Файл: Коммутация.docx

Коммутация, часть 1 (теория)

Владимир СЕВОСТЬЯНОВ Музыкальное Оборудование июнь 1999

"...Бессчетно число товару коммутационного разного завозится купцами из стран заморских и предлагается нам как будними днями, так и по праздникам великим. Однако, во градских да сельских студиях все то шумит-гудит всяко, то трещит да насвистывает, а то и оборачивается звонкое серебро гуслей в гул мутный невнятный. И происходит се, поелику купляются провода иноземные неведомые без разбору особого..."

Песнь о Вящем Контакте

Занимаясь подбором оборудования, большинство людей сосредотачивает свое внимание на выборе микшера, записывающего устройства, микрофонов, мониторной системы и устройств обработки, отводя вопросам коммутации всего вышеперечисленного оборудования место где-то между выбором мебели и дизайном визитных карточек. А ведь только хорошая (то есть качественная и удобная) коммутация позволяет в полной мере использовать потенциал основного оборудования. И нередки случаи, когда плохая коммутация девальвирует затраты на приобретение дорогого, высококачественного оборудования.

В современном процессе создания и записи музыки участвует множество самых разных устройств. Чтобы эти устройства могли работать совместно, между ними необходима связь, которую и призвана обеспечить коммутация. А поскольку информация о звуке передается между устройствами посредством электрического сигнала (тока), с него и начнем.

Основными электротехническими характеристиками сигнала являются сила тока и напряжение, а основной характеристикой любого элемента электрической цепи является сопротивление. Зависимость между ними определяется законом Ома, который гласит, что сила тока в цепи (I) равна отношению приложенного к ней напряжения (U), к сопротивлению этой цепи (R), или I=U/R.

Децибел Значение напряжения можно использовать для выражения величины электрического сигнала, то есть уровня. Однако в звуковых системах это не всегда удобно вследствие того, что напряжение в цепях может изменяться в очень широком диапазоне - в миллион и более раз. Согласитесь, неудобно сравнивать сигналы, если один из них изменяется от 0,163 до 0,326 мВ, а второй - от 0,89 до 1,78 В. Для более удобного восприятия уровней сигналов их выражают в децибелах (международное обозначение - dB, русское - дБ).

---

Децибел является одной десятой долей Бела - величины, названой в честь одноименного ученого (Alexander Bell), усовершенствованное изобретение которого, телефон, есть практически в каждом доме. Децибел - величина относительная, то есть она указывает не абсолютное значение параметра, а во сколько раз он больше или меньше другого значения. Децибел основан на десятичном логарифме от отношения двух сравниваемых величин.

Соотношение напряжений в децибелах = 20 lg (напряжение 1 / напряжение 2).

Теперь можно легко сравнить изменения двух сигналов, о которых говорилось выше. Оба сигнала изменились на одинаковую величину - на 6 дБ: 20 lg (0,326 / 0,163) = 6 дБ 20 lg (1,78 / 0,89) = 6 дБ.

Из этого видно очень важное достоинство относительной единицы децибела - из изменения двух разных сигналов в одинаковое количество раз следует изменение обоих сигналов на одинаковое количество децибел. Другой пример: если напряжение сигнала изменилось в десять раз, например с 0,1 до 1 В, то его изменение в децибелах равно 20 дБ. Если где-нибудь напряжение сигнала подпрыгнуло с 300 до 3000 В, то этот сигнал "скакнул" тоже на 20 дБ! Вторым достоинством децибела можно назвать то, что эта величина близка к порогу возможности человеческого уха различать по громкости два сигнала.

Так как децибел - величина относительная, то выражение уровня конкретного сигнала производится относительно опорных сигналов (в формуле - "напряжение 2"), величины которых постоянны и стандартизованы. На данный момент в звуковой аппаратуре применяются две величины опорного сигнала, которым соответствуют разные обозначения децибела. Так, если опорный сигнал составляет 0,775 В, то величина указывается как дБ (международное обозначение dBu). При опорном сигнале, равном 1 В, величина указывается как дБв (международное - dBV). Интересно отметить, что раньше при опорном сигнале 1 В применялось международное обозначение dBv, но при написании его часто путали с dBu и для устранения путаницы обозначение было заменено на dBV. Иногда для выражения уровня сигнала относительно 0,775 В можно увидеть международное обозначение dBm или русское дБм.

До сих пор в МО для обозначения номинальных уровней входных и выходных сигналов применялось только русское “дБ”, что является не совсем корректным: при этом следовало понимать, что уровень -10 дБ составляет -10 dBV, а уровень +4 дБ составляет +4 dBu. Теперь для указания номинальных входных и выходных уровней устройств будут применяться правильные русские обозначения, то есть “дБ” и “дБв”.

---

Например, номинальный (то есть оптимальный для корректной работы данного устройства) уровень входного сигнала многодорожечного магнитофона составляет +4 дБ (dBu). Это означает, что номинальное напряжение входного сигнала магнитофона на 4 дБ больше опорного напряжения 0,775 В.

Попробуем рассчитать номинальное входное напряжение многодорожечного магнитофона из этого примера: 4 дБ = 20 lg (U / 0,775), отсюда U = 1,23 В.

Другой пример: номинальный уровень входного сигнала процессора эффектов составляет -10 дБв (dBV). Это означает, что номинальное напряжение на входе прибора на 10 дБ меньше 1 вольта (0,32 В).

Следует также понимать, что если сигнал имеет уровень 0 дБ, то это означает не отсутствие сигнала, а то, что он равен опорному. Ярким примером этому является установка входной чувствительности каналов микшерного пульта. При нажатии на кнопку Solo в режиме Pre Fader (PFL) и вращении регулятора входного уровня мы добиваемся, чтобы индикатор уровня показывал 0 дБ.

Стандартные уровни сигналов Для соединения приборов друг с другом, у них имеются различные входы и выходы, некоторые из которых (называемые линейными) обладают номинальными чувствительностями, равными по величине стандартным уровням сигнала. Стандартные уровни сигналов, как и все стандартное, необходимы для предотвращения несогласований, вызванных, в данном случае, несовпадением уровней. Однако эти несогласования все равно возникают из-за того, что стандартных (линейных) уровней сигналов, применяемых в звуковой аппаратуре, несколько (поэтому многие приборы имеют переключатели номинального уровня линейных входов и выходов). В результате, при подаче слишком большого сигнала на вход прибора может возникать перегрузка и, как следствие, искажения, а при работе со слишком низким уровнем происходит увеличение относительного уровня шума. Относительный уровень шума с увеличением уровня полезного сигнала уменьшается.

На правом рисунке помеха составляет большую часть всего сигнала, нежели на левом.

Итак, для линейных входов и выходов существуют следующие стандартные уровни: +4 дБ (1,23 В), +6 дБ (1,55 В), -10 дБв (0,32 В) и -10 дБ (0,25 В). Кроме этих, могут встречаться и другие номинальные уровни. Например, в некоторых микшерных пультах разрывы (insert) каналов и подгрупп работают на уровне -2 дБ, что составляет 0,62 В. Также в качестве номинального уровня используются и опорные сигналы 0 дБ и 0 дБв.

Если говорить о том, какой из этих уровней лучше, то мой ответ таков: чем выше уровень полезного сигнала, тем меньше относительный уровень помех. Так как на современных приборах +6 дБ можно встретить достаточно редко, то я голосую за +4 дБ.

---

Влияние кабеля на проходящий сигнал Одним из самых важных элементов коммутационной системы является кабель. Если при помощи разъемов мы производим стандартизованное и надежное (в случае хороших разъемов) электрическое соединение прибора с другими элементами коммутационной системы, то кабель, вследствие своей гибкости и длины, позволяет расположить приборы в необходимых нам местах.

Так вот, при всех достоинствах кабелей, у них есть недостаток - влияние на проходящий по ним сигнал, и далеко не лучшее. Это влияние на разных сигналах и в разных условиях эксплуатации сказывается по-разному.

Начну, пожалуй, с того, что отдельно взятые жилы в кабеле, равно как и экранирующая оплетка (если кабель ее имеет), сделаны из проводящего материала с очень низким сопротивлением, то есть этот материал обладает способностью хорошо пропускать электрический ток. Удельное сопротивление (Ом*мм2/м) различных проводников приведено в таблице.

Алюминий	0,027
Бериллий	0,04
Медь	0,017
Золото	0,023
Железо	0,098
Свинец	0,21
Магний	0,04
Молибден	0,05
Никель	0,06
Платина	0,11
Серебро	0,016
Олово	0,11
Титан	0,42
Вольфрам	0,055
Цинк	0,06

А к чему это я? А к тому, что хотя сопротивление и низкое, но оно есть, и при передачи сигнала по проводникам на них возникает падение напряжения, что приводит к ослаблению уровня сигнала. Стоит отметить, что сопротивление кабеля зависит не только от удельного сопротивления материала, из которого изготовлен проводник, но и от длины и площади сечения самого проводника и, соответственно, кабеля. При этом, чем длиннее кабель, тем его сопротивление больше. Для удобства вычисления сопротивления линии определенной длины, в каталогах и прочих информационных изданиях указывают погонное сопротивление кабеля, то есть сопротивление единицы его длины. Так можно встретить, например, "Shield D.C.R = 0.031 Ohm/m". Это означает, что сопротивление оплетки некоторого метрового кабеля составляет 0,031 Ом.

---

Кроме сопротивления, кабель имеет и электрическую емкость, которая зависит от расстояния между проводниками, их толщины, материала изоляции, длины кабеля и прочих факторов. А емкость, как известно, способна пропускать переменный электрический ток. При этом сопротивление, которое емкость оказывает переменному току, зависит от частоты тока. Чем она выше - тем сопротивление меньше. Поэтому, наряду с сопротивлением проводников, емкость также является важнейшей характеристикой кабеля. В информационных изданиях по кабелям часто указывают их погонную емкость.

У любого кабеля есть и индуктивность. Она, как и емкость, оказывает сопротивление переменному току, и его величина также зависит от частоты сигнала. Только, в отличие от емкости, величина индуктивного сопротивления возрастает с увеличением частоты. Величина же самой индуктивности начинает резко возрастать в случае, если кабель лежит не прямо, а имеет петли или, что еще хуже, на что-нибудь намотан. Так же, как и в случаях с сопротивлением и емкостью, величину погонной индуктивности можно выяснить из каталогов.

Итак, давайте же рассмотрим, что у нас получается. Для этого я изобразил "электрическую схему" двухжильного кабеля с учетом упомянутых выше сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

При этом сопротивление и индуктивность первой жилы обозначены как R1 и L1, те же параметры второй жилы обозначены как R2 и L2, а емкость кабеля изображает конденсатор C. Получившийся рисунок является схемой пропускающего фильтра низких частот, который оказывает сопротивление переменному току. Это сопротивление определенным образом складывается из частотно-зависимых сопротивлений индуктивностей L1, L2 и емкости C и частотно-независимых сопротивлений R1 и R2. Такое сопротивление называется полным сопротивлением или импедансом кабеля и, как любой импеданс, обозначается буквой Z.

Частотная характеристика фильтра представлена на рисунке.

Здесь видна зависимость между частотой W и отношением выходного напряжения Uo к входному Ui. Как видно, чем больше частота, тем больше ослабление проходящего сигнала. Следовательно: чем выше частота сигнала, тем кабель его пропускает хуже. Это одно из основных негативных воздействий кабеля на проходящий по нему сигнал. На практике результатом этого воздействия оказывается потеря высокочастотных составляющих в звуке - инструменты и эффекты начинают звучать тускло, теряется яркость и разборчивость. Чем кабель длиннее, тем больше у него сопротивление, индуктивность и емкость, и тем больше будет происходить снижение уровня сигнала и подавление высоких частот.

---