USB-Isolatoren und -Filter für DACs
Das USB-Kabel, das einen Computer oder Netzwerkplayer mit Ihrem DAC verbindet, überträgt Musik, aber auch die 5-V-Stromversorgung und elektrische Störungen der Quelle. USB-Audio-Isolatoren und -Filter werden in diese Verbindung eingeschleift, um Masseschleifen zu unterbrechen, die Stromversorgung zu bereinigen und Rauschen, Brummen oder Knistern zu beseitigen, die das Hörerlebnis beeinträchtigen. Mehr erfahren
Woher die Störungen bei einer USB-Verbindung kommen
Ein Computer ist eine elektrisch unruhige Umgebung. Sein Schaltnetzteil, sein Prozessor, seine Grafikkarte und seine Lüfter erzeugen hochfrequente Störungen, die unter den Kürzeln EMI und RFI zusammengefasst werden (elektromagnetische und hochfrequente Störungen). Auch der USB-Anschluss ist davor nicht geschützt: Die 5-V-Versorgungsleitung kommt direkt vom Mainboard, und die Masse des Computers ist über die Abschirmung und den Masseleiter des Kabels mit der Masse des DAC verbunden.
Die Musikdaten hingegen kommen unverändert an. Eine über USB gelesene Datei erreicht den Wandler Bit für Bit, und das Problem liegt nicht in einem Übertragungsfehler. Es liegt im Störstrom, der neben den Daten mitgeführt wird und schließlich die Analogstufe des DAC erreicht – den empfindlichsten Teil der Kette, der das Signal erzeugt, das Sie hören.
Die Symptome sind leicht zu erkennen: ein dauerhaftes Rauschen im Kopfhörer, ein Knistern, dessen Charakter sich verändert, wenn man die Maus bewegt oder eine Festplatte arbeitet, ein tiefes Brummen, das verschwindet, sobald man das USB-Kabel abzieht. Bei Lautsprechern mit hohem Wirkungsgrad oder empfindlichen Kopfhörern werden diese Geräusche schnell störend.
Die Masseschleife als Ursache für das 50-Hz-Brummen
Das tiefe, gleichmäßige Brummen hat fast immer denselben Ursprung. Wenn der Computer und der Verstärker beide über ihren Netzstecker geerdet und zusätzlich über die Masse des USB-Kabels miteinander verbunden sind, bilden sie eine geschlossene Schleife. In dieser Schleife fließt dann ein geringer Strom mit der Netzfrequenz, in Europa 50 Hz, und überlagert das Audiosignal. Dieser Fall tritt häufig bei einem Desktop-PC auf, der an eine andere Steckdosenleiste angeschlossen ist als die Hi-Fi-Anlage.
Ein Wechsel des Kabels oder der Steckdose bringt manchmal etwas, doch die dauerhafte Lösung besteht darin, die durchgehende elektrische Verbindung zwischen Quelle und DAC zu unterbrechen und gleichzeitig die Daten passieren zu lassen.
Galvanische Trennung: eine elektrische Barriere zwischen Quelle und DAC
Das ist das Prinzip eines USB-Isolators. Die galvanische Trennung beseitigt jede direkte leitende Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Geräts: Die Daten überwinden die Barriere durch magnetische, kapazitive oder optische Kopplung, ohne dass Strom von einer Seite zur anderen fließen kann. Die Stromversorgung wird auf dieselbe Weise behandelt, über einen isolierten Wandler oder eine eigene Stromversorgung des Isolators.
Sobald die Barriere besteht, ist die Masseschleife unterbrochen, und die vom Computer erzeugten Störungen bleiben auf der Computerseite. Die technischen Daten geben häufig eine Isolationsspannung in Kilovolt an. Dieser Wert beschreibt die Widerstandsfähigkeit der Barriere gegenüber einer Potenzialdifferenz – eine nützliche Sicherheitsangabe, die jedoch nichts über die Klangqualität aussagt.
Filter, Regeneratoren und separate Stromversorgungen
Nicht alle Zubehörgeräte dieser Kategorie arbeiten auf dieselbe Weise, und ihre Wirksamkeit hängt vom zu behebenden Problem ab.
Ein USB-Filter ohne galvanische Trennung wirkt mithilfe von Kondensatoren, Spulen und Ferriten auf die 5-V-Versorgungsleitung und auf hochfrequente Störungen. Er reduziert Rauschen und Knistern, die mit der Stromversorgung der Quelle zusammenhängen, ohne eine Masseschleife zu unterbrechen. Das ist die einfachste Lösung, wenn die Störungen nicht von der Erdung ausgehen.
Ein Regenerator baut das USB-Signal anhand seines eigenen Takts neu auf, der von einem integrierten Präzisionsoszillator erzeugt wird. Er stellt saubere Signalflanken wieder her und reduziert Jitter, also kleine zeitliche Unregelmäßigkeiten bei der Übertragung. Die meisten modernen USB-DACs arbeiten im asynchronen Modus und steuern die Wandlung mit ihrem eigenen Takt. Daher liegt der Nutzen eines Regenerators vor allem in der elektrischen Sauberkeit des Signals, das der DAC empfängt. Viele Modelle kombinieren Regeneration und galvanische Trennung.
Eine separate Stromversorgung ersetzt die störungsbehafteten 5 V des Computers durch eine sauberere Quelle: ein externes lineares Netzteil, ein geregeltes, rauscharmes Netzteil oder einen internen Akku, der während des Hörens jede Verbindung zum Stromnetz trennt. Manche Geräte bieten außerdem eine Einstellung zum vollständigen Abschalten der 5 V, wenn der DAC über eine eigene Stromversorgung verfügt, eine Erdungsklemme zur Regelung der Masseführung der Anlage oder eine Schaltung zur aktiven Störunterdrückung, die ein invertiertes Signal erzeugt, um die Störungen auszulöschen.
USB-Geschwindigkeit und Anschlüsse: Was zu prüfen ist
Die Unterstützung der erforderlichen Datenrate ist das Kriterium, das am häufigsten übersehen wird. Einige einfache Isolatoren funktionieren nur mit USB Full Speed bei 12 Mbit/s. Diese Datenrate begrenzt die Wiedergabe auf Auflösungen von etwa 24 Bit und 96 kHz, schließt DSD und hohe Abtastraten aus, und viele für USB Audio Class 2 konfigurierte DACs werden schlicht nicht erkannt. Um alle Auflösungen Ihres DAC nutzen zu können, muss der Isolator USB High Speed mit 480 Mbit/s unterstützen, bei bestimmten neueren Schnittstellen sogar USB 3.0.
Auch die Anschlüsse sind wichtig: USB-A, USB-B oder USB-C, je nach den Anschlüssen der Quelle und des DAC, wobei manchmal ein Adapter oder ein kurzes Kabel mitgeliefert wird. Wenn Ihr DAC oder Ihr Kopfhörerverstärker über den USB-Bus mit Strom versorgt wird, prüfen Sie den verfügbaren Ausgangsstrom des Isolators, der in Milliampere angegeben wird: Ein Gerät mit hohem Strombedarf kann bei Versorgung durch einen unterdimensionierten Isolator die Verbindung verlieren oder instabil arbeiten.
Vor dem Kauf die Ursache ermitteln und den Isolator richtig platzieren
Einige einfache Tests helfen bei der Auswahl. Wenn die Störungen verschwinden, sobald ein Laptop mit abgezogenem Ladegerät im Akkubetrieb läuft, ist die Netzstromversorgung der Quelle die Ursache. Ein galvanischer Isolator oder eine separate Stromversorgung löst dann das Problem. Wenn ein tiefes Brummen aufhört, sobald man das USB-Kabel abzieht, handelt es sich um eine Masseschleife, die eine galvanische Trennung erfordert. Ein Knistern, das mit der Aktivität des Computers zusammenhängt und ohne Hintergrundbrummen auftritt, erfordert eher eine Filterung.
Der Isolator wird zwischen Quelle und DAC möglichst nahe am DAC platziert, mit einem kurzen Kabel am Ausgang, um nach der Aufbereitung eingefangene Störungen zu begrenzen. Der Nutzen variiert je nach Anlage: Ein Desktop-PC direkt neben der Anlage profitiert deutlich davon, ein dedizierter, bereits störungsarmer Netzwerkplayer etwas weniger, und ein High-End-DAC mit eigener integrierter USB-Isolierung lässt wenig Raum für Verbesserungen. Das sollte man vor einer Investition wissen.
Hörbare Auswirkungen und Grenzen
Wenn ein Brummen oder Knistern verschwindet, ist der Unterschied eindeutig. Bei einer bereits störungsfreien Anlage sind die Auswirkungen dezenter: ein schwärzerer Klanghintergrund, natürlicher ausklingende Töne und Nachhallfahnen, weniger wahrnehmbares Restrauschen im Kopfhörer. Ein Isolator verwandelt einen DAC nicht, sondern ermöglicht ihm, unter besseren elektrischen Bedingungen zu arbeiten.
