Signály

Verím, že problematiku decibelov sme zvládli bez problémov a môžeme sa pustiť do ďalšej témy, ktorou je prenos zvukových signálov v štúdiu. Na prvý pohľad je to jednoduché, zapojím kábel a nestarám sa. Prenesme sa, ale v pohľade na problematiku od miestneho dídžeja ku vzdelanému zvukárovi a povedzme si niečo o tom, prečo to funguje tak, ako to funguje.

Prehľad signálov používaných vo zvukových štúdiách

Vo zvukových štúdiách sa vyskytuje celý rad elektrických signálov, pomocou ktorých sa prenáša zvuk zo zdroja signálu k jeho ďalšiemu spracovaniu. V priloženej tabuľke sú uvedené najčastejšie sa vyskytujúce typy signálov vo zvukových štúdiách.

poznámky:
* - vzhľadom na vysokú dynamiku zvukových signálov sa ich úroveň zvykne vyjadrovať aj v decibeloch. Tomu, čo je decibel a ako sa pouzíva sme sa venovali v predchádzajúcej kapitole
** - maximálna dĺžka prepojovacieho kábla je určená citlivosťou prijímača a útlmom prenosového vedenia. Pre bežne používané káble sú to jednotky [koaxiál a plastový optický kábel], resp. desiatky metrov [symetrické vysokofrekvenčné vedenie]. V prípade potreby samozrejme nie je problém pomocou precíznejšie navrhnutého zosilňovača a kvalitnejšieho kábla dosiahnuť väčšie vzdialenosti

Typickými parametrami prenosu kazdého signálu sú
- napäťová úroveň
- symetria/nesymetria signálu
- typ prenosového vedenia
- výstupná impedancia zdroja a vstupná impedancia prijímača
- frekvenčné pásmo potrebné na prenos
- spôsob kódovania prenášaného signálu
Skúsme sa teraz trochu podrobnejšie pristaviť pri jednotlivých bodoch. Okrem posledného bodu v princípe všetko povedané platí pre analógové aj digitálne signály.

Nominálna napäťová úroveň

Vzhľadom na náhodný charakter zvukového signálu, navyše s vysokým dynamickým rozsahom je ťažké presne definovať čo je to nominálna úroveň signálu. Pre naše potreby však bude stačiť definícia, že za nominálnu budeme považovať takú úroveň signálu, ktorá sa v danom systéme vyskytuje väčšinu času. Samozrejme, že v signále sú pasáže s nízkou hlasitosťou [a teda aj zodpovedajúcou nízkou úrovňou] a veľmi hlasné pasáže a krátke špičky, kedy úroveň zase vysoko presahuje dohodnutú nominálnu [viď premodulovateľnosť zariadenia].
Preto aby celý elektroakustický reťazec pracoval správne a s optimálnymi parametrami, je nutné vždy starostlivo určiť tieto nominálne napäťové úrovne pre celý systém. Volia sa na základe kompromisu medzi niekoľkými protichodnými požiadavkami. Z hľadiska optimálneho odstupu signálu od šumu a rušivých napätí je snaha voliť čo najvyššiu nominálnu úroveň. Čo zároveň prináša vyššiu odolnosť systému voči rušeniu – napríklad atmosférické poruchy, alebo vysokofrekvenčné rušenie [starý dobrý systém GSM].
Proti týmto argumentom však pracuje tá istá elektronika – vysoká nominálna úroveň znamená nízku rezervu premodulovateľnosti systému.

Premodulovaťeľnosťou rozumieme schopnosť systému bez skreslenia spracovať signálové špičky [resp. všeobecne signály s vysokou aplitúdou, v audio signáloch sa väčšinou vyskytujú ako krátke špičky].

Každý zo zosilňovačov má určité napájacie napätie, ktoré spolu s úbytkami na jeho aktívnych prvkoch spôsobia tvarové "orezanie" signálu v prípade ich saturácie. Vysoká úroveň signálu taktiež spôsobuje posun pracovných bodov zosilňovačov do veľkosignálovej oblasti, čo so sebou nesie nárast prechodového skreslenia.

Prevádzka aktívneho prvku v malosignálovom rezime sa vyznačuje tým, že amplitúdy pracovných veličín [napätia, prúdy] sú zanedbateľne malé oproti hodnotám kľudového pracovného bodu. Aktívny prvok sa potom dá nahradiť zjednodušeným lineárnym modelom. V malosignálovej oblasti pracuje napríklad mikrofónny zosilňovač, ktorý zosilňuje napätia na úrovni milivoltov. Vo veľkosignálovom móde naopak pracujú prvky, kde sa hodnoty pracovných veličín dajú porovnať, alebo sú väčšie ako hodnoty kľudového pracovného bodu. Typickým príkladom sú výkonové zosilňovače, alebo plne vybudené operačné zosilňovače.

V praxi sa stretneme napríklad s týmito hodnotami nominálnych úrovní:
- symetrický prenos medzi profesionálnymi zariadeniami 1,55V [+4dBv]
- nesymetrický prenos medzi komerčnými zariadeniami 300mV [-10dBv]
- vo vnútri zariadení sa taktiež pouzívajú úrovne 1,55, resp. 0,775V, v nesymetrickej a symetrickej verzii
- diaľkové prenosy [dlhé káble a pod.] používajú aj vyššie napäťové úrovne, hodnota 6V nie je žiadne prekvapenie

Symetrické a nesymetrické prenosové vedenia, typ vedenia

Najjednoduchší spôsob ako dostať signál z jedného miesta na druhé, je prepojiť ich dvoma vodičmi [jedným tečie prúd od zdroja k spotrebiču a druhým sa vracia naspäť, viď obrázok 4-1].

Obr. 4-1: Nesymetrické vedenie – princíp

Riešenie je vhodné do prostredia bez akéhokoľvek rušenia a pre káble, ktoré nemajú žiadne parazitné vlastnosti. Bohužiaľ, ani prvá, ani druhá požiadavka nie je nikdy v praxi splnená. Ako vedenia sa používajú výlučne tienené [niekedy dokonca koaxiálne] káble.

Poznámka – je nutné rozlišovať tienený a koaxiálny kábel. Tienený kábel má jeden stredný vodič [alebo viacero], okolo ktorého je ovinuté tienenie. Dajú sa použiť len na nízke frekvencie. Kvalita vonkajšieho tienenia má signifikantný vplyv na odolnosť kábla voči rušeniu. Naproti tomu koaxiálny kábel má len jeden stredný vodič, ktorý je umiestnený v osi kábla. Stredný vodič je obalený dielektrikom [polyetylén, polystyrén, vzduch] s presne definovanými elektrickými parametrami. Spätný vodič obaľuje dielektrikum a má tvar valca [nájdeme rôzne formy – jednoduché opletenie, viacnásobné opletenie, kovová fólia, medenná trubka]. Koaxiálny kábel má presne definovanú vlnovú impedanciu, z elektrického hľadiska predstavuje homogénne vedenie a používa sa hlavne na vyššie frekvencie. Jeho vysoké kvalitatívne parametre sa často vyuzívajú aj v nízkofrekvenčnej technike.

Asi jedinou výhodou tejto metódy je maximálna jednoduchosť, čo smeruje k nízkej cene zariadení. Veľkou nevýhodou nesymetrických vedení je vysoká náchylnosť na rušenie [50Hz sieť, prúdy v zemnom vodiči, presluchy cez zemný vodič]. Pokiaľ sa raz do káblu naindukuje rušenie, už nie je možné ho nijak odstrániť.

Nesymetrické prepoje používajú najčastejšie konektory typu cinch [oficiálne sa volajú "phono RCA plug", viď. obrázok 4-2], prípadne stereokáble konektory typu 3,5mm jack [viď. obrázok 4-2].

Obr. 4-2: Konektory pre nesymetrické linky,
zhora – kovový RCA cinch, plastový RCA cinch, dole 3,5mm jack

Nesymetrické prepojenia sa s výhodou pouzívajú v lacnejších komerčných prístrojoch [minidisky, zosilňovače, tuner, CD prehrávače, videá...].
Pri prepojení zvukových zariadení symetrickými signálmi sa predchádzajúce nevýhody stratia, platíme za to však cenu v podobe zložitejšej elektroniky [v súčasnosti už nie je problém] a hlavne drahšieho káblu, lebo nám pribudol ďalší vodič. Princíp prenosu je veľmi jednoduchý – signál sa prenáša naraz po obidvoch vodičoch, na prvom "normálny" [označujeme ho "+", "živý", "teplý"], a na druhom s otočenou fázou [označenie "-", "mŕtvy", "studený"], schematický je naznačený na obrázku 4-3.

Obr. 4-3: Symetrické prenosové vedenie s aktívnym [hore]
a pasívnym [dole] prijímačom

Pri prenose signálu po kábli v zarušenom prostredí sa do obidvoch "živých" vodičov môže naindukovať rušenie. Keďže sú obidva vodiče veľmi blízko seba, navyše v praxi aj stočené ["twisted pair"], rušivý signál sa naindukuje do obidvoch rovnaký. V prijímači sa pomocou diferenčného člena obidva signály odčítajú, čím získame dvojnásobnú amplitúdu užitočného signálu a rušivý sa v ideálnom prípade úplne potlačí.

Matematicky sa tento jav dá veľmi jednoducho vyjadriť nasledovne: Napätie z priameho výstupu zosilňovača označme U₊, napätie z invertovaného výstupu U_-. Pritom platí U_-=U₊. Pri prenose signálu sa do obidvoch vodičov naindukuje rovnaké rušenie U_RUŠ, teda na konci linky budeme mať na priamom vodiči napätie U₊+U_RUŠ, a na negovanom U_-+U_RUŠ. Ich odčítaním na diferenčnom člene dostávame U_VÝST= U₊+U_RUŠ-( U_-+U_RUŠ)= U₊+U_RUŠ-( -U₊+U_RUŠ)=2. U₊+0.U_RUŠ, teda užitočný signál má dvojnásobnú amplitúdu a rušivý je úplne potlačený.

Samozrejme nič nie je dokonalé a úplné potlačenie rušivých signálov je nemozné. Na degradácii týchto parametrov sa podieľajú napríklad nerovnosť výstupných impedancií zdroja signálu, nehomogenita prenosového vedenia, nesymetria vstupov operačného zosilňovača, nepresnosť pasívnych prvkov spätnoväzobnej siete a podobne. Parameter, ktorý všeobecne vyjadruje schopnosť obvodu potlačiť súhlasné signály sa označuje CMRR [Common Mode Rejection Ratio], vyjadruje sa v decibeloch a pre moderné obvody dosahuje bezne hodnoty 60-100dB.

Použitím tienenia, ako primárnej ochrany pred naindukovaním rušivých signálov, sa ešte výraznejšie zvyšuje odolnosť symetrického systému voči rušeniu. Ak totiž rušenie prenikne cez tienenie kábla, je ďalej elektronicky potlačené... Téme tienenia sa budeme ešte venovať, pretože to je pomerne rozsiahla problematika, kde sa pri neznalosti dá systém zarušiť viac, akoby žiadne tienenie nebolo použité.

Symetrické prepoje sa stávajú čoraz obľúbenejšie aj priamo vo vnútri zariadnení a pri zariadeniach špičkových parametrov sú dokonca nutnosťou. Použitím symetrických vnútorných zberníc sa dosahuje výrazné zníženie presluchov medzi obvodmi, presluchov medzi zbernicami samotnými, rušenia od napájacieho napätia, presluchov od zemného vodiča, alebo rušenia spôsobeného pracovnými prúdmi v nulovom vodiči.

Ako diferenčný člen sa používa niektoré zo zapojení diferenčných zosilňovačov, alebo oddeľovací transformátor.

Historicky prvým, ale dodnes uznávaným riešením prevodníka nesymetrického na symetrický signál a opačne je signálový transformátor. Vývoj magnetických materiálov za posledných niekoľko desaťročí natoľko pokročil, že pri starostlivom návrhu nie je problém vyrobiť vysoko kvalitný transformátor s rovnou frekvenčnou charakteristikou od 30Hz do 100kHz [viď transformátory z produkcie bývalej Tesly Elektroakustiky v Bratislave. Ja viem, že sa určite nájde niekto, kto mi bude odporovať, ale zatiaľ som kvalitnejší audio transformátor v tejto cene nevidel]. Poskytujú dokonalé galvanické oddelenie primárnej a sekundárnej strany, čo je nutná podmienka pri prepájaní obvodov s väčším rozdielom potenciálov [viac ako jednotky voltov]. Veľmi dobré technické parametre sú ale vyvážené vyššími požiadavkami na výkon a stabilitu budiaceho zosilňovača a hlavne veľmi vysokou cenou, bohužiaľ v niektorých aplikáciách sa ich použitiu nevyhneme.

Ak potrebujeme galvanicky oddeliť signály s väčším rozdielom potenciálov a nie veľmi záleží na kvalite dajú sa použiť aj optické izolačné zosilňovače, tieto sú ale tiež pomerne drahé.

Elektronické diferenčné zosilňovače sú v súčasnosti vďaka obrovskému rozvoju polovodičovej technológie na veľmi vysokej kvalitatívnej úrovni pri prijateľných cenách. Elektronické obvody prenášajú veľmi široké frekvenčné pásmo a majú stabilnú vstupnú a výstupnú impedanciu. Neposkytujú však galvanické oddelenie, čo znamená, že sú v niektorých prípadoch nepouziteľné. Na trhu existuje celá rada čipov od výrobcov precíznych analógových obvodov [Analog Devices, Burr Brown, Maxim], ktoré priamo realizujú funkciu prijímača symetrickej linky. Za kvalitu však treba zaplatiť a kupovať tieto obvody v malých množstvách, špeciálne na Slovensku sa neoplatí a často je to aj vďaka neochote slovenských firiem nemožné. V týchto prípadoch treba vstupno–výstupné obvody realizovať z precíznych operačných zosilňovačov a diskrétnych prvkov.

Symetrické prepoje používajú najčastejšie konektory typu XLR [canon] a 6,3mm jack [obrázky 4-3 a 4-4].

Obr. 4-3: Konektory pre symetrické linky typu XLR

Obr. 4-4: Konektor pre symetrické linky typu jack

Výstupná impedancia zdroja signálu a vstupná impedancia prijímača

Táto téma nie je pre väčšinu čitateľov kritická, a je trochu náročnejšia na elektrotechnické vzdelanie, preto pokiaľ vás nezaujíma, alebo jej nebudete veľmi rozumieť pokojne prejdite na ďalšiu podkapitolu. Určite by si ju však mali prečítať audiofili, ktorí majú stále veľa kvetnatých rečí o tom ako skvele fungujú prepojovacie káble v tvare záhradnej hadice, ktorý používa technológiu xyz a aby to dobre hralo musí mať konce nafarbené špeciálnou fixkou na zeleno. Pre normálnych – problém impedancií začne hrať roľu pri použití vyšších frekvenčných pásiem [digitálne signály], alebo ak požadujeme extrémne kvalitný prenos signálu.

Obr. 4-5: Schéma prenosu signálu zo zdroja ku vstupu pultu

Na obrázku 4-5 vidíme jednoduchú schému ako vyzerá prenos signálu z jeho zdroja ku spotrebiču. Každý zdroj signálu [zosiňovač, mikrofón..., na obr. V1] má určitý výstupný odpor [R1], spojovacie vedenie má určitý vlnový odpor [T0] a vstup zosilňovača má určitý vstupný odpor [R2].

Tu musím povedať, že radšej by som používal termín impedancia, ktorý je všeobecnejší. Aby som výklad zjednodušil, dohodneme sa, že v audio pásme má výstupná impedancia zosilňovača čisto reálny charakter a môžeme teda hovoriť o výstupnom odpore. To isté platí pre vedenie a vstup.

Čo sa týka kábla – nesmieme si mýliť parametre „odpor" kábla a „vlnový odpor" kábla. Odpor kábla je jeho odpor pre jednosmerný prúd, a je merateľný napríklad multimetrom. Spolu s ostatnými parametrami kábla [kapacita, indukčnosť a vodivosť na jednotku dĺžky] určuje vlnový odpor [impedanciu] kábla, ktorá sa začne prejavovať pri vyšších frekvenciách, kedy sa vlnová dĺžka signálu začne blízit dĺžke kábla.

Pokiaľ sa pohybujeme v pásme nízkych frekvencií celý obvod si môžeme predstaviť ako obyčaný odporový delič. V hrubom priblížení môžeme pre výstupné napätie napísať

teda výstupné napätie je tým väčšie, čím je väčší vstupný odpor prijímača a čím je menší výstupný odpor vysielača.

Ak chceme preniesť maximálne množstvo signálu bez straty napätia nie je nič jednoduchšie ako zvoliť výstupný odpor vysielača nízky [bežne <10ohmov] a vstupný odpor prijímača vysoký [bežne 1-10 kiloohmov]. všetko funguje a sme spokojní, az kým sa neobjavia rôzne rušivé signály [atmosférické poruchy, výboje statickej elektriny, elektrický oblúk napríklad z vypínačov a pod.], ktoré sa vďaka málo zaťaženému vedeniu do neho poľahky naindukujú a počujeme veľmi dobre známe lupance.

Skúsme urobiť toto isté pri digitálnom signále, ktorého frekvenčné zlozky siahajú az do oblasti desiatok megahertzov. Na naše veľké prekvapenie cez kábel nič neprenesieme... Otázka znie prečo a odpoveď je veľmi jednoduchá – impedančné neprispôsobenie medzi vysielačom a prijímačom. Na neprispôsobenom vedení totižto vznikajú odrazy. Pokiaľ sa celá energia vyslaná na vedenie nespotrebuje v prijímači, jej zvyšok sa odrazí od záťaže a vracia sa naspäť do zdroja. Na jednom kábli máme teraz dva signály, jeden, ktorý sa šíri od vysielača k prijímaču a druhý, ktorý sa šíri opačne. Keď dorazí ku zdroju, ktorý je tiež neprispôsobený znova sa odrazí smerom ku spotrebiču. Takýchto odrazov vznikne na vedení teoreticky neobmedzené mnozstvo [závisí od útlmu kábla a neprispôsobenosti zdroja a záťaže]. Všetky signály sa na spoločnom kábli sčítajú, z čoho vznikne úplne nový signál, ktorý vyzerá úplne inak ako by mal, a systém logicky nefunguje. Aby to nebolo také jednoduché, vedenie má pre kazdú frekvenciu iné parametre, takže ak by aj náhodou na jednej frekvencii niečo fungovalo, na inej uz nebude. Aby bol prenos korektný musia mať vysielač, prenosové vedenie aj prijímač rovnakú menovitú impedanciu. V takomto prípade sa všetka vyslaná energia spotrebuje v prijímači bez odrazov a skrelenia signálu.

Pokiaľ poznáte počítačové siete vybudované koaxiálnym káblom, určite si spomínate, že na obidvoch koncoch musí byť namontovaný takzvaný terminátor. Nie je to nič iné ako ukončenie vedenia jeho menovitou impedanciou [v tomto prípade 50 ohmov], takže signál na kábli sa nikde neodráza a myslí si, že kábel je nekonečne dlhý na obidvoch stranách.

Ako vyzerá problém impedančného neprispôsobenia v praxi si ukážeme na nasledujúcom príklade. Ako obvod použijeme klasické pripojenie [viď obrázok 4-4] mikrofónu do mixážneho pultu dlhším káblom, napríklad na koncerte. Zdroj signálu [mikrofón] má výstupný odpor 200 ohmov, prepojovací kábel má menovitú impedanciu 300 ohmov a dĺžku 100 metrov a nakoniec vstupný zosilňovač v pulte má vstupný odpor 1000 ohmov.

Na grafe obrázku 4-6 je vynesená frekvenčná závislosť napätia na svorkách mikrofónu [modrá krivka] a napätia na vstupe pultu [červená krivka]. Na spodnom grafe je odchýľku signálu [v dB] na vstupe pultu od signálu vyslaného našim mikrofónom. Ako vidíme, prvé problémy nastávajú už pri frekvenciách 1kHz a do konca akustického pásma je niekoľko ďalších miním a maxím prenosu. Ako to bude "hrať" netreba dlho rozmýšľať...

obrázok 4-6 [pre zobrazenie klikni sem]
Obr. 4-6: Frekvenčná závislosť prenosu signálu na neprispôsobenom vedení

Frekvenčné pásmo potrebné na prenos signálu

Každý signál [nielen akustický] sa dá opísať dvoma spôsobmi. Prvý je klasický priebeh napríklad napätia v závislosti od času. Pokiaľ pripojíme takýto signál na vstup osciloskopu, môžeme sledovať práve tento priebeh. Druhým spôsobom ako sa dá signál popísať je jeho frekvenčné spektrum.

Bežné zvukové signály, ktoré je schopný ľudský sluchový orgán prijímať sa nachádzajú v pásme 20Hz až 20kHz. Ak preto požadujeme kvalitný prenos zvuku použité technické zariadenia musia bez problémov preniesť toto pásmo. Ak chceme navyše aj vysoko verný prenos frekvenčné pásmo treba rozšíriť. Dôvod je jednoduchý, kým amplitúdovo frekvenčná charakteristika na okrajoch pásma ešte neklesá, fáza signálu sa uz výrazne mení, čo vnáša do zvukového obrazu skreslenia a nepresnosti.

Typ kódovania prenášaného signálu

Bežné analógové signály sa v rozhlasových štúdiách prenášajú v základnom pásme. Ak vznikne potreba prenášať tieto signály na väčšie vzialenosti pouzívajú sa rôzne modulácie. Pre prepojenie digitálnych zvukových zariadení sa používajú rôzne kódové modulácie, ktorým sa budeme venovať v budúcom dieli nášho seriálu.