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一文帶你了解傳輸線理論

發(fā)布時間:2023-01-06 責任編輯:lina

【導讀】在現(xiàn)代通信技術(shù)中,每當在傳輸高速信號的時候,特別是射頻微波信號傳輸過程中,總是不可避免的遇到因為回波損耗和輻射損耗所造成的信號衰減。如何改善這一問題?技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu對傳輸線理論進行了科普。


在現(xiàn)代通信技術(shù)中,每當在傳輸高速信號的時候,特別是射頻微波信號傳輸過程中,總是不可避免的遇到因為回波損耗和輻射損耗所造成的信號衰減。如何改善這一問題?技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu對傳輸線理論進行了科普。


各種傳輸線路的優(yōu)劣分析


為了將電磁波束縛在一定橫截面內(nèi)導通,防止信號向外部空間輻射,人們通常采用一種被稱為“金屬波導”的導行系統(tǒng)。

 

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圖1 金屬波導的導行系統(tǒng)


金屬波導其實就是一個空心的金屬管,它的特點是對于高頻信號衰減少、傳輸效率高。但是波導的缺點是只能導通高頻信號,對于中、低頻信號無法傳輸。這和傳統(tǒng)的雙導線系統(tǒng)正好相反。


那么,是否有一種傳輸線,可以實現(xiàn)所有頻段全覆蓋呢?為了解決這個問題,科學家提出了新的解決方案——微帶傳輸和同軸傳輸技術(shù),本文主要討論同軸傳輸技術(shù)。

   

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圖2 同軸線傳輸線的導行系統(tǒng)


同軸線傳輸是由分離導體柱構(gòu)成,可以傳播橫電磁波,從兩分離的導體柱結(jié)構(gòu)和傳遞橫電磁波的角度來看,同軸線傳輸技術(shù)信號衰減相對較少,覆蓋頻段寬,理論上可以覆蓋全頻段,是傳輸信號的較優(yōu)選擇。


同軸線傳輸還有一個優(yōu)勢,高頻電磁波信號通過空間電場傳輸,主設備可以同時通過同軸線傳輸電能給從設備,這被稱之為PoC(Power-over-Coax), PoC和PoE的工作原理類似。

 

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圖3 同軸傳輸線供電原理框圖


信道均衡技術(shù)


信道碼間串擾


在數(shù)字通信系統(tǒng)中,由于多徑效應、信道帶限等因素,在接收端會形成碼元拖尾。拖尾部分與相鄰碼元疊加,形成碼間干擾,導致采樣信號畸變,判決錯誤。

 

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圖4 碼間串擾引起信號丟失及采用信道均衡技術(shù)恢復碼元


為了提高衰落信道中的通信系統(tǒng)的傳輸性能,工程師們往往采取的一種抗衰落措施,來消除或減弱寬帶通信時的多徑時延帶來的碼間串擾(ISI)問題,這被稱為“信道均衡”。


傳輸線網(wǎng)絡模型


信道均衡是為了消除碼間干擾,它的核心思想是對信道或整個傳輸系統(tǒng)特性進行補償,通過補償網(wǎng)絡使傳輸線阻抗和負載阻抗相等。

 

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圖5 傳輸線等效模型


在高速傳輸系統(tǒng)中,傳輸線會產(chǎn)生很多寄生參數(shù),可以采用阻容器件來建立等效分段傳輸模型。

 

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根據(jù)信號的傳輸模型,高速信號在經(jīng)過長傳輸線之后,輸出信號會產(chǎn)生畸變。如果不對信號作處理,信號將無法準確識別,形成碼間干擾串擾。

 

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圖6傳輸線信號畸變引起碼間串擾


阻抗匹配的具體實現(xiàn)方法是,在傳輸線的基礎上,再添加一個傳遞函數(shù),使整個傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)阻抗匹配,這被稱為“全通濾波”或者“均衡電路”。

 

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均衡傳輸實現(xiàn)方法


為了消除碼間干擾,使電路達到均衡效果,一般采用兩種方法,一種是預加重、另一種是去加重。


預加重技術(shù)就是增強信號上升沿和下降沿處的幅度,其它地方幅度不變。而去加重是保持信號上升沿和下降沿處的幅度不變,其他地方信號減弱。


根據(jù)上述分段傳輸線傳輸模型,一般會在發(fā)送端做前饋均衡FFE(Feed Forward Equalizer),在接收端做判決反饋均衡DFE(Decision Feedback Equalizer)。

  

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圖7 均衡傳輸技術(shù)建模


前饋均衡FFE是SerDes系統(tǒng)中最常用的均衡技術(shù)。通常SerDes的發(fā)送端會使用FFE技術(shù)對信號進行預均衡。FFE通過將延時的信號按不同的權(quán)重(w-1,w0,…,wn)相加??刂茩?quán)重的大小調(diào)整均衡強度。

 

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圖8 前饋均衡的預加重原理


判決反饋均衡DFE也是通過數(shù)字高頻濾波器實現(xiàn)的,與FFE不同的是,DFE是一種非線性均衡技術(shù):判決后的信號為數(shù)字信號。因此,DFE可以只放大高頻信號,而不放大高頻噪聲。

 

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圖9 判決反饋去加重原理


在DFE電路中,通常的做法,一般會在前級加上一個連續(xù)時間線性均衡CTLE(Continuous Time Linear Equalizer),CTLE的作用是作為高通濾波器和低通濾波器配合,實現(xiàn)信號的全通濾波。


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圖10 同軸均衡傳輸技術(shù)理論可以覆蓋全頻段


Microchip基于CoaXpress一攬子解決方案


Microchip推出的一種基于CoaXpress的視頻傳輸方案就是基于均衡法的同軸傳輸。

EQCO125X40集成均衡器、CDR和電纜驅(qū)動。它可以實現(xiàn)在一根電纜或PCB跟蹤對上發(fā)送/接收信號,在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸,以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸。在ADAS圖傳應用中,視頻信號通過同軸線進行無損耗傳輸給高算力的平臺做進一步處理,這種算法已經(jīng)被越來越多的客戶所接受。

 

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圖11 Microchip基于CoaXpress技術(shù)的圖傳解決方案


這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire視頻平臺上,客戶可以利用Microchip提供的免費IP安裝包輕松完成產(chǎn)品開發(fā),縮短開發(fā)流程,其授權(quán)代理商Excelpoint世健能提供相應的技術(shù)支持和指導,幫助客戶更高效地進行產(chǎn)品開發(fā)。


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