平衡与双绞线的原理 —— 抵消外来噪声的机理

局域网线缆和音频线缆都采用「双绞」结构。但能直观说清「为什么把两根线绞在一起就能抗噪」的人，其实并不多。

本文从「平衡」这个概念出发，讲解双绞线抵消噪声的机理。

什么是「平衡」

在电路中，平衡指的是信号的去线和回线在各方面都完全对等的状态。

普通信号线（单端）的去线是独立的一根，回线却借用称为地的公共导体。去与回不对称，所以这属于不平衡。

与之相对，去线和回线完全对等的结构称为平衡电路。现实中不可能做到完全平衡，但只要「在实用上足够对等」，就可以视为平衡。

平衡布线最大的好处，是外部噪声以共模的形式进入。

当两根导线对等地并行时，外部电磁噪声会在两根线上感应出大小相同的电压。这就是共模。差模（常模）分量不会产生。

共模噪声可以利用模式差异去除（参见共模噪声一文）。而常模噪声与信号处于同一模式，很难去除。

也就是说，平衡的策略是以接受共模噪声为代价，换取对常模噪声的免疫。即便叠加了噪声，只要是共模就能去除，整体上抗噪能力更强。

在平衡电缆中，实用上平衡度最高的就是双绞线，它由两根导线螺旋状绞合而成。

当外部磁力线（变化的磁场）与电缆交链时，回路中会产生电动势（电磁感应）。在双绞线中，磁力线穿过的回路方向会随着相邻的绞距交替反转。

结果，各个绞距产生的电动势相互抵消，整体的噪声电压趋近于零。

电缆中流过的电流会产生磁力线，而双绞线中相邻绞距的电流方向相反。产生的磁力线同样相互抵消，因此向电缆远处的泄漏非常小。

可见双绞线在两个方面都很出色：既不易受到噪声，也不易发出噪声。

两根线不绞合而并行敷设的「平行电缆」也具有一定的平衡度。但由于两根线始终固定在相同的相对位置，会出现因外部电磁场方向不同而只在其中一根线上叠加较多噪声的情况。

双绞线通过绞合使两根线的平均位置重合，因此对来自任何方向的噪声，抵消都能有效发挥作用。

在印制电路板上无法做出等同于双绞线的真正平衡布线。但让信号的去线和回线并行走线，可以获得相当于平行电缆的平衡度。

另外，地平面与信号线的组合（微带线）在高频下具有接近同轴电缆的特性，对外部噪声有屏蔽效果。

平衡电路的导线数量增加，成本也随之上升。并不需要把所有布线都做成平衡。

平衡特别有效的场合：

设备内部的数字电路具有噪声裕量，通常采用不平衡（单端）就已足够。只把接口部分做成差分（平衡）才是现实的设计取舍。