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Symmetrisch / Unsymmetrisch

Professionelle Audioanlagen werden normalerweise mit symmetrischer Übertragungstechnik aufgebaut, während HiFi-Anlagen unsymmetrisch verkabelt sind. Was ist das eigentlich, was ist der Unterschied, warum gibt’s überhaupt zwei verschiedene Systeme, und was passiert, wenn man sie kombiniert?

Zuerst mal ein wenig Basiselektrik:

Strom fließt immer im Kreis, darum spricht man vom Stromkreis. Wenn man also ein elektrisches Signal von A nach B übertragen will, dann braucht man dafür zwei Leitungen: Eine Hin- und eine Rückleitung. Das gilt sogar für Wechselstrom. Bei dem ändert sich zwar dauernd die Stromflussrichtung, aber trotzdem muss zu jedem Zeitpunkt der Strom, der in einer der beiden Leitungen fließt, in der anderen wieder zurückfließen.

Die Information kann auf verschiedene Weise im Strom enthalten sein. Im einfachsten Fall kann sie in der Stromstärke oder in der Spannung enthalten sein. Kompliziertere Fälle gibt es auch, z. B. kann die Information auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert sein. Das ist z. B. beim TV-Kabel der Fall. Das soll uns hier nicht interessieren. Der gängigste Fall bei Audiosignalen ist nämlich der, dass die Information in der Spannung steckt.

Wenn man eine Spannung übertragen will, dann macht man die Quelle niederohmig und das Ziel hochohmig. Auf diese Weise kommt das Signal mit den geringsten Verlusten an. (Bei Stromübertragung ist es übrigens genau umgekehrt.) So ist z. B. der Ausgangswiderstand eines HiFi-Gerätes normalerweise deutlich unterhalb von 100Ohm, während der Eingangswiderstand 10kOhm oder mehr beträgt.

Der Eingangswiderstand liegt dabei zwischen dem Hinleiter und dem Rückleiter. Irgendwelche immer vorhandenen Kabel- und Steckerwiderstände liegen dazu in Reihe, und solange sie im Vergleich mit den 10kOhm sehr klein sind, spielen sie praktisch keine Rolle. So weit jedenfalls die Theorie.

Bei der symmetrischen Übertragung gönnt man jetzt jedem Hinleiter seinen eigenen Rückleiter, die beiden Drähte treten also immer paarweise auf, und sind sogar oft noch miteinander verdrillt. Dadurch erreicht man, dass sich eventuelle Störungen durch Radiosignale oder Magnetfelder auf beide Drähte praktisch gleich auswirken. Das Nutzsignal gewinnt man im Empfänger dadurch, das man den Spannungsunterschied zwischen den beiden Leitungen feststellt, und bei dieser Subtraktion fällt ein Störsignal, das auf beiden Leitungen gleich vorhanden ist, wieder heraus. Die symmetrische Übertragung ist deswegen ziemlich störsicher.

Wir brauchen also für die symmetrische Übertragung pro Signal zwei Drähte und einen Subtrahierer im Empfänger zur Feststellung des Spannungsunterschieds zwischen diesen.

Bei der unsymmetrischen Übertragung versucht man demgegenüber zu sparen. Wenn man mehrere Signale zugleich übertragen will, dann kann man eine gemeinsame Rückleitung für alle Signale verwenden und so Drähte einsparen. Wenn man diese Rückleitung an das in jedem Gerät vorhandene interne Bezugspotenzial (die sogenannte Signalmasse) anschließt, dann kann man auch den Subtrahierer sparen, weil das Nutzsignal schon auf den richtigen Pegel bezogen ist.

Dabei handelt man sich aber ein Problem ein. Dieses System verlangt nun, dass die internen Bezugspotenziale in jedem Gerät gleich sind. Jeder Unterschied würde im Empfänger so aussehen, als wäre er dem Nutzsignal überlagert und von diesem nicht zu unterscheiden. Bei einem unsymmetrisch verbundenen System muss man also dafür sorgen, dass es keine nennenswerten Unterschiede im Pegel der Signalmassen aller beteiligten Geräte gibt. Die Masseverbindung muss so niederohmig wie möglich sein, während die einzelnen Hinleitungen diesbezüglich nicht so empfindlich sind. Das zu erreichen, kann schwieriger sein, als man denkt.

Man könnte vielleicht denken, dass man die Gleichheit der Potenziale einfach dadurch herstellt, dass man die Signalmassen per Kabel miteinander verbindet. Aber jedes Kabel hat einen Widerstand, da es (noch) keine Raumtemperatur-Supraleiter gibt. Stecker haben Übergangswiderstände, besonders die billigen und diese steigen mit der Zeit wegen Korrosion. Und selbst wenn das alles nicht so wäre, gibt es immer noch die Leitungsinduktivität, die einen Scheinwiderstand verursacht. Mit einem Wort, je länger die Leitung ist, desto weniger Chancen hat man, die Gleichheit der Massepegel zu erreichen.

Unsymmetrische Übertragung kommt also vor allem dann in Frage, wenn die Leitungslängen kurz sind und wenn man die kostengünstigste Lösung sucht. Das sind genau die Voraussetzungen, die man bei der HiFi-Technik vorfindet. Dort wird schon seit jeher der letzte Zehntel-Cent gespart und die beteiligten Geräte stehen normalerweise am selben Ort.

In der professionellen Tontechnik gelten andere Regeln. Dort hat man es mit größeren und weitläufigeren Anlagen zu tun, bei denen von vornherein keine Hoffnung besteht, dass man für ausgeglichene Massepegel sorgen kann. Also bedient man sich der symmetrischen Übertragung, wo man darauf nicht angewiesen ist. Das Extrembeispiel dafür ist die analoge Telefontechnik, die schon seit Jahr und Tag symmetrisch arbeitet. Da geht es um Entfernungen von vielen Kilometern. Mit unsymmetrischer Technik hätte man da keine Chance. Die durch unterschiedliche Massepegel verursachten Störungen würden um ein Vielfaches höher als das Nutzsignal liegen.

Eine HiFi-Anlage hat vor 50 Jahren aus einem Plattenspieler und einem Radio mit Verstärker bestanden, oft in die gleiche Truhe eingebaut und an der gleichen Steckdose angeschlossen. In so einem Fall hat man bei unsymmetrischer Verkabelung wenig zu befürchten. Heutzutage aber sind HiFi-Anlagen oft umfangreicher. Da werden TV-Geräte, DVD-Spieler, Computer und Set-Top-Boxen zusammengestöpselt und die Verkabelung geht unter Umständen durch die ganze Wohnung. Weil die Antennenleitung ebenfalls unsymmetrisch ist, erstreckt sich die Masseverkabelung in Wirklichkeit sogar bis über die Antennenanlage. Dazu kommt noch, dass z. B. in Computern die Signalmasse mit dem Schutzleiter verbunden ist. Das heißt, dass die Schutzerde auch noch in den Bezugspegel hineinwirkt. In so einem weitverzweigten Massesystem fließen so gut wie immer irgendwelche vagabundierenden Ströme herum, z. B. solche, die durch den Induktionseffekt erzeugt werden. In einem unsymmetrischen System ist es sehr schwierig, diese Störströme aus dem Nutzsignal herauszuhalten.

Im idealen symmetrischen System ist die Masseverkabelung von der Signalverkabelung getrennt. Auf diese Weise sind Ströme, die in der Masseverkabelung fließen, ohne Belang. Die symmetrische Verbindung zwischen zwei Geräten besteht aus drei Drähten: Hinleiter, Rückleiter und Masse. Die Masseverbindung führt man dabei als Abschirmung aus, um die innen liegenden Signalleitungen vor eingestrahlten Radiosignalen zu schützen. Im Grunde kann man dabei die Schirmung des Kabels als Fortsetzung des metallischen Gehäuses der Geräte ansehen. Aus diesem Grund verbindet man den Masseleiter (Schirm) im Kabel auch mit der Gehäusemasse der angeschlossenen Geräte, und zwar auf dem kürzesten Weg, damit HF-Störungen gar nicht erst ins Innere kommen können.

Ginge es nicht um die Abschirmung von HF-Signalen, dann wäre der Schirm und die Masseverbindung gänzlich unnötig. Zur Signalübertragung selbst spielt sie keine Rolle. Aus diesem Grund ist es auch falsch, bei symmetrischen Verbindungen die Masseleitung im Kabel mit der Signalmasse des Geräts zu verbinden. Die Signalmasse spielt nur innerhalb eines Geräts als Bezugspunkt eine Rolle, nach außen wird sie nicht benötigt. Jede Verbindung nach außen bietet nur ein Einfallstor für Störsignale. Innerhalb des Geräts wird die Signalmasse allerdings an einer einzigen Stelle mit der Gehäusemasse verbunden. Das hat seinen Grund in der (Un-)Empfindlichkeit gegenüber eingestreuten Radiosignalen.

Besonders interessant wird es nun, wenn man symmetrische mit unsymmetrischen Geräten verbinden will, oder wenn man bei der Verbindung von unsymmetrischen Geräten zur Vermeidung von Masseproblemen (z. B. Brummschleifen) zwischendurch auf symmetrisch umsteigen will. Hier schlägt nämlich oft der Detailteufel zu, weil die verschiedenen Masse-Arten nicht sauber unterschieden werden. Durch eine unglückliche Masseverbindung kann man sich nämlich den kompletten Vorteil der symmetrischen Technik verscherzen. Hier muss man also Grips anwenden. Die symmetrische Technik hat sogar bei manchen einen schlechten Ruf, eben weil man schnell solche Fehler machen kann. Solche Fehler werden übrigens auch gern von Geräteherstellern gemacht, die es eigentlich besser wissen müssten. So findet man z. B. viele Geräte, bei denen die Masse an einem Stecker für symmetrische Signale nicht mit der Gehäusemasse sondern mit der Signalmasse verbunden ist, im Gegensatz zu dem, was ich oben schrieb.

Also wie verbindet man symmetrisch mit unsymmetrisch, falls es mal notwendig wird?

Am problemlosesten geht dies mit Übertragern. Alle vier Kombinationen Unsym–>Unsym, Unsym–>Sym, Sym–>Unsym, Sym–>Sym können mit einem Übertrager (sogar dem gleichen Übertrager) gelöst werden. Dazu braucht er auch keine eigene Stromversorgung und er verträgt mehrere hundert Volt Spannungsdifferenz zwischen den beiden Seiten. Das wäre ideal, wenn es nicht auch ein paar Nachteile gäbe: Ein Übertrager hat bei niedrigen Frequenzen steigende Klirrfaktoren, und Maßnahmen dagegen sind unweigerlich teuer. Mit einem Wort: Gute Übertrager kosten eine Stange Geld. Dazu haben sie ein beträchtliches Gewicht und Volumen, wenigstens, wenn man sie mit sonstigen elektronischen Bauteilen vergleicht (z. B. Transistoren). Wer allerdings 250 Euro für ein Cinch-Kabel für ein Schnäppchen hält, der braucht auch bei dem Preis eines guten Übertragers nicht zusammenzucken.

Die Güte eines Übertragers kann man leider nicht immer an den veröffentlichten Daten erkennen. Interessant ist es vor allem, wie sich der Klirrfaktor bei niedrigen Frequenzen verhält. Eine Angabe des Klirrfaktors bei 1kHz sagt eher wenig aus. Der Übertrager sollte auch gut abgeschirmt sein, z. B. durch eine Mumetall-Kappe.

Übertrager werden normalerweise als Bauteil zum Einbau in Geräte angeboten. Das ist natürlich für den Normalbenutzer eher uninteressant. Bauformen, die in eine Kabelverbindung eingeschleift werden können, sind da eher geeignet. Beispiele dafür sind der Monacor FGA-40, oder der wesentlich bessere und teurere Lundahl LL6810-phmphm. Beide haben den bei HiFi üblichen Cinch-Stecker, sodass sie insbesondere für die Verbindung Unsym–>Unsym verwendet werden können, also zur Auftrennung von Masseschleifen. Das Monacor-Modell ist Stereo, Lundahl mono, man braucht also von Letzterem zwei für Stereo.

Will man aus dem einen oder anderen guten Grund keinen Übertrager einsetzen, fächern sich die Möglichkeiten leider in eine Reihe von Fällen auf, sodass man das Problem etwas genauer studieren muss.

Die Schwierigkeiten haben damit zu tun, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, wie man einen symmetrischen Eingang oder Ausgang technisch realisieren kann. Je nachdem, welche dieser Varianten im konkreten Fall vorliegt, muss die Verbindung zwischen symmetrischem und unsymmetrischem Gerät anders aussehen. Man muss folglich einige technische Details der beteiligten Geräte kennen, die Angabe symmetrisch/unsymmetrisch reicht allein nicht. Ich muss zur korrekten Beschreibung also ein wenig in die Tiefe gehen.

Zunächst zu den verwendeten Steckverbindungen

Die im professionellen Bereich eingesetzte Steckverbindung für symmetrische Signale ist der XLR-Stecker. Die Standard-Steckerbelegung ist 1:Gehäusemasse/Schirm 2:Hot(Plus) 3:Cold(Minus). Ebenfalls eingesetzt wird der 6,35mm Stereo-Klinkenstecker, wobei der hier nur für ein Mono-Signal gebraucht wird. Hier ist die Steckerbelegung Spitze:Hot Ring:Cold Hülle:Masse.

Insbesondere bei XLR gibt es leider eine Reihe von Geräten, die abweichende Belegungen verwenden. Das ist die erste Ursache von Problemen. Vielfach wird auf Pin 1 nicht die Gehäusemasse gelegt, sondern die Signalmasse, was ich schon weiter oben kritisiert habe. Dieses Problem trifft auch auf die Klinkenstecker zu. Darüber hinaus ist bei XLR auch manchmal Hot und Cold vertauscht.

Die Begriffe Hot und Cold sind dabei wie folgt zu verstehen: Hot ist das „normale“ Signal, also sozusagen die Hinleitung. Cold ist demnach die Rückleitung. Auch verwendet werden die Bezeichnungen + (Plus) und – (Minus), aber das ist etwas verwirrend, weil es sich ja um Wechselspannungen handelt, die gegenüber Masse oder gegeneinander einmal positiv und wenig später wieder negativ sein können. Ich bleibe daher bei den Begriffen Hot und Cold.

Wir setzen zunächst voraus, dass die Anschlüsse der Geräte korrekt verdrahtet sind. Welche Probleme daraus entstehen, wenn die Hersteller Fehler gemacht haben, wird später noch besprochen.

Eine Verbindung Sym–>Sym ist sehr einfach. Man verbindet einfach Hot mit Hot, Cold mit Cold und den Kabelschirm an beiden Enden mit Pin 1 (bei XLR). Die Drähte für Hot und Cold sollten im Kabel miteinander verdrillt sein. Ein so konfiguriertes Kabel bietet die besten Ergebnisse. Die Gehäusemassen beider Geräte werden über den Kabelschirm miteinander verbunden, sodass Störströme über die Gehäuse abfließen und nicht ins Geräteinnere dringen. Diese Verbindung gilt für alle Varianten von symmetrischer Eingangs- und Ausgangsschaltung in den beteiligten Geräten.

Wenn eines der Geräte (oder gar beide) den Fehler macht, die Signalmasse an Pin 1 zu legen anstelle der Gehäusemasse, dann können Störströme ins Innere des Geräts dringen und sich so im Nutzsignal bemerkbar machen. In diesem Fall kann es nötig sein, den Schirm an einem Ende des Kabels abzuklemmen, oder einen eventuell vorhandenen Groundlift-Schalter (Mit diesem kann die Verbindung zwischen dem Schutzleiteranschluss des Gerätes und der Signalmasse im Gerät aufgetrennt werden. Damit ist es möglich, die Brummschleife zu entfernen. Man nimmt aber in Kauf, dass die Empfindlichkeit gegenüber Funkeinstrahlung steigt) zu öffnen. Dadurch kann die Verbindung aber anfälliger gegen HF-Einstreuungen werden. Ein anderer Trick ist es, den Kabelschirm nur mit dem metallischen Steckergehäuse zu verbinden, nicht aber mit Pin 1. Mit etwas Glück steht das Metallgehäuse der Gerätebuchse mit dem Gerätegehäuse in Verbindung, wodurch man wieder die Verbindung zur Gehäusemasse erreicht hat. Vielleicht kann man aber sogar die falsche Verdrahtung im Gerät korrigieren, aber da muss man natürlich die Garantiebedingungen beachten.

Noch komplizierter wird es bei Verbindungen zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Geräten. Dazu muss ich die einzelnen Schaltungsvarianten erklären. Zunächst die Eingänge:

1. Trafosymmetrischer Eingang

Es wird intern ein Übertrager eingesetzt. Trafo und Übertrager sind eigentlich das Gleiche; im Englischen z. B. gibt es dafür nur ein Wort: Transformer. Hier sind Hot und Cold mit der Primärwicklung des Übertragers verbunden.

Wenn man einen unsymmetrischen Ausgang mit diesem Eingang verbinden will, dann verbindet man einfach die unsymmetrische Masse mit dem Cold-Anschluss und das Signal mit dem Hot-Anschluss. Pin 1 bleibt unbenutzt.

Eine elegantere Variante (bessere HF-Abschirmung) ist bei Verwendung eines etwas teureren Triaxial-Kabels möglich: Hier kann man die äußere Abschirmung mit Pin 1 am Eingang verbinden. Auf der Seite des unsymmetrischen Ausgangs bleibt sie unverbunden. Der innere Schirm verbindet unsymmetrische Masse mit Cold.

Handelsübliche Adapterstecker zwischen Cinch und XLR sind für diesen Zweck falsch beschaltet, weil sie die unsymmetrische Masse mit der Gehäusemasse am symmetrischen Gerät und mit Cold verbinden. Dadurch entsteht eine Masseverbindung, die zu Masseschleifen führen kann. Besser wäre es, wenn die Hersteller solcher Adapter wenigstens einen Groundlift-Schalter einbauen würden, mit dem die Verbindung zur Gehäusemasse unterbrochen werden kann.

2. Eingang mit Differenzverstärker

Diese billigere und darum weiter verbreitete Variante verwendet einen elektronischen Differenzverstärker. Da gibt es einige Schaltungsvarianten, die uns hier nicht zu interessieren brauchen, weil die Unterschiede keinen Einfluss auf die Verkabelung haben. Dieser Differenzverstärker „berechnet“ den Spannungsunterschied zwischen Hot und Cold, wodurch ein Störsignal, welches auf Hot und Cold zugleich auftritt, herausgerechnet wird. Die maßgebliche Eigenschaft des Differenzverstärkers dafür ist die Gleichtaktunterdrückung. Eine hohe Gleichtaktunterdrückung bedeutet eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen.

Für die Verbindung eines unsymmetrischen Ausgangs mit diesem Eingang gilt weitgehend das Gleiche, wie für den trafosymmetrischen Eingang. Hier wird die Differenz zwischen den Massepegeln beider Geräte durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers kompensiert. Die Verzerrungswerte eines Differenzverstärkers können außerdem gegenüber einem Übertrager besser sein, vor allem bei niedrigen Frequenzen.

Der Unterschied zwischen den Massepotenzialen beider Geräte darf bei diesem Eingang nur wenige Volt betragen, während bei trafosymmetrischen Eingängen der Unterschied hunderte von Volt betragen darf, ohne dass das irgendwelche Probleme machen würde. In den allermeisten Fällen hat man es aber mit Unterschieden von weniger als einem Volt zu tun, sodass ein Differenzverstärker ohne weiteres in Frage kommt.

Jetzt zu den Ausgangsschaltungen.

1. Trafosymmetrischer Ausgang

Analog zum Eingang ist ein Übertrager eingebaut. In diesem Fall sind Hot und Cold mit der Sekundärwicklung des Übertragers verbunden.

Wenn damit ein unsymmetrischer Eingang angesteuert werden soll, dann verbindet man wieder Cold mit der unsymmetrischen Masse und Hot mit dem Signaleingang. Der Schirmanschluss (Pin 1) bleibt unbeschaltet, es sei denn man verwendet Triaxialkabel, wie oben bei trafosymmetrischen Eingängen beschrieben. Alternativ kann man auch ein einfach geschirmtes Adernpaar nehmen, wobei Hot und Cold ans Adernpaar gelegt werden. Der Schirm wird nur auf der Ausgangsseite mit Pin 1 verbunden.

Auch hier machen kommerzielle Adapter wieder Probleme.

2. Vollsymmetrischer Ausgang

Das sind im Grunde zwei Ausgänge, von denen einer das umgekehrte Signal des anderen führt. Auf Hot liegt das normale Signal, und auf Cold das invertierte Signal. Die Differenz ist also das doppelte normale Signal.

Für rein symmetrische Verbindung ist dieser Ausgangstyp eigentlich der Beste. Leider kann man diesen Typ von Ausgang nicht völlig korrekt mit einem unsymmetrischen Eingang verbinden. Es bleibt nur, die Gehäusemasse des Ausgangs mit der Masse des unsymmetrischen Eingangs zu verbinden. Der Cold-Ausgang bleibt unverbunden. Das ist nicht völlig befriedigend, weil die Gehäusemasse keine gute Signalreferenz für ein unsymmetrisches Signal ist.

Ironischerweise hat man hier einen Vorteil, wenn der Hersteller fälschlicherweise die Signalmasse auf Pin 1 gelegt hat.

Käufliche Adapter, die den Cold-Anschluss mit dem Schirm verbinden, sind hier sogar gefährlich, weil sie den Cold-Ausgang kurzschließen, wodurch dieser beschädigt werden kann, wenn er nicht kurzschlussfest ist.

3. Kreuzgekoppelter symmetrischer Ausgang

Diese Schaltung versucht das Verhalten eines Übertragers etwas besser nachzubilden. Man kann nämlich hier einen Ausgang mit Masse verbinden, dann produziert der andere Ausgang einfach die doppelte Spannung. Das beim vollsymmetrischen Ausgang beschriebene Problem der Beschädigung wird dadurch vermieden.

Die Verbindung zu einem unsymmetrischen Eingang geht hier von Cold nach Masse und von Hot zum Signaleingang. Pin 1 ist wiederum unverbunden, außer bei Verwendung von Triaxialkabel oder geschirmter Paarleitung.

4. Impedanzsymmetrischer Ausgang

Hier ist lediglich der Cold-Ausgang mit der gleichen Impedanz terminiert wie der Ausgangswiderstand des Hot-Ausgangs. Am Cold-Anschluss liegt also eigentlich gar kein Signal an. Bei der Verbindung mit einem symmetrischen Eingang führt die übereinstimmende Impedanz dazu, dass sich Störungen gleichmäßig auf Hot und Cold auswirken und sich so am Empfänger korrekt aufheben.

Eine Verbindung zu unsymmetrischen Eingängen ist hier wieder unbefriedigend. Man hat nur die Möglichkeit, die Gehäusemasse an Pin 1 mit der unsymmetrischen Masse zu verbinden, mit allen Nachteilen, die das hat. Gegenüber einem vollsymmetrischen Ausgang kann hier wenigstens kein Schaden entstehen, wenn Cold und Schirm miteinander verbunden werden.

5. Massekompensierter Ausgang

Hier wird der Cold-Anschluss wiederum terminiert, wie beim impedanzsymmetrischen Ausgang. Auch hier liegt also kein Signal am Cold-Ausgang an. Allerdings wird die Spannung am Cold-Anschluss zur Korrektur der Ausgangsspannung am Hot-Anschluss eingesetzt. Anders gesagt: Der Cold-Anschluss wirkt wie eine Fühlerleitung, mit Hilfe deren man den Bezugspegel am Empfänger feststellt, sodass dieser das für ihn richtige Signal erhält.

Bei Anschluss an einen symmetrischen Eingang ist das Verhalten wie beim impedanzsymmetrischen Ausgang. Bei Anschluss an einen unsymmetrischen Eingang verbindet man Cold mit der unsymmetrischen Masse und Hot mit dem Signal, wie schon beim trafosymmetrischen Ausgang.

Man sieht also, dass es keine Verkabelungsvariante gibt, die gleichermaßen für alle symmetrischen Ausgangsschaltungen verwendet werden kann, wenn man einen unsymmetrischen Eingang anschließen will. Dieser unglückliche Zustand hat vermutlich viel dazu beigetragen, dass sich die symmetrische Technik bisher im HiFi-Bereich nicht nennenswert verbreiten konnte. Einige Firmen, die den Schritt wagen, bezahlen das sicher mit einem höheren Aufwand für die Kundenbetreuung.