Eliminacja szumów w interfejsach audio USB: przyczyny, porady i skuteczne rozwiązania

Gdy podłączysz interfejs audio, syntezator lub inne urządzenie muzyczne przez USB do komputera i zaczniesz słyszeć buczenie, trzaski lub zakłócenia, jest to frustrujące uczucie. Jest to o wiele częstszy problem niż się wydaje.i nie rozróżnia marek ani serii: dotyczy to interfejsów, kontrolerów, syntezatorów i praktycznie każdego sprzętu zasilanego lub przesyłającego dane przez USB.

Przyczyną problemu prawie zawsze jest sposób przesyłania energii i danych przez kabel USB. W tym samym przewodzie linia 5V (i uziemienie) współistnieje z D+ i D-, a zasilanie komputera nie zostało zaprojektowane z myślą o wysokiej jakości dźwięku, ale raczej z myślą o myszach, klawiaturach, pamięci i innych urządzeniach peryferyjnych o niskich wymaganiach. Dlatego też dochodzą do nich dźwięki z wewnętrznej aktywności komputera (procesora, wentylatorów, przełączania przetworników) i innych podłączonych urządzeń. Następnie dowiemy się wszystkiego o… Jak usunąć szum z interfejsu audio USB. 

Dlaczego w sprzęcie audio pojawia się szum USB

Wewnątrz standardowego kabla USB znajdują się cztery przewody: czerwony (5 V), czarny (masa), biały (dane-) i zielony (dane+). Kluczem jest to, że linia 5V wychodząca z komputera jest zazwyczaj „brudna”, z nakładającymi się niepożądanymi dźwiękami generowanymi przez sam sprzęt i jego urządzenia peryferyjne. Te zanieczyszczenia łączą się z systemem audio, generując buczenie, syczenie lub zakłócenia, które czasami zmieniają się w zależności od obciążenia procesora, a nawet prędkości wentylatora.

Zjawisko to nie dotyczy wyłącznie jednej konkretnej marki: prędzej czy później doświadczy go wielu użytkowników. Najbardziej frustrujące jest to, że rujnuje to całe doświadczenie i jakość., szczególnie w środowiskach nagrywania, monitorowania na żywo lub krytycznego monitorowania, w których szum nie jest już akceptowalny.

Dodatkowo występuje czynnik pogarszający jakość dźwięku: niektóre dźwięki nasilają się przy dotykaniu metalowych części, strun, a nawet podłogi, w zależności od tego, w jaki sposób odniesiono się do mas. Jeśli system „zauważy” Twoje ciało, może zmienić poziom wilgotności., coś co pasuje do typowego 50/60 Hz i jego harmonicznych, gdy występują pętle uziemienia lub różnice potencjałów między urządzeniami.

Jakby tego było mało, niektóre kable standardowo wyposażone są w pierścienie ferrytowe, które nie czynią cudów: Ferryty pomagają w przypadku zakłóceń o wysokiej częstotliwości, ale niewiele mogą zrobić, aby rozwiązać problem przydźwięku o niskiej częstotliwości spowodowanego przez zasilacze/masy. Dlatego, chociaż przyczyniają się do rozwiązania problemu, rzadko rozwiązują te problemy samodzielnie.

Dlaczego zasilany hub nie zawsze rozwiązuje problem

Częstą reakcją jest interkalacja koncentrator USB z własnym zasilaniemWarto się nad tym zastanowić: jeśli hub „dostarcza” zasilanie, być może hałas komputera przestanie docierać. Problemem jest to, że wiele koncentratorów pomija zasilanie hosta. z resztą magistrali, tak że „brudne” 5V nadal jest obecne i szum nadal występuje.

Czy to oznacza, że ​​zasilany hub nigdy nie działa? Niekoniecznie. Jeśli już masz, spróbuj, bo czasami to pomaga, ale lepiej nie brać tego za pewnik. Wiele modeli nie izoluje zasilania od hosta, a nawet jeśli mają zewnętrzne źródło zasilania, nie odcinają ścieżki, którą mogą przedostawać się zakłócenia.

Rozwiązanie z kablem Y: rozdzielenie danych i zasilania

Najprostszym rozwiązaniem jest fizyczne oddzielenie zasilania od danych, tak aby komputer tylko „komunikował się” z urządzeniem, ale go nie zasilał. Można to osiągnąć dzięki kablowi typu Y obsługującemu dźwięk USB., z trzema złączami: jedno prowadzi do komputera (dane bez 5V), drugie do źródła zasilania (PWR), a trzecie do interfejsu/syntezatora.

W tych kablach sygnał idący do komputera musi przenosić wyłącznie D+ i D- (zielony i biały), a czerwony przewód 5 V musi pozostać odłączony. Spójrz na etykietę: zwykle widnieje na niej napis „PC” i „PWR” aby rozróżnić, co znajduje się po każdej stronie. Nie wszystkie dostępne na rynku złącza typu Y są odpowiednie: wiele z nich jest przeznaczonych do innych zastosowań i utrzymuje zasilanie podłączone tam, gdzie nie powinno być.

Jeśli masz Y i nie widzisz poprawy, istnieje jasny test: Przetnij czerwony przewód na odcinku, który idzie do komputeraOdłączając to 5 V od hosta, zapewniasz, że urządzenie nie jest zasilane przez port, eliminując w ten sposób ścieżkę zakłóceń. Od tego momentu urządzenie będzie zasilane z oddzielnego źródła.

Jak zrobić własny kabel (DIY) krok po kroku

Jeśli jesteś entuzjastą majsterkowania, możesz przekształcić męski/żeński przedłużacz USB w niezasilany kabel do transmisji danych do komputera, a także dodać dodatkowe wejście, aby wprowadzić do urządzenia czyste napięcie 5 V. Zaletą samodzielnego montażu jest to, że możesz wybierać łączniki i długości według własnych upodobań.i dokładnie wiesz, co jest połączone, a co nie.

Po otwarciu kabla zobaczysz siatkę z przewodów i metalową folię. Oba elementy pełnią funkcję ekranującą. Wewnątrz znajdziesz cztery ważne przewodniki: czerwony (5 V), czarny (masa), biały (D-) i zielony (D+). Praca polega na „rozbiciu” napięcia 5V w odcinku w kierunku komputera: Nie podłączaj czerwonego przewodu po tej stronie i pozwól jedynie na przesyłanie danych.

Aby zachować standardową instalację elektryczną, najlepiej jest użyć taniego przedłużacza. Z nożyczkami i taśmą izolacyjną masz wystarczająco dużoOstrożnie zdejmij osłonę, oddziel siatkę od folii, zidentyfikuj przewody i przetnij czerwony przewód w miejscu, gdzie się styka. Dobrze zaizoluj końce, aby nic nie było odsłonięte ani nie można było go dotknąć.

A msza (czarna)? Tu są niuanse. Transmisja danych przez USB jest zrównoważona, ale punktem odniesienia jest masaW wielu przypadkach najlepiej jest zachować ten przewód. Jeśli pętla nadal występuje lub szum nie ustępuje, można spróbować nie podłączać czarnego przewodu do komputera jako „masy” (podobnej do tej, którą można znaleźć w wielu DI-boxach). Jednak, o ile nie jest to absolutnie konieczne, zazwyczaj lepiej jest zachować wspólną masę.

Jeśli komputer nie dostarcza już napięcia 5 V, będzie potrzebował innego źródła zasilania. Tutaj pojawia się trzeci łącznik Y.: Podłącz 0 V i 5 V z zewnętrznego zasilacza do czarnego i czerwonego przewodu sekcji prowadzącej do urządzenia. Możesz wykorzystać kabel USB, aby uzyskać złącze męskie, które będzie podłączone do zasilacza, i w razie potrzeby je przylutować/polutować.

Lutowanie czy skręcanie przewodów? Lutowanie jest lepsze, ale jeśli nie masz w tym wprawy, dobre opakowanie z dużą warstwą taśmy izolacyjnej może pomóc Ci wydostać się z trudnej sytuacji. Upewnij się, że połączenia są solidne, najlepiej zabezpieczone termokurczliwie, i że nie powodują zwarć ani istotnych strat ekranowania.

Kable komercyjne i typowe pułapki przy ich zakupie

Niektórzy producenci dołączają do swoich produktów kable „dane z jednej strony, zasilanie z drugiej”. Takie kable można też kupić w sklepach i na targowiskach. Największą przeszkodą jest to, że opis często nie jest jasny.i spora część dostępnych na rynku układów Y utrzymuje napięcie 5 V na obu ramionach, ponieważ ich zadaniem jest „sumowanie” prądu, a nie jego rozdzielanie.

Dokonując zakupu, zwróć uwagę na specyfikacje wskazujące, że jeden koniec, ten idący do hosta, nie jest podłączony do zasilania. Jeśli widzisz, że „host” jest oznaczony jako „tylko dane” lub „brak zasilania”, to dobry znak.Sprawdź jednak dokładnie, ponieważ to, co oferuje sprzedawca, nie zawsze odpowiada temu, co faktycznie otrzymasz.

Inną częstą pułapką jest znalezienie produktu, który jest faktycznie koncentratorem, a nie kablem. Hub dodaje logikę i kompatybilność pomiędzy:To może działać, ale Twój interfejs/syntezator może nie działać przez hub i wymaga bezpośredniego hosta (szczególnie w przypadku wielu urządzeń audio/MIDI). A jeśli korzysta ze standardowego złącza telefonu komórkowego po stronie „hosta”, może nie działać z Twoim komputerem.

Izolator USB: skuteczna alternatywa z dodatkową ochroną

Oprócz kabla Y istnieje bardzo skuteczne rozwiązanie: izolatory USB. Działają jak bariera galwaniczna pomiędzy komputerem i urządzeniem., odcinając ścieżkę szumów i zapewniając w ten sposób ochronę przed przepięciami i innymi uszkodzeniami elektrycznymi.

Przez lata były drogie, ale ich ceny znacznie spadły. Dostępne są modele różnych marek; użytkownicy polecają model firmy Olimex., którego cena wzrosła z około 60 euro do znacznie bardziej przystępnych cen. Jeśli wolisz uniknąć samodzielnego montażu lub potrzebujesz całkowitej izolacji, izolator jest zazwyczaj bezpiecznym rozwiązaniem.

Prawdziwe przypadki: czego nas uczą i jak podejść do diagnozy

Przykład 1: Focusrite Scarlett 2i2 USB 2.0 podłączony przez USB-C do laptopa Lenovo P-51. Użytkownik słyszy wyraźny szum o częstotliwości 60 Hz. silniejsze przy dotykaniu strun i stawianiu bosej stopy na betonowej podłodzeDzięki macie gumowej hałas ulega obniżeniu, ale nie znika całkowicie.

Sprawdzili już wewnętrzne okablowanie gitary (brak widocznych pętli uziemienia), wypróbowali stację dokującą Anker PowerExpand 7 w 1 (bez uziemionego kabla zasilającego) i użyli urządzenia iFi iDefender+, ale bez rezultatu, również bez uziemionego wejścia zasilania. Bardzo trudno jest znaleźć stacje dokujące USB z prawdziwym uziemieniem u źródła., co ogranicza jego skuteczność w tych przypadkach. Nie próbowali też żadnego innego punktu sprzedaży ani laptopa z powodu braku możliwości logistycznych.

Wskazówki, które sugeruje ten scenariusz: jeśli brzęczenie nasila się, gdy dotykasz strun lub podłogi, Istnieje „wąskie” odniesienie do masy lub potencjalnych różnicIzolator USB lub kabel Y, który odcina 5 V hosta (i zasila go z czystego, a w razie potrzeby uziemionego, źródła), często rozwiązuje problem. Warto również wypróbować inne gniazdko w innym obwodzie, choć nie zawsze jest to możliwe w domu.

Przykład 2: Behringer Pro 800 podłączony przez USB do komputera, a dźwięk przesyłany jest do interfejsu Universal Volt, również przez USB. Wystarczy podłączyć port USB Pro 800, w systemie pojawia się szumKable już miały pierścienie ferrytowe, a uziemienie obudowy komputera nic nie dało.

Ta obudowa pasuje do „klasycznego” współdzielonego szumu zasilania/uziemienia podczas dodawania. Zalecaną praktyką jest odizolowanie napięcia 5 V od hosta do Pro 800 z kablem Y do transmisji danych i oddzielnym zasilaniem do komputera lub bezpośrednio z izolatorem USB. Ferryty nie pomagają w przypadku szumu 50/60 Hz; a uziemienie obudowy komputera nie zawsze rozwiązuje problem, jeśli źródłem szumu jest sama magistrala USB.

Lista kontrolna działań praktycznych (od najmniej do najbardziej inwazyjnych)

Zanim zaczniesz majsterkować, istnieje logiczna kolejność testowania. Chodzi o to, aby wyizolować przyczynę przy jak najmniejszym wysiłku. i dopiero jeśli to nie pomoże, przejść do bardziej „chirurgicznych” rozwiązań.

• Jeśli już posiadasz hub zasilany energią, wypróbuj go, pamiętając o jego ograniczeniach. Jeśli koncentrator nie izoluje napięcia 5 V od hosta, rozwiązanie może okazać się nieskuteczne., ale czasami redukuje hałas.
• Jeśli posiadasz urządzenie USB pełniące funkcję „obrońcy” lub „filtra”, używaj go wyłącznie z zewnętrznym źródłem zasilania uziemionym do wejścia zasilania. Bez prawdziwej ziemi jego wpływ może być marginalny..
• Zamień porty i kable. Niektóre porty są mniej „hałaśliwe” niż inne, a źle ekranowany kabel pogarsza sytuację.
• Jeżeli to możliwe, spróbuj użyć innego gniazdka lub listwy zasilającej. Różne obwody mogą mieć mniejszą różnicę potencjałów między krainami.
• Unikaj koncentratorów, jeśli Twój sprzęt audio/MIDI ich nie obsługuje. Istnieją urządzenia wymagające bezpośredniego hosta i nie udaje im się to w przypadku pośredników.
• Zastosuj właściwy kabel Y: podłącz dane do komputera bez napięcia 5 V i podłącz urządzenie do zewnętrznego źródła zasilania. To najbardziej powtarzalne i skuteczne rozwiązanie bez wchodzenia w izolację galwaniczną.
• Jeśli chcesz w zarodku wyeliminować hałas, rozważ zastosowanie izolatora USB. Dodaje również ochronę przeciwprzepięciową..

Szczegóły techniczne, które robią różnicę

Przy wstrzykiwaniu energii zewnętrznej należy korzystać ze stabilnego i dobrej jakości źródła. Zazwyczaj wystarczają porządne ładowarki mobilne., ale lepiej, jeśli pochodzą od renomowanych marek z dobrym filtrowaniem. Chociaż nie potrzebujesz mistycznego źródła dźwięku „audiofilskiego”, ważne jest, aby nie dodawało więcej szumu, niż usuwa.

Przecinając czerwony przewód w samodzielnie wykonanym rozgałęźniku Y, należy zwrócić uwagę na ekranowanie i izolację. Spróbuj ponownie zakryć złącza siatką i arkuszem.i nie wydłużaj sekcji „na wolnym powietrzu” zbyt długo. Mniejsza odsłonięta powierzchnia oznacza mniej zakłóceń.

Jeśli eksperymentujesz z „podnoszeniem masy” czarnego przewodu w kierunku komputera, rób to rozważnie. W niektórych zespołach usunięcie wspólnego przewodu uziemienia może ustabilizować brumienie., ale w innych przypadkach przerywa odniesienia i powoduje utratę komunikacji. Priorytetem jest utrzymanie masy, chyba że przedstawiono uzasadnione dowody.

Sprawdzaj bardzo dokładnie etykiety każdego produktu Y, który kupujesz. To, że na jednym końcu jest napisane „PWR”, nie oznacza, że ​​na końcu „PC” nie ma napięcia 5 V.Szukaj wyraźnych oznaczeń „tylko dane”, „brak zasilania” itp.; w przeciwnym razie załóż, że napięcie 5 V może być nadal obecne.

Typowe błędy i jak ich unikać

Wierząc, że wszystkie ferryty redukują szum 50/60 Hz. Nie: Ferryty są przeznaczone do wysokich częstotliwości; przydatne w przypadku zakłóceń RF, nieskuteczne w przypadku przydźwięku sieciowego i pętli uziemienia.

Kup pierwszy kabel Y i załóż, że rozdziela on zasilanie. Wiele układów Y jest zaprojektowanych do sumowania prądu z dwóch portów., aby nie odcinać zasilania hosta. Sprawdź karty katalogowe lub użyj multimetru.

Załóżmy, że „zasilany” hub izoluje napięcie 5 V. Większość omija zasilanie hostaTylko kilka konkretnych modeli lub konfiguracji naprawdę spełnia oczekiwania.

Użyj koncentratora, jeśli sprzęt wymaga bezpośredniego hostingu. W przypadku niektórych urządzeń audio/MIDI koncentrator powoduje niezgodności i to nie jest rozwiązanie.

Wyrzeczenie się każdego akcesorium, ponieważ „nic nie robi” bez odpowiedniego zasilania/uziemienia. Jeśli filtr/ochronnik wymaga uziemionego wejścia zasilania Jeśli mu tego nie dasz, jego pole manewru drastycznie się zmniejszy.

Znaki, że jesteś na dobrej drodze

Jeżeli po odcięciu zasilania komputera 5 V i zasileniu go ze źródła zewnętrznego poziom szumu znacznie spadnie, udało Ci się zidentyfikować przyczynę problemu. Kiedy brzęczenie zmienia się przy dotykaniu strun lub podłogi, a następnie zanika przy Y lub izolatorze, zwykle potwierdza się, że ścieżka szumu przebiegała przez zasilanie/uziemienie USB.

Jeśli możesz wyciszyć system, nie dotykając niczego innego, za pomocą izolatora USB, to trafiłeś w sedno. Urządzenia te działają bardzo dobrze, gdy problemem jest odniesienie do uziemienia. lub połączenia autobusowe.

Jeśli zasilana piasta niczego nie zmieni lub pogorszy sprawę, nie zdziw się. Nie jest to idealne narzędzie do odcinania napięcia 5 V od hosta.Dlatego właśnie kabel Y i izolator wyróżniają się.

Krótkie FAQ

Czy każda ładowarka do telefonu komórkowego może zasilać zacisk Y? Generalnie tak, jeśli zapewnia stabilne napięcie 5 V i wystarczającą ilość mA. Lepiej wybrać niezawodną markę z dobrym filtrowaniem aby nie wprowadzać ponownie hałasu.

Czy mogę używać zakupionego modułu Y tylko do transmisji danych, jeśli moje urządzenie również korzysta z zasilania USB? Tak, pod warunkiem, że napięcie wejściowe 5 V zostanie podane przez złącze PWR. Bez tej dodatkowej mocy urządzenie mogłoby się nie włączyć. lub rozłącz.

Jak mogę wykryć, który proces uniemożliwia mi wyjęcie dysku USB „będącego w użyciu”, nawet jeśli nic nie jest otwarte? Wszystko opisaliśmy pod tym linkiem.

Czy Y, który „sumuje” prąd z dwóch portów, jest dla mnie wystarczający? Nie do tego celu. Te Y dają więcej amperów, ale nie odcinają napięcia 5 V od hosta., a właśnie tego należy unikać.

Czy izolator USB jest niebezpieczny? Dobre modele są bezpieczne i posiadają zabezpieczenie przeciwprzepięciowe. Sprawdź specyfikacje i limit prądu aby mieć pewność, że obejmuje ona Twój sprzęt.

Co jeśli po tym wszystkim nadal będę słyszeć szum? Sprawdź, czy nie ma innych ścieżek uziemienia dla analogowego sygnału audio (jack, XLR itp.). Czasami pętla znajduje się w połączeniach analogowych, nie tylko na USB. W takich przypadkach pomocne mogą okazać się DI-boxy z odcięciem masy.

Jeśli dotarłeś aż tutaj, to już wiesz, dlaczego zakłócenia przedostają się do sprzętu audio USB, dlaczego zasilany hub nie jest panaceum oraz jak oddzielić „zasilanie” od „danych” za pomocą kabla Y lub wyeliminować je całkowicie za pomocą izolatora USB. Obudowy Focusrite Scarlett 2i2 na Lenovo P-51 i Behringer Pro 800 z Universal Volt doskonale ilustrują problem i potwierdzają, że odcięcie hosta 5 V lub odizolowanie magistrali to posunięcia, które naprawdę zmieniają zasady gry.