Cosa rende un segnale audio "bilanciato"?

Che cos'è esattamente l'audio "bilanciato" e perché è utile? Ho letto che significa che ci sono due tensioni, una delle quali è l'inverso dell'altra. Un ricevitore audio bilanciato osserva la differenza tra questi e chiama questo "segnale". Il rumore dovrebbe influenzare equamente entrambe le metà del segnale bilanciato, quindi il ricevitore non dovrebbe vedere il rumore come segnale, perché non cambia la differenza tra le due metà.

Ma questo non ha alcun senso. Non è un segnale audio sbilanciato anche una differenza: la differenza tra terra e tensione del segnale? Perché non possiamo semplicemente alimentare un segnale audio non bilanciato in un ricevitore audio bilanciato e chiamarlo bilanciato?

E come fa un secondo voltaggio invertito a cambiare qualcosa? Se non lo facessimo, il rumore non influirebbe ugualmente su entrambe le metà e non verrebbe rifiutato dal ricevitore?

L'audio bilanciato ha il segnale su un conduttore e il segnale invertito su un altro conduttore.

SBAGLIATO .

L'audio bilanciato ha due conduttori di segnale e un terzo per la terra.

SBAGLIATO .

Ognuna di queste cose può essere vera, ma nemmeno ciò che rende audio bilanciato . Le reti telefoniche fino a poco tempo fa erano interamente analogiche e avevano solo due fili per circuito. Non c'era terreno. Tuttavia, sono riusciti a mantenere una connessione relativamente priva di rumore su distanze molto lunghe. Per l'audio bilanciato sono necessari solo due conduttori.

Un ricevitore audio bilanciato ideale è un amplificatore differenziale. Funziona misurando la differenza tra i suoi due ingressi e chiamando quella differenza il segnale. "Ground" è totalmente irrilevante. Non è necessario che un input sia una copia invertita dell'altro input. Come potrebbe importare, se un amplificatore differenziale sta solo osservando la differenza tra i suoi due ingressi? Come potrebbe sapere che un ingresso è "il segnale invertito"?

Perché allora, non semplicemente collegare uno degli ingressi a terra? Questo non significherebbe che possiamo trasformare qualsiasi audio sbilanciato in audio bilanciato semplicemente usando un amplificatore differenziale sull'estremità ricevente?

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In effetti, no, non possiamo farlo, e capire perché è capire cosa significa realmente un audio bilanciato. Non si tratta di avere due connessioni audio single-ended, ma con una invertita. Si tratta di far trasportare il segnale su due conduttori con uguale impedenza .

Ecco perché: l'obiettivo principale nell'uso di un audio bilanciato è ridurre il rumore. Questo rumore viene raccolto dalla reciproca induttanza e capacità con altre cose (spesso: cablaggio di rete) vicino al segnale audio. Se l'induttanza o la capacità reciproca a questa sorgente di rumore è uguale per i nostri due conduttori, su ogni conduttore verranno indotte tensioni e correnti uguali. Cioè, la loro differenza non cambierà . Quindi la fonte di rumore, dal punto di vista del nostro amplificatore differenziale che osserva solo questa differenza, non esiste. Ritenere:

^{simula questo circuito}

Qual è l'output qui? Nella misura in cui U1 è un amplificatore differenziale ideale, l'uscita è esattamente 0 V CC. Parte del rumore (da V1) si accoppia agli ingressi attraverso C1 e C2, ma poiché C1 = C2 e R1 = R2, si accoppia in ciascuno di essi allo stesso modo, quindi non può cambiare la differenza tra i due, quindi non è possibile influisce sull'uscita dell'amplificatore differenziale.

Ma cosa succede se R1 non è uguale a R2? R1 e C1 ora formano un divisore di tensione diverso rispetto a R2 e C2, con conseguente accoppiamento di tensioni disuguali agli ingressi dell'amplificatore. Ora non v'è una differenza, e V1, in una certa misura, si trova in uscita. Lo stesso problema esiste se i resistori sono uguali ma i condensatori no.

Guidare solo uno degli ingressi non cambia nulla. Ritenere:

^{simula questo circuito}

Ehi, questo non è bilanciato! Ma è totalmente bilanciato. Il rumore vede ancora impedenze uguali per ciascuno degli ingressi. Il rumore si accoppia ugualmente in ogni ingresso, quindi non cambia la differenza. Pertanto, è ancora respinto.

Ci sono due motivi per cui la tua tipica connessione audio come quella trovata su un iPod o un videoregistratore non è bilanciata. Il primo è la geometria del cavo. Di solito questi usano cavi coassiali, con la terra come scudo, e un segnale con riferimento a terra al suo interno. Poiché la forma dei conduttori non è nemmeno lontanamente simile, non possono possibilmente avere un'impedenza uguale a ciò che li circonda. In termini degli esempi precedenti, C1 e C2 non sono uguali.

Il secondo è come queste linee sono tipicamente guidate. Di solito sembrano qualcosa del genere:

^{simula questo circuito}

Se U1 fosse un buffer ideale, questo sarebbe bilanciato. Ma non lo è: U1 è in genere una sorta di amplificatore operazionale con una piccola impedenza di uscita. Sebbene sia piccolo, non è così piccolo come il collegamento diretto a terra visto dall'altra metà del cavo. L'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale probabilmente varia anche in modo significativo con la frequenza.

Una soluzione molto economica e molto efficace a questo problema è impostare l'impedenza di uscita con qualcosa di più controllabile, come una resistenza. Possiamo mettere un resistore nell'ordine di 100 ohm in serie senza attenuare significativamente il segnale. Un'implementazione pratica è simile alla seguente:

Questo è tratto da un grande articolo di Rod Elliott (ESP) / Uwe Beis . R2 e R3 eseguono la maggior parte del bilanciamento: questi resistori possono essere acquistati o tagliati per avere resistenze molto uguali. Poiché sono significativamente più grandi dell'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale, l'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale è relativamente insignificante.

R4 e C1 servono a rendere ulteriormente insignificante l'amplificatore operazionale a frequenze più alte. I veri amplificatori operazionali hanno un'impedenza di uscita crescente con la frequenza, che servirebbe a sbilanciare il circuito ad alta frequenza. Tuttavia, l'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale diventa meno significativa a frequenze più elevate quando R4 e C1 shuntano le due metà insieme.

Questa topologia non presenta alcuni svantaggi. Innanzitutto, poiché non è in grado di guidare entrambe le linee, ha metà della gamma dinamica rispetto a un design in grado di guidare entrambe le linee. In secondo luogo, guida le due linee di segnale con una tensione di modo comune la metà di quella del segnale di ingresso. Il driver deve quindi guidare la capacità delle due linee di segnale verso l'ambiente circostante, come lo schermo nei tipici cavi audio. Tuttavia, per lunghezze di cavo moderate questo è improbabile che sia un problema.

Il vantaggio è un numero ridotto di parti. Inoltre, se questo si trova su un connettore TRS che viene inserito in un ingresso sbilanciato, non può succedere nulla di male, poiché l'anello, che è normalmente "segnale invertito", non è collegato a nessuna elettronica attiva.

Ancora più importante, dissipa un malinteso comune su come funziona l'audio bilanciato.

Nonostante le risposte già qui, la storia non è ancora completa.

Un segnale audio completamente bilanciato è collegato

• da un pilota equilibrato,
• tramite un cavo bilanciato,
• a un ricevitore bilanciato,

e ogni parte deve essere considerata separatamente.

Alcuni dei circuiti descritti finora funzioneranno tra loro in alcune circostanze, ma la maggior parte fallirà un test o l'altro.

Cavo bilanciato.

Un cavo bilanciato ha due conduttori ("gambe") di uguale impedenza e con uguale esposizione a campi esterni, generalmente ottenuti torcendo i due conduttori insieme. Occasionalmente ogni gamba è essa stessa una coppia, quindi ci sono 4 conduttori interlacciati e strettamente intrecciati nella configurazione a stella-quad.

La pari esposizione a campi esterni significa che qualsiasi accoppiamento elettrostatico da una sorgente di interferenza nel cavo genererà la stessa tensione su ciascuna gamba e qualsiasi accoppiamento magnetico inietterà la stessa corrente in ciascuna gamba.

Una connessione di terra non è necessaria per un segnale bilanciato sebbene uno schermo possa ridurre le interferenze da segnali esterni e le interferenze irradiate ad altri segnali. Se è presente uno schermo, è spesso collegato a un'estremità solo per eliminare i circuiti di massa. A livello di sistema generalmente ci sarà una connessione di terra all'apparecchiatura a ciascuna estremità del segnale, sebbene possa essere condivisa tra 2, 50 o diverse centinaia di segnali bilanciati.

Ricevitore bilanciato.

Il ricevitore bilanciato non è semplicemente un amplificatore differenziale. Deve inoltre mantenere la stessa impedenza a terra da ciascuna gamba.

L'amplificatore differenziale assicura che eventuali tensioni interferenti che arrivano su entrambe le gambe si annullano a vicenda (ovvero guadagno in modo comune = 0). Ciò include non solo qualsiasi interferenza, ma anche qualsiasi differenza tra i potenziali di "terra" ad ogni estremità.

Le pari impedenze su ciascuna gamba assicurano che eventuali correnti interferenti iniettate su entrambe le gambe sviluppino la stessa tensione su ciascuna gamba, che può quindi essere respinta dall'amplificatore differenziale. Un semplice amplificatore differenziale non supererà questo test.

Autista bilanciato.

Il driver bilanciato ha tre compiti:

1. Genera output "veri" e invertiti con la stessa ampiezza.
2. Hanno la stessa impedenza di messa a terra su ciascuna uscita
3. Trasferire qualsiasi tensione interferente su una gamba all'altra gamba

1) Le uscite "bilanciate" che guidano una gamba ma imbrogliano guidando 0 V sull'altra falliranno il primo test: la tensione di uscita in modalità comune è la metà del segnale originale; questo irradierà interferenze a qualsiasi altro segnale trasportato su coppie adiacenti! Non è qualcosa che vuoi in un cavo da 50 coppie della lunghezza di Broadcasting House! (e questo mi risale ...) Una buona uscita bilanciata minimizzerà le interferenze con altri segnali, oltre a preservare l'integrità del proprio segnale.

Se le altre coppie sono segnali ben bilanciati, l'interferenza potrebbe non essere grave in quanto dovrebbe essere in modalità comune, ma l'intero punto è ridurre il degrado del segnale il più possibile.

Questi cosiddetti driver "bilanciati" hanno applicazioni nell'audio di consumo di fascia alta o in piccoli studi di registrazione, quindi sono in circolazione, ma ... attenzione.

2) La stessa impedenza di messa a terra su ciascuna gamba è importante, come nei ricevitori, per convertire le correnti indotte in modo comune in tensione in modo comune.

3) Il trasferimento di una tensione interferente su una gamba all'altra, crea una tensione di modo comune da quella che altrimenti sarebbe una tensione differenziale, (cioè l'interferenza che colpisce una gamba più dell'altra) migliorandone il rifiuto sul ricevitore. Un semplice driver differenziale non supererà questo test. Ha anche la caratteristica che se una gamba è in corto a terra, l'ampiezza sull'altra gamba raddoppia, quindi la tensione differenziale (il segnale desiderato) non viene influenzata. Un driver differenziale * fallirà davvero questo test ...

Con segnali audio correttamente bilanciati, è noto agli ingegneri di trasmissione iniettare un segnale di modo comune su un segnale bilanciato e il suo complemento su un secondo; creando così un terzo "circuito fantasma" che non interferisce con nessuna delle sue vittime ...

Il problema è, come dici tu, che in un segnale bilanciato il valore del segnale effettivo è la differenza tra due segnali pilotati in modo opposto. In un segnale single-ended, c'è ancora una differenza, ma la differenza è rispetto alla terra, che è anche il riferimento per tutti i tipi di altri segnali.

Se avevi un dispositivo completamente mobile, come un altoparlante con un amplificatore alimentato a batteria incorporato nella scatola, allora non c'è differenza tra un segnale di bilanciamento e un segnale single ended. Entrambi forniscono due fili e il segnale desiderato è la differenza tra loro.

Tuttavia, raramente abbiamo dispositivi di ricezione che possono davvero fluttuare a una tensione arbitraria. Il problema è che con un segnale riferito a terra, è praticamente impossibile, in senso pratico, trattare entrambe le linee allo stesso modo. Il rumore esterno non si accoppierà allo stesso modo su una linea di segnale in quanto sarà una linea utilizzata come massa da parti del sistema. Ciò è in parte dovuto al fatto che la terra viene utilizzata come riferimento per la maggior parte dei segnali, quindi per definizione non cambia.

Anche nell'esempio dell'amplificatore dell'altoparlante a batteria flottante, occorre fare attenzione a non trattare le due linee di ingresso in modo diverso. Questo è più difficile di quanto possa sembrare. Ad esempio, se si collega una delle linee alla terra locale e questa è collegata al telaio o al piano di terra del circuito, il rumore esterno si accoppierà in quel segnale più facilmente poiché presenta una capacità superiore all'esterno. Dal momento che l'amplificatore lo utilizza come riferimento, non può vedere il rumore sulla linea di terra, ma l'ineguagliabile captazione del rumore da parte delle due linee apparirà come un segnale differenziale, che verrà rilevato e amplificato.

Quindi nel complesso non si tratta solo di codificare il segnale come differenza tra due linee. Come dici tu, è sempre così. Si tratta di impostare il sistema in modo che queste due linee possano essere trattate allo stesso modo, e quindi raccogliere lo stesso rumore dal mondo esterno. Codificando quindi il segnale in modo uguale ma con polarità opposta su entrambe le linee, il ricevitore può prendere la differenza, che in teoria annulla qualsiasi rumore raccolto equamente dalle due linee.

Un segnale audio "bilanciato" è quindi di tre linee. Le due linee di segnale con uguale impedenza, uguale trattamento nel cavo e pilotate in modo opposto al segnale, e una linea di terra separata che è il riferimento 0 per tutto. In un cavo audio bilanciato di alta qualità, le due linee di segnale sono una coppia attorcigliata circondata da uno schermo collegato a terra. Lo scudo blocca il pickup capacitivo dall'esterno e torcendo le due linee di segnale l'una intorno all'altra avranno un accoppiamento all'esterno che in media risulta uguale su distanze relativamente brevi.

Aggiunto in risposta ad alcuni dei commenti:

In primo luogo, dà l'impressione sbagliata chiamando una delle linee differenziali "caldo" e l'altra "freddo". Entrambi portano ugualmente un segnale, solo che quei segnali sono invertiti l'uno dall'altro. Caldo e freddo sono quindi nomi cattivi che mostrano un malinteso o possono portare gli altri a uno.

Secondo, no, le linee del segnale e la terra NON hanno la stessa impedenza. Questo è il problema. A causa dello squilibrio nell'impedenza, una linea raccoglierà più rumore esterno rispetto all'altra. È esattamente questo che viene enfatizzato chiamando questo "equilibrato" come apposto a "differenziale". Con il sistema a 3 linee, è possibile avere entrambe le linee di segnale uguali e con ragionevole impedenza per un segnale pur avendo un riferimento di terra.

Devi supporre che il rumore si accoppierà in qualsiasi segnale. L'audio bilanciato ha una buona immunità al rumore a causa di due caratteristiche: entrambe le linee di segnale sono trattate allo stesso modo, quindi entrambi raccolgono lo stesso rumore e i segnali sono opposti. Quando i ricevitori rilevano la differenza, il rumore viene cancellato e rimane solo il segnale. In un sistema single-ended, entrambe le linee NON sono uguali, quindi uno raccoglie il rumore in modo diverso dall'altro. La differenza tra terra e linea del segnale includerà quindi questa differenza nella raccolta del rumore.

Userò le immagini di questo tutorial

I fili audio bilanciati trasferiscono lo stesso segnale ma con una differenza di 180 gradi tra di loro.

Quando il rumore viene introdotto nel cavo, viene introdotto allo stesso modo sia nel segnale originale che in quello invertito perché entrambi hanno la stessa impedenza. Il ricevitore inverte quindi uno dei segnali e il risultato sono due segnali in fase che contengono l'audio originale e due segnali di rumore con una differenza di 180 gradi tra di loro. Quando questi segnali vengono sommati, il risultato è il segnale audio puro con il rumore rimosso (cancellato).

Quando si utilizza un filo a terminazione singola per trasferire il segnale, un filo trasferisce il segnale e l'altro la terra stessa, quindi non è possibile seguire lo stesso processo dei segnali bilanciati per rimuovere il rumore.

Che cos'è esattamente l'audio "bilanciato" e perché è utile?

L'audio bilanciato si riferisce alla trasmissione di dati audio come segnale elettrico su una linea bilanciata. Di solito il segnale elettrico è analogico, ma esistono alcuni standard per la trasmissione audio digitale su linea bilanciata (ad es. AES-EBU ).

Ho letto che significa che ci sono due tensioni, una delle quali è l'inverso dell'altra. Un ricevitore audio bilanciato osserva la differenza tra questi e chiama questo "segnale".

In sostanza sì. A rigor di termini, presuppone che la differenza sia proporzionale al segnale originale.

Il rumore dovrebbe influenzare equamente entrambe le metà del segnale bilanciato,

Quasi allo stesso modo, sì.

quindi il ricevitore non dovrebbe vedere il rumore come segnale, perché non cambia la differenza tra le due metà.

In sostanza sì.

Ma questo non ha alcun senso.

Sì, lo fa. È molto efficace e ampiamente utilizzato.

Un segnale audio sbilanciato non è anche una differenza: la differenza tra terra e tensione del segnale?

Non tutti i segnali audio vengono trasmessi con riferimento a terra, ma nei casi in cui si trovano, la risposta è "sì".

Perché non possiamo semplicemente alimentare un segnale audio non bilanciato in un ricevitore audio bilanciato e chiamarlo bilanciato?

Potresti, ma non sarebbe bilanciato.

Il cavo che trasporta il segnale audio "non bilanciato" avrebbe uno o due conduttori in uso:

• Segnale : sicuramente (più qualsiasi rumore). Di solito trasportato attraverso un nucleo conduttivo;
• Ritorno : facoltativamente (più qualsiasi rumore). Solitamente trasportato tramite uno schermo conduttivo con impedenza diversa e dimensioni diverse rispetto al nucleo conduttivo; generalmente collegato al telaio dell'apparecchiatura (messo a terra) a una o entrambe le estremità.

Ecco le due possibilità più comuni e i loro risultati:

1. Uno scudo (messo a terra) viene utilizzato per condurre il "ritorno" (cioè il riferimento). La differenza di impedenza e dimensioni dei due conduttori significa che l'interferenza non li influenzerà in modo uguale, quindi la differenza tra loro includerà del rumore.
2. Non esiste un percorso di ritorno a bassa resistenza (ad es. Nel caso di un cavo schermato unipolare con il suo schermo schermato su un'estremità per evitare anelli di massa). Pertanto, qualsiasi rumore indotto nel conduttore del segnale persiste.

Al contrario, il trasmettitore e il ricevitore audio bilanciati hanno tre conduttori:

• Caldo : cioè il segnale (più qualsiasi rumore). Tipicamente collegato da un nucleo di un cavo bipolare schermato.
• Freddo : cioè il segnale invertito (più qualsiasi rumore). Tipicamente collegato dall'altro nucleo di un cavo bipolare schermato.
• Scudo : solitamente radicato a un certo punto del sistema nel suo insieme. Tipicamente collegato dalla schermatura di un cavo bipolare schermato.

Se colleghi il segnale della tua linea "sbilanciata" al hot pin del tuo ricevitore, l'effetto sarà proprio come nel caso 1. o 2. sopra, inoltre l'ampiezza del tuo segnale potrebbe essere influenzata a seconda del circuito del ricevitore. Se lo colleghi invece al pin freddo, l'effetto sarà esattamente come nel caso 1. o 2. sopra, inoltre l'ampiezza del tuo segnale potrebbe essere influenzata a seconda del circuito del ricevitore e invertirai la fase del segnale.

E come fa un secondo voltaggio invertito a cambiare qualcosa?

È abbastanza cruciale che questa seconda tensione sia condotta da uno o più conduttori di dimensioni, impedenza e posizione altrettanto vicine a uno o più conduttori che trasportano la tensione non invertita. Ecco perché la maggior parte dei cavi audio bilanciati utilizza una coppia di conduttori intrecciati , spesso con del materiale di imballaggio (filo di cotone; tubo di plastica sottile; ecc.) Per impedire la separazione della coppia. Ecco un'illustrazione di Canford :

Alcuni cavi audio bilanciati, come StarQuad , usano una coppia di doppini intrecciati : due core per il caldo, due per il freddo.

Creando un percorso per il segnale freddo che ha impedenza e dimensioni e posizione quasi uguali come percorso per il segnale caldo, riduce al minimo la differenza tra il rumore indotto nel segnale caldo e il rumore indotto nel segnale freddo, producendo un valore molto elevato rifiuto di quel rumore.

Se non lo facessimo, il rumore non influirebbe ugualmente su entrambe le metà e non verrebbe rifiutato dal ricevitore?

No; o almeno, non in modo simile alla stessa misura.

Non hai bisogno di uno schermo o di un terzo filo per avere un bilanciamento audio - ho pensato di esprimere la mia opinione e di essere d'accordo con ciò su cui penso Phil si opponga. Quello che ho disegnato di seguito è come percepisco una situazione equilibrata (scenario 3): -

Un altro vantaggio dello scenario 3 è che le fonti di rumore interferenti esterne diventano "bilanciate" sulla linea perché il driver differenziale "proietta" un'impedenza che è in gran parte identica su entrambe le linee, ovvero in qualsiasi punto del cavo entrambi i fili proiettano la stessa impedenza a terra locale o altrimenti.

La torsione e lo screening sono superflue alla domanda che credo, ma aiuta molto come sappiamo !!

Non sto dicendo che lo scenario 3 ha linee di uscita pilotate in antifase ma, dato che il driver ha tutti i circuiti per creare un'uscita "neutra" bilanciata, allora ha senso, dal punto di vista del segnale / rumore, guidare entrambe le linee controfase.