Symmetrische und unsymmetrische Übertragung

Was ist der Unterschied zwischen symmetrischer und unsymmetrischer Signalübertragung — und wann brauche ich wirklich XLR statt Cinch?

Der Unterschied zwischen beiden Verfahren liegt nicht in der Zahl der Adern, sondern in der Frage, worüber das Signal zurückläuft. Unsymmetrisch heißt: über den Schirm, der damit gleichzeitig Rückleiter und Masseverbindung zwischen zwei Geräten ist. Symmetrisch heißt: über eine zweite Signalader, während der Schirm nur schirmt. Alles, was gemeinhin über Brummen, Leitungslängen und XLR-Buchsen erzählt wird, folgt aus diesem einen Punkt.

Zwei Geräte, die am Stromnetz hängen, liegen nie ganz genau auf demselben Bezugspunkt — es bleibt immer ein winziger Unterschied. Bei der üblichen Cinch-Verbindung landet dieser Unterschied mitten im Ton und wird als Brummen mit lauter. Die bessere Bauart schickt das Signal über zwei Adern und lässt das Gerät am Ende nur auf den Unterschied zwischen den beiden hören. Was von außen stört, trifft beide Adern gleich und fällt dabei heraus. Deshalb hältst Du damit lange Wege durch ein Haus durch, an denen die einfache Verbindung anfängt zu brummen.

Ausführliche Erklärung

Zwei Geräte in einer Anlage sind über mehr verbunden als über das Signalkabel: über Schutzleiter, über Antennen- oder Netzwerkkabel, über Rack und Gehäuse. Zwischen ihren Massepunkten liegt deshalb immer eine kleine Spannung, meist im Rhythmus der Netzfrequenz und ihrer Vielfachen. Bei einer unsymmetrischen Verbindung addiert sich diese Spannung unmittelbar zum Nutzsignal, weil der Schirm beides zugleich ist — Rückleiter des Signals und Verbindung der beiden Massen. Das ist die Brummschleife, und sie ist kein Qualitätsmangel des Kabels, sondern eine Folge der Topologie.

Die symmetrische Führung löst das, indem sie die Aufgaben trennt. Zwei Leiter führen das Signal, der Schirm führt es nicht. Der Empfänger bildet die Differenz der beiden Leiter: Was auf beiden gleich anliegt — die Massespannung, eine eingestreute Störung, ein Netzbrummen — steht in dieser Differenz nicht und verschwindet. Diese Fähigkeit heißt Gleichtaktunterdrückung, englisch Common Mode Rejection Ratio, und sie wird in Dezibel angegeben.

Was „symmetrisch" wirklich heißt

An dieser Stelle wird es interessant, und die maßgebliche Arbeit stammt von Bill Whitlock, jahrzehntelang bei Jensen Transformers und Autor des meistgelesenen Aufsatzes, den das Journal der Audio Engineering Society je gedruckt hat: Balanced Lines in Audio Systems — Fact, Fiction, and Transformers, erschienen 1995.

Seine Kernaussage geht gegen die verbreitete Vorstellung: Symmetrie bedeutet gleiche Impedanz beider Leiter gegen Masse — nicht, dass auf den beiden Leitern zwei gespiegelte Signale laufen. Ein Ausgang, der nur einen Leiter treibt und den zweiten über denselben Widerstandswert auf Masse legt, ist elektrisch vollwertig symmetrisch; die Gleichtaktunterdrückung am Empfänger funktioniert genauso. Umgekehrt hilft ein perfekt gespiegeltes Signalpaar wenig, wenn die Impedanzen der beiden Wege sich unterscheiden.

Daraus folgt, was die Unterdrückung in der Praxis begrenzt. Nicht die Qualität des Differenzverstärkers, sondern jede Unsymmetrie auf dem Weg: unterschiedliche Kapazitäten der beiden Adern gegen den Schirm, ungleiche Quellwiderstände, Toleranzen der Widerstände im Eingang. Whitlock weist außerdem nach, dass Übertragereingänge eine um Größenordnungen höhere Gleichtakteingangsimpedanz haben als übliche elektronisch symmetrierte Eingänge und deshalb im realen Aufbau deutlich besser unterdrücken — ein Argument, das erklärt, warum Übertrager trotz Kosten und Bauraum nicht verschwunden sind.

Ein zweiter Aufsatz aus demselben Heft von 1995 gehört dazu: Neil Muncy beschrieb dort das später als Pin-1-Problem bekannte Fehlermuster, bei dem die Schnittstelle korrekt gebaut und nur das Gerät falsch verdrahtet ist — Details bei Pin-1-Problem und Schirmauflage.

Die Belegung und die Pegelfrage

Für dreipolige XLR-Verbinder gilt die Belegung Pin 1 Masse, Pin 2 plus, Pin 3 minus, festgehalten in AES14 und darüber in IEC 60268-12. Sie ist weltweit einheitlich, und Abweichungen sind heute Altbestand.

Hartnäckig damit vermengt wird eine zweite, davon unabhängige Konvention: die Bezugspegel. Professionelle Technik arbeitet üblicherweise mit +4 dBu, Consumer-Technik mit −10 dBV. Das sind zwei verschiedene Bezugsspannungen — 0,775 Volt beim dBu, 1 Volt beim dBV —, und der tatsächliche Abstand beträgt rund 11,8 dB, nicht die oft genannten 14. Wichtiger als die Zahl ist die Trennung der Begriffe: Ein Gerät kann symmetrisch arbeiten und Consumer-Pegel liefern, und ein Cinch-Ausgang kann Studiopegel führen. Wer eine Anlage aus beiden Welten mischt, hat deshalb zwei getrennte Fragen zu klären — die Signalführung und die Pegelanpassung.

Wann welches Verfahren

Die verbreitete Regel „unsymmetrisch bis fünf Meter" reicht weniger weit, als sie klingt, denn sie beschreibt eine Bedingung als Länge. Die Länge ist nur ein Indikator: Je weiter zwei Geräte auseinanderstehen, desto wahrscheinlicher hängen sie an verschiedenen Stromkreisen, desto größer ist die Fläche der Masseschleife und desto mehr Störquellen liegen auf dem Weg. Zehn Meter in einem aufgeräumten Rack an einer Steckdosenleiste sind unkritisch; drei Meter zwischen einem Fernseher am Kabelanschluss und einem Subwoofer in der Zimmerecke sind es nicht.

Symmetrisch wird deshalb dort gebraucht, wo eine dieser Bedingungen zutrifft — und in einer Installation, die über Stockwerke oder Gebäudeteile geht, trifft mindestens eine davon fast immer zu.

Häufiges Missverständnis

„XLR klingt besser" ist die kürzeste Fassung des Irrtums und die folgenreichste, weil sie den Nutzen an der falschen Stelle sucht. Die symmetrische Führung verbessert nicht die Übertragung des Nutzsignals — sie verbessert den Abstand zwischen Nutzsignal und Störung. Wo keine Störung vorliegt, ist auch nichts zu gewinnen, und ein kurzes, unsymmetrisches Kabel in einer sauberen Anlage ist keine Notlösung. Nur: Ob eine Störung vorliegt, weiß man erst, wenn die Anlage steht — und dann ist das Kabel schon verlegt. Genau darin liegt der Planungswert der symmetrischen Strecke, nicht in einem Klanggewinn.

In der Definition sitzt der zweite. Sehr verbreitet ist die Vorstellung, symmetrisch bedeute, dass dasselbe Signal ein zweites Mal gespiegelt mitläuft und der Empfänger es zurückdreht — mit dem Zusatz, dadurch verdopple sich der Pegel und halbiere sich das Rauschen. Der Pegel verdoppelt sich tatsächlich, wenn beide Leiter aktiv getrieben werden, aber das ist eine Zugabe und nicht der Mechanismus. Der Mechanismus ist die Impedanzsymmetrie.

Drittens, ganz praktisch: dass ein Adapter die Sache regelt. Ein Kabel mit Cinch auf der einen und XLR auf der anderen Seite führt an irgendeiner Stelle beide Aufgaben auf einem Leiter zusammen — die Verbindung ist unsymmetrisch, und zwar über die volle Länge. Wo zwischen den Welten gewechselt werden muss, braucht es ein aktives Bauteil oder einen Übertrager, der die Trennung tatsächlich herstellt.

Nicht zu verwechseln mit

Differenzsignal: Zwei gespiegelte Signalspannungen. Das kommt bei symmetrischen Verbindungen häufig vor, ist aber weder notwendig noch hinreichend — entscheidend ist die Impedanzsymmetrie gegen Masse.
Brückenbetrieb einer Endstufe: Wird ein Lautsprecher zwischen die Ausgänge zweier gegenphasig angesteuerter Kanäle gehängt, spricht man ebenfalls von symmetrischem oder gebrücktem Betrieb. Das ist eine Leistungsschaltung am Ausgang und hat mit der Störunterdrückung auf Signalleitungen nichts zu tun; sie verändert die Anforderung an die Impedanz der Last.
Symmetrische Kopfhörerverkabelung: Dort meint der Begriff meist getrennte Rückleiter je Kanal, damit sich die Kanäle nicht über eine gemeinsame Masse beeinflussen. Ein verwandter Gedanke, aber ein anderes Ziel.
Twisted Pair: der Kabelaufbau, der die symmetrische Übertragung erst wirksam macht. Das Verfahren steckt in den Geräten, nicht im Kabel; siehe Twisted Pair.

Typischer Fehler

Ein Wohnzimmer-Heimkino: Der Subwoofer soll in die vordere Raumecke, etwa zwölf Meter Leitungsweg vom Rack aus, unter dem Estrich geführt. Der Fernseher hängt am Kabelanschluss, das Rack an einer eigenen Steckdose, der Subwoofer an der nächstgelegenen Wandsteckdose auf der anderen Raumseite. Nach der Inbetriebnahme brummt es leise, aber hörbar, und zwar nur, wenn der Fernseher angeschlossen ist.

An dieser Stelle geht es um die Anlage als Ganze und nicht um Kabelm: Welche Geräte hängen an welchen Stromkreisen, und welche zusätzlichen Masseverbindungen gibt es außer den Signalkabeln? Der Kabelanschluss ist eine solche Verbindung, und er kommt aus dem Haus heraus — er ist in Wohnräumen die häufigste Ursache überhaupt. Solange diese Frage nicht beantwortet ist, ist jede Maßnahme am Subwooferkabel Raten.

Was zu tun ist, ordnet sich danach von selbst. Zuerst die Ursache trennen: eine galvanische Trennung im Antennenweg beseitigt die Schleife an ihrem Entstehungsort. Dann die Strecke selbst — eine symmetrische Führung zum Subwoofer, sofern Prozessor und Subwoofer entsprechende Anschlüsse haben, andernfalls ein Übertrager an einem Ende. Erst dann Mantelstromfilter im Signalweg, die eher ein Symptom dämpfen als eine Ursache beseitigen. Was in keiner Reihenfolge vorkommt: das Auftrennen eines Schutzleiters. Das ist kein Kompromiss, sondern unzulässig und gefährlich.

Ganz am Ende die Geräte — hier lohnt der Blick ins Datenblatt vor dem Kauf, denn XLR-Buchsen an einem Gerät bedeuten nicht zwingend eine durchgehend symmetrische Signalführung. Für die Planung heißt das: Die Entscheidung für die symmetrische Strecke fällt, bevor der Estrich liegt, nicht wenn es brummt.

Verknüpfte Inhalte

Warum der Kabelaufbau die Störung überhaupt erst gleichmäßig auf beide Adern verteilt, steht bei Twisted Pair; was der Schirm dabei leistet und was nicht, bei der Schirmung. Die Steckverbinder der beiden Welten behandeln XLR, Cinch, Klinkenstecker und Euroblock. Die digitale Schnittstelle, die auf demselben symmetrischen Aufbau sitzt, ist AES3 — dort kommt zusätzlich der Wellenwiderstand ins Spiel, der bei analogen Signalen keine Rolle spielt.

Quellen

Dass die Gleichtaktunterdrückung an der Symmetrie der Impedanzen hängt und in der Praxis durch die Gleichtakteingangsimpedanz des Empfängers begrenzt wird, geht auf Whitlock (JAES 1995) zurück; das Pin-1-Problem auf Muncy im selben Jahrgang, die daraus abgeleitete Festlegung zur Schirmauflage auf AES48. Die XLR-Belegung steht in AES14 und IEC 60268-12.