Koaxial heißt: auf derselben Achse. Ein Innenleiter läuft in der Mitte, ein rohrförmiger Außenleiter umschließt ihn konzentrisch, dazwischen liegt ein Isolierstoff, das Dielektrikum. Der Außenleiter hat dabei zwei Aufgaben gleichzeitig — er führt den Rückstrom des Signals und er schirmt. Aus dieser Bauform folgt die Größe, an der beim Koaxialkabel alles hängt: der Wellenwiderstand.

Ausführliche Erklärung

Die Bauform ist alt und hatte von Anfang an genau den Zweck, den sie heute noch erfüllt. Der englische Autodidakt Oliver Heaviside, von Haus aus Telegrafist und später einer der wichtigsten Köpfe der Leitungstheorie, ließ sich 1880 in Großbritannien eine Leitung patentieren, bei der ein innerer Leiter von einem konzentrischen Kupferrohr umschlossen wird — als Mittel gegen die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Telegrafenadern.

Vier Schichten macht das aus. Innen der Innenleiter, massiv oder als Litze. Darum das Dielektrikum, meist Polyethylen, entweder massiv oder geschäumt; geschäumt heißt weniger Material und damit weniger Verlust, aber auch weniger mechanische Formstabilität. Darüber der Außenleiter, bei brauchbaren Kabeln als Folie mit darüberliegendem Geflecht ausgeführt — beides zusammen aus demselben Grund wie bei jeder anderen Schirmung. Ganz außen der Mantel.

Solange der Außenleiter rundum geschlossen ist, bleibt das elektromagnetische Feld zwischen den beiden Leitern gefangen. Außerhalb bleibt idealerweise nichts übrig — weder strahlt das Kabel ab, noch strahlt etwas hinein. Das ist die Stärke der Bauform. Ihr Preis: Der Schirm ist Teil des Signalwegs, das Kabel ist also unsymmetrisch. Alles, was auf dem Außenleiter passiert, liegt unmittelbar im Signal, und eine Potentialdifferenz zwischen zwei Geräten wird zum Störanteil. Genau hier liegt der Unterschied zur symmetrischen Übertragung, bei der der Schirm gerade nicht am Signal beteiligt ist.

Der Wellenwiderstand ist eine Eigenschaft des Querschnitts

Beim Koaxialkabel hängt der Wellenwiderstand — auch charakteristische Impedanz — nur von zwei Dingen ab: vom Verhältnis der Durchmesser von Außen- zu Innenleiter und von der Permittivität des Dielektrikums. Ein weiter Außenleiter über einem dünnen Innenleiter ergibt einen hohen Wert, ein dichtes Dielektrikum senkt ihn wieder. Die Gleichung dazu — samt der Frage, welches Durchmesserverhältnis 75 Ohm ergibt und was eine Quetschung an dieser Stelle anrichtet — steht bei den Leitungskenngrößen.

Das Bemerkenswerte an ihr ist, was nicht darin steht: keine Länge und keine Frequenz. Ein Meter und hundert Meter desselben Kabels haben denselben Wert, und ein Ohmmeter findet ihn deshalb nie. Was die Größe bedeutet, wofür sie gebraucht wird und was bei Fehlanpassung passiert, führt der eigene Eintrag zum Wellenwiderstand aus. Für das Koaxialkabel zählt hier vor allem die Folge daraus: Der Wert wird beim Ziehen des Kabels festgelegt und ist danach nicht mehr veränderbar. Eine gequetschte Stelle im Leerrohr oder ein zu enger Bogen verschiebt das Durchmesserverhältnis örtlich — und macht aus einer Leitung eine Leitung mit einer Stoßstelle darin.

Warum 50 Ohm und warum 75 Ohm

Beide Werte sind Kompromisse, aber aus zwei verschiedenen Rechnungen.

Optimiert man eine luftgefüllte Koaxialleitung auf geringste Dämpfung, landet man je nach Leitfähigkeit von Innen- und Außenleiter im Bereich zwischen rund 60 und 77 Ω. Optimiert man dieselbe Leitung auf höchste übertragbare Leistung, landet man bei rund 30 Ω. Wer beides zugleich braucht — der Sender einer Funkanlage braucht es —, nimmt einen Wert dazwischen, und dort liegt die 50-Ω-Familie.

Bei den 75 Ω kürzt die verbreitete Erzählung ab. Sie lautet meist, 75 Ω folge dem Dämpfungsoptimum — das gilt aber für eine luftgefüllte Leitung. Steckt massives Polyethylen zwischen den Leitern, rutscht das Dämpfungsoptimum auf etwa 40 bis 50 Ω, und ein handelsübliches 75-Ω-Kabel liegt damit gerade nicht in seinem Dämpfungsminimum; Ellingson hält das am Beispiel RG-59 ausdrücklich fest. Tragfähiger ist das Argument aus der Antennentechnik: Der Halbwellendipol, die Urform der Empfangsantenne, hat eine Fußpunktimpedanz nahe 75 Ω. Wer empfängt, braucht keine Sendeleistung und will kein Anpassungsglied — und so ist die Empfangs- und Videotechnik dort gelandet, wo sie bis heute geblieben ist.

Für die Praxis lässt sich das auf einen Satz bringen: In der AV- und Haustechnik sind 75 Ω der Normalfall — Antennen- und SAT-Verteilung, koaxiales S/PDIF, AES3id, SDI, Word Clock —, und 50 Ω tauchen dort auf, wo gesendet oder gemessen wird, also bei WLAN- und Mobilfunkantennen und in der Messtechnik. Welche Steckverbinder zu welchem Wert gehören und welche weiteren Werte bei symmetrischen Leitungen vorkommen, steht in der Übersicht beim Wellenwiderstand.

Häufiges Missverständnis

„Koax ist ein geschirmtes Kabel." Das ist der Irrtum, der auf der Baustelle die meisten Fehler erzeugt, und er unterschlägt die halbe Funktion des Außenleiters. Bei einem geschirmten Datenkabel ist der Schirm eine Zutat — fehlt er an einer Stelle, wird die Verbindung störanfälliger. Beim Koaxialkabel ist der Außenleiter der Rückleiter, also die Hälfte des Signalwegs. Ein hastig gesetzter F-Stecker, ein Geflecht, das beim Absetzen gekürzt wurde, ein Adapter, der nur ein paar Litzen berührt: Das ist keine schwächere Schirmung, das ist ein Defekt im Leiter. Wer bei einer Koaxstrecke Fehler sucht, sucht deshalb zuerst an den Enden und nicht am Kabel.

Aus demselben Grund gilt eine Einschränkung, die in der Praxis regelmäßig übersehen wird: Weil der Außenleiter beide Geräteseiten galvanisch verbindet, schleppt eine Koaxstrecke jede Potentialdifferenz zwischen ihnen mit. Zwischen zwei Gebäudeteilen mit getrennten Erdungsanlagen ist Koax deshalb nicht die robuste, sondern die empfindliche Lösung — dort gehört ein Lichtwellenleiter hin oder wenigstens eine galvanische Trennung.

Auf der Antennenseite sitzt der zweite Fehlschluss: „Antennenkabel ist Antennenkabel." Terrestrischer Empfang und Satellitenempfang laufen zwar beide über 75 Ω, aber die Satelliten-Zwischenfrequenz reicht erheblich höher als das terrestrische Fernsehband. Ein älteres Verteilnetz kann für das eine völlig ausreichen und für das andere zu dämpfungsstark oder zu undicht sein. Der Ohm-Wert allein sagt nichts über den nutzbaren Frequenzbereich und nichts über die Schirmwirkung des Kabels.

Zur dritten verbreiteten Falle, dem mechanisch passenden, elektrisch falschen Steckverbinder, steht das Nötige bei BNC — dort auch, warum sich 50- und 75-Ω-Varianten mit bloßem Auge kaum unterscheiden lassen.

Nicht zu verwechseln mit

• Twisted Pair: Die andere große Bauform für Signalleitungen — zwei verdrillte Adern statt konzentrischer Leiter, symmetrisch statt unsymmetrisch, und mit anderen Nennwerten. Sie löst dieselbe Aufgabe über einen anderen Mechanismus; siehe Twisted Pair.
• Twinaxial und Triaxial: Zwei Innenleiter im gemeinsamen Außenleiter beziehungsweise zwei voneinander getrennte Außenleiter. Beide sehen von außen aus wie Koax und verhalten sich anders.
• Schirmung im üblichen Sinn: Bei einem geschirmten Twisted-Pair-Kabel führt der Schirm keinen Signalstrom, beim Koaxialkabel führt der Außenleiter ihn. Dieselbe Metallhülle, zwei verschiedene Rollen — siehe Schirmung.
• Impedanz eines Lautsprechers: Ebenfalls in Ohm angegeben und trotzdem eine ganz andere Größe. Die Abgrenzung steht beim Wellenwiderstand und bei der Impedanz.

In der Planung

Ein Neubau bekommt einen Technikraum, einen Kinoraum und ein Wohnzimmer mit Fernseher. Beim Termin auf der Baustelle fragt der Elektriker, wie viel Koaxialkabel er überhaupt noch legen soll — „läuft heute doch alles über Netzwerk".

Die Menge Koax ergibt sich später: Welche Signale sind auf eine Koaxialstrecke angewiesen und welche nicht? Die Zuleitung von der Antenne oder der SAT-Anlage ist es, weil sie ein Hochfrequenzsignal ins Haus bringt, für das es keinen zweiten Weg gibt, und weil sie nachträglich am schwersten zu ziehen ist. Bild und Ton zwischen den Geräten im Haus sind es nicht mehr — dort übernehmen Netzwerk, HDBaseT oder Glasfaser. Ein koaxiales S/PDIF bleibt eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung über wenige Meter im Rack und keine Gebäudestrecke.

Aus dieser Trennung folgen drei Festlegungen. Die Antennenstrecke wird durchgehend in 75 Ω ausgeführt, samt Dosen und Verteilern — ein 75-Ω-Kabel auf einem beliebigen Verteiler ist keine 75-Ω-Strecke. Steckverbinderfamilien werden nicht gemischt, und wo BNC im Spiel ist, wird die Ohm-Angabe mitbestellt und nicht angenommen. Und weil sich Bedarf an Hochfrequenzstrecken schneller ändert als eine Wand, gehört jede Koaxstrecke ins Leerrohr und nicht in den Putz.

Erst danach fällt die Produktentscheidung, und sie ist an dieser Stelle unspektakulär. Der Fehler in solchen Projekten steckt fast nie im Kabel, sondern in einer Strecke, die irgendwo unterwegs die Familie wechselt.

Verknüpfte Inhalte

Die Größe hinter der Ohm-Angabe führt der Wellenwiderstand aus, die Rechnung von der Bauform zum Ohm-Wert die Leitungskenngrößen, das Verhalten des Außenleiters die Schirmung. Die Schnittstellen, die auf 75-Ω-Koax laufen, stehen bei S/PDIF, AES3 und Word Clock; die Steckverbinder bei BNC und Cinch. Warum die gleiche Aufgabe im Haus meist symmetrisch über verdrillte Paare gelöst wird, klären Twisted Pair und die symmetrische Übertragung; wo selbst das nicht reicht, der Lichtwellenleiter. Was an Netzwerkinfrastruktur im Haus zusammenkommt, steht bei den Grundlagen des Heimnetzwerks, die Verteilerseite beim Technikraum für die AV-Technik.

Quellen

Die Optimierungsbereiche hinter 50 und 75 Ω — Dämpfungsminimum, Leistungsmaximum und die Nähe der 75 Ω zur Fußpunktimpedanz des Halbwellendipols — sind der Lehrbuchdarstellung von Steven W. Ellingson entnommen und dort am Objekt gelesen. Die Zuordnung der Anwendungen zu ihren Normen (IEC 60958-3, AES3id, SMPTE-Reihe für SDI) ist nicht am Normtext geprüft.

Ein Mittelstift für das Signal, ein zylindrischer Außenkontakt für Masse und Schirm, keine Verriegelung, ein Kanal pro Stecker: Das ist der Cinch-Anschluss, im englischen Sprachraum RCA oder phono genannt. Entworfen wurde er als billige Verbindung im Geräteinneren. Heute laufen über dieselbe Bauform ganz verschiedene Signale — Line-Pegel, das sehr leise Signal eines Tonabnehmers, der Weg zum Subwoofer und ein digitaler Datenstrom.

Ausführliche Erklärung

Die Bauform stammt von der Radio Corporation of America und taucht 1937 im Radio-Phonographen RCA U-109 auf — als Verbindung innerhalb des Geräts, zwischen Laufwerk und Chassis. Erst danach wanderte sie auf die Geräterückseite, damit Kunden einen externen Plattenspieler anschließen konnten. Daher kommt der englische Name phono connector. Die im deutschsprachigen Raum übliche Bezeichnung Cinch ist keine Norm und keine Abkürzung, sondern der Name eines US-amerikanischen Steckverbinderherstellers, der auf die Bauart übergegangen ist.

Diese Herkunft erklärt mehr, als sie zunächst vermuten lässt. Ein Bauteil, das für zwanzig Zentimeter im Gehäuseinneren gedacht war, überträgt heute Digitalsignale durch ganze Wohnungen — und die Grenzen, an die man dabei stößt, sind die Grenzen dieses Entwurfs.

Die genormte Belegung

Festgelegt ist die Bauform in IEC 60603-14; für die koaxiale S/PDIF-Nutzung derselben Buchse kommt IEC 60958-3 dazu. Die Tabelle zeigt die Bauform und kein Gerät: Welches Signal an einer bestimmten Buchse anliegt — Line, Phono, LFE, S/PDIF oder Video —, sagt allein die Beschriftung daneben.

Was alles auf derselben Buchse liegt

• Line-Signale, der Normalfall zwischen Quellgerät und Verstärker.
• Phono, das Signal direkt vom Tonabnehmer: um Größenordnungen leiser und ohne die Entzerrung, die erst der Phono-Vorverstärker vornimmt. Ein Phono-Signal in einen Line-Eingang ergibt fast nichts; ein Line-Signal in einen Phono-Eingang ergibt Übersteuerung.
• Der LFE-Weg zum Subwoofer — ein einzelner Kanal, oft über viele Meter geführt, unsymmetrisch und damit der klassische Kandidat für Brummschleifen.
• Koaxiales S/PDIF, also digitales Zweikanal-Audio.
• Composite- und Component-Video, heute historisch, in Bestandsanlagen aber noch anzutreffen.

Farben helfen dabei nur bedingt weiter. Weiß oder Schwarz für links, Rot für rechts, Gelb für Composite, Grün-Blau-Rot für Component, Orange für S/PDIF — das ist die Konvention, und sie beschreibt die Buchse am Gerät, nicht das Kabel. Ein rotes Kabel führt, was am anderen Ende eingesteckt wurde.

Der 75-Ohm-Punkt

Hier wird es planungsrelevant. Digitales S/PDIF über Koaxialkabel ist in IEC 60958-3 beschrieben, und die Norm verlangt eine Leitung mit 75 Ω Wellenwiderstand; die Signalamplitude liegt nominal bei 0,5 V Spitze-Spitze, die vorgesehene Streckenlänge in der Größenordnung von zehn Metern.

Zwei Dinge daran werden regelmäßig übersehen.

Erstens gilt die Anforderung dem Kabel. Ein gewöhnliches Audio-Cinch-Kabel ist ein geschirmtes Kabel ohne spezifizierten Wellenwiderstand — dass es einen hat, ist unvermeidlich; dass es 75 Ω sind, ist Zufall. Auf kurzen Wegen spielt das keine Rolle, weil das Signal die Fehlanpassung nicht bemerkt, solange die Laufzeit klein gegen die Flankensteilheit bleibt. Auf längeren Wegen entstehen Reflexionen an beiden Enden, die dem Empfänger die Taktrückgewinnung erschweren.

Zweitens ist der Steckverbinder selbst kein 75-Ω-Bauteil. Für den Cinch-Stecker ist gar keine Impedanz festgelegt, und eine echte Anpassung an 75 Ω lässt sich mit seinen Abmessungen konstruktiv nicht erreichen. Ein als „75 Ω" verkauftes Cinch-Kabel hat also ein spezifiziertes Kabel und zwei unspezifizierte Enden. Das ist kein Etikettenschwindel — es ist der beste erreichbare Kompromiss innerhalb dieser Bauform, und genau deshalb gibt es für dieselbe Aufgabe den BNC, bei dem die Impedanz durch die Steckergeometrie hindurch definiert ist.

Häufiges Missverständnis

„Digital ist digital — entweder es funktioniert oder gar nicht." Der Satz beschreibt Datenübertragung mit Fehlerkorrektur und Wiederholanforderung, und genau die hat S/PDIF nicht. Der Datenstrom läuft in eine Richtung, ohne Rückkanal; der Empfänger gewinnt seinen Takt aus dem Signal selbst. Wird das Signal durch Fehlanpassung verschliffen, verschlechtert sich zuerst diese Taktrückgewinnung. Was man dann bekommt, ist kein „etwas schlechterer Klang", sondern Aussetzer, Knacken oder ein Eingang, der nicht einrastet — und zwar längenabhängig, was die Fehlersuche verlängert. Die Konsequenz für die Praxis ist unspektakulär: Bei kurzen Wegen ist die Kabelfrage unerheblich, bei langen wird sie zur Streckenfrage.

Der zweite Irrtum sitzt am Subwoofer. „Rot ist rechts, Weiß ist links" gilt für Stereo-Line-Signale und nicht für den LFE-Weg: Der ist ein einzelner Kanal, und wo an einem Subwoofer trotzdem zwei Buchsen sitzen, sind sie oft schlicht parallel geschaltet oder erwarten ein Stereo-Summensignal. Welche der beiden Situationen vorliegt, steht in der Anleitung und lässt sich an den Buchsen nicht ablesen.

Der dritte betrifft die Verwechslung von Anschluss und Qualität. Dass ein Gerät nur Cinch-Ausgänge hat, sagt über seine Wandlung, seine Ausgangsstufe und seinen Störabstand nichts. Es sagt etwas über die Strecke: unsymmetrisch, unverriegelt, ein Schirm für alles. Wo diese Strecke kurz ist, ist das folgenlos.

Nicht zu verwechseln mit

• BNC: Verriegelt und mit definierter Impedanz — allerdings in zwei Ausführungen, 50 Ω und 75 Ω, die gleich aussehen und elektrisch nicht dasselbe sind. Für koaxiales Digitalaudio ist er die saubere Lösung; im Konsumbereich findet er sich fast nie.
• S/PDIF: Eine Schnittstelle, kein Steckverbinder. Sie läuft koaxial über Cinch oder optisch über TOSLINK — dieselben Daten, ganz andere elektrische Eigenschaften.
• Phono- gegenüber Line-Eingang: Gleiche Buchse, verschiedene Empfindlichkeit und verschiedene Entzerrung. Verwechseln ist mechanisch möglich und akustisch sofort hörbar.
• Klinke: Führt mehrere Kontakte in einem Stecker und ist im AV-Umfeld noch mehrdeutiger belegt als Cinch — von Stereoaudio über Infrarot bis zu Triggersignalen.
• Cinch-artige Lautsprecheranschlüsse: An manchen Kompaktanlagen sitzen Buchsen dieser Bauform am Lautsprecherausgang. Dort liegt ein Leistungssignal an, kein Line-Pegel.

Typischer Fehler

Ein Wohnzimmer bekommt Streaming, einen Plattenspieler und einen Subwoofer, der aus optischen Gründen in die gegenüberliegende Zimmerecke soll — rund zwölf Meter Kabelweg. Zusätzlich soll der Ton digital in einen Nebenraum gehen.

Bevor irgendein Kabel bestellt wird, gehört die Konzeptfrage geklärt: Welches Signal läuft über welche Strecke, und in welchem Zustand liegt es dort vor — analog oder digital, ein Kanal oder zwei? Erst diese Zuordnung macht aus zwei ähnlich aussehenden Verbindungen zwei verschiedene Aufgaben.

Für die beiden langen Wege fällt die Wahl unterschiedlich aus. Der Subwoofer-Weg ist analog, unsymmetrisch und lang — die eigentliche Gefahr ist hier nicht die Bandbreite, sondern die Brummschleife zwischen zwei Geräten an verschiedenen Steckdosen. Bietet der Subwoofer einen symmetrischen Eingang, ist das die bessere Strecke; bietet er ihn nicht, wird der Schirmweg zur Planungsfrage. Der digitale Weg in den Nebenraum wiederum ist der Fall, in dem koaxiales Cinch an seine Grenze kommt: Entweder es wird ein spezifiziertes 75-Ω-Kabel verwendet und die Steckstellen bleiben der bekannte Schwachpunkt, oder man geht optisch, oder man verlegt die Wandlung so, dass die lange Strecke gar kein S/PDIF mehr führt, sondern Netzwerk.

Die Gerätewahl kommt zuletzt und wird durch diese beiden Entscheidungen bereits stark eingeschränkt — was der übliche und der richtige Weg herum ist.

Verknüpfte Inhalte

Was S/PDIF als Schnittstelle ausmacht und wie sich die koaxiale von der optischen Variante unterscheidet, steht bei S/PDIF und TOSLINK; warum der Wellenwiderstand einer Leitung über ihre nutzbare Länge entscheidet, im Eintrag zum Wellenwiderstand. Der verriegelte Gegenentwurf mit definierter Impedanz ist der BNC. Wo die Wandlung im System sinnvoll liegt, behandelt DAC (Digital-Analog-Wandler); was der LFE-Kanal überhaupt ist, der eigene Eintrag dazu. Den professionellen Gegenpol — verriegelt, symmetrisch, ebenfalls mehrdeutig belegt — beschreibt XLR.

Quellen

Die Anforderungen an die koaxiale S/PDIF-Strecke folgen IEC 60958-3. Herkunft, Farbcodierung und die Feststellung, dass für den Cinch-Steckverbinder keine Impedanz festgelegt ist, stammen aus enzyklopädischen Zusammenstellungen und sind damit die schwächste Belegstelle dieser Seite.

TOSLINK ist kein eigenes Tonformat, sondern eine Bauweise: die optische Ausführung von S/PDIF. Übertragen werden dieselben Daten wie über die koaxiale Variante, nur nicht als Spannung durch Kupfer, sondern als rotes Licht durch einen Kunststoff-Lichtleiter. Der Name geht auf Toshiba zurück, das Verfahren ist als JEITA-Norm festgeschrieben.

Ausführliche Erklärung

Im Sendemodul sitzt eine rote Leuchtdiode mit einer Spitzenwellenlänge von 650 nm, im Empfänger eine Fotodiode. Dazwischen liegt ein Kunststoff-Lichtleiter, üblicherweise mit rund 1 mm Kerndurchmesser. Der Steckverbinder ist die quadratische Bauform nach EIAJ RC-5720B, die elektrische und optische Schnittstelle folgt der JEITA-Norm CP-1212 für Digitalaudio in Consumer-Geräten. Ein rein optisches Bauteil ist das nicht: Es sind zwei Wandlungen, elektrisch nach optisch und wieder zurück, und die Grenzen der Strecke stehen im Datenblatt dieser Module, nicht in einer Audio-Norm.

Drei dieser Grenzen sind planungsrelevant, und alle drei lassen sich am verbreiteten Toshiba-Modul TOTX147 nachlesen.

Erstens die Länge. Toshiba gibt für dieses Modul mit passendem Empfänger und einfacher Kunststofffaser eine Übertragungsdistanz von 0,2 bis 5 m an. Fünf Meter sind damit keine Schätzung, sondern der spezifizierte Wert einer üblichen Bauteilpaarung. Längere Konfektionen sind zu kaufen und funktionieren oft — aber sie funktionieren außerhalb dessen, was der Hersteller zusichert, und ob sie es tun, hängt an den Modulen beider Geräte.

Zweitens die Datenrate. Dasselbe Datenblatt nennt maximal 7,5 Mbit/s für ein Biphase-Signal. Aus dem Rahmenaufbau von S/PDIF ergibt sich, was das bedeutet: Ein Abtastframe belegt 64 Zeitschlitze, macht 3,072 Mbit/s bei 48 kHz, 6,144 Mbit/s bei 96 kHz — und 12,288 Mbit/s bei 192 kHz. Die letzte Zahl liegt über der Angabe des Moduls. Dass viele Geräte über TOSLINK bei 96 kHz aufhören, ist deshalb keine Willkür der Hersteller, sondern eine Eigenschaft der verbauten Optik.

Drittens die Mechanik. Kunststofffaser überträgt Licht durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel. Wird die Faser zu eng gebogen, trifft ein Teil des Lichts diese Grenzfläche zu steil und tritt aus — der Pegel am Empfänger sinkt. Ein scharfer Knick kann die Faser dauerhaft schädigen, ohne dass man es von außen sieht. Ein Lichtleiter ist deshalb nichts, was man in einer Wanddose eng zurücklegt oder mit Zug durch ein enges Leerrohr zieht.

Was diese drei Einschränkungen aufwiegt, ist eine einzige Eigenschaft: Zwischen Sender und Empfänger besteht keine elektrische Verbindung. Über diesen Signalweg kann sich keine Masseschleife schließen, und eingestreute elektromagnetische Störungen erreichen die Faser gar nicht erst. In Anlagen, in denen Geräte an verschiedenen Stromkreisen hängen oder in denen eine Antennen- oder Netzwerkzuleitung eine Verbindung nach außen herstellt, ist das der Grund, warum TOSLINK überhaupt gewählt wird.

Häufiges Missverständnis

„Optisch löst Brummprobleme." Das gilt genau dann, wenn die Schleife tatsächlich über diesen Signalweg läuft — und das ist häufig nicht der Fall. Eine Masseschleife braucht zwei leitende Verbindungen zwischen denselben Geräten. Trennt man die eine auf und lässt die andere stehen, etwa den Antennenanschluss des Fernsehers oder den Schirm einer Netzwerkleitung, bleibt das Brummen. Der optische Weg ist ein Werkzeug gegen ein bestimmtes Problem, kein allgemeines Entstörmittel; die Frage davor lautet immer, über welche zwei Pfade sich die Schleife schließt.

Dazu kommt eine Nebenannahme, die selten stimmt: dass die koaxiale Variante zwangsläufig elektrisch durchverbunden ist. S/PDIF über Kupfer war von vornherein mit einem Übertrager am Ausgang gedacht und wäre damit ebenfalls getrennt — nur bauen längst nicht alle Geräte ihn ein. Optisch ist also der sichere Weg, nicht der einzige.

Der zweite verbreitete Satz lautet: „Optisch klingt schlechter, wegen Jitter." Richtig daran ist, dass jede Wandlung von elektrisch nach optisch und zurück Unsicherheit in die Flankenlage einträgt. Die Daten selbst sind davon nicht betroffen — sie kommen an oder gar nicht. Ob die verbleibende Taktunsicherheit hörbar wird, hängt daran, wie der Empfänger seinen Takt zurückgewinnt. Geräte, die den Datenstrom puffern und mit einem asynchronen Sample-Rate-Converter (ASRC) wandeln, entkoppeln sich davon weitgehend: Am Ausgang eines solchen Wandlers läuft ein freilaufender Quarzoszillator, der mit dem ankommenden Takt nichts mehr zu tun hat — der Eingangsjitter der optischen Strecke erreicht das Ausgangssignal dadurch praktisch nicht mehr.

Eine perfekte Lösung ist das trotzdem nicht. Die Wandlung selbst — ob D/A-Wandlung oder Resampling im ASRC — bringt eigene Unsicherheit und eigenen Jitter mit, unabhängig davon, was auf der Zuleitung ankam. Die Entkopplung verschiebt das Problem vom Kabel ins Gerät, sie löst es nicht auf.

Nicht zu verwechseln mit

• S/PDIF koaxial: dieselben Daten über 75-Ohm-Kupfer, mit größerer Reichweite und ohne die Längenbegrenzung der Kunststofffaser.
• Glasfaser im Datennetz: andere Fasertypen, andere Wellenlängen, andere Steckverbinder — mit TOSLINK nur das Wort „optisch" gemeinsam.
• Optische HDMI-Kabel (AOC): HDMI-Stecker mit Faser im Inneren, für lange Bild- und Tonstrecken. Kein S/PDIF.
• ADAT Lightpipe: benutzt denselben Steckverbinder, überträgt aber ein anderes Format mit acht Kanälen. Der Stecker sagt auch hier nichts über das Signal.

Typischer Fehler

Ein Wohnzimmer brummt. Fernseher, Streamer und ein aktiver Subwoofer hängen an derselben Anlage, der Ton kommt über den koaxialen Digitalausgang des Fernsehers, und im Netz steht, optisch löse das Problem. Der Kunde kauft ein optisches Kabel, steckt um — und das Brummen bleibt.

Bevor irgendwo umgesteckt wird: Über welche zwei Wege ist der Ring geschlossen? Meist läuft der zweite Weg gar nicht über das Tonkabel, sondern über den Antennen- oder Kabelanschluss des Fernsehers oder über die Cinch-Leitung zum aktiven Subwoofer, deren Schirm zwei Schutzleiter miteinander verbindet. Solange dieser zweite Pfad steht, ändert der optische Ersatz für den ersten nichts.

Die Abhilfe ist damit festgelegt: den Ring an genau einer Stelle auftrennen, und zwar an der, über die er tatsächlich läuft — Mantelstromfilter im Antennenweg, galvanische Trennung im Subwoofer-Signalweg, oder eben der optische Digitalausgang, wenn die Schleife dort verläuft. Erst danach kommt die Gerätefrage, und die ist dann klein: ein Bauteil für unter fünfzig Euro statt eines neuen Verstärkers.

Zwei Dinge sollte man bei dieser Gelegenheit gleich mit klären, weil sie sonst als Folgeproblem wiederkommen: ob die gewünschten Tonformate über S/PDIF überhaupt ankommen — bei objektbasiertem Ton tun sie das nicht — und wie lang die optische Strecke werden soll. Fünf Meter sind die spezifizierte Grenze, und ein Leerrohr mit engen Bögen ist für Kunststofffaser der falsche Weg.

Verknüpfte Inhalte

Was über diese Schnittstelle überhaupt übertragen wird und wo ihre Formatgrenze liegt, steht bei S/PDIF; die professionelle Ausprägung derselben Datenstruktur bei AES3. Warum Fasern nicht beliebig eng gebogen werden dürfen, behandelt der Eintrag zum Mindestbiegeradius, die Unterschiede zu den Fasern in Datennetzen der Eintrag zum Lichtwellenleiter.

Quellen

Wellenlänge, Fasertyp, Steckverbindernorm, Übertragungsdistanz und Datenrate stammen aus dem Toshiba-Datenblatt zum Sendemodul TOTX147, das für diese Seite am Objekt gelesen wurde. Die Zuordnung der optischen Variante zu S/PDIF und zur Normreihe IEC 60958 folgt RaneNote 149; die Rechnung von der Abtastrate zur Datenrate dem Rahmenaufbau aus dem AES3-Normtext. Der Entkopplungsmechanismus eines asynchronen Sample-Rate-Converters gegen Eingangsjitter und die Einschränkung durch die eigene Unsicherheit der Wandlung folgen Dunn (Audio Precision / Nanophon, TN-23 Jitter Theory).

S/PDIF ist die für Consumer-Geräte gedachte Ausprägung der Digitalaudio-Schnittstelle nach IEC 60958. Sie transportiert zwei Kanäle linear codiertes Audio — oder, in denselben Rahmen verpackt, einen komprimierten Mehrkanal-Bitstream. Die Abkürzung steht für Sony/Philips Digital Interface; als Norm heißt sie IEC 60958-3.

Ausführliche Erklärung

Unter der Oberfläche ist S/PDIF kein eigenes Datenformat, sondern dieselbe serielle Struktur, die auch die professionelle Schnittstelle AES3 benutzt. Ein Subframe umfasst 32 Zeitschlitze und enthält einen Abtastwert eines Kanals, zwei Subframes bilden einen Frame, 192 Frames einen Block. Codiert wird im Biphase-Mark-Verfahren, das den Takt in den Datenstrom hineinlegt — der Empfänger braucht deshalb keine zweite Leitung für die Uhr. Bei 48 kHz Abtastrate ergibt das 3,072 Mbit/s.

Getrennt sind die beiden Welten nicht am Ton, sondern am Beipack. In den Zeitschlitzen für den Channel Status stehen bei S/PDIF andere Angaben als bei AES3 — unter anderem das Kopierschutz-Flag SCMS. Dennis Bohn hat das in der Anwendungsschrift RaneNote 149 auf die knappste Form gebracht: Die Audiodaten sind dieselben, die Subcode-Formate sind es nicht. Wer beide Welten koppelt, ändert das Übertragungsmedium, nicht das Format.

S/PDIF hat zwei physische Ausführungen, und beide übertragen exakt dieselben Daten:

Die zweite Spalte ist der eigene Eintrag TOSLINK; dort stehen auch die Gründe, warum sie in der Praxis oft die bessere und manchmal die schlechtere Wahl ist.

Interessanter für die Planung ist die Obergrenze. In den Zwei-Kanal-Rahmen lassen sich nach der Normreihe IEC 61937 auch komprimierte Mehrkanalspuren hineinpacken — Dolby Digital und DTS in ihren klassischen Fassungen laufen so über eine Leitung, die formal nur zwei Kanäle kennt. Was nicht mehr hineinpasst, sind die verlustfreien und objektbasierten Tonspuren aktueller Discs und Streamingdienste: Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio und alles, was darauf aufbaut. Dafür gibt es HDMI und eARC. Ein Gerät, das an S/PDIF hängt, fällt entweder auf die komprimierte Fassung zurück oder gibt nur Stereo aus — und beides ist kein Fehler, sondern die Schnittstelle.

Klar, damit klingt S/PDIF nach Auslaufmodell. Ist es aber nicht: Wo ohnehin nur Stereo läuft — Streamer zum Wandler, CD-Laufwerk zum Verstärker, Fernseher zur Soundbar mit Zweikanalton —, überträgt die Schnittstelle genau das, was gebraucht wird, ohne Handshake, ohne HDCP, ohne EDID-Verhandlung. Sie ist unspektakulär zuverlässig, solange man ihr nicht mehr abverlangt, als sie kann.

Häufiges Missverständnis

„Digital ist digital, das Kabel ist also egal." Der erste Teil stimmt: Ein Bit kommt an oder nicht, und ein teures Kabel macht den Ton nicht wärmer. Der zweite Teil stimmt nicht, weil die elektrische Variante eine Hochfrequenzleitung mit 75 Ω Wellenwiderstand ist. Ein gewöhnliches Analog-Cinchkabel hat diesen Wert nicht — es ist für Audiofrequenzen gebaut, nicht für Signalflanken im Megahertzbereich. Auf einem Meter merkt man davon nichts. Auf zehn Metern durch ein Leerrohr merkt man es sehr wohl, und zwar nicht als schleichende Verschlechterung, sondern als Aussetzer oder als Verbindung, die gar nicht erst zustande kommt. Warum das so ist, steht ausführlich beim Wellenwiderstand und, an einem härteren Beispiel durchgerechnet, bei AES3.

Als Nächstes das Format. Viele gehen davon aus, HDMI übertrage denselben Ton wie der Digitalausgang und zusätzlich nur das Bild. Tatsächlich unterscheiden sich beide Wege im Ton erheblich: S/PDIF überträgt zwei PCM-Kanäle oder einen komprimierten Bitstream, HDMI zusätzlich verlustfreie und objektbasierte Formate. Wer den Digitalausgang benutzt, weil er „unabhängiger vom Fernseher" ist, kauft diese Unabhängigkeit mit dem Tonformat.

Nicht zu verwechseln mit

• AES3: dieselbe Datenstruktur in der professionellen Ausprägung — symmetrisch, 110 Ω, andere Pegel, anderer Channel Status.
• TOSLINK: der optische Steckverbinder samt Lichtleiter. Er überträgt S/PDIF, ist aber kein eigenes Format.
• HDMI und eARC: der breitere Weg, über den auch verlustfreie und objektbasierte Tonspuren laufen.
• USB Audio: eine Rechnerschnittstelle mit eigenem Protokoll und eigener Taktführung, kein IEC-60958-Rahmen.

In der Planung

Ein Wohnzimmer wird umgebaut, der Fernseher hängt künftig an der Wand, der Verstärker steht im Sideboard fünf Meter daneben. Der Kunde nennt als Ziel „Atmos aus den Streaming-Apps des Fernsehers" und fragt, ob ein Koaxkabel im Leerrohr reicht.

Welches Tonformat soll am Prozessor ankommen? Danach richtet sich das Kabel: Welches Tonformat soll am Prozessor ankommen? Sobald objektbasierter Ton dabei ist, ist S/PDIF raus — unabhängig davon, wie gut die Leitung ist. Damit steht das Verfahren fest: Rückkanal über HDMI mit eARC, also eine HDMI-Strecke zwischen Fernseher und Verstärker, und die will im Leerrohr anders behandelt werden als ein dünnes Koaxkabel. Die Gerätewahl zuletzt — sie fällt enger aus als gedacht, weil beide Seiten eARC beherrschen müssen.

Der Digitalausgang bleibt trotzdem sinnvoll — als zweiter, formatarmer Weg für den Fall, dass die HDMI-Verhandlung nach einem Firmware-Update klemmt. Genau dafür ist er gut: Er kann wenig, aber das ohne Voraussetzungen.

Verknüpfte Inhalte

Die professionelle Ausprägung derselben Schnittstelle behandelt AES3, die optische Ausführung TOSLINK. Warum die 75-Ohm-Angabe eine Anforderung und kein Etikett ist, steht beim Wellenwiderstand. Wohin die Formate wandern, die hier nicht mehr durchpassen, klärt der Eintrag zu eARC und ARC.

Quellen

Normzuordnung, elektrische Parameter und die maximale Distanz von zehn Metern stammen aus RaneNote 149; der Rahmenaufbau aus 32 Zeitschlitzen, zwei Subframes und 192 Frames sowie die Biphase-Mark-Codierung aus dem AES3-Normtext, den S/PDIF unverändert übernimmt. Beide wurden für diese Seite im Volltext eingesehen.