Qu'est-ce qui fait un signal audio «équilibré»?

Qu'est-ce que l'audio «équilibré» exactement et pourquoi est-il utile? J'ai lu que cela signifie qu'il y a deux tensions, l'une étant l'inverse de l'autre. Un récepteur audio équilibré examine la différence entre ceux-ci et appelle cela le "signal". Le bruit doit affecter également les deux moitiés du signal équilibré, de sorte que le récepteur ne doit pas voir le bruit comme un signal, car il ne modifie pas la différence entre les deux moitiés.

Mais cela n'a aucun sens. Un signal audio asymétrique n'est-il pas aussi une différence: la différence entre la masse et la tension du signal? Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement envoyer un signal audio asymétrique dans un récepteur audio symétrique et l'appeler symétrique?

Et comment le fait de créer une seconde tension inversée change-t-il quoi que ce soit? Si nous ne le faisions pas, le bruit n'affecterait-il pas toujours les deux moitiés de manière égale et serait-il toujours rejeté par le récepteur?

L'audio équilibré a le signal sur un conducteur et le signal inversé sur un autre conducteur.

FAUX .

L'audio équilibré a deux conducteurs de signal et un troisième pour la masse.

FAUX .

L'une ou l'autre de ces choses peut être vraie, mais ce qui rend l'audio équilibré n'est pas non plus . Jusqu'à récemment, les réseaux téléphoniques étaient entièrement analogiques et n'avaient que deux fils par circuit. Il n'y avait aucun motif. Pourtant, ils ont réussi à maintenir une connexion relativement silencieuse sur de très longues distances. Seuls deux conducteurs sont nécessaires pour un son équilibré.

Un récepteur audio symétrique idéal est un amplificateur différentiel. Il fonctionne en mesurant la différence entre ses deux entrées et en appelant cette différence le signal. "Ground" est totalement hors de propos. Une entrée n'a pas besoin d'être une copie inversée de l'autre entrée. Comment cela pourrait-il être important si un amplificateur différentiel ne regarde que la différence entre ses deux entrées? Comment pourrait-il savoir qu'une entrée est "le signal inversé"?

Pourquoi alors, ne pas simplement connecter une des entrées à la terre? Cela ne signifierait-il pas que nous pouvons transformer n'importe quel audio asymétrique en audio symétrique simplement en utilisant un amplificateur différentiel à l'extrémité de réception?

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

En l'occurrence, non, nous ne pouvons pas faire cela, et comprendre pourquoi, c'est comprendre ce que signifie vraiment un audio équilibré. Il ne s'agit pas d'avoir deux connexions audio asymétriques, mais avec une inversée. Il s'agit de faire passer le signal sur deux conducteurs avec une impédance égale .

Voici pourquoi: l'objectif principal de l'utilisation d'un son équilibré est de réduire le bruit. Ce bruit est capté par une inductance et une capacité mutuelles avec d'autres éléments (fréquemment: le câblage secteur) à proximité du signal audio. Si l'inductance ou la capacité mutuelle à cette source de bruit est égale pour nos deux conducteurs, des tensions et des courants égaux seront induits sur chaque conducteur. Autrement dit, leur différence ne changera pas . Ainsi, la source de bruit, du point de vue de notre amplificateur différentiel qui ne regarde que cette différence, n'existe pas. Considérer:

^{simuler ce circuit}

Quelle est la sortie ici? Dans la mesure où U1 est un amplificateur différentiel idéal, la sortie est exactement de 0 V CC. Une partie du bruit (de V1) se couple dans les entrées via C1 et C2, mais parce que C1 = C2 et R1 = R2, il se couple dans chaque également, et ne peut donc pas changer la différence entre les deux, donc ne peut pas affecter la sortie de l'amplificateur différentiel.

Mais que se passe-t-il si R1 n'est pas égal à R2? R1 et C1 forment maintenant un diviseur de tension différent de celui de R2 et C2, entraînant un couplage de tensions inégales dans les entrées de l'amplificateur. Maintenant, il y a une différence, et V1, dans une certaine mesure, se trouve dans la sortie. Le même problème existe si les résistances sont égales mais les condensateurs ne le sont pas.

Conduire une seule des entrées ne change rien. Considérer:

^{simuler ce circuit}

Hé, ce n'est pas équilibré! Mais c'est totalement équilibré. Le bruit voit toujours des impédances égales à chacune des entrées. Le bruit se couple toujours également dans chaque entrée, ne changeant ainsi pas la différence. Ainsi, il est toujours rejeté.

Il y a deux raisons pour lesquelles votre connexion audio typique telle que celle trouvée sur un iPod ou un magnétoscope n'est pas équilibrée. Le premier est la géométrie du câble. Habituellement, ceux-ci utilisent des câbles coaxiaux, avec la terre comme blindage, et un signal référencé à la terre à l'intérieur. Parce que la forme des conducteurs n'est même pas similaire à distance, ils ne peuvent pas avoir une impédance égale à leur environnement. En termes d'exemples antérieurs, C1 et C2 ne sont pas égaux.

La seconde est la façon dont ces lignes sont généralement pilotées. Ils ressemblent généralement à ceci:

^{simuler ce circuit}

Si U1 était un tampon idéal, cela serait équilibré. Mais ce n'est pas le cas: U1 est généralement une sorte d'amplificateur opérationnel avec une petite impédance de sortie. Bien qu'il soit petit, il n'est pas aussi petit que la connexion directe à la terre vue par l'autre moitié du câble. L'impédance de sortie de l'ampli op varie probablement aussi de manière significative avec la fréquence.

Une solution très bon marché et très efficace à ce problème consiste à régler l'impédance de sortie avec quelque chose de plus contrôlable, comme une résistance. On peut mettre une résistance de l'ordre de 100 ohms en série sans atténuer significativement le signal. Une implémentation pratique ressemble à ceci:

Ceci est tiré d'un excellent article de Rod Elliott (ESP) / Uwe Beis . R2 et R3 assurent la majeure partie de l'équilibrage: ces résistances peuvent être achetées ou ajustées pour avoir des résistances très égales. Puisqu'ils sont significativement plus grands que l'impédance de sortie de l'ampli-op, l'impédance de sortie de l'ampli-op est relativement insignifiante.

R4 et C1 servent à rendre l'ampli-op insignifiant à des fréquences plus élevées. Les amplificateurs opérationnels réels ont une impédance de sortie croissante avec la fréquence, ce qui servirait à déséquilibrer le circuit à haute fréquence. Cependant, l'impédance de sortie de l'ampli op devient moins importante à des fréquences plus élevées car R4 et C1 shuntent les deux moitiés ensemble.

Cette topologie n'est pas sans quelques inconvénients. Tout d'abord, comme il ne peut pas piloter les deux lignes, il a la moitié de la plage dynamique par rapport à une conception qui peut piloter les deux lignes. Deuxièmement, il pilote les deux lignes de signal avec une tension de mode commun la moitié de celle du signal d'entrée. Le pilote doit donc piloter la capacité des deux lignes de signaux vers leur environnement, comme le blindage des câbles audio typiques. Cependant, pour des longueurs de câble modérées, il est peu probable que ce soit un problème.

L'avantage est une réduction du nombre de pièces. De plus, si c'est sur un connecteur TRS qui est poussé dans une entrée asymétrique, rien de mal ne peut se produire, car l'anneau, qui est normalement un "signal inversé", n'est connecté à aucune électronique active.

Plus important encore, il dissipe un malentendu commun sur le fonctionnement de l'audio équilibré.

Malgré les réponses déjà ici, l'histoire n'est pas encore terminée.

Un signal audio entièrement équilibré est connecté

• d'un conducteur équilibré,
• via un câble symétrique,
• à un récepteur symétrique,

et chaque partie doit être considérée séparément.

Certains des circuits décrits jusqu'ici fonctionneront les uns avec les autres dans certaines circonstances, mais la plupart échouera à un test ou à un autre.

Câble symétrique.

Un câble équilibré a deux conducteurs ("jambes") d'impédance égale et avec une exposition égale aux champs externes, généralement obtenus en tordant les deux conducteurs ensemble. Parfois, chaque jambe est elle-même une paire, il y a donc 4 conducteurs entrelacés et étroitement torsadés en configuration étoile-quad.

L'exposition égale aux champs externes signifie que tout couplage électrostatique provenant d'une source d'interférence dans le câble générera la même tension sur chaque jambe, et tout couplage magnétique injectera le même courant dans chaque jambe.

Une connexion à la terre n'est pas nécessaire pour un signal équilibré, bien qu'un écran puisse réduire les interférences provenant de signaux externes ainsi que les interférences rayonnées avec d'autres signaux. Si un écran est présent, il est souvent connecté à une extrémité uniquement pour éliminer les boucles de terre. Au niveau du système, il y aura généralement une connexion de masse à l'équipement à chaque extrémité du signal, bien qu'elle puisse être partagée entre 2, 50 ou plusieurs centaines de signaux symétriques.

Récepteur équilibré.

Le récepteur équilibré n'est pas simplement un amplificateur différentiel. Il doit également maintenir la même impédance à la terre de chaque jambe.

L'amplificateur différentiel garantit que toutes les tensions parasites arrivant sur les deux jambes s'annulent (c'est-à-dire gain en mode commun = 0). Cela inclut non seulement toute interférence, mais également toute différence entre les potentiels "de masse" à chaque extrémité.

Les impédances égales sur chaque branche garantissent que tout courant parasite injecté sur les deux branches développera la même tension sur chaque branche, qui peut ensuite être rejetée par l'amplificateur différentiel. Un simple amplificateur différentiel échouera à ce test.

Pilote équilibré.

Le conducteur équilibré a trois tâches:

1. Générez des sorties "vraies" et inversées à la même amplitude.
2. Ont la même impédance à la terre sur chaque sortie
3. Transférer toute tension parasite d'une jambe à l'autre jambe

1) Les sorties "symétriques" qui entraînent une jambe mais trichent en entraînant 0V sur l'autre échoueront au premier test: la tension de sortie en mode commun est la moitié du signal d'origine; cela irradiera des interférences à tout autre signal transporté sur des paires adjacentes! Pas quelque chose que vous voulez dans un câble à 50 paires de la longueur de Broadcasting House! (et cela me date ...) Une bonne sortie symétrique minimisera les interférences avec d'autres signaux, tout en préservant l'intégrité de son propre signal.

Si les autres paires sont de bons signaux équilibrés, les interférences peuvent ne pas être sérieuses car elles devraient être en mode commun, mais le but est de réduire autant que possible la dégradation du signal.

Ces pilotes dits «équilibrés» ont des applications dans l'audio grand public haut de gamme ou les petits studios d'enregistrement, donc ils sont là, mais ... soyez averti.

2) La même impédance à la terre sur chaque branche est importante, comme dans les récepteurs, pour convertir les courants induits en mode commun en tension en mode commun.

3) Le transfert d'une tension interférente d'une jambe à l'autre crée une tension de mode commun à partir de ce qui serait autrement une tension différentielle (c'est-à-dire des interférences affectant une jambe plus que l'autre) améliorant son rejet au niveau du récepteur. Un pilote différentiel simple échouera à ce test. Il a également la particularité que si une jambe est court-circuitée à la masse, l'amplitude sur l'autre jambe double, ainsi la tension différentielle (le signal utile) n'est pas affectée. Un pilote différentiel * échouera vraiment à ce test ...

Avec des signaux audio correctement équilibrés, il est connu que les ingénieurs de diffusion injectent un signal de mode commun sur un signal équilibré et son complément sur un second; créant ainsi un troisième "circuit fantôme" qui n'interfère avec aucune de ses victimes ...

Le problème est, comme vous le dites, que dans un signal équilibré, la valeur réelle du signal est la différence entre deux signaux dirigés de manière opposée. Dans un signal asymétrique, il y a toujours une différence, mais la différence concerne la terre, qui est également la référence pour toutes sortes d'autres signaux.

Si vous aviez un appareil complètement flottant, comme un haut-parleur avec un amplificateur alimenté par batterie intégré dans la boîte, il n'y a pas de différence entre une balance et un signal asymétrique. Les deux fournissent deux fils, et le signal que vous voulez est la différence entre eux.

Cependant, nous avons rarement des appareils récepteurs qui peuvent vraiment flotter à une tension arbitraire. Le problème est qu'avec un signal référencé à la masse, il est pratiquement impossible dans un sens pratique de traiter les deux lignes de manière égale. Le bruit externe ne sera pas couplé de la même manière sur une ligne de signal, car il s'agira d'une ligne utilisée comme masse par des parties du système. Cela est dû en partie au fait que la masse est utilisée comme référence pour la plupart des signaux, donc par définition ne change pas.

Même dans l'exemple de l'amplificateur de haut-parleur à batterie flottante, il faudrait veiller à ne pas traiter les deux lignes d'entrée différemment. C'est plus difficile qu'il n'y paraît. Par exemple, si vous reliez l'une des lignes à votre terre locale, et qui est connectée au châssis ou au plan de masse de votre circuit, le bruit externe se couplera plus facilement à ce signal car il présente une capacité supérieure à l'extérieur. Étant donné que l'ampli l'utilise comme référence, il ne peut pas voir le bruit sur la ligne de masse, mais la capture inégale du bruit par les deux lignes apparaîtra comme un signal différentiel, qui sera détecté et amplifié.

Donc, dans l'ensemble, il ne s'agit pas seulement de coder le signal comme une différence entre deux lignes. Comme vous le dites, c'est toujours le cas de toute façon. Il s'agit de configurer le système afin que ces deux lignes puissent être traitées de manière égale, et ainsi capter un bruit égal du monde extérieur. En codant ensuite le signal de manière égale mais avec une polarité opposée sur les deux lignes, le récepteur peut prendre la différence, ce qui annule en théorie tout bruit capté également par les deux lignes.

Un signal audio "symétrique" est donc de trois lignes. Les deux lignes de signal avec une impédance égale, un traitement égal dans le câble, et conduites de manière opposée au signal, et une ligne de terre séparée qui est la référence 0 pour tout. Dans un câble audio symétrique de haute qualité, les deux lignes de signaux sont une paire torsadée entourée d'un blindage connecté à la terre. Le blindage bloque la captation capacitive de l'extérieur et, en tordant les deux lignes de signal l'une à l'autre, elles auront un couplage à l'extérieur qui sera égal en moyenne sur des distances relativement courtes.

Ajouté en réponse à certains des commentaires:

Premièrement, cela donne la mauvaise impression d'appeler l'une des lignes différentielles "chaude" et l'autre "froide". Les deux sont également porteurs d'un signal, juste que ces signaux sont inversés l'un de l'autre. Le chaud et le froid sont donc de mauvais noms qui présentent soit une idée fausse, soit peuvent en amener d'autres à en faire un.

Deuxièmement, non, les lignes de signal et la masse n'ont PAS la même impédance. C'est le problème. En raison du déséquilibre d'impédance, une ligne captera plus de bruit externe que l'autre. C'est exactement ce qui est souligné en appelant cela "équilibré" comme apposé sur "différentiel". Avec le système à 3 lignes, les deux lignes de signaux peuvent être égales et à une impédance raisonnable pour un signal tout en ayant une référence de masse.

Vous devez supposer que le bruit se couplera à n'importe quel signal. L'audio équilibré a une bonne immunité au bruit en raison de deux caractéristiques: les deux lignes de signal sont traitées de manière égale, donc les deux captent le même bruit et les signaux sont opposés. Lorsque les récepteurs prennent la différence, le bruit est annulé et seul le signal reste. Dans un système asymétrique, les deux lignes ne sont PAS égales, donc l'une capte le bruit différemment de l'autre. La différence entre le sol et la ligne de signal inclura alors cette différence de captation du bruit.

Je vais utiliser des images de ce tutoriel

Les fils audio symétriques transfèrent le même signal mais avec une différence de 180 degrés entre eux.

Lorsque du bruit est introduit dans le câble, il est introduit à la fois au signal d'origine et au signal inversé car ils ont tous deux la même impédance. Le récepteur inverse alors l'un des signaux et le résultat est deux signaux en phase qui contiennent l'audio d'origine et deux signaux de bruit avec une différence de 180 degrés entre eux. Lorsque ces signaux sont additionnés, le résultat est le signal audio pur avec le bruit supprimé (annulé).

Lorsque vous utilisez un fil à une extrémité pour transférer le signal, un fil transfère le signal et l'autre le sol lui-même, vous ne pouvez donc pas suivre le même processus qu'avec les signaux symétriques pour éliminer le bruit.

Qu'est-ce qu'un audio «équilibré» exactement et pourquoi est-il utile?

L'audio équilibré fait référence à la transmission de données audio comme un signal électrique sur une ligne équilibrée. Habituellement, le signal électrique est un signal analogique, mais il existe certaines normes pour la transmission audio numérique sur une ligne symétrique (par exemple AES-EBU ).

J'ai lu que cela signifie qu'il y a deux tensions, l'une étant l'inverse de l'autre. Un récepteur audio équilibré examine la différence entre ceux-ci et appelle cela le "signal".

Essentiellement, oui. À strictement parler, il suppose que la différence est proportionnelle au signal d'origine.

Le bruit doit affecter également les deux moitiés du signal équilibré,

Presque également, oui.

le récepteur ne doit donc pas voir le bruit comme un signal, car il ne change pas la différence entre les deux moitiés.

Essentiellement, oui.

Mais cela n'a aucun sens.

Oui. C'est très efficace et largement utilisé.

Un signal audio asymétrique n'est-il pas aussi une différence: la différence entre la masse et la tension du signal?

Tous les signaux audio ne sont pas transmis par rapport à la terre, mais dans les cas où ils le sont, la réponse est "oui".

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement envoyer un signal audio asymétrique dans un récepteur audio symétrique et l'appeler symétrique?

Vous pourriez, mais ce ne serait pas équilibré.

Votre câble transportant le signal audio "asymétrique" aurait un ou deux conducteurs en cours d'utilisation:

• Signal : certainement (plus tout bruit). Habituellement transporté via un noyau conducteur;
• Retour : en option (plus tout bruit). Habituellement transporté via un blindage conducteur ayant une impédance différente et des dimensions différentes du noyau conducteur; généralement connecté au châssis de l'équipement (mis à la terre) à l'une ou aux deux extrémités.

Voici les deux possibilités les plus courantes et leurs résultats:

1. Un blindage (mis à la terre) est utilisé pour effectuer le "retour" (c'est-à-dire la référence). La différence d'impédance et de dimensions des deux conducteurs signifie que les interférences ne les affecteront pas également, de sorte que la différence entre eux inclura du bruit.
2. Il n'existe aucun chemin de retour à faible résistance (par exemple dans le cas d'un câble blindé unipolaire avec son blindage coupé à une extrémité pour éviter les boucles de terre). Tout bruit induit dans le conducteur du signal persistera donc.

Votre émetteur et récepteur audio symétriques, en revanche, ont chacun trois conducteurs:

• Chaud : c'est-à-dire le signal (plus tout bruit). Généralement connecté par un conducteur d'un câble à deux conducteurs blindé.
• Froid : c'est-à-dire le signal inversé (plus tout bruit). Généralement connecté par l'autre noyau d'un câble bicœur blindé.
• Bouclier : généralement mis à la terre à un moment donné du système dans son ensemble. Généralement connecté par le blindage d'un câble blindé à deux conducteurs.

Si vous connectez le signal de votre ligne "asymétrique" à la broche chaude de votre récepteur, l'effet sera identique à celui des cas 1. ou 2. ci-dessus, plus l'amplitude de votre signal peut être affectée en fonction des circuits du récepteur. Si vous le connectez à la place à la broche froide, l'effet sera exactement comme dans le cas 1. ou 2. ci-dessus, plus l'amplitude de votre signal peut être affectée en fonction des circuits du récepteur et vous inverserez la phase de votre signal.

Et comment le fait de créer une seconde tension inversée change-t-il quoi que ce soit?

Il est assez crucial que cette seconde tension soit conduite par un ou plusieurs conducteurs de dimensions et d'impédance et d'emplacement aussi proches que le ou les conducteurs transportant la tension non inversée. C'est pourquoi la plupart des câbles audio symétriques utilisent une paire torsadée de conducteurs, souvent avec du matériel d'emballage (fil de coton, tube en plastique fin, etc.) pour empêcher la paire de se séparer. Voici une illustration de Canford :

Certains câbles audio symétriques, comme StarQuad , utilisent une paire de paires torsadées : deux coeurs pour le chaud, deux pour le froid.

En créant un chemin pour le signal froid qui a une impédance et des dimensions et un emplacement très presque égaux comme chemin pour le signal chaud, il minimise la différence entre le bruit induit dans le signal chaud et le bruit induit dans le signal froid, produisant un très haut rejet de ce bruit.

Si nous ne le faisions pas, le bruit n'affecterait-il pas toujours les deux moitiés de manière égale et serait-il toujours rejeté par le récepteur?

Non; ou du moins pas du tout dans la même mesure.

Vous n'avez pas besoin d'un écran ou d'un troisième fil pour avoir un équilibre audio - je pensais simplement jeter mon opinion et être d'accord avec ce à quoi Phil s'oppose. Ce que j'ai dessiné ci-dessous est la façon dont je perçois une situation équilibrée (scénario 3): -

Un autre avantage du scénario 3 est que les sources de bruit parasites externes deviennent "équilibrées" sur la ligne parce que le pilote différentiel "projette" une impédance qui est largement identique sur les deux lignes, c'est-à-dire qu'en tout point du câble, les deux fils projettent la même impédance à la masse locale ou autrement.

La torsion et la projection sont superflues à la question, je crois, mais cela aide beaucoup comme nous le savons !!

Je ne dis pas que le scénario 3 a des lignes de sortie pilotées en antiphase mais, étant donné que le pilote a tous les circuits pour créer une sortie "neutre" équilibrée, il est logique, d'un point de vue signal / bruit, de piloter les deux lignes antiphase.