O que produz um sinal de áudio "equilibrado"?

O que é exatamente o áudio "equilibrado" e por que é útil? Eu li que isso significa que existem duas tensões, sendo uma inversa da outra. Um receptor de áudio balanceado observa a diferença entre eles e chama isso de "sinal". O ruído deve afetar igualmente as duas metades do sinal balanceado, para que o receptor não veja o ruído como sinal, porque isso não altera a diferença entre as duas metades.

Mas isso não faz nenhum sentido. Um sinal de áudio não balanceado não é também uma diferença: a diferença entre o terra e a tensão do sinal? Por que não podemos simplesmente alimentar um sinal de áudio desequilibrado em um receptor de áudio balanceado e chamá-lo de balanceado?

E como fazer uma segunda tensão invertida muda alguma coisa? Se não fizéssemos isso, o ruído ainda não afetaria as duas metades da mesma forma e ainda seria rejeitado pelo receptor?

O áudio balanceado possui o sinal em um condutor e o sinal invertido em outro condutor.

ERRADO .

O áudio balanceado possui dois condutores de sinal e um terceiro para o terra.

ERRADO .

Qualquer uma dessas coisas pode ser verdade, mas também não é o que torna o áudio balanceado . As redes telefônicas até recentemente eram inteiramente analógicas e tinham apenas dois fios por circuito. Não havia chão. No entanto, eles conseguiram manter uma conexão relativamente livre de ruído por longas distâncias. Apenas dois condutores são necessários para o áudio balanceado.

Um receptor de áudio balanceado ideal é um amplificador diferencial. Ele funciona medindo a diferença entre suas duas entradas e chamando essa diferença de sinal. "Ground" é totalmente irrelevante. Uma entrada não precisa ser uma cópia invertida da outra entrada. Como isso importaria se um amplificador diferencial estivesse apenas observando a diferença entre suas duas entradas? Como poderia saber que uma entrada é "o sinal invertido"?

Por que, então, não simplesmente conectar uma das entradas ao terra? Isso não significa que podemos transformar qualquer áudio desequilibrado em áudio balanceado apenas usando um amplificador diferencial na extremidade receptora?

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Por acaso, não, não podemos fazer isso, e entender por que é entender o que realmente significa áudio balanceado. Não se trata de ter duas conexões de áudio de extremidade única, mas uma invertida. É sobre ter o sinal carregado em dois condutores com impedância igual .

Eis o porquê: o objetivo principal do uso de áudio balanceado é reduzir o ruído. Esse ruído é captado pela indutância e capacitância mútuas com outras coisas (freqüentemente: fiação da rede elétrica) perto do sinal de áudio. Se a indutância ou capacitância mútua para essa fonte de ruído for igual para nossos dois condutores, tensões e correntes iguais serão induzidas em cada condutor. Ou seja, a diferença deles não vai mudar . Assim, a fonte de ruído, da perspectiva do nosso amplificador diferencial, que apenas olha para essa diferença, não existe. Considerar:

^{simule este circuito}

Qual é a saída aqui? Na medida em que U1 é um amplificador diferencial ideal, a saída é exatamente 0V DC. Parte do ruído (de V1) acopla nas entradas através de C1 e C2, mas, como C1 = C2 e R1 = R2, acopla-se a cada um igualmente e, portanto, não pode alterar a diferença entre os dois, portanto não pode afetar a saída do amplificador diferencial.

Mas o que acontece se R1 não é igual a R2? R1 e C1 agora formam um divisor de tensão diferente dos R2 e C2, resultando em tensões desiguais acopladas às entradas do amplificador. Agora não é a diferença, e V1, em certa medida, é encontrado na saída. O mesmo problema existe se os resistores forem iguais, mas os capacitores não.

Dirigir apenas uma das entradas não muda nada. Considerar:

^{simule este circuito}

Ei, isso não é equilibrado! Mas é totalmente equilibrado. O ruído ainda vê impedâncias iguais a cada uma das entradas. O ruído ainda se junta igualmente em cada entrada, não alterando a diferença. Assim, ainda é rejeitado.

Há duas razões pelas quais sua conexão de áudio típica, como a encontrada em um iPod ou VCR, não é equilibrada. A primeira é a geometria do cabo. Geralmente, eles usam cabos coaxiais, com o terra como blindagem e um sinal de terra dentro dele. Como a forma dos condutores não é nem remotamente semelhante, eles não podem ter impedância igual ao seu ambiente. Nos termos dos exemplos anteriores, C1 e C2 não são iguais.

A segunda é como essas linhas são tipicamente direcionadas. Eles geralmente se parecem com isso:

^{simule este circuito}

Se U1 fosse um buffer ideal, isso seria equilibrado. Mas não é: o U1 geralmente é um tipo de amplificador operacional com uma pequena impedância de saída. Embora seja pequeno, não é tão pequeno quanto a conexão direta com o terra vista pela outra metade do cabo. A impedância de saída do amplificador operacional provavelmente também varia significativamente com a frequência.

Uma solução muito barata e muito eficaz para esse problema é definir a impedância de saída com algo mais controlável, como um resistor. Podemos colocar um resistor da ordem de 100 ohms em série sem atenuar significativamente o sinal. Uma implementação prática é assim:

Isto é de um ótimo artigo de Rod Elliott (ESP) / Uwe Beis . R2 e R3 fazem a maior parte do balanceamento: esses resistores podem ser comprados ou aparados para ter resistências muito iguais. Como eles são significativamente maiores que a impedância de saída do amplificador operacional, a impedância de saída do amplificador operacional é relativamente insignificante.

R4 e C1 servem para tornar ainda mais insignificante o amplificador operacional em frequências mais altas. Os amplificadores operacionais reais têm impedância de saída crescente com frequência, o que serviria para desequilibrar o circuito em alta frequência. No entanto, a impedância de saída do amplificador operacional se torna menos significativa em frequências mais altas, pois R4 e C1 desviam as duas metades juntas.

Essa topologia não apresenta algumas desvantagens. Em primeiro lugar, como não pode acionar as duas linhas, ele tem metade da faixa dinâmica em comparação com um design que pode acionar as duas linhas. Em segundo lugar, ele aciona as duas linhas de sinal com uma tensão de modo comum metade da do sinal de entrada. O motorista deve, assim, direcionar a capacitância das duas linhas de sinal para os arredores, como a blindagem em cabos de áudio típicos. No entanto, para comprimentos de cabo moderados, isso é improvável.

A vantagem é a contagem reduzida de peças. Além disso, se este estiver em um conector TRS que é empurrado para uma entrada desbalanceada, nada de ruim pode acontecer, pois o anel, que normalmente é "sinal invertido", não está conectado a nenhum componente eletrônico ativo.

Mais importante, ele dissipa um mal-entendido comum sobre como o áudio balanceado funciona.

Apesar das respostas já aqui, a história ainda não está completa.

Um sinal de áudio totalmente balanceado está conectado

• de um motorista equilibrado,
• através de um cabo balanceado,
• para um receptor balanceado,

e cada parte deve ser considerada separadamente.

Alguns dos circuitos descritos até agora funcionarão entre si em algumas circunstâncias, mas a maioria falhará em um teste ou em outro.

Cabo balanceado.

Um cabo balanceado possui dois condutores ("pernas") de igual impedância e com igual exposição a campos externos, geralmente conseguidos torcendo os dois condutores juntos. Ocasionalmente, cada perna é ela mesma um par, então existem 4 condutores intercalados e firmemente torcidos na configuração de estrela-quad.

A igual exposição a campos externos significa que qualquer acoplamento eletrostático de uma fonte de interferência no cabo gerará a mesma voltagem em cada perna, e qualquer acoplamento magnético injetará a mesma corrente em cada perna.

Uma conexão de terra não é necessária para um sinal balanceado, embora uma tela possa reduzir a interferência de sinais externos, bem como a interferência irradiada em outros sinais. Se houver uma tela, ela geralmente é conectada em uma extremidade apenas para eliminar loops de aterramento. No nível do sistema, geralmente haverá uma conexão de terra ao equipamento em cada extremidade do sinal, embora possa ser compartilhado entre 2, 50 ou várias centenas de sinais balanceados.

Receptor balanceado.

Receptor balanceado não é apenas um amplificador diferencial. Também deve manter a mesma impedância de aterramento de cada perna.

O amplificador diferencial garante que todas as tensões interferentes que chegam nas duas pernas se cancelem (isto é, ganho no modo comum = 0). Isso inclui não apenas qualquer interferência, mas também qualquer diferença entre os potenciais "básicos" em cada extremidade.

As impedâncias iguais em cada perna garantem que quaisquer correntes interferentes injetadas nas duas pernas desenvolvam a mesma tensão em cada perna, que pode ser rejeitada pelo amplificador diferencial. Um amplificador diferencial simples falhará neste teste.

Motorista equilibrado.

O driver balanceado tem três tarefas:

1. Gere saídas "verdadeiras" e invertidas na mesma amplitude.
2. Ter a mesma impedância de aterramento em cada saída
3. Transferir qualquer tensão interferente de uma perna para a outra perna

1) Saídas "equilibradas" que acionam uma perna, mas trapaceiam ao dirigir 0V na outra, serão reprovadas no primeiro teste: a tensão de saída no modo comum é metade do sinal original; isso irradiará interferência para quaisquer outros sinais transmitidos em pares adjacentes! Não é algo que você deseja em um cabo de 50 pares do comprimento da Broadcasting House! (e isso me data ...) Uma boa saída balanceada minimizará a interferência com outros sinais, além de preservar a integridade de seu próprio sinal.

Se os outros pares forem bons sinais balanceados, a interferência pode não ser séria, como deveria ser no modo comum, mas o objetivo é reduzir a degradação do sinal o máximo possível.

Esses chamados drivers "balanceados" têm aplicações em áudio de ponta para consumidores ou pequenos estúdios de gravação para que estejam por perto, mas ... esteja avisado.

2) A mesma impedância de aterramento em cada perna é importante, como nos receptores, para converter correntes induzidas no modo comum em tensão no modo comum.

3) Transferir uma tensão interferente de uma perna para a outra cria uma tensão de modo comum a partir do que seria uma tensão diferencial (isto é, interferência que afeta uma perna mais que a outra), melhorando sua rejeição no receptor. Um driver diferencial simples falhará neste teste. Ele também possui o recurso de que, se uma perna estiver em curto, a amplitude da outra perna dobrará, portanto a tensão diferencial (o sinal desejado) não será afetada. Um driver diferencial * realmente falhará neste teste ...

Com sinais de áudio balanceados corretamente, é conhecido pelos engenheiros de transmissão injetar um sinal de modo comum em um sinal balanceado e seu complemento em um segundo; criando assim um terceiro "circuito fantasma" que não interfere com nenhuma das vítimas ...

A questão é, como você diz, que em um sinal balanceado, o valor real do sinal é a diferença entre dois sinais dirigidos opostos. Em um sinal de extremidade única, ainda há uma diferença, mas a diferença é em relação ao terra, que também é a referência para todos os tipos de outros sinais.

Se você tinha um dispositivo completamente flutuante, como um alto-falante com um amplificador alimentado por bateria embutido na caixa, não há diferença entre um sinal de balanço e de extremidade única. Ambos fornecem dois fios, e o sinal que você deseja é a diferença entre eles.

No entanto, raramente temos dispositivos receptores que podem realmente flutuar em tensão arbitrária. A questão é que, com um sinal de referência à terra, é praticamente impossível, no sentido prático, tratar as duas linhas igualmente. O ruído externo não acopla o mesmo em uma linha de sinal, assim como uma linha usada como terra por partes do sistema. Isso ocorre em parte porque o solo é usado como referência para a maioria dos sinais, portanto, por definição , não muda.

Mesmo no exemplo do amplificador de alto-falante operado por bateria flutuante, é preciso ter cuidado para não tratar as duas linhas de entrada de maneira diferente. Isso é mais difícil do que parece. Por exemplo, se você amarrar uma das linhas ao seu terra local e conectada ao chassi ou ao plano de terra do seu circuito, o ruído externo acoplará esse sinal mais facilmente, pois apresenta uma capacitância maior para o exterior. Como o amplificador usa isso como referência, ele não pode ver o ruído na linha de terra, mas a captação desigual do ruído pelas duas linhas aparecerá como um sinal diferencial, que será detectado e amplificado.

Portanto, no geral, não se trata apenas de codificar o sinal como uma diferença entre duas linhas. Como você diz, esse é sempre o caso de qualquer maneira. Trata-se de configurar o sistema para que essas duas linhas possam ser tratadas igualmente e, assim, capturar o mesmo ruído do mundo exterior. Ao codificar o sinal igualmente mas com polaridade oposta em ambas as linhas, o receptor pode fazer a diferença, o que em teoria cancela qualquer ruído captado igualmente pelas duas linhas.

Um sinal de áudio "balanceado" é, portanto, três linhas. As duas linhas de sinal com impedância igual, tratamento igual no cabo e acionadas de maneira oposta ao sinal, e uma linha de terra separada que é a referência 0 para tudo. Em um cabo de áudio balanceado de alta qualidade, as duas linhas de sinal são um par trançado cercado por uma blindagem conectada ao terra. A blindagem bloqueia a captação capacitiva de fora e, torcendo as duas linhas de sinal uma da outra, elas terão acoplamento na parte externa que, em média, é igual em distâncias relativamente curtas.

Adicionado em resposta a alguns dos comentários:

Primeiro, dá a impressão errada de chamar uma das linhas diferenciais de "quente" e a outra de "frio". Ambos estão igualmente carregando um sinal, apenas que esses sinais são invertidos um do outro. Quente e frio são, portanto, nomes ruins que exibem um equívoco ou podem levar outros a um.

Segundo, não, as linhas de sinal e o terra NÃO têm a mesma impedância. Esse é o problema. Devido ao desequilíbrio na impedância, uma linha capta mais ruído externo que a outra. É exatamente isso que está sendo enfatizado chamando isso de "equilibrado" em oposição a "diferencial". Com o sistema de 3 linhas, você pode ter ambas as linhas de sinal iguais e com impedância razoável para um sinal enquanto ainda possui uma referência de terra.

Você deve assumir que o ruído se unirá a qualquer sinal. O áudio balanceado possui boa imunidade a ruídos por causa de duas características: as duas linhas de sinal são tratadas igualmente; portanto, ambas captam o mesmo ruído e os sinais são opostos. Quando os receptores fazem a diferença, o ruído é cancelado e apenas o sinal permanece. Em um sistema de extremidade única, ambas as linhas NÃO são iguais, então uma capta o ruído de maneira diferente da outra. A diferença entre o terra e a linha de sinal incluirá essa diferença na captação de ruído.

Vou usar imagens deste tutorial

Os fios de áudio balanceados transferem o mesmo sinal, mas com uma diferença de 180 graus entre eles.

Quando o ruído é introduzido no cabo, ele é introduzido igualmente no sinal original e no sinal invertido porque eles têm a mesma impedância. O receptor então inverte um dos sinais e o resultado são dois sinais de fase que contêm o áudio original e dois sinais de ruído com diferença de 180 graus entre eles. Quando esses sinais são somados, o resultado é o sinal de áudio puro com o ruído removido (cancelado).

Ao usar um único fio para transferir o sinal, um fio transfere o sinal e o outro o próprio terra, para que você não possa seguir o mesmo processo dos sinais balanceados para remover o ruído.

O que é exatamente o áudio "equilibrado" e por que é útil?

Áudio balanceado refere-se à transmissão de dados de áudio como um sinal elétrico através de uma linha balanceada. Normalmente, o sinal elétrico é analógico, mas existem alguns padrões para transmissão de áudio digital em linha balanceada (por exemplo, AES-EBU ).

Eu li que isso significa que existem duas voltagens, sendo uma inversa da outra. Um receptor de áudio balanceado observa a diferença entre eles e chama isso de "sinal".

Essencialmente sim. A rigor, pressupõe que a diferença seja proporcional ao sinal original.

O ruído deve afetar igualmente as duas metades do sinal balanceado,

Quase quase da mesma forma, sim.

portanto, o receptor não deve ver ruído como sinal, porque não altera a diferença entre as duas metades.

Essencialmente sim.

Mas isso não faz nenhum sentido.

Sim. É muito eficaz e amplamente utilizado.

Um sinal de áudio não balanceado não é também uma diferença: a diferença entre o terra e a tensão do sinal?

Nem todos os sinais de áudio são transmitidos com referência ao terra, mas nos casos em que estão, a resposta é "sim".

Por que não podemos simplesmente alimentar um sinal de áudio desequilibrado em um receptor de áudio balanceado e chamá-lo de balanceado?

Você poderia, mas não seria equilibrado.

O cabo que carrega o sinal de áudio "desequilibrado" teria um ou dois condutores em uso:

• Sinal : definitivamente (mais qualquer ruído). Geralmente transportado através de um núcleo condutor;
• Retorno : opcionalmente (mais qualquer ruído). Normalmente transportado através de uma blindagem condutora com impedância e dimensões diferentes do núcleo condutor; normalmente conectado ao chassi do equipamento (aterrado) em uma ou nas duas extremidades.

Aqui estão as duas possibilidades mais comuns e seus resultados:

1. Uma blindagem (aterrada) é usada para conduzir o "retorno" (isto é, a referência). A diferença na impedância e nas dimensões dos dois condutores significa que a interferência não os afetará igualmente; portanto, a diferença entre eles incluirá algum ruído.
2. Não existe caminho de retorno de baixa resistência (por exemplo, no caso de um cabo blindado de núcleo único com seu corte blindado em uma extremidade para evitar loops de aterramento). Qualquer ruído induzido no condutor do sinal persistirá.

Seu transmissor e receptor de áudio balanceado, por outro lado, têm três condutores:

• Quente : ou seja, o sinal (mais qualquer ruído). Normalmente conectado por um núcleo de um cabo de núcleo duplo blindado.
• Frio : ou seja, o sinal invertido (mais qualquer ruído). Normalmente conectado pelo outro núcleo de um cabo de núcleo duplo blindado.
• Escudo : geralmente aterrado em algum ponto do sistema como um todo. Normalmente conectado pela blindagem de um cabo de núcleo duplo blindado.

Se você conectar o sinal da sua linha "desequilibrada" ao hot pin do seu receptor, o efeito será exatamente como no caso 1. ou 2. acima, mais a amplitude do seu sinal pode ser afetada dependendo do circuito do receptor. Se você conectá-lo ao pino frio, o efeito será exatamente como no caso 1. ou 2. acima, mais a amplitude do seu sinal pode ser afetada dependendo do circuito do receptor e você inverterá a fase do seu sinal.

E como fazer uma segunda tensão invertida muda alguma coisa?

É bastante crucial que essa segunda voltagem seja conduzida por um ou mais condutores de dimensões próximas, impedância e localização dos um ou mais condutores que carregam a voltagem não invertida. É por isso que a maioria dos cabos de áudio balanceados usa um par trançado de condutores, geralmente com algum material de embalagem (fio de algodão; tubos de plástico fino etc.) para impedir a separação do par. Aqui está uma ilustração de Canford :

Alguns cabos de áudio balanceados, como o StarQuad , usam um par trançado : dois núcleos para quente, dois para frio.

Ao criar um caminho para o sinal frio que possui impedância e dimensões e localização muito quase iguais, como o caminho para o sinal quente, minimiza a diferença entre o ruído induzido no sinal quente e o ruído induzido no sinal frio, produzindo uma taxa muito alta. rejeição desse barulho.

Se não fizéssemos isso, o ruído ainda não afetaria as duas metades da mesma forma e ainda seria rejeitado pelo receptor?

Não; ou pelo menos não na mesma extensão.

Você não precisa de uma tela ou de um terceiro fio para ter equilíbrio de áudio - pensei em dar minha opinião e concordar com o que Phil está objetando. O que desenhei abaixo é como percebo uma situação equilibrada (cenário 3):

Outra vantagem do cenário 3 é que fontes externas de ruído interferente ficam "equilibradas" na linha porque o driver diferencial "projeta" uma impedância que é amplamente idêntica nas duas linhas, ou seja, em qualquer ponto do cabo, ambos os fios projetam a mesma impedância para aterrar o local ou então.

A torção e a triagem são supérfluas para a pergunta em que acredito, mas ajudam muito como sabemos !!

Não estou dizendo que o cenário 3 tenha linhas de saída acionadas em fase antifásica, mas, como o motorista possui todo o circuito para criar uma saída "neutra" equilibrada, faz sentido, do ponto de vista do sinal / ruído, direcionar as duas linhas antifase.