Светлая сторона звука
цифровые оптоволоконные мультикоры

Майкл Кример

Я был всего лишь техником, который в течение двадцати часов тянул звуковые кабели на большой корпоративной промышленной выставке, и после этого задался вопросом, почему не сделать эту работу немного легче. Ох, и прижала меня эта "нужда - мать изобретения". Случилось так, что я нашел пару инженеров и одного профессора, который знал "цифру", как ничто другое, и мы тронулись в долгий путь.

За свою жизнь я выслушал все возражения по поводу использования цифровой оптоволоконной аппаратуры. В спину мне было пущено столько стрел, что одно это отличало бы меня как первопроходца. Ну, как говорится, то, что тебя не губит, делает тебя сильнее. Так что седины у меня сегодня несколько прибавилось.

Во имя спора...

Я воткну свой оптоволоконный меч в землю и в анналах истории отмечу нью-йоркский съезд AES в 1989 г. как нулевую отметку. Это тот год, когда две американские и одна европейская компании представили рабочий прототип того, что можно было бы назвать рождением оптоволоконного цифрового мультикора.

12 лет спустя некоторые из тех же самых проблем реализации все еще существуют. Многие из них стерлись, устранились или разрешились благодаря просто чистой удаче. Если кто-либо из тех производителей, на которых я работал, или какие-нибудь новые уделят внимание этой проблеме, то мы вскоре можем открыть для себя действительно доступные оптоэлектронные преобразователи в форме цифровых мультикоров.

Наша индустрия приводилась в движение по большей части стоимостью электронных компонентов, и, конечно, цифровые мультикоры – не исключение. Две вещи управляют стоимостью – предложение и спрос.

Сегодня у нас все еще относительно редко используются АЦП по сравнению с ЦАП. Последние применяются в огромных количествах в бытовой и профессиональной аудиопродукции.

Анализ цифрового мультикора

Давайте бегло пройдемся по принципам его действия, так чтобы в будущих обсуждениях мы не возвращались к началу. Те, кто уже просвещен, могут пропустить этот раздел. Проверки в конце не будет, так что расслабьтесь.

На вход этого устройства поступает аналоговый звук с микрофона или из линии, который он преобразует в некоторое приемлемое цифровое факсимиле (с помощью АЦП). С выходов АЦП идут последовательные двоичные потоки (обычно 3,144 Мбит/с), которые затем мультиплексируются и синхронизируются с помощью устройства TAXI-чип и выдаются в виде одного быстрого двоичного потока (приблизительно 125 – 150 Мбит/с). Эта обработка известна под названием TDM (Time Division Multiplexing – временное разделение каналов).

TAXI является частью реализации стандарта, который можно найти в компьютерной индустрии под названием FDDI (Fibre Data Distribution Interface – интерфейс данных, распространяемых по оптоволокну). Затем из чипа TAXI идет электронно-оптическое преобразование в сигнал ECL (Electronic Control Logic – электронно-управляющей логики), который связывается с фотодиодом. Сигналы ИКМ (импульсно-кодовой модуляции) переходят в волновод.

Этот волновод – оптоволокно. Чтобы понять принципы действия волновода, возьмите консервную банку, пробейте дырку в ее дне, наполните водой, которая будет вытекать в вашу раковину. Посветите фонариком в банку и посмотрите, что происходит со светом по мере того, как он распространяется вниз по струе воды. Это ваш принцип работы элементарного волновода.

Оконечный каскад

Несущий оптический (или коаксиальный) сигнал демодулируется, демультиплексируется и превращается обратно в многочисленные последовательные двоичные потоки, которые поступают на ЦАП, фильтруются (от паразитных помех) и затем выдаются как аналоговый звук линейного уровня.

В других случаях последовательный двоичный поток AES может передаваться через интерфейс PA-422 для совместимости с цифровыми устройствами ввода/вывода. Я должен указать, что не все цифровые мультикоры полагаются на оптоволокно как на свою единственную среду. В настоящее время в некоторых high-end цифровых микшерских консолях применяется MADI (Multiple Audio Digital Interface – многоканальный цифровой аудиоинтерфейс). Это средство передачи чаще всего реализуется на 75-омном коаксиальном кабеле и иногда на волокне.

В начале моих поисков более компактных легких цифровых оптоволоконных мультикоров в 1989 г. мы использовали 16-битные АЦП на входах и 18-битные ЦАП на выходах. Мы думали, что это круто! Ладно, теперь, когда вы перестали смеяться или задыхаться в ужасе, я могу заверить вас, что мы вообще-то микшировали "живые" команды через эту штуку, вызывая критическое одобрение со стороны инженеров, которые использовали систему.

Выгоды и неразрешимые задачи

Это подводит нас, возможно, к единственному наиболее спорному вопросу в применении цифровых мультикоров. У АЦП фиксированный динамический диапазон 110 – 115 дБ (взвешенный по кривой А). Чтобы получить лучшие результаты, эти устройства необходимо приспособить к соответствующему уровню.

Микрофонам, независимо от качества, все еще требуются высококачественные предусилители. Уровни обычно формируются в цепочке электрических устройств на входе микшерской консоли. Этот ключевой микрофонный предусилитель был изъят из нее и помещен на удалении – на входе цифрового мультикора.

Что же можно сделать при дистанционном управлении усилением? Некоторые системы предлагают механические фиксированные установки (обычно 20, 30, 40 и 50 дБ) микрофонного усиления или ослабления до А/Ц-преобразования. Чтобы побольше выжать из схемы А/Ц-Ц/А-преобразования в ряде систем используется предыскажение. Это может добавить лишних 10 дБ динамического диапазона, что обычно позволяет "вытащить" слабые сигналы и сделать их пригодными для использования на низких уровнях.

Другой выгодой волоконного мультикора является использование оптических сплиттеров, устраняющих потерю сигнала между консолями и связанными с ними земляными петлями. Это заменяет  трансформаторный сплиттер на оптическую версию.

Излучатели для сплиттеров

Для применения в области передачи аудиоданных некоторые производители выпускают многочисленные излучатели для оптоволоконных линий. Это сглаживает любую потерю силы оптического сигнала посредством сплиттирования сигналов. Правило большого пальца таково: 3 дБ (3 дБ все еще равны 50%  мощности) на каждое расщепление.

Во многих звуковых инсталляциях, где выполняется расщепление сигнала, у нас не один, а три звукоинженера, которые пытаются передать звуковой сигнал от одной оптической передающей системы к трем отдельным консолям. Есть только один микрофонный предусилитель, один АЦП и один регулятор уровня.

Оптического расщепления для мониторной консоли не требуется. Благодаря близости расположения входов цифрового мультикора и мониторной консоли сплиттирование можно осуществить через трансформатор. Это оставляет возможность установить наилучший уровень сигнала с цифрового мультикора для основного микшера системы звукоусиления в зрительном зале и для ПТС.

Окончательным решением является наличие двух независимых входов с дистанционным управлением усилением микрофонного предусилителя. Я обнаружил, что лучшие спроектированные системы содержат достаточный запас уровня, чтобы справиться с необходимыми его изменениями.

Помнишь прошлый вечер?

Наряду с компенсацией уровня существуют проблемы повторяемости, которые обычно следуют за реализацией любой электрической системы с вызовом из памяти установленных значений (не только вчерашних, но и месячной давности) усиления, адресации выходных сигналов или коммутации. Два производителя предлагают программные продукты под Windows для реализации функции Recall.

Преобразование электрических импульсов в свет происходит в реальном времени с минимальным ухудшением сигнала. При любом виде преобразования энергии всегда есть некоторая ее потеря. Это видно на самом первом этапе преобразования с А/Ц-конвертором. Увеличение частоты следования битов даст больше цифровых шагов и в итоге возросшее отношение С/Ш (сигнал/шум) и расширенный общий динамический диапазон.

Удвоение частоты дискретизации может обеспечить большее разрешение. Это также может привести к более высокому уровню нелинейных искажений третьей гармоники (THD) в ходе обработки. Оборотной стороной расширенного диапазона является необходимость увеличения скорости мультиплексора, что требует расширенного оптического диапазона данной системы.

Приходится также бороться с устрашающим групповым временем запаздывания, возникающим главным образом из-за работы А/Ц-преобразователя. Я не упомянул, что это преобразование и передача происходят в реальном времени? Это само по себе могло бы стать статьей, и сейчас я этим надоедать не буду, но, покупатели, берегитесь, не все вещи создаются равными.

Обычно 20 – 24-битный АЦП с частотой дискретизации 48 кГц формирует задержку в 1 мс во всей системе. В системе ВРК задержка не накапливается, однако может накапливаться в архитектуре, основанной на технологии ЛВС (EtherNet). По доставке этого хорошо перемешанного потока проносящихся фотонов мы все-таки должны вновь сделать из него звук, который можно использовать или слушать.

Полевой кабель

Теперь, когда я осветил основные соображения по поводу оптоэлектроники, мы должны сосредоточиться на самой среде осуществления передачи – оптическом кабеле. В большей части индустрии применяются три типа оптоволоконных разъемов. Типов структуры и оплетки кабелей так же много, как и самой проволочной продукции, основанной на меди.

На рынке есть множество хороших оптоволоконных кабелей от разных производителей. Если вы не знаете, что рынок волоконной оптики бурно развивается, примите во внимание то, что весь мир испытывает дефицит одномодовых кабелей. Сроки поставки заказов распланировали вплоть до второго квартала 2001 г. К счастью для нас, звукоинженеров, мы используем преимущественно многомодовые световоды.

Это, возможно, подходящий момент, чтобы обратить внимание на то, что одномодовый не означает односигнальный, а многомодовый не относится к многоканальным сигналам. В действительности оба способа передачи будут нести составные сигналы. Одномодовый относится к единому (одномодовому) концентрированному лучу, а многомодовый способ – это множество лучей, загружающихся в конус приема.

В многомодовом способе сердечник с большим диаметром (62,5 мкм) принимает больше разных лучей. Сегодняшние многомодовые системы обычно оперируют с 80 каналами на расстоянии до 5 км. У одномодового волокна – 1/8 размера многомодового (8 мкм) и передача на большие расстояния с большим диапазоном.

Тактическое волокно

Моя первая 30-дневная пробная передача с 64-канальным оптоволоконным мультикором развернулась на обыкновенном световоде, обычно заказываемом для офисных компьютерных сетей и ни в коем случае не предназначенном для грубого обхождения при развертывании на "живом" концерте. Это было чистое везение, что мы продержались тот месяц.

Вооруженным силам США  требовался тактический световод, который способен выдерживать тяжелые условия полевого развертывания в передвижных средствах связи.

Корпорация ОСС разработала световодный кабель в ПВХ-оболочке, используя заполнение из кевлар-арамида в качестве элемента прочности для обеспечения полевой долговечности. В полевых условиях он мог выдержать раздавливающую нагрузку в 2000 фунтов/см от танка "Абрамс". Это было ответом на мои поиски кабеля лучшего, чем медный мультикор. Кабель, на котором можно было бы подвесить колонку, если потребуется. Ну, может быть, не самая лучшая идея, но это действительно так.

Эксперименты показали, что кабель ОСС (с военной приемкой и запатентованный) превосходит по характеристикам другие копии ведущих производителей. Запатентованный технологический прием запрессовки световода в ПВХ-оболочку нетривиален, и не давайте обмануть себя дешевыми имитациями, как бы их там ни рекламировали.

ST, SC, FC и "гермафродитные" разъемы

Разъем ST, или двойной ST, при использовании вместе в одном удобном комплекте для передачи/приема называют блоком FDDI. Это также верно по отношению к двойному разъему SC. И тот, и другой можно найти в большинстве или во всех существующих на сегодняшнем рынке оптоэлектронных устройствах.

История ST, разъема типа штыкового, уходит корнями в мир AT&T. Разъем SC появился позже и сегодня считается стандартом для сетей связи.

Похоже, что рабочие стандарты AES склоняются к SC как оконечному разъему и монтажному стандарту в помещениях. Сказав это, девять из десяти ведущих производителей все еще используют ST наравне с SC. Многие инженеры привнесли ST и SC в мир звукового производства и инсталляции и получили смешанные результаты. Эти разъемы относительно дешевы и легко монтируются. Есть даже разнообразные виды быстромонтируемых оконечных разъемов, которые при небольшом опыте можно установить менее чем за 2 мин. Все три данных типа разъемов были сконструированы для внутренней разводки, когда в течение срока службы системы требовалось минимальное число раз вставлять разъемы.

Еще лучше

Лучшим решением является найти разъем, разработанный для повторяющихся и многократных включений в полевых условиях. Опять же, мы обращаемся к оборонной промышленности за долговечной полевой технологией. ВМФ США подрядил одну компанию на разработку разъема для борта судна, который мог бы выдерживать тяжелые условия моря. Сухопутные войска использовали тот же разъем для "тактической связи". Как и с большинством военных технологий, за ценой не стояли. Так что, хотя этот многоконтактный (с множеством металлических наконечников) разъем был, фигурально выражаясь, пуленепробиваемым, нашим коллегам-коммерсантам приходится подыскивать экономичный сопоставимый эквивалент.

К настоящему времени у нас есть серия "гермафродитных" (если кто-либо из читателей придумает лучшее название для разъема, в котором одна часть "папа", а другая – "мама", мы будем очень признательны. – Прим. ред.) или военных тактических разъемов от Packard Hughes и совместимый с ними конкурент от FSI (Fiber Systems International). Он состоит из корпуса из нержавеющей стали и двух наборов конечных контактов, смонтированных внутри двойного блокировочного механизма в виде О-кольца.

Нам известно, как у одной вещательной компании за один сезон спортивных передач сломанными ST-разъемами наполнилась полная банка емкостью более литра, прежде чем они решили перейти на комплект военных "гермафродитных" разъемов.

Все имеет свою цену

Многие называют меня "стеклянная голова", но не забывайте, что я все еще придерживаюсь и проповедую правило 500 футов. До 500 футов (152 м) вы можете получить отличные результаты с хорошим медным мультикором. Свыше 150 м в более выигрышном положении оказывается соотношение цена/качество для цифровой системы. Обычные 64-канальные цифровые мультикоры стоят 40 – 50 тыс. долл.

Для сравнения типичная аналоговая профессиональная система стоит в пределах 5 – 15 тыс. долл. за 3-канальный сплиттер с мониторным и основным (FOH) разрывами. Существуют системы, начинающиеся с 8/16-канальных версий, цена которых 5 – 8 тыс. долл. Ни одна из этих цен не учитывает комплектов кабелей и разъемов. Оптоволоконный кабель же тактического  полевого развертывания стоит 3,3 – 5 долл./м.

Итак, у нас есть разъем полевого развертывания вместе с тактическим кабелем для гастрольных видов применения. Прибавьте к этому устройства оптоэлектронного преобразования, и мы получим совершенный мир. Ряд гастрольных и корпоративных постановочных компаний открыли для себя выгоды оптоволоконных цифровых мультикоров.

Приключение становится обыденным

Мы будем исследовать их старания, неудачи и успехи в последующих статьях, которые я почерпну из личного опыта, а также из опыта коллег и практиков звука, охватывающего последние годы. Я буду также говорить о новых приборах и воплощениях технологии, которые разрабатываются и исследуются производителями. Я помогу вам разобраться в мире стандартов цифрового звука, поскольку они применимы к мультикорам и волоконной оптике. Я надеюсь, что это развенчает некоторые мифы и внесет ясность в эту зарождающуюся технологию и в то, что с ней связано. Есть несколько хороших книг по основам волоконной оптики, с которых, я думаю, лучше всего начать всем, кто проявляет интерес к ее развитию.

Все читатели приглашаются посетить мой Web-сайт www.favinc.com и отправить свои вопросы, истории или написать, что их беспокоит по поводу волоконной оптики в раздел "Форум". Или пишите Майклу Кримеру на электронный адрес michael@favinc.com.

Мы благодарим журнал “Live Sound!” за предоставленный материал. “Live Sound!” PO Box 577, Shawnee Mission, KS 66201 USA, www.livesoundint.com.