Сбалансированная линия - Balanced line - Wikipedia

В телекоммуникации и профессиональное аудио, а сбалансированная линия или же сбалансированная сигнальная пара это линия передачи состоящий из двух проводов одного типа, каждый из которых имеет равные сопротивление вдоль их длины и равные импедансы земля и в другие схемы.^[1] Основное преимущество симметричного линейного формата - хорошее подавление внешнего шума при подаче на дифференциальный усилитель.^{[нужна цитата ]} Распространенные формы сбалансированной линии: двойной свинец, используется для радиочастотных сигналов и витая пара, используется для низких частот. Их следует противопоставить несбалансированные линии, Такие как коаксиальный кабель, который предназначен для подключения его обратного проводника к земля, или цепи, обратный провод которых фактически заземлен. Сбалансированный и несимметричные схемы можно соединить с помощью трансформатор называется балун.

Цепи, управляющие сбалансированными линиями, должны быть сбалансированы для сохранения преимуществ баланса. Это может быть достигнуто трансформатор связи или просто уравновешивая импеданс в каждом проводнике.

Линии, несущие симметричные сигналы (с равным, но противоположным напряжением относительно земли на каждой ветви), часто неправильно называют «сбалансированными», но на самом деле это дифференциальная сигнализация. Симметричные линии и дифференциальная сигнализация часто используются вместе, но это не одно и то же. Дифференциальная сигнализация не делает линию сбалансированной, а подавление шума в симметричных кабелях не требует дифференциальной сигнализации.

Объяснение

Рисунок 1. Симметричная линия в формате витой пары. Эта линия предназначена для использования с 2-проводными цепями.

Рис 2. Сбалансированная линия в формате «звездочка». Эта линия предназначена для использования с 4-проводными цепями или двумя 2-проводными цепями. Он также используется с сигналами микрофона в профессиональное аудио.

Рис 3. Сбалансированная линия в формате DM quad. Эта линия предназначена для использования с 4-проводными цепями или двумя 2-проводными цепями.

Рис. 4. Сбалансированная линия в формате двойного отведения. Эта линия предназначена для использования с радиочастотными цепями, в частности с антеннами.

Передача сигнала по симметричной линии снижает влияние шума или помех из-за внешних паразитных электрических полей. Любые внешние источники сигнала имеют тенденцию побудить только синфазный сигнал на линии, и сбалансированный сопротивление к земле минимизирует дифференциальные наводки из-за паразитных электрических полей. Проводники иногда скручены вместе чтобы каждый проводник в равной степени подвергался воздействию любых внешних магнитных полей, которые могут вызвать нежелательный шум.

Некоторые сбалансированные линии также имеют электростатическая защита для уменьшения количества вносимого шума. Кабель часто оборачивают фольгой, медной проволокой или медной оплеткой. Этот экран обеспечивает невосприимчивость к радиочастотным помехам, но не защищает от магнитных полей.

Некоторые симметричные линии используют 4-проводные звездообразный кабель для обеспечения устойчивости к магнитным полям. Геометрия кабеля гарантирует, что магнитные поля будут вызывать равные помехи в обеих ветвях симметричной цепи. Эта симметричная помеха представляет собой синфазный сигнал, который можно легко удалить с помощью трансформатора или сбалансированного дифференциального приемника.^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]

Сбалансированная линия позволяет дифференциальный приемник уменьшить шум на связи, отклонив синфазная помеха. Строки одинаковые сопротивление к земле, поэтому мешающие поля или токи индуцируют одинаковое напряжение в обоих проводах. Поскольку приемник реагирует только на разницу между проводами, на него не влияет наведенное шумовое напряжение. Если симметричная линия используется в несимметричной цепи с различным импедансом от каждого проводника к земле, токи, индуцируемые в отдельных проводниках, будут вызывать разные падения напряжения на землю, тем самым создавая разность напряжений, делая линию более восприимчивой к шумам. Примеры витых пар: кабель категории 5.

По сравнению с несимметричными цепями, симметричные линии снижают уровень шума на расстояние, позволяя использовать более длинный кабель. 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.

Телефонные системы

Первое применение симметричных линий было для телефонных линий. Помехи, которые не имели большого значения для телеграфной системы (которая по сути является цифровой), могли сильно беспокоить пользователя телефона. Первоначальный формат заключался в том, чтобы взять две однопроводные несимметричные телеграфные линии и использовать их как пару. Однако этого оказалось недостаточно из-за роста объемов передачи электроэнергии, в которой использовались одни и те же маршруты. Телефонная линия, проходящая вдоль линии электропередачи на многие мили, неизбежно будет иметь больше помех, наведенных в одну ногу, чем в другую, поскольку одна из них будет ближе к линии электропередачи. Эта проблема была решена путем перестановки позиций двух опор через каждые несколько сотен ярдов с перекрестным переходом, таким образом гарантируя, что обе опоры имеют равные индуцированные помехи и позволяя подавлению синфазного сигнала делать свою работу. По мере роста телефонной системы стало предпочтительнее использовать кабель, а не открытые провода, чтобы сэкономить место, а также избежать плохой работы в плохую погоду. Конструкция кабеля, используемого для симметричных телефонных кабелей, была витая пара; однако это не получило широкого распространения, пока не стали доступны усилители-повторители. Для телефонной линии без усилителя кабель витой пары может выдерживать максимальное расстояние не более 30 км. С другой стороны, открытые провода с их более низкой емкостью использовались на огромных расстояниях - самым длинным из них был 1500 км от Нью-Йорка до Чикаго, построенный в 1893 году. Загрузочные катушки были использованы для увеличения расстояния, достижимого с помощью кабеля, но проблема не была окончательно решена, пока в 1912 году не начали устанавливать усилители.^[7]^:323 Симметричные линии на витой паре все еще широко используются для местные петли, линии, которые соединяют помещения каждого абонента с их соответствующими обмен.^[7]^:314–316

телефон магистральные линии, и особенно мультиплексирование с частотным разделением несущие системы, как правило, представляют собой 4-проводные схемы, а не 2-проводные схемы (или, по крайней мере, они были раньше оптоволоконный кабель получили широкое распространение) и требуют другого типа кабеля. Этот формат требует, чтобы проводники были расположены в двух парах, одна пара для сигнала отправки (движения), а другая для обратного сигнала. Самым большим источником помех при таком типе передачи обычно являются перекрестные помехи между прямой и обратной цепями. Самый распространенный формат кабеля - звездный четырехугольник, где диагонально противоположные проводники образуют пары. Эта геометрия обеспечивает максимальное подавление синфазных помех между двумя парами. Альтернативный формат - квадроцикл DM (Dieselhorst-Martin), который состоит из двух витых пар с разным шагом скручивания.^[7]^:320

Аудиосистемы

Рис. 5. Микрофоны, подключенные к звездообразный кабель соедините вместе диаметрально противоположные проводники для сохранения баланса. Это отличается от использования в 4-проводных цепях. Цвета на этой диаграмме соответствуют раскраске на рисунке 2.

Примером симметричных линий является подключение микрофоны к микшеру в профессиональных системах. Классически используются как динамические, так и конденсаторные микрофоны. трансформаторы для обеспечения сигнала дифференциального режима. В то время как трансформаторы все еще используются в подавляющем большинстве современных динамических микрофонов, более поздние конденсаторные микрофоны с большей вероятностью будут использовать электронные схемы управления. Каждая ножка, независимо от сигнала, должна иметь идентичный импеданс относительно земли. Парный кабель (или производное от пары, например звездный четырехугольник ) используется для поддержания сбалансированного импеданса, а плотное скручивание жил гарантирует, что любые помехи будут общими для обоих проводников. При условии, что принимающая сторона (обычно микшерный пульт ) не нарушает баланс линии и может игнорировать синфазные (шумовые) сигналы и может выделять дифференциальные, тогда система будет иметь отличную устойчивость к наведенным помехам.

Типичные профессиональные источники звука, такие как микрофоны, имеют трехконтактный Разъемы XLR. Один - это заземление экрана или шасси, а два других - сигнальные соединения. Эти сигнальные провода несут две копии одного и того же сигнала, но с противоположной полярностью. (Их часто называют «горячими» и «холодными», и стандарт AES14-1992 (r2004) [и стандарт EIA RS-297-A] предполагает, что штифт, передающий положительный сигнал, возникающий в результате положительного давления воздуха на преобразователь 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 наведены одинаково на оба проводника. Устройство, принимающее сигналы, сравнивает разницу между двумя сигналами (часто без учета электрического заземления), позволяя прибору игнорировать любой наведенный электрический шум. Любой наведенный шум будет присутствовать в равных количествах и с одинаковой полярностью на каждом из симметричных сигнальных проводников, поэтому разница двух сигналов друг от друга не изменится. Успешное подавление наведенного шума из полезного сигнала частично зависит от симметричных сигнальных проводников, принимающих одинаковое количество и тип помех. Обычно это приводит к скрученным, плетеным кабелям или кабелям с совместной оболочкой для использования в симметричной передаче сигнала.

Сбалансированный и дифференциальный

Большинство объяснений симметричных линий предполагают симметричные (противофазные) сигналы, но это досадная путаница - симметрия сигнала и симметричные линии совершенно независимы друг от друга. Важным в сбалансированной линии является согласование импедансов в драйвере, линии и приемнике. Эти условия гарантируют, что внешний шум одинаково воздействует на каждое плечо дифференциальной линии и, таким образом, проявляется в виде синфазного сигнала, который удаляется приемником. Существуют симметричные схемы привода с отличным синфазным напряжением. согласование импеданса между "ног" но делать нет обеспечивают симметричные сигналы.^[8]^[9] Для предотвращения помех существуют симметричные дифференциальные сигналы. к другие схемы - электромагнитные поля компенсируются равным и противоположным токами. Но они не нужны для подавления помех. из другие схемы.

Балуны

Чтобы преобразовать сигнал из сбалансированного в несимметричный, требуется балун. Например, балуны можно использовать для отправки линейный уровень аудио или Электронный носитель уровня 1 сигналы по коаксиальному кабелю (который не сбалансирован) через 300 футов (91 м) кабель категории 5 с помощью пары балунов на каждом конце линии CAT5. Балун принимает несимметричный сигнал и создает инвертированную копию этого сигнала. Затем он отправляет эти 2 сигнала по кабелю CAT5 как сбалансированный дифференциальный сигнал. При приеме на другом конце балун принимает разность двух сигналов, тем самым удаляя любой шум, полученный на пути, и воссоздает несимметричный сигнал.

Когда-то распространенное применение радиочастота балун был обнаружен на антенных выводах телевидение приемник. Обычно балансный на 300 Ом двойной свинец антенный вход можно было подключить только к коаксиальному кабелю от системы кабельного телевидения через балун.

Характеристический импеданс

В характеристическое сопротивление ${ displaystyle Z_ {0}}$ линии передачи является важным параметром при более высоких частотах работы. Для параллельной 2-проводной линии передачи

{ displaystyle Z_ {0} = { frac {1} { pi}} { sqrt { frac { mu} { epsilon}}} ln left ({ frac {l} {R}} + { sqrt { left ({ frac {l} {R}} right) ^ {2} -1}} ~ right),}

куда ${ displaystyle l}$ это половина расстояния между центрами проводов, ${ displaystyle R}$ - радиус проволоки и ${ displaystyle mu}$ , ${ displaystyle epsilon}$ соответственно проницаемость и диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Обычно используется приближение, которое справедливо, когда расстояние между проводами намного больше, чем радиус провода, и в отсутствие магнитных материалов:

{ displaystyle Z_ {0} = { frac {120} { sqrt { epsilon _ {r}}}} ln left ({ frac {2l} {R}} right),}

куда ${ displaystyle epsilon _ {r}}$ это относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды.

Линии электропередач

В передача электроэнергии, три проводника, используемые для трехфазное питание передачи называются сбалансированной линией, поскольку мгновенная сумма трех линейных напряжений номинально равна нулю. Тем не мение, баланс в этом поле имеется в виду симметрия источника и нагрузки: это не имеет ничего общего с балансом импеданса самой линии, смыслом значения в телекоммуникациях.

Для передачи однофазная электроэнергия как используется для системы электрификации железных дорог, два проводника используются для передачи синфазного и противофазного напряжения, так что линия является сбалансированной.

Биполярный HVDC линии, на которых каждый полюс работает с одинаковым напряжением относительно земли, также являются симметричными линиями.

Смотрите также

Стандарты сбалансированной передачи

внешняя ссылка

Сбалансированные линии, фантомное питание, заземление и другие тайны - из Маки;

[1] Молодой ЭК, Словарь электроники Penguin, 1988, ISBN 0-14-051187-3

[2] Важность микрофонного кабеля Star-Quad

[3] Оценка характеристик и характеристик микрофонного кабеля

[4] История звездного квадрата

[5] Что особенного в кабеле Star-Quad?

[6] Как работает Starquad

[Huurdeman-7] а ^б ^c Хурдеман, Антон А. (июль 2003 г.). Всемирная история телекоммуникаций. Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-20505-0.

[8] Грэм Блит. «Проблемы с балансировкой звука». Архивировано из оригинал на 2016-10-24. Получено 2014-10-27. Давайте проясним здесь с самого начала: если бы импеданс источника каждого из этих сигналов не был идентичным, то есть сбалансированным, метод полностью потерпел бы неудачу, согласование дифференциальных аудиосигналов не имеет значения, хотя и желательно с точки зрения запаса.

[9] «Часть 3: Усилители». Оборудование звуковой системы (Третье изд.). Женева: Международная электротехническая комиссия. 2000. с. 111. IEC 602689-3: 2001. Только синфазный баланс импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от наличия полезного дифференциального сигнала.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]