¿Qué le ocurrirá a una señal de audio analógica de 1Vpp de terminación simple (no diferencial) (ancho de banda de 4khz, no modulada) si atraviesa un cable cat5 largo (la longitud puede ser de 50 metros)? ¿Cuánto puede caer la tensión de la señal? ¿Puede haber algún cambio en la frecuencia? ¿Qué pasará si la señal de entrada es diferencial (digamos 0.5Vpp señal en cada línea diferencial)?
Es imposible responder cuantitativamente a su pregunta, ya que se desconoce el nivel y el tipo de interferencia a lo largo del cable, y no nos ha dicho cómo está terminado el extremo.
Busca la resistencia por unidad de longitud del cable que quieras utilizar. A partir de ahí puedes calcular la resistencia en serie con tu señal. No olvides que la señal hace un viaje de ida y vuelta, por lo que la longitud total del cable es el doble de la longitud del cable.
Dicho esto, enviar audio de un solo extremo por un cable largo sin apantallar me parece una muy mala idea.
Mi primera reacción sería enviar los datos digitalmente. Para eso está pensado el cable cat 5. Se pueden enviar fácilmente varios Mbit/s por un par. Por ponerlo en perspectiva, las muestras de 16 bits a una frecuencia de 50 kHz (mejor que la calidad de un CD) son sólo 800 kbit/s.
Lo digital te da directamente cierta inmunidad al ruido. También permite rechazar fácilmente el modo común en el extremo receptor, utilizando optoaisladores o transformadores de impulsos.
Mi segunda opción sería utilizar un par del cable cat 5 para enviar audio diferencial. Yo haría el voltaje más alto de lo que sugieres. Eso lo hace más grande en relación con el ruido inevitable a lo largo del camino. Un pequeño transformador de audio en el receptor es una manera fácil de eliminar la mayor parte del ruido de modo común, y que también elimina la necesidad de un tercer cable para llevar a tierra.
El operador también podría reducir la sensibilidad al ruido utilizando Cat 5 apantallado, aunque, por supuesto, es más caro que el Cat 5 normal. Y, si no tiene un transformador para utilizar en el receptor, podría conectar algunos de los otros pares del Cat 5 a tierra y evitar bucles de tierra de esa forma, aunque la viabilidad de esto depende de la diferencia de potencial real entre la tierra de la fuente y la tierra del receptor (el Cat 5 sólo tiene una tensión nominal de 60 V y 360 mA).
¿Qué ocurrirá si la señal de entrada es diferencial (digamos 0,5Vpp en cada línea diferencial)?
Cuando se envía una señal analógica de un lugar a otro, el mayor obstáculo suele ser la captación de interferencias. Para minimizar la captación, debes hacer que la impedancia de cada cable diferencial sea la misma. El resultado es que cuando se produce una interferencia, la misma tensión de interferencia se desarrolla por igual en ambos hilos.
Esto se llama equilibrar las impedancias y da lugar al término "una transmisión equilibrada". No significa que haya que enviar señales de forma diferencial, aunque esto ayuda porque duplica la amplitud de la señal, lo que se traduce en una mejora de 6 dB en la relación señal/ruido.
Para equilibrar la impedancia de cada cable, éstos deben ser muy similares y, por supuesto, el par trenzado es la solución habitual, pero la impedancia de conducción también debe ser la misma para el cable caliente y el de retorno. Por ejemplo, si está conduciendo la línea con un op-amp, es habitual poner (digamos) 600 ohmios en serie con el cable caliente y la misma impedancia en serie con el cable de retorno.
Esto garantiza que las interferencias induzcan la misma tensión no deseada en cada cable.
En el extremo receptor, el amplificador de entrada debe ser diferencial y presentar una impedancia equilibrada a tierra, de lo contrario también podría desequilibrar la tensión de interferencia en un cable con respecto al otro y el amplificador diferencial no podría cancelarla adecuadamente a su salida: -
Este método también resuelve el problema de un potencial de tierra diferente entre el transmisor y el receptor causado posiblemente por corrientes de tierra procedentes de equipos localizados de la planta.
¿Puede haber algún cambio en la frecuencia?
No habrá cambio de frecuencia, pero puede haber una atenuación relativa de algunas frecuencias con respecto a otras debido a la compleja impedancia de entrada que presenta cualquier cable en audio, especialmente en cables largos como los de los teléfonos.
¿Cuánto puede caer la tensión de la señal?
No habrá mucha atenuación para la banda base de audio en un cable de 50 m pero, en caso de duda, se puede modelar el cable y obtener cifras de atenuación mediante simulación.
@user287001 los voltajes en cada entrada del op-amp son los mismos (debido a la acción de retroalimentación negativa del op-amp), por lo tanto si las resistencias son del mismo valor entonces la impedancia que mira en esas resistencias desde la línea es la misma. Sin embargo, para evitar que otras personas se confunden acerca de esto voy a considerar la posibilidad de hacer la etapa de entrada aparece menos ambigua, pero, voy a esperar a que su contra-comentario.
Olvídese de las señales de un solo extremo: 50 m es una distancia tan larga que cualquier conexión a tierra simultánea en ambos extremos crea un enorme bucle colector de interferencias. Los zumbidos y murmullos estropean totalmente las señales si son de sólo unos cientos de milivoltios.
Ver especificaciones Cat5: https://en.wikipedia.org/wiki/Category_5_cable
Todos los fenómenos ondulatorios a frecuencias de audio y 50 m de longitud de cable son despreciables. Se puede considerar un par como un filtro de paso bajo RC con una resistencia de 10 ohmios y C=2500pF. Por sí solo no afecta prácticamente nada, pero la resistencia de la fuente en el extremo de transmisión de la señal afectará radicalmente. Si hay varios kOhms en el extremo de transmisión, obtendrá pérdida de agudos. Sólo 1500 Ohms pueden ser tolerados para audio de banda completa de 20kHz. 4kHz permiten 7500 Ohm, pero cuanto mayor sea la resistencia, más sensible será el sistema a recoger zumbidos y otros ruidos.
Cuántos campos interferentes hay en tu entorno operativo. No puedo decirlo. Un cable de alimentación de CA al lado de su cable puede causar problemas si la resistencia de terminación en ambos extremos es alta. Debe hacer algunas pruebas.
Las otras preguntas apuntan a los efectos eléctricos, pero también quiero mencionar que hay productos comerciales que hacen exactamente esto con buenos resultados. Las palabras clave que hay que buscar son "cat5 audio balun". Por ejemplo, aquí hay uno destinado a aplicaciones de audio profesional que está clasificado para trabajar hasta 1900ft/500m: https://www.markertek.com/product/ets-pa202m/ets-pa202m-instasnake-adaptor-4-mxlr-to-rj45-jack-all-pins . Si quieres hacer algo parecido, los diseños de estas cosas pueden ser un buen punto de partida.
Aquí hay un poco de matemáticas, para inyectar un voltaje de un campo magnético. Asumiremos que el espacio entre los cables de señal y tierra dentro del CAT5 es de 2mm. Supondremos un solo cable de alimentación (no caliente / retorno) situado a 10 cm de distancia. Y vamos a suponer que el cable de alimentación es impulsado por una línea de alimentación PURA de 60Hz, por lo tanto no hay picos, no hay bordes de encendido rápido del diodo rectificador, sólo un pecado puro de 60Hz, a 1 amperio. Por cierto, dI/dT es 377 amperios/segundo.
¿Qué se inducirá, para el peor de los casos, en la orientación del CAT5 frente al cable de alimentación? Utilice la fórmula
Vinduce = [MU0 * MUr * Área / (2 * pi * Distancia)] * dI/dT
que podemos reescribir para MU0 = 4 * pi * 1e-7 Henry/metro y para MUr = 1 (para aire, vacío, cobre, aluminio) como
Vinduce = 2e-7 * Área/Distancia * dI/dT
Insertando números, encontramos
Vinduce = [2e-7 H/metro * (50 metros * 2mm)/ 100mm ] * 377
Vinduce = 2e-7 * 377 = 754e-7 voltios
\= 75 microVoltios
\= 0,075 miliVoltios
\=================================
Si su cable de alimentación (de nuevo, esto es sólo un cable, no el campo estándar de reducción de HOT + RETURN) tiene cualquier pico en él, como de un horno de microondas, donde los internos 2.000 voltios tienen slewrate rápido y por lo tanto los diodos rectificadores puede encender en 100nanosecond, por lo tanto dI / dT puede ser de 10 amperios pico / 100nanoSec o 10^8 amp / seg, su interferencia será 100.000.000/377 o 200.000 veces peor.
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¿Sabes cómo suena un teléfono?
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Una pequeña consideración: el audio técnicamente no funcionará por "cat5". Se transmitirá por las líneas individuales del cable. El audio por par trenzado es habitual en la industria audiovisual.
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El audio profesional se transmite normalmente a través de pares trenzados apantallados (STP) de 600 ohmios como señal diferencial.
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He utilizado Cat 5 y peores en el pasado para aplicaciones de audio (salida de altavoz de PC a amplificador de potencia). ¿Funciona? Sí. ¿Te gritará un audiófilo por usar el cable "equivocado"? Seguramente. Pero para 20 m funcionó bien.