信號傳輸線路特性阻抗對數字信號品質的影響

信號傳輸線路特性阻抗對數字信號品質的影響

孫 秀 萍

(包頭師范學院 物理科學與技術學院，內蒙古 包頭 014030)

摘要：信號是信息的載體，信號通過有線或者無線的傳輸線路把信息傳遞。模擬信號是指在時域上數學形式為連續函數的信號。數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。數字信號有很多且定義規范，我們所熟悉的USB是電腦與周邊設備通訊的傳輸協議。ADSL是互聯網的傳輸協議。HDMI是視頻傳輸的協議。在以上各種協議中對數字信號的各個物理量和指標都有著不同的、嚴謹的、細密的定義和要求。此文以USB信號為例，對USB的數字信號在傳輸線路中的品質結合傳輸線路的特性阻抗進行評估。

關鍵詞：特性阻抗；傳輸線路；數字信號；傳輸協議

收稿日期：*2015-01-30

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

中圖分類號：TN911文獻標識碼：A

信號是信息的載體，信號通過有線或者無線的傳輸線路把信息傳遞。在當今的信息社會，有線網絡傳輸例如ADSL，光纜傳輸和無線信號的CDMA，GSM對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算來評估數字信號傳輸過程中傳輸線路特性阻抗對信號品質的影響，澄清傳輸線路物理量對信號品質的具體影響，為能更深入理解數字傳輸的物理概念奠定一個基礎。信號，顧名思義是信息的載體單元。在電子學中信號又可以分為模擬信號和數字信號。模擬信號是指在時域上數學形式為連續函數的信號。數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。數字信號有很多且定義規范。 我們所熟悉的USB是電腦與周邊設備通訊的傳輸協議。ADSL是互聯網的傳輸協議。HDMI是視頻傳輸的協議。在以上各種協議中對數字信號的各個物理量和指標都有著不同的，嚴謹和細密的定義和要求。此文中我們以USB信號為例，對USB的數字信號在傳輸線路中的品質結合傳輸線路的特性阻抗進行評估。

USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行總線)的縮寫，而其中文簡稱為“通串線”，是一個外部總線標準，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術。USB接口支持設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等多家公司聯合提出的。USB歷時經歷了1.0，2.0和3.0等規格，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數字信號為基礎，評價傳輸線路對12Mbps的USB數字信號品質產生的影響以及USB認證試驗中信號品質測定的意義。

我們參閱USB2.0協議中對于Full Speed USB 12Mbps傳輸的規定。USB的下游設備(Device)與上游控制端(HUB)之間連接如圖1。

圖1：Full-speed USB傳輸線路及負載阻抗接線圖

圖1，USB的信號發送和信號接收是通過一條特性阻抗為90歐姆的傳輸線相連接。也就是我們日常所見的USB電纜。通常USB電纜中有4排引線。依次為VBUS(+5V，為下游設備供電)，D+，D-，和GND(接地端)。其中，D+，D-為一組雙絞線。分別傳輸USB的一組差分信號。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的傳輸率。特性阻抗又稱“特征阻抗”，它不是直流電阻，屬于長線傳輸中的概念。信號在傳輸線傳輸的過程中，在信號到達的一個點，傳輸線和參考平面之間會形成電場。由于電場的存在，會產生一個瞬間的小電流，這個小電流在傳輸線中的每一點都存在。同時信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，這個電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的結點產生反射。在信號工程中這個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。我們所說的傳輸線路包括傳輸電纜以及信號在PCB上的排線。因此無論傳輸電纜的構造和PCB電路板上信號排線的構造都會對特性阻抗產生極大的影響。因此，為了保證特性阻抗的規范，在實際的設計以及制造過程中，對于傳輸用電纜的制造和PCB設計制造都有嚴格的要求。

在此我們利用ORCAD以及Pspice仿真，模擬信號在傳輸過程中，當傳輸線路里特性阻抗發生偏差時，數字信號品質的變化。ORCAD和Pspice是一款應用廣泛的電子線路繪圖以及方針軟件。Pspice對于傳輸線路提供了兩個仿真模型。一個是T/Analog 另一個是TLossy/Analog。前一個是理想的無損耗傳輸線路，第二個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進行模擬仿真。在USB通信的協議中，傳輸的信號是一對高低點平相反的脈沖信號。通過發送芯片的D+和D-端口發送，經過連接電纜傳輸至接收芯片的D+和D-接收端口。USB傳輸的發送和接收是交替進行的，根據不同的設備定義，這種交替進行的通訊內容也不同，但對于電信號的電壓和時序的定義是不變的。USB的傳送和接收概略圖如圖2。對于USB通信信號的波形也有詳細的定義規范。如圖3。

圖2：USB設備的收發信號端口

根據USB協議規格對于波形的定義，在仿真計算中采用表格1所記載的參數來決定信號波形。

表1：Full-speed USB的波形信號參數表

圖3：Full-speed USB信號波形

在ORACAD及Pspice中，利用VPulse/Source模型來產生模擬的USB信號。按照USB協議定義的參數來修改Vpulse/Source中的參數，在仿真電路中用來產生一組模擬USB信號的波形。按照協議，我們設定USB傳輸電纜為90歐姆。仿真電路如圖4。通過運行仿真，我們得到在接收端口如圖5信號。

圖4：USB傳輸模擬仿真電路圖

圖5：阻抗匹配時的USB信號波形

我們在此假設，因為PCB設計不良，或者USB傳輸電纜品質不良，其特性阻抗偏離90歐姆。若特性阻抗為120歐姆時，通過運行仿真，我們得到在接收端口如圖6信號。

圖6：特性阻抗為120歐姆時的USB信號

可以發現，當USB的傳輸線路特性阻抗與正常的特性阻抗發生差異時，USB的脈沖信號發生變形，繼而完全脫離USB協議對信號品質的要求。

在實際的USB設備中，從USB芯片的輸出端口經過PCB上的引線，USB的插孔再經過連接USB傳送電纜至主機USB端口(HUB端口)的傳輸線路的實際要比以上仿真復雜的多。例如，在PCB上設計USB的信號傳輸線路也要必須符合USB協議的，即90歐姆特性阻抗的要求。因此在設計和制造用于USB設備的PCB時都必須經過專用的工程軟件來計算PCB的排線寬度厚度以及間隔等參數，并且必須通過實際的試生產來保證USB的信號傳輸線的特性阻抗為90歐姆。另外對于USB的傳輸電纜也有專門的計算軟件加上在制造工序上的規范來約束，用以保證其特性阻抗滿足USB規范的90歐姆。當這一連串的信號傳輸線路發生特性阻抗不匹配時，我們可以按照圖7電路進行仿真計算。

圖7：特性阻抗不匹配的傳輸線路仿真電路

圖8：信號傳輸線路中特性阻抗發生變化時接收段的變異波形

對以上電路進行仿真運算，我們可以得到如圖8信號波形圖。從圖8中我們不難看出，當傳輸線路中的特性阻抗發生變化時，信號在各個不同的阻抗交界處發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測。

在實際的工程中，USB協議制定組織機構專門頒布了USB認證規范并且對全球的USB產品進行測試認證，用來

保證產品的品質及通信規范。在認證試驗中很重要的一條就是對信號品質的認證，對USB的設備傳輸線路的特性阻抗進行試驗性的評測。因此可見，特性阻抗對于數字信號的傳輸是多么重要。

通過以上模擬仿真，我們能夠很直觀的了解數字信號在傳輸過程中，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而造成的數字信號的失真變化。結合各種數字信號傳輸協議的內容我們可以利用上述手法對于數字信號在傳送過程中的波形變化進行一個預測，利用模擬仿真來進行評估。以便對PCB設計，傳輸電纜設計都可以提供一個更好的參考，并且加深我們對數字信號在傳輸線路中傳送的理解。以上的模擬仿真計算我們利用了理想的傳送線路模型。當然如果我們能夠得到更多的傳輸線路特性阻抗的參數，例如，感抗、靜電結合容量以及導體的電阻率等參數。我們就可以利用帶有各種衰減參數的模型進行更貼近實際的方針及計算。在計算機仿真技術不斷提升，計算機計算能力不斷提高的今天，我們驗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