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 равные импедансы по своей длине, относительно земли и других цепей. [1] Основным преимуществом формата симметричной линии является хорошее подавление синфазного шума и помех при подаче на дифференциальное устройство, такое как трансформатор или дифференциальный усилитель . [2]
Сбалансированные линии , широко распространенные в записи и воспроизведении звука, называются сбалансированным звуком .
Распространенной формой симметричной 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 , обратный провод которого соединен с землей , или цепям, обратный проводник которых на самом деле является заземлением (см. Земной обратный телеграф ). Сбалансированные и несимметричные цепи можно соединить с помощью устройства, называемого балуном .
Схемы, управляющие балансными линиями, сами должны быть сбалансированы, чтобы сохранить преимущества баланса. Этого можно добиться с помощью трансформаторной связи ( повторяющихся катушек ) или просто балансировкой импеданса в каждом проводнике.
Линии, передающие симметричные сигналы (с равными амплитудами, но противоположной полярностью на каждом плече), часто ошибочно называют «сбалансированными», но на самом деле это дифференциальная передача сигналов . Балансные линии и дифференциальная сигнализация часто используются вместе, но это не одно и то же. Дифференциальная передача сигналов не делает линию сбалансированной, а подавление шума в симметричных кабелях не требует дифференциальной передачи сигналов.
Передача сигнала по симметричной линии снижает влияние шума или помех, вызванных внешними паразитными электрическими полями. Любые внешние источники сигнала имеют тенденцию индуцировать в линии только синфазный сигнал , а сбалансированные импедансы относительно земли сводят к минимуму дифференциальные наводки из-за паразитных электрических полей. Иногда проводники скручивают вместе , чтобы гарантировать, что каждый проводник одинаково подвержен воздействию любых внешних магнитных полей, которые могут вызвать нежелательные шумы.
Некоторые симметричные линии также имеют электростатическое экранирование для уменьшения количества вносимых шумов. Кабель часто обматывают фольгой, медной проволокой или медной оплеткой. Этот экран обеспечивает устойчивость к радиочастотным помехам, но не обеспечивает устойчивость к магнитным полям.
В некоторых симметричных линиях используется 4-жильный кабель типа «звезда» для обеспечения устойчивости к магнитным полям. Геометрия кабеля гарантирует, что магнитные поля будут вызывать равные помехи в обеих ветвях симметричной цепи. Эта сбалансированная помеха представляет собой синфазный сигнал, который можно легко устранить с помощью трансформатора или балансного дифференциального приемника. [3] [4] [5] [6] [7]
Сбалансированная линия позволяет дифференциальному приемнику снизить шум в соединении за счет подавления синфазных помех . Линии имеют одинаковое сопротивление относительно земли, поэтому мешающие поля или токи вызывают одинаковое напряжение в обоих проводах. Поскольку приемник реагирует только на разницу между проводами, на него не влияет напряжение наведенного шума. Если симметричная линия используется в несбалансированной цепи с разными импедансами между каждым проводником и землей, токи, индуцированные в отдельных проводниках, вызовут разное падение напряжения на землю, создавая таким образом перепад напряжения, делая линию более восприимчивой к шуму. Примеры витых пар включают кабель категории 5 .
По сравнению с несимметричными линиями , симметричные линии уменьшают количество шума на расстояние, что позволяет использовать более длинные кабели. Это связано с тем, что электромагнитные помехи одинаково влияют на оба сигнала. Сходства между двумя сигналами автоматически удаляются в конце пути передачи, когда один сигнал вычитается из другого.
Первое применение симметричных линий было для телефонных линий. Помехи, не имевшие большого значения для телеграфной системы (которая, по сути, является цифровой), могли очень беспокоить пользователя телефона. Первоначальный формат заключался в том, чтобы взять две однопроводные несимметричные телеграфные линии и использовать их как пару. Однако этого оказалось недостаточно с ростом передачи электроэнергии, которая, как правило, использовала одни и те же маршруты. Телефонная линия, проходящая вдоль линии электропередачи на протяжении многих миль, неизбежно будет иметь больше помех в одной ветви, чем в другой, поскольку одна из них будет ближе к линии электропередачи. Эта проблема была решена путем замены положений двух опор каждые несколько сотен ярдов с помощью кроссовера, что гарантировало, что на обеих опорах возникали равные помехи, и позволяло подавлению синфазного сигнала выполнять свою работу. По мере роста телефонной системы стало предпочтительнее использовать кабель, а не открытые провода, чтобы сэкономить место, а также избежать ухудшения работы в плохую погоду. Конструкция симметричных телефонных кабелей представляла собой витую пару ; однако это не получило широкого распространения до тех пор, пока не стали доступны усилители-ретрансляторы. Для неусиленной телефонной линии кабель витой пары может обеспечить максимальное расстояние не более 30 км. С другой стороны, открытые провода, с их более низкой емкостью, использовались для преодоления огромных расстояний - самым длинным был провод длиной 1500 км от Нью-Йорка до Чикаго, построенный в 1893 году. Нагрузочные катушки использовались для увеличения расстояния, достижимого с помощью кабеля, но проблема заключалась в том, что окончательно не удалось преодолеть до тех пор, пока в 1912 году не начали устанавливать усилители. [8] : 323 Сбалансированные линии витой пары до сих пор широко используются для местных шлейфов , линий, которые соединяют помещения каждого абонента с соответствующей телефонной станцией . [8] : 314–316.
Телефонные магистральные линии и особенно системы несущей связи с частотным уплотнением обычно представляют собой 4-проводные цепи, а не 2-проводные (или, по крайней мере, так было до того, как оптоволокно получили широкое распространение) и требуют другого типа кабеля. Этот формат требует, чтобы проводники были расположены в двух парах: одна пара для сигнала отправки (пуска), а другая для обратного сигнала. Самым большим источником помех при передаче такого типа обычно являются перекрестные помехи между самими входной и обратной цепями. Наиболее распространенным форматом кабеля является четверка звезд , в которой диагонально противоположные проводники образуют пары. Такая геометрия обеспечивает максимальное подавление синфазного сигнала между двумя парами. Альтернативным форматом является четверка DM (Dieselhorst-Martin), состоящая из двух витых пар с разным шагом скрутки. [8] : 320
Примером балансных линий является подключение микрофонов к микшеру в профессиональных системах. Традиционно и динамические, и конденсаторные микрофоны использовали трансформаторы для обеспечения сигнала дифференциального режима . Хотя трансформаторы по-прежнему используются в подавляющем большинстве современных динамических микрофонов, в более поздних конденсаторных микрофонах чаще используются электронные схемы привода. Каждая нога, независимо от какого-либо сигнала, должна иметь одинаковое сопротивление относительно земли. Парный кабель (или производная от пары, такая как звездообразная четверка ) используется для поддержания сбалансированных импедансов, а плотное скручивание жил гарантирует, что любые помехи являются общими для обоих проводников. При условии, что принимающая сторона (обычно микшерный пульт ) не нарушает баланс линии, способна игнорировать синфазные (шумовые) сигналы и выделять дифференциальные, тогда система будет обладать превосходной устойчивостью к наведенным помехам.
Типичные профессиональные источники звука, такие как микрофоны, имеют трехконтактные разъемы XLR . Один подключается к экрану или заземлению корпуса, а два других предназначены для сигнальных проводников. Сигнальные провода могут передавать две копии одного и того же сигнала с противоположной полярностью ( дифференциальная сигнализация ), но это не обязательно. Их часто называют «горячими» и «холодными», а стандарт AES14-1992(r2004) [и стандарт EIA RS-297-A] предполагают, что штырь, передающий положительный сигнал, возникающий в результате положительного давления воздуха на датчике, будет считаться «горячим». Контакт 2 обозначен как «горячий» контакт, и это обозначение полезно для поддержания постоянной полярности в остальной части системы. Поскольку эти проводники проходят один и тот же путь от источника к месту назначения, предполагается, что любые помехи в равной степени наводятся на оба проводника. Прибор, получающий сигналы, сравнивает разницу между двумя сигналами (часто без учета электрического заземления), позволяя прибору игнорировать любые наведенные электрические шумы. Любой наведенный шум будет присутствовать в равных количествах и одинаковой полярности на каждом из симметричных сигнальных проводников, поэтому отличие двух сигналов друг от друга не изменится. Успешное подавление наведенного шума из полезного сигнала частично зависит от того, что проводники симметричного сигнала получают одинаковое количество и тип помех. Обычно это приводит к использованию скрученных, плетеных или совмещенных кабелей для использования при передаче симметричного сигнала.
Многие объяснения балансных линий предполагают симметричные сигналы (т.е. сигналы равные по величине, но противоположной полярности), но это может привести к путанице двух понятий — симметрия сигнала и сбалансированные линии совершенно независимы друг от друга. [2] Важным моментом в симметричной линии является одинаковое сопротивление двух проводников в драйвере, линии и приемнике (балансировка импеданса). Эти условия гарантируют, что внешний шум одинаково влияет на каждый участок линии и, таким образом, проявляется как синфазный сигнал, который отвергается приемником. [2] Существуют симметричные схемы возбуждения, которые имеют превосходную балансировку синфазного импеданса между ветвями, но не обеспечивают симметричные сигналы. [9] [10] Симметричные дифференциальные сигналы имеют запас по запасу и не являются необходимыми для подавления помех. [11]
Для сопряжения симметричных и несимметричных линий требуется балун . Например, симметрирующие устройства можно использовать для передачи линейного аудиосигнала или сигналов E-carrier уровня 1 по коаксиальному кабелю (несбалансированному) через 300 футов (91 м) симметричного кабеля категории 5 , используя пару симметрирующих устройств на каждом конце кабеля. CAT5 работает. Когда сигнал проходит через балансную линию, к сигналу добавляется шум. Поскольку линия CAT5 тщательно сбалансирована по сопротивлению, шум наводит равные (синфазные) напряжения в обоих проводниках. На приемном конце балун реагирует только на разницу напряжений между двумя проводниками, таким образом подавляя шум, возникающий на пути, и оставляя исходный сигнал нетронутым.
Когда-то широко распространенное применение радиочастотного симметратора было обнаружено на антенных выводах телевизионного приемника . Обычно симметричный двухпроводной антенный вход сопротивлением 300 Ом можно подключить только к коаксиальному кабелю системы кабельного телевидения через балун.
Характеристическое сопротивление линии передачи является важным параметром на более высоких рабочих частотах. Для параллельной двухпроводной линии передачи:
где – половина расстояния между центрами проволок, – радиус проволоки и – соответственно проницаемость и диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Обычно используемое приближение, справедливое, когда расстояние между проводами намного больше радиуса провода и в отсутствие магнитных материалов:
где – относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды.
При передаче электроэнергии три проводника, используемые для трехфазной передачи энергии, называются симметричной 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, смыслом телекоммуникаций.
Для передачи однофазной электроэнергии , используемой для 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 по отношению к земле, также являются симметричными линиями.
Давайте с самого начала проясним: если бы импеданс источника каждого из этих сигналов не был идентичным, то есть сбалансированным, метод был бы полностью неэффективным, поскольку согласование дифференциальных аудиосигналов не имеет значения, хотя и желательно с точки зрения запаса мощности.
Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех.
Это свойство подавления шума или помех не зависит от присутствия полезного дифференциального сигнала.
