バランスのとれたライン

電気通信やプロフェッショナルオーディオにおいて、平衡線路または平衡信号ペアは、長さ、接地、および他の回路に対して等しいインピーダンスを持つ同じ種類の2本の導体で構成される電気回路です。[ 1 ]平衡線路形式^の主な利点は、変圧器や差動増幅器などの差動装置に供給されたときに、コモンモードノイズと干渉を良好に除去できることです。^[2]

音声の録音や再生で一般的に使用されているバランスラインは、バランスオーディオと呼ばれます。

平衡線路の一般的な形式は、無線周波数通信に使用されるツインリードです。また、従来の電話、プロフェッショナルオーディオ、またはデータ通信に使用されるツイストペアも一般的です。これらは、同軸ケーブルなどの不平衡線路と対照的です。同軸ケーブルは、戻り導体が接地されるように設計されているか、戻り導体が実際に接地されている回路です (アース戻り電信を参照)。平衡回路と不平衡回路は、バランと呼ばれるデバイスを使用してインターフェイスできます。

バランスの利点を維持するために、バランス線を駆動する回路自体もバランスが取れている必要があります。これは、変圧器結合 (コイルの繰り返し) によって、または各導体のインピーダンスを単にバランスさせることによって実現できます。

対称信号 (各レッグで振幅は等しいが極性が反対) を伝送するラインは、しばしば誤って「バランス型」と呼ばれますが、これは実際には差動信号です。バランス型ラインと差動信号は一緒に使用されることがよくありますが、これらは同じものではありません。差動信号によってラインがバランス型になるわけではなく、バランス型ケーブルでのノイズ除去に差動信号が必要なわけでもありません。

説明

平衡線路で信号を伝送すると、外部の漂遊電界によるノイズや干渉の影響が軽減されます。外部信号源は、ライン上に共通モード信号のみを誘導する傾向があり、接地に対する平衡インピーダンスにより漂遊電界による差動ピックアップが最小限に抑えられます。不要なノイズを誘導する可能性のある外部磁場に各導体が均等にさらされるように、導体を撚り合わせることもあります。

一部のバランスラインには、ノイズの発生量を減らすために静電シールドも備わっています。ケーブルは、多くの場合、ホイル、銅線、または銅編組で包まれています。このシールドは RF 干渉に対する耐性を提供しますが、磁場に対する耐性は提供しません。

一部の平衡線では、磁場に対する耐性を確保するために4 導体のスタークワッドケーブルを使用しています。ケーブルの形状により、磁場が平衡回路の両脚に均等に干渉することを保証します。この平衡干渉は、変圧器または平衡差動受信機によって簡単に除去できるコモンモード信号です。 ^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]

平衡線路では、差動受信機がコモンモード干渉を排除することで接続時のノイズを低減できます。線路は接地に対して同じインピーダンスを持つため、干渉するフィールドまたは電流は両方の線に同じ電圧を誘導します。受信機は線間の差にのみ反応するため、誘導されたノイズ電圧の影響を受けません。平衡線路を不平衡回路で使用した場合、各導体から接地までのインピーダンスが異なるため、個別の導体に誘導される電流によって接地までの電圧降下が異なり、電圧差が生じて線路がノイズの影響を受けやすくなります。ツイストペアの例としては、カテゴリ 5 ケーブルなどがあります。

不平衡線と比較すると、平衡線は距離あたりのノイズ量を削減し、より長いケーブル配線が可能になります。これは、電磁干渉が両方の信号に同じように影響するからです。2 つの信号間の類似性は、伝送パスの最後で 1 つの信号が他の信号から減算されるときに自動的に除去されます。

電話システム

平衡線の最初の用途は電話線でした。電信システム（本質的にはデジタル）ではほとんど影響のない干渉が、電話のユーザーにとっては非常に迷惑になる可能性がありました。最初の形式は、2 本の単線不平衡電信線を 1 対にして使用することでした。しかし、同じルートを使用する傾向のある電力伝送の発展により、これでは不十分であることが判明しました。電力線と並んで何マイルも走る電話線は、どちらかが電力線に近くなるため、必然的に一方の脚にもう一方の脚よりも多くの干渉が誘導されます。この問題は、クロスオーバーを使用して 2 つの脚の位置を数百ヤードごとに入れ替えることで対処されました。これにより、両方の脚に同じ干渉が誘導され、コモンモード除去が機能するようになりました。電話システムが成長するにつれて、スペースを節約し、悪天候時の性能低下を回避するために、オープンワイヤではなくケーブルを使用する方が好まれるようになりました。平衡電話ケーブルに使用されたケーブル構造はツイストペアでしたが、中継増幅器が利用可能になるまでは普及しませんでした。増幅されていない電話線の場合、ツイストペアケーブルは最長 30 km の距離しか伝送できませんでした。一方、オープンワイヤは静電容量が低いため、非常に長い距離に使用されていました。最長は 1893 年に建設されたニューヨークからシカゴまでの 1500 km でした。ケーブルで伝送可能な距離を延ばすためにローディングコイルが使用されましたが、この問題は 1912 年に増幅器の設置が開始されるまで解決されませんでした。 ^[8]^{: 323}ツイストペア平衡線は、各加入者の敷地とそれぞれの交換機を接続する回線であるローカルループで現在でも広く使用されています。^[8]^{: 314–316}

電話幹線、特に周波数分割多重搬送システムは、通常 2 線式ではなく 4 線式であり (少なくとも光ファイバーが普及する前はそうでした)、異なる種類のケーブルが必要です。この形式では、導体を 2 対に並べる必要があります。1 対は送信 (go) 信号用、もう 1 対は戻り信号用です。この種の伝送における最大の干渉源は、通常、go 回路と戻り回路自体の間のクロストークです。最も一般的なケーブル形式はスタークワッドで、対角線上の導体がペアを形成します。この形状により、2 つのペア間のコモンモード除去が最大になります。代替形式は、異なるピッチでねじれた 2 つのツイストペアで構成される DM (Dieselhorst-Martin) クワッドです。^[8]^{: 320}

オーディオシステム

平衡ラインの例としては、業務用システムにおけるマイクとミキサーの接続が挙げられます。従来、ダイナミックマイクとコンデンサーマイクはどちらも、差動モード信号を提供するためにトランスを使用していました^[要出典]。現代のダイナミックマイクの大部分では依然としてトランスが使用されていますが、最近のコンデンサーマイクでは電子駆動回路が使用される傾向にあります。各レッグは、信号に関係なく、接地に対して同一のインピーダンスを持つ必要があります。平衡インピーダンスを維持するためにペアケーブル (またはスタークワッドなどのペア派生ケーブル) が使用され、コアを密接に撚ることで、干渉が両方の導体に共通になります。受信側 (通常はミキシングコンソール) がラインバランスを乱さず、コモンモード (ノイズ) 信号を無視して差動モード信号を抽出できれば、システムは誘導干渉に対して優れた耐性を持つことになります。

マイクなどの一般的なプロ用オーディオソースには、3 ピンXLR コネクタがあります。1 つはシールドまたはシャーシグランドに接続し、他の 2 つは信号導体用です。信号線は、同じ信号の 2 つのコピーを反対極性で伝送できます (差動信号) が、そうする必要はありません。これらは「ホット」と「コールド」と呼ばれることが多く、AES14-1992(r2004) 標準 [および EIA 標準 RS-297-A] では、トランスデューサーの正の空気圧から生じる正の信号を伝送するピンを「ホット」と見なすことが推奨されています。ピン 2 は「ホット」ピンとして指定されており、この指定はシステムの残りの部分で一貫した極性を維持するのに役立ちます。これらの導体はソースから宛先まで同じ経路を移動するため、干渉は両方の導体に等しく誘導されると想定されます。信号を受信する機器は、2 つの信号の差を比較し (多くの場合、電気グランドは無視されます)、機器は誘導された電気ノイズを無視できます。誘導ノイズは、各バランス信号導体に同じ量で同じ極性で存在するため、2 つの信号間の差は変わりません。目的の信号から誘導ノイズをうまく除去できるかどうかは、バランス信号導体が同じ量と種類の干渉を受けるかどうかに一部依存します。このため、バランス信号伝送には、通常、ツイストケーブル、編組ケーブル、または共ジャケットケーブルが使用されます。

バランスと差別化

平衡線路の説明の多くは対称信号（つまり、大きさは同じだが極性が反対の信号）を前提としているが、これは 2 つの概念の混同を招く可能性がある。信号の対称性と平衡線路は互いにまったく独立している。^[2]平衡線路で重要なのは、ドライバ、線路、受信機の 2 つの導体のインピーダンスが同一であることだ（インピーダンスバランシング）。これらの条件により、外部ノイズが線路の各レッグに均等に影響し、受信機によって除去されるコモンモード信号として現れる。^{[2]レッグ間のコモンモードインピーダンスバランシングが優れているが、対称信号を提供し}ない平衡駆動回路もある。^[9]^[10] 対称差動信号はヘッドルームに関するものであり、干渉除去に必要ではない。^[11]

バラン

バランス型およびアンバランス型の回線を接続するには、バランが必要です。たとえば、CAT5 の配線の両端に 1 組のバランを配置すると、バランを使用して、ラインレベルのオーディオ信号または E キャリアレベル 1 信号を、アンバランス型の同軸ケーブルで 300 フィート (91 m) のバランス型カテゴリ 5 ケーブルに送信できます。信号がバランス型回線を通過すると、ノイズが誘導されて信号に追加されます。CAT5 回線はインピーダンスが慎重にバランスされているため、ノイズによって両方の導体に等しい (コモンモード) 電圧が発生します。受信側では、バランは 2 つの導体間の電圧差にのみ反応するため、途中で拾ったノイズは除去され、元の信号はそのまま残ります。

無線周波数バランはかつてテレビ受信機のアンテナ端子によく使われていました。通常、300 オームのバランス型ツインリードアンテナ入力は、バランを介してケーブルテレビシステムからの同軸ケーブルにのみ接続できます。

特性インピーダンス

伝送線路の特性インピーダンスは、高周波数動作において重要なパラメータです。並列2線伝送線路の場合、 $Z_{0}$

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

ここで、はワイヤ中心間の距離の半分、はワイヤ半径、はそれぞれ周囲の媒体の透磁率と誘電率です。ワイヤ間隔がワイヤ半径よりもはるかに大きく、磁性材料がない場合に有効な一般的な近似式は、 $l$ $R$ $\mu$ $\epsilon$

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

ここで、周囲の媒体の比誘電率です。 $\epsilon_{r}$

電力線

電力伝送において、三相電力伝送に使用される 3 本の導体は、3 つの線間電圧の瞬間合計が名目上ゼロであるため、平衡線路と呼ばれます。ただし、この分野における平衡とは、電源と負荷の対称性を指し、通信における意味である線路自体のインピーダンス平衡とは関係ありません。

鉄道の電化に使用される単相電力の送電では、線路のバランスが取れるように同相電圧と逆相電圧を伝送するために 2 本の導体が使用されます。

各極が接地に対して同じ電圧で動作する双極 HVDCラインも平衡ラインです。

参照

平衡伝送規格

参考文献

^ ヤングEC、ペンギン電子辞典、1988年、ISBN 0-14-051187-3
^ abc G. Ballou、「サウンドエンジニアのためのハンドブック」、第5版、Taylor & Francis、2015年、1267〜1268ページ。
^ スタークワッドマイクケーブルの重要性
^ マイクケーブルの性能と仕様の評価 2016-05-09 にWayback Machineでアーカイブ
^ スター・クワッド・ストーリー 2016年12月23日アーカイブウェイバックマシン
^ スタークワッドケーブルの何が特別なのでしょうか?
^ Starquad の仕組み 2016-11-12 にWayback Machineでアーカイブ
^ abc Huurdeman, Anton A. (2003年7月)。電気通信の世界史。Wiley-IEEE Press。ISBN 978-0-471-20505-0。
^ Graham Blyth . 「オーディオバランスの問題」。2016 年 10 月 24 日にオリジナルからアーカイブ。2014年 10 月 27 日に取得。最初に明確にしておきましょう。これらの各信号のソースインピーダンスが同一でない場合、つまりバランスが取れていない場合、この方法は完全に失敗し、差動オーディオ信号のマッチングは無関係になりますが、ヘッドルームを考慮すると望ましいものになります。
^ 「パート 3: アンプ」。サウンドシステム機器(第 3 版)。ジュネーブ:国際電気標準会議。2000 年。p. 111。IEC 602689-3:2001。ノイズや干渉の除去には、ドライバ、ライン、レシーバの共通モードインピーダンスバランスのみが影響します。このノイズや干渉の除去特性は、必要な差動信号の有無とは無関係です。
^ G. Ballou、『サウンドエンジニアのためのハンドブック』、第 5 版、Taylor & Francis、2015 年、1267 ページ。「2 つの信号電圧は、大きさが等しく極性が反対である場合に対称性を持ちます。目的の信号の対称性には利点がありますが、それはヘッドルームとクロストークに関するものであり、ノイズや干渉の除去に関するものではありません。」

外部リンク

バランスライン、ファンタム電源、接地、その他の難解な謎 - Mackieより

[1] ヤングEC、ペンギン電子辞典、1988年、ISBN 0-14-051187-3

[AES-2] G. Ballou、「サウンドエンジニアのためのハンドブック」、第5版、Taylor & Francis、2015年、1267〜1268ページ。

[3] スタークワッドマイクケーブルの重要性

[4] マイクケーブルの性能と仕様の評価 2016-05-09 にWayback Machineでアーカイブ

[5] スター・クワッド・ストーリー 2016年12月23日アーカイブウェイバックマシン

[6] スタークワッドケーブルの何が特別なのでしょうか?

[7] Starquad の仕組み 2016-11-12 にWayback Machineでアーカイブ

[Huurdeman-8] Huurdeman, Anton A. (2003年7月)。電気通信の世界史。Wiley-IEEE Press。ISBN 978-0-471-20505-0。

[9] Graham Blyth . 「オーディオバランスの問題」。2016 年 10 月 24 日にオリジナルからアーカイブ。2014年 10 月 27 日に取得。最初に明確にしておきましょう。これらの各信号のソースインピーダンスが同一でない場合、つまりバランスが取れていない場合、この方法は完全に失敗し、差動オーディオ信号のマッチングは無関係になりますが、ヘッドルームを考慮すると望ましいものになります。

[10] 「パート 3: アンプ」。サウンドシステム機器(第 3 版)。ジュネーブ:国際電気標準会議。2000 年。p. 111。IEC 602689-3:2001。ノイズや干渉の除去には、ドライバ、ライン、レシーバの共通モードインピーダンスバランスのみが影響します。このノイズや干渉の除去特性は、必要な差動信号の有無とは無関係です。

[11] G. Ballou、『サウンドエンジニアのためのハンドブック』、第 5 版、Taylor & Francis、2015 年、1267 ページ。「2 つの信号電圧は、大きさが等しく極性が反対である場合に対称性を持ちます。目的の信号の対称性には利点がありますが、それはヘッドルームとクロストークに関するものであり、ノイズや干渉の除去に関するものではありません。」

説明