Что такое балансное аудио соединение?

Я видел много онлайн объяснений о сбалансированных аудио схемах — что это такое, как они работают и почему они желательны. Большинство из них довольно точные, но некоторые вводят в заблуждение. Итак, давайте начнем с тонкостей сбалансированных связей.

Что такое балансный аудиосигнал?

В домашнем аудио, существует два типа подключения для аудиосигналов: небалансный, также известный как несимметричный и балансный. Небалансное соединение выполняется с использованием двух проводников: сигнала и возврата. Аудиосигнал передается по одному проводнику и привязывается ко второму, соединенному с землей, а часто и с экраном. Несбалансированные кабели обычно заканчиваются разъемами RCA.

Балансное соединение имеет два сигнальных провода и один заземляющий провод, который также может быть подключен к экрану. Исходный аудиосигнал, называемый неинвертированным или горячим сигналом, передается по одному сигнальному проводнику, в то время как второй сигнальный проводник переносит тот же исходный аудиосигнал в инвертированном или сдвинутом по фазе 180. Инвертированный сигнал также часто называют холодным сигналом. Балансные кабели обычно заканчиваются разъемами XLR (male и female).

Основными преимуществами балансных соединений перед небалансными являются:

Балансные соединения подавляют синфазный шум — шум, который коррелирует между горячим и холодным (например , из-за шума источника питания), исключается (см. Пояснение ниже). Коррелированный шум — это шум, который одинаков, связан по фазе и равен по амплитуде. Однако некоррелированный шум (например, шипение от теплового шума) не будет устранен балансным соединением.

Проблемы контура заземления часто смягчаются как синфазным отклонением, так и отдельным проводником заземления балансного соединения, отделяющим заземление корпуса от заземления сигнала.

Электрические помехи, улавливаемые экраном, не попадают в путь прохождения сигнала.

Балансное соединение обеспечивает запас мощности на 6 дБ, что увеличивает отношение сигнал / шум. Это применимо, если симметричный кабель подключен к дифференциальному усилителю / буферу или трансформатору. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель будет только усиливать разницу между горячим и холодным сигналом и отклонять любой сигнал, равный по амплитуде между горячим и холодным (см. Диаграмму ниже).

Еще одно преимущество балансных соединений на типичном Hi-Fi устройстве, которое редко упоминается, — это сам разъем. Разъем XLR часто блокируется, в то время как большинство разъемов RCA — нет. Даже если бы балансное соединение не звучало лучше, я бы все равно выбрал его только для XLR — нравится чувство безопасности, которое я чувствую, когда слышу щелчок разъема, заблокированного в гнезде.

Компоненты, которые вы подключаете, должны быть совместимы с этими типами подключения. Большинство компонентов домашнего аудио имеют несимметричные разъемы RCA.

Полезны ли балансные соединения в домашней системе?

В профессиональной среде, такой как студия, театр или концертная площадка, где 100-метровая длина сигнального кабеля является нормой, сбалансированный путь часто единственный. Высоки шансы, что любой кабель такой длины будет воспринимать слышимые уровни шума, которые сбалансированная топология может компенсировать.

Но есть ли разница между стереосистемой электроники с симметричными входами и выходами, все из которой соединены симметричными межблочниками, и системой только с односторонними соединениями? Ответ будет зависеть от того, насколько электромагнитно шумит ваша среда и насколько длинны соединительные кабели. Например, в моей настройке я хотел разместить усилитель мощности между моими динамиками и моим предусилителем рядом с креслом, чтобы я мог вручную регулировать громкость предусилителя. В типичной конфигурации с компонентами, соединенными межблочниками небольшой длины, я сомневаюсь, что вы услышите большую разницу между балансным и односторонним подключением, если сами компоненты не имели полностью сбалансированной топологии.

Полностью балансная электроника

Электронные компоненты с полностью симметричными цепями были тенденцией в высококачественном аудио уже не менее 20 лет. Чтобы проиллюстрировать, как это работает, представьте себе балансный сигнал, содержащий две пиковые синусоидальные волны 2 В, смещенные по фазе на 180. Представьте, что обе синусоидальные волны выводятся компонентом источника, таким как ЦАП, через контакт 2 (горячий) и контакт 3 (холодный) разъема XLR через симметричное соединение на балансный вход предварительного усилителя. В полностью балансном предусилителе обе синусоиды каждого канала будут обрабатываться одинаково от входа до выхода, каждая синусоида проходит через свой собственный сегмент регулятора громкости: в двухканальном предусилителе всего четыре сегмента.

Если мы доведем этот полностью балансный пример до логического конца, обе синусоиды каждого канала будут затем передаваться в балансный усилитель мощности, в котором каждому тракту будет выделен отдельный путь сигнала, пока сигнал не достигнет клемм динамика. Там усиленная версия горячего сигнала будет подключена к положительной клемме динамика, а усиленная версия холодного сигнала будет подключена к отрицательной клемме. Если бы каждая усиленная синусоида была, скажем, пиком 30 В (по отношению к земле), на каждом терминале громкоговорителя громкоговоритель видел бы пик 60 В виде гребней одной волны и впадин другой.

Что произойдет, если сигнал встретится с шумом где-то на его пути? Если шум коррелируется, а регулятор громкости и каждый буфер и каскад усилителя все идеально согласованы между горячим и холодным сигналами, с идеально согласованными входным и выходным импедансами, то не будет иметь значения, каков уровень шума. Мы могли бы иметь 100 В (относительно земли) шума на каждом терминале динамика и все равно ничего не слышать, потому что все это было бы устранено. В любой данный момент напряжение, вызванное шумом, будет одинаковым на обеих клеммах громкоговорителя — отсутствие разности напряжений означает отсутствие сигнала, а отсутствие сигнала означает отсутствие звука. Конечно, абсолютно идеальное совпадение между горячим и холодным сигналами невозможно.

Есть некоторые недостатки полностью симметричных конструкций. Первое и наиболее очевидное — это стоимость, так как требуется вдвое больше электронных компонентов. Второй — это определенный тип шума. Hiss, слышимый через динамики, обычно происходит из-за некоррелированного теплового шума в пассивных или активных компонентах. Поскольку этот тип шума является случайным, его фаза и амплитуда в горячем и холодном сигналах не будут идентичны, и поэтому не будут отменены. Фактически, поскольку полностью балансные конструкции имеют больше электронных компонентов, чем небалансные, они могут, по крайней мере в теории, генерировать больше шипения, чем их небалансные аналоги.

Так стоит ли все усложнение и затраты на полностью балансные компоненты работу? Мнения различаются, в зависимости от способности дизайнера предложить высококачественный источник питания с тихой схемой заземления. Но, вообще говоря, я бы сказал, нет, оно того не стоит. Однако, если дизайнер не настолько компетентен, балансная работа может иметь значение.

Вывод

Теперь, когда вы поняли немного больше о балансных и несимметричных соединениях и электронике, а также об их преимуществах и недостатках, вы можете помнить об этом в следующий раз, когда будете покупать оборудование Hi-Fi. Подумайте о своей конкретной ситуации, расположении комнаты и оборудования, а также о важности или отсутствии балансной стереосистемы.