Besser ohne Schirm – neue Erkenntnisse zur Schirmung bei analogen Leitungen

Die Abschirmung eines Audiokabels gilt als unverzichtbarer Bestandteil jeder hochwertigen Signalverbindung, oder? Nicht immer, meinen wir und behaupten im Gegenteil: Eine analoge Leitung ohne Schirm ist in einem Audionetz auf NEXUS-Basis weniger störanfällig.

Es gab eine Zeit, da galt »digital« als Synonym für »gut«. Heute weiß man landläufig, dass es auch auf digitaler Ebene auf Qualität, intelligente Strategien und gute Schaltungslayouts ankommt; vor allem beim Übergang von analog nach digital und zurück. Ein naheliegendes Beispiel ist NEXUS, bei dem die analogen Ein- und Ausgangs-Schaltungen für ungewöhnliche elektrische Eigenschaften sorgen. Ein paar harte Fakten vorab: Im Zusammenhang mit Störanfälligkeit sind vor allem zwei Parameter interessant: die extrem hohe Unsymmetriedämpfung und die nur noch wenige Pikofarad große Koppelkapazität zur Masse – konventionelle Schaltungen weisen einen um ein Vielfaches höheren Wert auf. Die Folge der niedrigen Kapazität ist praktisch eine Erdfreiheit auch für Audiofrequenzen und nicht nur für Gleichstrom. Diese qualitativ außergewöhnlichen analogen Ein- und Ausgänge führen in der Praxis dazu, dass ein unabgeschirmtes Line-Kabel bessere Werte als ein geschirmtes Kabel mit sich bringen kann!

Verschiedene Störungen

Warum kann auf eine Abschirmung beziehungweise eine Masseverbindung verzichtet werden? Weit verbreitet ist die Auffassung, dass die Masse als Schirm benötigt werde, um Störungen abzuleiten. Für unsere Betrachtungen wichtig sind induktiv und kapazitativ eingekoppelte Störungen und hochfrequente Störsignale.

Induktive Störfelder wirken von einem elektrischen Schirm ungehindert auf beide Tonadern ein. Hier hilft der Schirm also nicht. Vielmehr lassen sich die Auswirkungen induktiver Störfelder von je her nur durch einen sehr kleinen Abstand der Tonadern minimieren und durch eine Verdrillung der Tonadern kompensieren.
Bei kapazitiven Störungen dagegen kann ein Schirm helfen. Die Störungen werden gegen Masse abgeleitet und koppeln nicht mehr in die Tonadern ein. Der Nachteil: Die Masse ist überall etwas verschieden.

Gegen hochfrequente Störungen hilft der Schirm in weit weniger Fällen, als meist angenommen wird. Ganz im Gegenteil kann er sich auch – je nach einstreuender Frequenz – als kapazitiv an die Tonadern gekoppelte Antenne auswirken.

Kapazitive Störungen

Wird bei kapazitiven Störungen der Schirm weggelassen, so kann die Störung direkt in die Tonadern einkoppeln. Günstig ist es auch hier, beide Tonadern so eng wie möglich – oder verdrillt – zu führen, sodass beide Tonadern von der Störung erfasst werden. So addiert sich die Störung auf beiden Tonadern und erscheint damit als Gleichtaktsignal. Unser Nutzsignal, als Differenzsignal zwischen den symmetrischen Tonadern, wird davon nicht betroffen. Voraussetzung dafür ist: Die Ein- und Ausgänge weisen eine ausreichend große Unsymmetriedämpfung auf.

Falls eine Störung trotzdem punktuell in eine Tonader einkoppeln sollte, dann ist es wichtig, dass der analoge Audioausgang eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz besitzt, um diese Störung auch auf die andere Tonader zu koppeln. Die Störung ist dann auf beiden Tonadern gleich groß und erscheint somit wieder als Gleichtaktsignal. Diese Behauptung ist nicht neu; sie wurde bereits von Stephen H. Lampen (Belden) in seinem Vortrag »Transporting Audio Signals on Category 5 UTP« auf der 109. AES-Convention im Sept. 2000 aufgestellt.

Test mit NEXUS

Soviel zur Theorie. Leider verfügte die Firma Belden nicht über Audiogeräte mit einer Unsymmetrie-Dämpfung über 80 dB, sodass der Nachweis dieser Theorie fehlte. Für uns bei Stage Tec hingegen ist dies kein Problem, denn die NEXUS-Baugruppen besitzen Unsymmetriedämpfungen von teilweise über 150 dB, der Ausgangswiderstand liegt bei nur etwa 8 Ohm und die parasitäre Massekapazität liegt nur bei einigen 10 pF – alle Werte übertreffen bei weitem die Forderungen des entsprechenden Pflichtenheftes.


Um die Frage nach dem Nutzen des Schirmes unter solchen Bedingungen auch experimentell zu untermauern, untersuchten wir die Störempfindlichkeiten auf verschiedenen Kabeln an NEXUS-Baugruppen; und zwar mit einem 120 m langen, geschirmten Kat-5 S-STP-Kabel(1) und einem 300 m langen Kat-5 UTP-Kabel(2).

Unerwartete Ergebnisse

Bei der Messung der Ausgangsspannungs-Unsymmetrie konnte das UTP-Kabel bis zu 30 dB bessere Werte als das S-STP-Kabel erreichen – trotz mehr als doppelter Länge. Dies liegt an der viel kleineren Massekapazität des UTP-Kabels und war zu erwarten. Unerwartet waren die Übersprechmessungen für benachbarte Kanäle. Hier konnte das ungeschirmte UTP-Kabel mit bis zu 20 dB besseren Werten aufwarten!

Daraufhin suchten wir gezielt nach Nachteilen von UTP-Kabeln. Dazu simulierten wir eine unsymmetrische Störquelle und speisten beide Adern mit einem leicht unsymmetrischen Signal. Auch hierbei waren die Übersprechdämpfungen auf dem UTP-Kabel besser – und zwar in weiten Bereichen um 35 dB! In dieser Versuchsanordnung wurde jetzt zusätzlich die Symmetrie auf die vom Pflichtenheft 3/5 verlangten Minimalwerte verschlechtert. Das führte bei dem S-STP-Kabel zu keiner Veränderung, da der Schirm dies verhinderte. Bei dem UTP-Kabel zeigten sich dagegen dramatische Veränderungen: Die Übersprechdämpfungen entsprachen etwa denen des S-STP-Kabels.

Schlussfolgerung

Mit hochqualitativen Ein- und Ausgängen – und nur dann – lassen ungeschirmte UTP-Kabel als analoge Signalwege erheblich bessere Übersprechwerte zu, als ihre geschirmten S-STP-Pendants. Und dabei ist das für die Messungen verwendete S-STP-Kabel schon ein extrem hochwertiges Kabel verglichen mit den üblichen Audiokabeln! UTP-Kabel sind auch dann die bessere Wahl, wenn entweder der Audioeingang oder der Audioausgang nicht ganz so optimal wie im NEXUS ist, aber immernoch gerade die Grenzwerte des Pflichtenhefts 3/5 erreicht. Der Einsatz geschirmter Kabel hingegen wird um so sinnvoller, je schlechter die Symmetrie der angeschlossenen Geräte oder je größer die parasitäre Massekapazität ist, beziehungsweise wenn keine Erdfreiheit gegeben ist.

Zukunft dem RJ45

Dem Einsatz ungeschirmter, analoger Audioleitungen steht also nichts im Wege – vorausgesetzt, man benutzt in den treibenden digitalen Systemen ausgesprochen hochwertige analoge Schnittstellen. Man braucht den Schirm allerdings nach wie vor für phantomgespeiste Kondensatormikrofone. Konsequenterweise bietet Stage Tec deshalb für alle analogen Baugruppen wahlweise RJ45-Steckverbinder alternativ zu den gebräuchlichen XLR-Verbindern an.
Aufgrund der mechanischen Eigenschaften der RJ45 Stecker kommen diese allerdings nur für Festinstallationen in Frage. Aber dann sind die Vorteile eindeutig: einfachere Kabelkonfektion, niedrigerer Preis und die bessere Audioqualität.

Bei dem Stage-Tec-Seminar im Kloster Banz gab es zu diesem Thema eine kleine Vorführung mit 300 m ungeschirmten UTP-Kabel und einem angeschlossenen dynamischen Mikrofon – ein Versuch mit extremen Mitteln zur Verdeutlichung der Theorie. Auf dem benachbarten Adernpaar lag ein Messton von 1 kHz und einem Pegel von 22 dBu. Selbst bei maximal möglicher Mikrofonverstärkung war der Messton nicht zu entdecken. Es gab auch keinerlei Brummstörungen. Messtechnisch war die Übersprechdämpfung mit etwa 140 dB bei 1 kHz ermittelt worden.