Що робить "збалансованим" звуковий сигнал?

Що таке "збалансоване" аудіо, і чому воно корисне? Я читав, що це означає, що є два напруги, причому одна - зворотна інша. Збалансований аудіоприймач розглядає різницю між ними і називає це "сигналом". Шум повинен однаково впливати на обидві половини врівноваженого сигналу, тому приймач не повинен бачити шум як сигнал, оскільки він не змінює різницю між двома половинами.

Але це не має жодного сенсу. Чи не є незбалансованим звуковий сигнал також різницею: різниця між земною та напругою сигналу? Чому ми не можемо просто подати незбалансований звуковий сигнал у збалансований аудіоприймач і назвати його збалансованим?

І як робить друга, перевернута напруга взагалі щось змінити? Якби ми цього не зробили, не став би шум все-таки впливати на обидві половинки однаково і все-таки відхилятиметься приймачем?

Збалансований звук має сигнал на одному провіднику, а перевернутий сигнал на іншому провіднику.

НЕПРАВИЛЬНО .

Збалансований звук має два провідники сигналу, а третій - заземлений.

НЕПРАВИЛЬНО .

Будь-яке з цих речей може бути правдивим, але жодне з них не дає збалансованого звуку . Телефонні мережі донедавна були повністю аналоговими і мали лише два дроти на ланцюг. Землі не було. Проте їм вдалося підтримувати відносно безшумне з'єднання на дуже великих відстанях. Для врівноваженого звуку потрібні лише два провідники.

Ідеальний збалансований аудіоприймач - диференціальний підсилювач. Він працює, вимірюючи різницю між його двома входами і називаючи цю різницю сигналом. "Земля" абсолютно не має значення. Один вхід не повинен бути перевернутою копією іншого вводу. Як це могло мати значення, якщо диференціальний підсилювач дивиться лише на різницю між його двома входами? Як можна було знати, що один вхід - це "перевернутий сигнал"?

Чому тоді не просто підключити один із входів до землі? Чи не означає це, що ми можемо перетворити будь-який незбалансований звук у збалансований аудіо лише за допомогою диференціального підсилювача на приймальному кінці?

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Як це буває, ні, ми не можемо цього зробити, і щоб зрозуміти, чому це зрозуміти, що насправді означає збалансований звук. Йдеться не про те, щоб мати два аудіо-з'єднання з одним кінцем, а з одним перевернутим. Йдеться про те, щоб сигнал переносився на два провідники з рівним опором .

Ось чому: головна мета використання збалансованого звуку - зменшити шум. Цей шум сприймається взаємною індуктивністю та ємністю з іншими речовинами (часто: електропроводка) біля аудіосигналу. Якщо взаємна індуктивність або ємність для цього джерела шуму для наших двох провідників дорівнює, то на кожен провідник будуть індуковані рівні напруги та струми. Тобто їх різниця не зміниться . Таким чином, джерела шуму, з точки зору нашого диференціального підсилювача, який враховує лише цю різницю, не існує. Поміркуйте:

^{моделювати цю схему}

Який вихід тут? Наскільки U1 є ідеальним диференціальним підсилювачем, вихід становить рівно 0 В постійного струму. Деякі з шумів (від V1) входять до входів через C1 і C2, але оскільки C1 = C2 і R1 = R2, вони з'єднуються між собою однаково, і, отже, не можуть змінити різницю між двома, тому не можна впливають на вихід диференціального підсилювача.

Але що станеться, якщо R1 не дорівнює R2? Тепер R1 і C1 утворюють інший дільник напруги, ніж R2 і C2, в результаті чого входи підсилювача нерівні напруги. Зараз є різниця, і V1, певною мірою, знаходиться у виході. Ця ж проблема існує, якщо резистори рівні, але конденсатори - ні.

Керування лише одним із входів нічого не змінює. Поміркуйте:

^{моделювати цю схему}

Гей, це не врівноважено! Але він повністю збалансований. Шум все ще бачить рівні опори на кожному з входів. Шум все ще рівномірно з'єднується з кожним входом, тим самим не змінюючи різниці. Таким чином, його все одно відкидають.

Є дві причини, по яких ваш типовий аудіозв'язок, наприклад, знайдений на iPod або відеомагнітофоні, не збалансований. Перший - це геометрія кабелю. Зазвичай для цього використовують коаксіальні кабелі, із землею як екраном, а всередині нього сигналом, що посилається на землю. Оскільки форма провідників навіть далеко не схожа, вони не можуть мати однаковий опір до оточення. З точки зору попередніх прикладів, С1 і С2 не рівні.

Друге - як правило, ці лінії проводяться. Зазвичай вони виглядають приблизно так:

^{моделювати цю схему}

Якби U1 був ідеальним буфером, це було б збалансовано. Але це не так: U1 - це звичайно якийсь підсилювач з невеликим вихідним опором. Хоч він і малий, але він не настільки малий, як пряме з'єднання із землею, яке бачить друга половина кабелю. Вихідний імпеданс оп-підсилювача, ймовірно, також значно змінюється залежно від частоти.

Дуже дешевим і дуже ефективним рішенням цієї проблеми є встановлення вихідного опору чимось більш керованим, як резистор. Ми можемо поставити резистор порядком 100 Ом послідовно без істотного ослаблення сигналу. Практична реалізація виглядає приблизно так:

Це з чудової статті Рода Елліотта (ESP) / Уве Бейса . R2 і R3 роблять більшу частину балансування: ці резистори можна придбати або обрізати, щоб мати дуже рівний опір. Оскільки вони значно перевищують вихідний опір підсилювача, вихідний імпеданс підсилювача порівняно незначний.

R4 і C1 служать для подальшого надання підсилювача незначним на більш високих частотах. Реальні підсилювачі мають зростаючий вихідний опір з частотою, що послужило б для врівноваження ланцюга на високій частоті. Однак вихідний імпеданс підсилювача стає менш значним на більш високих частотах, оскільки R4 і C1 перемикають дві половини разом.

Ця топологія не позбавлена ​​кількох недоліків. По-перше, оскільки він не може керувати обома лініями, він має половину динамічного діапазону порівняно з конструкцією, яка може керувати обома лініями. По-друге, він управляє двома сигнальними лініями із загальним режимом напруги, наполовину меншим від вхідного сигналу. Таким чином, водій повинен керувати ємністю двох сигнальних ліній до їх оточення, як щит у типових аудіокабелях. Однак для помірної довжини кабелю це навряд чи проблема.

Перевага - скорочення кількості деталей. Крім того, якщо це на роз'ємі TRS, який потрапляє на неврівноважений вхід, нічого поганого не може статися, оскільки кільце, яке зазвичай є "перевернутим сигналом", не підключено до жодної активної електроніки.

Що ще важливіше, це розвіяє поширене непорозуміння щодо того, як працює збалансований звук.

Незважаючи на відповіді вже тут, історія ще не завершена.

Підключений повністю збалансований звуковий сигнал

• від збалансованого водія,
• через врівноважений кабель,
• до збалансованого приймача,

і кожну частину потрібно розглядати окремо.

Деякі схеми, описані до цих пір, працюватимуть між собою за певних обставин, але більшість не зможуть пройти тест чи інший.

Збалансований кабель.

Врівноважений кабель має два провідники ("ніжки") однакового опору і з рівним впливом зовнішніх полів, як правило, досягається шляхом скручування двох провідників разом. Іноді кожна нога є самою парою, тому є 4 провідники, переплетені та щільно скручені в конфігурації зірки.

Рівне опромінення зовнішніх полів означає, що будь-яка електростатична муфта від джерела перешкод у кабелі буде генерувати однакову напругу на кожній нозі, а будь-яка магнітна муфта вводить однаковий струм у кожну ногу.

Заземлений з'єднання не є необхідним для врівноваженого сигналу, хоча екран може зменшити перешкоди від зовнішніх сигналів, а також випромінюваних перешкод на інші сигнали. Якщо екран присутній, його часто підключають на одному кінці, щоб усунути петлі заземлення. На системному рівні зазвичай наземне з'єднання з обладнанням на кожному кінці сигналу, хоча воно може бути розділене між 2, 50 або кількома сотнями врівноважених сигналів.

Збалансований приймач.

Збалансований приймач - це не просто диференціальний підсилювач. Він також повинен підтримувати однаковий опір до землі з кожної ноги.

Диференціальний підсилювач гарантує, що будь-які перешкоджаючі напруги, що надходять на обидві ноги, скасовують один одного (тобто посилення в загальному режимі = 0). Сюди входить не тільки будь-яке втручання, а й будь-яка різниця між "заземленими" потенціалами на кожному кінці.

Рівні опори на кожній нозі забезпечують, що будь-які струми, що вводяться на обидві ноги, будуть розвивати однакову напругу на кожній нозі, яку потім можна буде відхилити диференціальним підсилювачем. Простий диференціальний підсилювач не вийде з цього випробування.

Збалансований водій.

Збалансований водій має три завдання:

1. Створюйте як "справжні", так і перевернуті виходи з однаковою амплітудою.
2. Мають однаковий опір до заземлення на кожному виході
3. Перенесіть будь-яку заважаючу напругу на одній нозі на іншу

1) "Збалансовані" виходи, які ведуть одну ногу, але обманюють, керуючи 0 В на іншій, пройдуть перший тест: вихідна напруга загального режиму становить половину початкового сигналу; це випромінює перешкоди для будь-яких інших сигналів, що передаються на сусідні пари! Не те, що потрібно в 50-парному кабелі, довжина телерадіомовного дому! (і це мене датує ...) Хороший збалансований вихід дозволить мінімізувати втручання в інші сигнали, а також зберегти цілісність власного сигналу.

Якщо інші пари добре врівноважують сигнали, інтерференція може бути несерйозною, як це має бути в загальному режимі, але вся справа в тому, щоб максимально зменшити деградацію сигналу.

Ці так звані "врівноважені" драйвери мають додатки в аудіозаписах високого класу або невеликих студіях звукозапису, щоб вони були поруч, але ... будьте попереджені.

2) Такий же імпеданс до заземлення на кожній нозі важливий, як і у приймачах, для перетворення струмів, що індукуються загальним режимом, у напругу загального режиму.

3) Передаючи перешкоджаючу напругу на одній нозі на іншу, створюється напруга загального режиму від того, що інакше було б диференційною напругою (тобто перешкода, що впливає на одну ногу більше, ніж інша), покращуючи її відхилення на приймачі. Простий драйвер диференціала провалить цей тест. Він також має особливість того, що якщо одна нога буде короткою до землі, амплітуда на іншій нозі подвоюється, таким чином, диференціальне напруга (шуканий сигнал) не впливає. Драйвер диференціала * справді провалить цей тест ...

При правильно збалансованих звукових сигналах інженерам радіомовлення було відомо, що вони вводять сигнал загального режиму на один збалансований сигнал та його доповнення на другий; таким чином створюється третя "фантомна схема", яка не заважає жодній із її жертв ...

Питання полягає в тому, що, як ви кажете, у врівноваженому сигналі фактичне значення сигналу - це різниця між двома сигналами, керованими навпаки. У односторонньому сигналі все ще є різниця, але різниця щодо землі, яка також є еталонною для всіх видів інших сигналів.

Якщо у вас був повністю плаваючий пристрій, як-от динамік із підсилювачем акумулятора, вбудований у коробку, то різниці між сигналом балансу та однократним сигналом немає. Обидва забезпечують два дроти, і потрібний вам сигнал - різниця між ними.

Однак рідко в нас є пристрої, що приймають, які справді можуть плавати при довільній напрузі. Проблема полягає в тому, що з наземним сигналом в практичному розумінні неможливо трактувати обидві лінії однаково. Зовнішній шум не буде з'єднуватися однаково з сигнальною лінією, оскільки це буде лінія, яка використовується як земля частинами системи. Це частково тому, що земля використовується як орієнтир для більшості сигналів, тому за визначенням не змінюється.

Навіть у прикладі підсилювача акумулятора з плаваючою акумуляторною батареєю слід подбати про те, щоб два вхідні лінії не поступалися по-різному. Це важче, ніж може здатися. Наприклад, якщо ви прив’яжете одну з ліній до локальної землі, і вона підключена до шасі або площини заземлення вашого ланцюга, зовнішній шум буде проникати в цей сигнал легше, оскільки він має більшу ємність зовні. Оскільки підсилювач використовує це як орієнтир, він не може бачити шум на лінії заземлення, але нерівномірний підбір шуму за двома лініями проявиться як диференціальний сигнал, який буде виявлений і посилений.

Таким чином, загалом справа не лише в кодуванні сигналу як різниці між двома лініями. Як ви кажете, так чи інакше завжди так. Йдеться про те, щоб налаштувати систему так, щоб ці дві лінії можна було порівнювати і тим самим набирати рівний шум із зовнішнього світу. Тоді кодуючи сигнал однаково, але з протилежною полярністю на обох лініях, приймач може приймати різницю, яка теоретично скасовує будь-який шум, що піднімається однаково двома лініями.

Тому "врівноважений" звуковий сигнал - це три лінії. Дві сигнальні лінії з рівним опором, рівним тремтінням в кабелі, приведеним в рух протилежно сигналу, і окрема лінія заземлення, яка є орієнтиром 0 для всього. У високоякісному збалансованому аудіокабелі дві сигнальні лінії - це кручена пара, оточена щитом, з'єднаним із землею. Щит блокує ємнісний підхоплення ззовні, і, скручуючи дві сигнальні лінії навколо один одного, вони матимуть з'єднання з зовнішньої сторони, що в середньому дорівнює на порівняно короткі відстані.

Додано у відповідь на деякі коментарі:

По-перше, воно створює неправильне враження, називаючи одну з диференціальних ліній "гарячою", а іншу - "холодною". Обидва в рівній мірі несуть сигнал, тільки що ці сигнали перевернуті один від одного. Тому гаряча та холодна - це погані назви, які або виявляють помилкове уявлення, або можуть призвести інших до такого.

По-друге, ні, сигнальні лінії та земля НЕ мають однакового опору. У цьому проблема. Через дисбаланс імпедансу одна лінія буде сприймати більше зовнішнього шуму, ніж інша. Саме на цьому наголошується, називаючи цього "врівноваженим", як призначати "диференціальним". За допомогою 3-лінійної системи ви можете мати обидва сигнальні лінії рівними та з розумним опором для сигналу, зберігаючи при цьому заземлення.

Ви повинні припустити, що шум буде з'єднуватися з будь-яким сигналом. Збалансований звук має хороший захист від шуму через дві характеристики: Обидві сигнальні лінії обробляються однаково, тому обидва сприймають однаковий шум, а сигнали - протилежні. Коли приймачі приймають різницю, шум скасовується, і залишається лише сигнал. У односмуговій системі обидва рядки НЕ рівні, тому один піднімає шум інакше, ніж інший. Різниця між землею та сигнальною лінією буде включати цю різницю в підході шуму.

Я використовував зображення з цього підручника

Збалансовані звукові дроти передають один і той же сигнал, але з різницею 180 градусів між ними.

Коли шум вводиться в кабель, він подається однаково як оригінальному, так і перевернутому сигналу, оскільки вони мають однаковий опір. Потім приймач інвертує один із сигналів, і результат - це два фазових сигнали, які містять оригінальний звуковий сигнал і два шумові сигнали з різницею 180 градусів між ними. Коли ці сигнали підсумовуються, результатом стає чистий аудіосигнал із видаленим шумом (скасованим).

Якщо для передачі сигналу використовується одиночний кінцевий провід, то один провід передає сигнал, а інший - землю, щоб ви не могли дотримуватися того самого процесу, що і для врівноважених сигналів для видалення шуму.

Що таке "збалансоване" аудіо і чому воно корисне?

Збалансований звук означає передачу аудіоданих як електричний сигнал по врівноваженій лінії. Зазвичай електричний сигнал є аналоговим, але існують деякі стандарти цифрової передачі звуку по врівноваженій лінії (наприклад, AES-EBU ).

Я читав, що це означає, що є два напруги, причому одна - зворотна інша. Збалансований аудіоприймач розглядає різницю між ними і називає це "сигналом".

По суті, так. Строго кажучи, він передбачає, що різниця пропорційна вихідному сигналу.

Шум повинен однаково впливати на обидві половини врівноваженого сигналу,

Дуже майже однаково, так.

тому приймач не повинен бачити шум як сигнал, оскільки він не змінює різниці між двома половинами.

По суті, так.

Але це не має жодного сенсу.

Так. Це дуже ефективно і широко використовується.

Чи не є незбалансованим звуковий сигнал також різницею: різниця між земною та напругою сигналу?

Не всі звукові сигнали передаються з посиланням на землю, але у випадках, коли вони є, тоді відповідь - «так».

Чому ми не можемо просто подати незбалансований звуковий сигнал у збалансований аудіоприймач і назвати його збалансованим?

Можна, але це не було б збалансовано.

Ваш кабель, що несе "незбалансований" аудіосигнал, повинен використовувати один або два провідники:

• Сигнал : безумовно (плюс будь-який шум). Зазвичай здійснюється через провідне серцевина;
• Повернення : необов’язково (плюс будь-який шум). Зазвичай проводять через струмопровідний щит, що має різний опір і різні розміри до провідного сердечника; зазвичай підключені до (заземленого) шасі обладнання на одному або обох кінцях.

Ось дві найпоширеніші можливості та їх результати:

1. Для проведення "повернення" (тобто відліку) використовується (заземлений) щит. Різниця в опорі та розмірах двох провідників означає, що перешкоди не будуть впливати на них однаково, тому різниця між ними буде включати деякий шум.
2. Не існує зворотного шляху низького опору (наприклад, у випадку з одножильним екранованим кабелем з його екранованим вирізом на одному кінці для запобігання замикання на землю). Отже, будь-який шум, викликаний в провіднику сигналу, буде зберігатися.

З іншого боку, ваш збалансований звуковий передавач та приймач мають три провідники:

• Гаряче : тобто сигнал (плюс будь-який шум). Зазвичай з'єднані одним сердечником екранованого двожильного кабелю.
• Холод : тобто перевернутий сигнал (плюс будь-який шум). Зазвичай з'єднаний іншим сердечником екранованого двожильного кабелю.
• Щит : зазвичай заземлений у певний момент у системі в цілому. Зазвичай з'єднаний щитом екранованого двожильного кабелю.

Якщо ви підключите сигнал своєї "неврівноваженої" лінії до гарячого штифта приймача, ефект буде таким же, як у випадку 1 або 2 вище, плюс амплітуда вашого сигналу може вплинути в залежності від схеми приймача. Якщо ви замість цього підключите його до холодного штифта, ефект буде таким же, як у випадку 1 або 2 вище, плюс амплітуда вашого сигналу може вплинути залежно від схеми приймача, і ви інвертуєте фазу сигналу.

І як робить друга, перевернута напруга взагалі щось змінити?

Досить важливо, щоб ця друга напруга проводилася одним або декількома провідниками, наближеними за розмірами та опором та розташуванням до одного або декількох провідників, що несуть неперевернуту напругу. Ось чому більшість збалансованих аудіокабелів використовують виту пару пари провідників, часто з деяким пакувальним матеріалом (бавовняна нитка; тонка пластикова трубка; тощо), щоб запобігти роз'єднанню пари. Ось ілюстрація з Кенфорда :

Деякі збалансовані аудіокабелі, наприклад StarQuad , використовують пару скручених пар : два ядра для гарячого, два для холодних.

Створюючи шлях для холодного сигналу, який має дуже майже рівний опір і розміри та розташування, як шлях для гарячого сигналу, він мінімізує різницю між шумом, що індукується в гарячому сигналі, і шумом, викликаним в холодному сигналі, даючи дуже високий рівень відмова від цього шуму.

Якби ми цього не зробили, не став би шум все-таки впливати на обидві половинки однаково і все-таки відхилятиметься приймачем?

Ні; або, принаймні, не до чогось подібного.

Вам не потрібен екран або третій провід, щоб мати звуковий баланс - я подумав, що я просто викладу свою думку і погоджуюся з тим, на що я думаю, що Філ заперечує. Нижче я намалював те, як я сприймаю врівноважену ситуацію (сценарій 3): -

Ще одна перевага сценарію 3 полягає в тому, що зовнішні джерела перешкод для шуму стають "врівноваженими" на лінії, оскільки диференціальний драйвер "проектує" імпеданс, який в значній мірі однаковий на обох лініях. або іншим чином.

Скручування та скринінг є зайвим для питання, в який я вірю, але допомагає дуже багато, як ми знаємо !!

Я не кажу, що у сценарії 3 є вихідні лінії, керовані антифазою, але, враховуючи, що у драйвера є вся схема, щоб створити збалансований "нейтральний" вихід, то з точки зору сигнал / шум має сенс керувати обома лініями антифаза.