Сбалансированный звук

Балансный звук — это метод соединения аудиооборудования с использованием балансных интерфейсов. Этот тип подключения очень важен при записи и производстве звука , поскольку позволяет использовать длинные кабели, одновременно снижая восприимчивость к внешним шумам, вызванным электромагнитными помехами. Балансный интерфейс гарантирует, что наведенный шум на приемнике проявляется в виде синфазного напряжения, которое может быть подавлено дифференциальным устройством.

Для симметричных соединений обычно используется экранированная витая пара и трехжильные разъемы. Разъемы обычно трехконтактные XLR или 1 ⁄ дюйма (6,35 мм) Телефонные разъемы TRS . При таком использовании каждый кабель передает один канал, поэтому для стереозвука (например) потребуется два из них.

Распространенным заблуждением является то, что для сбалансированного звука требуется, чтобы источник сигнала доставлял равные сигналы противоположной полярности на два сигнальных проводника симметричной линии. Однако многие балансные устройства активно возбуждают только одну сторону линии, но делают это с импедансом , равным импедансу неактивной стороны линии. Этот баланс импеданса позволяет симметричному линейному приемнику (входному каскаду следующего устройства) подавлять синфазные сигналы, подаваемые в два проводника посредством электромагнитной связи.

Приложения

Многие микрофоны работают при низком уровне напряжения, а некоторые имеют высокое выходное сопротивление (hi-Z), что делает длинные микрофонные кабели особенно восприимчивыми к электромагнитным помехам . Таким образом, соединение микрофонов является распространенным применением сбалансированного соединения, которое позволяет приемнику подавлять большую часть наведенного шума. Если усилители мощности системы громкой связи расположены на любом расстоянии от микшерного пульта , то для путей прохождения сигнала от микшера к этим усилителям также нормально использовать симметричные линии. Многие другие компоненты, такие как графические эквалайзеры и блоки эффектов, имеют симметричные входы и выходы, позволяющие это сделать. При записи и для коротких кабелей в целом необходим компромисс между шумоподавлением, обеспечиваемым симметричными линиями, и затратами, связанными с дополнительными схемами, которые им требуются.

Некоторые устройства, обычно с трансформаторным выходом, обеспечивают балансный выход, «плавающий» относительно земли; сопротивление относительно земли с каждой стороны выхода высокое. Чаще всего устройства управляют одной или обеими сторонами балансного интерфейса сигналом, привязанным к земле. Когда одна сторона не задействована, необходимо убедиться, что полное сопротивление земли равно полному сопротивлению ведомой стороны.

Снижение помех

Сбалансированные аудиосоединения используют ряд методов для снижения шума.

Типичный симметричный кабель содержит два одинаковых провода, которые скручены вместе, а затем обернуты третьим проводником (фольгой или оплеткой), который действует как экран . Два провода образуют цепь, по которой может передаваться аудиосигнал .

Термин балансный» происходит от метода балансировки импеданса « каждого провода в цепи; линия и все цепи, непосредственно подключенные к ней (например, драйвер и приемник), должны иметь одинаковые импедансы относительно некоторой контрольной точки. Это означает, что большая часть электромагнитных помех будет индуцировать одинаковое шумовое напряжение в каждом проводе. Поскольку дифференциальное устройство на приемной стороне реагирует только на разницу напряжений между двумя сигнальными линиями, одинаковый шум на обоих проводах подавляется. Этот метод может быть реализован с помощью дифференциального усилителя . . трансформатор Вместо активного входного каскада также можно использовать

Витая пара делает площадь контура между проводниками как можно меньшей и гарантирует, что магнитное поле, одинаково проходящее через соседние контуры, будет вызывать одинаковые уровни шума в обеих линиях, которые подавляются дифференциальным устройством в приемнике. Если источник шума находится очень близко к кабелю, то, возможно, он будет наведен на одной из линий больше, чем на другой, и не будет также подавлен, но гашение все равно произойдет в пределах величины шум, одинаковый на обеих линиях.

Отдельный экран, который обычно имеется в симметричном аудиокабеле, также дает преимущество в подавлении шума по сравнению с несбалансированной двухпроводной системой (например, используемой в типичных домашних стереосистемах), где экран также должен действовать как обратный провод сигнала. Следовательно, любые шумовые токи, наведенные в балансный звуковой экран, не будут непосредственно модулировать сигнал, тогда как в двухпроводной системе они будут модулироваться. Это также предотвращает проблемы с контуром заземления за счет отделения экрана/корпуса от сигнальной земли.

Дифференциальная сигнализация

Сигналы часто передаются по симметричным соединениям с использованием дифференциального режима , то есть по проводам передаются сигналы, равные по величине, но противоположной полярности друг другу (например, в разъеме XLR контакт 2 передает сигнал с нормальной полярностью, а контакт 3 несет инвертированную версию того же сигнала). Несмотря на распространенное мнение, такое расположение не является необходимым для подавления шума. Пока импедансы сбалансированы, шум будет одинаково проникать в оба провода (и подавляться дифференциальным усилителем), независимо от присутствующего на них сигнала. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Простой метод управления симметричной линией состоит в том, чтобы подать сигнал в «горячий» провод через известное сопротивление источника и подключить «холодный» провод к локальному заземлению сигнала через идентичное сопротивление. Из-за распространенных заблуждений о дифференциальной передаче сигналов его часто называют квазисимметричным или сбалансированным по сопротивлению выходом, хотя на самом деле он полностью сбалансирован и подавляет синфазные помехи.

Однако есть некоторые незначительные преимущества управления линией с полностью дифференциальным выходом:

Хотя уровень сигнала не изменится из-за стандартизации номинального уровня , максимальная выходная мощность дифференциальных драйверов вдвое больше, что дает дополнительный запас на 6 дБ . ^{[ 1 ]}
Увеличение емкости кабеля на длинных участках снижает уровень сигнала, при котором затухают высокие частоты. Если на каждый провод приходится половина размаха напряжения сигнала, как на полностью дифференциальных выходах, то можно использовать более длинные кабели без потери высоких частот.
Шум, который коррелирует между двумя усилителями (например, из-за несовершенного отклонения источника питания ), будет подавлен.
На более высоких частотах выходное сопротивление выходного усилителя может измениться, что приведет к небольшому дисбалансу. При управлении в дифференциальном режиме двумя идентичными усилителями это изменение импеданса будет одинаковым для обеих линий и, таким образом, компенсируется. ^{[ 1 ]}

Внутренне сбалансированная аудиосистема

Профессиональные аудиопродукты (запись, громкоговоритель и т. д.) обычно имеют симметричные входы и выходы, обычно через XLR или телефонные разъемы TRS . Однако в большинстве случаев внутренняя схема совершенно несимметрична.

Небольшое количество аудиопродуктов было разработано с полностью сбалансированным сигнальным трактом от входа к выходу; схема поддерживает баланс импеданса по всему устройству. Такая конструкция достигается за счет обеспечения идентичных (зеркальных) внутренних путей прохождения сигналов как для «горячих», так и для «холодных» проводников. В критически важных приложениях 100% сбалансированная схема может обеспечить лучшую целостность сигнала за счет исключения дополнительных каскадов усилителя или трансформаторов, необходимых для входной и внутренней перебалансировки. ^{[ 3 ]}

Разъемы

Трехконтактные разъемы XLR размером четверть дюйма (¼ дюйма или 6,35 мм) и телефонные разъемы TRS обычно используются для балансных аудиоинтерфейсов. Многие разъемы теперь предназначены для подключения телефонных разъемов XLR или TRS. Иногда используется оборудование, предназначенное для длительной установки. клеммные колодки или разъемы Euroblock . В некоторых балансных подключениях наушников также используется разъем Pentaconn 4,4 мм TRRRS .

2,5, 3,5 и 6,35 мм Телефонные разъемы TRS
Трехконтактные разъемы XLR: «мама» слева и «папа» справа.
Трехконтактный разъем XLR плюс гибридный телефонный разъем TRS 6,35 мм.

В разъемах XLR контакты 1, 2 и 3 обычно используются для экрана (в идеале подключенного к шасси) и двух сигнальных проводов соответственно. (Фраза «земля, напряжение, возврат», соответствующая «X, L, R», часто предлагается в качестве подсказки, хотя второй сигнальный провод не является «обратным» в случае дифференциальной сигнализации) На телефоне TRS вилки, наконечник сигнальный/неинвертирующий, кольцо возвратный/инвертирующий, а втулка – заземление шасси.

Если стереофонический или другой бинауральный к такому разъему подключен сигнал, один канал (обычно правый) будет вычтен из другого (обычно левого), в результате чего вместо обычного монофонического L останется неслушаемый сигнал L − R (левый минус правый). + R (левый плюс правый). Изменение полярности в любой другой точке балансной аудиосистемы также приведет к этому эффекту в какой-то момент, когда он позже будет микширован с другим каналом.

Телефонные линии также передают звук через симметричную схему, хотя сейчас это обычно ограничивается локальным шлейфом . Это называется так потому, что два провода образуют сбалансированную петлю, по которой проходят обе стороны телефонного разговора . Поскольку для работы телефонов требуется питание постоянного тока, а также для обеспечения простого обнаружения поднятия/снятия трубки, была разработана дополнительная схема, в которой один сигнальный провод подается от шины питания коммутатора, обычно -50 В, а другой заземлен, оба через индукторы одинакового номинала, которые имеют Сопротивление постоянному току около 400 Ом, чтобы избежать короткого замыкания полезного сигнала переменного тока и сохранить баланс импеданса.

Цифровые аудиосоединения в профессиональных средах также часто являются балансными, обычно в соответствии со стандартом AES3 (AES/EBU). При этом используются разъемы XLR и витая пара с сопротивлением 110 Ом. Напротив, коаксиальный интерфейс S/PDIF, обычно встречающийся в потребительском оборудовании, является несбалансированным.

Конвертеры

Сбалансированные и несимметричные схемы можно соединить с помощью симметрирующего устройства , часто через блок цифрового входа (также называемый «коробкой DI» или «директ-боксом»).

В крайнем случае, симметричную аудиолинию можно подать на несимметричный вход и наоборот, если известна электронная схема выходного каскада. В случае подключения балансного выхода к несимметричному входу отрицательный выход можно заземлить, но в некоторых случаях отрицательный выход следует оставить отключенным. ^{[ 4 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Грэм Блит . «Проблемы с балансировкой звука» . Белые книги . Саундкрафт. Архивировано из оригинала 4 декабря 2010 года . Проверено 30 декабря 2010 г.
^ «Часть 3: Усилители». Звуковое оборудование (Третье изд.). Женева: Международная электротехническая комиссия . 2000. с. 111. МЭК 602689-3:2001. Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от присутствия полезного дифференциального сигнала.
^ Карки, Джеймс (2016) [2002]. «Отчет о применении Texas Instruments SLOA054E: Полностью дифференциальные усилители» (PDF) . Техасские инструменты. Архивировано из оригинала 5 ноября 2020 года . Проверено 10 июня 2021 г.
^ Технический персонал Ране. «Подключение звуковой системы» . ranecommercial.com . Архивировано из оригинала 29 июля 2021 г. Проверено 29 декабря 2021 г.

Внешние ссылки

[Blyth-1] Jump up to: ^а ^б ^с Грэм Блит . «Проблемы с балансировкой звука» . Белые книги . Саундкрафт. Архивировано из оригинала 4 декабря 2010 года . Проверено 30 декабря 2010 г.

[2] «Часть 3: Усилители». Звуковое оборудование (Третье изд.). Женева: Международная электротехническая комиссия . 2000. с. 111. МЭК 602689-3:2001. Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от присутствия полезного дифференциального сигнала.

[fully-differential-3] Карки, Джеймс (2016) [2002]. «Отчет о применении Texas Instruments SLOA054E: Полностью дифференциальные усилители» (PDF) . Техасские инструменты. Архивировано из оригинала 5 ноября 2020 года . Проверено 10 июня 2021 г.

[4] Технический персонал Ране. «Подключение звуковой системы» . ranecommercial.com . Архивировано из оригинала 29 июля 2021 г. Проверено 29 декабря 2021 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]