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スレッドNo.351

インピーダンスとゲイン関係性についての質問

お世話になります。
訳あってPCのUSBオーディオインターフェース機器のマイク入力端子にラインレベルの信号を入力しようとしています。
UA-55というUSBオーディオインターフェース機器で入力端子のインピーダンス値は公開されていないようですが、入力可能な信号は-50~+4 dBuと書かれています。
https://rolandus.zendesk.com/hc/en-us/articles/205060235-QUAD-CAPTURE-UA-55-Are-the-1-4-Inputs-Line-Level-
デフォルト設定(≒ダイナミックマイクに最適化された設定)の状態だとノイズまみれで聴けたものではないのでゲインを-40db程度まで下げるとノイズが聞こえなくなるのですが、今度は音量が十分に確保できなくなってしまい困っています。

ここからが本題の質問ですが
1. マイク入力自体は文字通りダイナミックマイクに最適化して設計されたものだと思いますが、ゲイン設定を変更するという事は入力インピーダンスを変更するという事と同義でしょうか?それとも異なるパラメーターでしょうか?
2. ハードウェア的にインピーダンスのアンマッチを解消させるために間にトランスを挿入しようと考えています。使用するトランスは一般的なライン入力インピーダンスとマイク入力インピーダンスのバランスをとって10KΩ:600Ωトランスの逆接続を想定していますが、この値は妥当でしょうか?

以上、よろしくお願いします。

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RP2040のPIOはI2Sとして動かす事もできるようですが、2ブロックしか無いのでミキサーには使えませんね。残念。
https://www.prototype00.com/2021/12/rp2040piofig.html

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STM32はモデルによってはSPDIFとI2Sの入力インターフェースを備えているようなので、これら2系統だけでよければ比較的安価にミキサーを作れそうです。
https://github.com/fzawa5/SPDIF-I2S-mixer

FPGAであればそれ以上の入力を受け付けて処理もできるようですが、こちらは実装難易度がかなり高そうですね。
https://github.com/nyaxt/dmix
https://github.com/nanomixer/nanomixer

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オーディオソースは切り替えではなくあくまでミキサーを通してアンプに出すという運用をしています。
USBのアイソレーターは以前使った事があるのですが、すぐに壊れてしまったのでまた手を出すのはためらわれます。
SPDIF入出力を複数持っているスタジオミキサーなどの製品をいくつか調べてみましたが、型落ち中古でも相当高いですね…(そして筐体が途方もなく大きい)。

当初の目的とは異なりますが、やはりUA-55のアナログ入力の前段にライントランスを挿入してアイソレーションするのが一番現実的な気がしてきました(気休めかもですが、不平衡->平衡変換もできますし)。

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モリケンさん、おはようございます。

「SPDIF切替器」で検索するとセレクターは売られているようです。

もう一つの手として、USBアイソレーターを使ってDACの前でグランドセパレートするということも可能なようです。(USB1.1 Highspeedまでのものが多いようですが、Aki-DACならスペック的には足りるようです。)

あとはアナログでGNDも含めて切り替えるという手はあるかもしれません。

ご参考まで。

引用して返信編集・削除(編集済: 2023年03月07日 07:18)

昨今のテレビは音声出力は光ケーブルで出力してグランドループを回避してますね。
複数の光入力をミキシングじゃなくて、切り替えるだけならヤマハとかのAVアンプでもできそうですね。HDMI切り替えもついてますし
グランド分離にはもちろんトランスも有効ですが、オーディオ用に使えるタムラとかのトランスは高くなってますね・・・
http://www.op316.com/tubes/lpcd/trans-dac.htm

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こちらの問題、根本原因が分かりました。
2台のPCを併用しているのですが、同じモニターに接続して入力切替で使っているのでビデオ出力(DP/HDMI)の系統とオーディオの系統でグランドループ状態になっていました。取り急ぎ片方のPCで使用していたAki-DACをアナログ出力からSPDIF出力に変更して問題を回避しました。
原因が分かったのはいいのですが、アナログミキサーに機器を繋ごうとするたびにSPDIF DACを用意するのは経済的ではないので悩ましいですね…複数のSPDIF入力を持ってる安価なサウンドミキサーがあるといいのですがそうそう見つかりません。

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ラインレベル出力からマイク端子に入力するにはその用途に作られた「抵抗入りケーブル」を使えばいいのでは?
https://www.amazon.co.jp/dp/B00009VTKB/

こういうオーディオ的に当たり前だと思ってたことも伝承されなくなってしまったのかな・・・

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モリケンさん、こんにちは。

回路図を見る限り、そのミキサー出力はハイインピーダンス入力の機器に接続されることを想定していますので、600Ω:10KΩのトランスを間に入れると少なくとも低域カットオフが可聴周波数帯域に入ってしまいます。
また、そもそも600Ω出力ではありませんので、インピーダンスマッチングは取れません。
更に、ミキサー出力にノイズが乗っているなら、トランスでノイズも増幅してしまうことになるでしょう。(600Ω:10KΩでは電圧が約4倍になります)

直接アンプ/ヘッドホンアンプに接続し、入力には何も接続せず、ミキサーのボリュームを絞った状態でノイズが聞こえるか。
 聞こえるなら、1. アンプ/ヘッドホンアンプへの接続をLかRの片方にした場合。2. ミキサーの電源を切った場合。3. ミキサーの電源を抜いた場合。
 聞こえないなら、4.ミキサーのボリュームを絞った状態でミキサーに接続するとノイズが聞こえるようになる機器はないか。

辺りを一度チェックしてみては。

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お二人とも回答ありがとうございます。
まだちゃんと理解は出来ていませんが、インピーダンスアンマッチの問題である可能性は低いとアドバイス頂いて少し冷静になれました。

・ノイズのタイプについて
なんと表現するのが分からなくてしばらく調べていたのですが、恐らくギターアンプから出力されるような「ジー」という誘導ノイズが適当かと思います。
ちなみに使用するスピーカー/ヘッドホンによって聴覚上のノイズレベルが変わってくるので40dBは大げさでしたが、20dBほどは下げないと聞こえる感じです。

・送り出し機器について
こちらのページを参考に自作したアクティブミキサーです。オペアンプに確かNJM2114DDを使ってたと記憶してますが、それ以外定数は一緒だったかと思います。
http://www.apony.com/elec/mixer/mixer.html
ちなみにステレオミキサーの出力をUA-55で受けるために、INPUT1/2両方を使用しています。

マイク入力端子にラインレベル機器を接続するというイレギュラーな構成に起因するノイズだという
先入観があったため、インピーダンスのアンマッチが問題を引き起こしてると考えていました。
上記自作ミキサーをUA-55を介さず直接アンプ/ヘッドホンアンプに入力していた場合でもジーというノイズ自体は
出ていたので、UA-55の問題ではなく、主にノイズを拾いやすいミキサーを介した構成によるものかと思います。
(ただしUA-55を介することで、そのジーというノイズが格段に耳につくようになったという変化はありますが)

お察しいただいていると思いますがオーディオ環境ではなくPC周辺機器類のシステムの話なので
どうしてもノイズが多い環境ですし、複雑な接続構成にしていることが拍車をかけていると思います。
そもそもの問題が誘導ノイズなのかどうか確証はありませんが、トランスを購入する前に
まずは構成をシンプルに変更したりして切り分けしてみたいと思います。

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モリケンさん、こんにちは。
VTさんのご回答に補足させていただきます。

UA-55の仕様を見ると
・規定入力レベル
 XLR :-60 〜 -6dBu
 TRS 標準:-50 〜 +4dBu
・入力インピーダンス
 XLR :4.8kΩ 以上(バランス)
 TRS 標準:15kΩ 以上(バランス)
・規定出力レベル :+0dBu(バランス)
・ヘッドルーム 14dB
ということで入出力ともに「規定」と表記されていますからTRSからの最大入力レベルはゲインを最小にしたときに+4dBu+14dB=+18dBuとなります。
また、出力レベルはTRSに+4dBuを入力してゲインを最小にしたときに+0dBu(バランス)になるということです。
ゲインの可変範囲は0~54dB、出力レベルの最大値は+14dBuになりますね。

VTさんと同様に私もノイズ(どのようなノイズかも不明ですが)の原因が単純にインピーダンスのアンマッチの問題だとは思いません。別のところに原因があると思います。

接続される機器がどういったものなのか(出力インピーダンス、出力レベル等)仕様が不明なので何とも言えませんが入力インピーダンスが15kΩ(バランス)というのは通常のオーディオ機器にとっては負荷が重たい方だとは思います。
そしてこの状態で10KΩ:600Ωトランスを逆接続した場合、送り出し機器に対してさらに負荷は重たくなります。

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モリケンさん、こんにちは。

1. 入力インピーダンスとゲイン設定には全く関係がありません。
ゲインはどれだけ信号を増幅するかということです。
ちなみにInput1はライン入力として使えるように入力インピーダンスが切り替えられるはずです。
で、入力インピーダンスはXLRで4.8KΩ以上、TRSで15KΩ以上となっています。

また、最大で+4dBuということは、約1.2Vの入力信号を受けることができるということです。

2. インピーダンスマッチングをしたいなら、送り出し側のインピーダンスが分からないと何とも言えません。
へたにトランスを入れると周波数特性が暴れることになりますし、送り出し側から見るとインピーダンスが下がり駆動しにくくなるので歪が増えかねません。
ちなみに入力インピーダンスが5KΩの所に600Ω:10KΩのトランスを繋ぐと入力インピーダンスは300Ωになりますし、15KΩの所に繋げば900Ωになるというように、600Ω:10KΩのトランスだからと言って1次側が600Ωで一定というわけではありません。

また、40dBも絞らなくてはならないノイズの原因がインピーダンスのアンマッチの問題だと考えておられるなら、通常は関係ありません。

引用して返信編集・削除(編集済: 2023年02月23日 23:31)

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