Symmetrische und unsymmetrische Verbindungen

Die Unterscheidung zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Signalübertragungen ist fundamental für die Störsicherheit und Signalqualität in professionellen Audiosystemen.

1. Unsymmetrische Übertragung (Unbalanced)

1.1. Grundprinzip

Zwei-Leiter-System:

• Hot/Signal: Trägt das Nutzsignal
• Ground/Masse: Referenzpotential und Rückleiter

1.2. Typische Anschlüsse

• TS-Klinke (Tip-Sleeve): 6,3 mm Mono-Klinke
• RCA/Cinch: Consumer Audio-Standard
• BNC: Hochfrequenz-Anwendungen

1.3. Schirmung

Koaxial-Aufbau:

• Innenleiter: Signal
• Schirm: Masse und Abschirmung gegen äußere Störungen
• Dielektrikum: Isolation zwischen Innen- und Außenleiter

1.4. Charakteristische Probleme

Störeinkopplung:

• Kapazitive Einkopplung: Hochfrequente Störungen
• Induktive Einkopplung: Niederfrequente Magnetfelder (50 Hz Brumm)
• Längenabhängigkeit: Störungen verstärken sich mit der Kabellänge

Erdschleifen (Ground Loops):

Quelle ----[Signal]---- Ziel
  |                       |
  +---[Kabelschirm]-------+
  |                       |
  +---[Andere Masse]------+

Resultat: Brummeinstreuung durch unterschiedliche Massepotentiale

2. Symmetrische Übertragung (Balanced)

2.1. Grundprinzip

Drei-Leiter-System:

• Hot (+): Positives Signal
• Cold (-): Invertiertes Signal (180° Phasenverschiebung)
• Ground: Schirm/Masse (führt kein Nutzsignal)

2.2. Differentielle Signalübertragung

$U_{nutz} = U_{hot} - U_{cold}$

Gleichtaktstörungen wirken auf beide Signalleiter identisch und werden durch Subtraktion eliminiert.

2.3. Typische Anschlüsse

• XLR: 3-poliger Standard für professionelle Mikrofone
• TRS-Klinke (Tip-Ring-Sleeve): 6,3 mm Stereo-Klinke für Monoanwendung
• Bantam/TT: Patchfeld-Standard im Broadcast

2.4. Gleichtaktunterdrückung (CMRR)

Common Mode Rejection Ratio: $CMRR = 20 \log \frac{A_{diff}}{A_{cm}}$

wobei:

• $A_{diff}$ = Verstärkung des Differenzsignals
• $A_{cm}$ = Verstärkung des Gleichtaktsignals

Typische Werte:

• Gute Eingangsstufen: CMRR > 80 dB
• Sehr gute Eingangsstufen: CMRR > 100 dB

2.5. Transformator-Kopplung

Übertrager bieten:

• Galvanische Trennung: Unterbrechung von Erdschleifen
• Impedanzwandlung: Anpassung verschiedener Impedanzniveaus
• Hohe CMRR: Typisch > 80 dB bis 10 kHz

2.6. Elektronische Balancierung

Aktive Schaltungen:

• Differenzverstärker: OpAmp-basierte Implementierung
• Instrumentenverstärker: Spezialisierte ICs mit hoher CMRR
• Transformatorlose Kopplung: Kostengünstiger, aber weniger robust

3. Störunterdrückung

3.1. Störquellen

Elektromagnetische Interferenz (EMI):

• Sendeanlagen: RF-Einstreuung
• Schaltnetzteile: Hochfrequente Pulse
• Digitale Systeme: Clock-Harmonische

Magnetische Felder:

• Netzfrequenz (50/60 Hz): Transformatoren, Motoren
• Harmonische: Schaltnetzteile, Dimmer

3.2. Wirkungsweise der Symmetrierung

Störsignal-Modell:

Hot:  Nutzsignal + Störung
Cold: -Nutzsignal + Störung

Differenzbildung am Empfänger:

Ausgang = (Nutzsignal + Störung) - (-Nutzsignal + Störung)
        = 2 × Nutzsignal

Bedingung: Störung muss auf beide Leiter gleich wirken (Gleichtakt)

3.3. Limits der Störunterdrückung

Unsymmetrische Störeinkopplung:

• Verschiedene Leiterlängen in Twisted-Pair
• Ungleiche Impedanzen der beiden Signalleiter
• Kapazitive Unsymmetrien zum Schirm

Übersteuerung:

• Gleichtakt-Eingangsspannung begrenzt durch Versorgungsspannung
• Clipping zerstört Symmetrie und reduziert CMRR

4. Kabel-Design

4.1. Twisted Pair

Verdrillte Leiterpaare:

• Kompensation magnetischer Kopplungen
• Gleiche Einkopplung auf beide Leiter
• Schlag-Länge: Optimiert für spezifische Frequenzbereiche

4.2. Stern-Quad-Kabel

Vier-Leiter-Aufbau:

    Hot1
     |
Cold1-+-Hot2
     |
   Cold2

Vorteile:

• Bessere Symmetrie durch redundante Leiterführung
• Höhere Störfestigkeit bei kritischen Anwendungen
• Längere Übertragungsstrecken möglich

4.3. Schirmung

Geflechtschirm: Gute HF-Abschirmung, mechanisch robust Folien-Schirm: Kostengünstig, 100% Abdeckung Doppelschirmung: Kombination aus Folie und Geflecht

5. Impedanz-Aspekte

5.1. Charakteristische Impedanz

Twisted Pair: Typisch 100-120 Ω (differenziell) Professionelle Audio-Leitungen: 75 Ω üblich

5.2. Abschlusswiderstände

Leitungsabschluss bei langen Kabeln: $R_{term} = Z_0 = \sqrt{\frac{L'}{C'}}$

Audio-Anwendung: Meist nicht erforderlich durch niedrige Impedanzen

6. Anwendungsbereiche

6.1. Mikrofonverbindungen

Standard: XLR symmetrisch Phantomspeisung: +48V zwischen Hot/Cold und Masse Lange Kabel: Bis 100m ohne Signalverschlechterung

6.2. Line-Level-Signale

Professionell: +4 dBu symmetrisch (XLR, TRS) Consumer: -10 dBV unsymmetrisch (RCA, TS)

6.3. Digital Audio

AES/EBU: 110 Ω symmetrisch über XLR S/PDIF: 75 Ω unsymmetrisch über RCA/BNC

6.4. Instrumentensignale

Elektrische Instrumente: Unsymmetrisch (hohe Impedanz) DI-Boxen: Wandlung unsymmetrisch → symmetrisch

7. Messung und Test

7.1. CMRR-Messung

Verfahren:

1. Gleichtaktsignal auf beide Eingänge
2. Messung des Ausgangssignals
3. Vergleich mit Differenzmodus-Verstärkung

7.2. Störabstand-Messung

Signal-to-Noise Ratio bei:

• Verschiedenen Kabellängen
• Verschiedenen Störquellen
• Verschiedenen Impedanzniveaus

7.3. Kabel-Qualifizierung

Parameter:

• Schirmungsqualität (Transfer Impedance)
• Symmetrie (Impedanz-Matching)
• Frequenzgang-Symmetrie

Die Wahl zwischen symmetrischer und unsymmetrischer Übertragung hängt von der Anwendung, Kabellänge und den Störumgebungs-Bedingungen ab. Symmetrische Systeme bieten deutlich höhere Störsicherheit bei geringfügig höherem Aufwand.