Symmetrische Signalübertragung

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Die Symmetrische Signalübertragung ist ein Verfahren, um den Einfluss von Störeinstrahlungen durch Induktion auf eine Signalleitung auszuschließen. Sie hat ihren Ursprung in der Telefontechnik und wird in der digitalen Kommunikationstechnik angewendet. Auch in der Tontechnik wird sie eingesetzt.

[Bearbeiten] Prinzip

Das Signal wird zu diesem Zweck parallel durch zwei Signaladern, einmal phasenrichtig ("Hot") und einmal phasenverkehrt ("Cold"), übertragen. An der Empfangsseite wird nur die Potentialdifferenz, also der Spannungsunterschied der Leiter, ausgewertet. Eine Störeinstrahlung wird auf beiden Leitern phasengleich induziert und kommt somit kaum mehr zum Tragen. Voraussetzung ist dafür, dass die Signaladern direkt nebeneinander verlaufen, damit sich die Störung möglichst identisch auf beide Leiter auswirkt. Häufig werden sie auch verdrillt wie etwa die Doppelader.

Neben der höheren Unempfindlichkeit gegen nicht leitungsgebundene Störungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) hat die symmetrische Übertragung den Vorteil, dass sie massefrei durchgeführt werden kann. Störungen durch verschiedene Massepotentiale auf Sender- und Empfängerseite (Brummschleifen) können dadurch vermieden werden. Dieses erfordert die Symmetrierung bzw. Desymmetrierung mittels eines Übertragers.

[Bearbeiten] Elemente zur Symmetrierung von Signalen

1. Übertrager: Eine Transformatorschaltung mit zwei Spulen, die teuerste und sauberste Lösung, die jedoch den Frequenzgang beeinflusst. In der Tontechnik hat die sogenannte DI-Box eingebaute Übertrager.
2. Differenzverstärker: Eine kleine integrierte Schaltung (Operationsverstärker). Diese preiswerte Konstruktion kann aber den Rauschabstand verschlechtern.
3. Masseleitung: Um Sender und Empfänger auf dasselbe Nullpotential zu bringen, kann ein Kabel benutzt werden, das eine zusätzliche Masseleitung hat.

[Bearbeiten] Aufbau in der Digitaltechnik

Bei steilen Signalflanken reicht eine einfache symmetrische Verbindungsleitung nicht mehr aus, da es aufgrund der Signal-Laufzeiten im Draht zu Reflexionen, Impulsverformungen und Störungen durch Schwingkreise kommt. Dadurch wird die Leitung auf etwa 10 cm Länge je 1 ns Anstiegsszeit begrenzt.

Um dem vorzubeugen, muss die symmetrische Leitung einen definierten Wellenwiderstand aufweisen. Dieser ist abhängig vom Leitungstyp und liegt meist im Bereich zwischen 50 und 300 Ω. Die Leitung wird mit diesem Wellenwiderstand terminiert—d.h., die Drähte werden mit einem Widerstand verbunden, dessen Wert dem Wellenwiderstand entspricht. Wegen des niederohmigen Abschlusswiderstandes muss das Sendegatter einen hohen Ausgangsstrom liefern können. Solche Gatter werden als Leitungstreiber oder Buffer bezeichnet. Als Empfänger wird ein Schmitt-Trigger-Gatter eingesetzt um die Signalflanken zu wiederherzustellen.

Da dieser Aufbau jedoch relativ empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen (auf der Masseleitung) ist wird meist der symmetrische Aufbau verwendet. Hier wird die zweite Leitung mit dem komplementären Signal gespeist und verwendet einen Komparator als Empfänger. Eine äußere Störung wirkt sich auf beide Leitungen gleichermaßen aus und bewirkt eine Gleichtaktaussteuerung, welche durch die Differenzbildung im Komparator gefiltert wird. Die komplementären Signale dürfen jedoch keine zeitliche Verschiebung aufweisen, weshalb man in der Praxis einerseits vorgefertigte Bauteile mit dem notwendigen komplementären Ausgang einsetzen und andererseits die Längen der beiden Leitungen genau gleich lang gestalten muss.

Komplementäre Ausgänge sind bei Schaltungen in ECL-Technik immer vorhanden, weshalb man keine speziellen Bausteine verwenden muss. ECL-Bausteine eignen sich daher besonders für die symmetrische Datenübertragung. Um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen werden am Ausgang Komparatoren mit ECL-kompatiblen Ausgangssignal eingesetzt, welche als Line-Receiver bezeichnet werden.