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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Repeater, insbesondere ohne externe Stromversorgungszuleitung, zur Verbindung zweiadriger Datenkabel und eine Datenverbindungsanordnung mit mehreren zweiadrigen Datenkabeln.
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Hintergrund der Erfindung
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In der Automatisierungstechnik und in der Fahrzeugtechnik, insbesondere im Automobilbau, kann sogenanntes Single-Pair Ethernet (SPE) eingesetzt werden, das eine einfache, günstige und robuste Verkabelungen ermöglicht. Dabei werden Ethernet-Verbindungen über Kupferkabel mit lediglich zwei Adern realisiert, so dass ein niedriges Gewicht und ein geringer Platzbedarf erreicht werden können. Entsprechende Standardisierungen sind etwa durch IEEE802.3bp (1000BASE-T1), IEEE802.3bw (100BASE-T1), IEEE802.3ch (2.5/5.0/10 GBASE-T1) und IEEE802.3cy (25/50/100 GBASE-T1) gegeben. Weiter ist die Stromversorgung von Endgeräten via „Power over Data Line“ (PoOL) möglich. Dazu ist etwa in IEEE 802.3bu und IEEE802.3ch die parallele Bereitstellung von Energie über zweiadrige Ethernet-Kabel spezifiziert (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers).
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Repeater zur Verbindung zweiadriger Datenkabel und eine Datenverbindungsanordnung mittels mehrerer zweiadriger Datenkabel mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, im Repeater (auch Regenerator oder Signalverstärker genannt) ein Stromentnahmemodul vorzusehen, das mit den Transceivern (auch Sendeempfänger genannt) verbunden ist, so dass diese, wenn ein mit dem Receiver verbundenes Datenkabel mit einem Endpunkt verbunden ist, der einen Gleichstrom in das Datenkabel einspeist, mit elektrischer Energie versorgt werden können. Auf eine gesonderte Verkabelung des Repeaters, die der Stromzufuhr dient, kann so verzichtet werden. Dies ermöglicht eine Reichweitenverlängerung der über die Datenkabel realisierten Datenkommunikation, insbesondere einer Ethernet-Verbindung, ohne für den Repeater eine zusätzliche Stromversorgung vorsehen zu müssen, die Platz benötigt und zu einem höheren Gewicht führt. Bei dem Repeater und der Datenverbindungsanordnung handelt es sich also insbesondere um einen Repeater ohne externe Stromversorgungszuleitung bzw. eine Datenverbindungsanordnung ohne externe Stromversorgungszuleitung.
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Der Repeater umfasst neben dem Stromentnahmemodul einen ersten Transceiver mit zwei ersten Anschlüssen für ein zweiadriges erstes Datenkabel (d.h. jede der zwei Adern kann mit einem der zwei ersten Anschlüsse elektrisch leitend verbunden werden) und einen zweiten Transceiver mit zwei zweiten Anschlüssen für ein zweiadriges zweites Datenkabel. Ein Empfangsausgang des ersten Transceivers ist mit einem Sendeeingang des zweiten Transceivers verbunden und ein Empfangsausgang des zweiten Transceivers ist mit einem Sendeeingang des ersten Transceivers verbunden. Dadurch wird die Wiederhol-Funktion bzw. Signal-Regenerations-Funktion des Repeaters realisiert. Insbesondere ist vorgesehen, Ethernet-Transceiver zu verwenden. Die Transceiver werden auch PHYs genannt. Die Konfiguration der Transceiver kann z.B. mit einer festverdrahteten Widerstandskonfiguration auf der Leiterplatte vorgenommen werden.
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Um den vorstehenden Effekt zu erreichen, ist das Stromentnahmemodul mit den ersten Anschlüssen verbunden und dazu eingerichtet, einen elektrischen Gleichstrom zur Stromversorgung des Repeaters aus einem an den ersten Anschlüssen anliegenden Signal auszukoppeln, wobei das Stromentnahmemodul durch eine Versorgungsleitung und eine Masseleitung mit dem ersten und dem zweiten Transceiver verbunden ist, um diese mit dem Gleichstrom zu versorgen.
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Bevorzugt umfasst der Repeater weiterhin ein Stromeinspeisemodul, das mit der Versorgungsleitung und der Masseleitung verbunden ist, wobei das Stromeinspeisemodul mit den zweiten Anschlüssen verbunden und dazu eingerichtet ist, den Gleichstrom zur Stromversorgung nachfolgender Einheiten in ein an den zweiten Anschlüssen anliegendes Signal einzukoppeln. Dies ermöglicht, nicht nur den Repeater selbst, sondern über ein nächstes Datenkabel auch weitere Repeater oder einen Endpunkt mit Strom bzw. Energie zu versorgen.
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Vorzugsweise umfassen das Stromentnahmemodul und gegebenenfalls das Stromeinspeisemodul Filterelemente. Durch die Filterelemente wird eine Entkopplung des Gleichspannungssignals vom Datensignal ermöglicht. Die Filter können aus gekoppelten Induktivitäten mit Pufferkondensatoren, d.h. als LC-Glieder, aufgebaut werden. Abhängig von der jeweiligen technischen Gegebenheit können mehrere LC-Glieder hintereinander geschaltet werden, sollte die Trennung des Gleichstromes auf der Datenleitung und dessen überlagerter Signalspannung nicht ausreichen oder die Qualität der einspeisenden Stromversorgung unzureichend sein.
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Das Stromentnahmemodul und gegebenenfalls das Stromeinspeisemodul sind bevorzugt Module bzw. Baugruppen entsprechend dem Standard IEEE 802.3bu, „Power over Data lines (PoDL) for single twisted-pair Ethernet (100Base-T1)“, d.h. sogenannte PD (Powered Device)-Baugruppen bzw. PSE (Power Sourcing Equipment)-Baugruppen. Die Transceiver und Datenkabel entsprechen bevorzugt dem Standard IEEE 802.3bw, „100BASE-T1 - 100 Mbit/s Ethernet over a single twisted pair for automotive applications“, oder dem Standard IEEE 802.3bp, oder allgemeiner einem SPE-Standard (Single-Pair-Ethernet-Standard). Als Datenkabel werden vorzugsweise zweiadrige Kabel nach IEC 61156 verwendet (IEC: International Electrotechnical Commission). Durch die Verwendung von Bauelementen, die einem Standard entsprechen, kann eine hohe Kompatibilität erreicht werden, auch sind solche Bauelemente kostengünstig verfügbar.
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Bevorzugt umfasst der Repeater ein Gehäuse, in dem die Transceiver, das Stromentnahmemodul und gegebenenfalls das Stromeinspeisemodul untergebracht sind, wobei im Gehäuse bevorzugt Steckverbindungen zur Verbindung der Anschlüsse der Transceiver mit den Datenkabeln integriert sind. Durch das Gehäuse wird ein Schutz vor Umwelteinflüssen erreicht. Das Gehäuse ist insbesondere aus einem nichtleitenden Material, etwa einem Kunststoff.
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Eine erfindungsgemäße Datenverbindungsanordnung umfasst einen ersten Endpunkt und einen zweiten Endpunkt, die jeweils einen Endpunkt-Transceiver umfassen, wobei die Endpunkte über mehrere zweiadrige Datenkabel miteinander verbunden sind, die jeweils mittels eines erfindungsgemäßen Repeaters verbunden sind. Es sind also jeweils zwei Datenkabel mittels eines erfindungsgemäßen Repeaters miteinander verbunden (d.h. bei mehr als zwei zu verbindenden Datenkabeln sind entsprechend mehrere erfindungsgemäße Repeater vorgesehen). Der Endpunkt-Transceiver im ersten Endpunkt ist mit den Adern eines ersten der Datenkabel verbunden und der Endpunkt-Transceiver im zweiten Endpunkt ist mit den Adern eines letzten der Datenkabel verbunden. Der erste Endpunkt weist ein Endpunkt-Stromeinspeisemodul auf, das mit den Adern des ersten Datenkabels verbunden ist, um den Gleichstrom zur Stromversorgung des bzw. der Repeater einzukoppeln.
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Bevorzugt umfasst der zweite Endpunkt ein Endpunkt-Stromentnahmemodul, das mit den Adern des letzten Datenkabels verbunden ist, um den Gleichstrom auszukoppeln. Auf diese Weise wird eine Stromversorgung des zweiten Endpunkts durch den ersten Endpunkt ermöglicht. Zweckmäßigerweise sollten in diesem Fall alle in der Datenverbindungsanordnung enthaltenen Repeater ein Stromeinspeisemodul umfassen.
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Der Begriff ‚verbunden‘ bzw. ‚Verbindung‘ bezieht sich im Rahmen dieser Anmeldung auf elektrisch leitende Verbindungen, falls nichts anders angemerkt ist oder aus dem Zusammenhang klar erkennbar ist, dass es sich nicht um eine elektrisch leitende Verbindung handelt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Repeater zur Verbindung zweiadriger Datenkabel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 zeigt eine Datenverbindungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt einen Repeater 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Repeater ist dazu eingerichtet, ein erstes zweiadriges Datenkabel 4 mit einem zweiten zweiadrigen Datenkabel 5 zur Datenkommunikation zu verbinden.
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Der Repeater 2 weist einen ersten Transceiver 6 und einen zweiten Transceiver 7 bzw. einen ersten und einen zweiten Sendeempfänger auf. Die Transceiver weisen jeweils zwei Anschlüsse 8, 9 zur Verbindung mit den zwei Adern der Datenkabel auf, so dass die Transceiver Datensignale von den Datenkabeln empfangen und Datensignale über die Datenkabel senden können. Der Empfangsausgang RX eines Transceivers ist dabei mit dem Sendeeingang TX des jeweils anderen Transceivers verbunden. Die eingezeichneten Verbindungen 10, 11 zwischen den Empfangsausgängen RX und den Sendeeingängen symbolisieren im Allgemeinen jeweils mehrere elektrisch leitende Verbindungen. Von einem Transceiver über das mit diesem verbundene Datenkabel empfangene (und in entsprechende Bitfolgen dekodierte) Datensignale können über die Verbindung zwischen Empfangsausgang RX und Sendeeingang TX an den anderen Transceiver übertragen werden und von diesem anderen Transceiver (in kodierter Form) als Datensignale auf dem mit diesem verbundenen Datenkabel gesendet werden. Auf diese Weise wird die Datensignal-Regenerations-Funktion des Repeaters realisiert. Es können weitere elektrisch leitende Verbindungen 12 vorgesehen sein, über die weitere Informationen, etwa ein Taktsignal, zwischen den Transceivern übertragen werden. Auch können weitere Bauelemente vorgesehen sein. Für die Transceiver kann jeweils ein Quarz-Oszillator (insbesondere ein 25 MHz-Quarz-Oszillator mit hoher Genauigkeit samt zugehöriger Beschaltung (etwa Stabilisierungskondensatoren für das Oberwellenverhalten des Quarzes) vorgesehen sein. Ferner kann die der Signalwechselspannung überlagerte Gleichspannung mit Kondensatoren hoher Signalgüte vom Eingang des Transceivers abgeblockt werden.
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Es ist bevorzugt die Verwendung von Ethernet und Ethernet-Transceivern, sogenannte ‚Ethernet PHY‘, vorgesehen, beispielsweise entsprechend 100BASE-T1. Insbesondere ist die Verwendung von Automobil-Ethernet vorgesehen. In diesem Zusammenhang wird die vorstehend beschriebene Verbindung zwischen (Ethernet-)Transceivern auch als „MII-Reverse-Mode“ bezeichnet.
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Der Repeater 2 umfasst ein Stromentnahmemodul 14, das mit den Anschlüssen 8 des ersten Transceivers 6 verbunden ist. Das Stromentnahmemodul 14 ist dazu eingerichtet, einen Gleichstrom aus einem zwischen den Adern des ersten Datenkabels 4 anliegenden Spannungssignal auszukoppeln. Das Stromentnahmemodul 14 umfasst weiterhin Filterelemente 18, 19, die mit jeweils einem der Anschlüsse 8 des ersten Transceivers verbunden sind und die insbesondere jeweils eine Induktivität, insbesondere LC-Glieder, aufweisen können. Dabei wird durch ein Filterelement 18 eine Versorgungsspannung bzw. ein Potential Vdd ausgekoppelt und an eine Versorgungsleitung 22 (Versorgungsspannungsleitung) im Repeater angelegt. Durch das andere Filterelement 19 wird ein Massepotential Vss bzw. Masse ausgekoppelt und an eine Masseleitung 24 im Repeater angelegt. Entsprechend wird eine Gleichspannung (Versorgungsspannung), die gleich der Spannungsdifferenz zwischen Versorgungsspannung und Massepotential ist, ausgekoppelt. Das hochfrequente Datensignal (z.B. im Falle von Ethernet > 10 MHz, z.B. 33 MHz bei 100BASE-T1) wird durch die Filterelemente aus dem Spannungssignal, das an der Versorgungs- bzw. Masseleitung anliegt, gefiltert. Transceiverseitig können die Anschlüsse mit Kondensatoren verbunden sein, um die Gleichspannung vom Datensignal, das von den Transceivern empfangen bzw. erzeugt wird, zu trennen. Diese Funktionsbeschreibung geht davon aus, dass entsprechende Spannungen in das Datenkabel, das mit dem ersten Transceiver verbunden ist, eingekoppelt sind, insbesondere durch einen Endpunkt oder durch ein Stromeinspeisemodul in einem anderen Repeater, der zwischen einem Endpunkt und dem Repeater angeordnet ist.
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Die Transceiver 6, 7 sind mit der Versorgungsleitung 22 und der Masseleitung 24 elektrisch leitend verbunden, so dass der Gleichstrom zur Stromversorgung der Transceiver 6,7 verwendet werden kann.
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Der Repeater 2 umfasst bevorzugt ein Stromeinspeisemodul 16, das mit den Anschlüssen 9 des zweiten Transceivers 7 verbunden ist. Das Stromeinspeisemodul 16 ist dazu eingerichtet, den Gleichstrom bzw. die Gleichspannung zwischen der Versorgungsleitung 22 und der Masseleitung 24 in das zweite Datenkabel 5 bzw. ein zwischen den Adern dessen anliegendes Signal einzukoppeln. Das Stromeinspeisemodul 16 umfasst Filterelemente 20, 21, die mit jeweils einem der Anschlüsse 9 des zweiten Transceivers verbunden sind und die insbesondere jeweils eine Induktivität, insbesondere LC-Glieder, aufweisen können. Dabei ist ein Filterelement 20 mit der Versorgungsleitung 22 verbunden und das andere Filterelement 21 ist mit der Masseleitung 24 verbunden.
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In der 1 sind weiterhin Pfeile eingezeichnet, die den Gleich-Stromfluss durch den Repeater und die Datenkabel zur Veranschaulichung symbolisieren.
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Der Repeater 2 kann weiterhin ein Gehäuse 26 umfassen, in dem die Transceiver 6, 7, das Stromentnahmemodul 14, gegebenenfalls das Stromeinspeisemodul 16 und die elektrischen Leitungen, die diese Elemente verbinden, insbesondere auf einer Platine (z.B. PCB) untergebracht sind. Die elektrische Verbindung der Datenkabel 4, 5 mit den Anschlüssen 8, 9 der Transceiver kann direkt, etwa mittels Lötverbindungen, oder bevorzugt mittels Steckverbindungen erfolgen. Nicht weiter dargestellte Steckverbindungen sind können insbesondere ins Gehäuse integriert sein. Die Steckverbindungen und dazu komplementäre Stecker an den Datenkabeln weisen vorzugsweise eine asymmetrische Form auf, um ein Verpolen zu verhindern.
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2 zeigt eine Datenverbindungsanordnung 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Verbindung zur Datenkommunikation zwischen einem ersten Endpunkt 32 und einem zweiten Endpunkt 33 mittels zweiadriger Datenkabel 34, 35, 36 dargestellt ist (etwa zweiadrige Kabel nach IEC 61156). Die Verbindung wird beispielhaft über drei Datenkabel hergestellt, die mittels Repeater 38, 39 gemäß Ausführungsformen der Erfindung, entsprechend etwa dem Repeater 2 der 1, verbunden sind. Spezifischer sind in der Verbindung ein erster Repeater 38 und ein zweiter Repeater 39 gemäß Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, die jeweils zwei der Datenkabel miteinander verbinden. Die Endpunkte können in Recheneinheiten, z.B. in Computern oder in Steuergeräten in einem Kraftfahrzeug oder einer anderen maschinellen Vorrichtung, vorgesehen sein, um einen Datenaustausch zwischen den Recheneinheiten zu ermöglichen.
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Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl von Datenkabeln und Repeatern vorgesehen sein kann, z.B. zwei Datenkabel, die mit einem Repeater verbunden sind, oder vier Datenkabel, die mit drei Repeatern verbunden sind, usw. Dabei ist jeweils ein erstes Datenkabel an den ersten Endpunkt angeschlossen und ein letztes Datenkable an den zweiten Endpunkt angeschlossen. Die Anzahl der Datenkabel und damit der Repeater ist im Wesentlichen durch die Entfernungen zwischen den Endpunkten und die Länge der Datenkabel bestimmt. Die Länge der Datenkabel ist wiederum bestimmt durch technische Gegebenheiten des Datenkommunikationsverfahrens auf physikalischer Ebene bestimmt (physikalische Schicht bzw. Schicht 1 im OSI-Modell), etwa die Sendestärke eines Signals. Insbesondere kann entsprechend der Ethernet-Spezifikation IEEE 802.3bw eine Länge der Datenkabel jeweils 15 m betragen.
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In dem ersten Endpunkt 32 ist ein Endpunkt-Transceiver 40 vorgesehen, der mit dem ersten Datenkabel 34, d.h. mit dessen Adern, verbunden ist. Weiterhin ist im ersten Endpunkt 32 ein Endpunkt-Stromeinspeisemodul 42 vorgesehen, das ebenfalls mit den Adern des ersten Datenkabels verbunden ist und dazu eingerichtet ist, zwischen den Adern eine Gleichspannung anzulegen bzw. zu erzeugen und einen entsprechenden elektrischen Gleichstrom einzukoppeln bzw. bereitzustellen. Dazu sind wieder Filterelemente, wie im Zusammenhang mit den Stromeinspeisemodulen der Repeater beschrieben, vorgesehen. Es wird also durch das Endpunkt-Stromeinspeisemodul 42 im ersten Endpunkt eine Stromversorgung über das erste Datenkabel bereitgestellt. Das Endpunkt-Stromeinspeisemodul 42 im ersten Endpunkt selbst wird wiederum über eine nicht weiter dargestellte Strom- bzw. Spannungsversorgung des ersten Endpunkts mit dem einzuspeisenden Strom versorgt, etwa durch eine Recheneinheit, in der der erste Endpunkt eingeschlossen ist.
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Das erste Datenkabel 34 ist mit dem ersten Repeater 38 verbunden, der wiederum mit dem zweiten Datenkabel 35 verbunden ist. Ebenso ist das zweite Datenkabel 35 ist mit dem zweiten Repeater 39 verbunden, der wiederum mit dem dritten Datenkabel 36 verbunden ist. Die Anschlüsse sind dabei jeweils so angeordnet, dass der erste Repeater 38 die im ersten Datenkabel 34 vom ersten Endpunkt 32 breitgestellte Stromversorgung ebenfalls im zweiten Datenkabel 35 bereitstellt, und dass optional der zweite Repeater 39 diese im zweiten Datenkabel 35 breitgestellte Stromversorgung ebenfalls im dritten Datenkabel 36 bereitstellt Dabei ist im ersten Repeater 38 das Stromentnahmemodul mit den Adern des ersten Datenkabels verbunden und das Stromeinspeisemodul mit den Adern des zweiten Datenkabels verbunden (wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben). Ebenso ist im zweiten Repeater 39 das Stromentnahmemodul mit den Adern des zweiten Datenkabels 35 verbunden und, falls vorhanden, das Stromeinspeisemodul mit den Adern des dritten Datenkabels verbunden. Im vom ersten Endpunkt 32 am weitesten (entlang der Datenkabel) entfernten Repeater, hier der zweite Repeater, kann jeweils auf ein Stromeinspeisemodul verzichtet werden, falls keine Stromversorgung des zweiten Endpunkts 33 erwünscht ist. Im vom ersten Endpunkt am weitesten entfernten Repeater kann also jeweils auf ein Stromeinspeisemodul verzichtet werden, falls der Endpunkt 33 über eine eigene Stromversorgung 46 verfügt.
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Im zweiten Endpunkt 33 ist ein Endpunkt-Transceiver 44 vorgesehen, der mit dem dritten Datenkabel 36, d.h. mit dessen Adern, verbunden ist, z.B. über einen Stecker oder auch direkt. Weiterhin ist im zweiten Endpunkt 33 optional ein Endpunkt-Stromentnahmemodul 46 vorgesehen, das ebenfalls mit den Adern des dritten Datenkabels 36 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung zwischen den Adern auszukoppeln und einen entsprechenden elektrischen Gleichstrom zu entnehmen, etwa um die den zweiten Endpunkt zumindest teilweise mit elektrischer Energie zu versorgen. In diesem Fall umfasst auch der zweite Repeater 39 ein Stromeinspeisemodul.
