В телекоммуникациях и профессиональном аудио симметричная линия или симметричная сигнальная пара представляет собой электрическую цепь , состоящую из двух проводников одного типа, оба из которых имеют одинаковое сопротивление по всей длине, по отношению к земле и к другим цепям. [1] Основным преимуществом формата симметричной линии является хорошее подавление синфазных шумов и помех при подаче на дифференциальное устройство, такое как трансформатор или дифференциальный усилитель . [2]
Как правило, в области звукозаписи и воспроизведения звука сбалансированные линии называются сбалансированным аудио .
Распространенной формой сбалансированной линии является двухпроводная линия , используемая для радиочастотной связи. Также распространена витая пара , используемая для традиционного телефона, профессионального аудио или для передачи данных. Их следует противопоставлять несбалансированным линиям , таким как коаксиальный кабель , который разработан так, чтобы его обратный проводник был подключен к земле , или схемам, обратный проводник которых фактически является землей (см. телеграф с обратным заземлением ). Сбалансированные и несбалансированные схемы могут быть соединены с помощью устройства, называемого симметрирующим трансформатором .
Цепи, управляющие сбалансированными линиями, сами должны быть сбалансированы, чтобы поддерживать преимущества баланса. Это может быть достигнуто с помощью трансформаторной связи ( повторяющихся катушек ) или просто балансировки импеданса в каждом проводнике.
Линии, передающие симметричные сигналы (с одинаковой амплитудой, но противоположной полярностью на каждой ноге), часто неправильно называют «сбалансированными», но на самом деле это дифференциальная сигнализация . Сбалансированные линии и дифференциальная сигнализация часто используются вместе, но это не одно и то же. Дифференциальная сигнализация не делает линию сбалансированной, и подавление шума в сбалансированных кабелях не требует дифференциальной сигнализации.
Передача сигнала по сбалансированной линии уменьшает влияние шума или помех из-за внешних паразитных электрических полей. Любые внешние источники сигнала, как правило, индуцируют только синфазный сигнал на линии, а сбалансированные импедансы относительно земли минимизируют дифференциальные наводки из-за паразитных электрических полей. Проводники иногда скручивают вместе, чтобы гарантировать, что каждый проводник в равной степени подвергается воздействию любых внешних магнитных полей, которые могут вызывать нежелательные шумы.
Некоторые сбалансированные линии также имеют электростатическое экранирование для снижения уровня шума. Кабель часто обернут фольгой, медной проволокой или медной оплеткой. Этот экран обеспечивает устойчивость к радиочастотным помехам, но не обеспечивает устойчивость к магнитным полям.
Некоторые сбалансированные линии используют 4-жильный звездный четверной кабель для обеспечения устойчивости к магнитным полям. Геометрия кабеля гарантирует, что магнитные поля будут вызывать равные помехи обеих ветвей сбалансированной цепи. Эти сбалансированные помехи являются синфазным сигналом, который можно легко удалить с помощью трансформатора или сбалансированного дифференциального приемника. [3] [4] [5] [6] [7]
Сбалансированная линия позволяет дифференциальному приемнику уменьшить шум на соединении, отклоняя синфазные помехи . Линии имеют одинаковое сопротивление относительно земли, поэтому мешающие поля или токи индуцируют одинаковое напряжение в обоих проводах. Поскольку приемник реагирует только на разницу между проводами, на него не влияет индуцированное шумовое напряжение. Если сбалансированная линия используется в несбалансированной схеме с различным сопротивлением от каждого проводника к земле, токи, индуцированные в отдельных проводниках, вызовут различные падения напряжения относительно земли, тем самым создавая разность напряжений, что делает линию более восприимчивой к шуму. Примерами витых пар являются кабели категории 5 .
По сравнению с несимметричными линиями , симметричные линии уменьшают количество шума на единицу расстояния, что позволяет использовать более длинный кабель. Это связано с тем, что электромагнитные помехи будут влиять на оба сигнала одинаково. Сходства между двумя сигналами автоматически удаляются в конце пути передачи, когда один сигнал вычитается из другого.
Первое применение сбалансированных линий было для телефонных линий. Помехи, которые не имели большого значения в телеграфной системе (которая по сути является цифровой), могли быть очень неприятными для пользователя телефона. Первоначальный формат заключался в том, чтобы взять две однопроводные несбалансированные телеграфные линии и использовать их в качестве пары. Однако этого оказалось недостаточно с ростом передачи электроэнергии, которая, как правило, использовала те же маршруты. Телефонная линия, проходящая вдоль линии электропередачи на протяжении многих миль, неизбежно будет иметь больше помех, наведенных на одном участке, чем на другом, поскольку один из них будет ближе к линии электропередачи. Эта проблема была решена путем обмена положениями двух участков каждые несколько сотен ярдов с помощью кроссовера, таким образом гарантируя, что оба участка будут иметь равные помехи, наведенные и позволяя подавлению синфазного сигнала выполнять свою работу. По мере развития телефонной системы стало предпочтительнее использовать кабель, а не открытые провода, чтобы сэкономить место, а также избежать плохой работы в плохую погоду. Конструкция кабеля, используемая для сбалансированных телефонных кабелей, представляла собой витую пару ; однако она не получила широкого распространения, пока не стали доступны усилители-ретрансляторы. Для неусиленной телефонной линии кабель с витой парой мог справиться только с максимальным расстоянием в 30 км. С другой стороны, открытые провода с их меньшей емкостью использовались на огромных расстояниях — самым длинным был 1500 км от Нью-Йорка до Чикаго, построенный в 1893 году. Нагрузочные катушки использовались для улучшения расстояния, достижимого с помощью кабеля, но проблема не была окончательно решена, пока усилители не начали устанавливаться в 1912 году. [8] : 323 Сбалансированные линии с витой парой по-прежнему широко используются для местных линий , линий, которые соединяют помещения каждого абонента с его соответствующей АТС . [8] : 314–316
Телефонные магистральные линии , и особенно системы мультиплексирования с частотным разделением каналов, обычно представляют собой 4-проводные схемы, а не 2-проводные (или, по крайней мере, были такими до того, как широко распространилось оптоволокно ), и требуют другого типа кабеля. Этот формат требует, чтобы проводники были расположены в две пары, одна пара для отправляющего (go) сигнала, а другая для обратного сигнала. Наибольшим источником помех при этом виде передачи обычно являются перекрестные помехи между самими цепями go и return. Наиболее распространенным форматом кабеля является звездная четверка , где диагонально противоположные проводники образуют пары. Такая геометрия обеспечивает максимальное подавление синфазного сигнала между двумя парами. Альтернативным форматом является DM (Dieselhorst-Martin) четверка, которая состоит из двух витых пар со скруткой на разных шагах. [8] : 320
Примером сбалансированных линий является подключение микрофонов к микшеру в профессиональных системах. Классически и динамические, и конденсаторные микрофоны использовали трансформаторы для обеспечения дифференциального сигнала [ требуется ссылка ] . Хотя трансформаторы по-прежнему используются в подавляющем большинстве современных динамических микрофонов, более поздние конденсаторные микрофоны, скорее всего, используют электронную схему привода. Каждая нога, независимо от любого сигнала, должна иметь одинаковое сопротивление относительно земли. Парный кабель (или производная пары, такая как звездная четверка ) используется для поддержания сбалансированных сопротивлений, а близкое скручивание сердечников гарантирует, что любые помехи являются общими для обоих проводников. При условии, что принимающая сторона (обычно микшерный пульт ) не нарушает баланс линии и может игнорировать синфазные (шумовые) сигналы и может извлекать дифференциальные, тогда система будет иметь превосходную устойчивость к наведенным помехам.
Типичные профессиональные аудиоисточники, такие как микрофоны, имеют трехконтактные разъемы XLR . Один подключается к экрану или заземлению шасси, а два других предназначены для сигнальных проводников. Сигнальные провода могут переносить две копии одного и того же сигнала с противоположной полярностью ( дифференциальная сигнализация ), но не обязательно. Их часто называют «горячими» и «холодными», а стандарт AES14-1992(r2004) [и стандарт EIA RS-297-A] предполагает, что штырь, который несет положительный сигнал, возникающий в результате положительного давления воздуха на преобразователе, будет считаться «горячим». Штырь 2 был обозначен как «горячий» штырь, и это обозначение служит полезным для поддержания постоянной полярности в остальной части системы. Поскольку эти проводники проходят по одному и тому же пути от источника до места назначения, предполагается, что любые помехи наводятся на оба проводника в равной степени. Устройство, принимающее сигналы, сравнивает разницу между двумя сигналами (часто без учета электрического заземления), что позволяет устройству игнорировать любые наведенные электрические шумы. Любой индуцированный шум будет присутствовать в равных количествах и с одинаковой полярностью на каждом из сбалансированных сигнальных проводников, поэтому разница между двумя сигналами будет неизменной. Успешное подавление индуцированного шума от желаемого сигнала частично зависит от того, получают ли сбалансированные сигнальные проводники одинаковое количество и тип помех. Это обычно приводит к использованию витых, плетеных или совместно одетых кабелей для использования при сбалансированной передаче сигнала.
Многие объяснения сбалансированных линий предполагают симметричные сигналы (т. е. сигналы, равные по величине, но противоположной полярности), но это может привести к путанице двух концепций — симметрия сигнала и сбалансированные линии совершенно независимы друг от друга. [2] Существенным в сбалансированной линии является одинаковое сопротивление двух проводников в драйвере, линии и приемнике (балансировка сопротивления). Эти условия гарантируют, что внешний шум одинаково влияет на каждую ветвь линии и, таким образом, проявляется как синфазный сигнал, который отклоняется приемником. [2] Существуют сбалансированные схемы управления, которые имеют превосходную балансировку синфазного сопротивления между ветвями, но не обеспечивают симметричные сигналы. [9] [10] Симметричные дифференциальные сигналы имеют запас по мощности и не являются необходимыми для подавления помех. [11]
Для сопряжения сбалансированных и несбалансированных линий требуется балун . Например, балуны можно использовать для передачи аудиосигналов линейного уровня или сигналов E-carrier уровня 1 по коаксиальному кабелю (который не сбалансирован) через 300 футов (91 м) сбалансированного кабеля категории 5 , используя пару балунов на каждом конце кабеля CAT5. Когда сигнал проходит по сбалансированной линии, к сигналу индуцируется шум, который добавляется к нему. Поскольку линия CAT5 тщательно сбалансирована по сопротивлению, шум индуцирует равные (синфазные) напряжения в обоих проводниках. На приемном конце балун реагирует только на разницу напряжений между двумя проводниками, тем самым отклоняя шум, улавливаемый по пути, и оставляя исходный сигнал нетронутым.
Когда-то распространенное применение радиочастотного балуна было обнаружено на антенных клеммах телевизионного приемника. Обычно 300-омный сбалансированный двухпроводной антенный вход мог быть подключен к коаксиальному кабелю от кабельной телевизионной системы только через балун.
Характеристическое сопротивление линии передачи является важным параметром на более высоких частотах работы. Для параллельной 2-проводной линии передачи,
где - половина расстояния между центрами проводов, - радиус провода и , - соответственно проницаемость и диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Обычно используемое приближение, которое справедливо, когда разделение проводов намного больше радиуса провода и при отсутствии магнитных материалов, - это
где - относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды.
В передаче электроэнергии три проводника, используемые для трехфазной передачи электроэнергии, называются сбалансированной линией, поскольку мгновенная сумма трех линейных напряжений номинально равна нулю. Однако баланс в этой области относится к симметрии источника и нагрузки: он не имеет ничего общего с балансом импеданса самой линии, что имеет значение в телекоммуникациях.
Для передачи однофазной электроэнергии , используемой при электрификации железных дорог , используются два проводника для передачи синфазного и противофазного напряжения, так что линия является сбалансированной.
Биполярные линии HVDC , в которых каждый полюс работает с одинаковым напряжением относительно земли, также являются сбалансированными линиями.
Давайте проясним это с самого начала: если бы сопротивление источника каждого из этих сигналов не было идентичным, т. е. сбалансированным, метод бы полностью провалился, а согласование дифференциальных аудиосигналов было бы неактуальным, хотя и желательным с точки зрения запаса по уровню.
Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от наличия желаемого дифференциального сигнала.
