Balanceer ellende
Al eerder heb ik op deze plek mijn bedenkingen uitgesproken tegen het toepassen van gebalanceerd signaaltransport voor hifitoepassingen en nu wil ik graag met een wat technische toelichting en een praktijkvoorbeeld uit de professionele geluidstechniek een belangrijk aspect belichten van wat er fout kan gaan.
Voor diegenen die niet weten wat de verschillen zijn tussen gebalanceerde en ongebalanceerde signalen verwijs ik graag naar een eerder door mij geschreven artikel waar dit wordt uitgelegd.
Om te beginnen is het belangrijk om u te realiseren dat in de meeste gevallen de oorsprong van het elektrische geluidssignaal ongebalanceerd is. Het kan zijn dat in een cd-speler het signaal gebalanceerd gemaakt wordt en aldus naar een voorversterker met gebalanceerde ingangen gestuurd wordt, maar in de voorversterker wordt het gebalanceerde signaal vervolgens weer ongebalanceerd gemaakt om ermee te kunnen regelen (volume) en schakelen (bronkeuze). Het kan dan zijn dat het signaal bij het verlaten van de voorversterker weer gebalanceerd gemaakt wordt om naar een eindversterker gestuurd te worden die gebalanceerde ingangen heeft. Er zijn inmiddels eindversterkers die totaal gebalanceerd werken, maar er zijn er ook nog genoeg die prompt na binnenkomst het gebalanceerde signaal weer ongebalanceerd maken om het vervolgens de feitelijke eindversterker binnen te voeren.
Nog los van de extra hoeveelheid elektronica die je op die manier in de signaalweg opneemt, wat strikt genomen volslagen onnodig is, kan het maken van een gebalanceerd signaal uit een ongebalanceerd signaal ook de nodige problemen op zich opleveren.
Wat gebeurt er nu precies?
Om van een ongebalanceerd signaal een gebalanceerd signaal te maken kun je verschillende technieken toepassen. Van oudsher is er het trafo’tje. Klankmatig kun je eindeloos discussiëren of het mooi is of niet, maar als het gaat om storingsonderdrukking over lange signaalleidingen, dan is dit de beste oplossing, omdat de beide signalen volledig aardvrij zijn. Tegenwoordig wordt meestal voor een elektronische oplossing gekozen, gewoon omdat dat goedkoper is. Dat betekent dat er op de drie-polige XLR aansluiting naast massa, twee signalen present zijn die exact gelijk in amplitude zijn, maar 180 graden in fase gedraaid zijn ten opzichte van elkaar. Als je ze elektrisch bij elkaar optelt hou je niets over, als je ze van elkaar aftrekt dan hou je de dubbele signaalamplitude over. Dit is het 6 dB signaalverschil tussen gebalanceerd en ongebalanceerd. In theorie is dit allemaal heel leuk, maar in de praktijk gaat het vaak behoorlijk mis.
Het bereiken van een exact gelijke amplitude voor het + en – signaal is nog wel betrekkelijk eenvoudig voor de audio bandbreedte te garanderen. Het probleem begint als we willen bereiken dat de faserelatie ook voor die 20 KHz bandbreedte exact gelijk, namelijk 180 graden blijft. In de professionele audio wordt voor het gebalanceerd maken van een signaal meestal een dual op-amp gebruikt. Ook hier kun je verschillende schakelwijzen toepassen. Je kunt de ene helft van als inverterende op-amp schakelen en de andere helft als niet-inverterende op-amp. Aan de ingangen voer je het ongebalanceerde signaal toe en aan de beide uitgangen heb je twee singalen die 180 graden uit fase zijn. Wat ook wel gebeurt is dat de beide op-amp schakelingen achter elkaar gezet worden, allebei als inverterende op-amp geschakeld. Aan de uitgang van de eerste heb je dan het – signaal en aan de uitgang van de tweede het opnieuw geïnverteerde signaal oftewel het + signaal. In de eerste situatie heb je te maken met impedantieverschillen voor het + en – signaal, waardoor je impulsgedrag verschillend is. Uit klankmatig oogpunt is feitelijk de tweede schakeling nog het meest te prefereren, maar het probleem daarbij is dat je een looptijdverschil tussen de uitgangen hebt. Uit metingen heb ik geconcludeerd dat dat ongeveer 4 nanoseconden is; niet echt iets om wakker van te liggen, als het maar constant is over de hele audiobandbreedte!
Het probleem
Het probleem is dan dat het in het ontvangende apparaat natuurlijk ook helemaal fout gaat als het signaal weer ongebalanceerd gemaakt wordt. Bij het van elkaar aftrekken van de + en – signalen wordt de fase de resultante van het faseverschil tussen de aangeboden signalen. Bij 1 KHz zou dat dus 2,5 graden zijn, bij 10 KHz 5 graden en bij 20 KHz ruim 10 graden! Aangezien stereo-informatie voor een groot deel bepaald wordt door en afhankelijk is van fasereinheid is dit natuurlijk moord op je stereobeeld!
Conclusie
Bij deze wil ik dus nogmaals met grote nadruk stellen dat gebalanceerd signaaltransport in beginsel niets met geluidskwaliteit te maken heeft! Het is een oplossing voor een probleem wat zich in de professionele audio voordeed namelijk het onderdrukken van storing op lange microfoonkabels. Dat dit is komen ‘overwaaien’ naar de hifi toe is wat mij betreft volstrekte onzin; in de gemiddelde hifi-installatie zijn de kabellengtes maar een fractie van wat ze in de situatie van bijvoorbeeld een popconcert zijn.
Voor hifitoepassingen is een goed afgeschermde kabel dan ook ruimschoots toereikend om een storingsvrije overdracht van het ongebalanceerde signaal te garanderen.
Frank Speet