Trennen und Filtern: USB- und analoge Geräte galvanisch trennen sowie Signale filtern | Teil 2 von 2

Vorbemerkung zu den USB-Filtern

USB-Störfilter sind darauf ausgelegt, die Signalqualität über USB-Verbindungen zu verbessern, indem sie Rauschen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) reduzieren. Diese Filter können passive Komponenten wie Ferritkerne oder aktive Schaltungen enthalten, die spezifisch auf die Unterdrückung von Störungen abgestimmt sind, welche die Datenübertragung beeinträchtigen können. Die Verbesserung der Datenintegrität ist nur eine Facette, aber oft auch hörbar.

Sogenanntes elektrisches Rauschen kann Fehler in den über USB übertragenen Daten verursachen. Störfilter reduzieren dann dieses Rauschniveau und sorgen damit für eine zuverlässigere Datenübertragung. Dazu kommt der Schutz vor elektromagnetischen Interferenzen, denn PCs und andere elektronische Geräte können EMI aus verschiedenen Quellen ausgesetzt sein, einschließlich der schon mehrmals zitierten Grafikkarten. Solche USB-Störfilter helfen dann, diese Interferenzen zu minimieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen oder Datenverlust verringert wird.

Neben der galvanischen Trennung helfen dann Filter wie der PureClock von Oehlbach oder der Jitterbug FMJ von Audioquest weiter. Ich weiß, der berühmt-berüchtigte Goldkabel-Dealer mit dem Öl im Namen hat bei Vielen nicht den besten Ruf, aber es gibt auch nützliche Produkte, wenn man mal genauer sucht. Ich tue mich zwar auch schwer damit, aber der PureClock tut zumindest fast das, was er soll, auch wenn er mit 20 Euro für einen passiven Filter nicht wirklich billig ist. Deutlich teurer ist dann sogar noch der Jitterbug FMJ, der aber, das kann ich schon einmal spoilern, den hörbar besseren Job macht.

Vielleicht hilft so ein Goldstück ja doch? Genau das hatte ich vor zwei Jahren inständig gehofft, als ich mir spontan einen Oehlbach PureClock bestellt hatte und mir vorher nicht wirklich sicher war, ob so ein passiver Stick nun reines Schlangenöl oder eine passable Lösung sei. Und ja, ich muss der Firma Oehlbach zumindest bei diesem Teil irgendwie Abbitte leisten, auch wenn ich anderen Produkten gegenüber eher skeptisch bin. Der Stick hat das Problem zwar nicht komplett eliminiert (das geht passiv wohl auch gar nicht), aber zumindest so weit in den Hintergrund verschoben, dass ich sehr gut damit leben kann. Und das will schon was heißen.

Der Audioquest Jitterbug FMJ für rund 60 Euro ist hier deutlich effizienter und besser, allerdings kann ich dann dazu keine Messungen mehr präsentieren, denn man eliminiert die verbliebenden Reste komplett und misst wirklich nur noch das übliche Grundrauschen. Ob man dann aber das Dreifache dessen ausgeben will, was so ein einfacher passiver Stick kostet, muss man mit sich selbst ausmachen. Ich nutze beide, wobei der Jitterbug ohne die galvanische Trennung vor den Nubert nuPro XS 8000 RC und meinem Multimedia-PC-Tisch hängt, in dem mittlerweile eine GeForce RTX 4090 schwitzen muss. Die beiden Nubert-Boxen sind nämlich bereits galvanisch getrennt. Allerdings leiden drei meiner USB-Kopfhörer-DACs unter den Einflüssen des PCs am USB.  Besser gesagt, sie litten. Jetzt nicht mehr.

Jitter und hochfrequente Störungen

Wir wissen ja bereits, dass vor allem hochauflösende, digitale Audiosignale als Basis für eine hochqualitative D/A-Wandlung neben der guten Signalübertragung  sowohl einen präzisen und stabilen Takt als auch eine saubere und störungsfreie 5V Spannungsversorgung benötigen. Außerdem produzieren Motherboards samt ihrer Komponenten (Grafikkarte, SSD, Festplatte, CPU) unangenehme elektromagnetische Störungen und ein ungewolltes Signalrauschen. Flapsige Sprüche wie „You can hear what you see“ sind leider die normale Realität und beileibe keine Ausnahme. Da kann man bei der Stärke dann Glück oder Pech haben, jeden trifft es da unterschiedlich stark.

Das gefürchtete Taktzittern wird auch als „Jitter“ bezeichnet und auch die hochfrequenten Störsignale finden schnell den Weg über das USB-Kabel zum externen DAC.  Die Relevanz und Hörbarkeit von Jitter in der Audio- und Musikproduktion sowie in der digitalen Kommunikation sind wichtige Aspekte, die sowohl die Qualität als auch die Integrität von Audiosignalen beeinflussen können. Jitter bezieht sich auf kleine, unregelmäßige Variationen in der zeitlichen Platzierung von Signalereignissen, insbesondere in digitalen Signalen. Diese Variationen können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, einschließlich Hardware-Unzulänglichkeiten, Übertragungsfehler und Verarbeitungsverzögerungen. Die Auswirkungen und die Wahrnehmbarkeit von Jitter hängen von mehreren Faktoren ab, darunter die Natur des Audiomaterials, die Qualität der verwendeten Ausrüstung und die Empfindlichkeit des Hörers.

Die externe Audio-Hardware kann nämlich so toll und teuer sein wie sie will, nicht jedes Gerät verfügt über eine echte galvanische Massetrennung und wirklich wirksame Filter. Genau da sollen die beiden Sticks ins Spiel kommen, um diese Störungen zu eliminieren und eine perfekte Synchronisierung zwischen der USB-Schnittstelle und dem Wandler zu garantieren. Sagen zumindest die Hersteller. Und da ich nicht noch ein Gerät mit einer weiteren Spannungsversorgung zwischen PC und DAC schalten wollte, kam mir diese Sticks gerade recht. Schlangenöl oder echte Lösung? Ich war jedenfalls schon einmal gespannt und habe mir beide Teile einfach mal zeitversetzt gekauft.

Wenn der komplett passive PureClock somit wirklich etwas bewirken sollte, dann wohl dadurch, dass im Inneren Bauteile wie Gleichtaktdrosseln, Kondensatoren, Widerstände und diverse andere Spulen verbaut sein sollten. Ein leerer Stick wäre schon reichlich frech, so dass ich hier sicher nicht auf ein leeres Gehäuse stoßen werde. So weit dürfte wohl keiner gehen. Doch wie wirkungsvoll ist das Ganze dann in der Praxis?

Subjektiver Eindruck und Messung

Die Ausgangsposition ist klar. Da mein Beyerdynamic A20 im Vergleich zum HIFIMAN nur einen analogen Eingang besitzt, muss ich zwischen PC und den A20 noch einen ordentlichen DAC schalten. Dann aber höre ich faktisch meinen Desktop, wenn ich den Pegel so hoch einstelle, dass meine Kopfhörer ordentlich bis voll ausgesteuert werden. Es zirpt wie alkoholisierte Zikaden hinter einer mexikanischen Würfelbude. Stecke ich nun den Stick dazwischen, minimiert sich das Zirpen selbst bei voll ausgelasteter Grafikkarte auf ein nahezu nicht existentes Minimum. Im Idle wird es quasi unhörbar. Dann kann ich auch wieder die Maus bewegen, ohne jedes Mal ein fieses Kribbeln im Ohr zu bekommen. Der PureClock tut also erst einmal, was er soll. Den Jitterbug messe ich nicht noch einmal, denn da ist nichts mehr. Doch wie gut ist das dann beim PureClock wirklich, wenn man einmal nachmisst und den USB-Isolator weglässt?

Zunächst setze ich den Pegel des Beyerdynamic A20 so hoch, dass ich die Vollaussteuerung an 600 Ohm erreiche, ohne dass am Oszillographen Verzerrungen sichtbar werden. Satte 8 Volt RMS bzw. fast 108 mW RMS pro Kanal sind hier natürlich eine Offenbarung und gut geeignet, so manchen Kopfhörer galant in den Orbit zu schießen. Die Trommelfelle der Wahnsinnigen Wagemutigen natürlich gleich mit. Aber immer gut zu wissen, was alles abgeht, wenn man es gern so hätte. Die 20.3 dBu bzw. 18.11 dBV nimmt man doch gern mit. Auch der elektrische Leistungspegel geht mit -0.97 dB vollends in Ordnung.

Stoppen wir mal den 1-KHz-Hype-Train und messen den Pegel der Störgeräusche, die es bis zum Verstärkerausgang bringen. Also die ganze Tüte mit den Grillen und Zikaden aus Richtung PC-Elektronik! Die Peakspannung liegt bei 0.0062 Volt (-41.9 dBu, -44.2 dBV) , Vrms bei 0.0043 (-45.1 dBu, -47.3 dBV) und die umgesetzte RMS-Leistung bei 0.0003 mW, also -75.2 dB als Leistungspegel. Das liegt weit über dem, was man in der Summe der Einzelkomponenten aus DAC und Kopfhörerverstärker akzeptieren kann und ist vor allem etwas, was man extrem hört und als störend empfindet.

Stecken wir nun den PureClock dazwischen, der einen sichtbar guten Job macht und vor allem die hochfrequenten Störanteile extrem absenken kann. Ganz weg bekommt man es zwar nicht, aber es ist subjektiv nicht mehr hörbar. Die Peak-Spannung schrumpft auf 0.0024 Volt, also -50.2 dBu bzw. -52.4 dBV, die wichtigere Vrms sinkt auf 0.0017 Volt bzw. -.53.2 dBu und -55.4 dBV. Der Leistungspegel bei den 0.000005 mW liegt nun bei -83 dB. Das kann man wirklich lassen, denn die Idealwerte aus dem Katalog wird man am PC nur mit aktiven Komponenten zwischen USB-Ausgang und DAC erreichen, falls überhaupt.

Der PureClock von Oehlbach ist keine Lösung für ein eventuelles Masseproblem, denn er ermöglicht keine galvanische Trennung zwischen PC und DAC. Aber das verspricht man auch gar nicht. Es ist am Ende ein sehr wirkungsvolles, komplett passives Filter im USB-Strang. Nicht mehr, aber auch nicht weniger. Die hochfrequenten Störgeräusche, die über Spannungszuführung und Masse an die Kette weitervererbt werden, kann man mit diesem Stick sehr wirkungsvoll dämpfen, ganz beseitigen kann man sie aber eben auch nicht. Doch es reicht für den normalen Alltag völlig aus. Und wenn man dann noch einen USB-Isolator (siehe vorige Seite) nutzt, ist eh komplette Funkstille. Der Jitterbug FMJ ist hier sogar noch etwas besser und ich höre den Unterschied an den Nubert-Boxen definitiv, wenn es sich um wirklich gutes Audio-Material handelt.

Und was ist nun mit dem Jitter? Der Witz ist, dass die Wirkung nur dann nachgewiesen werden kann, wenn es wirklich ein echt verzwirbeltes Signal gibt und der PC (Grafikkarte) leider auch das liefert, was gar nicht bestellt wurde. Der Filter kann helfen, die Signalintegrität deutlich zu verbessern, so dass man auch Taktstörungen weitgehend eliminieren kann. Doch dass es per se stets  „besser klingt“, ist quasi eine Legende. Es klingt aber umso besser, je mieser die Signalquelle agiert und umso mehr elektrisches Rauschen und EMI-Gedöns vom PC ankommen.

Am heimischen PC mit fettem Netzteil und potenter Grafikkarte kann so etwas aber im Zusammenspiel mit dem USB-Isolator wirklich die letzte Rettung sein. Man kann es also sehen, wie man es gern hätte, die 20 oder 60 Euro sind dem Produkt durchaus angemessen, wenn auch nicht wirklich billig.

Zusammenfassung

Die Verwendung von galvanischen Trennungen und USB-Störfiltern in PC-Systemen basiert auf der Anwendung bewährter elektrischer und elektromagnetischer Schutzmaßnahmen. Diese Technologien tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit und Leistung von USB-Verbindungen zu verbessern, indem sie die Systeme vor schädlichen elektrischen und elektromagnetischen Einflüssen schützen. Ihre Wichtigkeit ist besonders in Umgebungen mit hohem Risiko elektrischer Störungen oder in Anwendungen, bei denen Datenintegrität von entscheidender Bedeutung ist, unbestreitbar. Durch die Anwendung solider wissenschaftlicher Prinzipien und Ingenieurtechniken sind galvanische Trennung und USB-Störfilter wesentliche Werkzeuge im Arsenal der Computertechnik, die weit entfernt von jeglicher Form von „Voodoo“ sind.

Im Falle der sogenannten USB-Isolatoren kann ich die Masse- und EMI-bedingten Störgeräusche gar nicht mehr hören, bei den Störfiltern verbessert sich meist der Klang hörbar, wenn es vorher zu Jitter und elektrischem Rauschen kam. Natürlich gib es noch deutlich mehr Ursachen für ein gestörtes Verhältnis zur akustischen Umwelt, aber hier kann man wirklich schon einmal ansetzen, denn es lohnt sich fast immer. Voodoo? Mitnichten. Es ist alles allerdings auch eine Frage des geschulten Gehörs, der eigenen Anspruche und der monetären Kriegskasse im Kampf gegen akustische Umweltverschmutzung.

Und sogar Mäuse und Tastaturen können von einer sauber entkoppelten USB-Schnittstelle ebenfalls profitieren, wenn es  um saubere Signale geht. Was nützen 8000 Hz Polling-Rate, wenn die Daten durch nötige Fehlerkorrekturen später oder sogar verfälscht ankommen? Auch hier ist natürlich das sensitive Empfinden eines jeden Einzelnen sehr unterschiedlich. Aber vor allem im E-Sport würde ich ohne USB-Isolation und Jitterbug nicht antreten, wenn im PC solche Stromspitzen entstehen, wie wir sie leider schon oft genug gemessen haben.