Licht

Signalübertragung

Steuersignale der Lichttechnik

Um von einem Steuergerät aus Maschinen zu steuern, muss der Maschine gesagt werden, was sie zu tun hat. Im Bereich der Lichttechnik werden am Stellwerk die Steuergrößen berechnet. Diese Steuergrößen müssen nun zum Scheinwerfer in Form eines Moving Lights, LED-Strahlers oder Videowand und nicht zuletzt dem Dimmer übermittelt werden. Dazu kann man grundverschiedene Techniken anwenden. In diesem Beitrag werden die grundlegenden Signalübertragungstechniken vorgestellt.

19" DMX Splitterrack

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Licht-Steuersignale werden auf der Bühne verteilt.

Analoge Signale in der Lichttechnik

Begonnen hat die Datenübertragung mit analogen Signalen. Analog bedeutet, dass zwischen zwei Werten jeder Zwischenwert angenommen werden kann. Die in der Industrie am meisten angewandte analoge Steuerspannung bewegt sich zwischen 0 und +10 Volt.

Wie wir aus dem Beitrag zu den Grundlagen der Dimmertechnik wissen, ist ein großer Vorteil der Analogtechnik die Möglichkeit, unendlich viele Zwischenwerte anzunehmen. Beim Ansteuern von Leuchtstoffröhren sind keine plötzlichen Helligkeitssprünge zu verzeichnen, da z. B. ein Potentiometer, das langsam bewegt wird, seinen Widerstand kontinuierlich verändert und beim Empfänger die Analogspannung (vorausgesetzt der Empfänger arbeitet ebenfalls analog) mit ebenso vielen unendlichen Zwischenwerten umgesetzt werden kann.

Die meisten Hersteller für Lichtstellsysteme haben wie in der Industrie ebenfalls 0 bis +10V eingesetzt, jedoch waren auch Ausnahmen zu beobachten. So hatte Strand für ihre Systeme auch 0 bis –10 Volt eingesetzt und ADB hat ihre Analogansteuerung auch mit 0 bis 370 µA betrieben. Die Entscheidung für eine Stromsteuerung bei ADB war der Vorteil, dass eine Stromsteuerung unabhängig ist vom Widerstand in der Übertragungsstrecke. Somit war es unerheblich, wie lang die Strecke ist, da ein Spannungsabfall in der Leitung keinen Einfluss auf den Strom hat. Vor Ort, also meist beim Dimmer, konnte dann mit einem definierten Widerstand aus dem Steuerstrom einfach eine Steuerspannung gewandelt werden. Auch heute sind vereinzelt noch Analog-Steuersignale zu finden. Meist als zusätzlicher Eingang bei Dimmern, um somit eine zusätzlich parallele und pultunabhängige Ansteuerung zu erlauben – oder bei einfachen Geräten, wie z. B. Nebelmaschinen.

Prinzip der Übertragungskette mit Analogspannung
Analogspannung ist in Amplitude und Zeit fortlaufend (kontinuierlich). Die Übertragung erfolgt von der Quelle zum Empfänger. Eine Störung wirkt sich unmittelbar aus.

Multiplex-Verfahren

Durch die gestiegene Anzahl der zu steuernden Dimmerkreise häuften sich die Probleme bei der diskreten Verdrahtung mit dem großen Aufwand, den Spannungsverlusten und der nicht vorhandenen Fehlererkennung. Eine Analogspannung bedeutet aber nicht zwangsweise, dass man für jeden einzelnen Steuerkreis eine eigene Leitung legen muss. Man kann die Analogsignale auch zeitversetzt hintereinander über ein einzelnes Adernpaar übertragen. Man spricht hierbei von Multiplex.

Auf der Empfängerseite ist es natürlich notwendig, die einzelnen, hintereinander eintreffenden Analogsignale wieder auf die verschiedenen Kanäle zu verteilen. Man spricht dabei von De-multiplexen, das vor ca. 25 Jahren in der Lichttechnik Einzug gehalten hat. Nun konnten mit meist nur vier Adern mehrere hundert Analogwerte hintereinander zu den Dimmern versendet werden. Um den einzelnen analogen Steuersignale des Lichtstellpults den zugehörigen Dimmern zuzuordnen, ist noch eine Synchronisation notwendig. Dabei werden auf einem weiteren Adernpaar Impulse übertragen, um dem Empfänger mitzuteilen, wenn der nächste Analogwert für den nächsten Dimmerkreis übertragen wird. Das in unseren Raum wohl am längsten eingesetzte analoge Zeitmultiplex-Protokoll war D54, das von der Firma Strand unterstützt wurde. Mit D54 konnten die Spannungswerte für 384 Kreise übermittelt werden. Dazu wurden nur zwei Leitungen und die Schirmung benötigt, da zur Synchronisation eine überlagerte Negativspannung auf der Datenleitung diente. Als Steckverbinder wurde in der Regel der 3-polige XLR-Steckverbinder verwendet und die maximale Kabellänge wurde mit 350 m bei 0,34 mm² Kabelquerschnitt angegeben.

Ein weiteres herstellerunabhängiges Protokoll war das von der USITT standardisierte AMX192. AMX192 nutzte zur separaten Synchronisation zwei weitere Adern und verwendete folgerichtig einen 4-poligen XLR-Steckverbinder. Wie bereits am Namen ersichtlich ist, konnten 192 Kreise übertragen werden. ADB hatte mit ihrem S20 Protokoll den Mittelweg von drei benötigten Adern gewählt und konnte 480 Werte übertragen. Eine Ader je für Ground, der gemultiplexten Analogspannung und die Clock. Um eine Verwechslung zu vermeiden, wurden 5-polige DIN-Steckverbinder verwendet.

 

Prinzip der Übertragungskette mit Zeitmultiplex
Zeitmultiplex-Verfahren Hier werden mehrere Signale zeitlich gestaffelt übertragen
Timing für Multiplexsteuerung
Beispiel für ein typisches Zeitmultiplex-Protokoll Bei 192 Kreisen beträgt die schnellste Zykluszeit 15 Millisekunden, bevor der nächste Datensatz gesendet werden kann bzw. der Dimmer den nächsten Ansteuerwert erhält.

Gleichzeitig ist der Vorteil der kontinuierlichen Werteänderung bei Analogsignalen auch ein Nachteil, denn das Signal ist sehr anfällig für Störsignale. Eine Überlagerung des Nutzsignals mit einer induzierten Störspannung wirkt sich unmittelbar aus. Es muss nicht wie bei der Digitaltechnik erst ein Energie- bzw. Potenzial-Level überschritten werden, um aus einer 0 eine 1 zu machen bzw. umgekehrt.

Betriebsarten: duplex, halbduplex oder simplex

Daten, die nur von einem Sender zu einem Empfänger gesendet werden, kann man unidirektional nennen, bzw. die nur in eine Richtung arbeitende Informationssendung (Richtungsbetrieb) – wie z. B. das DMX-512-Protokoll, bei dem die Empfänger nur zuhören, aber keine Botschaften zurücksenden können – wird auch Simplex-Betrieb genannt.

Können die Geräte abwechselnd senden und empfangen, aber nur nacheinander und nicht gleichzeitig, spricht man von Halbduplex-Betrieb (Wechselbetrieb). Am besten bekannt ist dieser von einfachen Handfunkgeräten, bei der man die Sendetaste drückt und sprechen kann. Das Gegenüber muss die Lücke abwarten bis die Sendung beendet ist, um antworten zu können. Antwortet er währenddessen, wird auch die erstgesendete Botschaft unverständlich.

Sind die Geräte untereinander gleichberechtigt, also können sie gleichzeitig Senden und Empfangen wie das z. B. beim Telefon der Fall ist, wo man sprechen und gleichzeitig zuhören kann, spricht man von Duplex-Betrieb (Gegenbetrieb).

Veranschaulichung der Unterschiede zwischen Dublex, Halb duplex und Simplex
Simplex: das Signal wird nur in eine Richtung gesendet; Rückmeldungen sind nicht möglich.
Halb-Duplex: Rückmeldungen sind möglich wenn nicht zeitgleich gesendet wird; dafür braucht es keinen extra Signalweg.
Duplex (oder auch Voll-Duplex genannt): Gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich, jedoch sind dafür zwei Signalwege notwendig.

 

Letztendlich ist die heutige Übertragung mit Ethernet ebenfalls ein Digitalprotokoll, das auf den gleichen Grundsätzen wie hier beschrieben arbeitet, jedoch wesentlich komplexer und dadurch auch flexibler ist.

Digitalsignale in der Lichttechnik

Im Gegensatz zum Analogsignal steht das Digitalsignal. Digital steht für zwei Zustände: 0 und 1. Vom Prinzip her also wie ein Lichtschalter, der ein- und ausschaltet. Jedoch werden bei Digitalsignalen mehrere Informationsblöcke hintereinander mit einer Wertigkeit zusammengefasst, so dass z. B. aus acht Kombinationen von Nullen oder Einsern 256 verschiedene Zustände beschrieben werden können. Je mehr man nun die Kombinationen erweitert, bestimmte Reihenfolgen und ihre Bedeutungen definiert und dabei noch eine schnelle und relativ störungsunempfindliche Übertragung gewährleistet, kann man damit erhebliche Informationsaufkommen übermitteln. Natürlich muss der Empfänger genau wissen, was an welchem Ort die einzelnen Nullen und Einsen zu bedeuten haben oder darstellen. Diese Festlegung kann man als das Übertragungsprotokoll bezeichnen.

Die Digitaltechnik macht nun eine relativ störungsfreie Datenübertragung von vielen Steuerkreisen, die hintereinander gesendet werden, möglich. Der Vollständigkeit halber muss auch von einer digitalen parallelen Datenübertragung gesprochen werden – aufgrund der kapazitiven Einflüsse der nebeneinander liegenden Signalkabel ist diese sehr schnelle Übertragungsart jedoch nur für kurze Distanzen interessant und fällt damit für die Übermittlung der Stellwartinformationen zu einem Dimmerraum hin aus. Je höher die Übertragungsfrequenz ist, desto stärker machen sich Kabelkapazitäten bemerkbar. Sie verschleifen das ideale Rechtecksignal wie beim Laden eines Kondensators. Deshalb ist die Kabelqualität in Bezug auf die Übertragungsgeschwindigkeit von großer Bedeutung bzw. der Hintergrund, warum größere „Licht“-Verkabelungen, die mit Mikrofon- statt DMX-Leitungen ausgeführt werden, mit Problemen behaftet sein können.

Bevor DMX 512 sich als DAS Digitalsignal durchsetzen konnte, hatten auch hier verschiedene Hersteller ihr eigenes Protokoll, wie ADB 62.5, Lee Coltran, VMX, CMX, SMX befürwortet, die ebenfalls 512 Kreise übertragen. Dagegen übertrug AVAB nur 256 Kreise und beim PMX von Pulsar wurde auf Pin 4 und 5 eine Versorgungsspannung aufgeschaltet und das Protokoll langsamer gefahren. Diese Signale waren meist sehr ähnlich dem DMX 512, variierten jedoch oft im Timing, was aufgrund der Entwicklung der schnelleren Halbleiter seine Erklärung findet.

Grundsätzlich unterschiedlich wurde nur FSK übertragen: FSK steht für Frequence Shift Keying, wobei ein DMX-Protokoll zur Störminimierung frequenzmoduliert übertragen wird. Dieses war z. B. in Redondo Stellpulten anzufinden, die oft in Fernsehstudios eingesetzt wurden.

Prinzip der Übertragungskette mit Digitalsignalen
Wandlung eines Analogsignals zum Digitalsignal, Übertragung und Rückwandlung. Der Empfänger definiert null und eins nur in bestimmten Toleranzbändern. Verschleifungen des Signals durch u. a. Kabelkapazitäten können das Protokoll unlesbar machen. (Bild: Herbert Bernstädt)
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