¿Cómo se usan los cables coaxiales no balanceados para transmitir señales de TV sin ningún problema?

Que yo sepa, en telefonía se utilizan cables STP o de par trenzado. Esto crea impedancias de línea balanceadas que es útil para mitigar la interferencia relacionada con el modo común.

Por lo tanto, utilizar cables balanceados en telefonía y audio es crucial para eliminar cualquier interferencia EM o RF.

Por otro lado, en la transmisión de TV o en muchos sistemas de RF se utilizan cables coaxiales. Y la mayoría de los cables coaxiales que he visto no están balanceados. Puedo ver que el concepto de 50 ohmios es bueno para deshacerse de los reflejos en la teoría de la línea de transmisión. Pero, ¿cómo es que el desequilibrio de los cables coaxiales no causa problemas con el equilibrio de impedancia?

Pero, ¿cómo es que el desequilibrio de los cables coaxiales no tiene problemas de equilibrio de impedancia?

Lo hermoso de coaxial es que el blindaje deriva principalmente toda la interferencia externa del campo eléctrico a tierra y el cable interno no se ve afectado en gran medida. Para una interferencia de campo magnético externo, sucede algo sutil; la corriente que fluye en la pantalla debido a la presencia del campo crea una caída de voltaje a lo largo de la pantalla y, debido al acoplamiento cercano 1: 1 entre la pantalla y el interior, esa caída de voltaje idéntica está presente en el núcleo interno.

Por lo tanto, siempre que utilice un receptor diferencial y el extremo emisor tenga de manera razonable las mismas impedancias a tierra tanto en el blindaje como en el interior, el receptor diferencial puede rechazar la interferencia en modo común.

Si hace los cálculos en los campos externos producidos por una señal regular enviada por un cable coaxial y analiza los campos de las corrientes de envío y retorno individualmente, encontrará que en todos los puntos fuera del escudo, los campos magnéticos opuestos se cancelan exactamente a cero. No hay campo magnético fuera de un coaxial de una señal coaxial regular.

El impacto de esto es que el campo magnético de la señal solo se produce en el espacio entre el escudo interno y el externo. Una repercusión de esto es que el escudo, por lo tanto, debe tener una inductancia cero. Esto se debe a que el campo magnético externo es cero (también conocido como inducción cero) y el campo magnético interno de la señal no tiene efecto en un conductor tubular (también conocido como escudo), por lo tanto, el escudo se comporta como una carcasa de tierra infinitamente gruesa que rodea el interior.

Eso puede ser un poco difícil de tragar, pero si vuelve a las teorías de los campos magnéticos asociados con un flujo tubular de corriente, se produce un campo externo pero no un campo interno. Lo contrario es completamente cierto; un campo magnético dentro de un tubo no induce voltaje a lo largo del tubo Y, dado que no hay campo externo, el blindaje tiene cero inductancia.

El resultado de todos mis divagaciones es que funciona a pesar de tener un régimen de impedancia significativamente desequilibrado entre el escudo interno y el externo. No es tan fácil ver de inmediato que te concedo, así que espero haberle hecho algo de justicia.

Andy habla sobre cómo funciona el coaxial en general, pero otro punto es que, en general, el video no tiene los mismos requisitos de SNR que el audio. Los datos con 8 a 10 bits por canal de color proporcionan imágenes muy buenas, y esto representa una SNR de solo 50 a 60 dB.

Por otro lado, para ser considerado "calidad de CD", el audio debe tener al menos 16 bits de resolución, equivalente a una SNR de casi 100 dB.

La telefonía es un caso especial. Si bien no requiere mucho ancho de banda, sí requiere un rango dinámico equivalente a 13-14 bits. (Pero la codificación utilizada reduce la SNR a aproximadamente 7 bits). El UTP (par trenzado sin blindaje) se usa solo porque es muy barato de fabricar y se requiere mucho.

La principal diferencia técnica es cómo rechazan la interferencia. El par trenzado se basa en la interferencia que afecta a ambos cables por igual, generando ruido en modo común que es fácilmente rechazado por el receptor diferencial. Esto funciona bien para la interferencia magnética hasta frecuencias muy bajas.

El cable coaxial se basa en la interferencia magnética que induce corrientes opuestas en el blindaje que cancelan el campo magnético en el interior. La penetración del campo magnético en el cable está limitada por el efecto de la piel . Esto funciona bien en frecuencias de RF, pero deficiente a inútil en frecuencias de audio y línea de alimentación. A 50Hz, la profundidad de la piel es de ~ 9 mm, por lo que la interferencia atraviesa el escudo.

Entonces, cuál es el mejor depende en gran medida de las frecuencias involucradas y el tipo de interferencia que pueda estar presente, pero no es la única razón para elegir una sobre la otra.

Las líneas telefónicas analógicas a menudo tienen que correr cerca de líneas eléctricas a largas distancias mientras transmiten señales de audio de nivel bastante bajo. El oído humano es bastante sensible a los armónicos de la línea de alimentación que los coaxiales no podrían rechazar. El cable coaxial también es más voluminoso y más caro, lo cual es un gran problema cuando tienes que ejecutar miles de ellos a lo largo de muchos kilómetros. Imagínese esto , pero con 1800 cables coaxiales individuales agrupados ...

El par trenzado también puede funcionar bien a frecuencias más altas, pero las dimensiones del cable pueden ser inconvenientes. Los televisores solían usar un cable de "cinta" de 300Ω, que en realidad tiene una pérdida menor que el coaxial estándar en las frecuencias de VHF. Pero era molesto de usar porque tenía que mantenerse alejado del techo de metal, etc., era propenso a daños climáticos y un balun se requería para convertirlo a 75Ω desequilibrado en el receptor.

A frecuencias más altas, el coaxial tiene la ventaja de una pérdida más baja y un ancho de banda más amplio en un cable robusto con excelente blindaje, y la señal desequilibrada es más fácil de conectar. Los tendidos de cable son generalmente cortos, por lo que el costo no es un gran problema, excepto para CATV, pero luego (a diferencia de los teléfonos) cada suscriptor no necesita su propio circuito, por lo que un solo cable podría servir a miles de televidentes (el CATV moderno es principalmente fibra) óptica por lo que las corridas coaxiales son mucho más cortas).

Los cables coaxiales se usan comúnmente en audio para conectarse entre componentes y equipos internos, a pesar de no ser muy efectivos contra la interferencia magnética de baja frecuencia. Sin embargo, las impedancias del circuito generalmente están en el rango de 1k a 1M, por lo que la interferencia magnética (que genera alta corriente pero bajo voltaje) es un problema menor. El coaxial todavía protege contra los campos eléctricos (que tienen más efecto a una impedancia más alta) y la interferencia de RF de todo tipo. Las señales de audio de bajo nivel pueden necesitar una mejor protección, y luego a menudo se usa un par trenzado blindado. Esto combina las ventajas de ambos tipos de cable.

Puedo ver que el concepto de 50 ohmios es bueno para deshacerse de los reflejos en la teoría de la línea de transmisión. Pero, ¿cómo es que el desequilibrio de los cables coaxiales no causa problemas con el equilibrio de impedancia?

Equilibrado o no equilibrado no hace ninguna diferencia para la coincidencia de impedancia, y la coincidencia precisa no siempre es necesaria de todos modos. Si la longitud del cable es mucho más corta que las longitudes de onda de la señal, los reflejos no son un problema en la mayoría de las aplicaciones. A nadie le importa la impedancia coaxial en las aplicaciones de audio, e incluso el video compuesto (con un ancho de banda de ~ 6MHz) no se ve visiblemente afectado por cables incomparables en los cables de los equipos.

Una razón completamente diferente por la que se favorece el coaxial para la televisión es la respuesta de frecuencia.

Las pérdidas asociadas con el par trenzado aumentan rápidamente con la frecuencia, hasta el punto en que los módems DSL luchan por usar incluso los 10 MHz más bajos de ancho de banda en los bucles de abonado de teléfonos analógicos. Por la misma razón, Ethernet de alta velocidad ( 1G , 10G y superior) sobre par trenzado se limita a longitudes de enlace físico muy cortas (100 m como máximo) y requiere mucha tecnología moderna para llegar allí.

Coax, por otro lado, tiene (y siempre ha tenido) pérdidas razonablemente bajas en las frecuencias VHF y UHF requeridas para TV (10s de MHz a 1 GHz).

En una vista simplista:

Los cables coaxiales enrollan la vista de tierra plana para que tenga una simetría fuerte y sin 'afuera' (anteriormente 'abajo').

Además, la profundidad de la piel en los cables significa que el exterior de la funda está efectivamente aislado (en las frecuencias más altas) del interior de la funda que interactúa con el núcleo.

Dicho esto, los cables balanceados son muy beneficiosos cuando se usan adecuadamente. Tenga en cuenta que son las impedancias al punto común las que están equilibradas, no los "voltajes" (que tienen una referencia arbitraria, ya que siempre son diferencias potenciales). Los sistemas equilibrados actúan como puentes de Wheatstone donde nada fluye en el brazo reticulado.