Symmetrische Signalübertragung

Bei der symmetrischen Signalübertragung erfolgt die Signalübertragung anstatt mit einem Signalleiter über ein Paar, wodurch die Signale auch bei längeren Übertragungswegen möglichst störungstolerant übermittelt werden können. Dies wird ermöglicht, da die Beeinflussung des Nutzsignals auf dem Übertragungsweg durch Einkopplungen auf beiden Leitern fast gleichartig ist, sodass beim Bilden der Differenz beider Leiterpotenziale die Störung nahezu aufgehoben ist. Dieser Effekt wird erreicht, da jeder Leiter des Leitungspaares die gleiche Leitungs-, Last- und Quellimpedanz besitzt.

Prinzip der Signalübertragung

Um ein elektrisches Signal übertragen zu können, ist die Grundvoraussetzung ein geschlossener Stromkreis. Somit bestehen zwischen Signalquelle und –senke stets zwei Leiter. Bei der Signalübertragung ist zu beachten, dass sich alle induktiven und kapazitiven Umgebungseinflüsse schon nach kurzer Entfernung störend auf das Signal auswirken. Im 19. Jahrhundert wurde versucht, Telefongespräche unsymmetrisch zu übertragen. Dies wurde zum Beispiel mit nur einer Leitung und der Erde als Gegenpol getestet, doch all diese Versuche blieben erfolglos. Da sich magnetische Wechselfelder nicht abschirmen lassen, treten stets Störungen auf ein übertragenes Signal auf. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird zusätzlich zu dem Signal entweder ein identisches Referenzsignal mit entgegengesetzter Polarität oder ein Nullsignal übertragen. Durch diese Maßnahme und der Konstruktion des Kabels in der Art und Weise, dass sich alle Störungen gleich stark auf beide Kabeladern ausprägen, kann mithilfe der Differenzbildung beider Signale das Störsignal herausgefiltert und somit beseitigt werden. Dieser Prozess wird symmetrische Signalübertragung genannt.

Störungen gleichmäßig verteilen

Durch die Verwendung symmetrischer Kabel können die Störungen auf beide Adern identisch aufgeteilt werden. Das verwendetet Kabel weist dabei verdrillte Adern auf. Zusätzlich dazu wird noch eine elektrisch abschirmende Hülle verwendet. Bei der Verwendung vieler Adernpaare in einem Kabel, wie es zum Beispiel in der Telefontechnik der Fall ist, ist es sinnvoll einen unterschiedlichen Drill der verschiedenen Paare zu verwenden, um so wechselseitige Signaleinkopplungen zu symmetrieren und somit auch zu minimieren. Notwendig dafür ist, dass die Einkopplungs- und Abschlussimpedanzen beider Adern identisch sind. Dies liegt daran, da es sich bei den Störeinflüssen um induzierte Spannungen und aufgeprägte Ströme handelt.

Verwendung symmetrischer Signalübertragung

Diese Art der Übertragung findet heutzutage in der professionellen Tontechnik beinahe ausschließlich Verwendung. Ebenso wird sie in der Digitaltechnik eingesetzt. Ein Beispiel für die Verwendung sind die in der Tontechnik sehr beliebten Tauchspulmikrofone. In der elektrischen Messtechnik und in der HiFi-Anwendung wir hingegen weiterhin auf unsymmetrische Signalübertragung gesetzt, da diese kostengünstiger und robuster ist.

Anwendung der differenziellen Datenübertragung

Die Übertragung des Signals erfolgt über eine Signal- und eine Referenzsignalader in entgegengesetzter Polarität. Durch die gleiche Quell- und Abschlussimpedanz beider Adern wird eine hohe Symmetrie der Leitungen ermöglicht, was zu einer idealen störungsfreien Signalübertragung führt. Dieses Verfahren der Übertragung wird unter anderem bei Mikrofon- und USB-Kabeln, Telefonleitungen und Twisted-Pair-Kabeln verwendet. Durch eine zusätzliche Verdrillung von jedem Adernpaar wird eine möglichst symmetrische Störeinkopplung ermöglicht.

Anwendung der pseudodifferenziellen Datenübertragung

Bei dieser Übertragung wird lediglich ein Nullsignal anstatt eines negierten Signals übertragen, um Aufwand zu sparen. Somit überträgt die Referenzsignalader selbst kein Nutzsignal, sondern leitet dem Empfänger nur die „angesammelten“ Störungen weiter. Verwendet wird dieses Verfahren in den Fällen, in denen eine Negierung des Signals zu viel Aufwand mit sich bringen würde. Beim Verzicht auf die gleiche Quell- und Abschlussimpedanz beider Adern können auch Klinkenstecker, BNC- oder Cinch-Verbindungen für die Übertragung genutzt werden. Somit bleibt der Hauptvorteil der symmetrischen Datenübertragung, also die erhebliche Verbesserung der Qualität bei der Signalübertragung, erhalten.

Bauelemente für die Differenzbildung

Die Bildung der Differenz von zwei Signalen kann durch verschiedene Mittel erzielt werden. So kann zum Beispiel ein Trenntransformator oder ein Subtrahierverstärker verwendet werden.

Trenntransformator

Der Transformator oder auch Übertrager genannt, übersendet lediglich die Differenz der anliegenden Signalspannung an der Primärwicklung. Er wird also überall dort eingesetzt, wo eine Isolation erforderlich ist, zum Beispiel als LAN-Magnetics bei Ethernet. Innerhalb der Tontechnik wird zwischen zwei Methoden unterschieden. Je nach Anwendung wird entweder ein Übertrager genutzt, der passive Schaltungen oder aktive Schaltungen erlaubt. Der Übertrager mit passiven Schaltungen zeigt einen nichtidealen Frequenzgang auf, wohingegen der andere Übertrager einen Differenzverstärker aufweist.

Subtrahierverstärker

Dieser Verstärker, der auch Operationsverstärker genannt wird, wird verwendet, wenn ein linearer Frequenzgang erforderlich ist. Dies ist zum Beispiel in der Analog- oder Tontechnik der Fall. Jedoch muss hier zwischen Nutzen und Aufwand abgewogen werden. Der Vorteil dieses Verstärkers ist, dass die Ergebnisse besser sind, als die einer ausbalancierten, pseudodifferenziellen Übertragung, bei der eine Schutzisolation verwendet wird. Dafür ist der Aufwand aber auch sehr hoch. Somit kommt der Subtrahierverstärker meist nur bei Spezialanwendungen zum Einsatz. Das zugrunde liegende Prinzip des Verstärkers beruht darin, dass das Referenzsignal negiert und anschließend zum Signal addiert wird. Somit werden in der einfachsten Form lediglich ein Operationsverstärker und zwei Widerstände für die Addition benötigt.