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電気通信およびプロフェッショナルオーディオでは、平衡線または平衡信号ペアは、同じ種類の2 つの導体で構成される電気回路であり、両方の導体は、長さ全体にわたって、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っています。 [ 1 ]平衡線フォーマットの主な利点は、トランスや差動アンプなどの差動デバイスに入力されたときに、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 ]オーディオアプリケーションで平衡線と差動信号の組み合わせは平衡オーディオと呼ばれ、音響補強や録音および再生で一般的に使用されています。
平衡線路のもう1つの一般的な形式は、無線周波数通信に使用されるツインリード線です。また、従来の電話、業務用オーディオ、またはデータ通信に使用されるツイストペア線路も一般的です。これらは、同軸ケーブルのように帰還導体が接地されるように設計された不平衡線路、または帰還導体が実際に接地されている回路（アース帰還電信を参照）とは対照的です。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接続できます。
平衡線路を駆動する回路自体も、平衡の利点を維持するために平衡していなければなりません。これは、トランス結合（繰り返しコイル）を用いるか、各導体のインピーダンスを平衡させることによって実現できます。
対称信号（各レッグで振幅が等しく極性が逆の信号）を伝送する回線は、しばしば誤って「平衡」と呼ばれますが、これは実際には差動信号です。平衡回線と差動信号はしばしば一緒に使用されますが、同じものではありません。差動信号によって回線が平衡になるわけではなく、平衡ケーブルのノイズ除去に差動信号は必要ありません。
平衡線路による信号伝送は、外部の迷走電界によるノイズや干渉の影響を低減します。外部信号源は、線路上にコモンモード信号のみを誘起する傾向があり、接地に対する平衡インピーダンスによって、迷走電界による差動ピックアップが最小限に抑えられます。導体は、不要なノイズを誘起する可能性のある外部磁界に各導体が均等にさらされるように、撚り合わされる場合もあります。
バランス型ケーブルの中には、ノイズの混入を低減するために静電シールドが施されているものもあります。ケーブルは、多くの場合、箔、銅線、または銅編組で覆われています。このシールドは高周波干渉に対する耐性を提供しますが、磁場に対する耐性はありません。
平衡線路の中には、磁場に対する耐性を持たせるために4芯スタークワッドケーブルを使用するものがあります。ケーブルの形状により、磁場が平衡回路の両脚に均等な干渉を引き起こすことが保証されます。この平衡干渉はコモンモード信号であり、トランスまたは平衡差動受信機によって容易に除去できます。 [ 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除去することで接続上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、干渉電界または電流は両方のワイヤに同じ電圧を誘起します。受信機はワイヤ間の差にのみ反応するため、誘起ノイズ電圧の影響を受けません。平衡線路を、各導体から接地までのインピーダンスが異なる不平衡回路で使用すると、個々の導体に誘起される電流によって接地への電圧降下が異なり、電圧差が生じるため、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。
平衡線は不平衡線に比べて、距離あたりのノイズ量を低減するため、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を与えるためです。伝送経路の終端で一方の信号からもう一方の信号を差し引くことで、2つの信号間の類似性は自動的に除去されます。
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）ではほとんど問題にならない干渉も、電話ユーザーにとっては非常に厄介なものでした。当初の方式は、2本の単線不平衡電信線をペアとして使用することでした。しかし、同じ経路を使用する傾向のある電力送電の普及に伴い、この方式では不十分であることが判明しました。何マイルにもわたって送電線に沿って敷設される電話線は、一方の線が送電線に近いため、必然的に他方の線よりも多くの干渉を受けます。この問題は、数百ヤードごとにクロスオーバーを使用して2本の線の位置を入れ替えることで解決されました。これにより、両方の線に均等な干渉が加わり、同相除去が機能するようになりました。電話システムが拡大するにつれて、スペースを節約し、悪天候時の性能低下を避けるために、裸線ではなくケーブルを使用する方が好ましいとされました。平衡電話ケーブルに使用されるケーブル構造はツイストペアでしたが、リピーターアンプが利用可能になるまで広く普及しませんでした。増幅されていない電話回線の場合、ツイストペアケーブルでは最大30kmの距離しか伝送できませんでした 。一方、静電容量の低い裸線は、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1500kmのケーブルです。ケーブルで伝送可能な距離を改善するために負荷コイルが使用されましたが、1912年に増幅器が設置され始めるまで、この問題は最終的に解決されませんでした。 [ 8 ]： 323ツイストペア平衡線は、各加入者の建物とそれぞれの交換局を接続するローカルループ線として、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線式回路であり（少なくとも光ファイバーが普及する前はそうであった）、異なる種類のケーブルを必要とする。この方式では、導体を2対に分ける必要があり、1対は送信（ゴー）信号用、もう1対は帰還信号用である。この種の伝送における最大の干渉源は、通常、ゴー回路と帰還回路間のクロストークである。最も一般的なケーブル形式はスタークワッドであり、対角線上の導体がペアを形成する。この形状により、2対間の同相除去比が最大となる。別の形式として、DM（ディーゼルホルスト・マーティン）クワッドがあり、これは異なるピッチで撚られた2対のツイストペアで構成される。[ 8 ]： 320
バランスラインの一例として、プロ用システムにおけるマイクロフォン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ロフォンとコンデンサーマイクロフォンはどちらもトランスを使用して差動モード信号を生成していました。現代のダイナミックマイクロフォン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ロフォンでは電子駆動回路を使用する傾向が強くなっています。信号の種類に関わらず、各レッグはグランドに対して同一のインピーダンスを持つ必要があります。バランス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、コアを密に撚り合わせることで、干渉が両方の導体に共通となるようにします。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）信号を無視でき、差動信号を抽出できる場合、システムは誘導干渉に対して優れた耐性を持ちます。
マイクなどの一般的なプロ用オーディオ機器には、3ピンのXLRコネクタが使用されています。1つはシールドまたはシャーシグランドに接続され、残りの2つは信号導体用です。信号線は、逆極性の同じ信号の2つのコピー（差動信号）を伝送できますが、必ずしもそうする必要はありません。これらはしばしば「ホット」と「コールド」と呼ばれ、AES14-1992(r2004)規格[およびEIA規格RS-297-A]では、トランスデューサに正の空気圧がかかった結果生じる正の信号を伝送するピンが「ホット」とみなされることが示唆されています。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たどるため、干渉は両方の導体に均等に誘起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、電気的グランドを無視して）、誘起された電気ノイズを無視できるようにします。誘導ノイズは、平衡信号導体のそれぞれに同量かつ同一の極性で存在するため、2つの信号の差は変化しません。目的信号から誘導ノイズを適切に除去するには、平衡信号導体が同じ量と種類の干渉を受けることが不可欠です。そのため、平衡信号伝送には通常、ツイストペアケーブル、編組ケーブル、または二重被覆ケーブルが使用されます。
平衡線路に関する多くの説明では、対称信号（つまり、大きさが等しく極性が反対の信号）を前提としていますが、これは2つの概念の混同につながる可能性があります。信号の対称性と平衡線路は互いに完全に独立しています。[ 2 ]平衡線路では、ドライバ、ライン、レシーバの2つの導体のインピーダンスが同一であること（インピーダンス平衡）が不可欠です。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を与え、レシーバによって除去されるコモンモード信号として現れます。[ 2 ]レッグ間のコモンモードインピーダンス平衡が優れているが対称信号を提供しない平衡駆動回路があります。[ 9 ] [ 10 ] 対称差動信号はヘッドルームに関係し、干渉除去には必要ではありません。[ 11 ]
平衡線と不平衡線を接続するにはバランが必要です。たとえば、バランを使用すると、同軸ケーブル（不平衡）を介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、91mの平衡カテゴリ5ケーブルを通して300フィート（91m ）伝送できます。これは、CAT5ケーブルの両端に一対のバランを使用することで実現できます。信号が平衡線を伝搬する際に、ノイズが誘起されて信号に加算されます。CAT5線はインピーダンスが精密に平衡化されているため、ノイズは両方の導体に等しい（コモンモード）電圧を誘起します。受信側では、バランは2本の導体間の電圧差にのみ反応するため、途中で拾われたノイズが除去され、元の信号はそのまま残ります。
かつて無線周波数バランの一般的な用途の一つは、テレビ受信機のアンテナ端子であった。通常、300オームの平衡型ツインリードアンテナ入力は、ケーブルテレビシステムからの同軸ケーブルにバランを介してのみ接続できた。
特性インピーダンス伝送線の は、動作周波数が高い場合に重要なパラメータです。並列 2 線式伝送線の場合、
どこワイヤーの中心間の距離の半分です。ワイヤー半径と、はそれぞれ、周囲媒体の透磁率と誘電率である。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、一般的に使用される近似式は次のとおりである。
どこは、周囲の媒質の比誘電率である。
電力送電において、三相送電に使用される3本の導体は、3本の線間電圧の瞬時和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の線路自体のインピーダンス平衡とは何の関係もありません。
鉄道電化に用いられる単相電力の送電においては、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、送電線が平衡状態になるようにしている。
各極が対地に対して同じ電圧で運転される双極性HVDC送電線も、平衡送電線である。
ここで最初に明確にしておきましょう。これらの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ます。差動オーディオ信号のマッチングは、ヘッドルームの考慮では望ましいものの、無関係です。
ドライバ、ライン、レシーバのコモンモードインピーダンスバランスのみが、ノイズまたは干渉の除去に役割を果たします。このノイズまたは干渉の除去特性は、目的の差動信号の存在とは無関係です。
