一文帶你了解傳輸線理論

在現(xiàn)代通信技術(shù)中，每當(dāng)在傳輸高速信號(hào)的時(shí)候，特別是射頻微波信號(hào)傳輸過(guò)程中，總是不可避免的遇到因?yàn)榛夭〒p耗和輻射損耗所造成的信號(hào)衰減。如何改善這一問(wèn)題？技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu對(duì)傳輸線理論進(jìn)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(dǎo)通，防止信號(hào)向外部空間輻射，人們通常采用一種被稱為“金屬波導(dǎo)”的導(dǎo)行系統(tǒng)。

圖1 金屬波導(dǎo)的導(dǎo)行系統(tǒng)

金屬波導(dǎo)其實(shí)就是一個(gè)空心的金屬管，它的特點(diǎn)是對(duì)于高頻信號(hào)衰減少、傳輸效率高。但是波導(dǎo)的缺點(diǎn)是只能導(dǎo)通高頻信號(hào)，對(duì)于中、低頻信號(hào)無(wú)法傳輸。這和傳統(tǒng)的雙導(dǎo)線系統(tǒng)正好相反。

那么，是否有一種傳輸線，可以實(shí)現(xiàn)所有頻段全覆蓋呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)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)。

圖2 同軸線傳輸線的導(dǎo)行系統(tǒng)

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

同軸線傳輸還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，高頻電磁波信號(hào)通過(guò)空間電場(chǎng)傳輸，主設(shè)備可以同時(shí)通過(guò)同軸線傳輸電能給從設(shè)備，這被稱之為PoC（Power-over-Coax）, PoC和PoE的工作原理類似。

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?dāng)_

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

圖4 碼間串?dāng)_引起信號(hào)丟失及采用信道均衡技術(shù)恢復(fù)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(lái)消除或減弱寬帶通信時(shí)的多徑時(shí)延帶來(lái)的碼間串?dāng)_（ISI）問(wèn)題，這被稱為“信道均衡”。

傳輸線網(wǎng)絡(luò)模型

信道均衡是為了消除碼間干擾，它的核心思想是對(duì)信道或整個(gè)傳輸系統(tǒng)特性進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使傳輸線阻抗和負(fù)載阻抗相等。

圖5 傳輸線等效模型

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

根據(jù)信號(hào)的傳輸模型，高速信號(hào)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)傳輸線之后，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變。如果不對(duì)信號(hào)作處理，信號(hào)將無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，形成碼間干擾串?dāng)_。

圖6傳輸線信號(hào)畸變引起碼間串?dāng)_

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

均衡傳輸實(shí)現(xiàn)方法

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

預(yù)加重技術(shù)就是增強(qiáng)信號(hào)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(hào)上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號(hào)減弱。

根據(jù)上述分段傳輸線傳輸模型，一般會(huì)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）。

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(huì)使用FFE技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)均衡。FFE通過(guò)將延時(shí)的信號(hào)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(qiáng)度。

圖8 前饋均衡的預(yù)加重原理

判決反饋均衡DFE也是通過(guò)數(shù)字高頻濾波器實(shí)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(hào)為數(shù)字信號(hào)。因此，DFE可以只放大高頻信號(hào)，而不放大高頻噪聲。

圖9 判決反饋去加重原理

在DFE電路中，通常的做法，一般會(huì)在前級(jí)加上一個(gè)連續(xù)時(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的全通濾波。

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(dòng)。它可以實(shí)現(xiàn)在一根電纜或PCB跟蹤對(duì)上發(fā)送/接收信號(hào)，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(yīng)用中，視頻信號(hào)通過(guò)同軸線進(jìn)行無(wú)損耗傳輸給高算力的平臺(tái)做進(jìn)一步處理，這種算法已經(jīng)被越來(lái)越多的客戶所接受。

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(tái)上，客戶可以利用Microchip提供的免費(fèi)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(yīng)的技術(shù)支持和指導(dǎo)，幫助客戶更高效地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。