Сбалансированное аудио — это метод соединения аудиооборудования с использованием сбалансированных интерфейсов. Этот тип соединения очень важен в звукозаписи и производстве звука, поскольку он позволяет использовать длинные кабели, одновременно снижая восприимчивость к внешним шумам, вызванным электромагнитными помехами. Сбалансированный интерфейс гарантирует, что индуцированный шум будет выглядеть как синфазное напряжение на приемнике, которое может быть отклонено дифференциальным устройством.
Сбалансированные соединения обычно используют экранированную витую пару и трехпроводные разъемы. Разъемы обычно трехконтактные XLR или телефонные разъемы TRS 1 ⁄ 4 дюйма (6,35 мм) . При таком использовании каждый кабель передает один канал, поэтому для стереозвука (например) потребуется два из них.
Распространенное заблуждение заключается в том, что для сбалансированного звука требуется, чтобы источник сигнала передавал одинаковые формы волн противоположной полярности двум сигнальным проводникам сбалансированной линии. Однако многие сбалансированные устройства активно возбуждают только одну сторону линии, но делают это с импедансом , равным импедансу невозбужденной стороны линии. Этот баланс импеданса позволяет приемнику сбалансированной линии (входной каскад следующего устройства) отклонять синфазные сигналы, подаваемые на два проводника электромагнитной связью.
Многие микрофоны работают на низких уровнях напряжения, а некоторые — на высоком выходном импедансе (hi-Z), что делает длинные микрофонные кабели особенно восприимчивыми к электромагнитным помехам . Поэтому микрофонные соединения являются обычным применением для сбалансированного соединения, которое позволяет приемнику отбрасывать большую часть этого наведенного шума. Если усилители мощности системы оповещения расположены на любом расстоянии от микшерного пульта , также нормально использовать сбалансированные линии для сигнальных путей от микшера к этим усилителям. Многие другие компоненты, такие как графические эквалайзеры и блоки эффектов, имеют сбалансированные входы и выходы, чтобы обеспечить это. При записи и для коротких кабельных трасс в целом необходим компромисс между шумоподавлением, обеспечиваемым сбалансированными линиями, и стоимостью, вносимой дополнительной схемой, которую они требуют.
Некоторые устройства, обычно с трансформаторным выходом, обеспечивают сбалансированный выход, который «плавает» относительно земли; сопротивление относительно земли с каждой стороны выхода высокое. Чаще всего устройства управляют одной или обеими сторонами сбалансированного интерфейса с сигналом, привязанным к земле. Когда одна сторона не управляется, необходимо убедиться, что сопротивление относительно земли равно сопротивлению управляемой стороны.
Сбалансированные аудиоподключения используют ряд технологий для снижения шума.
Типичный сбалансированный кабель содержит два одинаковых провода, которые скручены вместе, а затем обернуты третьим проводником (фольгой или оплеткой), который действует как экран . Два провода образуют цепь, которая может переносить аудиосигнал .
Термин «сбалансированный» происходит от метода балансировки импеданса каждого провода в цепи; линия и все цепи, напрямую подключенные к ней (например, драйвер и приемник), должны иметь одинаковые импедансы относительно некоторой опорной точки. Это означает, что большая часть электромагнитных помех будет индуцировать одинаковое шумовое напряжение в каждом проводе. Поскольку дифференциальное устройство на приемном конце реагирует только на разницу в напряжении между двумя сигнальными линиями, шум, идентичный на обоих проводах, отклоняется. Этот метод может быть реализован с помощью дифференциального усилителя . Вместо активного входного каскада также может использоваться трансформатор .
Витая пара делает область петли между проводниками как можно меньше и гарантирует, что магнитное поле, которое одинаково проходит через соседние петли, будет индуцировать одинаковые уровни шума на обеих линиях, которые нейтрализуются дифференциальным устройством в приемнике. Если источник шума находится очень близко к кабелю, то возможно, что он будет индуцироваться на одной из линий больше, чем на другой, и он не будет нейтрализован, но компенсация все равно будет происходить в той степени, в которой количество шума одинаково на обеих линиях.
Отдельный экран, который обычно предоставляется в сбалансированном аудиокабеле, также дает преимущество подавления шума по сравнению с несимметричной двухпроводной компоновкой (например, используемой в типичных домашних стереосистемах), где экран также должен действовать как обратный провод сигнала. Таким образом, любые шумовые токи, индуцированные в сбалансированном аудиоэкране, не будут напрямую модулироваться на сигнал, тогда как в двухпроводной системе они будут. Это также предотвращает проблемы с контуром заземления , отделяя экран/шасси от сигнальной земли.
Сигналы часто передаются по сбалансированным соединениям с использованием дифференциального режима , то есть провода несут сигналы, которые равны по величине, но имеют противоположную полярность друг другу (например, в разъеме XLR контакт 2 несет 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 взаимодействовать с двумя проводами (и будет подавлен дифференциальным усилителем), независимо от сигнала, который присутствует на них. [1] [2] Простой метод управления сбалансированной линией заключается в том, чтобы ввести сигнал в «горячий» провод через известный импеданс источника и подключить «холодный» провод к локальному заземлению сигнала через идентичный импеданс. Из-за распространенных заблуждений о дифференциальной передаче сигналов это часто называют квазисбалансированным или сбалансированным по импедансу выходом, хотя на самом деле он полностью сбалансирован и будет отклонять синфазные помехи.
Однако есть некоторые незначительные преимущества управления линией с полностью дифференциальным выходом:
Профессиональные аудиоустройства (запись, оповещение и т. д.) обычно имеют сбалансированные входы и выходы, как правило, через телефонные разъемы XLR или TRS . Однако в большинстве случаев внутренняя схема полностью несбалансированная.
Небольшое количество аудиопродуктов было разработано с полностью сбалансированным сигнальным путем от входа до выхода; схема поддерживает баланс импеданса по всему устройству. Такая конструкция достигается путем предоставления идентичных (зеркальных) внутренних сигнальных путей как для «горячих», так и для «холодных» проводников. В критических приложениях 100% сбалансированная схема может обеспечить лучшую целостность сигнала , избегая дополнительных каскадов усилителя или трансформаторов, необходимых для передней дисбалансировки и задней перебалансировки. [3]
Трехконтактные разъемы XLR и четвертьдюймовые (¼" или 6,35 мм) телефонные разъемы TRS обычно используются для сбалансированных аудиоинтерфейсов. Многие разъемы теперь предназначены для использования как телефонных разъемов XLR, так и TRS. Оборудование, предназначенное для долговременной установки, иногда использует клеммные колодки или разъемы Euroblock . Некоторые сбалансированные разъемы для наушников также используют разъем Pentaconn 4,4 мм TRRRS .
В разъемах XLR контакты 1, 2 и 3 обычно используются для экрана (в идеале подключенного к шасси) и двух сигнальных проводов соответственно. (Фраза «земля, фаза, возврат», соответствующая «X, L, R», часто предлагается для запоминания, хотя второй сигнальный провод не является «возвратом» в случае дифференциальной сигнализации.) В телефонных разъемах TRS наконечник является сигнальным/неинвертирующим, кольцо — возвратным/инвертирующим, а втулка — заземлением шасси.
Если стереофонический или другой бинауральный сигнал подключен к такому разъему, один канал (обычно правый) будет вычтен из другого (обычно левого), оставляя неслышимый сигнал L − R (левый минус правый) вместо обычного монофонического L + R (левый плюс правый). Изменение полярности в любой другой точке сбалансированной аудиосистемы также приведет к этому эффекту в какой-то момент, когда он позже будет микширован с другим каналом.
Телефонные линии также передают аудиосигнал через сбалансированную схему, хотя это, как правило, сейчас ограничивается местной линией . Это называется так, потому что два провода образуют сбалансированную петлю, через которую проходят обе стороны телефонного звонка . Поскольку для работы телефонов требуется питание постоянного тока и для простого обнаружения положенной/снятой трубки, была разработана дополнительная схема, в которой один сигнальный провод подается от шины питания коммутатора, обычно -50 вольт, а другой заземляется, оба через индукторы с равным значением, которые имеют сопротивление постоянному току около 400 Ом, чтобы избежать короткого замыкания нужного сигнала переменного тока и поддерживать баланс импеданса.
Цифровые аудиоподключения в профессиональной среде также часто являются сбалансированными, обычно следуя стандарту AES3 (AES/EBU). Для этого используются разъемы XLR и витая пара с сопротивлением 110 Ом. Напротив, коаксиальный интерфейс S/PDIF, который обычно можно увидеть на потребительском оборудовании, является несбалансированным.
Симметричные и несимметричные схемы могут быть соединены с помощью симметрирующего трансформатора , часто через блок DI (также называемый «DI-боксом» или «директ-боксом»).
В крайнем случае сбалансированная аудиолиния может быть подключена к несбалансированному входу и наоборот, если известна электронная конструкция, используемая для выходного каскада. В случае сбалансированного выхода к несбалансированному входу отрицательный выход может быть подключен к земле, но в некоторых случаях отрицательный выход должен быть оставлен отключенным. [4]
Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от наличия желаемого дифференциального сигнала.
