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Câbles pour audio numérique et analogique

Bref historique de la conception des câbles

Les signaux télégraphiques combinent des éléments d’électronique analogique et numériques, et les premiers télégraphes électromagnétiques à code binaire utilisaient deux fils, connectés globalement comme nous le ferions aujourd’hui dans un circuit audio analogique. Toutefois, durant 1835/36 à Munich, Carl Steinheil a réussi à démontrer qu’il pouvait quasiment diviser les coûts des lignes terrestres par deux en employant un seul fil avec retour par la terre. Malgré les grandes distances parcourues par les télégraphes terrestres aux USA (qui étaient transnationaux dans les années 1860), on en savait peu sur les caractéristiques électriques de ces lignes, excepté pour l’importance des isolateurs. Toutefois, quand sont apparus les câbles sous-marins, il est devenu évident qu’il manquait de ce que nous appelons maintenant la "bande passante".

Les concepteurs des premiers câble n’avaient pas correctement analysé cet effet. Notamment, E.O.W. Whitehouse croyait qu’avec une tensionsuffisante, n’importe quel câble pouvait être employé avec succès. Cette théorie a donné de mauvais résultats assez prévisibles pour le premier câble transatlantique.

Dans les années 1890, le choix d’un fonctionnement asymétrique des lignes terrestres fut remis en question pour deux raisons majeures. D’abord, des interférences inhabituelles et les changements des caractéristiques des voies filaires dans les longs câbles sous-marins ont été pris pour des effets inconnus de l’électricité atmosphérique et du champ géomagnétique. L’intérêt est que ces mystérieux effets ont motivé bon nombre des premières expéditions polaires. Ensuite, les systèmes de distribution électrique et de traction (rail et tram) émergeant dans les villes partageaient tous des circuits de retour par la terre avec les télégraphes et téléphones. Cela a entraîné le premier usage convenable des paires torsadées ou, pour les téléphones longue distance, des circuits à quatre fils. L’ajout de bobines de charge à ces longs circuits formait un filtre passe-bas aux caractéristiques compensatoires. Cela pouvait écraser la réponse de la bande vocale électrique pour que des appels téléphoniques non amplifiés puissent être passés à des distances atteignant 1000 km. Dans les années 1920, des amplificateurs à lampes "de relais" permirent les appels au travers des USA sur ces câbles terrestres.

Câbles analogiques pour de l’audio de haute qualité - Exigences

L’audio "professionnel" utilise des câbles blindés à deux ou quatre conducteurs torsadés. Les câbles à quatre conducteurs servent exactement comme ceux à deux conducteurs, utilisant une connexion parallèle des paires opposées. L’avantage du câble "star-quad" à quatre conducteurs vient simplement de la géométrie électrique symétrique qui donne un meilleur équilibrage d’impédance entre les deux trajets du signal.

Dans les deux cas, chaque paire du câble peut être considérée comme ayant une "grosse" capacitance ou inductance fixe dépendant de la charge reçue. Les impédances types de ligne de transmission vont de 30 à 70 ohms. Par conséquent, l’impédance (telle que "vue" par l’extrémité émettrice) de deux câbles de 10 km à extrémité libre quand la seule différence entre les deux câbles est le diamètre des fils, si on la trace par rapport à la fréquence du signal, diffèrera de la façon suivante.

Comme cela induit une résistance, les deux courbes obtenues ne démarreront pas au même endroit. Toutefois, plus elles se rapprochent de leur impédance caractéristique plus elles convergent. Si elles ont les mêmes capacitance et inductance, elles auront au final la même valeur d’impédance. Les câbles audio analogiques sont par conséquent normalement attaqués par une source basse impédance (typiquement 50/100 ohms) avec une charge haute impédance à l’autre extrémité (typiquement 10 kohms). Il y aura des pertes de cuivre en série et des pertes de diélectrique en parallèle. Mais les pertes de signal sur la plage de fréquences audio de la bande de base ne doivent pas dépasser 1 dB sur une longueur de 100 mètres quelle que soit la construction.

Fonctionnement symétrique des lignes de transmission pour de l’audio de haute qualité

Malgré la croyance populaire, un signal symétrique n’a pas nécessairement pour but le rejet du bruit. Tant que les impédances des deux circuits sont équilibrées (câble y compris), le bruit affectera de la même façon les deux fils et sera éliminé par un amplificateur différentiel, qu’il y ait ou non du signal.

Un différentiel total sur la ligne a néanmoins d’autres avantages. Le champ électromagnétique autour d’une liaison différentielle est idéalement nul, ce qui réduit la diaphonie entre câbles adjacents. Et pour le même niveau maximal de signal, la sortie des amplis différentiels est deux fois plus forte, améliorant effectivement le rapport signal/bruit de 6 dB.

Blindage

La plupart des câbles audio sont blindés, et cela élimine les plus hautes radiofréquences tout en permettant le passage d’une alimentation fantôme. Toutefois, les lignes téléphoniques ont toujours parcouru de grandes distances sans être blindées, et la BBC fait courir avec succès des centaines de mètres de câble isolé au papier non blindé dans la "Broadcasting House".

En raison de la grande plage dynamique de signal que l’on peut attendre de câbles audio analogiques, les caractéristiques de construction physique telles que symétrie, blindage et induction de bruit (particulièrement avec flexion) deviennent importantes. Les différents types de blindage sont faits pour différentes applications, et voici une liste de ceux normalement rencontrés :

Les blindages spiralés peuvent être rendus ultra-flexibles. Toutefois, ils peuvent s’ouvrir à la flexion, ce qui compromet leur efficacité. Une spirale de fil affecte évidemment l’inductance du blindage. Par conséquent, les blindages spiralés sont rares en vidéo et ne servent généralement qu’en audio. Il existe un blindage hélicoïdal à double spirale, aussi appelé blindage "Reussen". Cette configuration "fait sauter" l’effet inductif d’une spirale, mais le blindage peut toujours s’ouvrir à la flexion. L’ultra-flexibilité de ces câbles est capitale.

Les blindages par tresse sont formés en enroulant des fils ou groupes de fils autour d’une âme et le tressage est l’étape la plus coûteuse de la fabrication d’un câble. Une simple tresse permet d’obtenir une couverture pouvant atteindre 95%. La couverture par double tresse peut atteindre 98%. Comme les tresses ont toujours des "trous" là où les fils se croisent, elles ne permettent pas d’obtenir une couverture à 100%. Les blindages par tresse sont plus efficaces à des fréquences allant de 1 000 Hz à 50 MHz. Pour ces fréquences, la faible résistance d’une tresse donne une bonne couverture. En-dessous de 1 000 Hz, aucune tresse standard n’est efficace. Les longueurs d’onde sont si grandes et l’énergie de basse fréquence si élevée que le seul blindage efficace est le gainage acier massif. Et, même à 60 Hz, le gainage acier ne donne que 27 dB de réduction de bruit ! Aux fréquences supérieures à 50 MHz, la tresse devient "dépendante de la longueur d’onde" car les trous deviennent d’autant plus grands par rapport aux longueurs d’onde qui diminuent. La couverture effective d’une tresse se détériore alors, surtout par rapport à un blindage par feuillard, qui n’a pas de trous.

Les blindages à tresse française sont une combinaison de spirale et de tresse. Une tresse française se compose de deux spirales tressées le long d’un axe. Cela donne au câble une excellente flexibilité et d’excellentes performances en radiofréquences. Cela peut être partiellement dû à l’élimination de l’effet inductif des spirales par le tressage ainsi qu’à l’élimination du bruit RF. La couverture maximale d’une tresse française est de 98%.

Les blindages par feuillard sont les plus faciles et les moins chers à mettre en oeuvre et ils se composent en réalité de deux couches, une couche métallique et un substrat polyester. Comme le feuillard n’a pas la masse et la faible résistance d’un blindage à tresse, ses performances en basses fréquences sont médiocres à moyennes. Par contre, au-delà de 50 MHz, les blindages à feuillard sont une excellente couverture des hautes fréquences. Comme le feuillard est une feuille continue de métal, la couverture peut être de 100%.

Les blindages mixtes combinent feuillard et tresse. Occasionnellement, il peut y avoir plus d’une couche de chaque. Pour cette raison, les blindages mixtes sont les plus onéreux de tous. Mais ils donnent aussi la meilleure couverture large bande, puisqu’ils contiennent une tresse pour les basses fréquences et un feuillard pour les hautes fréquences.

La différence entre câbles coaxiaux broadcast, qui contiennent souvent feuillard et tresse dans les applications numériques, et câbles TV par câble/large bande est que les câbles de TV par câble utilisent une tresse à faible couverture (descendant même parfois à 40%). La raison en est que ces câbles ne fonctionnent qu’au-dessus de 50 MHz. À ces fréquences, les blindages par tresse sont inefficaces et c’est le feuillard qui se charge de toute la réduction de bruit. La tresse de blindage n’est là que pour donner au connecteur quelque chose à quoi se connecter.

Conducteurs et diélectrique

En pratique, pour n’importe quel câble, les performances à toutes les fréquences s’améliorent avec sa taille, jusqu’au point auquel la largeur de l’âme (ou de l’âme par rapport au blindage) devient une fraction significative de la longueur d’onde du signal. Dans n’importe quelle tresse de blindage, le diélectrique idéal serait un vide, mais en pratique le besoin d’isolation et d’espacement précis entre les conducteurs intérieur et extérieur demande un matériau diélectrique aux solides caractéristiques physiques et électriques. Une couche d’air ou une mousse à injection de gaz amélioreront les caractéristiques électriques de tout polymère solide au détriment de la résistance à l’écrasement, mais un espacement précis des conducteurs devient alors assez difficile.

Pour les applications les plus exigeantes, le PTFE expansé est actuellement le meilleur diélectrique, réduisant efficacement de 20 à 30% la taille de tout câble pour des performances électriques fixes, selon Gore, un fabricant de câbles spécialisé utilisant ce matériau. Il est néanmoins difficile et donc coûteux à produire.

Du côté conducteur, Gore exploite la réduction de performance du câble dépendant de la fréquence ou "effet de peau" par le placage argent d’une âme résistive, réduisant ainsi les performances en basses fréquences pour aplanir la réponse en fréquence globale. Ils appellent cette technologie "Eye-opener+", vraisemblablement en raison de l’amélioration qui en résulte pour le diagramme en oeil du signal électrique numérique. Ces nouvelles techniques, et le coût qui leur est associé, n’ont toutefois d’intérêt qu’à l’approche de très hauts débits numériques (par ex. vidéo sur coaxial).

En résumé :

Les câbles audio analogiques nécessitent idéalement...

Un bon équilibrage d’impédance - pour le rejet du bruit sur les circuits symétriques. C’est essentiellement une question de préservation de la symétrie physique du câble lors de la fabrication, de l’installation et de l’emploi.

Une faible capacitance - 150 pF/m pour les courtes distances de moins de 30 mètres, jusqu’à 40pF/m pour les distances de plus de 300 mètres ou quand le nec plus ultra des performances est désiré (cf câbles numériques).

Une faible résistance - Conducteur central de 0,4 mm de diamètre pour les courtes distances de moins de 30 mètres où la robustesse n’est pas un problème, mais 0,65 mm ou plus pour les distances de plus de 300 mètres ou quand la robustesse est essentielle.

Une faible diaphonie entre paires - Blindages à feuillard pour la protection RF, blindages à tresse pour un faible bruit auto-induit et une protection de 1 kHz à 50 MHz.

De bonnes performances physiques :

  • Flexibilité, y compris un bon maintien des performances électriques après beaucoup de courbures en utilisation.
  • Faible production de bruit auto-induit. Le bruit audio peut être un effet collatéral de la déformation physique d’un câble. Cette déformation physique entraîne une déformation électrique, particulièrement en capacitance et en symétrie, avec pour résultat une modification du signal, ou une conversion de tension d’alimentation fantôme en bruit de fréquence audio.

Câbles numériques - Exigences

Les câbles audio numériques gèrent en réalité une bande plus étroite (moins d’octaves) de fréquences de signal qu’en audio analogique. L’audio numérique AES/EBU couvre globalement la plage de fréquences allant de 1,5 à 6 MHz à une fréquence d’échantillonnage de 48 kHz, avec une petite quantité d’énergie jusqu’à 100 kHz. Toutefois, à cause des hautes fréquences, les performances des câbles doivent être prises en compte comme pour l’analogique jusqu’à des longueurs d’environ 5 mètres. Des longueurs de câble dépassant 15 mètres commenceront à présenter des impédances sources différentes en fonction de la longueur et de la fréquence présentée, à moins d’être attaquées à l’impédance caractéristique physiquement contrôlée du câble. C’est simplement l’effet ligne de transmission qui entre en jeu.

Résonances des câbles

En dehors des pertes dépendant de la fréquence, une fois que la longueur d’un câble quelconque dépasse plusieurs longueurs d’onde à la fréquence du signal, les câbles peuvent présenter des résonances dues à de petites variations physiques cycliques, plutôt que les résonances globales de signal réfléchi sur la ligne de transmission causées par de mauvaises terminaisons électriques. Un signal numérique se compose en réalité d’une onde carrée analogique au spectre harmonique tronqué. Les harmoniques les plus importantes sont la troisième et la cinquième harmoniques de la fondamentale du signal, et ce sont les plus vulnérables à la distorsion causée par la résonance du câble. En dehors des variations cycliques de construction du câble, une autre source de résonance souvent pire peut venir de la fixation à intervalles réguliers d’un câble proprement monté durant l’installation.

L’importance de l’impédance des câbles

Les meilleures impédances de câble coaxial asymétrique pour l’emploi dans des applications haute puissance, haute tension et faible atténuation ont été déterminées expérimentalement en 1929 dans les laboratoires Bell comme étant respectivement 30, 60 et 77 Ohms, et cela peut être démontré mathématiquement. Dans le cas de câbles symétriques, ces valeurs deviennent respectivement 60, 120 et 150 ohms, mais des impédances de plus de 110 ohms sont rarement rencontrées dans des câbles blindés car physiquement les conducteurs centraux deviennent assez délicats et sujets à cassure ou dissymétrie électrique due aux contraintes. Par opposition, le câble jumeau plat non blindé 300 ohms était jusqu’à récemment largement employé pour les radiofréquences. Il était toutefois principalement utilisé en extérieur pour l’alimentation d’antenne soutenue par des bornes de batterie, et est assez peu maniable dans les installations complexes de par son besoin de soutien électrique symétrique aux côtés de tout autre câble. Les exigences idéales pour les câbles analogiques vont vers des impédances assez basses sous 50 ohms, mais les performances analogiques d’un câble 110 ohms restent très bonnes.

Effets de peau des hautes fréquences et conception du conducteur

Quand la fréquence des courants véhiculés par les conducteurs du câble augmente, le champ magnétique CA produit repousse progressivement les électrons porteurs les plus lents vers la surface du conducteur. Le tableau ci-dessous donne une idée de cet effet sur les tailles de fils habituelles. Cet effet produit une perte dépendant de la fréquence fondamentale dans le câble. Pour cette raison, les conducteurs centraux massifs servent normalement aux câbles numériques, bien que dans le cas de câbles à paires symétriques véhiculant un signal numérique AES/EBU, les pertes supplémentaires produites par les conducteurs toronnés soient marginales.

Fréquence Profondeur de peau (mm) Diamètre interne (mm) Pourcentage de conducteur utilisé
20kHz 0.46 0.6 100
20kHz 0.46 2.0 46
4.2MHz 0.32 0.6 100
25MHz 0.13 0.6 44
750MHz 0.024 0.6 8

Un câble à paire torsadée pour audio numérique AES/EBU nécessite...

Une impédance spécifique de 110 ohms - Peut varier de 88 à 132 et un excellent compromis analogique/numérique serait obtenu avec 100 ohms.

Une basse capacitance - Moins de 60 pF/m (la plupart des paires AES font 40 pF/m)

Une basse résistance - Le diamètre des fils devient le principal facteur en raison de l’effet de peau. Les diamètres les plus courants vont de 0,4 mm à 0,65 mm. 0,65 mm permet d’aller environ 10% plus loin.

Exigences modérées en diaphonie - Une valeur de 30 dB est suffisante (même des câbles UTP peuvent l’atteindre).

Pertes maximales du câble - La norme AES/EBU permet une atténuation par le câble de 12 dB à 6 MHz, par rapport à la perte à 0,1 MHz. Cela permet de facilement compenser 300 mètres de câble toronné à gaine isolante en PVC ou même de câble Cat 5 non blindé.

  • Les pertes de câble dépendant de la fréquence augmentent proportionnellement à la racine carrée de la fréquence, donc un système fonctionnant avec une fréquence d’échantillonnage de 192 kHz (4 x 48 kHz) ne pourra en théorie parcourir que la moitié de la distance parcourue par le signal 48k basique sur un même câble.
  • Grâce à des techniques de réparation du signal (similaires à celles employées en vidéo numérique), la longueur de câble ultime sera limitée par le rapport signal/diaphonie, pas seulement par l’atténuation.
Caractéristiques du câble Câble audio analogique professionnel symétrique Câble audio numérique AES/EBU symétrique Compromis pour câble mixte
Impédance de ligne de transmission Pas de limites nécessaires 110 ohms +- 20% 100 ohms
Pertes acceptables sur toute la bande 1 dB à 20 kHz sur 100 m de câble Jusqu’à 20 dB à 64 fé, (fé est la fréquence d’échantillonnage audio stéréo) Pas de problème.
Degré de symétrie Hautement souhaitable pour le rejet des interférences, star quad par exemple Pas besoin de spécification élevée sauf en zone sensible aux HF radio Aucune raison pour que le star-quad ne fonctionne pas en numérique
Matériau diélectrique À choisir pour le coût et le maintien de la géométrie du câble. Des matériaux exotiques peuvent donner quelques avantages sur des longueurs normales À choisir surtout pour les performances physiques. Faire attention à la migration du plastifiant
Conducteurs internes À choisir pour la flexibilité et la faible production de bruit À choisir pour maintenir l’impédance Utiliser des âmes internes 100/110 ohms plus fines
Blindage Spécification à visée économique Pas important Spécifier pour les performances analogiques
Couche de blindage haute résistance Réduit le bruit de flexion Indésirable à cause des pertes de conduction de peau Ne pas utiliser

Espace Technique