Połączenia. Kable i przewody sygnałów cyfrowych

W elektronice również, a może nawet przede wszystkim. Zamiast ciągłych sygnałów prądowych i napięciowych mamy ciągi zer i jedynek, którym odpowiadają tylko dwa stany napięć lub prądów, albo obecność lub brak światła.

Ogromna większość, a może nawet i wszystkie studia nagraniowe i postprodukcyjne działają już w domenie cyfrowej. W technice „live” również rządzi „cyfra” – cyfrowe konsolety to obecnie standard, a przesyłanie sygnału pomiędzy modułem obróbki sygnału a stagerackiem wejściowo/wyjściowym odbywa się w większości przypadków również za pomocą protokołów cyfrowego przesyłania sygnałów audio. A w technice stałych instalacji audio czy multimedialnych transmisja cyfrowa prawie całkowicie wyparła sygnał analogowy, przynajmniej w tych większych, bardziej rozbudowanych aplikacjach.

Standardy dla dźwięku cyfrowego wyznaczone zostały przez Audio Engineering Society oraz European Broadcast Union już w latach osiemdziesiątych zeszłego stulecia. Są one powszechnie znane pod nazwą standardów AES lub AES/EBU standard. A co z tym, co najczęściej jest najsłabszym ogniwem łańcucha, tzn. z połączeniami (a konkretnie z przewodami i kablami)? Zanim przejdziemy do tego tematu, odpowiedzmy sobie na jedno pytanie

JAKIEJ JAKOŚCI CYFROWEGO DŹWIĘKU OCZEKUJEMY

Dźwięk cyfrowy przetwarzany jest z rozmaitą jakością i wydajnością. Podstawową kwestią jest częstotliwość próbkowania. Określa ona liczbę próbek, jakie pobierane są w ciągu każdej sekundy z analogowego przebiegu audio i zamieniane na zapis cyfrowy. Tabela 1 prezentuje niektóre z najpowszechniej stosowanych wartości. Istnieje wiele poziomów jakościowych (częstotliwości próbkowania), zarówno powyżej, jak i poniżej tu wymienionych. Dlatego tabelę tę należy traktować wyłącznie jako punkt wyjścia.

Zapewne zauważycie, że aby określić rzeczywisty sygnał transmitowany przewodem, należy częstotliwość próbkowania pomnożyć przez 128. Ten magiczny mnożnik reprezentuje rozmaite wartości. Po pierwsze słowo 32-bitowe. Sygnały cyfrowe przesyłane są jako „słowa”, zaś 32 bity to największa długość słowa, jaką AES akceptuje. Po drugie odzwierciedla on fakt, że każdą parą przewodów (lub przewodem koaksjalnym) można transmitować jeden albo dwa kanały. A zatem czteroparowy przewód można określić jako ośmiokanałowy! Dzięki dwufazowości sygnałów w dwuprzewodowej skrętce nie ma znaczenia która z żył to +, a która -, ponieważ przewód ten działa w obu kierunkach. A zatem źródłem pochodzenia naszej magicznej liczby jest wyliczenie 32 x 2 x 2 = 128.

Przepustowość rzeczywista, wynosząca około 6 MHz lub więcej, to wartość znacznie wyższa niż 20 kHz w dźwięku analogowym. Dlatego też przewody muszą być innego rodzaju. Przy tak wysokich częstotliwościach konieczna jest znajomość impedancji przewodu, którego używa się do cyfrowej transmisji audio. Dla skrętek standardem jest 110 omów, podczas gdy dla przewodów koaksjalnych (coax) 75 omów.

Co więc dzieje się, jeśli korzysta się wyłącznie ze skrętek analogowych? Rysunek 1 demonstruje różnice pomiędzy dwoma różnymi przewodami. Przede wszystkim w oczy rzuca się piękna kwadratowa fala sygnału oryginalnego (próbkowanego z częstotliwością 48 kHz) o amplitudzie od -2 to +2 V. Oprócz tego widać dwie dalekie od doskonałości linie. Linia kropkowana odpowiada 110-omowemu przewodowi cyfrowemu, ciągła zaś przewodowi analogowemu. Oba mają taki sam przekrój (22 AWG), lecz oporność przewodu analogowego (38 omów) jest znacznie niższa w stosunku do 110 omów, jaką to impedancją charakteryzuje się przewód cyfrowy. Równie znacząca różnica zawiera się w pojemności elektrycznej — 98 pF/m w przypadku przewodu analogowego wobec 43 pF/m przewodu cyfrowego.

To dlatego, jak widać, przewód analogowy jest w stanie przenosić sygnał cyfrowy z zaledwie połową jego „siły” (±1 V zamiast oryginalnych 2 V). Druga połowa sygnału jest odbijana od źródła. Widać tu również, że zmiana napięcia sygnału z -2 V na +2 V, która w transmisji sygnału cyfrowego następuje błyskawicznie, zajmuje przewodowi analogowemu sporo czasu. Owo przejście od jednego stanu do drugiego jest taktowane przez zegar, zaś przewód analogowy wprowadza jitter powodujący, że taktujący sygnał cyfrowy staje się niestabilny. A wszystko to dzieje się w przewodzie o długości zaledwie 30 metrów!

Gdyby częstotliwość próbkowania była wyższa, dajmy na to 96 kHz, sprawy wyglądałyby jeszcze gorzej. Jeśli więc musicie korzystać z przewodów analogowych, wybierajcie możliwie najniższe częstotliwości próbkowania i starajcie się, by kable były jak najkrótsze, poniżej 15 metrów. Właściwie to należałoby korzystać wyłącznie ze 110-omowych skrętek, dostępnych z różną powierzchnią przekroju przewodów. Tabela 2 pokazuje jak długie mogą być takie kable.

Niektórym podane tu odległości mogą zaprzeć dech w piersiach. To ci, którzy sądzili, że sygnał cyfrowy można transmitować jedynie na bardzo krótkich dystansach. Jak widać, jest to nieprawda, ale trzeba używać kabli o odpowiednio dużym przekroju. Zwróćcie przy tym uwagę, że im wyższa jest częstotliwość próbkowania i przepustowość, tym bardziej skraca się odległość maksymalna. Wartości przytoczone w Tabeli 2 są wyliczone bardzo wstrzemięźliwie, a nowoczesny sprzęt pozwala na operowanie na znacznie dłuższych dystansach. Te z Tabeli 2 to dystanse „bezpieczne”, które powinno się bez problemu uzyskać ze sprzętem cyfrowym dowolnego typu. Są one wyliczone w oparciu o założenie, że sygnał u źródła ma napięcie 2 V, zaś w miejscu odbioru minimalnie 200 mV (0,2 V), czyli zgodnie ze standardem AES.

PRZEWODY CYFROWE

Przewody cyfrowe występują jako jedno- lub wieloparowe (mogą być nawet 32-parowe). Rysunek 2 przedstawia bardzo efektywny przewód cyfrowy, stanowiący doskonały przykład łącza cyfrowego, którym równie dobrze można przesyłać sygnały analogowe. Tak — przewody cyfrowe mogą pełnić rolę analogowych! Jeśli chodzi o ścisłość, to ich niższa pojemność czyni je lepszym nośnikiem sygnału analogowego niż zwykłe przewody analogowe. Jeśli więc posiadacie drogie mikrofony analogowe, to przewód cyfrowy będzie ich doskonałym uzupełnieniem. Interesujące jest także to, że jeśli zdecydujecie się użyć przewodów cyfrowych do transmitowania sygnałów analogowych, a z biegiem czasu zdecydujecie się przesiąść z domeny analogowej na cyfrową, ominie was konieczność zakupu nowego okablowania — innymi słowy, będziecie „ustawieni na przyszłość”!

Jeśli uda się wam znaleźć odpowiednie przewody, o odpowiedniej liczbie par, to powinniście jeszcze ustalić, czy są one wystarczająco trwałe. Oczywiście, przy zakupie przewodów cyfrowych należy mieć na uwadze cenę, albowiem często dwukrotnie przewyższa ona koszt nabycia przewodów analogowych. Logicznie rzecz ujmując, jeśli teraz użyjecie przewodów cyfrowych w domenie analogowej, to przechodząc na domenę cyfrową „na dzień dobry” będziecie zwolnieni z jednego wydatku.

PRZEWODY CAT 5E I CAT 6

Wielu ludzi spogląda w stronę okablowania Category 5e lub 6 (Rysunek 3), zastanawiając się, czy można go użyć do cyfrowej transmisji audio. Przewody takie są przystosowane do przenoszenia sygnałów cyfrowych. Ich impedancja wynosi 100 omów, czyli bardzo blisko 110 omów kabla cyfrowego. Równie niewielka różnica, 49 pF/m wobec 43 pF/m, charakteryzuje je w kwestii pojemności elektrycznej. Według Tabeli 2 w przypadku bardzo długich linii transmisyjnych lepiej jest korzystać z przewodów 24 AWG. Przewody Cat 6 mogą czasem odpowiadać przewodom 23 AWG, a nawet 22 AWG, i dlatego wyboru należy dokonywać z rozwagą.

Niektórzy uważają, że nieekranowana skrętka UTP daje zbyt duże przesłuchy pomiędzy parami przewodów, szczególnie zaś wtedy, gdy użyta jest do transmisji czterech niezależnych sygnałów cyfrowych. To całkowicie mylne pojęcie. W rzeczywistości bowiem przesłuchy przy 6 MHz czy 12 MHz (przepustowość cyfrowego przekazu audio) mają poziom poniżej 50 dB, nawet w przypadku zwyczajnych przewodów (>60 dB dla okablowania Cat 6) o długości do 100 m.

A zatem, jak silnej ochrony przed przesłuchami potrzebujemy? Odpowiedź brzmi: prawie żadnej! W końcu chodzi tu o sygnały cyfrowe. Jedną z zalet przekazu cyfrowego jest łatwość odróżnienia właściwego sygnału (zer i jedynek) od zakłóceń. W przypadku sygnału analogowego różnice zacierają się. Zakłócenia wyglądają jak analogowy sygnał właściwy i dlatego konieczne jest zachowanie odstępu pomiędzy nimi i sygnałem na poziomie co najmniej 60 dB (a nawet 90 dB). Z kolei sygnał cyfrowy nie potrzebuje większego odstępu niż 30 dB. Można spotkać się z opiniami, iż wystarczy 3 dB różnicy, by bez trudu odróżnić jedynki i zera. Jeśli tylko daje się je rozróżnić, to można też uzyskać znakomite parametry transmisji i idealną reprodukcję sygnału.

Wniosek stąd, że nieekranowana skrętka, zwykle wykorzystywana do transmisji danych, nadaje się do zastosowania w dziedzinie cyfrowego audio!

Jedynym problemem jest tu niezgodność impedancji (110 wobec 100 omów). Impedancja przewodów do transmisji danych może fluktuować w granicach +/- 15 omów, a więc może równie dobrze wynosić 85 omów, co w stosunku do 110 daje już dużą różnicę. Rozwiązaniem jest więc używanie przewodów o bardziej restrykcyjnej „tolerancji” (odchyleniach impedancji).

Jeśli chodzi o fizyczne właściwości przewodów typu Cat, to tutaj napotkać można większy problem. Przewody te zaprojektowane są bowiem tak, by je zainstalować i o nich zapomnieć. Jeśli zaś użyje się ich w trasie, to dzień po dniu będą musiały znosić rozwijanie i zwijanie. Takie traktowanie bardzo szybko „zabija” przewód UTP i dlatego musi on być bardzo trwały. Na szczęście istnieją odpowiednio wytrzymałe przewody Cat 5e, specjalnie przystosowane do zastosowań touringowych. Charakteryzują się one bardzo wysoką wytrzymałością – często można po nich przejechać wózkiem widłowym, a nawet zawiązać w supeł, co zupełnie im nie przeszkodzi w niezakłóconym przenoszeniu sygnałów ethernetowych. Dlatego też stanowią bardzo dobry wybór, gdy chodzi o cyfrowe instalacje audio typu „live”.

PRZEWODY KOAKSJALNE

Ostatnią kwestią do rozważenia są przewody koaksjalne (coax). Rysunek 4 przedstawia kolejny, bardzo wytrzymały przewód koaksjalny.

Tego typy kable bardzo często „uzbrojone” są w złącza BNC, takie same, jak stosowane w sprzęcie wideo. Przewodów tych można z powodzeniem używać zarówno do transmisji sygnału wideo, jak i cyfrowego sygnału audio. Jeden przewód, jedno złącze, narzędzie do usuwania izolacji oraz zacisk czynią nasze życie bardzo prostym. Oczywiście warto wybrać przewody o różnych kolorach, co pozwoli uniknąć pomyłek i znacznie uprości poszukiwania źródeł ewentualnych problemów. Przewody z plecionym rdzeniem nie pozwalają transmitować sygnałów wideo na tak duże odległości, jak przewody z jednolitym rdzeniem, ale bez większych trudności można ich użyć do cyfrowej transmisji audio. W przypadku cyfrowych sygnałów wideo przepustowość jest niemal czterokrotnie wyższa, niż audio, co oznacza, że przewody z jednolitym rdzeniem doskonale dają sobie radę z cyfrowym sygnałem audio.

Jeśli chodzi o instalacje stałe, to przewody z jednolitym rdzeniem stanowią tańszą alternatywę (a przy tym zapewniają wyższą skuteczność transmisji wideo). Jednak jadąc w trasę lepiej jest użyć elastycznych przewodów plecionych. Mogą one pracować nawet na dystansach do 1 km! Jeżeli więc transmisja cyfrowego audio przebiegać ma na dużej odległości, to przewody koaksjalne będą idealne. Podczas gdy przewody plecione wytwarzane są wyłącznie jako jednożyłowe, to te z jednolitym rdzeniem są dostępne w wariantach wielożyłowych. Można je spotkać w charakterze przewodów wideo RGB czy VGA. Ich grube koszulki nadają im bardzo dużą trwałość i odporność na warunki panujące w trasie. Można je wykorzystać jako cyfrowe multicory. Wyobraźcie sobie taki 10-rdzeniowy przewód koaksjalny jako 20-kanałowy multicore cyfrowy, który może mieć długość nawet jednego kilometra! To doprawdy rewelacyjne rozwiązanie.

PRZEWÓD CZY ŚWIATŁOWÓD

Wcale nie zdziwiłbym się, gdyby ktoś powiedział Wam, że na odległości powyżej 100 metrów należałoby użyć światłowodu. To nieprawda, o ile odległość transmisji nie jest o wiele, wiele większa. Muszę jedynie przypomnieć o mojej wcześniejszej przestrodze — jeśli zdecydujecie się użyć przewodów koaksjalnych, to zadbajcie, by wszystkie były tego samego typu. Jeżeli pomieszacie skrętki z przewodami koaksjalnymi, to z pewnością instalacja zadziała, ale będziecie musieli zastosować kłopotliwe przejściówki, pozwalające je połączyć. A zatem dobra rada – wybierzcie przewody jednego typu, jedną częstotliwość próbkowania i tego się trzymajcie! Na koniec mała przestroga. Jeżeli będziecie korzystać z konsumenckiego (sygnał w formacie S/PDIF) cyfrowego sprzętu audio, to napięcie sygnałów wyjściowych z tychże urządzeń nie wynosi 2V — ma ono wartość zaledwie pół wolta!

Kiedy więc podzieli się napięcie dla przewodu koaksjalnego, wynoszące 2 V, przez cztery (pół wolta to czterokrotnie mniej niż dwa), to choć odległość transmisji nadal pozostanie dość duża, to już nie tak gigantyczna, jak mogłaby być. Oprócz tego urządzenia konsumenckie wyposażone są w złącza RCA (cinch), których nie można „zatrzasnąć”, jak złącza BNC. Powiedzmy sobie szczerze, że takiego systemu nie można nazwać profesjonalnym.

Armand Szary