脈衝信號長線傳輸的傳輸特性及原理解析

隨著脈衝信號頻率的越來越高及信號跳變沿（上升沿和下降沿）的越來越短，對脈衝信號傳輸完整性的分析就變的越來越重要。如何保證脈衝信號傳輸的完整性，減少信號在傳輸過程中產生的反射和失真，已成為當前高速電路設計中不可忽視的問題。

對脈衝信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據高速電路設計理論引入了長線傳輸的概念，並對脈衝信號的傳輸特性進行了分析。為了保證脈衝信號傳輸的完整性採用了RS-485串行總線標準及跨接匹配電阻的電路方案，經過實驗證明這裡提出的方案切實可行且性能優越。另外該方案結構簡單，成本低廉，對於近距離脈衝信號和高頻率數位訊號的傳輸有很大參考和使用價值。

1 傳輸線理論

1.1 長線傳輸定義

一般情況下脈衝信號的邊沿諧波頻率高於自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會導致信號在傳輸過程中出現非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈衝信號傳輸長度大於信號上升或下降沿時間對應有效長度的1/6時，就可認為信號的傳輸為長線傳輸。脈衝信號在長線傳輸中會出現明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號完整性的問題，這就需要用傳輸線理論來分析。

1.2 脈衝信號的傳輸特性

傳輸線理論為分布參數電路理論，線上所有位置都由分布電阻R、分布電容C、分布電感L 和分布電導G 構成。

這些分布參數就決定了脈衝信號長線傳輸的傳輸特性。

信號傳輸線的特性阻抗由傳輸線上入射電壓與入射電流之比來表示，一般表達式為：

信號的傳輸延遲由傳輸線分布參數中的串聯電感和並聯電容來決定，單位長度傳輸線上的傳輸延遲d T 表示為：

脈衝信號在傳輸線上的整體傳輸情況如圖1 所示，其中S Z 為源端阻抗， 0 Z 為傳輸線阻抗， L Z 為負載阻抗。

圖1 脈衝信號在傳輸線的特點

圖1 中（ ） X H w 表示信號通過傳輸線的衰減函數； A（w）和1R （w）表示傳輸線源端的輸入接收函數和反射函數；T（w）和2R （w）表示傳輸線終端的傳輸函數和反射函數，表達式分別如下：

由以上表達式可知如果傳輸線特性阻抗與源端阻抗和終端負載不匹配時，傳輸信號會在阻抗不連續處產生反射，反射信號會在終端和源端往返多次，直至衰減為零。信號的疊加就引起了傳輸信號的失真和振鈴。

1.3 傳輸線分布參數的計算

綜上可知信號的傳輸特性主要由傳輸線分布參數來決定，只要確定了傳輸線的分部參數及源端和終端阻抗值，根據式（1-7）就能計算出信號的傳輸特性值。以雙絞線為例，其特性參數的計算可按如以下公式計算：

式中d 表示傳輸線導體的線徑，s 表示兩線的線間距， r e 表示有效相對介電常數。對其餘類型傳輸線分布參數的計算可以參閱文獻［5-6］計算得到。

2 脈衝信號傳輸方案及實驗測試

當脈衝信號傳輸較遠距離的時候，為保證信號的傳輸速率及傳輸可靠性，採用了RS-485 串行總線標準來驅動、接收信號。

2.1 RS-485 總線標準

RS-485 標準是基於單對平衡線的多點、雙向通信鏈路，提供了高噪聲抑制、高傳輸速率、長傳輸距離、寬共模範圍和低成本的傳輸平臺［7］。該方案採用符合RS-485 標準的MAX485 晶片來搭建驅動、接收電路，將其中一塊晶片固定為發送，另一晶片固定為接收，兩晶片對應的發送和接收埠用等長的雙絞線連接。

2.2 脈衝信號的傳輸特性分析

脈衝信號在雙絞線上的傳輸特性由其傳輸線分布參數及驅動晶片輸出阻抗和接收晶片輸入阻抗來決定的。

實際測得所用雙絞線的線徑d 為0.05 cm，s 為0.096 cm，r e 取介於線路絕緣體介電常數和空氣介電常數（1.00）之間的常數2.5。由式（9-11）計算得雙絞線的特性阻抗，每英寸的分布電感和分布電容為：

又可知MAX485 晶片驅動輸出電阻約為50 Ω，接收端輸入電阻大於12 kΩ。由公式（1-7）可以計算出傳輸線單位傳輸延遲d T 、傳輸線衰減函數H 及傳輸線源端和終端函數值A 、T 、1 R 和2 R 分別為：

取傳輸雙絞線長度為65 m，脈衝信號幅度為+4 V。可以計算得到信號通過雙絞線的延時為325.65 ns；信號到達接收端的幅度為4× AHT = 5.02 V ；產生的反射信號經衰減傳輸到達源端的幅值為22 4× AH R = 2.36 V。信號在源端還會繼續反射，如此反覆直至衰減為零。用示波器直接測MAX485驅動晶片輸出與接收晶片輸入口的波形如圖2 所示。

圖2 無端接時發送與接收晶片A 口的波形

其中時間軸檔位為每格2 us，信號幅度檔位為每格2 V。

可以讀出輸入脈衝信號幅度是+4 V，信號的傳輸延時約320 ns，接收端脈衝信號正向幅度為+5.3 V，負向幅度為-1.8 V。綜上可知用示波器測得結果與理論分析基本一致。

當在接收端跨接100 Ω 電阻時，雙絞線終端負載就近似為100 Ω，與傳輸雙絞線的特性阻抗相匹配。此時可以計算得2 R ≈ 0 ，T ≈ 1 ，其餘參數同上。保持傳輸雙絞線距離和傳輸信號幅度不變，可以算得脈衝信號的傳輸延時為325.65 ns，接收端信號幅值為2.668 V，終端不產生反射信號。用示波器測發送晶片輸出與接收晶片輸入的波形如圖3（a）所示，輸入信號幅度+4 V，接收端信號延時約318 ns，幅度為+2.74 V；圖3（b）為脈衝信號在電路發送端與接收端的信號波形，信號的傳輸延時為400 ns，其中在傳輸線上延時約320 ns，發送和接收晶片內部分別延時約40 ns，發送端和接收端脈衝信號幅度和脈寬保持一致。

（a） 發送與接收晶片A 口的波形

（b） 發送與接收端信號的波形

圖3 雙絞線終端接100 Ω 電阻時波形

綜上可知對於脈衝信號經過長線傳輸，用輸線理論進行分析是完全正確的。對脈衝信號在長線傳輸中產生的畸變和振蕩，可以通過在傳輸線源端串接電阻或在終端並接匹配電阻的方法來消除傳輸信號在傳輸線兩端的反射。

當收發兩端距離較遠或通訊速率較高時，還需要在傳輸線兩端接偏置電阻，用來將傳輸線上無數據時的電平置0 電平，降低由於幹擾或信號反射引起的接收端誤操作。

3 結語

對於脈衝信號的長線傳輸，需要用傳輸線理論來分析其傳輸特性，通過改變傳輸線或端接匹配電阻等方法來保持信號傳輸的完整性。實驗證明採用MAX-485 晶片組成的傳輸電路可以有效消除信號在傳輸中的衰減和幹擾，通過端接匹配電阻可以很好的保持信號傳輸的穩定性和完整性。該方案結構簡單，性能可靠，在實際應用中有很大實用和推廣價值。

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