor ze extra stevig moeten zijn en (zout) water bestendig.
  • De noodzaak van schepen met specifieke apparatuur om de kabels te leggen en te repareren.

Het is daarmee ook een specialisme geworden dat een lange ontwikkeling heeft doorgemaakt. De eerste kabels voor enkele telegraaf verbindingen hadden een levensduur van eerder dagen dan maanden. De huidige zeekabels verwerken bitsnelheden van tientallen gigabit/s en gaan jaren mee.

Literatuur

100 jaar telefonie, uitgave van PTT
Toekomst in Telecommunicatie, Chriet Titulaer, ISBN 90 72692-02-0
50 jaar interlokale telefoonkabels in Nederland, uitgave van PTT

Meer lezen op Wikipedia