数字信号传输过程中的反射干扰及其抑制方法

数字信号传输过程中的反射干扰及其抑制方法[摘要] 在数字电路(特别是高速数字电路)信号有线传输过程中,存在传输信

号的反射干扰问题。在简要介绍传输线等效电路的基础上,分析了数字信号传输线的反射特性和数字信号有线传输时存在的反射干扰,给出了数字信号反射干扰的抑制方法和措施。

[关键词] 数字信号传输线反射干扰阻抗匹配

1引言

在高频电路和微波电路中,通常比较重视研究信号的反射干扰问题。反射干扰是指在信号的传输过程中,由于传输系统的传输线特性阻抗与负载阻抗不匹配等原因,使得传输到负载上的信号部分或全部被反射回来,从而对传输信号造成的干扰。反射干扰严重时甚至会使信号无法进行传输。要抑制或消除反射干扰,必须使信源内阻等于传输线特性阻抗,同时传输线的特性阻抗又等于负载阻抗,实现阻抗匹配。实际上,信号的反射干扰问题在数字电路信号传输过程中同样存在,特别是在高速数字电路中,传输信号的反射干扰问题非常突出。数字信号在传输线中传输(尤其是长距离传输)时,传输线的长度、结构等因素直接影响到反射信号的量值,造成信号波形畸变或产生脉冲噪声,严重时甚至会导致电路误动作。研究数字电路中信号传输的反射干扰及其抑制方法有重要的实际意义。

2数字信号传输线反射特性分析

2.1传输线及其等效电路

图1 传输线及其等效电路

图1是传输线及其等效电路。传输线都有分布电容和分布电感。如将整个传输线分成n小段,每小段均由自己的分布电容和电感,由于电感阻碍电流的突变,而电容阻碍电压的突变,因此,在电路开关闭合后,并不是整个传输线上所有各点都同时达到电压的定值U和电流的定值I,而是像电压波和电流波那样按相同的速度向终点推进。电流的大小既与传输线本身的特性有关,也与负载特性有关。电压波和电流波幅度之间的关系,一般只取决于传输线本身的分布参数C1和L1(C1、L1分别表示单位长度传输线上的分布电容量和电感量),即

通常把称为传输线的特性阻抗。传输线的特性阻抗反映了沿传输线运行的电压波和电流波之间的关系。一般同轴线的特性阻抗为50Ω或75Ω,常用双绞线的特性阻抗在100Ω~200Ω之间。

2.2 数字信号传输线反射特性分析

根据图1所示传输线等效电路,可给出如下传输线传输方程:

其中

对上式进行求导,有:

求解上述微分方程可得:

其中:,

、分别为终端负载处的入射波电压和反射波电压,而、分别是负载两端的电压和流过负载的电流。

可见,在传输线上流动的电流是由入射波电流和反射波电流叠加而成的。

传输线上距终点z处的阻抗为:

上式中、分别为传输线的特性阻抗和负载阻抗。

此时,传输线上信号的反射系数为:

式中为终端(或负载)处的反射系数,与传输线的特性阻抗和负载阻抗大小有关。

下面分三种情况对数字信号传输线的反射特性进行分析。

(1)终端短路时

当传输线终端短路时,此时ZL=0,,信号到达传输线终端处被全部反射,反射波相位与入射波相位相反。此时传输线上的信号是入射波和反射波的叠加,将形成驻波。

(2)终端开路时

传输线终端开路时,,此时,,信号到达传输线终端处也被全部反射,但反射波相位与入射波相位相同,也将形成驻波。

(3)终端接负载时

传输线终端接负载时,又可以分为两种情况:①阻抗匹配时,即,此时,说明在阻抗匹配情况下,信号全部被负载吸收,无反射波,这是信号传输时所希望达到的最佳状态。②阻抗不匹配时,此时, ,将有信号从负载端反射回来,反射量的大小取决于ZL偏离Z0的程度。

在实际应用中,阻抗匹配是理想的状态,通常阻抗失配(阻抗不匹配)的情况较

多。阻抗失配时,在传输信号的过程中应尽量减小信号反射量的大小。

在数字电路中,当用TTL电平传输信号时,经常会发生反射现象,致使在传输线两端的电压波形上叠加了振荡波形,或在方波的边沿上形成台阶波形。TTL电路的输出阻抗在高电平时约为100Ω,在低电平时约为20Ω,输入阻抗在高电平时可达数百kΩ,在低电平时只有1kΩ,如果传输线两端阻抗不匹配,必然会产生反射,造成波形的畸变或波形边沿时间变长,严重影响工作速度。当门电路出现负阶跃时,在传输线终端产生的多次反射更严重,甚至会引起对电路的干扰。

3数字信号传输过程中反射干扰的抑制方法

对数字信号有线传输过程中出现的发射干扰,通常可以采用阻抗匹配的方法加以抑制。抑制反射干扰的的阻抗匹配方法主要有以下两种。

3.1 终端阻抗匹配法

终端阻抗匹配法是在终端负载的前端对地并联一个电阻R,使传输线的特性阻抗等于负载的输入阻抗,实现终端匹配,消除反射干扰。这种方法简单实用,在对动态信号波形要求不很严格的情况下经常被采用。需说明的是,为实现终端阻抗匹配而并联的电阻成为负载的一部分,将消耗能量,使信号的波形幅度减少,在应用上这是很大的不足。

为克服上述终端阻抗匹配电路的不足,可采用图2所示改进型匹配电路。此时相当于将等效电阻R接到电源EC上,

若取(为传输线的特性阻抗),则,(时)。这样不仅可以实现阻抗匹配,消除反射干扰,而且使数字信号波形的高电平幅度降低不多,低电平幅度升高不多,抗干扰能力有明显改善。

上述匹配方法虽然有效地消除了传输线的反射干扰问题,但是由于传输线特性阻抗通常较低,所以匹配电阻也较低,一般的集成电路会因功率小不能驱动,需要专用的输出功率大的专用电路来驱动。为克服该缺点,可以用二极管代替匹配电阻,如图3所示。这样,终端产生的波形颤动,在5.7V(设二极管VD1导通电压为0.7V)以上的部分被VD1所抑制,在0.7V以下部分,被VD2所抑制。若二极管VD1的偏压改用2.5V(可用电阻分压得到),则电平的颤动达到2.5V以上时就使VD1起作用,因而抑制了高电平信号的颤动。这种改进匹配电路可为其他多个匹配电路公用。

3.2 始端阻抗匹配法

在TTL门电路的输出端串联电阻R,适当选择R的阻值,使R加上输出门的输出电阻等于传输线的特性阻抗,实现始端的阻抗匹配,可以消除经传输线反射回来的信号。在始端串联电阻后,终端驱动门电路的输入电流减少,并在R上产生压降,使得始端波形的低电平也略有升高。显然,终端所驱动的门电路越多,低电平升高