밸런스트 라인

전기 통신 및 프로페셔널 오디오에서 밸런스트 라인(balanced line) 또는 밸런스트 신호 쌍(balanced signal pair)은 동일한 유형의 전기 전도체 두 개로 구성된 전기 회로로, 두 도체 모두 길이에 따라 온저항이 같고, 접지 및 다른 회로에 대해서도 마찬가지다.^[1] 밸런스트 라인 형식의 주요 장점은 변압기 또는 차동 증폭기와 같은 차동 장치에 공급될 때 공통 모드 잡음 및 간섭에 대한 우수한 제거 능력이다.^[2]

밸런스트 라인으로 전송되는 신호. 수신단에서 공통 모드 신호로 나타나는 잡음은 완벽하게 제거되는 동안 신호는 손상되지 않은 상태로 유지된다.

음향 녹음 및 재생에 널리 사용되는 밸런스트 라인은 밸런스트 오디오라고 불린다.

밸런스트 라인의 일반적인 형태는 무선주파수 통신에 사용되는 트윈 리드이다. 또한 전통적인 전화, 프로페셔널 오디오 또는 데이터 통신에 사용되는 연선도 일반적이다. 이들은 도체 중 하나가 접지에 연결되도록 설계된 동축 케이블과 같은 언밸런스트 라인 또는 도체 중 하나가 실제로 접지인 회로(참고: 접지 귀환 전신)와 대조된다. 밸런스 및 언밸런스트 회로는 발룬이라는 장치를 사용하여 인터페이스할 수 있다.

밸런스트 라인을 구동하는 회로 자체도 밸런스의 이점을 유지하기 위해 밸런스를 맞춰야 한다. 이는 변압기 결합(리피팅 코일)을 통해 또는 단순히 각 도체의 임피던스를 밸런스하여 달성할 수 있다.

대칭 신호(각 레그에서 진폭은 같지만 극성은 반대인 신호)를 전달하는 라인은 종종 잘못되게 "밸런스트"라고 불리지만, 이는 실제로는 차동 시그널링이다. 밸런스트 라인과 차동 시그널링은 종종 함께 사용되지만, 동일한 것은 아니다. 차동 시그널링이 라인을 밸런스하게 만들지 않으며, 밸런스트 케이블의 잡음 제거가 차동 시그널링을 요구하지도 않는다.

설명

그림 1. 연선 형태의 밸런스트 라인. 이 라인은 2선 회로에 사용하도록 고안되었다.

그림 2. 스타 쿼드 형태의 밸런스트 라인. 이 라인은 4선 회로 또는 두 개의 2선 회로에 사용하도록 고안되었다. 또한 프로페셔널 오디오의 마이크로폰 신호에도 사용된다.

그림 3. DM 쿼드 형태의 밸런스트 라인. 이 라인은 4선 회로 또는 두 개의 2선 회로에 사용하도록 고안되었다.

그림 4. 트윈 리드 형태의 밸런스트 라인. 이 라인은 RF 회로, 특히 안테나에 사용하도록 고안되었다.

밸런스트 라인을 통한 신호 전송은 외부 부유 전계로 인한 잡음이나 간섭의 영향을 줄인다. 모든 외부 신호원은 라인에 유도되는 공통 모드 신호만을 유도하는 경향이 있으며, 접지에 대한 밸런스된 온저항은 부유 전계로 인한 차동 픽업을 최소화한다. 도체는 원치 않는 잡음을 유도할 수 있는 외부 자기장에 각 도체가 동등하게 노출되도록 때때로 함께 꼬여 있다.

일부 밸런스트 라인에는 도입되는 잡음의 양을 줄이기 위한 정전기 차폐도 있다. 케이블은 종종 호일, 구리선 또는 구리 편조로 감싸져 있다. 이 차폐는 RF 간섭에 대한 내성을 제공하지만 자기장에 대한 내성은 제공하지 않는다.

일부 밸런스트 라인은 자기장 내성을 제공하기 위해 4도체 스타 쿼드 케이블을 사용한다. 케이블의 기하학적 구조는 자기장이 밸런스 회로의 양쪽 레그에 동일한 간섭을 일으키도록 보장한다. 이 밸런스된 간섭은 변압기 또는 밸런스 차동 수신기로 쉽게 제거할 수 있는 공통 모드 신호이다.^{[3][4][5][6][7]}

밸런스트 라인은 차동 수신기가 공통 모드 간섭을 제거하여 연결의 잡음을 줄일 수 있도록 한다. 라인은 접지에 대해 동일한 온저항을 가지므로 간섭 필드나 전류는 두 전선에 동일한 전압을 유도한다. 수신기는 전선 간의 차이에만 반응하므로 유도된 잡음 전압의 영향을 받지 않는다. 밸런스트 라인이 언밸런스 회로에 사용되면, 각 도체와 접지 사이의 임피던스가 달라지므로, 별도의 도체에 유도된 전류는 접지에 대해 다른 전압 강하를 일으켜 전압 차이를 생성하고, 라인을 잡음에 더 취약하게 만든다. 연선의 예로는 카테고리 5 케이블이 있다.

언밸런스트 라인과 비교하여 밸런스트 라인은 거리당 잡음 양을 줄여 더 긴 케이블 길이를 실용적으로 만든다. 이는 전자기 간섭이 두 신호 모두에 동일하게 영향을 미치기 때문이다. 한 신호가 다른 신호에서 빼지는 전송 경로 끝에서 두 신호 간의 유사성은 자동으로 제거된다.

전화 시스템

밸런스트 라인의 첫 번째 적용은 전화선이었다. 전신 시스템(본질적으로 디지털)에서는 거의 중요하지 않던 간섭이 전화 사용자에게는 매우 방해가 될 수 있었다. 초기 형식은 두 개의 단일선 언밸런스 전신선을 가져와 쌍으로 사용하는 것이었다. 그러나 이는 동일한 경로를 사용하는 경향이 있는 송전의 성장으로 인해 불충분하다는 것이 입증되었다. 몇 마일 동안 전력선 옆에 놓인 전화선은 필연적으로 한쪽이 다른 쪽보다 전력선에 더 가까이 있기 때문에 한쪽 다리에 더 많은 간섭이 유도될 것이다. 이 문제는 몇 백 야드마다 두 다리의 위치를 교차 지점으로 바꾸어 해결되었으며, 이로써 두 다리 모두 동일한 간섭이 유도되고 공통 모드 제거가 작동하도록 보장했다. 전화 시스템이 성장함에 따라 공간을 절약하고 악천후 시 성능 저하를 피하기 위해 개방형 전선 대신 케이블을 사용하는 것이 선호되었다. 밸런스 전화 케이블에 사용된 케이블 구조는 연선이었지만, 이는 중계기 증폭기가 출시될 때까지 널리 보급되지 않았다. 증폭되지 않은 전화선의 경우, 연선 케이블은 최대 30km까지만 가능했다. 반면에 낮은 정전 용량을 가진 개방형 전선은 엄청난 거리에 사용되었는데, 가장 긴 것은 1893년에 건설된 뉴욕에서 시카고까지 1500km였다. 부하 코일은 케이블로 달성할 수 있는 거리를 개선하는 데 사용되었지만, 문제는 1912년에 증폭기가 설치되기 시작할 때까지 최종적으로 극복되지 않았다.^[8]:323 연선 밸런스트 라인은 여전히 각 가입자의 구내를 해당 교환국에 연결하는 가입자선에 널리 사용된다.^{[8]:314–316}

전화 간선선, 특히 주파수 분할 다중화 캐리어 시스템은 일반적으로 2선 회로가 아닌 4선 회로이며(또는 광섬유가 널리 보급되기 전까지는 그랬다) 다른 종류의 케이블을 필요로 한다. 이 형식은 도체를 두 쌍으로 배열해야 하는데, 한 쌍은 송신(가는) 신호용이고 다른 쌍은 반환 신호용이다. 이 종류의 전송에서 가장 큰 간섭원은 일반적으로 가는 회로와 반환 회로 자체 사이의 누화이다. 가장 일반적인 케이블 형식은 스타 쿼드이며, 여기서 대각선으로 반대편 도체가 쌍을 이룬다. 이 기하학적 구조는 두 쌍 사이의 최대 공통 모드 제거를 제공한다. 다른 형식은 서로 다른 피치로 꼬인 두 개의 연선으로 구성된 DM(Dieselhorst-Martin) 쿼드이다.^[8]:320

오디오 시스템

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그림 5. 스타 쿼드 케이블에 연결된 마이크로폰은 밸런스를 유지하기 위해 대각선으로 반대편 도체를 연결한다. 이는 4선 회로에서의 사용과는 다르다. 이 다이어그램의 색상은 그림 2의 색상과 일치한다.

밸런스트 라인의 예는 전문가용 시스템에서 마이크로폰을 오디오 믹서에 연결하는 것이다. 전통적으로 다이내믹 마이크와 콘덴서 마이크 모두 변압기를 사용하여 차동 모드 신호를 제공했다. 현대 다이내믹 마이크의 대다수에서 여전히 변압기가 사용되지만, 최근의 콘덴서 마이크는 전자 구동 회로를 사용할 가능성이 더 높다. 각 다리는 신호에 관계없이 접지에 대해 동일한 임피던스를 가져야 한다. 페어 케이블(스타 쿼드와 같은 페어 파생물)은 밸런스 임피던스를 유지하는 데 사용되며, 코어의 밀착 꼬임은 모든 간섭이 두 도체에 공통적으로 발생하도록 보장한다. 수신단(보통 오디오 믹서)이 라인 밸런스를 방해하지 않고 공통 모드(잡음) 신호를 무시하고 차동 신호를 추출할 수 있다면 시스템은 유도된 간섭에 대해 탁월한 내성을 가질 것이다.

마이크로폰과 같은 일반적인 전문가용 오디오 소스는 3핀 XLR 단자를 가지고 있다. 하나는 실드 또는 섀시 접지에 연결되고, 다른 두 개는 신호 도체용이다. 신호선은 동일한 신호의 두 복사본을 반대 극성으로 전달할 수 있지만(차동 시그널링) 반드시 그럴 필요는 없다. 이들은 종종 "핫(hot)" 및 "콜드(cold)"라고 불리며, AES14-1992(r2004) 표준 [및 EIA 표준 RS-297-A]은 변환기에서 양압으로 인해 양의 신호를 전달하는 핀을 '핫'으로 간주해야 한다고 제안한다. 핀 2는 '핫' 핀으로 지정되었으며, 이 지정은 시스템의 나머지 부분에서 일관된 극성을 유지하는 데 유용하다. 이 도체들은 소스에서 목적지까지 동일한 경로를 이동하므로, 모든 간섭이 두 도체에 동일하게 유도된다는 가정이 있다. 신호를 수신하는 장치는 두 신호 간의 차이를 비교하여(종종 전기 접지를 무시하고) 유도된 전기 잡음을 무시할 수 있도록 한다. 유도된 잡음은 각 밸런스 신호 도체에 동일한 양과 동일한 극성으로 존재하므로, 두 신호 간의 차이는 변하지 않을 것이다. 원하는 신호에서 유도된 잡음을 성공적으로 제거하는 것은 부분적으로 밸런스 신호 도체가 동일한 양과 유형의 간섭을 수신하는지에 달려 있다. 이는 일반적으로 밸런스 신호 전송에 사용되는 꼬임, 편조 또는 공동 피복 케이블로 이어진다.

밸런스 및 차동

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밸런스트 라인에 대한 많은 설명은 대칭 신호(즉, 크기는 같지만 극성은 반대인 신호)를 가정하지만, 이는 두 개념을 혼동하게 할 수 있다. 즉, 신호 대칭과 밸런스트 라인은 서로 완전히 독립적이다.^[2] 밸런스트 라인에서 필수적인 것은 드라이버, 라인 및 수신기에서 두 도체에 동일한 임피던스를 갖는 것이다(임피던스 밸런싱). 이러한 조건은 외부 잡음이 라인의 각 레그에 동일하게 영향을 미치도록 보장하고, 따라서 수신기에 의해 제거되는 공통 모드 신호로 나타나게 한다.^[2] 각 레그 간에 탁월한 공통 모드 임피던스 밸런싱을 제공하지만 대칭 신호를 제공하지 않는 밸런스 구동 회로가 있다.^[9][10] 대칭 차동 신호는 헤드룸과 관련이 있으며 간섭 제거에 필수는 아니다.^[11]

발룬

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밸런스트 라인과 언밸런스트 라인을 연결하려면 발룬이 필요하다. 예를 들어, 발룬은 라인 레벨 오디오 또는 E-캐리어 레벨 1 신호를 동축 케이블(언밸런스)을 통해 카테고리 5 케이블 300 피트 (91 m) 길이로 전송하는 데 사용될 수 있으며, CAT5 케이블의 양 끝에 한 쌍의 발룬을 사용한다. 신호가 밸런스트 라인을 통해 이동하면 잡음이 유도되어 신호에 추가된다. CAT5 라인은 신중하게 임피던스 밸런스가 맞춰져 있으므로 잡음은 두 도체에 동일한(공통 모드) 전압을 유도한다. 수신단에서 발룬은 두 도체 간의 전압 차이에만 반응하므로, 경로를 따라 유입된 잡음을 제거하고 원래 신호를 그대로 유지한다.

한때 흔했던 무선주파수 발룬의 적용은 텔레비전 수신기의 안테나 단자에서 찾을 수 있었다. 일반적으로 300옴 밸런스 트윈 리드 안테나 입력은 케이블 TV 시스템의 동축 케이블에 발룬을 통해서만 연결될 수 있었다.

특성 임피던스

전송선로의 특성 임피던스 ${\displaystyle Z_{0}}$는 높은 주파수 작동에서 중요한 매개변수이다. 병렬 2선 전송선로의 경우,

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

여기서 ${\displaystyle l}$은 전선 중심 사이 거리의 절반, ${\displaystyle R}$은 전선 반경, ${\displaystyle \mu }$, ${\displaystyle \epsilon }$는 각각 주변 매질의 투자율 및 유전율이다. 전선 간격이 전선 반경보다 훨씬 크고 자기 재료가 없을 때 유효한 일반적으로 사용되는 근사치는 다음과 같다.

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

여기서 ${\displaystyle \epsilon _{r}}$은 주변 매질의 비유전율이다.

송전선

송전에서 삼상 전력 전송에 사용되는 세 도체는 세 선 전압의 순간 합이 명목상 0이므로 밸런스트 라인이라고 불린다. 그러나 이 분야에서의 밸런스는 소스 및 부하의 대칭을 의미하며, 전기 통신에서 의미하는 라인 자체의 임피던스 밸런스와는 무관하다.

철도의 전철화에 사용되는 단상 전력 전송의 경우, 두 도체가 동위상 및 역위상 전압을 전달하여 라인이 밸런스를 이룬다.

각 극이 접지에 대해 동일한 전압으로 작동하는 양극식 HVDC 라인도 밸런스트 라인이다.

같이 보기

• 차동쌍
• 트위낵스 케이블
• 연선 케이블

밸런스 전송 표준

• 이더넷 오버 트위스트 페어
• RS-422
• EIA-485
• 저전압 차동 신호 (LVDS)