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Signalübertragungswege

Pegel und Anpassungen

Pegel und Anpassungen gebräuchlicher analoger und digitaler Audioübertragungen

Die analogen Signalverbindungen müssen im Allgemeinen hinsichtlich der zu übertragenden Pegel als auch der zur Verfügung stehenden Ausgangs- oder Quellwiderstände unterschieden werden.

Niederpegelige Signale sind aufgrund ihrer geringen Größe besonders empfindlich gegenüber Störungen. Aus diesem Grunde gibt es bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Bemessung der Ein- und Ausgangsimpedanzen für diese Signalwege. So wäre beispielsweise häufig eine höhere Eingangsimpedanz der Mikrofonvorstufe wünschenswert, da dies die ohnehin relativ energiearme Quelle weniger belasten würde. Praktisch lässt sich jedoch die Impedanz der Eingangsstufe nicht allzu hochohmig ausführen, da aufgrund der hohen Verstärkung die Empfindlichkeit für Störungen sehr stark zunimmt und außerdem Resonanzen im höherfrequenten Bereich zu wenig bedämpft werden. Weiterhin können geringe elektrische Feldstärken hier Ladungen influenzieren, die in der Lage sind, den Signal-Rausch-Abstand (SNR) erheblich zu beeinträchtigen. Höherpegelige Signalwege sind hier wesentlich weniger empfindlich, schon alleine deswegen, weil sie mit weniger Verstärkung auskommen.

 

Analoge Verbindungen

Professionelle Mikrofonverbindungen

 

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

in den meisten Fällen symmetrisch, gelegentlich auch unsymmetrisch 
XLR oder Tuchel für symmetrische, 3,5mm Klinke oder 3polig DIN für unsymmetrische Signale 

Pegel

einige mV bis einige 10mV

Impedanzen

Eingänge: ca. 600 Ω - einige kΩ
Ausgänge: 200 Ω  für europäische Mikrofone,150 Ω für amerikanische Mikrofone
 
 

Phono-Tonabnehmer

 

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

Cinch (RCA)

Pegel

MM: 8mV bei 1kHz, Vollaussteuerung
MC: 250µV bei 1kHz, Vollaussteuerung

Impedanzen

Eingänge:
MM: 47kΩ für Amerika bzw. 50kΩ für Europa
MC: abhängig vom Übertrager oder Vorverstärker in Bezug auf die optimale Rauschanpassung an das Tonabnehmersystem
Ausgänge:
MM: bis ca. 10kΩ
MC: 2-100Ω
 
 

Gitarrentonabnehmer

 

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

unsymmetrisch, 6,3 mm Klinke

Pegel

10 – 1000mV

Impedanzen

Eingänge: 1 bis einige MΩ
Ausgänge: 5-10kΩ
 
 

Audioverbindung im Consumer-, Hi-Fi- und Homerecording-Bereich

 

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

unsymmetrisch, Cinch (RCA)

Pegel

-10dBv oder 0,316V

Impedanzen

Eingänge: 20 bis 50kΩ
Ausgänge: 1kΩ bis 5kΩ
 
 

Hochpegelige professionelle Audioverbindungen

 

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

symmetrisch, XLR oder Klinke

Pegel

Studiobereich: +4dbu oder 1,228V
Rundfunkbereich (ARD): +6dBu oder 1,55V

Impedanzen

Eingänge: 600Ω  - 10kΩ (Eingangsübertrager), 20 bis 50 kΩ (elektronische Symmetrierung)
Ausgänge: 40 Ω bis. 60 Ω, i.d.R. <50 

Digitale Verbindungen

AES/EBU (AES-3)

Verbindung, Stecker und Anschlüsse
symmetrisch, XLR bis 100m ohne Receiver-EQ
(unsymmetrisch, 75BNC (AES-3id) für Verbindungen bis 1000m)

Pegel

2 bis 7V (0,8-1,2V AES-3id)

Impedanzen

Wellenwiderstand der Leitung
110Ω ( 75Ω, AES-3id)
Eingänge: 110Ω +/-20%
Ausgänge: 110Ω

Kanäle

2

Auflösung 

22,05kHz – 192kHz mit 16 bis 24Bit
 
 

S/PDIF (IEC60958)

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

unsymmetrisch, Cinch (RCA), evtl. auch TOSLINK (Glasfaser)

Pegel

0,5V(p-p)+/-0,1V, 
0,2V bis 0,6V(p-p) erkennbar

Impedanzen

Wellenwiderstand
75Ω+/-26,25Ω
Eingänge: 75+/-5%
Ausgänge: 75Ω +/-15Ω

Kanäle

Auflösung 

32kHz, 44,1kHz, 48kHz mit 16, 20 oder 24Bit
 
 

AES-10 bzw. MADI

Verbindung, Stecker und Anschlüsse

unsymmetrisch, koaxial, 75BNC bis 50m, evtl. auch Glasfaser

Pegel:

0,3 bis 0,6V

Impedanzen

Wellenwiderstand der Leitung: 75Ω
Eingänge: normalerweise 75Ω, jedoch nicht in der Norm gefordert
Ausgänge: 75Ω+/-2Ω

Kanäle:

32, 56 oder 64 

Auflösung: 

32kHz bis 96kHz mit 24Bit, 192kHz bei Nutzung mehrerer Kanäle pro Sample

Übertragungsformate & Standards

Erdungssysteme

Wie im elektrotechnischen Teil dieser Themenwelt nur ansatzweise erläutert, ist die Festlegung des Bezugspotentials aller im System befindlicher Geräte für einen störungsfreien Betrieb von entscheidender Bedeutung. Der Herstellung der gemeinsamen Spannungsreferenz, auf welche sich alle in der Anlage auftretenden Spannungen beziehen, kommt deshalb eine zentrale Rolle zu.

Die (nicht nur) in der Tontechnik zu findenden Begriffe wie z.B. Masse, Erde, Schutzerde, ground, common, Gehäuse bzw. Chassis oder 0V-Bezug werden nicht immer einheitlich verwendet und verlangen nach einer klaren Definition.

Die elektrotechnische Bedeutung von Erde und Masse ist bereits im Abschnitt II.2. erklärt worden. Ausgehend vom Versorgungsnetz in Deutschland und den hier üblichen Sicherheitsbestimmungen wird ein Nullpotential definiert, welches dem Schutz von Leben im Falle des Auftretens von Fehlern in der elektrischen Anlage dient. Da der menschliche Körper sich in der Regel „auf der Erde“ befindet, sind die in den Kraftwerksanlagen erzeugten und aufgebauten Spannungen gegenüber Erde angegeben und definiert. Als Spannungsquelle ist primär der im Kraftwerk befindliche Generator zu sehen, welcher seine erzeugte Spannung durch Induktion in im stationären Magnetfeld rotierenden Leiterschleifen erzeugt. Diese mechanische Rotationsbewegung wird durch unterschiedliche Verfahren realisiert. Durch die hohe kinetische Energie von bewegter Wassermasse oder auch die hohe kinetische Energie von unter großem Druck stehenden Wasserdampf wird die mechanische Bewegung der Generatorspulen im Magnetfeld ermöglicht und so eine Umwandlung von Energie aus fossilen Energieträgern oder der Bindungsenergie von Atomkernen aber auch von mechanischer Energie von Wasser in die elektrische Form vollzogen.

Der Hausanschluss, elektrisch leitende Gebäudeteile oder berührbare Teile von Verbrauchern, Transformatorenstationen und Umspanneinrichtungen als auch eine Anschlussseite der Spulen der Generatoranlagen in den Kraftwerken werden elektrisch leitend und möglichst niederohmig mit der Erde verbunden. Dieser Leiter stellt also einerseits das Bezugspotential der erzeugten Versorgungsspannungen, andererseits auch das Erdpotential dar. Da also der gemeinsame Potentialnullpunkt physikalisch durch einen in die Erde getriebenen Leiter realisiert ist, wird diesem Nullpotential gegenüber die Spannung in den Kraftwerksanlagen auf allen drei Leitern des Drehstromnetzes aufgebaut. Aus diesem Drehstrom wird auch der spannungsführende Leiter unseres 230V Netzes gewonnen. Der gemeinsame Sternpunkt der drei Phasen des Drehstromnetzes (sogenannter Neutralleiter N) ist hier identisch mit dem Neutralleiter an der 230V Steckdose. Er ist vor der letzten Unterverteilung mit dem sogenannten Schutzleiter bzw. mit Erde verbunden.

Mit dem Begriff (Schutz-) Erde (oder engl. protection earth) ist der am 230V Netz vorhandene Erdanschluss und Schutzleiter PE bezeichnet. Er ist, wie bereits erwähnt, physikalisch als ein in die Erde getriebener niederohmiger Leiter realisiert, der normalerweise vor der letzten Unterverteilung auch mit dem Neutralleiter N (Nullleiter der dreiphasigen Wechselspannung) leitend verbunden ist. Dadurch ist der Schutzleiter hinter dieser Verteilung stromlos. Der Strom fließt im Normalfall nur über den Neutralleiter zur Quelle zurück. Ist dies nicht der Fall, kann mit Hilfe des Unterschiedes zwischen hinfließendem und zurückfließendem Strom ein Sicherheitsmechanismus wirksam werden (Fehlerstromschutzschalter FI), da dies ein Zeichen dafür ist, dass ein gewisser Teilstrom über den Schutzleiter zum Gegenpol der Quelle zurückfließt. Es muss also fehlerhaft ein Verbraucher zwischen spannungsführendem Leiter und Erde die lebensgefährliche Spannung überbrücken.

In Gebäuden kann der Schutzleiter auch durch die niederohmige Verbindung mit dem Wasserleitungs- bzw. Heizungsrohrsystem hergestellt werden. Er ist zu Schutzzwecken eingerichtet und darf nicht unterbrochen oder von Geräten abgeklemmt werden! Von seiner korrekten Funktion kann das Leben eines Menschen abhängen. Seine Schutzfunktion resultiert aus der Forderung, dass jedes berührbare elektrisch leitende Teil eines mit dem Versorgungsnetz in Verbindung stehenden Gerätes mit diesem Leiter verbunden sein muss, damit bei sogenanntem Körperschluss (s. IX.1.) aufgrund des Kurzschlusses zwischen Schutzleiter (also auch Neutralleiter) und spannungsführendem Leiter die Sicherungsmechanismen ausgelöst werden. Nur so kann die von lebensgefährlichen Spannungen ausgehende Gefahr beim Betrieb von Anlagen auf ein Minimum reduziert werden. Weitere Ausführungen zu Sicherheitsmaßnahmen siehe Abschnitt IX.1.
Im Bereich tontechnischer Anlagen wird gelegentlich der englische Begriff common verwendet. Er bezeichnet den gemeinsamen Verbindungspunkt von Schaltungen oder Schaltungsteilen, oft auch Schirmungen. Dieser Punkt stellt i.d.R. auch das gemeinsame Massepotential (engl.: ground) von 0V dar, wenn dieser (an einem Punkt der Schaltung des entsprechenden Gerätes) mit Masse verbunden ist. Masse ist das Nullpotential der von der Spannungsversorgungsschaltung des Gerätes für die Schaltung bereitgestellten Gleichspannung(en). Er ist also der Gegenpol der positiven (und bei symmetrischer Spannungsversorgung evtl. auch negativen) Versorgungsspannung(en) für die jeweiligen Schaltungen des Gerätes. Dieser Punkt kann, aber muss nicht mit Erde verbunden sein. Dies ist abhängig davon, welcher Schutzklasse das Gerät angehört.

Da er nicht zum Zwecke des für tontechnische Ansprüche erforderlichen Potentialausgleichs geschaffen wurde, ist der Schutzleiter auch nicht in der Lage, die unter Umständen zwischen tontechnischen Geräten auftretenden Potentialunterschiede ausreichend auszugleichen. In professionellen Tonanlagen von Studios oder des Rundfunks ist deshalb meistens eine separate Tonerde geschaffen worden, die ausgewiesen sein muss und die niederohmig genug ist, einen solchen Ausgleich zu realisieren. Diese elektrische Leitung ist an einem Punkt niederohmig (mit großem Leiterquerschnitt) mit dem Schutzleiter zu verbinden. Idealerweise sollten bei dieser sternförmigen Erdung keine weiteren Verbindungen der Gerätegehäuse und des Schutzleiters vorhanden sein, da es sonst zur Ausbildung von sogenannten Brummschleifen kommen kann.

Prinzipiell kann mit verschiedenen Erdungssystemen gearbeitet werden, die verhindern sollen, dass bei Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen die in ein und derselben Anlage betriebenen Geräte untereinander unterschiedliche Bezugspotentiale bekommen. Da von vornherein die elektrisch leitenden Gehäuseteile der in der Anlage betriebenen Geräte untereinander durch den Schutzleiter verbunden sind, kann bei gerätetechnisch getrennter Ausführung von Gehäusepotential und Bezugspotential der elektrischen Schaltung (Audiomasse) im vorherigen Absatz erwähnte sternförmige Erdverbindung genutzt werden, um dem Audiosignal ein eigenes Bezugspotential zu verleihen, welches für alle beteiligten Geräte gleich ist und eben nur an einem Punkt innerhalb der gesamten Anlage mit dem Schutzleiter zusammengeführt wird.

Ist eine solche Trennung geräteseitig nicht gegeben, bleibt nichts weiter übrig als die Erdung so niederohmig wie nur möglich zu machen. Hierbei wird sowohl der ohnehin mit dem Gehäuse eines Gerätes der Schutzklasse I verbundene Schutzleiter als auch die Schirmung der Audioverbindung und das Bezugspotential der Audioschaltung als gemeinsamer Masseleiter genutzt und dieser wird umso niederohmiger, je mehr Leiter miteinander das Bezugspotential führen. Dieses Erdungsprinzip wird als vermaschte Erdung bezeichnet. Nachteilig wirkt sich hier der bei Störungen und bei Ausbildung von Einstreuungen erforderliche Aufwand aus, um die Störung zu lokalisieren. Oft kommt man um eine komplette Zerlegung der Anlage nicht herum.

Wesentlich vorteilhafter stellt sich der sternförmige Aufbau der Erdung dar. Hier ist es von entscheidender Bedeutung, die Gehäuse- und die Audiomasse separat auf einen einzigen Punkt zu führen. Dies setzt aber das Vorhandensein einer getrennten Masseführung innerhalb der im System befindlichen Geräte voraus. Über die unterschiedlichen vom Sternpunkt aus wegführenden Zweige fließen dennoch geringe Ströme, die durch die Geräte selbst oder durch Störfelder hervorgerufen werden. Über einem Leiterwiderstand, welcher nicht Null ist, tritt in solch einem Fall aber auch immer ein entsprechendes Potentialgefälle auf. Dieses Gefälle ist geeignet, beim Zusammenschluss verschiedener Geräte über die Audiomasse Ausgleichströme fließen zu lassen (Brummschleife). Um diese Querverbindungen zwischen den Geräten zu vermeiden, werden die Schirmungen der Geräte nur einseitig (ausgangs- oder eingangsseitig) aufgelegt. So kann die Audiomasse konsequent auf einen Punkt verkabelt werden und der Massekreis ist unterbrochen.

Unsymmetrische und symmetrische Verbindungen


Generell kann zwischen zwei verschiedenen elektrischen Verbindungsarten unterschieden werden. Das gilt sowohl auf digitaler als auch auf analoger Ebene. Beide Arten der Leitungsführung und Auslegung der Ein- und Ausgänge haben ihre Vor- und Nachteile hinsichtlich Übertragungsqualität und Aufwand, also Kosten. Zusätzlich kann man noch eine weitere Unterscheidung vornehmen: die nach dem Kriterium der galvanischen Trennung vom Erdleiter. Insofern gibt es erdfreie symmetrische, erdsymmetrische und erdunsymmetrische Verbindungen.

Unsymmetrische Verbindung

Die vor allem kostengünstigste Variante der Auslegung von Übertragungsleitungen für niederfrequente Wechselspannungen (NF-Leitung) ist die unsymmetrische Verbindung.
Sie besteht grundsätzlich aus Kabelverbindungen mit zwei Leitungen. Eine davon führt die Bezugsspannung für das zu übertragende Signal. Die Signalspannung tritt also demnach lediglich in einer Richtung gegenüber diesem Bezugs- oder Massepotential auf.
Der dieses Massepotential führende Leiter bildet gleichzeitig die Abschirmung gegenüber elektrischen Störfeldern aufgrund seiner Eigenschaft als Faraday’scher Käfig. Er ist deshalb häufig als metallene Folie oder eng geflochtene Litze ausgelegt. Niederfrequente magnetische Felder sind durch diese Maßnahme jedoch nicht abschirmbar. Da der signalführende Leiter ansonsten „in der Luft hängen“ würde, ist es notwendig, Sender und Empfänger bzw. Ein- und Ausgang der Übertragung mit beiden Leitern zu verbinden, es sei denn, es wäre unabhängig von dieser Verbindung gewährleistet, dass beide Geräte sich auf dasselbe Massepotential beziehen (Potentialausgleich). In der semiprofessionellen bzw. Hi-Fi-Technik wird die Masseverbindung der beiden Geräte nur über die NF-Leitung hergestellt. Die Geräte sind in den meisten Fällen gegenüber dem 230V Netz schutzisoliert (Schutzklasse II) und besitzen keinen Erdleiter. Die Isolation vom 230V Netz wird also zwischen Primär- und Sekundärseite des Netztransformators gewährleistet, wobei das Gerätechassis nicht mit dem Erdleiter verbunden ist. Eine galvanische Trennung zwischen sendendem und empfangendem Gerät durch den Einsatz von Übertragern wird vor allem aus Kostengründen nicht realisiert (anderenfalls würde sich hier auch gleich die Symmetrierung anbieten).
Abbildung II-9 zeigt prinzipiell die unsymmetrische Verbindung mit unsymmetrischer Spannungsversorgung, Abbildung II-10 mit symmetrischer Spannungsversorgung.

Abbildung II-9, unsymmetrische Verbindung, unipolare Spannungsversorgung
 
 
Abbildung II-10, symmetrische Verbindung, bipolare Spannungsversorgung





Dennoch lassen sich bei sorgfältigem Aufbau, guter Abschirmung und kurzen Übertragungswegen gute Ergebnisse erzielen. Unsymmetrische Verbindungen sind deshalb zumeist innerhalb der Schaltungen von Audiogeräten zu finden. Im Hi-Fi-Bereich ist es üblich, Ein- und Ausgänge wechselspannungsmäßig durch RC-Kopplung, gelegentlich auch durch Gleichspannungskopplung miteinander zu verbinden. Letzteres hat den Vorteil, dass keine Kapazitäten mehr im Signalweg liegen, jedoch ist eine genaue und stabile Arbeitspunkteinstellung der aufeinander arbeitenden Verstärkerstufen erforderlich. Die unsymmetrische Auslegung bringt jedoch einen entscheidenden Nachteil mit sich: Störungen im Übertragungsweg beeinflussen direkt das Audiosignal und werden in voller Höhe wirksam. Ist x(t) das vom Sender übertragene Signal und s(t) die Störung, entsteht bei unsymmetrischer Signalführung empfängerseitig das Signal y(t) und es gilt: y(t) = x(t) = s(t).
Abbildung II-11 zeigt diesen Umstand.

Abbildung II-11, Nutz- und Störsignal bei unsymmetrischer Übertragung

Symmetrische Verbindung

Vor allem um zu verhindern, dass die Störeinflüsse wirksam werden, ist die symmetrische der unsymmetrischen Verbindung vorzuziehen. Sie ist allerdings in der Realisierung mit höherem Aufwand verbunden und damit kostenintensiver, bringt jedoch den Vorteil der guten Störunterdrückung mit sich.

Wir finden in der Tontechnik generell zwei Ausführungen vor: eine erdfreie, symmetrische Verbindung, die mit Hilfe von Übertragern, also passiv umgesetzt wird und eine elektronische Symmetrierung, die keine galvanische Trennung aufweist. Speziell im Rundfunkbereich, wo oft große Leitungslängen und lange Übertragungswege eine entscheidende Rolle spielen, kommt man um die erste Variante nicht herum, da ein elektrischer Potentialausgleich zwischen sendendem und empfangendem Gerät aufgrund der vorhandenen Leitungswiderstände über lange Strecken nicht zu realisieren ist.
In Abbildung II-12 ist die Variante mit Übertragern prinzipiell zu sehen.

Abbildung II-12, symmetrische Übertragung mit Übertragern

Normalerweise wird der Leitungsschirm nur mit der Gerätemasse eines der beiden Geräte (wahlweise Sender oder Empfänger) verbunden. Da es sich in den meisten Fällen um schutzgeerdete Geräte handelt, ist dies erforderlich, um das Entstehen zu großer Leiterschleifen zu verhindern. Innerhalb dieser Schleifen auftretende Störfelder wirken lokal wie Wechselspannungsquellen (meistens mit der Netzfrequenz von 50 Hz oder Vielfachen davon), deren angetriebene Ströme durch die auftretenden Leitungswiderstände nicht vollständig kurzgeschlossen oder abgeleitet werden. Aus diesem Grunde wird mitunter mit zusätzlichen Potentialausgleich gearbeitet und über massive, niederohmige Kupferleitungen mit relativ großem Querschnitt das Entstehen von Brummspannungen verhindert. Entscheidend ist die Herstellung einer sternförmigen Masseführung innerhalb des gesamten Systems mit einem gemeinsamen niederohmigen Sternpunkt. Die Masseführung innerhalb eines Studiogerätes ist herstellerseitig jedoch auch nicht immer ganz konsequent. Hier sollte ebenso ein gemeinsamer Sternpunkt für alle im Gerät vorhandenen Baugruppen vorliegen. In der Regel ist das Bezugspotential der analogen Verstärkerschaltung (Signal- oder Audiomasse) nur an einem einzigen niederohmigen Punkt mit der Gerätemasse und damit dem Schutzleiter verbunden. Noch besser ist die vollständig getrennte Ausführung der Gehäuse- und Signalmasse.

Daher ist in Abbildung II-12 auch die Verbindung zwischen Gerätechassis und Leitungsschirm bzw. zwischen Signal- und Gerätemasse gestrichelt gezeichnet. Kritisch ist gelegentlich auch die zusätzliche Bildung von Masseschleifen über die Chassis verschiedener in ein und demselben Rack befindlicher 19 Zoll Geräte. Hier ist mit entsprechender Isolation an den Verschraubungen die elektrische Verbindung der Chassis über die Rackschiene zu trennen.
Durch die Verwendung von Übertragern am Ein- und Ausgang der Leitung ist die Signalführung vollständig potentialfrei gegenüber dem Rest der Schaltung (Sender und Empfänger) als auch gegenüber Erde. Das ist die entscheidende Bedingung für die Entkopplung von Störungen. Die Masseverbindung zwischen sendendem und empfangendem Gerät ist nicht notwendig, um den Signalhub zu übertragen. So kann sich keine Masseschleife ausbilden.

Symmetrische Signalführung hat den großen Vorteil der hohen Gleichtaktunterdrückung von Übertragern bzw. elektronisch ausgelegten Differenzverstärkern. Wie der Begriff bereits verdeutlicht, wird lediglich die Differenzspannung zwischen den signalführenden Leitern gebildet und verstärkt. Im Gleichtakt, also in einer Richtung auf beiden Leitern auftretende Spannungen werden an den Verstärkereingängen nicht wirksam, also unterdrückt. Dies gilt aber auch nur dann, wenn die Impedanzen zwischen Masse und positivem als auch negativem Leiter übereinstimmen. Unterschiedlich hohe Eingangs- oder auch Kabelkapazitäten können die gute Gleichtaktunterdrückung eingesetzter Verstärker oder Übertrager vor allem im Höhenbereich leicht zunichtemachen. Bei symmetrischer Verbindung ist also auf gute Kabelqualität zu achten, bei unsymmetrischer Verbindung ist die Symmetrie der am Ausgang des Senders erscheinenden Impedanz ohnehin nicht vorhanden. Die Bezeichnung bezieht sich also nicht nur auf die Signalsymmetrie, sondern auch auf die Symmetrie der Eingangswiderstände.

Im Gegensatz zur unsymmetrischen Leitung werden bei symmetrischer Übertragung drei Leitungen zwischen Sender und Empfänger geführt. Die signalführenden Leiter führen gegenüber der Abschirmung betragsmäßig die Signalamplitude x(t). Die Wechselspannungen sind jedoch im Vergleich untereinander gegensätzlich (der mit richtiger Phase betriebene Leiter wird auch als heiß, der mit gegensätzlicher Phase betriebene Leiter als „kalt“ bezeichnet). Die volle Signalspannung z(t) ergibt sich aus der Differenzbildung beider Spannungen.
Auch hier stellt s(t) das auf beiden Leitungen gegenüber Nullpotential auftretende Störsignal dar. Der Einfluss des äußeren Störfeldes ruft aufgrund der lokalen Nähe beider Leiter zueinander annähernd die gleiche Störspannung s(t) hervor. Bei Bildung der Eingangsspannung am Eingang des Empfängers mit elektronischem Differenzverstärker oder auch durch Übertrager realisierten Differenzeingang wird also die Differenz aus a(t) = x(t) + s(t) und dem invertierten Signal b(t) = - x(t) + s(t) gebildet.
Abbildung II-13 zeigt, dass bei der Differenzbildung zwischen den beiden gegensätzlichen Signalen am Empfänger ein theoretisch störungsfreies Empfangssignal z(t) entsteht, welches gegenüber dem unsymmetrischen Fall doppelte Signalamplitude aufweist (Erhöhung des Signal-Rauschabstandes um 6dB gegenüber der unsymmetrischen Verbindung):

z(t) = a(t) - b(t) = x(t) + s(t) - (-x(t) + s(t)) = 2x(t).

Abbildung II-13, Nutz- und Störsignal bei symmetrischer Übertragung (Differenzbildung)
Speziell dann, wenn kleine Signalspannungen vorliegen, ist dieser Vorteil entscheidend für eine qualitativ hochwertige und verlustarme Übertragung.
Da Potentialdifferenzen auf der Verbindung für das Nullpotential in weiter voneinander entfernten Systemen aufgrund der auftretenden ohmschen Widerstände nicht zu vermeiden sind und somit zu Störungen führen würden, ist die erdfreie, symmetrische Verbindung bei der Verschaltung komplexer tontechnischer Anlagen mit der Anforderung hoher Zuverlässigkeit unerlässlich (Abbildung II-14).

Abbildung II-14, erdfreie, symmetrische Verbindung

Die Erdfreiheit wird in den meisten Fällen durch Übertrager hergestellt. Ferner sind auch optische Übertragungselemente möglich, kommen aber fast ausschließlich auf digitalen Übertragungsstrecken zum Einsatz.

Hinsichtlich der technischen Umsetzung der Übertrager bestehen hohe Anforderungen, daher auch der relativ hohe Preis für gute NF-Transformatoren.
Besonderes Augenmerk gilt den Übertragungseigenschaften dieser Bauelemente. Sie sind im Allgemeinen komplexe Gebilde. Ihr Übertragungsverhalten ist alles andere als linear und durch viele Faktoren gekennzeichnet. Übertrager weisen hinsichtlich Frequenzgang und Resonanzverhalten, Übersteuerungsfestigkeit und Verzerrungen, Rauscheigenschaften und Impedanz ein ganz eigenes Verhalten auf.

Maßnahmen wie z.B. das Aufbringen und die Auslegung der Wicklungen zur Vermeidung von parasitären Kapazitäten, die Herstellung einer äußeren Abschirmung durch µ-Metall, welches den Fluss äußerer magnetischer Störfelder in seinem Inneren konzentriert und so von der Wicklung fernhält als auch konstruktive Entscheidungen hinsichtlich Kernform und –material beeinflussen den Preis erheblich.
Weiterhin variiert die technische Ausführung in Hinblick auf ihren Einsatz als Eingangs- oder Ausgangsübertrager sowie der zu übertragenden Leistung.
Das Erfordernis, bei der symmetrischen Verbindung die zusätzliche invertierte Signalspannung identisch zum Originalsignal zur Verfügung stellen zu müssen, erhöht den technischen Aufwand also zum Teil erheblich. Aus Platz- und Kostengründen beim Einsatz von Übertragern, welche den Ansprüchen professioneller Anlagen genügen, kommen deshalb heutzutage häufig elektronische Baugruppen zur Symmetrierung und Desymmetrierung zum Einsatz (Abbildung II-15).

Abbildung II-15, symmetrische Verbindung mit Erdbezug

Diese bieten, unter anderem, folgende Vorteile:
  • sehr hochohmige Eingänge sind möglich
  • geringer Platzbedarf auch bei höheren Ausgangsleistungen
  • sehr niederohmige Ausgänge möglich
  • geringere Beeinflussung des Signals durch das Fehlen parasitärer Nebeneffekte, wie z.B. Wicklungskapazitäten o.ä.
  • Resonanzen außerhalb des NF-Bereiches
  • aktive Signaltransformation (Impedanzwandlung und Leistungsverstärkung) möglich
  • geringere Kosten bei Herstellung und Einsatz von Halbleitern,
jedoch auch einige Nachteile, wie z.B.:
  • fehlende Erdfreiheit, da keine galvanische Trennung vorhanden ist
  • höhere Intermodulationsverzerrungen im Verhältnis zu harmonischen Signalverzerrungen
  • Schwingneigung.

 

Anschlussnormen

 
In diesem Abschnitt seien die gängigsten Anschlussnormen grafisch aufgeführt. Die Beispiele zeigen die Kabelverbindungen:
 
Abbildung II -16, XLR, symmetrisch
 
Abbildung II -17, Klinke (TRS), symmetrisch
 
Abbildung II -18, Klinke (TS), unsymmetrisch
 
Abbildung II-19, Cinch (RCA), unsmmetrisch

Pegel und deren Berechnung

Die von den Quellen aufgebrachten elektrischen Leistungen und an ihren Klemmen zur Verfügung stehenden Spannungen und Ströme werden in der Tontechnik mit Hilfe logarithmischer Verhältnisse dargestellt. Die linearen Verhältnisse spiegeln die menschliche Rezeption für Schallsignale nur unzureichend wieder. Der Bezug der Verhältnisse von Werten der Größen Schalldruck oder –leistung (bzw. deren elektrische Entsprechungen Spannungen und elektrische Leistung bei der Umsetzung durch Schallwandler) auf den menschlichen Höreindruck gibt hierbei bereits eine Skalierung vor, die, wie man durch Tests und Experimente feststellen kann, eben logarithmisch ist. Durch die Angabe des Exponenten (der ja das Ergebnis einer Logarithmierung ist) lassen sich zudem auch weit größere Bereiche in der Darstellung abdecken.
 

Bei der Angabe der Pegel in Dezibel (dB) wird der dekadische Logarithmus zur Darstellung verwendet. Die Angabe von Verhältnissen von Werten einer bestimmten physikalischen Größe wird durch eine Zehnerpotenz mit einem bestimmten Exponenten vorgenommen. Die Zehnerpotenz enthält im Exponenten die Information, wie oft in einem Produkt aus ausschließlich durch die Zahl 10 zu bildenden Faktoren diese Zahl 10 verwendet werden muss, um dieses Verhältnis zu bilden. Zum Beispiel kann die Zahl 100 durch den Exponenten 2 zur Basis 10 dargestellt werden, die Zahl 100000 durch den Exponenten 5 zur Basis 10 (siehe Abbildung II-20). Da nicht jede Zahl eine genaue Zehnerpotenz darstellt, sind nicht nur ganzzahlige Exponenten möglich, sondern auch gebrochene.

Abbildung II-20, Zehnerpotenzen

Im folgenden Beispiel (Abbildung II-21) soll exemplarisch ein Verstärkungsvorgang betrachtet werden, wobei der verwendete Verstärker bei Anschluss eines dynamischen Mikrofons mit einem Feldübertragungsfaktor von 1,7mV/Pa (z.B. Shure SM58) aus der Mikrofonleerlaufspannung von ca. 5mV (entspricht ungefähr dem Schalldruckpegel einer „moderat spielenden“ Rockband von 103dB SPL) mit 200 Ω Innenwiderstand insgesamt eine Ausgangsleistung von 10W an 4 Ω erzeugt. 
Die Eingangsstufe unseres Verstärkers soll einen Eingangswiderstand von 2kΩ , die Ausgangsstufe einen Ausgangswiderstand von 0,1Ω besitzen.
 
 
Abbildung II-21, Beispiel zur Leistungs-, Spannungs- und Stromverstärkung
 
 
 
Lösung:
Zunächst muss die an den Eingangsklemmen unter Belastung des Mikrofons mit dem Verstärkereingang anliegende Eingangsspannung bestimmt werden (Spannungsteiler):
 
 
Unter Belastung des Mikrofons sinkt die Spannung am Eingang demnach nur geringfügig ab. Aus dieser Spannung ergibt sich eine Leistung am Eingangswiderstand von:
 
 
Für die Leistungsverstärkung in dB ergibt sich:
 
 
Der Verstärker hat also eine Leistungsverstärkung von 80dB. 
 

 

Die Frage, die sich weiterhin ergibt, ist die nach der Höhe der Spannungs- und Stromverstärkung des Systems. Hier sind die entsprechenden Eingangs- und Ausgangswiderstände zu berücksichtigen. Durch die Definition des Verhältnisses von Spannung und Strom mit Hilfe des ohmschen Gesetzes als elektrischer Widerstand sowie durch die Definition des Produktes von Spannung und Strom als die elektrische Leistung ergeben sich bei der Leistungsangabe am Widerstand bereits ganz konkrete Spannungen und Ströme am Ein- und Ausgang des Verstärkers. Da die Leistung mit Hilfe des ohmschen Gesetzes durch die entsprechenden Ströme und Spannungen an den Widerständen formuliert werden kann, ergibt sich: 
 
 
Hierbei sind die ersten Terme der Summen die jeweiligen Spannungs- und Stromverstärkungen.
Also gilt in unserem Beispiel für die Spannungsverstärkung:
 
 
und für die Stromverstärkung:
 
 
im Falle der Belastung des Ausganges mit dem Lastwiderstand  RL.
Wie in III.3.3 bereits besprochen, kann die Spannung am Ausgang aufgrund des Verhältnisses von Ausgangs- und Lastwiderstand variieren. Der Ausgangswiderstand von 0,1Ω ist klein gegenüber der Last von 4Ω. Er kann hier vernachlässigt werden.
Ist der Ausgang mit einem mindestens 10mal höheren Lastwiderstand abgeschlossen, als die Quelle als Ausgangswiderstand aufweist, ändert sich die Klemmenspannung kaum noch und ihr Betrag ist annähernd gleich der Leerlaufspannung. Berücksichtigt man zudem den Umstand, dass die Widerstände normalerweise frequenzabhängig sind, ergeben sich bei Überanpassung nicht so starke Schwankungen bei der Übertragung von Signalen aufgrund frequenzieller Änderungen der Impedanz. Da in fast allen Anwendungen der analogen Signalübertragung mit der Überanpassung gearbeitet wird, ist die Pegelangabe mit Hilfe der Spannungsrelation gebräuchlich.
Wie in den vorangegangenen Abschnitten, so sind vereinfachend auch in unserem Verstärkerbeispiel lediglich ohmsche (keine frequenzabhängigen) Widerstände Gegenstand der Betrachtungen.
Die logarithmierten Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktoren (negative dB Werte) stellen immer unterschiedliche Werte einer physikalischen Größe zueinander in Beziehung. So spricht man auch von Relationen der Werte zueinander. Will man sich auf bestimmte Richtwerte mit der Pegelangabe beziehen, wird der entsprechende Wert einer Größe zweckmäßigerweise mit einem Referenzwert verglichen. Die Festlegung dieses Referenzwertes hat häufig einen historischen oder auch konkreten technischen Hintergrund, wie zum Beispiel der Spannungsabfall von 0,775V an einem Widerstand von 600 Ω bei einem Leistungsumsatz von 1mW oder auch der Bezugswert des absoluten Schalldruckpegels von 20µPa, welcher die Hörschwelle des Menschen bei einer Frequenz von 1kHz darstellt.
Auf diese Art und Weise haben sich einige Bezugswerte etabliert, deren Kenntnis die Arbeit mit der Tontechnik wesentlich erleichtert und praktikabler macht. Diese Pegelangaben sind also absolute Werte und sie repräsentieren konkrete Spannungen, Ströme, Leistungen oder auch Schalldrücke bzw. Schallintensitäten. 
 
Im Folgenden seien die im tontechnischen Bereich wichtigsten Bezugswerte aufgeführt:
 
 
Die elektrischen Leistungen und Spannungen in der Verarbeitungskette können einen relativ großen Bereich abdecken. Schon allein aus diesem Grunde bietet sich eine Angabe in dB an. Während Mikrofone oder Tonabnehmer nur sehr geringe Leistungen aufnehmen bzw. abgeben (daher auch der Bezugswert des akustischen Leistungspegels von 1pW), können Leistungsendstufen sehr hohe Pegel an die Lautsprecher liefern (letztere liegen im Bereich von einigen Watt bis zu einigen Kilowatt). Ausgehend von den unterschiedlichen Ansprüchen haben sich verschiedene Übertragungsformate mit unterschiedlichen Anpassungen und Pegeln bewährt, die im nächsten Abschnitt aufgeführt werden.