Como os cabos coaxiais desbalanceados são usados ​​para transmitir sinais de TV sem problemas?

Tanto quanto eu sei, em telefonia STP ou cabos de par trançado são usados. Isso cria impedâncias de linha balanceadas que são úteis para atenuar interferências relacionadas ao modo comum.

Portanto, o uso de cabos balanceados na telefonia e no áudio é crucial para se livrar de qualquer interferência EM ou RF.

Por outro lado, na transmissão de TV ou em muitos sistemas de RF, cabos coaxiais são usados. E a maioria dos cabos coaxiais que eu vi não são equilibrados. Eu posso ver que o conceito de 50 Ohm é bom para se livrar das reflexões na teoria das linhas de transmissão. Mas como é que o desequilíbrio dos cabos coaxiais não causa problemas com problemas de balanceamento de impedância?

Mas como é que o desequilíbrio dos cabos coaxiais não tem problemas em questões de balanceamento de impedância?

O mais bonito do cabo coaxial é que a blindagem evita principalmente toda a interferência externa do campo elétrico no terra e o fio interno não é afetado. Para uma interferência externa do campo magnético, algo sutil acontece; a corrente que flui na blindagem devido à presença do campo cria uma queda de volt ao longo da blindagem e, devido ao acoplamento próximo de 1: 1 entre a blindagem e o interior, essa queda de volt idêntica está presente no núcleo interno.

Portanto, desde que você use um receptor diferencial e a extremidade de envio tenha razoavelmente as mesmas impedâncias para aterrar na blindagem e no interior, o receptor diferencial poderá rejeitar a interferência no modo comum.

Se você fizer as contas nos campos externos produzidos por um sinal regular enviado por um cabo coaxial e analisar os campos das correntes de envio e retorno individualmente, verá que em todos os pontos fora da blindagem, os campos magnéticos opostos cancelam exatamente a zero. Não há campo magnético fora de um cabo coaxial a partir de um sinal coaxial regular.

O impacto disso é que o campo magnético do sinal é produzido apenas no espaço entre a blindagem interna e externa. Uma repercussão disso é que o escudo deve, portanto, ter zero indutância. Isso ocorre porque o campo magnético externo é zero (também conhecido como indução zero) e o campo magnético interno do sinal não tem efeito sobre um condutor tubular (também conhecido como escudo), portanto, o escudo se comporta como um invólucro de terra infinitamente grosso ao redor do interior.

Isso pode ser um pouco difícil de engolir, mas se você voltar às teorias dos campos magnéticos associados a um fluxo tubular de corrente, um campo externo é produzido, mas nenhum campo interno. O contrário é inteiramente verdadeiro; um campo magnético dentro de um tubo não induz tensão ao longo do tubo E, dado que não há campo externo, a blindagem tem indutância zero.

O resultado de todas as minhas divagações é que ele funciona, apesar de ter um regime de impedância significativamente desequilibrado entre a blindagem interna e externa. Não é tão fácil ver imediatamente que eu lhe concedo, espero que eu tenha feito alguma justiça.

Andy fala sobre como o cabo coaxial funciona em geral, mas outro ponto é que o vídeo geralmente não possui os mesmos requisitos de SNR do que o áudio. Dados com 8 a 10 bits por canal de cor fornecem imagens muito boas, e isso representa um SNR de apenas 50 a 60 dB.

Por outro lado, para ser considerado "qualidade de CD", o áudio deve ter pelo menos 16 bits de resolução, equivalente a um SNR de quase 100 dB.

Telefonia é um caso especial. Embora não exija muita largura de banda, exige uma faixa dinâmica equivalente a 13-14 bits. (Mas a codificação usada reduz o SNR para cerca de 7 bits). O UTP (par trançado não blindado) é usado apenas porque é muito barato de fabricar e exige muito dele.

A principal diferença técnica é como eles rejeitam interferências. O par trançado depende da interferência que afeta os dois fios igualmente, gerando ruído em modo comum que é facilmente rejeitado pelo receptor diferencial. Isso funciona bem para interferência magnética em frequências muito baixas.

O cabo coaxial depende da interferência magnética que induz correntes opostas na blindagem que cancelam o campo magnético interno. A penetração do campo magnético no cabo é limitada pelo efeito da pele . Isso funciona bem nas frequências de RF, mas é inútil nas frequências de áudio e de linha de energia. A 50Hz, a profundidade da pele é de ~ 9mm, portanto a interferência passa pelo escudo.

Então, qual é o melhor depende muito das frequências envolvidas e do tipo de interferência que pode estar presente, mas não é a única razão para escolher uma sobre a outra.

As linhas telefônicas analógicas geralmente precisam passar perto das linhas de energia por longas distâncias enquanto transmitem sinais de áudio de nível bastante baixo. O ouvido humano é bastante sensível aos harmônicos da linha de energia que o cabo coaxial não seria capaz de rejeitar. O cabo coaxial também é mais volumoso e mais caro, o que é muito importante quando você precisa executá-lo milhares ao longo de muitos quilômetros. Imagine isso , mas com 1800 cabos coaxiais individuais agrupados ...

O par trançado também pode funcionar bem em frequências mais altas, mas as dimensões do cabo podem ser inconvenientes. Os aparelhos de TV costumavam usar um cabo 'fita' de 300Ω, que na verdade tem uma perda menor do que o cabo coaxial padrão nas frequências VHF. Mas era chato de usar porque tinha que ser mantido longe do teto de metal etc., era propenso a danos climáticos e balun era necessário para converter para 75Ω desequilibrado no receptor.

Em frequências mais altas, o cabo coaxial tem a vantagem de menor perda e maior largura de banda em um cabo robusto com excelente blindagem, e o sinal desequilibrado é mais fácil de interface. Geralmente, as execuções de cabos são curtas; portanto, o custo não é um problema - exceto para o CATV, mas (ao contrário dos telefones) cada assinante não precisa de seu próprio circuito, para que um único cabo possa atender milhares de espectadores (o CATV moderno é principalmente de fibra óptica, portanto, as execuções coaxiais são muito mais curtas).

Cabos coaxiais são comumente usados ​​em áudio para conectar componentes e equipamentos internos, apesar de não serem muito eficazes contra interferências magnéticas de baixa frequência. No entanto, as impedâncias do circuito geralmente estão na faixa de 1k a 1M; portanto, a interferência magnética (que gera alta corrente, mas baixa tensão) é menos problemática. O cabo coaxial ainda protege contra campos elétricos (que têm mais efeito em impedâncias mais altas) e interferências RF de todos os tipos. Sinais de áudio de baixo nível podem precisar de melhor proteção e, em seguida, par trançado blindado é frequentemente usado. Isso combina as vantagens dos dois tipos de cabos.

Eu posso ver que o conceito de 50 Ohm é bom para se livrar das reflexões na teoria das linhas de transmissão. Mas como é que o desequilíbrio dos cabos coaxiais não causa problemas com problemas de balanceamento de impedância?

Equilibrado ou desequilibrado não faz diferença para a correspondência de impedância, e nem sempre é necessária uma correspondência precisa. Se o comprimento do cabo for muito menor que o comprimento de onda do sinal, as reflexões não serão um problema na maioria das aplicações. Ninguém se importa com a impedância coaxial em aplicativos de áudio, e mesmo o vídeo composto (com uma largura de banda de ~ 6MHz) não é visivelmente afetado por cabos incomparáveis ​​nos cabos de equipamentos.

Um motivo completamente distinto pelo qual o cabo coaxial é favorecido pela TV é a resposta em frequência.

As perdas associadas ao par trançado aumentam rapidamente com a frequência, a ponto de os modems DSL se esforçarem para usar até os 10 MHz mais baixos de largura de banda nos loops de assinantes de telefone analógico. Pelo mesmo motivo, Ethernet de alta velocidade ( 1G , 10G e acima) sobre par trançado é limitado a comprimentos de links físicos muito curtos (100m no máximo) - e requer muita tecnologia moderna para chegar lá.

O cabo coaxial, por outro lado, tem (e sempre teve) perdas razoavelmente baixas nas frequências VHF e UHF necessárias para a TV (10s de MHz a 1 GHz).

Em uma visão simplista:

Os cabos coaxiais enrolam a vista de terra plana, para que ela tenha uma forte simetria e nenhuma 'externa' (anteriormente a 'abaixo').

Além disso, a profundidade da pele nos cabos significa que o exterior da bainha é efetivamente isolado (nas frequências mais altas) do interior da bainha que interage com o núcleo.

Dito isto, cabos balanceados são muito benéficos quando usados ​​corretamente. Observe que são as impedâncias para o ponto comum que são balanceadas, e não as 'tensões' (que têm uma referência arbitrária, pois sempre são possíveis diferenças). Os sistemas equilibrados agem como pontes de Wheatstone, onde nada flui no braço reticulado.