Коммутаторы и маршрутизаторы аудиосигналов

Начнем с основных терминов.

Коммутатор — прибор для замыкания и прекращения действия электрического тока, а также для перемены его направления. Матрица — двухмерный массив однотипных элементов. Положение элемента в матрице определяется номером строки и номером столбца. Матричный коммутатор — это двухмерное устройство размерностью NхM, позволяющее направлять сигналы N входов на М выходов.

Коммутатор может быть пассивным или активным. В пассивном устройстве происходит только коммутация сигналов: замыкаются или размыкаются контакты. Сам процесс коммутации может быть механизирован и автоматизирован, а может быть и ручным, именно так был устроен сто лет назад телефонный коммутатор.

В активном коммутаторе предполагается возможность какого-то воздействия на сигнал, это может быть усиление, регенерация или синхронизация, индикация и другие функции.

Наконец, коммутатор может быть реальным прибором, а может быть виртуальным, когда потоки данных перенаправляются программными средствами.

Наука о контактах

Механический контакт

Исторически именно механический контакт был первым — в гнездо вставлялся штекер. Простота и наглядность — вот достоинства решения. Используются такие коммутаторы и поныне. Даже не разбирая патч-панель, легко предсказать ее недостатки — невелик ресурс работы: в процессе эксплуатации изнашиваются контактирующие поверхности разъемов, ухудшаются контакты. Атмосфера не очень положительно воздействует на открытые поверхности, не спасает даже покрытие благородными металлами.

Использование кнопок или тумблеров позволяет разделить разъемы, кабели и коммутацию. В итоге удается оптимизировать каждое звено комплекса к решаемой им задаче, — по крайней мере, потенциально. Но все равно, сто тысяч переключений — несбыточная мечта и для разъема, и для тумблера.

И разъемы, и тумблеры предназначены для работы с ручным управлением. Автоматизировать процесс или обеспечить дистанционное управление механическим коммутатором весьма непросто.

Тем не менее, и «штекерные», и «кнопочные» коммутаторы пользуются заслуженной популярностью: просто, понятно и дешево — вот основные свойства этой линейки оборудования.

Механический контакт с электрическим управлением

Электромеханическое реле вполне подходит для решения коммутационных задач. Электрическое управление снимает трудности автоматизации и дистанционного управления. Для защиты можно поместить контактирующие поверхности в инертную атмосферу, в этом случае ощутимо улучшаются эксплуатационные характеристики. Именно так устроены реле с контактами, помещенными в герметичную стеклянную колбу, то есть герконовые. Сто тысяч переключений — не предел для коммутаторов на основе реле.

Электронный ключ

Канал полевого транзистора проводит или не проводит ток в зависимости от приложенного к затвору напряжения. Теоретически матрица из полевых транзисторов представляет собой великолепный коммутатор: элементарно решается вопрос автоматизации, нет изнашивающихся контактов, срок службы увеличивается на несколько порядков. Отсутствует и дребезг контактов — вечная проблема механических коммутаторов.

На практике, естественно, получается не так красиво. Сопротивление открытого канала существенно зависит от протекающего тока и приложенного напряжения. Через запертый транзистор протекает ток. Существенно большими, чем в механическом переключателе, оказываются паразитные емкости. Не будем забывать и про шумы.

Но достоинства электронных ключей оказались настолько значимыми, что они перевесили недостатки.

Основные свойства коммутаторов и переключателей

Принципиальная схема простейшего коммутатора содержит всего один элемент — собственно контакт. Эквивалентная схема сложнее, появляются паразитные элементы: индуктивность проводника L1, сопротивление замкнутого контакта R1, сопротивление разомкнутого контакта R2 (сопротивление изоляции), емкость разомкнутого контакта C1, монтажная емкость C2, участвует в работе выходное сопротивление источника сигнала R_ВЫХ и R_ВХ — входное сопротивление приемника.

Анализ эквивалентной схемы показывает, что по мере роста частоты сигнала будет уменьшаться затухание разомкнутой цепи. Конкретные цифры зависят от множества причин, прежде всего — от входного сопротивления приемника сигнала: чем R_ВХ выше, тем легче проникает сигнал через емкость разомкнутого контакта.

При неудачном стечении обстоятельств затухание на верхней границе звукового диапазона частот может понизиться до 60 дБ, что заметно на слух. Вероятность такой ситуации невелика, потому что большинство устройств профессионального назначения имеют входное сопротивление 600 Ом или 10 кОм. Устройства с высокоомным входом (так называемый инструментальный вход — 100 кОм и более) подключать к механическому матричному коммутатору нужно с осторожностью.

Омическое сопротивление изоляции (порядка 10⁹ Ом) механического реле обычно ничем себя не проявляет, и им можно пренебречь.

Собственно контакт может дать о себе знать. Хотя его сопротивление невелико (порядка 0,1 Ом), но оно оказывается зависимым, в частности, от протекающего через контакт тока и от других дестабилизирующих факторов. В результате по мере износа контактирующих поверхностей и изменения усилия их сжатия появляются дополнительные шумы, в цепях аналогового звукового сигнала они могут быть заметны. Нельзя забывать и про нелинейные свойства контакта в режиме микротоков. (В последнее время усилился интерес еще и к режиму нанотоков — прим. ред). Выпускаются специализированные реле, предназначенные для коммутации именно малых токов. Тарированные механические параметры контактирующих поверхностей, их особая конструкция и применение специальных материалов обеспечивают стабильную работу и при малых токах. У таких реле производитель гарантирует параметры контакта в диапазоне токов, например, от 10^-6 до 0,01 А. Простые реле предназначены для коммутации токов в существенно более узком диапазоне, обычно от 10^-3 А.

Иногда приходится сталкиваться с помехами от цепей управления: при подаче напряжения на обмотку реле появляется щелчок в сигнальной цепи.

Электронный ключ обладает несколько худшими электрическими характеристиками — сопротивление открытого ключа достигает десятков ом. Через запертый ключ протекает ток (порядка 10^-8 А). Для уменьшения влияния этих параметров на качество коммутации применяют различные схемотехнические решения. Дополнительный ключ замыкает сигнальную цепь, ощутимо увеличивая затухание: выигрыш может достигать 30…40 дБ.

Скорость срабатывания электронных ключей высока, весь процесс переключения заканчивается за время, не превышающее 10^-6 секунд. Механические коммутаторы работают не так быстро: задержка срабатывания реле составляет единицы-десятки миллисекунд, ручной коммутатор работает еще медленнее, речь идет о секундах на сам процесс переключения. Сюда же надо добавить еще и время, которое требуется оператору для того, чтобы обдумать решение, подойти к коммутатору и найти на нем нужный разъем или кнопку.

Электронные коммутаторы аналоговых сигналов защищены от помех от цепей управления ощутимо хуже, чем обычные механические реле. Совместными усилиями разработчиков микросхем и коммутаторов удалось снизить эти помехи до вполне приемлемых значений, но этот результат мы видим не во всех устройствах — высокое качество дешевым не бывает.

Несколько слов о качестве

Коммутатор предназначен для обеспечения взаимодействия источников и приемников сигналов, в том числе — исключения взаимного несанкционированного влияния. Именно поэтому кроме собственно переключателей в состав матричного коммутатора аналоговых сигналов могут входить буферные усилители, устройства для гальванической развязки и другие сервисные «мелочи». В этом случае качество коммутации практически не зависит от параметров источника и приемника сигналов, а трансформаторная развязка радикально уменьшает взаимное влияние устройств в коммутируемом комплексе.

На основе копеечных тумблеров или разъемов можно сделать матричный коммутатор с впечатляющими параметрами, и измерения покажут отличную картину. Напряжение собственных шумов составляет буквально единицы микровольт. Потери в замкнутой цепи — тысячные доли децибела, затухание разомкнутой цепи — далеко за сотню децибел. Нелинейные искажения — на пределе разрешающей способности лучших приборов.

Простота конструкции и «короткий путь сигнала» выглядят заманчиво, но не всегда позволяют получить хороший или хотя бы приемлемый звук. Взаимные помехи цепей, «петли» и контактные явления могут свести на нет все преимущества этой простой и красивой конструкции. Не будем забывать и про эксплуатационные свойства: механический коммутатор останется механическим, и автоматизировать его затруднительно. Напомню, что удобство работы — одна из составляющих качества прибора.

Параметры реально хороших коммутаторов выглядят не так красиво. Буферные каскады вносят искажения, развязывающие трансформаторы — тем более. В результате в таблицах появляются почти неприличные для сегодняшнего уровня техники параметры «К_г = 0,1%», «диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц при неравномерности 0,5 дБ». Такие приборы покупают не для глаз, а для ушей.

Цифровая механика

«Механический» коммутатор с кнопками и разъемами XLR может быть использован не только для цепей с аналоговыми сигналами. Его можно употребить и для коммутации цифровых сигналов формата AES/EBU. Некоторое отличие волнового сопротивления от номинального значения не повлечет за собой фатальных последствий. Дело в том, что физическая длина кабелей в таком коммутаторе существенно меньше длин волны и дополнительные потери оказываются несущественными.

При такой механической коммутации нас поджидают неприятности совершенно иного свойства. Отключение одного источника цифрового сигнала AES/EBU и подключение другого приведет к срыву синхронизации. Звук прервется на некоторое время, достаточное для того, чтобы заметить сбой. Аналогичная картина имеет место в телевидении: при «механическом» переключении источников картинка срывается. Через небольшой промежуток времени восстанавливается кадровая синхронизация, и изображение стабилизируется. Аналогично получается и при коммутации сигнала AES/EBU — нарушается кадровая синхронизация со всеми вытекающими последствиями.

Для исключения коммутационных артефактов принимаются специальные меры по синхронизации потоков данных и задающих генераторов устройств комплекса.

Польза коммутации

Вариантов использования коммутаторов много. В частности, этот прибор полезен в студии радиостанции для организации резервирования. Сигналы основных источников заведены на матричный коммутатор, через него же выходной сигнал студии подается на линию доставки.

Возникает вопрос: зачем это может потребоваться, ведь конфигурация студии остается постоянной? Действительно, в целом студия неизменна, но есть еще и частности. Самый совершенный пульт не обеспечивает абсолютной надежности. Выходят из строя блоки питания, ломаются разъемы, рвутся провода, цифровые системы «зависают».

При наличии матричного коммутатора нажатием на одну кнопку сигнал с выхода эфирного компьютера направляется на вход канала, все остальное оборудование исключается из тракта. Такая конфигурация студии дает возможность мгновенно, без перерыва вещания, перейти на резервную схему работы и спокойно заняться, например, ремонтом вышедшего из строя пульта.

Есть и другие примеры использования матричного коммутатора в радиовещании — обеспечение взаимодействия нескольких студий. Повинуясь воле выпускающего редактора, студия живого эфира становится репетиционной, вторая студия переходит в режим живого эфира, а в третьей начинается пресс-конференция с трансляцией видео. Для полноценного использования нескольких студий потребуется матричный коммутатор большой размерности или каскадное включение нескольких «маленьких».

В сложном цифровом комплексе встает вопрос организации управления потоками данных, то есть маршрутизации, а не просто переключения звуковых сигналов. Эта задача тоже решена, и пользователь получает в свои руки полное решение, включающее в себя, в частности, и матричный коммутатор. Но реализован маршрутизатор может быть не только как аппаратное устройство, но и как прикладная программа управления компьютером.

Что ж, компьютер — наше будущее. Еще немного, и именно компьютер без всякого участия человека будет сам направлять сигналы, вынимая и вставляя разъемы — развитие идет по спирали.