Что делает «сбалансированный» аудиосигнал?

Что такое «сбалансированный» звук и почему он полезен? Я читал, что это означает, что есть два напряжения, одно из которых противоположно другому. Сбалансированный аудиоприемник смотрит на разницу между ними и называет это «сигналом». Шум должен одинаково воздействовать на обе половины сбалансированного сигнала, поэтому приемник не должен воспринимать шум как сигнал, поскольку он не меняет разницы между двумя половинами.

Но это не имеет никакого смысла. Разве несбалансированный аудиосигнал также не является разницей: разница между землей и напряжением сигнала? Почему мы не можем просто подать несбалансированный аудиосигнал в сбалансированный аудиоприемник и назвать его сбалансированным?

И как изменение второго, инвертированного напряжения вообще что-то меняет? Если мы этого не сделаем, не будет ли шум по-прежнему одинаково влиять на обе половины и все равно будет отклоняться приемником?

Сбалансированный звук имеет сигнал на одном проводнике и инвертированный сигнал на другом проводнике.

НЕПРАВИЛЬНО .

Сбалансированный звук имеет два сигнальных проводника и третий для заземления.

НЕПРАВИЛЬНО .

Любая из этих вещей может быть правдой, но не то, что делает сбалансированный звук . До недавнего времени телефонные сети были полностью аналоговыми и имели только два провода на цепь. Там не было земли. Тем не менее, им удалось поддерживать относительно бесшумную связь на очень больших расстояниях. Для сбалансированного звука требуются только два проводника.

Идеальный сбалансированный аудиоприемник - это дифференциальный усилитель. Он работает, измеряя разницу между двумя входами и называя эту разницу сигналом. «Земля» совершенно не имеет значения. Один вход не обязательно должен быть инвертированной копией другого входа. Какое это может иметь значение, если дифференциальный усилитель смотрит только на разницу между двумя входами? Как он мог знать, что одним входом является «инвертированный сигнал»?

Почему тогда не просто подключить один из входов к земле? Не означает ли это, что мы можем превратить любой несбалансированный звук в сбалансированный звук, просто используя дифференциальный усилитель на приемном конце?

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Как это бывает, нет, мы не можем этого сделать, и понять, зачем понимать, что на самом деле означает сбалансированный звук. Речь идет не о двух односторонних аудиоподключениях, а об одном инвертированном. Речь идет о передаче сигнала по двум проводникам с равным сопротивлением .

И вот почему: основная цель использования сбалансированного звука - уменьшить шум. Этот шум улавливается взаимной индуктивностью и емкостью с другими предметами (часто с проводкой от сети) рядом с аудиосигналом. Если взаимная индуктивность или емкость этого источника шума равны для наших двух проводников, то на каждом проводнике будут индуцированы равные напряжения и токи. То есть их разница не изменится . Таким образом, источник шума, с точки зрения нашего дифференциального усилителя, который смотрит только на эту разницу, не существует. Рассмотреть возможность:

^{смоделировать эту схему}

Какой выход здесь? Поскольку U1 является идеальным дифференциальным усилителем, выходной сигнал составляет 0 В постоянного тока. Часть шума (из V1) поступает на входы через C1 и C2, но поскольку C1 = C2 и R1 = R2, он одинаково связан с каждым и, таким образом, не может изменить разницу между ними, поэтому не может влияет на выход дифференциального усилителя.

Но что произойдет, если R1 не равен R2? R1 и C1 теперь образуют другой делитель напряжения, чем R2 и C2, что приводит к неравному напряжению, связывающему входы усилителя. Теперь есть разница, и V1, до некоторой степени, находится на выходе. Та же проблема существует, если резисторы равны, а конденсаторы - нет.

Управление только одним из входов ничего не меняет. Рассмотреть возможность:

^{смоделировать эту схему}

Эй, это не сбалансировано! Но это полностью сбалансировано. Шум все еще видит равные сопротивления для каждого из входов. Шум по-прежнему одинаково подается на каждый вход, таким образом, не меняя разницу. Таким образом, это все еще отклонено.

Существует две причины, по которым типичное аудиоподключение, например, на iPod или видеомагнитофоне, не сбалансировано. Первый - это геометрия кабеля. Обычно в них используются коаксиальные кабели с заземлением в качестве экрана и заземленным сигналом внутри него. Поскольку форма проводников даже отдаленно не похожа, они не могут иметь равный импеданс с окружающей средой. В терминах предыдущих примеров С1 и С2 не равны.

Во-вторых, как эти линии обычно управляются. Они обычно выглядят примерно так:

^{смоделировать эту схему}

Если бы U1 был идеальным буфером, это было бы сбалансировано. Но это не так: U1 - это обычно своего рода операционный усилитель с небольшим выходным сопротивлением. Хотя он небольшой, он не такой маленький, как прямое соединение с землей, видимое другой половиной кабеля. Выходной импеданс операционного усилителя, вероятно, также значительно зависит от частоты.

Очень дешевым и очень эффективным решением этой проблемы является установка выходного сопротивления с помощью чего-то более контролируемого, например, резистора. Мы можем поставить резистор порядка 100 Ом последовательно без значительного ослабления сигнала. Практическая реализация выглядит так:

Это из замечательной статьи Рода Эллиотта (ESP) / Уве Бейс . R2 и R3 выполняют большую часть балансировки: эти резисторы можно приобрести или обрезать, чтобы они имели очень равные сопротивления. Поскольку они значительно превышают выходное сопротивление операционного усилителя, выходное сопротивление операционного усилителя относительно незначительно.

R4 и C1 служат для того, чтобы сделать операционный усилитель незначительным на более высоких частотах. Реальные операционные усилители имеют повышенный выходной импеданс с частотой, что может привести к разбалансировке цепи на высокой частоте. Однако выходной импеданс операционного усилителя становится менее значительным на более высоких частотах, поскольку R4 и C1 шунтируют две половины вместе.

Эта топология не лишена недостатков. Во-первых, поскольку он не может управлять обеими линиями, он имеет половину динамического диапазона по сравнению с дизайном, который может управлять обеими линиями. Во-вторых, он управляет двумя сигнальными линиями с синфазным напряжением, равным половине напряжения входного сигнала. Таким образом, драйвер должен направлять емкость двух сигнальных линий в окружающую среду, как экран в обычных аудиокабелях. Однако для кабелей средней длины это маловероятно.

Преимущество заключается в уменьшении количества деталей. Кроме того, если он подключен к разъему TRS, который подключен к несбалансированному входу, ничего плохого не произойдет, поскольку кольцо, которое обычно представляет собой «инвертированный сигнал», не подключено к какой-либо активной электронике.

Что еще более важно, это рассеивает распространенное недоразумение о том, как работает сбалансированный звук.

Несмотря на ответы уже здесь, история еще не завершена.

Полностью сбалансированный аудиосигнал подключен

• от сбалансированного водителя,
• через сбалансированный кабель,
• на сбалансированный приемник,

и каждая часть должна рассматриваться отдельно.

Некоторые из описанных схем в некоторых случаях будут работать друг с другом, но большинство из них не пройдут тот или иной тест.

Сбалансированный кабель.

Сбалансированный кабель имеет два проводника ("ножки") с равным импедансом и одинаковым воздействием внешних полей, что обычно достигается путем скручивания двух проводников вместе. Иногда каждая ветвь сама по себе является парой, поэтому в конфигурации «звезда-квад» чередуются 4 жестких провода, скрученных и плотно скрученных.

Равное воздействие внешних полей означает, что любая электростатическая связь от источника помех в кабеле будет генерировать одинаковое напряжение на каждой ветви, а любая магнитная связь будет подавать одинаковый ток на каждую линию.

Заземление не требуется для сбалансированного сигнала, хотя экран может уменьшить помехи от внешних сигналов, а также излучаемые помехи другим сигналам. Если экран присутствует, он часто соединяется на одном конце только для устранения контуров заземления. На уровне системы обычно имеется заземление к оборудованию на каждом конце сигнала, хотя оно может быть разделено между 2, 50 или несколькими сотнями сбалансированных сигналов.

Сбалансированный приемник.

Сбалансированный приемник - это не просто дифференциальный усилитель. Он также должен поддерживать одинаковое сопротивление заземления от каждой ноги.

Дифференциальный усилитель гарантирует, что любые мешающие напряжения, поступающие на обе ветви, компенсируют друг друга (то есть усиление синфазного сигнала = 0). Это включает в себя не только любые помехи, но также любую разницу между «заземляющими» потенциалами на каждом конце.

Равные импедансы на каждой ветви гарантируют, что любые мешающие токи, подаваемые на обе ветви, будут создавать одинаковое напряжение на каждой ветви, которое затем может быть отклонено дифференциальным усилителем. Простой дифференциальный усилитель не пройдет этот тест.

Сбалансированный водитель.

Сбалансированный водитель имеет три задачи:

1. Генерируйте как «истинный», так и инвертированный выходы с одинаковой амплитудой.
2. Иметь одинаковое сопротивление заземления на каждом выходе
3. Передача любого мешающего напряжения на одной ноге на другую ногу

1) «Сбалансированные» выходы, которые управляют одной ногой, но обманывают, управляя 0 В на другой, не пройдут первый тест: выходное напряжение синфазного сигнала составляет половину исходного сигнала; это будет излучать помехи для любых других сигналов, передаваемых по соседним парам! Не то, что вы хотите в 50-парном кабеле длиной вещательного дома! (и это датирует меня ...) Хороший сбалансированный выход сведет к минимуму помехи другим сигналам, а также сохранит целостность своего собственного сигнала.

Если другие пары являются хорошо сбалансированными сигналами, помехи могут быть несерьезными, поскольку они должны быть синфазными, но весь смысл заключается в том, чтобы максимально снизить ухудшение сигнала.

Эти так называемые «сбалансированные» драйверы используются в высокопроизводительных потребительских аудиосистемах или небольших студиях звукозаписи, поэтому они есть, но ... имейте в виду.

2) Тот же импеданс заземления на каждой ветви важен, как и в приемниках, для преобразования синфазных индуцированных токов в синфазное напряжение.

3) Передача мешающего напряжения на одной ветви к другой, создает синфазное напряжение из того, что иначе было бы дифференциальным напряжением (т.е. помехи, воздействующие на одну ветвь больше, чем на другую), улучшая его подавление в приемнике. Простой дифференциальный драйвер провалит этот тест. Он также имеет особенность, заключающуюся в том, что если одна ветвь закорочена на землю, амплитуда на другой ветвь удваивается, поэтому дифференциальное напряжение (полезный сигнал) не изменяется. Дифференциальный драйвер * действительно провалит этот тест ...

Для правильно сбалансированных аудиосигналов известно, что инженеры радиовещания вводят синфазный сигнал в один сбалансированный сигнал, а его дополнение - в секунду; тем самым создавая третий «фантомный контур», который не мешает ни одной из его жертв ...

Проблема, как вы говорите, заключается в том, что в сбалансированном сигнале фактическое значение сигнала представляет собой разницу между двумя сигналами, движущимися противоположно. В несимметричном сигнале все еще есть различие, но различие относительно земли, которое также является эталоном для всех видов других сигналов.

Если у вас было полностью плавающее устройство, такое как динамик со встроенным в коробку усилителем с батарейным питанием, то нет разницы между балансом и односторонним сигналом. Оба обеспечивают два провода, и сигнал, который вы хотите, - это разница между ними.

Однако редко у нас есть приемные устройства, которые действительно могут плавать при произвольном напряжении. Проблема в том, что с наземным сигналом практически невозможно в равной степени относиться к обеим линиям. Внешний шум не будет связывать то же самое с сигнальной линией, как и линия, используемая в качестве заземления частями системы. Отчасти это связано с тем, что земля используется в качестве эталона для большинства сигналов, поэтому по определению не изменяется.

Даже в примере с усилителем с плавающим батарейным питанием необходимо соблюдать осторожность, чтобы не обрабатывать две входные линии по-разному. Это сложнее, чем может показаться. Например, если вы привязываете одну из линий к своему местному заземлению, а это связано с шасси или плоскостью заземления вашей цепи, тогда внешний шум будет легче проникать в этот сигнал, поскольку он представляет большую емкость для внешней среды. Поскольку усилитель использует его в качестве эталона, он не может видеть шум на линии заземления, но неравномерное восприятие шума двумя линиями будет отображаться как дифференциальный сигнал, который будет обнаружен и усилен.

Таким образом, в целом речь идет не только о кодировании сигнала как о разнице между двумя линиями. Как вы говорите, это всегда так. Речь идет о настройке системы таким образом, чтобы эти две линии можно было обрабатывать одинаково, и таким образом воспринимать равный шум от внешнего мира. Затем, кодируя сигнал одинаково, но с противоположной полярностью в обеих линиях, приемник может принять разницу, которая теоретически устраняет любой шум, одинаково воспринимаемый двумя линиями.

Таким образом, «сбалансированный» аудиосигнал состоит из трех строк. Две сигнальные линии с равным импедансом, равным напряжением в кабеле и противоположным сигналом, а также отдельная линия заземления, которая является нулевым эталоном для всего. В высококачественном сбалансированном аудиокабеле две сигнальные линии представляют собой витую пару, окруженную экраном, соединенным с землей. Экран блокирует емкостный датчик снаружи, и, скручивая две сигнальные линии вокруг друг друга, они будут иметь связь с внешней стороной, которая в среднем будет равной на относительно коротких расстояниях.

Добавлено в ответ на некоторые комментарии:

Во-первых, создается неправильное впечатление, называя одну из дифференциальных линий «горячей», а другую «холодной». Оба в равной степени несут сигнал, просто эти сигналы инвертированы друг от друга. Поэтому горячие и холодные - это плохие имена, которые либо ошибочно принимают, либо могут привести к тому, что другие.

Во-вторых, нет, сигнальные линии и земля НЕ имеют одинакового сопротивления. Это проблема. Из-за дисбаланса в импедансе одна линия будет воспринимать больше внешнего шума, чем другая. Именно это подчеркивается, называя это «сбалансированным», а не «дифференциальным». С системой 3 линии, вы можете иметь обе сигнальные линии равны и при разумном импеданса для сигнала, все еще имея заземление.

Вы должны предполагать, что шум будет соединяться с любым сигналом. Сбалансированный звук обладает хорошей помехоустойчивостью благодаря двум характеристикам: обе сигнальные линии обрабатываются одинаково, поэтому оба воспринимают один и тот же шум, а сигналы противоположны. Когда приемники принимают разницу, шум устраняется и остается только сигнал. В несимметричной системе обе линии НЕ равны, поэтому одна из них воспринимает шум не так, как другая. Разница между землей и сигнальной линией будет включать эту разницу в восприятии шума.

Я использовал изображения из этого урока

Сбалансированные аудио провода передают тот же сигнал, но с разницей в 180 градусов между ними.

Когда шум вводится в кабель, он одинаково вводится как в исходный, так и в инвертированный сигнал, поскольку они имеют одинаковое полное сопротивление. Затем приемник инвертирует один из сигналов, и в результате получаются два синфазных сигнала, которые содержат исходный звук и два шумовых сигнала с разницей в 180 градусов между ними. Когда эти сигналы суммируются, результатом является чистый аудиосигнал с удаленным шумом (отмененным).

Если для передачи сигнала используется односторонний провод, то один провод передает сигнал, а другой - саму землю, поэтому вы не можете выполнить тот же процесс, что и для сбалансированных сигналов, для устранения шума.

Что такое «сбалансированный» звук и почему он полезен?

Сбалансированный звук означает передачу аудиоданных в виде электрического сигнала по сбалансированной линии. Обычно электрический сигнал является аналоговым, но существуют некоторые стандарты для передачи цифрового звука по сбалансированной линии (например, AES-EBU ).

Я читал, что это означает, что есть два напряжения, одно из которых противоположно другому. Сбалансированный аудиоприемник смотрит на разницу между ними и называет это «сигналом».

По сути, да. Строго говоря, предполагается, что разница пропорциональна исходному сигналу.

Шум должен одинаково влиять на обе половины сбалансированного сигнала,

Почти одинаково, да.

поэтому приемник не должен видеть шум как сигнал, потому что он не меняет разницы между двумя половинами.

По сути, да.

Но это не имеет никакого смысла.

Да, это так. Это очень эффективно и широко используется.

Разве несбалансированный аудиосигнал также не является разницей: разница между землей и напряжением сигнала?

Не все аудиосигналы передаются относительно земли, но в тех случаях, когда они есть, ответ «да».

Почему мы не можем просто подать несбалансированный аудиосигнал в сбалансированный аудиоприемник и назвать его сбалансированным?

Вы могли бы, но это не будет сбалансировано.

В вашем кабеле, несущем «несбалансированный» аудиосигнал, будет использоваться один или два проводника:

• Сигнал : определенно (плюс любой шум). Обычно осуществляется через проводящий сердечник;
• Возврат : опционально (плюс любой шум). Обычно осуществляется через проводящий экран, имеющий другое полное сопротивление и разные размеры для проводящего сердечника; обычно подключается к (заземленному) шасси оборудования на одном или обоих концах.

Вот две наиболее распространенные возможности и их результаты:

1. (Заземленный) щит используется для проведения «возврата» (то есть эталона). Разница в импедансе и размерах двух проводников означает, что помехи не влияют на них одинаково, поэтому разница между ними будет включать некоторый шум.
2. Обратного пути с низким сопротивлением не существует (например, в случае одножильного экранированного кабеля с экранирующим срезом на одном конце для предотвращения контуров заземления). Поэтому любой шум, индуцированный в сигнальном проводнике, будет сохраняться.

Напротив, ваш сбалансированный аудиопередатчик и приемник имеют три проводника:

• Горячий : т.е. сигнал (плюс любой шум). Обычно подключается одним жилом экранированного двухжильного кабеля.
• Холодный : т.е. инвертированный сигнал (плюс любой шум). Обычно подключается другим жилом экранированного двухжильного кабеля.
• Щит : обычно заземляется в какой-то момент в системе в целом. Обычно подключается с помощью экранированного двухжильного кабеля.

Если вы подключите сигнал вашей «несбалансированной» линии к горячей точке вашего приемника, то эффект будет таким же, как в случае 1 или 2, выше, плюс амплитуда вашего сигнала может зависеть в зависимости от схемы приемника. Если вы вместо этого подключите его к холодному выводу, то эффект будет таким же, как в случае 1. или 2. выше, плюс на амплитуду вашего сигнала может повлиять схема приемника, и вы инвертируете фазу вашего сигнала.

И как изменение второго, инвертированного напряжения вообще что-то меняет?

Весьма важно, чтобы это второе напряжение проводилось одним или несколькими проводниками, близкими по размерам, полному сопротивлению и расположению к одному или нескольким проводникам, несущим неинвертированное напряжение. Вот почему большинство сбалансированных аудиокабелей используют витую пару проводников, часто с некоторым упаковочным материалом (хлопковая нить; тонкая пластиковая трубка и т. Д.), Чтобы предотвратить разделение пары. Вот иллюстрация из Канфорда :

Некоторые сбалансированные аудиокабели, такие как StarQuad , используют пару витых пар : два ядра для горячего, два для холодного.

Создавая путь для холодного сигнала, который имеет очень почти равный импеданс, размеры и местоположение в качестве пути для горячего сигнала, он сводит к минимуму разницу между шумом, индуцированным в горячем сигнале, и шумом, индуцированным в холодном сигнале, давая очень высокий отказ от этого шума.

Если мы этого не сделаем, не будет ли шум по-прежнему одинаково влиять на обе половины и все равно будет отклоняться приемником?

Нет; или, по крайней мере, не до такой же степени.

Вам не нужен экран или третий провод, чтобы иметь аудио баланс - я решил просто высказать свое мнение и согласиться с тем, что, по моему мнению, возражает Фил. То, что я нарисовал ниже, это то, как я воспринимаю сбалансированную ситуацию (сценарий 3):

Другое преимущество сценария 3 состоит в том, что внешние источники помех создают «баланс» на линии, потому что дифференциальный драйвер «проецирует» импеданс, который в значительной степени идентичен на обеих линиях, т.е. в любой точке кабеля оба провода проецируют одинаковое сопротивление на землю или иным образом.

Скручивание и скрининг излишни для вопроса, в который я верю, но, как мы знаем, очень помогает !!

Я не говорю, что в сценарии 3 выходные линии работают в противофазе, но, учитывая, что драйвер имеет все схемы для создания сбалансированного «нейтрального» выхода, то имеет смысл, с точки зрения сигнала / шума, управлять обеими линиями противофазе.