Введение

Электрическая цепь с двумя проводниками с одинаковым импедансом

В телекоммуникациях и профессиональной аудиотехнике сбалансированная линия или сбалансированная пара сигналов – это электрическая цепь, состоящая из двух проводников одного типа, оба из которых имеют одинаковый импеданс вдоль своей длины, относительно земли и других цепей. Основным преимуществом сбалансированного формата линии является эффективное подавление синфазных шумов и помех при подключении к дифференциальному устройству, такому как трансформатор или дифференциальный усилитель. В звукозаписи и воспроизведении сбалансированные линии часто называют сбалансированным аудио. Распространенной формой сбалансированной линии является витая пара, используемая для традиционной телефонной связи, профессиональной аудиоаппаратуры или передачи данных. Также распространена двухпроводная линия, применяемая для радиочастотных коммуникаций. Их следует противопоставлять несбалансированным линиям, таким как коаксиальный кабель, в котором обратный проводник соединен с землей, или цепям, где обратный проводник фактически является землей (см. систему с земляным возвратом). Сбалансированные и несбалансированные схемы могут быть соединены с помощью устройства, называемого балуном. Схемы, передающие сигнал по сбалансированной линии, сами должны быть сбалансированы для сохранения преимуществ балансировки. Этого можно достичь с помощью трансформаторной связи (повторяющихся катушек) или просто путем балансировки импеданса в каждом проводнике. Линии, передающие симметричные сигналы (с равными амплитудами, но противоположной полярностью на каждом проводнике), часто ошибочно называют "сбалансированными", однако это, по сути, дифференциальная передача сигналов. Сбалансированные линии и дифференциальная передача сигналов часто используются совместно, но это не одно и то же. Дифференциальная передача сигналов не делает линию сбалансированной, и подавление шума в сбалансированных кабелях не требует использования дифференциальной передачи сигналов.

Пояснение

Передача сигнала по сбалансированной линии снижает влияние шума или помех, вызванных внешними блуждающими электрическими полями. Любые внешние источники сигнала, как правило, наводят только сигнал синфазного режима на линии, а сбалансированные импедансы к земле минимизируют дифференциальный захват, вызванный блуждающими электрическими полями. Проводники иногда скручиваются вместе, чтобы обеспечить одинаковую подверженность каждого проводника любым внешним магнитным полям, которые могут навести нежелательный шум. Некоторые сбалансированные линии также имеют электростатическую экранировку для уменьшения количества вносимого шума. Кабель часто оборачивают фольгой, медной проволокой или медной оплеткой. Эта экранировка обеспечивает защиту от радиочастотных помех, но не обеспечивает защиту от магнитных полей. Некоторые сбалансированные линии используют 4-проводниковый кабель «звезда-квад» для обеспечения защиты от магнитных полей. Геометрия кабеля обеспечивает, чтобы магнитные поля вызывали одинаковые помехи в обеих ветвях сбалансированной цепи. Эта синфазная помеха является сигналом синфазного режима, который можно легко удалить с помощью трансформатора или сбалансированного дифференциального приемника. Сбалансированная линия позволяет дифференциальному приемнику уменьшить шум на соединении, отбрасывая синфазные помехи. Линии имеют одинаковый импеданс к земле, поэтому интерференционные поля или токи наводят одинаковое напряжение в обоих проводах. Поскольку приемник реагирует только на разность между проводами, на него не влияет наведенное шумовое напряжение. Если сбалансированная линия используется в несбалансированной цепи, с разными импедансами от каждого проводника к земле, токи, наведенные в отдельных проводниках, вызовут разные падения напряжения к земле, тем самым создавая разность потенциалов, что делает линию более восприимчивой к шуму. Примеры витых пар включают кабель категории 5. По сравнению с несбалансированными линиями, сбалансированные линии уменьшают количество шума на единицу расстояния, что позволяет использовать более длинные кабели. Это связано с тем, что электромагнитные помехи будут влиять на оба сигнала одинаково. Сходства между двумя сигналами автоматически устраняются в конце пути передачи, когда один сигнал вычитается из другого.

Телефонные системы

Первое применение сбалансированных линий было для телефонных линий. Помехи, которые не имели существенного значения для телеграфной системы (по сути, цифровой), могли сильно беспокоить телефонного абонента. Изначально использовали две несбалансированные однопроводные телеграфные линии, объединяя их в пару. Однако этого оказалось недостаточно с ростом линий электропередач, которые часто прокладывались по тем же маршрутам. Телефонная линия, проходящая параллельно линии электропередач на протяжении многих километров, неизбежно подвергалась большему воздействию помех в одной жиле, чем в другой, поскольку одна из жил находилась ближе к линии электропередач. Для решения этой проблемы каждые несколько сотен ярдов меняли местами жилы с помощью кроссовера, обеспечивая тем самым одинаковое воздействие помех на обе жилы и позволяя механизму подавления синфазного сигнала эффективно работать. С развитием телефонной сети стало предпочтительнее использовать кабель вместо открытых проводов для экономии места и предотвращения ухудшения качества связи в плохую погоду. Для сбалансированных телефонных кабелей использовалась витая пара, однако широкое распространение она получила только с появлением усилителей-ретрансляторов. Для не усиленной телефонной линии кабель витой парой обеспечивал максимальное расстояние в 30 км. Открытые провода, благодаря своей меньшей емкости, использовались на гораздо больших расстояниях – самым длинным был 1500 км между Нью-Йорком и Чикаго, построенный в 1893 году. Для увеличения расстояния, достижимого с помощью кабеля, применялись нагрузочные катушки, но проблема была окончательно решена только после установки усилителей, начатой в 1912 году. Витая пара сбалансированных линий до сих пор широко используется в абонентских линиях – линиях, соединяющих помещение каждого абонента с соответствующей АТС. Симметричные дифференциальные сигналы связаны с динамическим диапазоном и не требуются для подавления помех.

Балоны

Для соединения сбалансированных и несбалансированных линий требуется балун. Например, балуны могут использоваться для передачи аудиосигналов линейного уровня или сигналов E-несущего уровня 1 по коаксиальному кабелю (который является несбалансированным) через 300 футов (91 метр) сбалансированного кабеля категории 5, используя пару балунов на каждом конце кабельной линии CAT5. Когда сигнал проходит по сбалансированной линии, на него наводится шум, который добавляется к сигналу. Поскольку линия CAT5 тщательно сбалансирована по импедансу, наведенный шум создает одинаковое (синфазное) напряжение в обоих проводниках. На принимающей стороне балун реагирует только на разницу напряжений между двумя проводниками, тем самым подавляя шум, собранный по пути, и сохраняя исходный сигнал неизменным. Распространенным применением радиочастотного балуна ранее было его использование на антенных входах телевизионных приемников. Обычно 300-омный сбалансированный антенный вход двойного провода можно было подключить к коаксиальному кабелю от кабельного телевидения только через балун.

Характерная импеданс

Характерный импеданс линии передачи является важным параметром на более высоких рабочих частотах. Для параллельной двухпроводной линии передачи, где *d* – половина расстояния между центрами проводников, *a* – радиус проводника, а μ и ε – соответственно, проницаемость и диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Обычно используемое приближение, справедливое при значительном превышении расстояния между проводниками над радиусом проводника и при отсутствии магнитных материалов, имеет вид:

где ε<sub>r</sub> – относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды.

Линии электропередач

В передаче электрической энергии три проводника, используемые для передачи трехфазного тока, называются сбалансированной линией, поскольку мгновенная сумма трех линейных напряжений номинально равна нулю. Однако, под балансом в данной области понимается симметрия источника и нагрузки: это не имеет отношения к балансу импедансов самой линии, как это понимается в телекоммуникациях. Для передачи однофазного электрического тока, используемого для электрификации железных дорог, применяются два проводника для передачи напряжений в фазе и в противофазе, обеспечивая тем самым баланс линии. Биполярные линии постоянного тока высокого напряжения (HVDC), в которых каждый полюс работает с одинаковым напряжением относительно земли, также являются сбалансированными линиями.