Liaisons audio symétriques et asymétriques

Ce texte a été initialement posté dans le topic de la Hi-Fi le 27 mars 2017 par e-t172.

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Je continue dans ma quête pour mieux comprendre les tenants et aboutissants des liaisons symétriques, et leurs différences avec les liaisons asymétriques. Je suis tombé sur un post particulièrement intéressant sur Stack Exchange qui clarifie beaucoup de choses, et confirme que pas mal de monde, y compris des professionnels, ne semblent pas plus capables que moi d'expliquer de manière cohérente ce qui définit une liaison symétrique.

Un des aspects qui apportent de la confusion supplémentaire est lorsqu'on consulte des articles génériques (pas spécifiques à l'audio) sur les lignes (a)symétriques en général, par exemple sur Wikipédia. On y trouve des schémas montrant une ligne asymétrique à un seul conducteur, et une ligne symétrique à deux conducteurs - ce qui n'aide pas à comprendre puisqu'un connecteur audio asymétrique a deux conducteurs, et un connecteur audio symétrique en a trois.

En fait, il est possible d'établir une liaison asymétrique avec un seul conducteur, du moment que les deux équipements ont la même référence pour la masse (par exemple, la terre). Sauf qu'en pratique personne ne fait jamais ça, parce que toute interférence dans la référence commune se retrouve dans le signal. Ça peut être acceptable dans certains cas (par exemple le télégraphe des temps anciens), mais ça ne l'est évidemment pas en audio. D'où le fait qu'une liaison asymétrique en audio relie toujours la masse en plus du signal, à travers un conducteur de faible impédance (le shield du câble, typiquement).

Le problème avec une telle liaison est que, malgré l'ajout de la liaison dédiée pour la masse, les caractéristiques électriques (impédance, inductance) des liaisons utilisées pour la masse et le signal restent néanmoins différentes. Elles sont différentes au niveau des équipements émetteur et récepteur, où le signal suit un cheminement complètement différent de la masse, et au niveau du câble, où le shield n'a pas les mêmes caractéristiques que le core. C'est problématique parce que cela signifie que les interférences électromagnétiques n'affecteront pas les deux liaisons de la même manière. Ces interférences provoqueront donc une différence de potentiel entre les deux liaisons, qui s'ajoutera au signal et sera interprété comme du bruit.

Pour résoudre ce problème, on inventa les liaisons symétriques. Là encore une liaison symétrique ne nécessite que deux conducteurs, pas trois. Donc en théorie une liaison symétrique a la même apparence, vu de loin, qu'une liaison asymétrique + masse. Un exemple flagrant est une ligne téléphonique, qui n'est rien d'autre qu'une liaison symétrique… mais on n'y trouve ni shield ni troisième conducteur.

La différence entre une liaison symétrique et une liaison asymétrique est que tout, tant au niveau des équipements que du câble lui même, est conçu de telle sorte que chacun des deux conducteurs aient les mêmes caractéristiques (d'où le nom « symétrique »). Les équipements émetteur et récepteur sont conçus pour que les deux liaisons soient reliées de la même manière au reste du circuit (même impédance, même inductance), et en particulier à la masse de l'équipement. De la même manière, un câble symétrique (téléphone, audio, mais également Ethernet, USB, etc.) arrange les deux conducteurs sous la forme d'une paire torsadée afin que chaque conducteur « voie » le même environnement électromagnétique que l'autre. Objectif : comme les deux conducteurs sont identiques d'un point de vue électrique, toute interférence électromagnétique affectera les deux conducteurs exactement de la même manière. Il n'y aura donc pas de différence de potentiel entre les deux, et donc pas de bruit.

Finalement, si on ne considère que l'entrée ou la sortie en elle-même, vu de loin, il n'y a pas vraiment de différence entre les deux paradigmes : dans les deux cas, une sortie expose une tension entre deux conducteurs, et l'entrée reconstitue le signal en mesurant ladite tension. La différence est plus subtile et se situe dans les caractéristiques électriques des deux liaisons, pas dans le principe général, qui consiste toujours à transporter un signal sous la forme d'une différence de potentiel entre deux conducteurs.

Maintenant, à propos des particularités spécifiques à l'audio symétrique…

• Le troisième conducteur (shield, XLR pin 1, TRS sleeve) : il est purement facultatif et n'est là que pour ajouter de la protection supplémentaire face aux interférences, pour compenser le caractère imparfait (légère asymétrie) des équipements dans le monde réel. Le caractère facultatif se démontre bien par l'exemple du câble téléphonique (qui n'en a pas) ou d'un câble Ethernet UTP (Unshielded Twisted Pair). Si un shield est utilisé (comme c'est le cas en audio, ou un câble Ethernet STP), dans la configuration optimale, il doit être relié à la terre (chassis ground) des deux côtés, permettant aux interférences de s'écouler sous forme de courant dans le shield au lieu d'affecter les connecteurs transportant les signaux. En aucun cas ce conducteur ne doit être utilisé pour transporter un signal ou mis en contact avec un des autres conducteurs - une entrée/sortie symétrique ne s'attendra pas à ça, et cela causera des problèmes comme on l'a vu dernièrement à propos des histoires de câblage.

• Les signaux opposés sur chacun des deux conducteurs (antiphase) : contrairement à une croyance populaire, et comme je l'indiquais dans mon précédent post, il s'agit là d'une pratique là encore purement facultative, ce qui cause beaucoup de confusion. Il est tout à fait possible d'obtenir une liaison symétrique sans utiliser des signaux opposés (c'est-à-dire que le potentiel d'un des deux conducteurs reste constant). C'est la différence entre une liaison symétrique et un signal symétrique. La raison pour laquelle un signal symétrique est utilisé est parce que cela double la tension totale obtenue (et donc augmente le rapport signal/bruit d'autant, améliorant là-encore la résistance aux interférences), et également parce que cela diminue les interférences émises (pas reçues) par le câble lui-même par simple annulation.