Балансное подключение

Балансное подключение (аудио) — метод соединения аудиооборудования с помощью балансной линии. Этот тип соединения часто используется как в студиях звукозаписи, так и на концертных площадках, потому что позволяет использовать длинные кабели, успешно противостоящие внешним помехам.

Небалансный (несимметричный, линейный) сигнал передаётся по двум проводникам: один проводник — информационный, другой — земля. Это обязательное и достаточное условие для протекания электрического тока по замкнутой цепи. Данный способ передачи сигналов отличается исключительной простотой реализации, однако не способен противостоять помехам на физическом уровне (в качестве одного из немногих практических решений применяют экранирование таких линий).

Балансный сигнал использует для передачи три проводника: два информационных (прямой и инверсный) и одну землю. Электрический импеданс информационных проводников по отношению к земле сбалансирован (то есть равен), что нашло отражение в названии. Сигналы по двум информационным проводникам балансной линии передаются в противофазе с равной амплитудой относительно земли.

Приёмник балансного сигнала вычитает из прямого сигнала инверсный, в результате помехи, синфазно наведённые на такую линию, вычитаются, а полезный сигнал увеличивается по амплитуде в два раза. Существенное отличие балансной линии от обычной дифференциальной пары — в обязательном наличии земляного проводника и соблюдении равных импедансов пар «плюс—земля» и «минус—земля», что, во-первых, сохраняет равные амплитуды прямого и инверсного сигнала на всём протяжении линии и на входе приёмника, во-вторых, позволяет применять дополнительные методы контроля и исправлений искажений сигнала.

В сравнении с небалансным подключением балансное имеет два основных преимущества, обусловленные его техническими особенностями.

Первое преимущество — возможность передавать аналоговый сигнал без существенных искажений на значительно бо́льшие расстояния. Это, прежде всего, обусловлено в два раза большей разностью потенциалов между прямым и инверсным сигналом балансной линии в сравнении с разностью потенциалов между землёй и единственным сигналом небалансной линии. Если небалансное подключение позволяет получать чистый аналоговый сигнал без существенных искажений на расстояниях, на практике не превышающих 15—20 м, то при балансном подключении фактическая длина аналоговой линии может достигать 200 м и более.

Вторая особенность, тесно связанная с первой — лучшая в сравнении с небалансным подключением помехоустойчивость, которая достигается рядом факторов:

• передача полезной информации дифференциальным (противофазным) сигналом позволяет подавлять синфазные помехи, вызванные внешними наводками;
• наличие третьего проводника (земли) позволяет контролировать разницу между прямым и инверсным сигналом, детектировать помехи, возникающие в одной из двух информационных линий и различными способами снижать их влияние на полезный сигнал, например, за счёт усреднения прямого и инверсного принимаемых сигналов;
• бо́льшая разность потенциалов между прямым и инверсным дифференциальными проводниками в сравнении с разностью потенциалов между землёй и единственным сигналом небалансной линии позволяет получать более устойчивый к затуханию аналоговый сигнал с бо́льшим соотношением сигнал-шум.

Эти и другие особенности балансного подключения обусловили его применение в профессиональной аудиоаппаратуре. Применение балансного и небалансного подключений обычно разделяется следующим образом: небалансное подключение при межблочных соединениях в пределах одной стойки аудиоаппаратуры, а балансное соединение — для передачи на большие расстояния, например, от звукорежиссёрского пульта к усилителям мониторных громкоговорителей. Актуальность использования балансных линий очевидна в концертном оборудовании, специфика которого подразумевает достаточно длинные аудиолинии, проложенные в агрессивной, полной помех среде.

К недостаткам балансного подключения можно отнести использование дополнительного проводника и более сложную реализацию принимающей и передающей аппаратуры.

Большинство профессиональной аудиоаппаратуры (звукозаписывающей, системы громкой оповестительной связи и т. д.) имеет отдельные балансные и небалансные входные разъёмы, обычно XLR или TRS. Тем не менее, в большинстве случаев сигнал с отдельного балансного входа преобразовывается внутри прибора в небалансный сигнал с помощью трансформатора или электронного усилителя. После обработки сигнала прибором небалансный сигнал преобразовывается обратно в балансный и подаётся на выход. Однако, некоторое количество техники проектируется для работы с балансным сигналом без дополнительных преобразований. Это достигается при использовании зависимых трактов для обеих цепей сигнала (положительной и отрицательной). Такая схема используется для достижения максимального качества звука, чтобы избежать лишних преобразований сигнала, неизбежно влияющих на его качество. Полностью балансная внутренняя схема позволяет расширить динамический диапазон на 3 дБ по напряжению.^[1]

В настоящее время наиболее часто используются 3-контактные разъёмы XLR, также часто используются четвертьдюймовые (¼" или 6,35 мм) разъёмы TRS (tip-ring-sleeve). Существуют различные переходники из XLR в TRS и обратно. Также, в стационарной аппаратуре используются винтовые клеммные колодки и разъёмы.

• 
  2,5-, 3,5- и 6,35-мм разъёмы TRS
• 
  Кабельные разъёмы XLR3, «мама» (слева) и «папа»
• 
  Комбинированный разъём XLR и 1/4" TRS

Небалансный сигнал может быть сконвертирован в балансный с помощью балуна, а также через DI unit. Также выпускаются специализированные микросхемы — ресиверы и драйверы балансной линии. Такие микросхемы содержат внутри один или несколько ОУ и сеть прецизионных резисторов, соединённых в схему преобразования баланс-небаланс или наоборот.

Если необходимо балансный сигнал подключить к небалансной линии, необходимо знать, как это делается. В большинстве случаев отрицательный сигнал может быть подключён к «земле», но, в определённых случаях, отрицательный сигнал нужно оставить неподключённым.

• Дифференциальная пара

• UK Sound And Lighting Community — Article On Balanced Lines
• Rick Chinn: A Simple Implementation of the Impedance Balanced Output