Обзор технологий кабелей: The Genesis Report II от QED

В 1995 году QED опубликовали исследование Genesis Report, посвященное акустическим кабелям. В этом документе компания заложила и привела научное обоснование принципов проектирования акустических кабелей, которые справедливы сегодня точно так же, как и 12 лет назад. Столь длительный срок жизни является недвусмысленным подтверждением качества и глубины проведенных QED научных исследований. Genesis Report позволил создать основу для проектирования всех акустических кабелей от QED Original до Profile, SA-XT и X-Tube. Вступление

Во всем мире аудиофилы и любители качественного видеоизображения спорят о том, какая конструкция кабеля позволяет обеспечить наилучшее качество воспроизведения.

Компания QED, занимающая лидирующие позиции в этой области, заслужила множество наград за наши аудио- и видео-кабели. Основной причиной данного успеха является неукоснительное соблюдение основных инженерных принципов, а также полномасштабные программы измерений и субъективных тестирований, как собственной продукции, так и кабелей конкурентов.

В данном исследовании мы хотим еще раз рассмотреть некоторые области, описанные в первом Genesis Report, опубликованном в 1995, а также более детально исследовать базовые принципы, лежащие в основе работы кабеля. Также мы включили сюда различные фундаментальные принципы, относящиеся к передаче электрического сигнала, которые представляют интерес с научной точки зрения, а также играют решающую роль в разработке кабелей, имеющих наилучшее качество и для аудио, и для видео сигналов.

Значение кабеля

В идеале каждый кабель должен передавать сигнал от одного компонента к другому с нулевыми потерями и искажениями. К сожалению, в «реальной жизни» это невозможно — небольшие изменения, которые можно обнаружить в сигнале, приводят к появлению легко заметных изменений в качестве звука и изображения. Степень этих изменений напрямую зависит от конструкции используемого кабеля.

Для того чтобы получить максимально возможное «реальное» качество нужно глубоко понимать процессы, происходящие при передаче сигнала, а также обладать всеми необходимыми инженерными инструментами. Только в этом случае можно добиться наилучших условий при передаче сигнала.

Немного Теории и Интересные Факты

Многим кажется, что кабели являются очень простым компонентом, как с точки зрения конструкции, так и в плане работы. Однако, заглянув под поверхность можно обнаружить весьма интересные вещи.

Проводники:

Металлические проводники, такие как медь, работают очень хорошо. Это связано с тем, что в их структуре присутствует огромное количество свободных электронов, которые не связаны в атомарной структуре меди и следовательно могут свободно двигаться.

Металлический проводник состоит из ионов металла, образующих упорядоченную структуру, носящую название кристаллической решетки, и свободных электронов, которые перемещаются в пространствах между ионами. Движение свободных электронов является очень быстрым и носит случайный характер, его суммарный эффект дает нулевой электрический ток. За счет тепловой энергии свободные электроны двигаются случайно и могут перескакивать между атомами. Свободных электронов, способных двигаться, насчитывается огромное количество, например, в 1 кв. см. присутствует примерно 8,47х1022 электронов. Если в проводнике появляется разность потенциалов и возникает электрический ток, электроны начинают дрейфовать вдоль проводника со скоростью, которая зависит от силы тока, размера и типа проводника. Сопротивление в проводнике возникает за счет столкновений свободных электронов с ионами металла, при которых некоторая часть кинетической энергии, которой обладают электроны, передается ионам. При этом кристаллическая решетка начинает вибрировать, а электрическая энергия превращается в тепло.

Медь является прекрасным проводником с высокой проводимостью (?), поскольку внешние свободные электроны в ней имеют очень длинные свободные траектории — порядка 100 межатомных расстояний между столкновениями. Удельное электрическое сопротивление (?) проводника обратно пропорционально величине проводимости.

Серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь, а золото — чуть большее. Медь стоит гораздо дешевле и следовательно используется гораздо более широко, чем серебро.

К сожалению, все металлические проводники обладают сопротивлением, которое препятствует движению электронов и поглощает часть доступной энергии, превращая ее в тепло. Влияние сопротивления на качество работы системы было подробно описано в отчете Genesis Report 1995 года, который был посвящен акустическим кабелям, но такое же влияние мы можем видеть и в случае с видео кабелями (например, кабелями, которые используются для передачи HDMI-сигнала), где сопротивление кабеля оказывает решающее значение на его способность к передаче высоких частот на большие расстояния.

Проводимость ?=ne2l/mevrms Где: n = плотность свободных электроновe = заряд электронаme = масса электронаvrms = среднеквадратичная скорость электронаl =длина свободной траектории

Типичные величины удельного сопротивления (?) для проводников

Сверхпроводники:

Сверхпроводниками называют проводники без электрического сопротивления, т.е. такие, которые проводят электричество с нулевыми потерями. Если возбудить электрический ток в сверхпроводящем кольце, то он останется в нем навсегда. Также сверхпроводники являются превосходными диамагнетиками (они способны вытеснять магнитное поле); это свойство было открыто в 1933 и получило название эффекта Мейсснера.

Сложность использования сверхпроводников заключается в том, что для перевода материала в сверхпроводящее состояние требуется его охлаждение до очень низкой температуры. На момент написания данного исследования сверхпроводником с наивысшей критической температурой являлся оксид сплава ртути, бария, таллия и меди, его критическая температура составляет 139 К или -134°C. Так что нам, вероятно, следует подождать какое-то время, пока не появится материал со сверхпроводящими способностями при комнатной температуре.

Читая обо всех этих металлических проводниках, можно подумать, что именно они определяют всю работу кабеля, но так ли это на самом деле?

Как распространяется сигнал и насколько быстро?

Первый вопрос, который нужно задать, это: «Как сигнал передается от одного конца кабеля к другому?» На первый взгляд свободные электроны, находящиеся на том конце кабеля, который подключен к передающему устройству, должны передвигаться к концу, подключенному к «приемнику» с огромной скоростью. Это кажется правдоподобным, пока вы не измерите реальную скорость, с которой электроны перемещаются в проводнике, эта скорость называется скоростью дрейфа.

В 1-метровом межблочном кабеле свободным электронам требуется порядка 100 секунд, чтобы преодолеть расстояние от одного конца до другого. Это значительное время, и очевидно, мы не будем ждать появления звука или видео так долго, так что в проводнике должен быть задействован другой механизм передачи.

Шотландский математик и физик-теоретик Джеймс Максвелл (1832-1879) дал ответ на вопрос, что это за механизм, в своей работе, посвященной электромагнитным волнам. На самом деле сигналы распространяются в кабеле в виде электромагнитной волны, и эта волна движется очень быстро. В хорошем металлическом проводнике практически вся энергия будет передана от одного конца кабеля к другому за счет электрического и магнитного полей, окружающих проводник.

Рисунок 1. Структура электромагнитного поля вокруг пары проводников

Немного Теории и Интересные Факты (продолжение)

Вектор потока энергии, описанный английским физиком Джоном Генри Поинтингом (1852-1914) показывает, что поток энергии и ее величина описывается с учетом принципа сохранения энергии. А именно, оказывается, что общая энергия в системе является постоянной, кроме того, принимается во внимание факт, что магнитное поле не может совершать работу.

S = E x H

Или: S (Поток Энергии) = Электрическое Поле х Магнитное Поле

Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей, которые направлены в пространстве в соответствии с правилом «правой руки» по отношению друг к другу, а также к потоку энергии или потоку мощности, который направлен вдоль оси кабеля (Рис.2).

Электромагнитная теория показала, что в паре проводников большая часть энергии распространяется именно в пространстве между проводниками (Рис.1).

Эти фундаментальные принципы справедливы для всех типов передачи сигнала — для низкочастотных аудио или высокочастотных видео, цифровых и аналоговых сигналов и даже для сигналов питания в электросети. Энергия сигнала распространяется в полях, окружающих проводник, а свободные электроны переносят лишь малую долю энергии, которая распространяется вдоль кабеля.

Рисунок 2. Ориентация электрического и магнитного полей

Значение Диэлектриков:

С пониманием того, что энергия сигнала распространяется в пространстве между проводниками, становится очевидным, что материал, который находится в этом пространстве, имеет очень важное значение для конструкции кабеля.

Диэлектрик вокруг проводника оказывает непосредственное влияние на распространение электромагнитной волны вдоль кабеля, в частности на такие параметры, как скорость, накопление энергии и потери энергии. Диэлектрические потери линейно растут с частотой, поскольку энергия рассеивается в виде тепла. Скорость распространения сигнала может определяться формулой:

v = 3 x 108/v?r?r м/с

Где: ?r = относительная магнитная проницаемость (степень намагниченности при заданном значении магнитного поля), а ?r = диэлектрическая проницаемость среды.

В данном случае интересно рассмотреть механизм, отвечающий за диэлектрические потери. В непроводящем диэлектрике электроны связаны с атомами; однако в присутствии электрического поля орбиты электронов искажаются, поскольку отрицательно заряженные электроны начинают притягиваться к положительному проводнику. Для того, чтобы привести данные электроны в движение расходуется энергия сигнала, которая, в конце концов, рассеивается в виде тепла внутри диэлектрика. Чем лучше диэлектрик, тем легче двигаются атомы (не электроны) и тем меньше результирующие потери.

Электромагнитные поля и немного больше о Сопротивлении:

В отличие от электрического, магнитное поле излучается изнутри проводника, достигая максимального значения на диэлектрической поверхности проводника (Рис.3).

Рисунок 3. Напряженность магнитного поля при прохождении сигнала через сплошной и полый проводники (не в масштабе)

Мы знаем, что электромагнитные поля вокруг проводника излучаются на определенное расстояние, а это значит, что объекты и материалы (отличные от материала диэлектрика проводника), попадающие внутрь электрического и магнитного полей, будут оказывать непосредственное влияние на распространение и потери мощности сигнала.

Также необходимо учесть, что потери внешнего поля, вызванные сопротивлением кабеля, приведут к потерям энергии поля, распространяющегося внутри медного проводника. Важно понимать, что скорость распространения этой энергии через медь существенно ниже, чем скорость внешнего поля и зависит от частоты сигнала. Электромагнитные поля быстрее всего распространяются в плохих проводниках, вот почему радиосигналы распространяются во внешнем пространстве со скоростью света. С увеличением проводимости скорость сигнала уменьшается. В идеальном проводнике (вообще без потерь) электромагнитное поле будет полностью отражаться при достижении поверхности проводника. Металлы обладают таким же показателем преломления, как и стекло.

В реальности большая часть внешнего поля отражается, хотя небольшая доля проникает в неидеальный проводник, где быстро затухает. Существует характеристическая глубина проникновения, которую часто называют толщиной скин-слоя.

Глубина проникновения определяется как:

Z = v(2/?0??)

Где: ?0 = Магнитная восприимчивость, ? = Проводимость, ? = 2?f (Циклическая частота)

Таким образом, вариации поля в поперечном сечении проводника необходимо свести к минимуму для того, чтобы сохранить однородность электрического тока на всех частотах, в противном случае изменяющиеся конфигурации поля внутри проводника будут вести себя подобно селективному фильтру. (Результаты тестов, которые проводились в 1995 при подготовке Genesis Report, по-прежнему справедливы, однако при разработке кабелей с очень низким сопротивлением необходимо учитывать глубину проникновения, как это было сделано при разработке акустического кабеля Genesis).

Скорость распространения сигнала в проводнике также зависит от частоты передачи; чем выше частота, тем быстрее происходит передача и наоборот, чем ниже частота, тем медленнее передача.

Эти факторы сыграли важную роль в разработке технологии QED X-TubeTM, которая учитывает требования минимизации сопротивления и в то же время гарантирует, что в проводнике не происходит существенных изменений в проникновении электромагнитного поля. (В результате мы получили чистое и динамичное звучание).

Очень важно помнить о том, что негативные явления в кабелях очень часто остаются незамеченными при измерениях, использующих традиционные тестовые методики, например, при измерениях на синусоидальном сигнале. Исследования переходных характеристик сигнала намного более информативны, именно такие измерения использовались при тестировании акустических кабелей в первом Genesis Report. Эта технология может также успешно применяться и к кабелям с низким уровнем сигнала для объективной оценки их качества.

Кабели и значение Характеристического Импеданса

При рассмотрении данной области часто возникает недопонимание. Для низкочастотных аудиосигналов (20 Гц — 20 кГц), которые передаются на небольшие расстояния, характеристический (или волновой) импеданс кабеля не оказывает практически никакого влияния на передачу энергии между источником сигнала (усилителем) и приемником (акустическими системами) и, следовательно, не учитывается при проектировании акустических кабелей. Однако ситуация начинает меняться, когда длина волны электрического сигнала, передающегося по кабелю, становится короче длины этого кабеля. При разработке качественных кабелей для передачи видеосигналов с радиочастотами (высокими частотами) требуется уделять повышенное внимание тому, чтобы энергия сигнала не терялась. Характеристический импеданс — не постоянен и зависит от частоты передаваемого сигнала. На низких частотах импеданс кабеля определяется сопротивлением (R) и проводимостью (G), а на высоких — индуктивностью (L) и емкостью (С).

Основное уравнение для характеристического импеданса (Z0) выглядит следующим образом:

Z0 = v(R + j?L)/(G + j?C)

Где: ? = 2?f (Циклическая частота), а j = комплексная единица для мнимой части уравнения

Рисунок 4.

Характеристический импеданс определяется физическими размерами проводников кабеля, расстояниями между ними и относительной магнитной восприимчивостью диэлектрика.

В идеальной ситуации кабель переносил бы энергию электромагнитной волны от источника к приемнику вообще без отражения волновой энергии обратно. При отражении волны она распространяется вдоль кабеля в обратном направлении и взаимодействует с волной прямого сигнала. Эффект несогласованных характеристических импедансов можно наблюдать, используя метод Динамической Рефлектометрии, который позволяет выяснить, насколько качественно изготовлен кабель и насколько хорошо его коннекторы согласованы по импедансу (Рис.4). На практике этот метод работает следующим образом: на кабель подается очень короткий энергетический импульс. Любые изменения импеданса приводят к отражению части энергии волны в обратном направлении. Если кабель не подключен к нагрузке, то назад отразится практически вся энергия.

В межблочных кабелях, предназначенных для работы с высокочастотными сигналами, очень важным является импеданс коннекторов. При разработке серии антенных кабелей QED TTV Метод Динамической Рефлектометрии показал, что многие из так называемых high-end коннекторов не обладают необходимым характеристическим импедансом. Это приводило к тому, что большая часть энергии отражалась обратно к источнику. При низком уровне сигнала, как, например, в случае с антенным сигналом, результатом этого является плохое качество картинки и меньшее количество принимаемых телеканалов.

Химический Состав Проводников

Химический состав проводников очень важен для достижения высокой электрической проводимости. Присутствие в проводнике таких элементов, как кремний, магний или фосфор ухудшает электропроводность. Наиболее широко используемая в проводниках медь — это мягкая электролитическая медь (ETP), которая отличается высокой чистотой, и содержит кислород с концентрацией в диапазоне 100-650 ppm (частиц на миллион). Кислород используется в качестве легирующего элемента, а также в качестве поглотителя, взаимодействующего с большинством примесей в меди. Добавляя порядка 0,02% кислорода к меди ETP, можно повысить ее проводимость. Бескислородную медь используют в основном из-за ее способности легко переносить термическую обработку без повышения хрупкости, а также из-за удобства пайки и сварки. Аббревиатура OFHC™, которая и обозначает бескислородную медь, является зарегистрированным товарным знаком Phelps Dodge Specialty Copper Products. OFHC подразумевает высочайшую степень очистки меди, при которой в ней практически не остается ни кислорода, ни других примесей. Сертифицированная медь OFHC подразумевает чистоту не менее 99,99%, что делает ее самым чистым металлом для широкого применения. Международный Стандарт на Отожженную Медь IACS устанавливает референсное значение для проводимости меди. Проводимость мягкой электролитической меди ETP как правило лежит в диапазоне 100 — 101,5 % IACS, а проводимость бескислородной меди OFHC составляет порядка 102,4 % IACS.

В Мире Цифровых Технологий

Джиттер и Взаимопроникновение Каналов 

Джиттер — это термин, который используется для описания вариаций времени прихода цифрового сигнала к приемному устройству. Все металлические кабели обладают конечной величиной полосы пропускания и ослабляют высокочастотные составляющие цифрового сигнала. Задержка, возникающая при передаче (задержка, с которой приемное устройство детектирует единицы и нули) зависит от структуры цифрового сигнала. Цифровое оборудование как правило имеет встроенные механизмы, обеспечивающие устойчивость к джиттеру, но они не всегда эффективны, качество их работы зависит от частоты входящего сигнала. В некоторых случаях джиттер, наведенный в кабеле, попадает в восстановленный синхронизирующий сигнал, как в случае с сигналом SPDIF. Для больших длин кабелей «глазок» цифрового сигнала начинает уменьшаться в размерах, в конце концов, приводя к нарушению соединения (Рис.5).

Рисунок 5. Глазковая диаграмма цифрового сигнала

Когда по одному кабелю необходимо передать более одного сигнального канала, как например, в случае с цифровым видео, необходимо учитывать взаимопроникновение каналов, т.е. нежелательный перенос энергии из одного канала в другой за счет индуктивной или емкостной связи. Для борьбы с данным явлением можно использовать независимое экранирование сигнальных пар, но при этом может также сузиться и полоса пропускания. В результате этого может снизиться частота следования импульсов или скорость нарастания выходного напряжения, что негативно повлияет на качество передачи сигнала. Для улучшения качества используются различные методики, например увеличение количества скруток проводящих пар, использование проводящих пар с различной длиной скруток для минимизации связи, а также использование более качественных диэлектрических материалов.

Будущее

Фундаментальные принципы передачи электромагнитного сигнала по кабелю остаются неизменными вне зависимости от того, идет ли речь об аудио или видео сигналах в цифровой или аналоговой форме. Нет никаких сомнений, что технологии развиваются очень быстро, но при этом физика передачи сигналов остается неизменной. В то же время мы можем улучшать и совершенствовать свое понимание этих физических процессов. 

Чрезвычайно важно, чтобы характеристики проектируемого кабеля полностью соответствовали требованиям, необходимым для минимизации потерь и изменений в передаваемом сигнале. При этом рассматривать только кабель недостаточно, коннекторы также должны проектироваться надлежащим образом, чтобы минимизировать величину энергии в кабеле, отраженной в обратном направлении. Допуски по изменению импеданса кабеля должны быть минимальными. Это особенно важно на радиочастотах. 

Механизмы, за счет которых электромагнитный сигнал теряет свою энергию, и соответственно приводящие к снижению скорости распространения сигнала по проводнику и диэлектрику, имеют важное значение при проектировании конфигурации проводника. При разработке кабелей для A/V систем высшей категории взаимодействие между парами проводников имеет огромное значение и требует особого внимания, чтобы гарантировать минимальные искажения передаваемого сигнала. 

Уменьшение сопротивления кабеля и импеданса на высоких частотах дает очевидные преимущества, как в плане технических характеристик, так и при субъективной оценке. Это утверждение верно как для низкочастотных акустических, так и для высокочастотных видео кабелей. Решающее значение для обеспечения качества воспроизведения имеет геометрия кабеля, т.е. конфигурация расположения различных материалов, из которых он состоит. Кабель, состоящий из самых лучших материалов, но имеющий неправильную конфигурацию, никогда не превзойдет по качеству правильно сконфигурированный кабель, изготовленный из материалов более низкого уровня. Наилучшие результаты, конечно, дает сочетание оптимальной геометрии и материалов наивысшего качества. 

В компании QED наше понимание физики процессов, происходящих внутри кабеля, позволяет нам принимать максимально взвешенные решения о применении той или иной конструкции. Мы можем предложить самые передовые решения для достижения оптимальных условий передачи аудио- и видеосигналов.