¿Cómo se utilizan los cables coaxiales no balanceados para transmitir señales de TV sin ningún problema?

Pero, ¿cómo es que el desequilibrio de los cables coaxiales no tiene problemas con los problemas de equilibrio de impedancia?

Lo hermoso del cable coaxial es que el blindaje desvía casi todas las interferencias del campo eléctrico externo a tierra y el cable interno no se ve afectado en gran medida. Para una interferencia de campo magnético externo, sucede algo sutil; la corriente que fluye en el blindaje debido a la presencia del campo crea una caída de voltaje a lo largo del blindaje y, debido al acoplamiento casi 1:1 entre el blindaje y el interior, esa caída de voltaje idéntica está presente en el núcleo interno.

Entonces, siempre que use un receptor diferencial y el extremo de envío tenga razonablemente las mismas impedancias a tierra tanto en el blindaje como en el interior, el receptor diferencial puede rechazar la interferencia de modo común.

Si hace los cálculos en los campos externos producidos por una señal regular enviada por un cable coaxial y analiza los campos de las corrientes de envío y retorno individualmente, encontrará que en todos los puntos fuera del escudo, los campos magnéticos opuestos se cancelan exactamente a cero. No hay campo magnético fuera de un cable coaxial de una señal coaxial normal.

El impacto de esto es que el campo magnético de la señal solo se produce en el espacio entre el escudo interior y el exterior. Una repercusión de esto es que, por lo tanto, el escudo debe tener una inductancia cero. Esto se debe a que el campo magnético externo es cero (también conocido como inducción cero) y el campo magnético interno de la señal no tiene efecto en un conductor tubular (también conocido como escudo), por lo tanto, el escudo se comporta como una carcasa de tierra infinitamente gruesa que rodea el interior.

Eso puede ser un poco difícil de aceptar, pero si regresa a las teorías de los campos magnéticos asociados con un flujo tubular de corriente, se produce un campo externo pero no un campo interno. Lo contrario es completamente cierto; un campo magnético dentro de un tubo no induce voltaje a lo largo del tubo Y, dado que no hay un campo externo, el escudo tiene inductancia cero.

El resultado de todas mis divagaciones es que funciona a pesar de tener un régimen de impedancia significativamente desequilibrado entre el escudo interno y externo. No es tan fácil de ver de inmediato. Te lo concedo, así que espero haber hecho algo de justicia.

Andy habla sobre cómo funciona el coaxial en general, pero otro punto es que, para empezar, el video generalmente no tiene los mismos requisitos de SNR que el audio. Los datos con 8 a 10 bits por canal de color proporcionan muy buenas imágenes y esto representa una SNR de solo 50 a 60 dB.

Por otro lado, para ser considerado "calidad de CD", el audio debe tener al menos 16 bits de resolución, lo que equivale a una SNR de casi 100 dB.

La telefonía es un caso especial. Si bien no requiere mucho ancho de banda, requiere un rango dinámico equivalente a 13-14 bits. (Pero la codificación utilizada reduce la SNR a unos 7 bits). UTP (par trenzado sin blindaje) se usa solo porque es muy barato de fabricar y se requiere mucho.

La principal diferencia técnica es cómo rechazan la interferencia. El par trenzado se basa en la interferencia que afecta a ambos cables por igual, generando ruido de modo común que el receptor diferencial rechaza fácilmente. Esto funciona bien para interferencias magnéticas hasta frecuencias muy bajas.

El cable coaxial se basa en la interferencia magnética que induce corrientes opuestas en el escudo que cancelan el campo magnético en el interior. La penetración del campo magnético en el cable está limitada por el efecto pelicular . Esto funciona bien en frecuencias de RF, pero de pobre a inútil en frecuencias de línea de audio y energía. A 50 Hz, la profundidad de la piel es de ~9 mm, por lo que la interferencia atraviesa el escudo.

Entonces, cuál es mejor depende en gran medida de las frecuencias involucradas y del tipo de interferencia que pueda estar presente, pero no es la única razón para elegir una sobre la otra.

Las líneas telefónicas analógicas a menudo tienen que pasar cerca de las líneas eléctricas en largas distancias mientras transportan señales de audio de nivel bastante bajo. El oído humano es bastante sensible a los armónicos de la línea eléctrica que el cable coaxial no podría rechazar. El cable coaxial también es más voluminoso y más caro, lo cual es un gran problema cuando tienes que pasar miles de ellos a lo largo de muchos kilómetros. Imagínese esto , pero con 1800 cables coaxiales individuales agrupados...

El par trenzado también puede funcionar bien a frecuencias más altas, pero las dimensiones del cable pueden ser inconvenientes. Los televisores solían usar un cable 'cinta' de 300 Ω, que en realidad tiene una pérdida menor que el cable coaxial estándar en las frecuencias VHF. Pero era molesto de usar porque tenía que mantenerse alejado del techo de metal, etc., era propenso a sufrir daños por la intemperie y se requería un balun para convertirlo a 75Ω desequilibrado en el receptor.

A frecuencias más altas, el cable coaxial tiene la ventaja de una menor pérdida y un ancho de banda más amplio en un cable robusto con un blindaje excelente, y la señal desequilibrada es más fácil de conectar. Las tiradas de cable son generalmente cortas, por lo que el costo no es un gran problema, excepto para CATV, pero luego (a diferencia de los teléfonos) cada suscriptor no necesita su propio circuito, por lo que un solo cable podría servir a miles de espectadores (la CATV moderna es principalmente fibra). óptico, por lo que los recorridos coaxiales son mucho más cortos).

Los cables coaxiales se usan comúnmente en audio para conectar componentes y equipos internos, a pesar de no ser muy efectivos contra las interferencias magnéticas de baja frecuencia. Sin embargo, las impedancias del circuito generalmente están en el rango de 1k a 1M, por lo que la interferencia magnética (que genera alta corriente pero bajo voltaje) es un problema menor. El coaxial aún protege contra campos eléctricos (que tienen más efecto a mayor impedancia) e interferencias de radiofrecuencia de todo tipo. Las señales de audio de bajo nivel pueden necesitar una mejor protección, por lo que a menudo se utiliza un par trenzado blindado. Esto combina las ventajas de ambos tipos de cable.

Puedo ver que el concepto de 50 ohmios es bueno para deshacerse de los reflejos en la teoría de la línea de transmisión. Pero, ¿cómo es que el desequilibrio de los cables coaxiales no causa problemas con los problemas de equilibrio de impedancia?

Equilibrado o desequilibrado no hace ninguna diferencia para la coincidencia de impedancia, y de todos modos no siempre se requiere una coincidencia precisa. Si la longitud del cable es mucho más corta que las longitudes de onda de la señal, los reflejos no son un problema en la mayoría de las aplicaciones. A nadie le importa la impedancia coaxial en las aplicaciones de audio, e incluso el video compuesto (con un ancho de banda de ~6 MHz) no se ve afectado visiblemente por cables sin igual en los cables del equipo.

Una razón completamente distinta por la que se prefiere el cable coaxial para TV es la respuesta de frecuencia.

Las pérdidas asociadas con el par trenzado aumentan rápidamente con la frecuencia, hasta el punto en que los módems DSL luchan por usar incluso los 10 MHz más bajos de ancho de banda en bucles de suscriptores de teléfonos analógicos. Por la misma razón, Ethernet de alta velocidad ( 1G , 10G y superior) sobre par trenzado está limitado a longitudes de enlace físico muy cortas (100 m como máximo), y requiere mucha tecnología moderna para llegar allí.

El cable coaxial, por otro lado, tiene (y siempre ha tenido) pérdidas razonablemente bajas en las frecuencias VHF y UHF requeridas para TV (decenas de MHz a 1 GHz).

En una visión simplista:

Los cables coaxiales enrollan la vista de tierra plana para que tenga una fuerte simetría y no 'afuera' (anteriormente el 'abajo).

Además, la profundidad de la piel en los cables significa que el exterior de la funda está efectivamente aislado (en las frecuencias más altas) del interior de la funda que interactúa con el núcleo.

Dicho esto, los cables balanceados son muy beneficiosos cuando se usan correctamente. Tenga en cuenta que son las impedancias al punto común las que están equilibradas, no los 'voltajes' (que tienen una referencia arbitraria ya que siempre son diferencias de potencial). Los sistemas balanceados actúan como puentes de Wheatstone donde nada fluye en el brazo cruzado.