Коммутация в радиостанции
Михаил Сергеев
Если стоит задача сделать студию целиком, "с чистого листа",
то нужно пригласить специалистов, и они справятся. Вопросы шумов,
фона, щелчков и прочих коммутационных неприятностей решаются в
этом случае элементарно, рецепт прост: утром - устранение огрехов
монтажа, а вечером - деньги.
Но как бы хороша ни была студия, рано или поздно возникает необходимость
еще что-нибудь добавить, или заменить вышедший из строя прибор.
Эту работу персоналу студии придется, скорее всего, делать самостоятельно,
и предлагаемый вашему вниманию небольшой экскурс в технику коммутаций
может оказаться полезным.
Любая студия в электрической своей части состоит из приборов,
проводов и разъемов. Успехи обеспечиваются возможностями аппаратуры,
а причинами неудач оказываются чаще всего соединения, то есть
провода и разъемы.
Разъемы
Большая часть соединений в профессиональной аудиотехнике выполняется
с помощью разъемов XLR, можно встретить четвертьдюймовые стереоджеки
(TRS) и моноджеки (TS). В бытовой аппаратуре преобладает RCA,
он же cinch, он же, на языке продавцов привокзальных ларьков,
- "тюльпан", а в портативных устройствах и бытовых компьютерных
платах - стереоминиджеки. В профессиональных компьютерных платах
ставят разъемы DB (в форме латинской буквы D), с разным количеством
контактов: 9, 15 и 25.
XLR
Конструкцию
XLR иллюстрирует рисунок 1. Большая площадь контактирующей поверхности
обеспечивает надежное соединение, три контакта позволяют использовать
XLR для коммутации симметричных линий. В этом разъеме разделены
электрические контакты и механический фиксатор. Прочный металлический
корпус разъема - важный элемент соединения. Имеет значение и то
обстоятельство, что при коммутации XLR сначала соединяются корпуса
разъемов, и только потом, одновременно - сигнальные контакты.
Встречаются разные варианты конструкций корпуса разъема XLR,
и во всех предусмотрена фиксация кабеля. Это может быть металлическая
скоба или хомут с винтовым прижимом, очень удобен цанговый фиксатор.
Стоит помнить, что этот фиксатор предназначен для кабеля определенного
диаметра. Проявив настойчивость, и запихнув в разъем первый попавший
под руку провод, получим неприятность - кабель окажется незафиксированным
и оборвется в самый неподходящий момент. Эластичная резиновая
манжета защищает кабель от переломов около разъема, и она тоже
должна иметь подходящий диаметр.
Разъемы XLR обеспечивают высокую надежность и качество соединения,
и именно такие следует использовать в ответственных местах, даже
если коммутируется небалансная двухпроводная линия. Важно еще
и то, что XLR защищены от неправильного подключения, и вероятность
случайно замкнуть контакт, или задеть пальцем за сигнальный провод
практически равна нулю. Особенно важны эти свойства в радиовещании.
Какой-то технический сбой в студии записи или post-production
можно исправить, заново переписать фонограмму, - в эфирной студии
такой возможности просто нет.
Джек
Он
бывает двух типов: штекер, полужаргонно называемый "папой", и
гнездо, соответственно "мама". По-английски они называются male
и female, то есть почти также, но жаргонного оттенка уже не носят.
Разъем этого типа (Рис. 2.) очень удобно вставлять и вынимать,
гораздо проще, чем XLR. Обратите внимание: экран и общий провод
- это разные вещи. Недостатки - продолжения достоинств: сигнальные
контакты разъема незащищены, в процессе коммутации можно коснуться
их рукой, вероятно случайное соединение с токопроводящими частями
аппаратуры. И в результате из громкоговорителей раздается сердитое
"рычание". При подключении сигнальный контакт разъема сначала
соединяется с корпусом источника сигнала, и поэтому вставлять
джеки "на ходу" не следует. Щелчок гарантирован, а при неудачном
стечении обстоятельств, когда между корпусами приборов есть разность
потенциалов, вероятен выход из строя входных или выходных цепей.
Особенно часто такие неприятности возникают при коммутации системы,
в состав которой входит компьютер.
Выбирая разъемы для студии, стоит обратить внимание на наличие
у них фиксатора для кабеля. В простейших версиях джеков для фиксации
предлагается использовать латунную обжимную скобку. В безвыходной
ситуации можно использовать и такие разъемы, но необходимо дополнительно
крепить кабель, например, примотав его прочной ниткой к "общему"
выводу. Но лучше найти нормальный разъем, большая его цена вполне
окупает более высокую надежность. Обратите внимание и на эластичную
манжету, - причиной обрыва жил кабеля чаще всего оказывается низкое
ее качество. Качественные джеки имеют манжету в виде спирали или
пружины.
Конструкция
штекера ("папы") джека такова, что его можно сломать, потянув
кабель перпендикулярно оси разъема. Мне пришлось однажды доставать
из пульта обломки джека от головных телефонов, занятие это не
очень приятное. Тогда и родился способ защиты: в пульт вставляется
двадцатисантиметровый переход "джек-штекер - джек-гнездо", а уже
в него - штекер телефонов. Когда на волне эмоций ди-джей вскакивает
со стула, не сняв головных телефонов, их штекер просто выдергивается
из гнезда переходника, а провода и разъемы остаются целыми.
Миниджек по конструкции такой же, как джек обычный, но имеет
меньший диаметр. Миниджек малопригоден для качественных соединений.
Основные недостатки разъемов этого типоразмера: недостаточная
прочность и трудности с подбором кабеля. Обычный кабель диаметром
6 или 8 мм в миниджек-штекер просто не влезает, нужно искать более
тонкие кабели (4 мм), а выбор их невелик, и качество не всегда
высокое.
Если возникла необходимость подключиться к прибору с гнездом
типа миниджек, то стоит сделать дополнительный переход на обычный
четвертьдюймовый джек, XLR или, в крайнем случае, RCA, и уже его
использовать для коммутации.
С такой задачей часто приходится сталкиваться при подключении
компьютеров, поскольку недорогие звуковые карты имеют выходы и
выходы миниджек. В этом случае нужно поставить в окно пустого
слота планку, а на эту планку - разъем DB9, такой же, как на COM-порте.
Припаяв аккуратно один раз к звуковой карте экранированные провода,
можно спокойно и долго работать. "Промахнуться", вставляя в гнездо
штекер DB9 трудно, не удастся и перепутать в суете линейный вход
с микрофонным или выходом.
RCA
Потенциал
типоразмера RCA (рисунок 3.) весьма высок, но не всегда он реализован.
Бытовой RCA часто вызывает негативную реакцию у профессионалов,
и тому есть все основания: отсутствие механического фиксатора
соединения, возможность случайного замыкания и просто низкое качество
большинства разъемов, которые есть в продаже. Однако, хорошо поискав,
можно найти RCA с выдвижной пружинной обоймой. Такой разъем при
подключении сначала соединяет "общие" провода, а потом - сигнальные.
И качество контактных поверхностей у этих разъемов тоже отличное,
как, впрочем, и цена, но на ответственных соединениях лучше не
экономить - простой студии или брак в ее работе стоят гораздо
больше.
Для коммутаций второстепенных цепей можно взять разъем попроще
и подешевле, но в любом случае он должен иметь фиксатор для кабеля
и подпружиненную обойму контакта "общего" провода.
Если
аппаратура в студии имеет разъемы RCA, то необходимо защитить
идущие к ним провода от случайных рывков - отсутствие механической
фиксации может стать причиной разрыва цепи. Удобным и надежным
методом кажется укладка проводов в пластиковые кабель-каналы.
Их можно закрепить и на стойке с аппаратурой, и даже на студийной
мебели. В любом, кстати, случае, не стоит устраивать в студии
джунгли с проводами вместо лиан. И некрасиво, и неудобно, и током
может стукнуть…
Провода
Обычно
для передачи звуковых сигналов используют экранированные провода.
Простейшим представителем большого семейства является коаксиальный
кабель без внешней изоляции. (Рис. 4а) Только в безвыходной ситуации,
когда вообще ничего больше нет под руками, можно использовать
для передачи сигналов такой кабель. Если возникнет контакт внешней
оплетки кабеля с другими проводниками в студии, то к звуковому
сигналу добавится неприятный щелчок или шорох. Дело в том, что
экранирующая оплетка не является эквипотенциальной, вдоль кабеля
распределено напряжение. Источником напряжения на оплетке является
радио- или телевизионное вещание. Метровый отрезок кабеля - это
антенна, его соединение с другими проводниками вызывает перераспределение
потенциалов, каковое и создает помехи звуковому сигналу.
Для второстепенных соединений в студии можно использовать коаксиальный
кабель с изоляцией (рис. 4б). Естественно, из такого кабеля можно
сделать только несимметричную линию.
Если по полуметровой линии передавать сигнал напряжением 1 В,
то уровень помех, наведенных на нее даже в сложной электромагнитной
обстановке, едва ли существенно скажется на качестве сигнала.
При меньших напряжениях сигнала, или больших расстояниях, даже
для несимметричного соединения лучше взять витую пару в экране
(рис.4в). Именно этот провод обычно используется в студиях.
Различаются кабели конструкцией, изолирующими материалами и проводниками.
Для линий, укладываемых в короб или кабель-канал, можно взять
кабель с одножильными проводниками; если нужно гибкое соединение,
то центральные проводники должны быть многожильными. Провода в
полиэтиленовой изоляции плохо переносят нагрев при пайке, и их
прочность невысока. Удобны в использовании кабели с дополнительным
текстильным шнуром внутри: их легко крепить в разъемах, они переносят
без последствий рывки и сдавливание.
Иногда применяется двойное экранирование провода, дополнительный
экран должен повысить помехозащищенность, это важно при передаче
сигналов низкого уровня, например, от динамического микрофона.
Но не стоит уповать на второй экран - чаще всего причиной наводок
и помех являются неудачные схемы соединений, а не недостаток экранирующих
свойств кабеля.
Кабель в студии незаметен, но от его качества очень многое зависит,
и не стоит на кабеле экономить. При возможности стоит взять кабель
с "плотной" оплеткой из медных жил, многожильными центральными
проводниками в термостойкой изоляции и с текстильным шнуром.
Приборы
Кабель
не имеет смысла рассматривать в отрыве от источников и приемников
сигнала. Организуя соединение между приборами, необходимо учитывать
не только свойства кабелей и разъемов, но и особенности построения
входных и выходных цепей.
Проще всего решаются вопросы коммутации приборов с трансформаторными
входами и выходами. На рисунке 5 показано подключение источника
с трансформаторным балансным выходом к приемнику с таким же входом.
В этом случае соединяются только сигнальные провода и исключены
"петли" по земле. Высокая помехоустойчивость таких линий позволяет
передавать даже слабые микрофонные сигналы.
Но трансформаторные интерфейсы не лишены и недостатков. Если
на линии появляется постоянное напряжение, то сердечник трансформатора
намагничивается, это приводит к увеличению нелинейных искажений
и неравномерности АЧХ. Остаточная намагниченность со всеми вытекающими
последствиями сохраняется и после снятия постоянного напряжения.
Размагнитить сердечники трансформаторов нетрудно, но эту работу
лучше поручить специалисту.
Если источник сигнала ни с чем больше не соединяется (например,
динамический микрофон), то его корпус следует заземлить с помощью
экранирующей оплетки кабеля. В том же случае, когда источник (например,
проигрыватель дисков) включен в сеть или другим способом связан
с "окружающей средой", то соединение корпусов приемника и источника
может привести к появлению фона. Причиной фона чаще всего является
ток, протекающий по экранирующему проводу. Этот ток - следствие
разности потенциалов между корпусами приборов. Перед тем, как
подключать соединительный кабель, стоит проконтролировать разность
потенциалов, это можно сделать с помощью обычного тестера в режиме
измерения напряжения. Наличие переменного напряжения 50…100 В
свидетельствует о каких-то неисправностях, или неправильном подключении
приборов.
Если
напряжение не превышает 1 В, то можно измерить сопротивление между
корпусами. Естественно, что при измерениях питание должно быть
выключено, а омметр должен обеспечить возможность измерения сопротивлений
величиной от нескольких десятых долей ома. Пригоден для таких
измерений цифровой мультиметр М-830 или аналогичный, настроенный
на предел измерений 200 Ом. Многие мультиметры имеют режим "прозвонки",
при сопротивлении цепи 10 Ом и менее загорается светодиод или
раздается звуковой сигнал. Для экспресс-контроля целостности кабеля
использовать "прозвонку" можно, но для измерений в цепях заземления
нужны более точные данные.
Если сопротивление составляет величину 1 Ом и менее, то цепь
заземления можно считать исправной, а наиболее вероятной причиной
небольшой (десятые доли вольта) разности потенциалов является
падение напряжения на "нулевом" проводе сети, создаваемое током,
потребляемым в эту сеть включенными приборами. Напряжение 200
300 мВ может создать довольно большой ток - порядка 1 А и более,
поскольку сопротивление цепи мало. Это может навести помехи на
сигнальные провода. Соединение корпусов даже очень толстым проводом
не дает, как правило, заметных результатов. В этом случае можно
включить в цепь экранирующего провода резистор величиной 10…30
Ом, который уменьшает протекающий по ней ток, в результате уменьшаются
помехи. Во многих профессиональных аппаратах такой резистор предусмотрен,
как предусмотрены и отдельные выводы для подключения экрана (Shield),
и общего сигнального (Common) провода.
Неприятна
ситуация, когда сопротивление между корпусами лежит в пределах
от единиц до сотен Ом. Это означает, что где-то в цепи есть плохой
контакт: некачественно выполнена пайка или окислены детали разъемов.
Не стоит надеяться "на авось", необходимо провести тщательную
ревизию контактов, в противном случае неприятности неизбежны.
К сожалению, устройства с трансформаторными входами и выходами
встречаются редко, из-за высокой цены качественных звуковых трансформаторов.
Коммутации приборов с "электронной симметрией" оказываются гораздо
сложнее, и трудно дать общий рецепт.
Как правило, хорошие результаты дает соединение по схеме, показанной
на рисунке 6. Для исключения тока в экранирующей цепи оплетка
кабеля у источника сигнала остается "свободной", но корпуса приборов
должны быть соединены отдельным проводом. В качестве такого провода
может использоваться "земляной" контакт сетевой розетки. Розетки
в этом случае должны быть высококачественные, с надежным упругим
заземляющим контактом. К сожалению, в большинстве дешевых розеток
"заземлитель" сделан из медного слава, упругость которого явно
недостаточна для обеспечения надежного соединения. Быстрое окисление
его поверхности тоже приводит к увеличению сопротивления контакта.
Стоит
разобрать розетки и взглянуть на качество изготовления заземляющей
шины. Контакты должны быть припаяны и надежно соединены друг с
другом и проводами. Лучше заплатить триста рублей за надежный
разветвитель с шестью розетками, чем три тысячи - за ремонт каждого
из шести включенных в него приборов. Про такие мелочи, как произвольно
появляющийся и исчезающий фон и бесконечные шорохи, я уже и не
говорю.
Подключения источника сигнала с несимметричным выходом к симметричному
приемнику для трансформаторных и "электронных" устройств лучше
использовать разные. (Рис. 7а, 7б). Обратите внимание: экранирующая
оплетка присоединятся только у приемника сигнала, это общее правило
- экран не следует использовать в качестве токоведущего элемента.
Подключение источника с электронным балансным выходом к несимметричному
приемнику может вызвать трудности: не стоит замыкать один из сигнальных
проводников с общим проводом. (Рис.8.) Если в выходной цепи источника
сигнала стоят стандартные операционные усилители с токоограничивающими
резисторами, то выход их из строя маловероятен, но замкнутый выходом
на "землю" операционный усилитель переходит в режим ограничения
тока. Следствием работы операционного усилителя в таком режиме
являются помехи в цепях питания устройства, перегрев, что не улучшает
работу всего прибора, хотя данный операционный усилитель в ней
как бы и не участвует.
Для соединения устройств с несимметричными интерфейсами можно
взять схему, показанную на рисунке 9. Оплетка кабеля играет роль
электростатического экрана, "нулевой" и "сигнальный" проводники
свиты, это уменьшает чувствительность к магнитным полям. Обратите
внимание: "начало" и "конец" кабеля распаяны по-разному.
Распаковывая
новый аппарат, приобретенный для студии, полезно перед включением
познакомится с его схемой - прежде всего, с той ее частью, где
нарисовано устройство входных и выходных цепей. Многие фирмы приводят
рекомендации по распайке сигнальных проводов и заземления, их
тоже принять во внимание. Корректное подключение помогает реализовать
качество аппарата и уменьшить вероятность отказов.
"Сеть - это дырки, связанные нитками…"
Есть собственные свойства аппаратов и соединительных кабелей,
а есть такие, которые проявляются только во взаимодействии элементов
системы. При поверхностном рассмотрении кабель кажется просто
соединителем, а если вникнуть в детали, то окажется, что у него
есть сопротивление, емкость и индуктивность. И не только от самого
кабеля зависит, как эти его свойства скажутся на всей системе.
В студиях влияние омического сопротивления и индуктивности обычно
не проявляется, поэтому подробно останавливаться на них мы не
будем.
Погонная емкость звуковых кабелей имеет величину порядка 100
пФ/м. Десятиметровый кабель имеет емкость около 1 нФ. Много это
или мало? Если выходное сопротивление источника сигнала равно,
например, 1 кОм, то постоянная времени этой цепи - 1 мкс, а частота
среза - 160 кГц. На первый взгляд, на АЧХ в звуковом диапазоне
эта цепь не влияет. А если на выходе источника сигнала и входе
приемника стоят радиочастотные фильтры? Введение дополнительной
емкости приводит к изменению характеристик этих фильтров, и в
результате могут появиться искажения даже в звуковом диапазоне
частот.
Во
многих, в том числе и профессиональных устройствах, выходные каскады
не очень устойчиво работают на реактивную нагрузку - емкость кабеля
может спровоцировать самовозбуждение или еще одно неприятное явление,
которое называют "подвозбуждением". На пиках сигналов, или, наоборот,
вблизи нуля, усилитель теряет устойчивость, в сигнале появляются
"вспышки", заполненные высокочастотной генерацией. Хотя и очень
редко, но приходится сталкиваться с ситуацией, когда небольшое
"подвозбуждение" резко увеличивает потребляемый микросхемой ток,
а перегрев микросхемы приводит к ее отказу. Обычно обходится без
таких трагических последствий, но качество звука страдает существенно.
Подключая новый прибор, следует всегда проверять его работу на
емкость. На экране осциллографа самовозбуждение заметить очень
легко.
Проводник длиной несколько метров - это антенна. Во входных цепях,
как правило, приняты меры по защите от высокочастотных помех,
а при проектировании выходных цепей иногда об этом забывают. Операционный
усилитель в звуковом диапазоне частот имеет небольшое выходное
сопротивление, единицы Ом, которое шунтирует наведенные на выходной
кабель помехи. Высокочастотные наводки (средневолновое радиовещание
- единицы мегагерц, телевидение - десятки и сотни) могут вызвать
искажения звукового сигнала. Простейший способ защиты от таких
помех - намотать несколько витков кабеля прямо у разъема на ферритовое
кольцо диаметром 20…30 мм. Для защиты от помех телевидения нужно
взять кольцо с небольшой магнитной проницаемостью и индексом ВЧ
(высокочастотный). Для фильтрации помех с частотами до 1…3 МГц
годится кольцо со значением магнитной проницаемости 1000 или 2000.
Точно также можно защитить и входные цепи, и с необходимостью
принятия таких мер сталкиваются достаточно часто.
Во входных каскадах профессиональной аудиоаппаратуры используют
дифференциальный усилитель - интегральную схему SSM2141. Лазерная
подгонка резисторов позволила получить подавление синфазной помехи
(Common-Mode Rejection Ratio), достигающее почти 100 дБ на частоте
50 Гц. В принципе, устройство с таким входным каскадом "фонить"
не должно. Так оно и происходит, если обеспечено отсутствие тока
в экранирующих цепях, обеспечена симметрия самой линии, и нет
высокочастотных наводок. При малых длинах кабеля (1…2 м) первое
условие легко выполняется, при увеличении его длины подавление
низкочастотной синфазной помехи резко слабеет. Но защищенность
этой интегральной схемы от синфазных радиочастотных помех не настолько
высока, чтобы забыть об этом вопросе.
Если есть возможность, то полезно установить входное сопротивление
приборов на 600 Ом. На такую нагрузку нормально работает стандартный
операционный усилитель, и повышения искажений по сравнению, например,
с режимом 10 кОм, ожидать не следует. При больших сопротивлениях
и при малых сигналах ток в цепи оказывается также весьма малым
(единицы наноампер), и можно столкнуться с нелинейными явлениями
в контактах. Звук при этом становится сухим, плоским. Деградация
звучания проявляется тем сильнее, чем ниже качество контактирующей
поверхности разъема. И не стоит обольщаться желтым цветом покрытия
приборных гнезд: не все то золото, что желтое и блестит…
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
