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发表论文,传输线串扰浅析

日期:2009年12月13日   来源:来自网络   热度:
www.lunwenbang.com故本文将结合本人从业电气信息之特种接口与信号传输线以来的实践着重谈一谈Cross talk的一些认知(由于个人的认识总是有限的,所以只是一些基本认知而已)。 由于本人学术有限,设备有限,加之接触的实际案例有限,有不准确和科学的地方,见谅。同时欢..
 

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参考《英汉科学技术字典》对于Cross talk的几个解释,第一个译法为串话干绕(即串扰);另外几个解释中有一个是道间感应。本人比较倾向于后者,至少在学习的初步是这么认识,然后再根据我们对信号施加的目的来界定是“干扰”还是“通信”。
故本文将结合本人从业电气信息之特种接口与信号传输线以来的实践着重谈一谈“Cross talk”的一些认知(由于个人的认识总是有限的,所以只是一些基本认知而已)。
由于本人学术有限,设备有限,加之接触的实际案例有限,有不准确和科学的地方,见谅。同时欢迎大家真心交流,批评指正。

 

 

 


 

摘要
本文计划分三部分对于电缆串扰问题进行阐述。第一部分是导论部分,主要对于串扰进行定性分析,说明定义和原理;第二部分是频域分析方法下的一些实验,拿来与EIA/TIE协议进行比对,来印证一些规律,揭示一些实际工作中的困惑;第三部分是将全文归着于标准(网络线传输标准EIA/TIA协议),并试推EIA/TIA NEXT公式。


 

第一部分 导论
有关串扰的定义有很多,呼应前述,本人认为所谓串扰是道间感应的一种,它是指在一个通道内传播的信号耦合到另一个通道内的分量。
这个定义有两个关键点:一是耦合;二是从能量的角度思考。
耦合是客观的,如果其与信号施加的目的是矛盾的则视为干扰;反之则势为有效接收。耦合的根本是电的三个效应之一——电磁效应。其耦合组件是电路(注意我们讨论的基础是交变源信号,如果是直流电路则没有意义)的自身提供的,即并联的电容和串联的电感,说的具体一点就是没有绝对的纯电阻电路。为了说明方便我们用两个电路图(Chart1-1,1-2)来说明。

Chart1-1是一个传输单元(四端网络)的等效电路。适用于对称传输和非对称传输(所谓对称与非对称是指构成回路的导体几何轴线是对称还是重合,如常用的Flat cable/Twist cable为对称传输,而同轴电缆的回路是重合的则为非对称传输),只不过对于非对称传输则等效为中心导体与外导体(即屏蔽层)。
显而易见,等效电路中的电容是通过交变电场直接耦合,而电感则通过交变磁场互感耦合(右手安培定则适用)(呼应前面的能量的角度看问题)。
对于电容有“隔直通交”或“高通低阻”之说;对于电感则有“隔交通直”或“高阻低通”之说。那么如何定量这种特性呢?我们引入特性阻抗这个感念。交变电路的特性阻抗与直流电路的电阻是不同的概念。阻抗的公式为:
  (Formula 1-1)
对于Chart 1-1,当产生谐振(外加信号频率等于系统固有频率)时候阻抗最小(此时Xl=Xc,则Z=R)。根据高频电路原理,此时电压与电流同相(即电路整体呈阻性),则


 
ρ称之为系统的特性阻抗。为讨论方便仍以z表示(但是请注意此时候意义已经改变)。可见:
直流电阻:
 (Formula 1-2)

交流谐振阻抗:
    (Formula 1-3)
从公式1-3可见,交变电路特性阻抗与两类条件有关(一类是电路结构,材料等;另一类是一定频率(工程中希望传输线在某一定频率范围内阻抗恒定,所以一般关心的是该类传输线的上限频率))而于传输线长度无关。在非对称传输,如同轴电缆,由于使用了介电常数(用ε表示)(绝缘材料留存电荷的能力,一定条件下的空气(忽略空气与真空的误差)的介电常数为1,其它的绝缘体材料的介电常数都大于1,数字越大则存留电荷越多,则越发不稳定)小的材料,所以在介电常数一定的前提下,同轴电缆的特性阻抗变得只与几何结构(电缆的内导(中心导体)外径和外导内径)有关,即:

 (Formula 1-4)
其中ε为介电常数, d为内导外径,D为外导内径
Chart 1-1这个四端网络只是一个整体电路的节点(这是遵循微分有限元法的思路 )。其整体电路如下图。

Chart 1-2
有必要强调的是,阻抗的变化可以引起能量的泄露。根据我们对于信号施加的目的选择是抑制还是利用。
在了解了交变电路传输的一些基本概念之后,我们回到串扰问题本身来看一看我们可以得出什么。下面给出一个两个通道的电路。

Chart 1-3

 

其中交变源信号在通道1传输时候,有信号耦合到了通道2上面(d表示导体间的距离)。

以此类推1:通道互换,串扰相对,上述结论依然存在;
以此类推2:被串扰通道有源无源,上述结论依然存在。
对于耦合,我们又有了初步认识。下面我们从能量的角度逐步对串扰进行定性分析,以便与本文第二部分衔接。
对于串扰的分析有时域分析和频域分析两个方法。
时域分析法是根据系统的微分方程,以拉氏变换为工具,直接解出控制系统的时间响应。然后,根据响应的表达式以及过程曲线来分析系统的性能,如稳定性、快速性和准确性。学理属于自动控制领域。
首先要对于物理模型建立数学模型。如要分析上述提到的阻抗,则首先要对于电容和电感的建模:


其中t1和t2是阻抗图集中总参数段的边界时间。
时域分析常用检测设备为TDR(Time-domain-reflectometer时域反射仪).下面是用TDR进行阻抗分析的一张照片。

频域分析法是以输入信号的频率为变量,对系统的性能在频率域内进行研究的一种方法。同样是分析阻抗问题,则容抗和感抗的数学模型为:


频域分析常用检测设备为Network analyzer网络分析仪.下面是网络分析仪进行阻抗分析的一张照片(作为网线专用检测设备,本人推荐使用Fluke networks而不是网络分析仪,因为一是有EIA/TIE标准支持,另外软件与硬件都已经标准化,这里采用网络分析仪做检测设备只为了研究的目的)。

 

由于本人手头设备的原因,本文选择频域分析法。我们继续图1-3的分析。
因为I3的存在,我们将视其在Rc1有一等效电源(原Rc1为等效电源的内阻)。此时我们将Uc/Us称为串扰。这种表示法经常用百分率在表示,如1/100则表示串扰分量与初始总量的比是1/100。在工程计算时候,如此小数较为不变,则给出对数形式的串扰公式(单位为dB)。

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