信號(hào)傳輸線路特性阻抗對(duì)數(shù)字信號(hào)品質(zhì)的影響

孫 秀 萍

(包頭師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

摘要：信號(hào)是信息的載體，信號(hào)通過(guò)有線或者無(wú)線的傳輸線路把信息傳遞。模擬信號(hào)是指在時(shí)域上數(shù)學(xué)形式為連續(xù)函數(shù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。數(shù)字信號(hào)有很多且定義規(guī)范，我們所熟悉的USB是電腦與周邊設(shè)備通訊的傳輸協(xié)議。ADSL是互聯(lián)網(wǎng)的傳輸協(xié)議。HDMI是視頻傳輸?shù)膮f(xié)議。在以上各種協(xié)議中對(duì)數(shù)字信號(hào)的各個(gè)物理量和指標(biāo)都有著不同的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?xì)密的定義和要求。此文以USB信號(hào)為例，對(duì)USB的數(shù)字信號(hào)在傳輸線路中的品質(zhì)結(jié)合傳輸線路的特性阻抗進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：特性阻抗；傳輸線路；數(shù)字信號(hào)；傳輸協(xié)議

收稿日期：*2015-01-30

作者簡(jiǎn)介：孫秀萍(1969-)，女，內(nèi)蒙古包頭市人，碩士，副教授，研究方向：物理電子信息與智能機(jī)器人。

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

信號(hào)是信息的載體，信號(hào)通過(guò)有線或者無(wú)線的傳輸線路把信息傳遞。在當(dāng)今的信息社會(huì)，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸例如ADSL，光纜傳輸和無(wú)線信號(hào)的CDMA，GSM對(duì)我們的生活都具有極其重要的影響和意義。我們可以利用仿真計(jì)算來(lái)評(píng)估數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中傳輸線路特性阻抗對(duì)信號(hào)品質(zhì)的影響，澄清傳輸線路物理量對(duì)信號(hào)品質(zhì)的具體影響，為能更深入理解數(shù)字傳輸?shù)奈锢砀拍畹於ㄒ粋€(gè)基礎(chǔ)。信號(hào)，顧名思義是信息的載體單元。在電子學(xué)中信號(hào)又可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是指在時(shí)域上數(shù)學(xué)形式為連續(xù)函數(shù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。數(shù)字信號(hào)有很多且定義規(guī)范。 我們所熟悉的USB是電腦與周邊設(shè)備通訊的傳輸協(xié)議。ADSL是互聯(lián)網(wǎng)的傳輸協(xié)議。HDMI是視頻傳輸?shù)膮f(xié)議。在以上各種協(xié)議中對(duì)數(shù)字信號(hào)的各個(gè)物理量和指標(biāo)都有著不同的，嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)密的定義和要求。此文中我們以USB信號(hào)為例，對(duì)USB的數(shù)字信號(hào)在傳輸線路中的品質(zhì)結(jié)合傳輸線路的特性阻抗進(jìn)行評(píng)估。

USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行總線)的縮寫，而其中文簡(jiǎn)稱為“通串線”，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。USB歷時(shí)經(jīng)歷了1.0，2.0和3.0等規(guī)格，具有不同的傳輸速率。USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps,USB3.0是5 Gbps。在此文中，我們以12Mbps的USB數(shù)字信號(hào)為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)傳輸線路對(duì)12Mbps的USB數(shù)字信號(hào)品質(zhì)產(chǎn)生的影響以及USB認(rèn)證試驗(yàn)中信號(hào)品質(zhì)測(cè)定的意義。

我們參閱USB2.0協(xié)議中對(duì)于Full Speed USB 12Mbps傳輸?shù)囊?guī)定。USB的下游設(shè)備(Device)與上游控制端(HUB)之間連接如圖1。

圖1：Full-speed USB傳輸線路及負(fù)載阻抗接線圖

圖1，USB的信號(hào)發(fā)送和信號(hào)接收是通過(guò)一條特性阻抗為90歐姆的傳輸線相連接。也就是我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)的USB電纜。通常USB電纜中有4排引線。依次為VBUS(+5V，為下游設(shè)備供電)，D+，D-，和GND(接地端)。其中，D+，D-為一組雙絞線。分別傳輸U(kuò)SB的一組差分信號(hào)。之所以采用雙絞線是為了盡可能的減少D+，D-的互感作用，有利于提高差分信號(hào)的傳輸率。特性阻抗又稱“特征阻抗”，它不是直流電阻，屬于長(zhǎng)線傳輸中的概念。信號(hào)在傳輸線傳輸?shù)倪^(guò)程中，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會(huì)形成電場(chǎng)。由于電場(chǎng)的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓，這樣在信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在阻抗不連續(xù)的結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生反射。在信號(hào)工程中這個(gè)特性阻抗可以近似的以如下公式描述。

其中Zo為傳輸線路的特性阻抗，L是傳輸線路的電感值，C是傳輸線路的電容值。我們所說(shuō)的傳輸線路包括傳輸電纜以及信號(hào)在PCB上的排線。因此無(wú)論傳輸電纜的構(gòu)造和PCB電路板上信號(hào)排線的構(gòu)造都會(huì)對(duì)特性阻抗產(chǎn)生極大的影響。因此，為了保證特性阻抗的規(guī)范，在實(shí)際的設(shè)計(jì)以及制造過(guò)程中，對(duì)于傳輸用電纜的制造和PCB設(shè)計(jì)制造都有嚴(yán)格的要求。

在此我們利用ORCAD以及Pspice仿真，模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中，當(dāng)傳輸線路里特性阻抗發(fā)生偏差時(shí)，數(shù)字信號(hào)品質(zhì)的變化。ORCAD和Pspice是一款應(yīng)用廣泛的電子線路繪圖以及方針軟件。Pspice對(duì)于傳輸線路提供了兩個(gè)仿真模型。一個(gè)是T/Analog 另一個(gè)是TLossy/Analog。前一個(gè)是理想的無(wú)損耗傳輸線路，第二個(gè)是有損耗的傳輸線路。以下我們利用理想的傳輸線模型T/Analog進(jìn)行模擬仿真。在USB通信的協(xié)議中，傳輸?shù)男盘?hào)是一對(duì)高低點(diǎn)平相反的脈沖信號(hào)。通過(guò)發(fā)送芯片的D+和D-端口發(fā)送，經(jīng)過(guò)連接電纜傳輸至接收芯片的D+和D-接收端口。USB傳輸?shù)陌l(fā)送和接收是交替進(jìn)行的，根據(jù)不同的設(shè)備定義，這種交替進(jìn)行的通訊內(nèi)容也不同，但對(duì)于電信號(hào)的電壓和時(shí)序的定義是不變的。USB的傳送和接收概略圖如圖2。對(duì)于USB通信信號(hào)的波形也有詳細(xì)的定義規(guī)范。如圖3。

圖2：USB設(shè)備的收發(fā)信號(hào)端口

根據(jù)USB協(xié)議規(guī)格對(duì)于波形的定義，在仿真計(jì)算中采用表格1所記載的參數(shù)來(lái)決定信號(hào)波形。

表1：Full-speed USB的波形信號(hào)參數(shù)表

圖3：Full-speed USB信號(hào)波形

在ORACAD及Pspice中，利用VPulse/Source模型來(lái)產(chǎn)生模擬的USB信號(hào)。按照USB協(xié)議定義的參數(shù)來(lái)修改Vpulse/Source中的參數(shù)，在仿真電路中用來(lái)產(chǎn)生一組模擬USB信號(hào)的波形。按照協(xié)議，我們?cè)O(shè)定USB傳輸電纜為90歐姆。仿真電路如圖4。通過(guò)運(yùn)行仿真，我們得到在接收端口如圖5信號(hào)。

圖4：USB傳輸模擬仿真電路圖

圖5：阻抗匹配時(shí)的USB信號(hào)波形

我們?cè)诖思僭O(shè)，因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)不良，或者USB傳輸電纜品質(zhì)不良，其特性阻抗偏離90歐姆。若特性阻抗為120歐姆時(shí)，通過(guò)運(yùn)行仿真，我們得到在接收端口如圖6信號(hào)。

圖6：特性阻抗為120歐姆時(shí)的USB信號(hào)

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)USB的傳輸線路特性阻抗與正常的特性阻抗發(fā)生差異時(shí)，USB的脈沖信號(hào)發(fā)生變形，繼而完全脫離USB協(xié)議對(duì)信號(hào)品質(zhì)的要求。

在實(shí)際的USB設(shè)備中，從USB芯片的輸出端口經(jīng)過(guò)PCB上的引線，USB的插孔再經(jīng)過(guò)連接USB傳送電纜至主機(jī)USB端口(HUB端口)的傳輸線路的實(shí)際要比以上仿真復(fù)雜的多。例如，在PCB上設(shè)計(jì)USB的信號(hào)傳輸線路也要必須符合USB協(xié)議的，即90歐姆特性阻抗的要求。因此在設(shè)計(jì)和制造用于USB設(shè)備的PCB時(shí)都必須經(jīng)過(guò)專用的工程軟件來(lái)計(jì)算PCB的排線寬度厚度以及間隔等參數(shù)，并且必須通過(guò)實(shí)際的試生產(chǎn)來(lái)保證USB的信號(hào)傳輸線的特性阻抗為90歐姆。另外對(duì)于USB的傳輸電纜也有專門的計(jì)算軟件加上在制造工序上的規(guī)范來(lái)約束，用以保證其特性阻抗?jié)M足USB規(guī)范的90歐姆。當(dāng)這一連串的信號(hào)傳輸線路發(fā)生特性阻抗不匹配時(shí)，我們可以按照?qǐng)D7電路進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖7：特性阻抗不匹配的傳輸線路仿真電路

圖8：信號(hào)傳輸線路中特性阻抗發(fā)生變化時(shí)接收段的變異波形

對(duì)以上電路進(jìn)行仿真運(yùn)算，我們可以得到如圖8信號(hào)波形圖。從圖8中我們不難看出，當(dāng)傳輸線路中的特性阻抗發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)在各個(gè)不同的阻抗交界處發(fā)生反射和回波疊加使得在最終的接收端口的波形變得更加難以預(yù)測(cè)。

在實(shí)際的工程中，USB協(xié)議制定組織機(jī)構(gòu)專門頒布了USB認(rèn)證規(guī)范并且對(duì)全球的USB產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證，用來(lái)

保證產(chǎn)品的品質(zhì)及通信規(guī)范。在認(rèn)證試驗(yàn)中很重要的一條就是對(duì)信號(hào)品質(zhì)的認(rèn)證，對(duì)USB的設(shè)備傳輸線路的特性阻抗進(jìn)行試驗(yàn)性的評(píng)測(cè)。因此可見(jiàn)，特性阻抗對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸是多么重要。

通過(guò)以上模擬仿真，我們能夠很直觀的了解數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于傳輸線路的特性阻抗的不完全匹配以及傳輸線路中特性阻抗在不同的期間不連續(xù)而造成的數(shù)字信號(hào)的失真變化。結(jié)合各種數(shù)字信號(hào)傳輸協(xié)議的內(nèi)容我們可以利用上述手法對(duì)于數(shù)字信號(hào)在傳送過(guò)程中的波形變化進(jìn)行一個(gè)預(yù)測(cè)，利用模擬仿真來(lái)進(jìn)行評(píng)估。以便對(duì)PCB設(shè)計(jì)，傳輸電纜設(shè)計(jì)都可以提供一個(gè)更好的參考，并且加深我們對(duì)數(shù)字信號(hào)在傳輸線路中傳送的理解。以上的模擬仿真計(jì)算我們利用了理想的傳送線路模型。當(dāng)然如果我們能夠得到更多的傳輸線路特性阻抗的參數(shù)，例如，感抗、靜電結(jié)合容量以及導(dǎo)體的電阻率等參數(shù)。我們就可以利用帶有各種衰減參數(shù)的模型進(jìn)行更貼近實(shí)際的方針及計(jì)算。在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不斷提升，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不斷提高的今天，我們驗(yàn)證以及研究可以更多的借助這種方式。

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Effect of Line Signal Transmission Characteristic Impedance on the Quality of Digital Signal

SUN Xiu-ping

(Faculty of Physics and Technology,Baotou Teachers College，Baotou 014030)

Abstract:The Signal is a carrier of information,signals through wired or wireless transmission lines to the transmission of information.Analog signal in the time domain simulation refers to the mathematical form of continuous function of the signal.Digital signal to amplitude values are discrete,amplitude that are confined within a finite numerical.Digital signal has many and the definition of specifications,we are familiar with USB is a transport protocol of computer and peripheral device communication.ADSL is a transport protocol internet.HDMI is a video transmission protocol.In the above protocol in various physical quantities of the digital signal and the indicators are different,rigorous,detailed definitions and requirements.This paper based on the USB signal as an example,in the transmission line quality combined with digital signal on USB Characteristic impedance of transmission line evaluation.

Key words:Characteristic impedance;Transmission line;Digital signal;Transmission protocol