Ausgewogenes Audio - Balanced audio

Symmetrisches Audio ist eine Methode zum Verbinden von Audiogeräten über symmetrische Leitungen . Diese Art der Verbindung ist bei der Tonaufnahme und -produktion sehr wichtig, da sie die Verwendung langer Kabel ermöglicht und gleichzeitig die Anfälligkeit für externe Störungen durch elektromagnetische Störungen verringert.

Symmetrische Verbindungen verwenden normalerweise abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel und dreiadrige Steckverbinder. Die Anschlüsse sind in der Regel dreipolige XLR oder 1 / 4 - Zoll (6,35 mm) TRS- Anschlüsse. Wenn es auf diese Weise verwendet wird, überträgt jedes Kabel einen Kanal, daher wären für Stereo-Audio (zum Beispiel) zwei davon erforderlich.

Anwendungen

Viele Mikrofone arbeiten mit niedrigen Spannungspegeln und einige mit hoher Ausgangsimpedanz (Hi-Z), was lange Mikrofonkabel besonders anfällig für elektromagnetische Störungen macht . Mikrofonverbindungen sind daher eine übliche Anwendung für eine symmetrische Verbindung, die den größten Teil dieses induzierten Rauschens aufhebt. Befinden sich die Endstufen einer Beschallungsanlage in beliebiger Entfernung vom Mischpult , ist es auch üblich, für die Signalwege vom Mischpult zu diesen Verstärkern symmetrische Leitungen zu verwenden. Viele andere Komponenten, wie grafische Equalizer und Effektgeräte, haben dafür symmetrische Ein- und Ausgänge. Bei der Aufzeichnung und bei kurzen Kabelwegen im Allgemeinen ist ein Kompromiss zwischen der Rauschunterdrückung durch symmetrische Leitungen und den durch die zusätzliche Schaltung, die sie benötigen, verursachten Kosten erforderlich.

Störunterdrückung

Symmetrische Audioverbindungen verwenden eine Reihe von Techniken, um Rauschen zu reduzieren.

Ein typisches symmetrisches Kabel enthält zwei identische Drähte, die miteinander verdrillt und dann mit einem dritten Leiter (Folie oder Geflecht) umwickelt werden, der als Abschirmung dient . Die beiden Drähte bilden einen Stromkreis, der ein Audiosignal übertragen kann .

Der Begriff symmetrisch kommt von der Methode, jeden Draht mit identischen Impedanzen an Quelle und Last zu verbinden . Dies bedeutet, dass ein Großteil der elektromagnetischen Interferenz in jedem Draht eine gleiche Rauschspannung induziert. Da der Verstärker auf der Empfangsseite misst die Differenz in der Spannung zwischen den beiden Signalleitungen, Rauschen , das auf beiden Drähten identisch ist , wird abgelehnt. Dieses Verfahren kann mit einem Differenzverstärker implementiert werden . Anstelle einer aktiven Differenzverstärkereinrichtung kann auch ein Balun verwendet werden.

Ein verdrilltes Paar macht die Schleifenfläche zwischen den Leitern so klein wie möglich und sorgt dafür, dass ein Magnetfeld, das gleich durch benachbarte Schleifen geht, auf beiden Leitungen gleiche Rauschpegel induziert, die durch den Differenzverstärker ausgeglichen werden. Wenn sich die Rauschquelle sehr nahe am Kabel befindet, ist es möglich, dass sie auf einer der Leitungen stärker induziert wird als auf der anderen, und sie wird nicht ebenfalls gelöscht, aber die Unterdrückung erfolgt immer noch in der Höhe von Rauschen, das auf beiden Leitungen gleich ist.

Die separate Abschirmung, die üblicherweise in einem symmetrischen Audiokabel bereitgestellt wird, bietet auch einen Vorteil bei der Rauschunterdrückung gegenüber einer unsymmetrischen Zweileiteranordnung (wie sie in typischen Heimstereoanlagen verwendet wird ), bei der die Abschirmung auch als Signalrückleitung fungieren muss. Daher werden in eine symmetrische Audioabschirmung induzierte Rauschströme nicht direkt auf das Signal aufmoduliert, während dies bei einem Zweileitersystem der Fall ist. Dies verhindert auch Masseschleifenprobleme , indem die Abschirmung/das Gehäuse von der Signalmasse getrennt wird.

Differenzsignalisierung

Die Signale werden oft übertragen über symmetrische Verbindungen , die unter Verwendung von Differential - Modus , das heißt , die Draht Signale tragen , die in ihrer Größe gleich sind , aber von entgegengesetzter Polarität zueinander ist (beispielsweise in einem XLR - Anschluss , Pin 2 führt das Signal mit normaler Polarität und Pin 3 trägt eine invertierte Version des gleichen Signals). Entgegen der landläufigen Meinung ist diese Anordnung zur Rauschunterdrückung nicht erforderlich. Solange die Impedanzen ausgeglichen sind, wird das Rauschen gleichmäßig in die beiden Drähte eingekoppelt (und von einem Differenzverstärker unterdrückt), unabhängig vom an ihnen anliegenden Signal. Eine einfache Methode zum Ansteuern einer symmetrischen Leitung besteht darin, das Signal über eine bekannte Quellimpedanz in den "heißen" Draht einzuspeisen und den "kalten" Draht über eine identische Impedanz mit der lokalen Massereferenz des Signals zu verbinden. Aufgrund verbreiteter Missverständnisse bezüglich der Differenzsignalisierung wird dies oft als quasi-symmetrischer oder impedanzsymmetrischer Ausgang bezeichnet, obwohl er tatsächlich vollständig symmetrisch ist und Gleichtaktstörungen unterdrückt.

Es gibt jedoch einige kleinere Vorteile, die Linie mit einem vollständig differenziellen Ausgang zu fahren:

  • Das elektromagnetische Feld um eine differentielle Leitung ist idealerweise null, was das Übersprechen in benachbarte Kabel reduziert, was für Telefonpaare nützlich ist.
  • Obwohl sich der Signalpegel aufgrund der Normierung des Nominalpegels nicht ändern würde , ist die maximale Ausgangsleistung der Differenztreiber doppelt so hoch, was 6 dB zusätzlichen Headroom bietet .
  • Eine Erhöhung der Kabelkapazität über lange Kabelstrecken verringert den Signalpegel, bei dem hohe Frequenzen gedämpft werden. Wenn jeder Draht die Hälfte des Signalspannungshubs wie bei vollständig differenziellen Ausgängen trägt, können längere Kabelstrecken ohne Verlust von hohen Frequenzen verwendet werden.
  • Rauschen, das zwischen den beiden Verstärkern korreliert ( z. B. durch unvollkommene Stromversorgungsunterdrückung ), würde ausgelöscht.
  • Bei höheren Frequenzen kann sich die Ausgangsimpedanz des Ausgangsverstärkers ändern, was zu einem kleinen Ungleichgewicht führt. Bei der Ansteuerung im Differenzmodus durch zwei identische Verstärker ist diese Impedanzänderung für beide Leitungen gleich und wird somit aufgehoben.
  • Differenzialtreiber verzeihen auch falsch verdrahtete Adapter oder Geräte, die das Signal durch Kurzschließen von Pin 2 aus dem Gleichgewicht bringen.

Intern ausgewogenes Audiodesign

Die meisten Audioprodukte (Aufnahme, Beschallung usw.) bieten differentielle symmetrische Ein- und Ausgänge, typischerweise über XLR- oder TRS- Klinkenanschlüsse . In den meisten Fällen wird jedoch ein differentielles symmetrisches Eingangssignal intern über einen Transformator oder elektronischen Verstärker in ein Single-Ended-Signal umgewandelt . Nach der internen Verarbeitung wird das Single-Ended-Signal wieder in ein differentielles symmetrisches Signal umgewandelt und einem Ausgang zugeführt.

Eine kleine Anzahl von Audioprodukten wurde mit einem vollständig differentiellen symmetrischen Signalweg vom Eingang zum Ausgang entwickelt; das Audiosignal ist nie unausgeglichen. Dieses Design wird durch die Bereitstellung identischer (gespiegelter) interner Signalwege sowohl für die "nicht invertierenden" als auch für die "invertierenden" Audiosignale erreicht. In kritischen Anwendungen kann ein 100% differenzielles symmetrisches Schaltungsdesign eine bessere Signalintegrität bieten, indem die zusätzlichen Verstärkerstufen oder Transformatoren vermieden werden, die für die Front-End-Asymmetrie und die Back-End-Neusymmetrierung erforderlich sind. Eine vollständig symmetrische interne Schaltung wurde beworben, da sie einen um 3 dB besseren Dynamikbereich liefert, jedoch zu höheren Kosten gegenüber Single-Ended-Designs.

Anschlüsse

Dreipolige XLR-Anschlüsse und 1/4 Zoll (6,35 mm) TRS-Klinkenstecker werden häufig für symmetrische Audiosignale verwendet. Viele Buchsen sind jetzt für XLR- oder TRS-Klinkenstecker ausgelegt. Geräte, die für eine langfristige Installation bestimmt sind, werden manchmal verwendet Klemmleisten oder Euroblock- Stecker.

Bei XLR-Anschlüssen werden normalerweise die Pins 1, 2 und 3 für die Abschirmung (idealerweise mit dem Chassis verbunden) bzw. die beiden Signalleitungen verwendet. (Der Ausdruck "ground, live, return", entsprechend "X, L, R", wird oft als Gedächtnishilfe angeboten, obwohl die zweite Signalleitung bei differentieller Signalisierung kein "Return" ist) Am TRS-Telefon Stecker, die Spitze ist signalisiert/nicht invertierend, der Ring ist zurück/invertierend und die Hülse ist Chassis-Masse.

Wenn ein stereophones oder ein anderes binaurales Signal an eine solche Buchse angeschlossen wird, wird ein Kanal (normalerweise der rechte) vom anderen (normalerweise der linke) subtrahiert, wodurch ein unhörbares L − R (links minus rechts) Signal anstelle des normalen monophonen L . übrig bleibt + R (links plus rechts). Auch die Umkehrung der Polarität an einem anderen Punkt in einem symmetrischen Audiosystem führt zu diesem Effekt irgendwann, wenn es später mit seinem anderen Kanal abgemischt wird.

Telefonleitungen führen auch symmetrisches Audio, obwohl dies jetzt im Allgemeinen auf den Teilnehmeranschluss beschränkt ist . Es wird so genannt, weil die beiden Drähte eine symmetrische Schleife bilden, durch die beide Seiten des Telefonanrufs laufen. Beachten Sie, dass die Telefonleitung für Wechselstrom-(Audio-)Signale symmetrisch ist, aber bei Gleichstrom tatsächlich unsymmetrisch ist, da ein Draht vom Strombus der Vermittlungsstelle gespeist wird, typischerweise -50 Volt, und der andere geerdet ist, beide über gleichwertige Induktivitäten mit etwa 400 Ohm Gleichstromwiderstand, um Kurzschlüsse des gewünschten Wechselstromsignals zu vermeiden, während Gleichstrom an das Telefon übertragen wird, und ermöglicht eine einfache Erkennung des Auflegens/Abhebens.

Auch digitale Audioverbindungen in professionellen Umgebungen sind häufig symmetrisch, normalerweise nach dem AES3- Standard (AES/EBU). Dies verwendet XLR-Anschlüsse und Twisted-Pair-Kabel mit 110-Ohm-Impedanz. Im Gegensatz dazu ist die koaxiale S/PDIF- Schnittstelle, die üblicherweise bei Verbrauchergeräten verwendet wird, ein unsymmetrisches Signal.

Konverter

Unsymmetrische Signale können mit einem Balun in symmetrische Signale umgewandelt werden , oft über eine DI-Einheit (auch "DI-Box" oder "Direktbox" genannt).

Wenn symmetrisches Audio in einen unsymmetrischen Anschluss eingespeist werden muss, muss das elektronische Design der symmetrischen Endstufe bekannt sein. In den meisten Fällen kann der negative Ausgang mit Masse verbunden werden, aber in bestimmten Fällen sollte der negative Ausgang getrennt bleiben.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ "Was ist der Unterschied zwischen symmetrisch und unsymmetrisch?" . Aviom-Blog . 2014-03-27 . Abgerufen 2017-09-24 .
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  4. ^ Karki, James (2016) [2002]. "Texas Instruments Application Report SLOA054E: Fully-Differential Amplifiers" (PDF) . Texas-Instrumente. Archiviert vom Original am 5. November 2020 . Abgerufen am 10. Juni 2021 .
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Externe Links