Лаборатория звуковой техники: 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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
Руководство для начинающих пользователей | сценического звукового оборудования
Поиск по сайту
Соединители типа XLR
XLR connectors
Такие соединители часто используются в профессиональных областях применения, требующих повышенной надежности, так как они поддерживают описанное далее симметричное подключение, прочны, устойчивы к деформации и оснащены фиксатором, препятствующим отсоединению кабеля, даже если за него потянуть. В системах сценического звукового оборудования они обычно применяются для подключения микрофонов, усилителей мощности, активных акустических систем и аналогичных компонентов.
Соединители phone
Соединители phone бывают двух типов: стереофонические и монофонические.
Стереофонические phone-соединители также называются phone-соединителями TRS. Они применяются для передачи стереосигналов в наушниках и для вставки эффектов. Phone-соединители TRS могут применяться и в симметричных соединениях. Монофонические phone-соединители используются только для описанного далее несимметричного подключения, а также для подключения электрогитар.
Советы
Существует соединительный разъем, который часто называют комбо-джеком (combo jack, «комбинированное гнездо» в переводе с английского). К нему можно подключить кабель как с XLR-, так и с phone-соединителем, и он используется в основном в микшерах и аудиоинтерфейсах.
Кабели, используемые в системах сценического звукового оборудования
Электрические сигналы, передаваемые в системе сценического звукового оборудования от одного устройства к другому через вышеописанные соединители, могут быть симметричными или несимметричными. Для каждого из этих типов сигнала предусмотрен собственный тип кабеля.
Характеристики и взаимные отличия симметричных и несимметричных сигналов:
— Симметричная передача: хорошо подавляет помехи
— Несимметричная передача: предрасположена к наведению помех
Симметричные сигналы передаются с положительной и отрицательной фазами по трем проводам: «горячему», «холодному» и заземляющему. В этом случае используется двойной (с «горячим» и «холодным» проводниками) экранированный заземленный кабель.
Несимметричные сигналы передаются только с положительной фазой по двум проводам: «горячему» и заземляющему. В этом случае используется кабель с одним проводником, экранированный проволочной сеткой.
— Симметричный кабель: два провода («горячий» и «холодный») образуют сердечник кабеля, покрытый экранирующей проволочной сеткой
— Симметричный кабель: два провода («горячий» и «холодный») образуют сердечник кабеля, покрытый экранирующей проволочной сеткой
Помехи всегда возникают в одном направлении тока фазы. Если добавляется сигнал с противоположным направлением тока фазы, помехи в сигнале подавляются за счет взаимоналожения положительной и отрицательной полярностей.
Клавишные инструменты и звуковоспроизводящие устройства изначально обладают высоким отношением сигнал/шум, вследствие чего помехи, как правило, не слишком заметны даже при использовании несимметричного сигнала. Но даже при этом в случае использования длинных кабелей лучше дополнительно задействовать DI-блок, преобразующий несимметричный сигнал в симметричный.
<Примечание> Не используйте кабель-разветвитель или аналогичное соединение для разделения выходного стереосигнала от клавишного или иного инструмента на монофонические каналы с соединителями TRS. Это может вызвать взаимное подавление сигналов левого и правого каналов и, как следствие, отсутствие звука на выходе.
Микрофонные и линейные кабели
Симметричный кабель со штекерным XLR-соединителем на одном конце и гнездовым XLR-соединителем на другом часто называют микрофонным, потому что такие кабели в большинстве случаев используются для подключения микрофонов к микшерам. Несимметричный кабель с phone-соединителем на обоих концах часто называют линейным.
Другие соединители и кабели, используемые в системах сценического звукового оборудования
Штырьковые соединители типа RCA
Эти соединители обычно используются для подключения аудио- и аудиовизуального (AV) оборудования, и через них передаются только несимметричные сигналы. Соединители окрашены в соответствии с типом сигналов. Белый соединитель используется для передачи сигналов левого (L) канала, а красный – для передачи сигналов правого (R) канала.
Соединители типа USB
USB-разъемы используются для приёма и передачи аудиосигналов на ПК и микшеры с поддержкой аудиоинтерфейса. Эти разъемы используются для записи миксов живых выступлений на ПК и для создания музыки.
Кабели, используемые для подключения пассивных акустических систем
Для подключения усилителя мощности к пассивной акустической системе требуется специальный акустический кабель. Кабели этого типа чрезвычайно долговечны и передают электрические сигналы большой мощности, подаваемые с выхода усилителя.
В отличие от микрофонных/линейных кабелей, по которым передаются симметричные/несимметричные сигналы, эти кабели не экранированы.
<Примечание> Для подключения к активным акустическим системам используйте микрофонные или линейные кабели.
Соединители, используемые для подключения пассивных акустических систем
Соединители типа SpeakON
Это специальные соединители с фиксатором, используемые в сочетании с профессиональным оборудованием. Они предназначены для подключения пассивных акустических систем к усилителям мощности. После того как кабель вставлен в разъем, его для фиксации надо повернуть по часовой стрелке.
Соединители типа phone (только для подключения акустических систем)
Стандартные phone-кабели имеют один экранированный сердечник, но для подключения пассивных АС используются специализированные акустические кабели (неэкранированные) с двумя сердечниками.
Акустические кабели без изоляции на концах
Такие акустические кабели рассчитаны на общее применение (например, в домашних аудиосистемах).
Они обычно имеют цветовую кодировку положительного (+) и отрицательного (-) проводов. Ее несоблюдение при подключении вызывает обращение фаз и, как следствие, искажение требуемого характера звучания, поэтому при подсоединении пассивных акустических систем к усилителю мощности нужно следить за тем, чтобы цвета проводов совпадали с цветами положительных и отрицательных клемм.
- Главная
- Продукты
- Дополнительно
- Musician PA System and Portable PA System | Yamaha Pro Audio
- Руководство для начинающих пользователей | сценического звукового оборудования
Facility Power Filters: симметричные и асимметричные характеристики
Асимметричные конструкции фильтров набирают популярность в промышленности из-за их более низкой стоимости и размера, однако, хотя эта конструкция успешно устраняет проблемы синфазного сигнала, в этой статье будет показано, что для некоторых приложений, таких как как и TEMPEST, эти фильтры практически не защищают.
Симметричные фильтры, хотя физически больше и дороже из-за использования большего количества компонентов, обеспечивают лучшую фильтрацию в этих приложениях.
Facility используются в сочетании с экранированными корпусами, чтобы обеспечить среду, свободную от кондуктивных и излучаемых сигналов. Эта комбинация экранированного корпуса и фильтра объекта также полезна для предотвращения выхода излучаемых и кондуктивных помех за пределы корпуса, как это имеет место во многих оборонных и военных приложениях TEMPEST. Проведенные сигналы в экранированную оболочку могут появляться в проводниках в симметричном режиме и в меньшей степени в асимметричном режиме или, как их еще называют, дифференциальном режиме (DM) и синфазном режиме (CM) соответственно. Все проводники, входящие или выходящие из экранированного корпуса, должны быть отфильтрованы, чтобы предотвратить передачу сигналов на другую сторону [1]. Но чтобы уменьшить размер и стоимость сетевого фильтра, многие производители фильтров предлагают асимметричные фильтры с небольшими симметричными характеристиками или вообще без них.
Фильтр CM стал популярным в электронной промышленности как способ предотвращения высокочастотного радиочастотного излучения через подключенные шнуры питания. Однако есть приложения, в которых фильтр CM не указывается. К таким приложениям относятся силовые фильтры с экранированными камерами, где требуется низкочастотное подавление для приложений EMC, TEMPEST или HEMP. Поскольку усилия по фильтрации сосредоточены на уменьшении амплитуды нежелательных сигналов, мы начинаем с демонстрации амплитуды типичной синусоиды, как показано на рисунке 1, для представления сигнала, появляющегося на входе фильтра. Но, как упоминалось ранее, сигналы могут быть симметричными или асимметричными.
Рисунок 1: Амплитуда сигнала
Симметричные и асимметричные сигналы
Симметричные (дифференциальные) сигналы — это сигналы, которые могут проявляться по-разному в любом из отфильтрованных проводников, идущих в камеру, и относятся к земле.
Рассмотрим фильтр с двумя проводниками, как на рис. 2.
Рис. 2: Двухжильный фильтр
Если сигналы, появляющиеся на выводах фильтра, отличаются от показанных на рисунке 3, то сигналы имеют симметричную форму.
Рис. 3: Симметричный (дифференциальный) режим: разные сигналы, появляющиеся на каждом выводе фильтра и показанные вместе для сравнения.
Асимметричные (синфазные) сигналы — это сигналы, которые появляются одинаково в одно и то же время и в одном направлении на всех проводниках, идущих к фильтру в экранированном корпусе. Эти сигналы используют землю в качестве обратного пути, и все остальные проводники передают сигнал в корпус в точно такой же пропорции. Если сигналы, присутствующие на каждом терминале, точно такие же, как на рисунке 4, то говорят, что сигналы появляются в асимметричном или синфазном режиме [2].
Рисунок 4: Асимметричный (общий) режим: одинаковые сигналы появляются на каждом выводе фильтра и показаны отдельно для сравнения.
Теперь, когда мы определили два типа сигналов, которые могут присутствовать в проводниках, давайте теперь рассмотрим типы фильтров, используемых для удаления этих сигналов.
Симметричные фильтры
Конструкции симметричных фильтров (SFD) состоят из дискретных индуктивных и емкостных элементов, расположенных таким образом, чтобы удалять нежелательные сигналы с определенного проводника. Катушки индуктивности обеспечивают высокий последовательный импеданс для нежелательных сигналов. Конденсаторы работают противоположным образом и замыкают нежелательные сигналы на землю; они обеспечивают путь с низким импедансом для высоких частот. Вместе они обеспечивают ослабление нежелательных сигналов, появляющихся на этих проводниках [1]. Эти компоненты не являются общими с другими элементами в другом проводнике. Рассмотрите рисунок 5 и обратите внимание на распределение компонентов вдоль линии нагрузки тока. Этот поток тока не взаимодействует с потоком тока второй линии двухлинейного фильтра, другими словами, каждая фильтруемая линия независима друг от друга.
Катушка индуктивности симметричного фильтра имеет одну входную и одну выходную линии, как показано на рисунке 6.
Рисунок 5: Схема асимметричного фильтра, каждая линия независима друг от друга
Рис. 6: Симметричный индуктор
На рис. 7 показано, как выглядит фактический симметричный фильтр с независимыми компонентными линиями для фильтрации каждой входящей линии электропередачи. ) должен иметь возможность установки отдельно… и должен включать по одному фильтру для каждого фазного провода линии электропередачи и нулевого провода». [1]
Рисунок 7: Показаны две версии фактического фильтра с независимыми отфильтрованными строками
Можно было бы ожидать, как следует из названия, что симметричный фильтр может удалять симметричные сигналы, но в качестве дополнительного преимущества симметричный фильтр также может удалять асимметричные сигналы.
Причина этого может быть не слишком очевидной. Но давайте возьмем одну строку фильтра за раз.
Здесь есть один сигнал и одна линия фильтра, как на рисунке 8. Линия фильтра удаляет любой нежелательный сигнал независимо от амплитуды или формы и не видит и не заботится о том, что присутствует в другой строке. Вторая отфильтрованная строка может видеть тот же сигнал или другой, но поскольку каждый сигнал обрабатывается независимо, все присутствующие нежелательные сигналы будут удалены, как показано на рис. 9.. SFD по умолчанию отклоняют сигналы асимметричного режима. Это связано с тем, что каждая линия дифференциального фильтра будет оснащена дискретными элементами, необходимыми для удаления сигналов, присутствующих в этих проводниках, независимо от того, являются ли они синфазными или дифференциальными.
Рис. 8: Фильтрующий элемент, удаляющий ЛЮБОЙ сигнал из линии
Рисунок 9: Различные (симметричные) сигналы или одинаковые (асимметричные) сигналы удаляются независимыми фильтрующими элементами в каждой строке (симметричный фильтр) независимо от типа присутствующих сигналов.
Фильтр можно проверить на симметричную или асимметричную работу. Это означает, что конкретный фильтр можно протестировать, чтобы увидеть, насколько хорошо он удаляет симметричные или асимметричные сигналы. Это делается путем ввода в фильтр сигналов, которые различаются по каждому проводнику, или сигналов, одинаковых для каждого проводника, как и следовало ожидать. График на рисунке 10 показывает, что симметричный фильтр может удалять оба типа сигналов.
Рис. 10: Показан симметричный фильтр, протестированный как на симметричную, так и на асимметричную производительность, дающий одинаковую характеристику
SFD особенно полезны в средах, где присутствующие сигналы хаотичны и непредсказуемы и могут поступать с различной амплитудой, фазой и формой. Еще один очень полезный аспект этого типа фильтра заключается в том, что его можно использовать для удаления сигналов очень низких частот. Испытания на электромагнитную совместимость, такие как те, которые содержатся в таких стандартах, как MIL-STD-461 и -462, требуют тихой радиочастотной среды до 9 кГц.
В частности, военные и оборонные приложения часто ссылаются на требования TEMPEST к своим экранированным объектам, включая низкочастотную фильтрацию. Требования TEMPEST обычно предусматривают высокие уровни затухания (удаления) низких частот вплоть до 14 кГц или даже 9 кГц.или 10 кГц [1]. Симметричные фильтры не только хорошо подходят для использования в этих средах, но и являются единственным выбором, учитывая некоторые недостатки асимметричных фильтров.
Симметричные фильтры обычно крупнее асимметричных, поскольку каждая линия должна иметь отдельные катушки индуктивности, что также делает их более дорогими. Симметричные фильтры также рассеивают больше энергии, чем асимметричные фильтры той же мощности. Асимметричные фильтры имеют общие сердечники индуктивности с другими линиями, что сокращает необходимое пространство и стоимость. Но нужно иметь в виду, что экономия на размере, стоимости и рассеиваемой мощности не является выгодной сделкой, если используется не в том приложении.
Асимметричные фильтры не следует использовать в приложениях EMC, TEMPEST или HEMP.
Асимметричные фильтры
(AFD) также состоят из индуктивных и емкостных элементов, как показано на рис. 11, но расположены таким образом, что линии имеют общий сердечник индуктора, удаляя нежелательные сигналы только тогда, когда они появляются в асимметричном или синфазном режиме.
Рис. 11. Асимметричные фильтры имеют общие катушки индуктивности между линиями
Рассмотрим индуктор двухлинейного фильтра, как показано на рисунке 12. Можно видеть, что две линии фильтра проходят через сердечник индуктора и, таким образом, делят сердечник между линиями. Это имеет положительный эффект, заключающийся в возможности использовать эффект подавления потока такой компоновки и снизить потери в сердечнике. То есть, когда ток по одному проводу течет в одном направлении, по другому проводу течет ток в противоположном направлении.
Это приводит к нейтрализации магнитного потока, создаваемого потоком тока, и сердечник работает с меньшими потерями.
Рис. 12: Асимметричный индуктор (через него проходят две или более линий)
Когда сигналы выглядят по-разному, как в случае, когда мощность поступает в индуктор и выходит через другую линию в противоположном направлении (см. Рисунок 13), индуктор не оказывает существенного сопротивления сигналам, и они проходят прямо через индуктор [2].
Рис. 13. Различное появление сигналов мощности в синфазном сердечнике
В то время как это выгодно на частоте мощности, это не так с другими сигналами, присутствующими в линиях. По сути, индуктор выглядит как очень маленький индуктор, когда присутствуют симметричные сигналы, и выглядит как огромный индуктор только для асимметричных сигналов. Меньшая по емкости катушка индуктивности позволяет проходить сигналам, в то время как большая катушка индуктивности останавливает низкие частоты. Это хорошо видно при измерении асимметричного фильтра для симметричной (DM) и асимметричной (CM) производительности, как показано на рисунке 14.
Рисунок 14: Сравнение характеристик CM и DM асимметричного фильтра
Фильтр синфазных помех в основном используется в электронных схемах с малой силой тока для устранения излучаемых помех, вызванных электронными компонентами и их компоновкой. Оборудование должно соответствовать излучаемым помехам, установленным стандартами ЭМС, и, таким образом, большая часть того, что находится в таком оборудовании, как компьютеры, телевизоры и другие коммерческие электронные устройства, представляет собой синфазные фильтры. Но когда речь идет о промышленных, военных или других приложениях, где требуется высокая степень ослабления нежелательных сигналов, правильным выбором будут симметричные фильтры.
Как указывалось ранее, симметричные фильтры обычно крупнее асимметричных, что делает их более дорогими; потому что, как мы видели, симметричные фильтры не имеют общих сердечников индуктивности, что уменьшило бы пространство. Мы также заявили, что симметричные фильтры также рассеивают больше энергии, чем асимметричные фильтры той же мощности. Но есть и другие проблемы с использованием асимметричных фильтров, такие как необходимость в электрически сбалансированной системе и вопросы параллельного подключения.
В преобразователях частоты должны не только подавляться одинаковые сигналы на входе фильтра, но и ток питания, в котором работает фильтр, должен быть сбалансирован. Например, рассмотрим трехфазную систему. Нагрузки на каждой фазе должны быть одинаковыми для нормальной работы асимметричного фильтра. Любой дисбаланс в системе приведет к дополнительному нагреву общей сердцевины, сокращению срока службы фильтра и значительным потерям возможностей отбраковки и защиты HEMP.
Параллельное подключение асимметричных фильтров для получения линий с более высокой силой тока требует тандемной схемы параллельного подключения, которая увеличивает длину кабеля и способствует появлению симметричных сигналов в линиях и потенциально может разбалансировать систему. Тогда симметричные сигналы будут проходить через фильтр. Все эти факторы делают параллельный асимметричный фильтр нежелательным решением. Симметричный фильтр легче распараллелить, и он не будет страдать от дисбаланса или проблем с производительностью отбраковки. Каждый элемент можно расположить рядом с другим и соответствующим образом согласовать без каких-либо вредных эффектов в системе.
Фильтры для TEMPEST и HEMP
Термин TEMPEST часто используется для обозначения области безопасности излучения. Термин TEMPEST — это кодовое название для защиты правительственного и военного оборудования электронной связи от потенциальных перехватчиков, которые могут перехватывать и интерпретировать эти сигналы. Существует несколько рекомендаций по обеспечению защиты TEMPEST для установки. К ним относятся эффективность экранирования камеры, содержащей чувствительное оборудование, и вносимые потери (затухание) фильтров в проводниках, входящих и выходящих из таких камер. Хотя уровни и степени защиты могут варьироваться в зависимости от уровня угрозы, большинство военных и правительственных объектов США используют NSA 65-6/9.4-106 при указании требуемой степени защиты [1]. В нем говорится, что все проводники, ведущие в камеру, должны быть ослаблены на 100 дБ на частоте не менее 14 кГц, как показано на рисунке 15.
Рисунок 15: TEMPEST требует, чтобы все линии, входящие или выходящие из объекта, соответствовали высокой степени затухания (вносимые потери).
При использовании асимметричных фильтров предполагается, что любой излучаемый радиочастотный сигнал будет в равной степени проникать во все проводники и балансироваться одновременно. Но в реальной жизни нет двух одинаковых или идеально сбалансированных сигналов, и любой дисбаланс в системе, передающей синфазные сигналы, может создать разницу напряжений между проводниками, что приведет к дифференциальным сигналам. И, как мы обсуждали выше, синфазная катушка индуктивности позволит проходить дифференциальным сигналам. Если в такой системе TEMPEST используются только асимметричные фильтры или фильтры с очень небольшим симметричным затуханием, результатом будет то, что эти сигналы будут проходить в корпус (или из него). Как видно, это серьезная проблема в оборонных и военных приложениях TEMPEST, в которых связь сигналов внутри экранированного корпуса довольно хаотична и непредсказуема и может присутствовать как в симметричной, так и в асимметричной формах. В таких случаях фильтры должны отклонять как симметричные, так и асимметричные сигналы.
Делать ставку на маловероятную вероятность того, что Высотный электромагнитный импульс (HEMP) прибудет в равной степени по всем линиям электропередач (см. рис. 16), кажется неразумным. Как мы видели, AFD зависят от сигналов, одинаково поступающих на его входы, чтобы иметь возможность отклонять эти сигналы. Маловероятно, что сигналы будут поступать именно так, чтобы асимметричный фильтр остановил их, учитывая атмосферные условия, распространение волны, количество высвобождаемых электронов, расстояние между линиями электропередач и т.
д. В приложениях HEMP ЭМИ будет приходить хаотично и непредсказуемо Точки входа (POE). Фильтры должны иметь возможность отклонять симметричные сигналы. Если используется только асимметричная фильтрация, не только сигналы будут проходить, но и эти непредсказуемые сигналы (некоторые из которых могут иметь очень большую силу тока) могут вызвать дисбаланс в общем сердечнике асимметричного фильтра, что приведет к мгновенному насыщению ядро(я) и полная потеря защиты от любой формы электромагнитной энергии.
Рисунок 16: Связь или электромагнитная энергия от ЭМИ зависит от многих непредсказуемых факторов.
Заключение
Было показано, что симметричные (дифференциальные) и асимметричные (синфазные) сигналы представляют собой разные типы сигналов, которые могут присутствовать в проводниках. Ясно также, что их можно удалить с помощью симметричных фильтров. Было продемонстрировано, что асимметричные фильтры могут удалять только асимметричные сигналы.
Хотя асимметричные фильтры, как правило, физически меньше и дешевле (из-за меньшего количества компонентов), чем симметричные фильтры, использование асимметричных фильтров должно быть очень тщательно оценено, иначе нежелательные сигналы дифференциального режима могут непреднамеренно пройти через фильтрующую сеть и поставить под угрозу общую производительность системы. .
Важным моментом является то, что фильтры, предназначенные для подавления симметричного шума, также могут по умолчанию подавлять сигналы асимметричного режима. К сожалению, преобразователи частоты могут удалять только синфазные сигналы из-за совместного использования компонентов между линиями, что дает очень малое симметричное затухание, если оно вообще есть. Вот почему преобразователи частоты поставляются только в одной упаковке с клеммами, в то время как дифференциальная фильтрация может также предлагаться в виде дискретных отдельных фильтрующих элементов (вставок). То есть дифференциальному фильтру не нужно совместно использовать реактивную сердцевину с другими линиями для удаления нежелательных сигналов, и поэтому его можно упаковать в отдельные линии, как показано на рис.
7 выше. Проблема с упаковкой приводит к тому факту, что в случае отказа системы фильтрации замена симметричных фильтров гораздо более рентабельна, чем удаление всего блока трехфазного фильтра после повреждения одной линии. Кроме того, время простоя при замене одного элемента намного меньше, чем при замене всего асимметричного узла.
| Конструкции симметричных фильтров | Конструкции асимметричных фильтров | |
| Буря | Да | № |
| Буря/конопля | Да | № |
| КОНОПЛЯ/IEMI | Да | № |
| Общий режим | Да | Да |
| Дифференциальный режим | Да | № |
| Принимает несбалансированные нагрузки | Да | № |
| Простое распараллеливание | Да | № |
| Легко заменяемые фильтрующие элементы | Да | № |
| Сокращение времени простоя после отказа | Да | № |
В приведенной выше таблице показаны рекомендуемые варианты использования симметричных и асимметричных фильтров.
Ссылки
- Л. Хемминг, Architecturon Techniques in Electronic Systems , 2nd, ed. Wiley-Interscience, John Wiley and Sons, Нью-Джерси: 1992. .
- HW Ott, Методы шумоподавления в электронных системах , 2-е изд. Wiley-Interscience, John Wiley and Sons, Нью-Джерси: 1992. .
| Sergio N. Longoria, BSEE учился в Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Он ветеран ВВС США и имеет более чем 20-летний опыт работы в электронной промышленности, 12 из которых в разработке фильтров питания, в том числе специального военного и оборонного назначения. Он работает в ETS-Lindgren, Inc. с 2001 года и в настоящее время является менеджером по технической линейке продуктов для фильтров. С ним можно связаться по адресу [email protected]. |
цифровая связь — Можем ли мы в реальности генерировать сигналы, которые имеют несимметричный амплитудный спектр в области Фурье?
$\begingroup$Читаю системы связи и сомневаюсь: Можно ли в реальности генерировать сигналы с несимметричным амплитудным спектром в области Фурье? Например, если у меня есть сигнал $$u(f)$$ или что-то вроде этого как представление области Фурье
Я знаю, что их обратное преобразование Фурье будет содержать мнимый элемент $j$, но символизирует ли это $j$ просто 90-градусный фазовый сдвиг, могу ли я генерировать сигналы в реальности, которые имеют асимметричные величины их преобразований Фурье.
Я читал, что $j/-j$ просто представляют собой 90-градусное отставание или опережение, но существуют ли в реальности такие сигналы с асимметричным амплитудным спектром в области Фурье? Это также рассеет мои сомнения относительно того, существуют ли в действительности такие сигналы, которые имеют только положительные/отрицательные частотные компоненты в их представлении в области Фурье.
Как следует из ответов, наличие $j$ просто означает фазовый сдвиг, но если некоторый практически допустимый сигнал имеет представление $jm(t)$, где $m(t)$ действительное, без мнимой составляющей, то относительно что я должен определить фазу.
Или такое условие никогда не возникнет там, где обратное преобразование Фурье сигнала является чисто мнимой величиной.
- преобразование Фурье
- цифровая связь
- частотный спектр
Если у вас двумерный сигнал с ортогональными компонентами, то конечно.
Просто назовите одно из измерений мнимой составляющей комплексного результата обратного БПФ или ДПФ. Это может быть близкая аппроксимация ко многим парам физических измерений, таких как напряжение и ток в определенных топологиях электрических цепей переменного тока, или пары сигналов IQ с одной боковой полосой модулирующего сигнала (два квадратурных напряжения, представляющие один сигнал SSB после балансной модуляции смесителя в RF).
Для любого одномерного реального сигнала, тогда нет; поскольку спектр БПФ любого одномерного реального сигнала всегда будет идеально сопряженным симметричным с подавлением зеркально-симметричных мнимых компонентов и симметричных (таким образом, равных) реальных компонентов. Вы можете изменить фазу (фазы) как угодно, и БПФ по-прежнему будет сопряженно-симметричным. Если вы измените фазу сигналов, изменится только угол между сопряженными симметричными векторами, но мнимые части все равно будут равны нулю.
$\endgroup$ 1 $\begingroup$ Как сказал @Bob, это зависит от вашего определения «на самом деле».
Я собираюсь игнорировать изображения в этом посте и сосредоточусь на сигналах как функции времени.
Одномерные сигналы всегда имеют симметричный амплитудный спектр. Примерами являются напряжение или ток в проводе или последовательность действительных чисел, хранящихся в цифровой памяти. 9фаза \circ$).
На мой взгляд, все эти сигналы существуют в реальности, и тогда ответ таков: да, некоторые сигналы в реальности действительно могут иметь несимметричный амплитудный спектр.
$\endgroup$ 4 $\begingroup$Если под «сигналом в реальности» вы подразумеваете реальный сигнал, то ответ — нет.
Вы можете просто посмотреть на определение преобразования Фурье 9{-j \xi t} dt$$
и видим, что $X(-\xi)$ является комплексно-сопряженным $X(\xi)$, поэтому частотная характеристика будет симметричной.
Если под «реальным сигналом» вы подразумеваете физический сигнал, то да, это возможно, если у вас есть сигнал, представленный в виде вектора.
