Коммутация звуковой техники

В последнее время различные издания, посвящённые работе со звуком, всё больше уделяют внимания сложным звуковоспроизводящим и звукозаписывающим системам, программному обеспечению и решению широкого спектра задач с их использованием. При этом темы настолько серьёзные и обширные, что при отсутствии систематики рассмотрение их возможно только поверхностное. Вдобавок к этому, совершенно не уделяется внимание базовым понятиям и основам, незнание которых сводит на нет эффективность изучения очередной новой технологии. Эта печальная тенденция порождает массовую безграмотность среди нового поколения специалистов. И всё чаще и чаще с последствиями этой безграмотности приходится сталкиваться на тематических форумах и блогах, и, что куда хуже - на площадках.

В связи с этим я считаю необходимым провести небольшой технический ликбез в виде серии статей, в которых буду пояснять некоторые основополагающие понятия и принципы работы базовых электронных устройств. Цель – сформировать у читателя чёткое представление о том, что представляют собой и зачем делаются некоторые операции, которые многим кажутся ненужной мелочью, странной традицией, или даже загадочным шаманизмом. Я умышленно обойду стороной многие популярные и не менее важные темы, которые и так можно найти в свободном доступе, а уделю внимание тому, что, на мой взгляд, многие забыли.

В этой статье я собираюсь познакомить вас с тем, без чего не работает никакая аппаратура: проводами, правилами коммутации и основными стандартами передачи аудиосигнала. Все мы знаем, что звуковой сигнал (аудио сигнал) передаётся по проводам в виде переменного напряжения. В упрощённом варианте для этого достаточно два провода. Собственно, именно два провода и использовались для этого изначально, ещё с зарождения электронной звуковоспроизводящей техники и используются по сей день в бытовой аппаратуре. Откуда же тогда взялся этот стандарт «симметричного» или «балансного» сигнала с его тремя проводами и XLR-разъёмами? Чем он отличается от «небалансного»-двухпроводного? Зачем он нужен?

Начнём с небалансного соединения. Как уже было сказано выше, в этом стандарте задействованы два проводника. В классической схемотехнике один из них соединяется непосредственно или через разделительные цепи с управляющим электродом входного активного элемента (сетка радиолампы, база биполярного транзистора, затвор полевого транзистора). Второй - с «массой» - общей точкой для входа и выхода сигнала, являющейся вдобавок одним из полюсов питания каскада. Как правило, выполнен он в виде изолированной, коаксиальной с другим сигнальным проводом оплётки. Так он образует замкнутый контур вокруг первого проводника и тем самым «поглощает» помехи от сети (наведённая ЭДС замыкается в «накоротко»). Этот принцип, называющийся экранированием, знаком, пожалуй, всем.

Описанное выше подключение обеспечивает достаточное качество и помехозащищённость для использования в бытовой аппаратуре. Но чем же он не угодил профессионалам? Чем балансный метод подключения лучше небалансного? В открытых источниках говорится, что он обеспечивает лучшую помехозащищённость. Это, конечно, верное, но далеко не полное и слишком обобщённое обоснование предпочтений этому стандарту. И для того, чтобы раскрыть эту тему, мне понадобится немного углубиться в основы электроники. Постараюсь сделать передать эту сложную, фундаментальную тему наиболее коротко и доступно. С распространением транзисторной схемотехники перед разработчиками возникла следующая проблема. Дело в том, что транзистор работает с постоянным напряжением строго определённой полярности, в то время как аудиосигнал, как известно, является переменным напряжением. Для того чтобы транзисторный каскад работал корректно и с отрицательной, и с положительной частью сигнала, на его вход подаётся небольшое постоянное напряжение – «смещение», которое «сдвигает» переменный сигнал в рабочую область транзистора – положительную или отрицательную, в зависимости от типа. Но в этом случае на входе каскада всегда будет присутствовать постоянное напряжение, которое может привести к искажениям или даже вывести из строя источник сигнала. Решили эту проблему установкой блокировочного конденсатора, который компенсирует постоянную составляющую. Правда, конденсатор так же является источником искажений. Небольших, но современными требованиями к профессиональной аппаратуре недопустимых. Вдобавок к этому, во многих случаях требуется обеспечить высокую чувствительность и, соответственно, большое входное сопротивление. И тогда одного экранирования может быть уже недостаточно для устранения помех. Напомню вам, что речь сейчас идёт о простом – несимметричном подключении, и, соответственно, экран всё так же связан с одним из полюсов питания, а другой – «центральный» провод – через блокирующий конденсатор – со входом каскада.

С развитием этого направления было сделано одно из самых серьёзных, на мой взгляд, изобретений в аналоговой схемотехнике. Дифференциальный усилительный каскад. В чём же заключается принцип его работы и чем отличается включение его от описанного выше?

Если опустить подробности, можно выделить его основное отличие: в нём не один, а два транзистора, и включены они таким образом, что сигнал подаётся на входы с одинаковым потенциалом (т.е. между ними не будет протекать ток), и не один из которых не связан с «массой». Это исключает необходимость использования разделительного конденсатора, обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление. Есть и ещё одна особенность, за которую эта схема и называется дифференциальной: она усиливает только разностный между двумя входами сигнал, а синфазный (одинаковый для двух входов) подавляет. Как понимать эту слегка запутанную физическую формулировку? Поясню на примере. Если взять полезный звуковой сигнал, приходящий к нам всё так же по двум проводам, то значение напряжения в каждом из них относительно некого нулевого потенциала будет разным (в идеале - противоположным по знаку). Зато и напряжение, и фаза наведённых помех, в обоих проводах при условии их близкого расположения друг к другу – одинаковы. Именно для этого в помехозащищённых сетях используется принцип витой пары: в расположенных максимально близко друг к другу проводах наводятся «одинаковые» помехи, которые, в свою очередь, вычитаются дифференциальным каскадом. Полезный сигнал же, приходящий в противофазе, будет усиливаться (принцип “минус на минус даёт плюс” здесь работает).

Использованием дифференциального каскада на входе мы решаем сразу ряд проблем. Это и уменьшение помех от наводок, и отсутствие необходимости в разделительном конденсаторе, да и в целом сам дифференциальный каскад работает гораздо стабильнее обычного, и именно поэтому на входе микросхем-операционных усилителей всегда стоит именно дифференциальный каскад (поэтому входы ОУ всегда обозначаются + и -, или прямой и инверсный).

Итак, поскольку в современной профессиональной аппаратуре во входных каскадах используются именно дифференциальные усилители, стандартным становится подача источника сигнала на две независимые точки схемы, не связанные с полюсами питания. Однако, использование дифференциального усилителия и витой пары сигнальных проводов не отменяет необходимость экранирования. Как было сказано выше, при симметричном подключении экран никак не связан с несущими сигнал линиями, но, поскольку “висеть в воздухе” он так же не должен, соединяют его чаще всего со “средней точкой” блока питания, которая чаще всего является “массой” - общей для входа и вывода точкой, относительно которой так же снимается переменный сигнал при несимметричном подключении.

Теперь следует уделить отдельное внимание экранированию и заземлению. В электрике задача заземления сводится к обеспечению защиты человека от поражения статическим или иного рода электричеством, которое может присутствовать на металлических корпусах электрических приборов. В аудиотехнике заземляется, как правило металлический корпус изделия, или отдельные экранирующие конструкции, поэтому понятия “экран” и “заземления” для аудиотехники слились воедино и нередко одно подразумевает другое. Действительно, большинство звуковых приборов исполнены в металлическом корпусе, и задача его не только в обеспечении механической прочности, но и в общем экранировании всего устройства. И, в этом случае заземление не только отвечает за безопасность, но и обеспечивает дополнительную защиту от помех, в том числе вызванных ещё одним паразитным явлением, называемым “петлёй заземления”. Давайте разберёмся, что же это такое.

Как уже было сказано выше, многие производители соединяют корпус с одним из полюсов питания. Как правило, с упомянутой выше “средней”, или “нулевой точкой”, к которой приложена половина полного напряжения питания для того, чтобы относительно неё выходной сигнал получался переменным. С этой точкой чаще всего соединяется экран провода при стандартной XLR-распайке. Получается, что экран провода, средняя точка питания и корпус прибора соединяются в одной точке, которая, в идеале, должна быть заземлена. Однако, практика показывает, что такое решение имеет определённый недостаток: схемотехника некоторых приборов предполагает соединение корпуса с какой-либо другой точкой схемы, напряжение на которой отлично от принятого, как негласный стандарт, половины пониженного напряжения питания. В этом случае между между “массами” двух соединяемых устройств возникает разность потенциалов, а значит, начинает течь ток. Это явление и называется петлёй заземления, и последствия его - самые неприятные: от мощной помехи до выхода из строя прибора. Самый распространённый пример токовой петли, с которой сталкивались многие звукооператоры, работавшие залах со старой советской проводкой без заземления или с некачественной электрической разводкой: при подключении компьютера, особенно через встроенную звуковую карту, к микшерскому пульту на выходе появлялся заметный высокочастотный фон даже при “закрытых” каналах. Для его устранения подручными средствами “земляной” контакт вилки питания компьютера заклеивали изолентой. Это - следствие того, что в импульсном блоке питания компьютера на корпусе присутствует аж половина(!) выпрямленного напряжения сети, амплитуда пульсаций которого может достигать 150В!

Считается, что симметричное подключение исключает возникновение петли заземления, но это не совсем так, и в первую очередь из-за того, что разные производители по-разному реализуют схемы усилительных каскадов и подачи питания на них, а так же внутреннюю структуру устройства. Правда, шаги к решению этой проблемы давно уже сделаны: сейчас на большинстве приборов имеется загадочный выключатель “Ground Lift”, который по определению “отвязывает” корпус от нулевой точки питания. Однако, во многих случаях использование этой опции не даёт результатов - помеха никуда не девается .

Компания Rane посвятила этому вопросу целую статью, в которой расписала свой способ решения проблемы обеспечения помехозащищённости и препятствия возникновению петли заземления. По утверждению ведущего специалиста компании Найла Манси (Neil Muncy) решение этой проблемы - “усовершенствованная” распайка аудиокабелей. В статье предлагается целый ряд комбинаций для разных разъёмов и стандартов соединений, которые Rane давно использует в своих комплексах. Автор замечает, что компания давно уже рекомендует этот метод другим производителям, однако не все спешат принять этот совет. Суть метода коротко - связывать экранным проводом только корпуса (или экранирующие кожухи) устройства, оставляя выведенный для подключения “ноль” блока питания незадействованным. Распайка XLR-разъёма тогда будет выглядеть следующим образом: сигнальные провода к контактам 2 и 3, экран - к корпусу, контакт 1 остаётся “висеть в воздухе”. Работает такое включение следующим образом: корпуса приборов соединены и образуют единый экран. Если Ground Lift не включен, то с экраном так же связана и “масса” схемы (средняя точка блока питания), и таким образом, соединение принципиально не отличается от “стандартного”. Если же, по каким-то причинам, образуется петля, нам достаточно изолировать корпус (включить Ground Lift) одного из приборов, и тогда цепь будет разорвана, а общее экранирование сохранится.стыковка этих двух стандартов. Здесь сразу следует оговориться, что соединять между собой два Итак, если считать, что теперь мы разобрались, что из себя представляют симметричное и несимметричное подключение, то пора переходить к следующей, очень актуальной теме: устройства, одно из которых работает с симметричным сигналом, а другое - с несимметричным, вообще то, крайне нежелательно. Но, поскольку, далеко не все устройства и источники сигнала имеют симметричные входы и выходы и вряд ли когда-нибудь будут ими оснащены (некоторые приборы обработки, музыкальные инструменты, звуковые карты), проблема сопряжения их с профессиональной аппаратурой остаётся открытой. Итак, как подать сигнал с одного прибора на другой, если у одного из них сигнал передаётся по двум проводникам, а у другого - по трём?

Рассмотрим два вида стыковки

Небалансный выход - балансный вход. Напомню, что у первого сигнал проходит по двум проводникам, в том числе по экранирующему, а у второго - так же, по двум проводникам, но экранирующий проводник не связан ни с одним из сигнальных. Как осуществить их соединение так, чтобы сохранить неразрывным экран, два несущих сигнал провода и избежать возникновения петли заземления? Многие из практики знают: для этого нужен директ-бокс. Однако не все знают, что же означает это жаргонное выражение (да-да, именно так: смысловой перевод его - “соединительная коробка”, или даже “просто - коробка” не говорит об этом устройстве ровно ничего) и что представляет собой называемый им прибор. Итак, ди-бокс - по-сути устройство гальванической развязки, т.е. обеспечивающее передачу сигнала от одного устройства к другому без прямого из соединения. Но как? Делается это двумя способами: с использованием трансформатора (“пассивный ди-бокс”) или с использованием электронной схемы, как правило, на операционных усилителях (“активный ди-бокс”).

Преимущества и недостатки того и другого неоднократно были описаны другими авторами, а я поясню принцип их работы. В пассивном ди-боксе на первичную обмотку трансформатора подаётся несимметричный сигнал. Здесь всё просто: два вывода обмотки, два провода от источника сигнала - “центральный” и экран. Со вторичной обмоткой чуть интереснее: с выводов её сигнал подаётся на симметричный вход принимающего устройства. Как мы помним, это - так же два контакта, в стандартном XLR - номера 2 и 3. Оставшийся третий вывод (в XLR контакт номер 1) соединяется с экраном источника сигнала (который уже подключён к первичной обмотке трансформатора). Эта несложная схема обеспечивает неразрывный экран и подачу сигнала на симметричный вход по двум независимым от экрана проводам в противофазе.
В активном ди-боксе эту же роль выполняет электронная схема, представляющая собой, как правило, два одинаковых операционных усилителя, один из которых включён как инвертирующий, для того, чтобы сигналы на их выходах были одинаковы, но в противофазе. “Масса” для обоих операционных усилителей будет общая, и - так же - соединяться с экранами источника и получателя сигнала.

Использование ди-бокса - самый верный, но не иденственный способ сопряжения несимметричной линии с симметричной. В некоторых случаях достаточно просто соединить один из выходных контактов симметричного входа с экраном (чаще всего с экраном соединяют т.н. “холодный”, в XLR контакт №3). В современной схемотехнике, где на входах устройств используются операционный усилители, одна из его входных точек будет замкнута на “массу”. Это не лишает схему работоспособности, но сигнал будет ослаблен. Большей проблемой при таком подключении является - опять же - риск возникновение петли. В принципе, для соединения оборудования с заведомо верной топологией питания, такое подключение является абсолютно приемлемым.

В старой технике симметричный вход может быть реализован на трансформаторе. Для этого случая описанная выше распайка так же будет подходящей, но, в зависимости от конфигурации входного трансформатора и схемотехники самого устройства могут быть и иные варианты подключения, которые нужно подбирать для конкретного случая, если, конечно, в этом есть необходимость. Стоит заметить, что, если мы знаем, что устройство содержит трансформаторную развязку на входе (преимущественно у винтажной, в т.ч. ламповой техники), использовать с ней пассивный ди-бокс (т.е. ещё один трансформатор) нежелательно - это приведёт к большему ослаблению сигнала и просто нецелесообразно. Лучше воспользоваться кабелем с описанной выше распайкой.

Балансный выход - небалансный вход.
Этот случай менее распространён, поэтому универсальных его решений на сегодняшний день нет. Описанные ниже можно считать лишь “выходом из ситуации”, и применять обдуманно. Почему - убедитесь сами.
Итак, идеальным решением была бы, опять же, гальваническая развязка, только с противоположной конфигурацией выводов - как бы ди-бокс наоборот. Но взять и перевернуть стандартный ди-бокс нельзя: активный в при таком включении вообще не пропустит сигнал, пассивный же теоретически будет работать, но на практике может слишком сильно ослаблять сигнал. Это вызвано тем, что обмотки применяемого в нём трансформатора могут иметь разное, не согласуемое с источником и нагрузкой сопротивление. Итак, поскольку промышленные устройства преобразования симметричного сигнала в несимметричный не распространены, нам ничего не остаётся, как прибегнуть к нестандартной распайке соединительных кабелей.
И вариантов этой распайки будет несколько, зависящих от того, какое именно оборудование нам нужно соединить. Все эти варианты описаны в различных публикациях, но наиболее полно и наглядно, на мой взгляд, это сделано в одной из статей библиотеки Rane. Иллюстрированную таблицу, приведённую в ней, я рекомендую распечатать и иметь под рукой всем, кто самостоятельно изготавливает соединительные аудио кабели. Я же попробую описать и обосновать применение той или иной распайки.

Итак, вариант номер один - зеркальное отражение описанного выше переходника “несимметричный -> симметричный”. Один из сигнальных контактов симметричного источника соединяется с экраном, в то время как к несимметричной нагрузке он подключается стандартно. Здесь стоит сделать очень важное замечание: данный способ применим только для источников сигнала выходным трансформатором, а так же устройств, где симметричный выход реализован с помощью двух независимых операционных усилителей (такая схема называется cross-coupled). Если же симметричный выход - “активный”, т.е. реализован на одном дифференциальном усилителе, либо каки-то емщё способом на активных элементах, то данное соединение недопустимо, поскольку в этом случае одно из “плеч” выходного каскада окажется замкнутым накоротко. А это может привести как к выходу из строя этого плеча, так и к появлению на выходе постоянного напряжения, которое в свою очередь выведет из строя нагрузку. Для этого случая есть второй вариант распайки: масса/экран - общие, а сигнальный вход нагрузки подключается только к одному из сигнальных выходов симметричного источника. Для XLR это может выглядеть так: 1 контакт - экран, 2 контакт - центральный проводник, 3 колнтакт “в воздухе”. Jack или RCA на другом конце провода распаиваются стандартно. Запутано, неправда ли? Разъясню на примере. Если нам нужно подключить, например, симметричный микрофон к несимметричному входу - без сомнений используем первый вариант. Именно таким образом подключают микрофоны в бытовом караоке, именно с такой распакой кабель идёт к нему в комплекте. Однако же, если нам нужно подключить активное устройство (например, синтезатор, микшерский пульт, прибор эффектов) - тут возникает сложность, потому что маловероятно, что нам будет заранее известно, по какой именно схеме реализован выход. В этом случае следует сначала попробовать второй вариант, чтобы не вывести из строя устройство. Если сигнал проходить не будет, или будет, но с искажениями - пробуем первый. Неудобно и трудоёмко, особенно если подключить нужно сразу несколько приборов, не правда ли? Здесь может помочь третий вариант соединения - “квазибалансный”. Отличается он от первого и второго тем, что сигнальный контакт не замыкается с массой, а соединяется через резистор с небольшим сопротивлением (примерно 150 Ом). Так, получается, что второй сигнальный проводник не висит в воздухе, но и не замкнут накоротко. Однако панацеей считать этот вариант не стоит, поскольку он всё равно не обеспечивает полноценного, помехозащищённого соединения, как соединение приборов единого стандарта.

Итак, если у меня получилось доступно описать способы соединения аппаратуры, то пора подвести итоги, и на основании написанного выше дать практические рекомендации. Тогда, если вам повезло и вы пользуетесь качественным оборудованием, в котором соблюдены все стандарты, то какие-либо проблемы вас должно миновать. Если у приборов симметричные входы и выходы, для понадобится только один тип кабеля с рекомендованной выше как “усовершенствованной” распайкой. Это касается в основном сигнальных линий, идущих на большие расстояния, например, из тон-зала в аппаратную, или от сцены до микшерского пульта в зале. Помните - симметричное подключение по-настоящему необходимо на больших расстояниях и при большом количестве других несущих сигнал линий.

Для соединения же расположенных вблизи друг к другу приборов (например, установленных в одном рэке), вполне достаточно несимметричного соединения, при условии, что все приборы - стандартного исполнения. Старайтесь избегать переходов между стандартами. Если источник сигнала - несимметричный (или линеный, как его часто называют), и его нужно подключить к прибору, в котором входы обоих стандартов, ошибочно будет применять переходник от несиметричного к симметричному и уж - тем более - использовать ди-бокс. Это очень распространённая ошибка, когда подключают, например, звуковую карту или синтезатор к микшерскому пульту через активный ди-бокс, в то время, как на этом же канале остаётся незадействованный линйный вход. Помните: любой лишний прибор в тракте, каким бы он ни был, вносит искажения! Вторая распространённая ошибка - кабеля для разрыва (insert), распаиваемые со стороны устройства обработки как переходник от небалансного к балансному. Стоит знать один важный факт: абсолютное большинство устройств обработки (за исключением некоторых “эксплюзивных”) осуществляют аппаратную обработку исключительно несимметричного сигнала, т.е. поданный на них симметричный сигнал сразу преобразуется в несимметричный - с общей с питанием точкой. Поэтому убеждение, что подача сигнала именно на симметричный вход обеспечивает более высокое качество - крайне ошибочно! По возможности старайтесь соблюдать равенство стандартов, т.е. какое подключение на одном конце провода - такое же и на другом.

В более тяжёлых случаях, если, все же, приходится иметь дело с нестандартным оборудованием или возникают какие-либо сложности с сопряжением - ищите проблему и старайтесь устранять её обдуманно, пользуясь принципами и методами, которые я описал в этой статье. Если какое-то устройство не удаётся подключить известными способами, лучше отказаться от его использования вообще. Помните: слепой перебор проводов и “перетыкание” как минимум потратит впустую Ваше время, а как максимум - выведет из строя, возможно, редкое и дорогостоящее оборудование. А ещё - пользуйтесь качественными проводами с толстой изоляцией, гибкими жилами и - обязательно! - хорошим плетёным экраном, и не забывайте про заземление.

Автор - Панов Виктор.
Статья подготовлена по заказу издательства 625 и опубликована в блоге по соглашению с редакцией спустя 6 месяцев после выхода в печатном издании. Все права защищены.