¿Qué hace que una señal de audio "balanceada"?

¿Qué es exactamente el audio "equilibrado" y por qué es útil? He leído que significa que hay dos voltajes, siendo uno el inverso del otro. Un receptor de audio balanceado observa la diferencia entre estos y llama a eso la "señal". El ruido debería afectar a ambas mitades de la señal balanceada por igual, por lo que el receptor no debería ver el ruido como señal, porque no cambia la diferencia entre las dos mitades.

Pero esto no tiene ningún sentido. ¿No es una señal de audio desequilibrada también una diferencia: la diferencia entre la tierra y el voltaje de la señal? ¿Por qué no podemos simplemente alimentar una señal de audio no balanceada en un receptor de audio balanceado y llamarlo balanceado?

¿Y cómo hacer que un segundo voltaje invertido cambie algo? Si no hiciéramos esto, ¿el ruido todavía no afectaría a ambas mitades por igual y el receptor aún lo rechazaría?

El audio balanceado tiene la señal en un conductor y la señal invertida en otro conductor.

MAL .

El audio balanceado tiene dos conductores de señal y un tercero para tierra.

MAL .

Cualquiera de estas cosas puede ser cierta, pero tampoco es lo que hace que el audio sea equilibrado . Las redes telefónicas hasta hace poco eran completamente analógicas y solo tenían dos cables por circuito. No había terreno. Sin embargo, lograron mantener una conexión relativamente libre de ruido en distancias muy largas. Solo se requieren dos conductores para un audio balanceado.

Un receptor de audio balanceado ideal es un amplificador diferencial. Funciona midiendo la diferencia entre sus dos entradas y llamando a esa diferencia la señal. "Ground" es totalmente irrelevante. Una entrada no necesita ser una copia invertida de la otra entrada. ¿Cómo podría importar si un amplificador diferencial solo observa la diferencia entre sus dos entradas? ¿Cómo podría saber que una entrada es "la señal invertida"?

¿Por qué entonces, no simplemente conectar una de las entradas a tierra? ¿No significa esto que podemos convertir cualquier audio no balanceado en audio balanceado simplemente usando un amplificador diferencial en el extremo receptor?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Resulta que no, no podemos hacer eso, y entender por qué es entender lo que realmente significa audio balanceado. No se trata de tener dos conexiones de audio de un solo extremo, sino de una invertida. Se trata de que la señal se transmita en dos conductores con igual impedancia .

He aquí por qué: el objetivo principal al usar audio balanceado es reducir el ruido. Este ruido es recogido por la inductancia mutua y la capacitancia con otras cosas (con frecuencia: cableado de red) cerca de la señal de audio. Si la inductancia o capacitancia mutua de esta fuente de ruido es igual para nuestros dos conductores, se inducirán voltajes y corrientes iguales en cada conductor. Es decir, su diferencia no cambiará . Por lo tanto, la fuente de ruido, desde la perspectiva de nuestro amplificador diferencial que solo observa esta diferencia, no existe. Considerar:

^{simular este circuito}

¿Cuál es la salida aquí? En la medida en que U1 es un amplificador diferencial ideal, la salida es exactamente 0V DC. Parte del ruido (de V1) se acopla a las entradas a través de C1 y C2, pero debido a que C1 = C2 y R1 = R2, se acopla en cada uno por igual y, por lo tanto, no puede cambiar la diferencia entre los dos, por lo que no puede afectar la salida del amplificador diferencial.

Pero, ¿qué sucede si R1 no es igual a R2? R1 y C1 ahora forman un divisor de voltaje diferente al de R2 y C2, lo que resulta en voltajes desiguales que se acoplan a las entradas del amplificador. Ahora no es una diferencia, y V1, en cierta medida, se encuentra en la salida. El mismo problema existe si las resistencias son iguales pero los condensadores no lo son.

Conducir solo una de las entradas no cambia nada. Considerar:

^{simular este circuito}

¡Oye, eso no está equilibrado! Pero está totalmente equilibrado. El ruido todavía ve impedancias iguales para cada una de las entradas. El ruido aún se acopla por igual en cada entrada, por lo que no cambia la diferencia. Por lo tanto, sigue siendo rechazado.

Hay dos razones por las que su conexión de audio típica, como la que se encuentra en un iPod o una videograbadora, no está equilibrada. El primero es la geometría del cable. Por lo general, estos usan cables coaxiales, con la tierra como escudo, y una señal de tierra dentro de ella. Debido a que la forma de los conductores ni siquiera es remotamente similar, no pueden tener la misma impedancia que sus alrededores. En términos de los ejemplos anteriores, C1 y C2 no son iguales.

El segundo es cómo se conducen estas líneas típicamente. Suelen verse así:

^{simular este circuito}

Si U1 fuera un búfer ideal, esto estaría equilibrado. Pero no lo es: U1 suele ser algún tipo de amplificador operacional con una pequeña impedancia de salida. Aunque es pequeño, no es tan pequeño como la conexión directa a tierra vista por la otra mitad del cable. La impedancia de salida del amplificador operacional probablemente también varía significativamente con la frecuencia.

Una solución muy económica y muy efectiva para este problema es establecer la impedancia de salida con algo más controlable, como una resistencia. Podemos poner una resistencia del orden de 100 ohmios en serie sin atenuar significativamente la señal. Una implementación práctica se ve así:

Esto es de un gran artículo de Rod Elliott (ESP) / Uwe Beis . R2 y R3 hacen la mayor parte del equilibrio: estas resistencias se pueden comprar o recortar para tener resistencias muy iguales. Dado que son significativamente más grandes que la impedancia de salida del amplificador operacional, la impedancia de salida del amplificador operacional es relativamente insignificante.

R4 y C1 sirven para hacer que el amplificador operacional sea insignificante a frecuencias más altas. Los amplificadores operacionales reales tienen una impedancia de salida creciente con frecuencia, lo que serviría para desequilibrar el circuito a alta frecuencia. Sin embargo, la impedancia de salida del amplificador operacional se vuelve menos significativa a frecuencias más altas cuando R4 y C1 desvían las dos mitades juntas.

Esta topología no está exenta de algunas desventajas. En primer lugar, dado que no puede manejar ambas líneas, tiene la mitad del rango dinámico en comparación con un diseño que puede manejar ambas líneas. En segundo lugar, controla las dos líneas de señal con un voltaje de modo común la mitad del de la señal de entrada. Por lo tanto, el controlador debe conducir la capacitancia de las dos líneas de señal a su entorno, como el blindaje de los cables de audio típicos. Sin embargo, para longitudes de cable moderadas, es poco probable que sea un problema.

La ventaja es un recuento reducido de piezas. Además, si está en un conector TRS que se inserta en una entrada desequilibrada, no puede suceder nada malo, ya que el anillo, que normalmente es "señal invertida", no está conectado a ningún dispositivo electrónico activo.

Más importante aún, disipa un malentendido común sobre cómo funciona el audio equilibrado.

A pesar de las respuestas ya aquí, la historia aún no está completa.

Se conecta una señal de audio completamente balanceada

• de un conductor equilibrado,
• a través de un cable balanceado,
• a un receptor balanceado,

y cada parte debe considerarse por separado.

Algunos de los circuitos descritos hasta ahora funcionarán entre sí en algunas circunstancias, pero la mayoría fallará una prueba u otra.

Cable equilibrado.

Un cable balanceado tiene dos conductores ("patas") de igual impedancia y con igual exposición a campos externos, generalmente logrados al retorcer los dos conductores juntos. Ocasionalmente, cada pata es en sí misma un par, por lo que hay 4 conductores intercalados y fuertemente retorcidos en configuración de estrella-cuádruple.

La exposición igual a campos externos significa que cualquier acoplamiento electrostático de una fuente de interferencia en el cable generará el mismo voltaje en cada pata, y cualquier acoplamiento magnético inyectará la misma corriente en cada pata.

No es necesaria una conexión a tierra para una señal balanceada, aunque una pantalla puede reducir la interferencia de señales externas, así como la interferencia radiada a otras señales. Si hay una pantalla presente, a menudo se conecta en un extremo solo para eliminar los bucles de tierra. En el nivel del sistema, generalmente habrá una conexión a tierra al equipo en cada extremo de la señal, aunque puede compartirse entre 2, 50 o varios cientos de señales balanceadas.

Receptor equilibrado.

El receptor balanceado no es simplemente un amplificador diferencial. También debe mantener la misma impedancia a tierra desde cada pata.

El amplificador diferencial asegura que los voltajes interferentes que lleguen a ambas patas se cancelen entre sí (es decir, ganancia en modo común = 0). Esto incluye no solo cualquier interferencia, sino también cualquier diferencia entre los potenciales de "tierra" en cada extremo.

Las impedancias iguales en cada tramo aseguran que cualquier corriente interferente inyectada en ambos tramos desarrolle el mismo voltaje en cada tramo, que luego puede ser rechazado por el amplificador diferencial. Un amplificador diferencial simple fallará esta prueba.

Conductor equilibrado.

El controlador equilibrado tiene tres tareas:

1. Genere salidas "verdaderas" e invertidas en la misma amplitud.
2. Tener la misma impedancia a tierra en cada salida
3. Transfiera cualquier voltaje interferente en una pierna a la otra pierna

1) Las salidas "balanceadas" que manejan una pierna pero hacen trampa al conducir 0V en la otra fallarán la primera prueba: el voltaje de salida en modo común es la mitad de la señal original; ¡esto irradiará interferencia a cualquier otra señal transportada en pares adyacentes! ¡No es algo que desee en un cable de 50 pares del largo de Broadcasting House! (y eso me data ...) Una buena salida balanceada minimizará la interferencia con otras señales, además de preservar la integridad de su propia señal.

Si los otros pares son buenas señales balanceadas, la interferencia puede no ser grave, ya que debería ser de modo común, pero el objetivo es reducir la degradación de la señal tanto como sea posible.

Estos llamados controladores "balanceados" tienen aplicaciones en audio de consumo de gama alta o pequeños estudios de grabación, por lo que están cerca, pero ... tenga cuidado.

2) La misma impedancia a tierra en cada tramo es importante, como en los receptores, para convertir las corrientes inducidas en modo común en voltaje de modo común.

3) La transferencia de un voltaje interferente en un tramo al otro, crea un voltaje en modo común a partir de lo que de otro modo sería un voltaje diferencial (es decir, la interferencia que afecta a un tramo más que al otro) mejorando su rechazo en el receptor. Un controlador diferencial simple fallará esta prueba. También tiene la característica de que si un tramo está en cortocircuito a tierra, la amplitud del otro tramo se duplica, por lo que el voltaje diferencial (la señal deseada) no se ve afectado. Un controlador diferencial * realmente fallará esta prueba ...

Con señales de audio correctamente balanceadas, los ingenieros de transmisión han sabido inyectar una señal de modo común en una señal balanceada, y su complemento en un segundo; creando así un tercer "circuito fantasma" que no interfiere con ninguna de sus víctimas ...

El problema es, como usted dice, que en una señal balanceada el valor real de la señal es la diferencia entre dos señales manejadas en sentido opuesto. En una señal de un solo extremo, todavía hay una diferencia, pero la diferencia es con respecto a tierra, que también es la referencia para todo tipo de otras señales.

Si tenía un dispositivo completamente flotante, como un altavoz con un amplificador alimentado por batería incorporado en la caja, entonces no hay diferencia entre un balance y una señal de extremo único. Ambos proporcionan dos cables, y la señal que desea es la diferencia entre ellos.

Sin embargo, rara vez tenemos dispositivos receptores que realmente puedan flotar a un voltaje arbitrario. El problema es que con una señal referenciada a tierra, es prácticamente imposible en un sentido práctico tratar ambas líneas por igual. El ruido externo no se acoplará de la misma manera a una línea de señal que a una línea utilizada como tierra por partes del sistema. Esto se debe en parte a que el suelo se usa como referencia para la mayoría de las señales, por lo que, por definición , no cambia.

Incluso en el ejemplo del amplificador de altavoz con batería flotante, se debe tener cuidado de no tratar las dos líneas de entrada de manera diferente. Esto es más difícil de lo que parece. Por ejemplo, si conecta una de las líneas a su tierra local y está conectada al chasis o al plano de tierra de su circuito, entonces el ruido externo se acoplará a esa señal más fácilmente, ya que presenta una mayor capacidad al exterior. Como el amplificador usa eso como referencia, no puede ver el ruido en la línea de tierra, pero la captación desigual del ruido por las dos líneas se mostrará como una señal diferencial, que se detectará y amplificará.

Entonces, en general, no se trata solo de codificar la señal como una diferencia entre dos líneas. Como dices, ese es siempre el caso de todos modos. Se trata de configurar el sistema para que esas dos líneas puedan ser tratadas por igual y, por lo tanto, captar el mismo ruido del mundo exterior. Al codificar la señal por igual pero con polaridad opuesta en ambas líneas, el receptor puede tomar la diferencia, que en teoría cancela cualquier ruido captado igualmente por las dos líneas.

Una señal de audio "balanceada" es, por lo tanto, de tres líneas. Las dos líneas de señal con igual impedancia, igual tratamiento en el cable, y conducidas en sentido opuesto a la señal, y una línea de tierra separada que es la referencia 0 para todo. En un cable de audio balanceado de alta calidad, las dos líneas de señal son un par trenzado rodeado por un blindaje conectado a tierra. El escudo bloquea la captación capacitiva desde el exterior, y al girar las dos líneas de señal una alrededor de la otra, se acoplarán al exterior para que el promedio sea igual en distancias relativamente cortas.

Agregado en respuesta a algunos de los comentarios:

Primero, da la impresión equivocada al llamar a una de las líneas diferenciales "activa" y a la otra "activa". Ambos llevan igualmente una señal, solo que esas señales están invertidas entre sí. Por lo tanto, caliente y frío son malos nombres que exhiben un concepto erróneo o pueden llevar a otros a uno.

Segundo, no, las líneas de señal y la tierra NO tienen la misma impedancia. Ese es el problema. Debido al desequilibrio en la impedancia, una línea captará más ruido externo que la otra. Es exactamente esto lo que se enfatiza al llamar a esto "equilibrado" en lugar de "diferencial". Con el sistema de 3 líneas, puede tener ambas líneas de señal iguales y con una impedancia razonable para una señal sin dejar de tener una referencia a tierra.

Debe suponer que el ruido se acoplará a cualquier señal. El audio equilibrado tiene buena inmunidad al ruido debido a dos características: ambas líneas de señal se tratan por igual, por lo que ambas captan el mismo ruido y las señales son opuestas. Cuando los receptores toman la diferencia, el ruido se cancela y solo queda la señal. En un sistema de un solo extremo, ambas líneas NO son iguales, por lo que una capta el ruido de manera diferente a la otra. La diferencia entre tierra y la línea de señal incluirá esta diferencia en la captación de ruido.

Usaré imágenes de este tutorial

Los cables de audio balanceados transfieren la misma señal pero con una diferencia de 180 grados entre ellos.

Cuando se introduce ruido en el cable, se introduce por igual tanto en la señal original como en la invertida porque ambas tienen la misma impedancia. Luego, el receptor invierte una de las señales y el resultado son dos señales en fase que contienen el audio original y dos señales de ruido con una diferencia de 180 grados entre ellas. Cuando se suman estas señales, el resultado es la señal de audio pura con el ruido eliminado (cancelado).

Cuando se usa un cable de un solo extremo para transferir la señal, un cable transfiere la señal y el otro la tierra misma, por lo que no puede seguir el mismo proceso que con las señales balanceadas para eliminar el ruido.

¿Qué es exactamente el audio "equilibrado" y por qué es útil?

El audio balanceado se refiere a la transmisión de datos de audio como una señal eléctrica a través de una línea balanceada. Por lo general, la señal eléctrica es analógica, pero existen algunos estándares para la transmisión de audio digital por línea balanceada (por ejemplo, AES-EBU ).

He leído que significa que hay dos voltajes, siendo uno el inverso del otro. Un receptor de audio balanceado observa la diferencia entre estos y llama a eso la "señal".

Básicamente sí. Hablando estrictamente, se supone que la diferencia es proporcional a la señal original.

El ruido debería afectar ambas mitades de la señal balanceada por igual,

Muy casi por igual, sí.

entonces el receptor no debería ver el ruido como señal, porque no cambia la diferencia entre las dos mitades.

Básicamente sí.

Pero esto no tiene ningún sentido.

Si lo hace. Es muy efectivo y ampliamente utilizado.

¿No es una señal de audio desequilibrada también una diferencia: la diferencia entre la tierra y el voltaje de la señal?

No todas las señales de audio se transmiten con referencia a tierra, pero en los casos en que se encuentran, la respuesta es "sí".

¿Por qué no podemos simplemente alimentar una señal de audio no balanceada en un receptor de audio balanceado y llamarlo balanceado?

Podrías, pero no estaría equilibrado.

Su cable que transporta la señal de audio "desequilibrada" tendría uno o dos conductores en uso:

• Señal : definitivamente (más cualquier ruido). Usualmente transportado a través de un núcleo conductor;
• Regreso : opcionalmente (más cualquier ruido). Usualmente transportado a través de un blindaje conductor que tiene una impedancia diferente y dimensiones diferentes al núcleo conductor; generalmente conectado al chasis del equipo (conectado a tierra) en uno o ambos extremos.

Estas son las dos posibilidades más comunes y sus resultados:

1. Se utiliza un escudo (conectado a tierra) para realizar el "retorno" (es decir, la referencia). La diferencia en la impedancia y las dimensiones de los dos conductores significa que la interferencia no los afectará por igual, por lo que la diferencia entre ellos incluirá algo de ruido.
2. No existe una ruta de retorno de baja resistencia (por ejemplo, en el caso de un cable blindado de un solo núcleo con su blindaje cortado en un extremo para evitar bucles de tierra). Cualquier ruido inducido en el conductor de señal persistirá.

Su transmisor y receptor de audio balanceado, por el contrario, tienen tres conductores:

• Caliente : es decir, la señal (más cualquier ruido). Normalmente conectado por un núcleo de un cable blindado de doble núcleo.
• Frío : es decir, la señal invertida (más cualquier ruido). Normalmente conectado por el otro núcleo de un cable blindado de doble núcleo.
• Escudo : generalmente conectado a tierra en algún momento del sistema en su conjunto. Típicamente conectado por el blindaje de un cable blindado de doble núcleo.

Si conecta la señal de su línea "desequilibrada" al pin activo de su receptor, entonces el efecto será igual que en el caso 1 o 2 anterior, más la amplitud de su señal puede verse afectada dependiendo de los circuitos del receptor. Si lo conecta al pin frío, el efecto será igual que en el caso 1. o 2. anterior, más la amplitud de su señal puede verse afectada dependiendo de los circuitos del receptor e invertirá la fase de su señal.

¿Y cómo hacer que un segundo voltaje invertido cambie algo?

Es bastante crucial que este segundo voltaje sea conducido por uno o más conductores de dimensiones e impedancia y ubicación tan cercanas al uno o más conductores que transportan el voltaje no invertido. Es por eso que la mayoría de los cables de audio balanceados usan un par de conductores retorcidos , a menudo con algo de material de empaque (hilo de algodón, tubos de plástico fino, etc.) para evitar que el par se separe. Aquí hay una ilustración de Canford :

Algunos cables de audio balanceados, como StarQuad , usan un par de pares trenzados : dos núcleos para calor, dos para frío.

Al crear una ruta para la señal fría que tiene una impedancia y dimensiones y una ubicación muy parecidas a las de la señal caliente, minimiza la diferencia entre el ruido inducido en la señal caliente y el ruido inducido en la señal fría, produciendo una muy alta rechazo de ese ruido.

Si no hiciéramos esto, ¿el ruido todavía no afectaría a ambas mitades por igual y el receptor aún lo rechazaría?

No; o al menos, no en la misma medida.

No necesitas una pantalla o un tercer cable para tener balance de audio: pensé que solo tendría que opinar y estar de acuerdo con lo que creo que Phil está objetando. Lo que he dibujado a continuación es cómo percibo una situación equilibrada (escenario 3):

Otra ventaja del escenario 3 es que las fuentes externas de ruido interferente se "equilibran" en la línea porque el controlador diferencial "proyecta" una impedancia que es en gran medida idéntica en ambas líneas, es decir, en cualquier punto del cable ambos cables proyectan la misma impedancia a tierra local o de otro modo.

¡La torsión y el cribado son superfluos para la pregunta que creo pero ayuda mucho, como sabemos!

No digo que el escenario 3 tenga líneas de salida controladas en antifase, pero dado que el controlador tiene todos los circuitos para crear una salida "neutral" balanceada, tiene sentido, desde el punto de vista de señal / ruido, conducir ambas líneas. antifase