Synchronisation

Grundidee

Synchronisation oder Synchronisierung bedeutet allgemein, Vorgänge zeitlich abzugleichen. Sie sorgt dafür, dass Abläufe gleichzeitig, also synchron, oder in einer bestimmten Reihenfolge stattfinden. Besonders wichtig ist das in der Netzplantechnik und Prozesstechnik, aber auch in Technik, Informatik, Medien und Soziologie.

Ein einfaches Prinzip ist das Warten an einem festgelegten Punkt: Einer von mehreren gleichzeitig laufenden Prozessen hält an einer Station an, bis ein anderer Prozess eine bestimmte Station erreicht hat. Bei klassischen Bahnhofsuhren wird dies einseitig umgesetzt: Die Sekundenzeiger laufen geringfügig schneller als im Sekundentakt und warten bei der neunundfünfzigsten Sekunde auf das Minutensignal.

Früher nutzte man zur Synchronisation Schall- oder Lichtsignale, auf große Distanzen zum Beispiel Heliotrope, also Sonnenspiegel, oder Pulverblitz-Signale. Heute überwiegen Funksignale und elektronische Methoden.

Daten und digitale Geräte

Bei digitalen Wiedergabegeräten bedeutet Synchronisieren, die Elemente des Geräts an eine Datenquelle anzupassen, zum Beispiel bei einem MP3-Spieler oder einem Musikplayer auf dem Rechner. Der Taktgeber des Geräts ist nach dem Synchronisieren identisch zur Datenquelle.

Bei Kalendern und mobilen Geräten meint Synchronisation häufig den Datenabgleich zwischen einem stationären Terminkalender und einem modernen Mobiltelefon. Die Übertragung kann über Kabel, Bluetooth oder WLAN erfolgen. Bei einseitiger Synchronisation werden alle Termine von einem Gerät zum anderen gesendet. Bei beidseitiger Synchronisation senden beide Geräte ihre Daten gegenseitig; dabei können doppelte Einträge entstehen, die die Synchronisationssoftware erkennen und abfangen muss. Außerdem bieten Web-Dienste für viele Geräte globale Synchronisation an, oft „kostenlos“, also indirekt durch Werbung finanziert.

In der Informatik umfasst Synchronisation mehrere Bedeutungen: Prozesssynchronisation regelt den gemeinsamen Zugriff von Prozessen auf geteilte Ressourcen, damit Ressourcen effizient zugeteilt werden und Daten konsistent bleiben. Außerdem kann Synchronisation das Angleichen von Echtzeituhren in getrennten Systemen, die kausale Sortierung von Ereignissen mithilfe von Zeitstempeln, den Datenabgleich in verteilten Systemen oder das Schreiben des Cache-Speichers auf einen Datenträger vor dessen Trennung vom Computer bezeichnen.

Beim Datenabgleich unterscheidet man unidirektionale Synchronisation, bei der die Daten eines Teilsystems bevorzugt behandelt werden, und bidirektionale Synchronisation, bei der die Daten aller Teilsysteme gleichwertig sind. Beispiele für Programme zur Dateisynchronisation sind rsync, SyncBack und Unison. Beim differentiellen Synchronisieren werden nur Änderungen aktualisiert, also neue, entfernte oder veränderte Daten. Diese Methode gilt als sparsam und wird vor allem bei großen Datenmengen empfohlen, setzt aber voraus, dass die Quellen partiell synchron oder synchron sind.

Medien und Bildtechnik

Beim Film bedeutet Synchronisation das gleichzeitige Ablaufen von Bild und Ton. Das Nachvertonen von Filmen wird meist ebenfalls als Synchronisieren bezeichnet. In Deutschland werden nicht-deutschsprachige Filme seit den 1930er-Jahren synchronisiert, ebenso in Österreich und der Schweiz. Auch in anderen großen Staaten Europas und Amerikas sowie fast vollständig in Indien, China und Japan wird in die jeweilige Landessprache synchronisiert. In asiatischen Ländern werden oft auch englische Synchronisationen für den internationalen Markt erstellt. Auch das Aufnehmen einer Stimme auf ein Playback oder das Überspielen weiterer Instrumentenstimmen wird als Synchronisation bezeichnet.

Beim Fernsehen muss das Wiedergabegerät synchron zum Sender laufen, damit die gesendeten Informationen an der richtigen Stelle auf dem Bildschirm erscheinen. Wegen des Zeilenrasters unterscheidet man Horizontal-Synchronisation und Vertikal-Synchronisation. Die Signale können separat neben dem Helligkeitssignal geführt oder mit diesem zum Composite-Video- oder FBAS-Signal kombiniert werden.

Beim Zeilensprungverfahren, auch Interlace genannt, steuern Synchronsignale den Wechsel zwischen gerad- und ungeradzahligen Zeilen je Halbbild. Dazu muss der Horizontalimpuls innerhalb der Bildaustastlücke um eine halbe Zeile früher erfolgen. Das Verfahren wurde auch bei analogen Computermonitoren für höhere Auflösungen verwendet, ist aber heute nicht mehr üblich, da neue Monitore Horizontalfrequenzen bis 85 kHz und darüber verarbeiten können.

Fehlerhafte Synchronsignale führen zu typischen Bildstörungen. Bei Problemen mit der Vertikalsynchronisation läuft das Bild senkrecht durch oder rastet an einer falschen Stelle ein, etwa mit einem dicken schwarzen Balken in der Mitte. Fällt die Horizontalsynchronisation aus, laufen die Zeilen horizontal durch, sind unregelmäßig verschoben oder das Bild ist kaum noch zu erkennen.

Elektronik und Maschinen

In der Digitaltechnik sind zwei Geräte, zum Beispiel Sender und Empfänger, synchronisiert, wenn beide mit einer Taktfrequenz arbeiten, die innerhalb definierter Toleranzen gleich ist. Die Signale synchronisierter Geräte haben eine feste Phasenbeziehung zueinander. Dieses Verfahren wird meist mit dem deutschen Fachbegriff Gleichlaufverfahren bezeichnet.

Bei einer Synchronmaschine müssen vor dem Zuschalten ans Netz bestimmte Synchronisationsbedingungen, auch Parallelschaltbedingungen, erfüllt sein. Zwischen den Klemmen des Netzes und denen der Maschine darf keine Spannungsdifferenz bestehen. Dafür braucht es gleiche Frequenz, gleiche Phasenfolge, gleiche Phasenlage und Spannungsgleichheit. Kontrolliert werden können diese Größen zum Beispiel mit Drehzahlmessung oder Doppelfrequenzmesser, Drehfeldmessung, Zweistrahloszillograph und zwei Voltmetern. Eingriffe erfolgen unter anderem durch Drehzahländerung, Tausch zweier Phasen oder Änderung des Erregerstroms.

Werden diese Bedingungen nicht eingehalten, entstehen je nach Differenz mehr oder weniger große Momente, weil die Maschine versucht, sich in den synchronen Lauf zu ziehen. Diese Momente belasten Maschine und Maschinenfundament und können Schäden bis zur Zerstörung verursachen. In modernen Anlagen, etwa Kraftwerken, übernimmt die Leittechnik die Synchronisation; außer der Auslösung ist kein menschlicher Eingriff nötig.

Bei dynamischen Systemen kann eine Wechselwirkung durch Kopplung ihrer Differentialgleichungen entstehen. Ist diese Kopplung stark genug, lassen sich sogar zwei chaotische Systeme synchronisieren.

Fahrzeugtechnik

In der Getriebetechnik bedeutet Synchronisierung, die Drehzahlen von Schaltmuffe und Gangrad anzugleichen. Ein Gang kann nur eingelegt werden, wenn das Losrad des zu schaltenden Ganges und die Welle, auf der es sitzt, gleiche Drehzahl haben, damit ein Formschluss möglich ist. Meist geschieht dies durch Reibung zwischen einem konischen Synchronring, der über einen Synchronkörper mit der Welle gekoppelt ist, und einem Konus auf dem Gangrad.

Ist die Synchronisierung abgeschlossen, lässt sich leicht und geräuschlos schalten. Ohne Synchronisierung treffen Massenträgheitsmomente des zu langsam oder zu schnell laufenden Losewellenteils auf die Klauen; das erhöht den Verschleiß stark oder kann Schäden verursachen. Synchronringe sind Verschleißteile, wobei in der Regel der Synchronring des zweiten Gangs zuerst verschleißt. Sehr alte unsynchronisierte oder teilsynchronisierte Getriebe erfordern Zwischenkuppeln beim Hochschalten und Zwischengas beim Herunterschalten.

Bei Motoren mit mehreren Vergasern müssen die Vergaser beziehungsweise Drosselorgane wie Drosselklappen oder -schieber zueinander synchronisiert werden. Ungleiches Spiel in Bowdenzügen oder Gestängen kann dazu führen, dass Drosselklappen im Leerlauf unterschiedlich weit geöffnet sind oder beim Gasgeben nicht gleichmäßig öffnen. Dann werden die Zylinder unterschiedlich gefüllt; die Folgen können geringere Maximalleistung, schlechtere Abgaswerte und unerwünschte Vibrationen sein. Typische mittlere Unterdruckwerte im Ansaugsystem von Ottomotoren liegen zwischen 0,15 bar und 0,4 bar; die maximale Unterdruckabweichung der Vergaser untereinander sollte nicht mehr als 1/100 bar betragen.

Bei mehrmotorigen Propellerflugzeugen kann Propellersynchronisation Vibrationen und Lärm in der Kabine verringern, besonders im Reiseflug. Dabei werden die Drehzahlen der Luftschrauben umdrehungsgenau aufeinander abgestimmt, um Schwebungen zu vermeiden. Dies kann nach Gehör des Piloten, mit einem Synchroskop oder automatisch geschehen, etwa mit einem Woodward Prop Synchronizer oder einem Propeller Synchrophaser, der neben der Drehzahl auch die relative Position der Propellerblätter synchronisiert.

Gesellschaftliche Zeitstrukturen

In der Soziologie wird Synchronisation auf moderne Gesellschaften angewendet. Diese gelten als funktional differenziert: Es entstehen verschiedene Teilbereiche wie Politik, Ökonomie, Religion, Kunst und Wissenschaft. Jeder Bereich entwickelt eigene Sinnstrukturen, Codes und typische Zeitstrukturen. Politik ist zum Beispiel durch den Rhythmus von Gesetzgebungsprozessen oder Legislaturperioden geprägt, Wissenschaft durch Publikationsprozesse oder die Dauer von Forschungsförderungen.

Die Beschleunigungstheorie von Hartmut Rosa beschreibt dazu das Phänomen der Desynchronisation: Unterschiedliche Zeitstrukturen treten immer stärker auseinander. Komplexe Probleme benötigen etwa mehr Beratungszeit und verlangsamen politische Prozesse, während Massenmedien oder Finanzmärkte typischerweise immer schneller funktionieren.

Gleichzeitig wächst der Bedarf an Resynchronisation, also an ausreichender Koordinierung und Kopplung. Politische Regelungen sollen zum Beispiel nicht erst dann greifen, wenn sich der zu regelnde Bereich bereits weiterentwickelt hat. Neuere sozialwissenschaftliche Forschung untersucht Möglichkeiten der Synchronisation zwischen Teilbereichen wie Politik und Ökonomie, Synchronisationserfordernisse in demokratischen Institutionen wie dem Bundestag und problematische Auswirkungen von Desynchronisation wie Populismus.