信号传输线路特性阻抗对数字信号品质的影响

信号传输线路特性阻抗对数字信号品质的影响

孙 秀 萍

(包头师范学院 物理科学与技术学院，内蒙古 包头 014030)

摘要：信号是信息的载体，信号通过有线或者无线的传输线路把信息传递。模拟信号是指在时域上数学形式为连续函数的信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。数字信号有很多且定义规范，我们所熟悉的USB是电脑与周边设备通讯的传输协议。ADSL是互联网的传输协议。HDMI是视频传输的协议。在以上各种协议中对数字信号的各个物理量和指标都有着不同的、严谨的、细密的定义和要求。此文以USB信号为例，对USB的数字信号在传输线路中的品质结合传输线路的特性阻抗进行评估。

关键词：特性阻抗；传输线路；数字信号；传输协议

收稿日期：*2015-01-30

作者简介：孙秀萍(1969-)，女，内蒙古包头市人，硕士，副教授，研究方向：物理电子信息与智能机器人。

中图分类号：TN911文献标识码：A

信号是信息的载体，信号通过有线或者无线的传输线路把信息传递。在当今的信息社会，有线网络传输例如ADSL，光缆传输和无线信号的CDMA，GSM对我们的生活都具有极其重要的影响和意义。我们可以利用仿真计算来评估数字信号传输过程中传输线路特性阻抗对信号品质的影响，澄清传输线路物理量对信号品质的具体影响，为能更深入理解数字传输的物理概念奠定一个基础。信号，顾名思义是信息的载体单元。在电子学中信号又可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指在时域上数学形式为连续函数的信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。数字信号有很多且定义规范。 我们所熟悉的USB是电脑与周边设备通讯的传输协议。ADSL是互联网的传输协议。HDMI是视频传输的协议。在以上各种协议中对数字信号的各个物理量和指标都有着不同的，严谨和细密的定义和要求。此文中我们以USB信号为例，对USB的数字信号在传输线路中的品质结合传输线路的特性阻抗进行评估。

USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB历时经历了1.0，2.0和3.0等规格，具有不同的传输速率。USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps,USB3.0是5 Gbps。在此文中，我们以12Mbps的USB数字信号为基础，评价传输线路对12Mbps的USB数字信号品质产生的影响以及USB认证试验中信号品质测定的意义。

我们参阅USB2.0协议中对于Full Speed USB 12Mbps传输的规定。USB的下游设备(Device)与上游控制端(HUB)之间连接如图1。

图1：Full-speed USB传输线路及负载阻抗接线图

图1，USB的信号发送和信号接收是通过一条特性阻抗为90欧姆的传输线相连接。也就是我们日常所见的USB电缆。通常USB电缆中有4排引线。依次为VBUS(+5V，为下游设备供电)，D+，D-，和GND(接地端)。其中，D+，D-为一组双绞线。分别传输USB的一组差分信号。之所以采用双绞线是为了尽可能的减少D+，D-的互感作用，有利于提高差分信号的传输率。特性阻抗又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。信号在传输线传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场。由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。在信号工程中这个特性阻抗可以近似的以如下公式描述。

其中Zo为传输线路的特性阻抗，L是传输线路的电感值，C是传输线路的电容值。我们所说的传输线路包括传输电缆以及信号在PCB上的排线。因此无论传输电缆的构造和PCB电路板上信号排线的构造都会对特性阻抗产生极大的影响。因此，为了保证特性阻抗的规范，在实际的设计以及制造过程中，对于传输用电缆的制造和PCB设计制造都有严格的要求。

在此我们利用ORCAD以及Pspice仿真，模拟信号在传输过程中，当传输线路里特性阻抗发生偏差时，数字信号品质的变化。ORCAD和Pspice是一款应用广泛的电子线路绘图以及方针软件。Pspice对于传输线路提供了两个仿真模型。一个是T/Analog 另一个是TLossy/Analog。前一个是理想的无损耗传输线路，第二个是有损耗的传输线路。以下我们利用理想的传输线模型T/Analog进行模拟仿真。在USB通信的协议中，传输的信号是一对高低点平相反的脉冲信号。通过发送芯片的D+和D-端口发送，经过连接电缆传输至接收芯片的D+和D-接收端口。USB传输的发送和接收是交替进行的，根据不同的设备定义，这种交替进行的通讯内容也不同，但对于电信号的电压和时序的定义是不变的。USB的传送和接收概略图如图2。对于USB通信信号的波形也有详细的定义规范。如图3。

图2：USB设备的收发信号端口

根据USB协议规格对于波形的定义，在仿真计算中采用表格1所记载的参数来决定信号波形。

表1：Full-speed USB的波形信号参数表

图3：Full-speed USB信号波形

在ORACAD及Pspice中，利用VPulse/Source模型来产生模拟的USB信号。按照USB协议定义的参数来修改Vpulse/Source中的参数，在仿真电路中用来产生一组模拟USB信号的波形。按照协议，我们设定USB传输电缆为90欧姆。仿真电路如图4。通过运行仿真，我们得到在接收端口如图5信号。

图4：USB传输模拟仿真电路图

图5：阻抗匹配时的USB信号波形

我们在此假设，因为PCB设计不良，或者USB传输电缆品质不良，其特性阻抗偏离90欧姆。若特性阻抗为120欧姆时，通过运行仿真，我们得到在接收端口如图6信号。

图6：特性阻抗为120欧姆时的USB信号

可以发现，当USB的传输线路特性阻抗与正常的特性阻抗发生差异时，USB的脉冲信号发生变形，继而完全脱离USB协议对信号品质的要求。

在实际的USB设备中，从USB芯片的输出端口经过PCB上的引线，USB的插孔再经过连接USB传送电缆至主机USB端口(HUB端口)的传输线路的实际要比以上仿真复杂的多。例如，在PCB上设计USB的信号传输线路也要必须符合USB协议的，即90欧姆特性阻抗的要求。因此在设计和制造用于USB设备的PCB时都必须经过专用的工程软件来计算PCB的排线宽度厚度以及间隔等参数，并且必须通过实际的试生产来保证USB的信号传输线的特性阻抗为90欧姆。另外对于USB的传输电缆也有专门的计算软件加上在制造工序上的规范来约束，用以保证其特性阻抗满足USB规范的90欧姆。当这一连串的信号传输线路发生特性阻抗不匹配时，我们可以按照图7电路进行仿真计算。

图7：特性阻抗不匹配的传输线路仿真电路

图8：信号传输线路中特性阻抗发生变化时接收段的变异波形

对以上电路进行仿真运算，我们可以得到如图8信号波形图。从图8中我们不难看出，当传输线路中的特性阻抗发生变化时，信号在各个不同的阻抗交界处发生反射和回波叠加使得在最终的接收端口的波形变得更加难以预测。

在实际的工程中，USB协议制定组织机构专门颁布了USB认证规范并且对全球的USB产品进行测试认证，用来

保证产品的品质及通信规范。在认证试验中很重要的一条就是对信号品质的认证，对USB的设备传输线路的特性阻抗进行试验性的评测。因此可见，特性阻抗对于数字信号的传输是多么重要。

通过以上模拟仿真，我们能够很直观的了解数字信号在传输过程中，由于传输线路的特性阻抗的不完全匹配以及传输线路中特性阻抗在不同的期间不连续而造成的数字信号的失真变化。结合各种数字信号传输协议的内容我们可以利用上述手法对于数字信号在传送过程中的波形变化进行一个预测，利用模拟仿真来进行评估。以便对PCB设计，传输电缆设计都可以提供一个更好的参考，并且加深我们对数字信号在传输线路中传送的理解。以上的模拟仿真计算我们利用了理想的传送线路模型。当然如果我们能够得到更多的传输线路特性阻抗的参数，例如，感抗、静电结合容量以及导体的电阻率等参数。我们就可以利用带有各种衰减参数的模型进行更贴近实际的方针及计算。在计算机仿真技术不断提升，计算机计算能力不断提高的今天，我们验证以及研究可以更多的借助这种方式。

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[6]穆维新.现代通信工程设计[M].北京：人民邮电出版社，1999.

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