（机械电子工程专业论文）互连系统抗干扰技术研究.pdf

摘要 本文依据传输线理论、屏蔽理论、二端口网络理论、信号处理理论和滤波理 论，对信息设备珏连系统的抗干扰技术进行了研究。系统地分析了互连电缆的线 间串扰和滤波连接器的测试方法。首先介绍了基本理论。在此基础l 二建立了两导 体传输线的模型，提出了传输线的信号完整性理论：介绍了时域串扰的分析方法， 对不同条件下接收线上的串扰进行了仿真，并将仿真结果与测试结果进行了对比； 设计了滤波插针测试专用央具，对滤波连接器的插入损耗与通过滤波连接器的信 号波形变化进行了测试：最后综合上述理论，编制了“互连电缆串扰仿真软件” 并介绍了其应用。 关键词：互连系统串扰滤波连接器测试仿真 a b s t r a c t i nt h i sp a p e ra c c o r d i n g t ot 1 1 et r a n s m i s s i o nl i n e ，s h i e l d e dl h e o r y t w o p t ) r t n e t w o r k ，s i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r i e sa n df i l t e r i n gt h e o r i e s ，t h ea n t i i n f e r e n c et e c h n o l o g y o fi n f o r m a t i o nd e v i c ec o n n e c t i n gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e d ，t h ec r o s s t a l kb e t w e e nl i n e s a n dt h em e t h o do ff i l t e r i n gc o n n e c t o r sh a v eb e e n s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d f i r s t l yt i l t ? f u n d a m e n t a lt h e o r i e sa l ep r e s e n t e da n d t w ot r a n s m i s s i o nl i n em o d e l b a s e d0 1 1t h e s e t h e o r i e si se s t a b l i s h e d t h e nt h es i g n a li n t e g r i t yo ft r a n s m i s s i o nl i n e sh a sb e e np u t f o “v a r dt h em e t h o do ft i m e d o m a i nc r o s s t a l ki si n t r o d u c e d a n dt h ec r o s s t a l ko nt h e r e c e i v i n gl i n ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o ni se m u l a t e d a n dt h ee m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p m 。e d w i t ht h et e s t i n gr e s u l tt h es p e c i a lc l a m po ff i l t e r i n gp i ni sd e s i g n e d a n dt h ei n s e r t i o n l o s so ff i l t e r i n gc o n n e c t o ra n dt h ev a r i a t i o no fs i g n a lw a v e f o r mt h j o u g hi ta r cp u t f o r w a r d b a s e do nt h et h e o r i e sa b o v e ，t h es o f t w a r eo ft h ec r o s s t a l ka m o n gc a b l e si s p r o g r a m m e da n di t sa p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e d k e y w o r d ：c o n n e c t i n gc a b l e c r o s s t a l kf i l t e r i n gc o n n e c t o r t e s t i n g e m u l a t i o n 创新性声明 s 8 3 6 7 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：l 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，沦艾巾小包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电了干；| 技犬学或 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究f 行做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名盘赵 关于论文使用授权的说明 h 期：盈迪车2 蚵4 日 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，h l 】：i j 】i - 可 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电予科技大学。本人保毕 业离校后，u 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予利技入学：。 学校有权保留送交论文的复e 件，允许查阅和借阅沧文：学校可以公伽沦艾的氽 部和部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 、 本人签名 都鸯 导师签名：耸盘 日期 丑鳞2 昭目 f i l 期：j q 茸冉二日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 互连系统抗干扰技术的研究背景 随蓿全球性通信网络事业的迅猛发展，传输宽带化和高速化己成为信息网络 化的最佳途径，但同时也带来了严重的电磁下扰问题。尽管光纤、卫星、无线通 信及移动通信技术已f 1 臻完善，应用也更加广泛，但是互连电缆作为近距离通信 的主要介质，在信息的传输中仍具有不可替代的地位。再加卜复杂电子系统所处 的电磁环境非常恶劣，致使多芯电缆与连接器受到外界1 二扰的影响也就越严重。 火量的理论及工程实践表明，多芯互连电缆及连接器是复杂系统中电磁兼容性最 为薄弱的环节之一，是一个各行业都遇到的共性问题。其没计的不合理往往是造 成系统e m c 及性能不合格的主要原因。因此有效地防l l 电缆的信息泄漏对于提 高系统的质量具有十分重要的意义。 飞机、导弹和建筑物内部的电缆以及建筑物之恻、可移动设备之嘲的连接电 缆都对系统的特性产生严重影响。这些电缆可能并不长，也可能并不直接受外界 f n 磁场的作用，但也会成为感应电流及电压通向敏感电路区的传播途径。大多数 的i 乜予设备都有封闭的金属机壳，有相当好的静电屏蔽，如没有外界电缆( 包括 接地线) ，电予设备就不会受外界电磁场的影响。而大型电子设备之问往往相i ! e j l 十米甚至几百米，因此传输线要考虑的问题是不仅具有模拟信号传输所要考虑的 损耗、衰减与终端匹配、地电流共模干扰的问题，还必须考虑数字信号( 脉冲波) 及商速传输所带来的问题，那就是延迟、波形失真及高频辐射以及敏感高频下扰 的n d 题。因为传输速度快，即使线不长，其延迟时问可能要比脉冲存在的时i b j 还 婴长。例如在线缆中传输的丌关脉冲信号，其具有丰富的高频成分，传输缘中的 分布参数影响不可忽略，必然容易受到外界高频干扰的影响。传输线也将阂自身 的传输效应在机内产：生辐射干扰。因此，电予设备问这个传送数字信号的系统， 往往要求传输线按长线处理，两机内的印制电路板上的线经过计算，即使凡卜 厘米，也要按照分稚传输线( 长线) 来对待。 为减小甜这些连接电缆的直接耦合，常采用屏蔽电缆。但屏蔽电缆屏蔽体内 的导体上还是有可能感应出不容忽视的较大感应电流，且屏蔽电缆的屏蔽层多种 多样，屏蔽的效果也会有高有低，采用不同的屏蔽材料和屏蔽结构，其屏蔽性能 会有很大的差异。因此通过对屏蔽电缆电磁耦台泄漏进行定量研究，确定各种因 素的影响程度，实现优化设计及最佳控制，对于系统的抗干扰设计将具有重要的 意义。 随着科技的发展和进步，现代军民用电子设备同益精密、复杂和多功能化 互连系统抗干扰技术研究 而各种电子设备始终受到电磁干扰和射频干扰( e m i r f i ) 。就一个系统而言，各 种电磁干扰在接口处最为f ”重，它既能将系统外部的e m i 传导或辐射到系统内部， 又可将系统内部的i z m i 传导或辐射到系统外部。因此。接口处的连接器在抗电磁 干扰中起着极其重要的作用。对于滤波连接器，国内几乎没有进行过这方面的深 入研究，工程上迫切需要解决这个问题。这项研究将有助于解决飞机、导弹、h 星及防信息泄漏的信息技术设备中因互连电缆种类、数量繁多而出现的电磁兼容 性问题。 j 2 互连系统抗干扰技术的发展状况 对于信息传输巾的互连电缆的早期研究主要是建立在频域基础上的。在：卜 世纪三十年代，电缆的研究主要集中在对屏蔽电缆h l ：t l l 3 i 韵研究上。七十年代以来， 转向了多芯f 邑缆1 ”，这些研究是在频域内，主要包括外界场对于电缆的鹈合1 4 】1 5 】、 芯线间的耦合、屏敞层的屏蔽效能以及芯线和屏蔽层对与外界的辐射1 6 ) 1 7 l1 8 1 等问 题。 由于信息网络的快速发展，电缆中信息的传输速率越来越快。因此，电缆研 究的方向逐渐向高速方面发展。近些年r 束传输线的对域串扰问题成为e m c 的一4 个 重要的研究内容。国外在这方面的研究始于8 0 年代，其中，a ，r d j o r j e v i e 采用时 间步长递进式对传输线方程进行离散求解1 9 l ，此种方法对于步长的选择非常的严 格，若步长选择不当，容易导致计算结果的不准确。c l a y t o nr p a u l 提出了采用 p s p i c e 模型解决无耗的传输线时域耦合串扰的方法0 1 ，此种方法采用p s p i c e 变 步长算法，会造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时州的 延长，有时甚至不收敛。 、 美国等西方国家早在六十年代就已- 丌始研制、生产滤波连接器。1 9 6 8 年召_ = 的美国第一届连接器年会就有有关滤波连接器的专题论文发表，1 9 7 4 年美军制定 了滤波连接器的军用规范m i l c ，8 3 7 3 6 ，1 9 8 4 年颁布了相关军标m i l s t d 一2 t 2 0 。 这标志着美国滤波连接器的生产步入了标准化、系列化的轨道。通过近四十年的 发展，国外已形成了完整的研制生产体系，在航空、航天、安全计算机等军用电 子装备上获得了广泛应用。近些年来随着工业生产自动化的发展以及计算机的 普及。滤波连接器已在相当范围的民用及商用设备中获得了应用。 国际上比较知名的生产厂商有：美国的b e n d i x 、a m p 、r f i 、a l v i 、c u s t o m s u p p r e s s i o n 、c a p i o r 、k c ka m e r i c ai n c 、s u n b a n k 、a m p h e n o l 、t u s o n i x ，法 国的s o i r i a u ，德国的i t tc a n n o n 和r 本的m u r u t a 等公司。所生产的滤波连接器 涉及整个m i l 连接器通用规范所规定的范围，如m i l c 一3 8 9 9 9 、 第一章绪论 m i l c 1 2 8 8 4 0 、m i i z 一8 3 7 3 2 、m i l c 2 6 5 0 0 、m i l _ _ c 一2 7 5 9 9 等。 从结构形式看，国外已从早期的单芯滤波插针组合发展到了适用于高密度插 针的基于湿法工艺制成的多层电容阵列板，其电容介质也己从稳定性较差的 z 5 u y 5 v 发展到了超稳定的c o g 和x t r 。 槲对于囡外，国内在这方面的研究很少，只有极少数单位正在进行研究，设 汁手段也比较落后，以定性分析与实测为主要手段，未能开展计算机辅助仿真设 计，其性能弓种类距实际工程的需求相差甚远。因而国内的滤波连接器，尤其是 军用滤波连接器，主要为例外厂商所垄断。一方面价格很高，致使相关的电子装 备成本很高：另方谣也使我国的军用电子装备对国外的产品依赖性很大。为了 改变这一局面，就有必要丌展这方面的研究，使我国的滤波连接器在测试及性能 方面有较大的提高，以满足国内急剧发展的需求。 国外发达国家已丌发出一些大型的分析预测软件，例如美国的i e m c a p 程序 可以处理多达2 0 0 个以上的干扰源和接受器，能够用于飞机、航天器、导弹、地 砸系统等复杂系统内和系统问的电磁兼容评估。g e m a c s 程序可预测电磁场的散 射，耦台和潴振巾场的传播。h y p e r l y n x 软件主要针对印刷电路板的布线， 0 u a n t i c l a b o r a t o r i e s 开发出的g r e e n f i e l dt m 以及m i c r o w a v es p i c e 软 件可以预测串扰、延时和振荡，并能分析多层电路板布线的串扰电压和脉冲上升 时间。罔外的商品化e m c 分析预测软件功能强大，准确度高，但也存在一些不足， 首先是价格昂贵，其次是这些软件在使用时很不方便，有的在分析问题时需要的 参数太多。本文是在总结频域串扰的计算以及国外有关文献的以及基础上，建立了 传输线的时域槲合模型。并编制了相应的软件。 1 3 本文所做的工作 本文在以仆列究的基础上，针对不同系统中普遍采用的互连电缆，综合应用 多导体传输线列沦、屏蔽理论、二端口网络理论、信号处理理论以及滤波理论等， 全而分析了连系统的抗干扰研究及测试。具体分析步骤如下： 1 首先介绍了互连系统的电磁耦台、泄漏机理以及滤波理论，介绍了本文研究的 理论基础传输线理论。 2 由传输线理论得到了广义两导体传输线模型，建立了传输线的时域二阶方程， 此方程是本文的 要研究对象： 3 介绍了时域串扰分折方法，对不同条件下接收线上的串扰进行了仿真，并将仿 真结果与测试结果进行了对比： 4 设汁r 滤波插针测试专用央具，对j 下弦波信号通过滤波连接器的插入损耗，方 且连系统抗干扰技术研究 波通过滤波连接器的波形变化进行了测试并对其谐波进行了分析； 5 综台上述理论，利用模块化设计思想，编制了“互连电缆串扰仿真软件”，并 将各计算模块及用户界面模块、输入输出模块等进行了系统集成，增强了软件 的容错功能。 第二章且连系统抗干扰分析的基本理论 第二章互连系统抗干扰分析的基本理论 2 1 ：互连电缆电磁耦合的干扰因素 干扰可以分为两类：内部干扰和外部干扰，其内部问题主要是出于伴随着传 输路径的临近电路之问的寄生耦合，以及内部组件之间的场耦合，信号沿着传输 路径有衰减。洋细说就是信号丢失、信号沿路径反射以及与临近信号线路的串话。 电缆电磁干扰耦合的影响因素主要有：信号类型、传输方式、频谱特性；电 缆长度、稚线形式、屏蔽类型和接地方式等传输特性以及源端和负载端的阻抗特 性 激励信号的振幅、周期、脉宽一e 升下降时间等时域特性直接决定了频域 中f 拢强度及带宽。在满足信弓传输速率及信嗓比要求的同时，适当减小 信号电平、延长信号上升下降时间，可以显著降低干扰耦合的功率及带宽。 传输f 乜缆的长度、椎线形式、屏蔽类型及接地方式等结构因素也是影响电 缆电磁干扰耦合的重要因素。电缆的长度选择往往受信号传输距离和整体 靠局设计的限制，而采取适当的稚线、屏蔽和接地设计，将显著提高系统 的电磁兼容性能。 源端和负载端的阻抗特性决定了电缆网络与端口阻抗匹配状态，通过分杌 匹配状态，可以确定电缆应用于不同终端连接情况下的电磁干扰耦合情况， 以便于确定电缆的晟佳应用对象。 2 2 互连电缆的电磁泄漏机理分析 电缆根据干扰耦合机理可分为裸线和屏蔽线两大类，其中平行双线、双绞线 属于裸线，i 州轴线、屏蔽双绞线等属于屏蔽线 1 ) 裸线泄漏机理分析 裸线的糟合机理如图2 1 所示。导线上 的电流引起的电场在其它导线上产生感应电 流，形成互电容耦合；同样，导线上的电流 在周围引起的磁场与其它导线回路相交链 形成互电感耦合：由于导线 二的电流是随时 f j 变化的，引起的电场、磁场也是时变场， 从而在其它导线上感应出随时间变化的电 也航露- ? ) 幽2 ，1 谍线的泄漏 互连系统抗干扰技术研究 流。同时，载有时变电流的导线也将产生时变电磁场，由天线效应向外辐射电磁 能量。 2 ) 屏蔽线泄漏机理分析 目前，屏蔽线的屏蔽体根据结构形式的不同可以分为两大类：有孔缝的屏蔽 体( 如编织网等) 及无孔缝的管状屏蔽体( 如热缩管、波纹管、铝箔包带等) 。 编织型屏蔽电缆 编织型由于其机械柔韧性、易制作和加工、且其重量也相对的轻，因此在电 子领域内使用最为广泛。编织屏蔽电缆的电磁泄漏主要是由编织孔缝所引起的 【l “。芯线电流在周围引起的磁场有一部分穿过编织孔缝，与其它导线回路相交链， 引起互电感耦合，由芯线电位引起的电场会穿过编织孔缝与其它导线产生电容耦 合：同时，芯线和屏蔽层会因天线效应向外辐射电磁能。内导体穿过编织体孔缝 与外界的电磁耦合如图2 2 所示。 x p 图2 3 编织屏蔽体的特性参数 第二章互连系统抗干扰分析的基本理论 编织角 0 ：垃4 n a p 。 b ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 编织屏蔽电缆的屏蔽效果随投影覆盖率( 编织密度) 的增加丽提高。但是由 于编织层随时削的增加丽逐渐氧化， 减弱。 包容型屏蔽电缆 编织导线间的接触电阻变大，屏蔽效果随之 热缩管型、波纹管型、铠装型屏蔽体都属于 翥罕矍曩篓篡，电嚣了蔫篡嵩荠需篡景鬟釜二 j i i 对一j ：这类屏蔽电缆，电缆内外的电磁耦合是通过 - 电磁波在屏蔽体内的扩散而进行的，如图2 3 所 图2 3 管状屏敲体的电磁耦合 2 3 滤波连接器的滤波理论 为适删于电源、控制、射频等各种端口的需要，连接器也是各种各样的。但是 这些用途不同的连接器均存在外界的电磁场通过电缆以及连接器的耦合，形成传 导千扰。因此，为了降低传导干扰，通常在电缆连接处使用滤波连接器。本节 对滤波连接器的技术指标，截止频率的选择，滤波电路的型式以及滤波连接器的 结构进行了分析。 2 3 1 滤波指标 在滤波器的设计中，需要给出通带和阻带内的衰减指标。e m i 信号的传导干 扰丰要由高频分量所产生，因此，选择滤波连接器对应着重考虑其幅度衰减特性i 而对相位特性基本不作要求。e m i 滤波器通常要求过渡带窄，衰减特性曲线陡峭， 即截止速率高。因此，我们在选用滤波连接器时，首先要清楚其截止频率以及插 入损耗( 具体定义见4 1 1 ) 的要求。 卷一 盟w硝面 ： 吩 盖 一 一 互连系统抗干扰技术研究 2 3 2 滤波插针截止频率的选择 在选用滤波插针时，我们首先要清楚选取的滤波的截止频率的大小。但山 r 电路中引入了滤波插针，谐波的幅度降低了，反映到时域中印为实际的时钟的边 沿速率发生了变化，虽然切换位置保持不变，但r ，、r ，已改变。要注意的是：在 使用时，必须确保最慢的边缘变化率不会影响其工作性能。因此，本节从信号的 上升时间及脉宽因素对于信号频谱的影响出发，讨论了在电缆连接中选用合理的 滤波插针的原则。 周期信号是由多个频率和振幅不同的正弦信号叠加成的。因此，一个用期信 号对应一个特定的频率范围。傅立叶变化将基于时间的信号转换成频域能量。对 于一个给定的周期矩形信号，上升和下降时问已经限定，频率谱包络计算方法如 下图所示： 图中a = 峰值振幅( 伏特或安培) 。f = 脉冲宽度( 在是大值一半处测量) 。1 1 = 脉冲周期，r ，= 边沿跃迁的1 0 9 0 的上升时间，r ，= 边沿跃迁的l o 9 0 的下降时问。如果f ，t f 使用两者中最小的一个。 在频域中信号的振幅“，由式( 2 4 ) 计算： 铲2 爿手 二 其中，a 是时域中的峰值振幅，频率正和 ，使用下述方法计算，占空比占也已 列出： ， z：上(2-s) ：土( 2 - 6 ) j ：竺三( 2 7 ) 7 通过观察。我们可以看出周期信号的上升和下降边沿可能不同，并且差别很 l 第二章互近系统抗干扰分析的基本理论 大。因此，我们必须使用两个中较快的一个，这就是通常的由高向低状态的转换。 幅度 ( 对数) d b l v m l z 段 对数) 图2 5 对称波的谐波包络 图2 5 说明了将两个角频率视为相同的周期波形( 梯形) 的频谱表示。如图 所示：直到角频率厶信号的振幅都按一2 0 d b 十倍频的规律下降a 超过 ，信 号的振幅按一4 0 d b 一t 倍频的规律下降。超过工的频谱幅值定义为： = 赫 8 ) 往第n 个谐波中的电流为 ，。：2 1 a s i n ( n n _ f f ) s i n ( n i t r e 万- t ) ( 29 ) n 积n 丽| j 其中：i = 波形的峰峰值：d = 占空比：r ，= 上升时删：t = 信号周期： n = 谐波数。 剥于谐波的计算，我们假设上升和下降边沿时间是相同的。如果两个不同， 则必须使用两者中较小的一个做最差情况分析。对于5 0 的占空比( d = o 自， 次蜻波( 基波) 包含电流的幅值j = 0 6 4 1 ，只存在奇次谐波。这是针对上升 时问( f ) 远远小于周期( t ) 的情况。 - 与卒比和过渡时问的改变将减小频率谱包络【1 7 l 。如果参数不变，则频率加倍， 辐射增加6 d b 。如果频率加倍，我们必须将一匕升时间减半以适应这个快速信弓， 这个边沿速率的减少将会使信号幅值增加1 2 d b 。我们必须努力限制和控制信号的 噪声谱，频谱山幅值控制，这些幅值取自一个脉冲幅值函数a ，限制脉冲幅度对 射频噪声的产生有直接影响。因此，在选择滤波的截止频率时，其截止频率要大 r f ，确定的频率。这样爿能确保最慢的边缘变化率不会影晌信号的正常工作性 能。 0 卫：连系统抗干扰技术研究 2 3 3 滤波电路 对于一般的滤波连接器，可看作一个低通的无源网络，以n 型滤波器为例， 其等效电路如下图2 6 所示。网络中存在一个截止频率，在此截止频率之下的信 号可以无损耗的通过，而截止频率之上的信号通过滤波网络之后，将有一定的衰 减。因此滤波连接器中高频的干扰部分将被滤波连接器滤除掉，从而降低外界f 扰对于信号的影响。 o _ t ”厂加 1 。工l ) | 墨| 2 6n 型滤波器 2 3 4 滤波连接器的结构 对滤波连接器进行结构设计主要依据以下原则： ( 1 ) 由干扰机理分析可知，信号线上的电磁干扰不仅有传导干扰，还包括场一线、 线一线之间的空削耦合。因此，结构上必须做到滤波前后( 输入输出) 的 空问隔离，采用屏蔽壁隔离的结构来实现； ( 2 1 电容器接地阻抗的存在，相当于改变了t 【型滤波器的网络结构，它对滤波器 的性能影响也非常大，因此必须严格控制接地阻抗，结构中采用屏蔽壁上贯 穿接地通孔的方式来实现3 6 0 度接地以减小接地阻抗： 幽2 79 ：占滤波连接器的结构示意幽 滤波连接器有很多种类型，如平板式多层陶瓷电容及管状电容的滤波连接器。 但前者连接器每根芯线的滤波做成一体结构紧凑由于每根线滤波器参数相同， 因此无法灵活的对传输的不同频率的信号有选择的滤波，而后者结构比较复杂。 如上图2 7 所示的9 芯滤波连接器采用滤波插针式结构，可实现对不同的信号线 第一- 二章互连系统抗干扰分析的基本理论 选用截止频率不同的滤波器，结构也相对简单。 2 4 传输线理论分析模型 实际应用中的设备互连电缆结构形式和电路形式多种多样，外部电磁环境也 难以预测，其电磁稍合特性分析起来非常复杂。为了简化分析，突出主要矛盾， 在本文涉及到的多导体传输线都假定满足下面四个条件： i 电缆除了携带功能信号外，外部电磁场也会将一些非功能信号叠加到电缆传输 信号上，这部分信号与源信号共同构成电磁泄漏。由于本文研究的是电缆的 t e m p e s t 性能，只考虑功能信号的泄漏，外部电磁环境的影响可以不汁： 2 多导体传输线是平行放置的：根据信息技术设备多芯互连电缆的特点，假设电 缆水平放置，即与地面相平行，各芯线相互平行且线长相等； 3 细线模型：对一一般的信息技术设备所采用的互连电缆而言，其半径与信号波 乏 棚比都很小( r 2 f 2 【，q 。= 2 x t ，那么采样信号i 。( ，) 通过一个增益为t ，截l i ：频率 为n ，2 的理想低通滤波器，可以难一地恢复出原模拟信号x 。( ，) 。2 q 。称为奈奎 豆连系统抗干扰技术研究 斯特速率( n y q u i s tr a t e ) 。q ，2 称：0 折叠频率信号频率超过它会折叠回来。造 g 。m ，：t 矧 争 。，“， 0 除去q 一 对于连续的方波采样后得到的离散点对属于数字域，频率特性用序列的傅立 l ( f ) = 去x 。( m 弦脚m ( 3 _ 1 5 ) 对x 。( ，) 进行采样，采样间隔为t ，采样角频率为q ，采样信号主。( f ) = x 。( h i l ) ， “盯) 2 去以( j f 2 ) e a “r d f l ( 3 1 6 ) x a ( h r ) 在数值上与序列值相等，x ( ) = x o ( 开7 ) ，序列x ( h ) 与其傅立叶变换x ( e ) 砌) = 去m ”) 一“如( 3 - 1 7 ) 因为( 3 1 6 ) 式与( 3 1 7 ) 式在数值上相等，可得到x ( e ”) 和x 。( i n ) 之间的关系， 。 将( 3 1 6 ) 式表示为无限多个积分和，每个积分区问为2 咒叮 蹦呐= 去塞并o 。( 皿弦脚摭 = 去耋( 二以( 肿+ ，等 f i n t e i 2 t t r n 扪( 3 - 1 8 ) 因r 和n 均取整数，p ，2 “= 1 ，交换求和号和积分号 硝哟忑1 。r r ，塾( 胁，等r 卜扪 ( 3 1 9 ) 第三章互连电缆串扰的时域分析 9 将m = q t 代入 扎卜西1l 互1 塾。( ，等+ ，等，卜如( 3 - 2 0 ) 因为x ( 月) = x 。即7 1 ) ，因此得到 删夸 塾，( ，争牟r ) 7 ( 3 - 2 1 ) ( 3 2 1 ) 式表明，采样后得到的序列的傅立叶变换x ( e j “) ，是将原模拟信号傅奇： | l 卜变换x 。( j r 2 ) ，代入q = 叫7 1 ，并以q ，= 2 州r 为周期，周期性延拓而成的。 实际上，在介绍采样定理时已分析了采样信号量。( ，) 与原模拟信号x 。( ，) 傅立叶之 阐的关系 、 爻撕嗡= 导x ，l 牌一j 鼬。) i3 2 2 ) lt = 哪 将q = 叫7 1 代入上式，并与式( 3 - 2 1 ) 相比较，因此可以得到 x ( e ) = 以( 皿) i n “， ( 3 2 3 ) 在这罩采样信号的模拟频率q 与序歹| j 的数字频率之间的关系满足线性关系 m = n 7 。 以上我们推导了序列工( 疗) 的傅立叶变换x ( e ) 与原模拟信号j 。( ，) 的傅立叶 变换x 。( q ) 之问的关系式( 3 2 3 ) 。我们可以将整个的耦合模型看作一个系统，而 系统的输入为x ( 胛) ，输出为烈”) ，对应的傅立叶变换分别为x ( e ) ，r ( e ) 。设 耦合模型系统的传递函数为h ( e ，“) ，因此 r ( e ”) = h ( e ”) x ( p ) ( 3 - 2 4 ) 式- 1 ，y ( e ”) = f t 叭n ) l 。如果将y ( ，1 ) 看成是某一模拟信号儿( f ) 的采样，那么其采 样信号歹。( ，) 和序列y ( 珂) 的傅立时变换满足( 3 2 3 ) 式的关系，将国= q 丁代入( 3 2 4 ) 式得到； y ( e m 7 ) = n ( e m 7 ) ( p 删) ( 3 2 5 ) 互连系统抗干扰技术研究 式( 3 2 5 ) 左端y ( e 脚) 是采样信号多。( ，) 的频率响应，最后将多。( ，) 通过理想低通滤 波器，理想低通滤波器的传输函数g ( q ) 用( 3 1 4 ) 式表示。其输出儿( ，) 的傅立 叶变换圪( 皿) 为 r o ( j q ) = y ( e 舯) g u n ) = h ( e 删) x ( e m 7 ) g ( 四) ( 3 2 6 ) 将( 3 - 2 0 ) 式代入上式，得到： k ( 皿) = 亭墨瓦( 田+ q ，r ) h ( e j n r ) g ( 徊) ( 3 - 2 7 ) 如果采样速率足够高。采样信号的频谱没有频率混叠现象，理想低通滤波器可以 无失真地将基带频谱，即r - - - 4 ) 的那部分滤出来，式e p ；羔以( 归+ 皿，帅( 归) = 以( 脾) ( 3 _ 2 8 ) 因此 匕( 雄) = x 。( y n ) h ( e 皿7 ) ( 3 2 9 ) 则等效模拟滤波器传输函数h 。( 徊) 为 w ，) = 器叫一划扣( 3 - 3 0 ) 式中 h ( e 脚) = h ( e7 “) i m 7 ( 3 3 1 ) 3 , 5 电缆耦合计算 根据传输线理论，可以推导出两导体传输线的波动方程： 暑v j z ) = z y v ( z ) 等i ( z ) _ y z l ( z ) 式中： y = j o ) c z = z 。+ z ：u + 如l ( 3 3 2 a ) ( 3 3 3 b ) 羔 第三章互连电缆串扰的时域分析 2 其中：z ：单位长度阻抗矩阵；y ：单位长度导纳矩阵；c ：单位长度电容矩 阵：l ：单位k 度电感矩阵：z 。：单位长度电阻矩阵；z 。：参考导体自阻抗： 传输线i ：传输信号的圆频率。u 为各元素均为l 的矩阵。以上矩阵各元素的具体 计算见文献1 2 2 11 2 3 1 1 2 4 1 。 当频率赢到定程度时传输线的长度1i 将不满足电短的条件。此时，将该 段传输线沿k 度订向均分为n 段，使得每段长度出= i 胆，满足电短条件。利片l 广义二端叫网络模型模拟传输线的电流电压关系，基本分析方法见图3 3 。将n 芯非均匀传输线分成截面均匀的n 部分，长度分别为l ，( i = l ，2 ，m j ，每部 分看作烂- 个2 n 端门网络【2 5 1 整个传输线为1 1 个2 n 端口网络的级联，求得每段 的链参矩脚中 ，) ( i = 1 2 ，m ) ，它是一个2 n x 2 n 阶矩阵。因此传输线终端 电压电流关系为： 圈3 3 传输线r 义二端口网络模戳 每个均匀段z 1 一z r 段传输线方程用链参形式可表示为： 吼1f v ( z 。) 呜0 【i ( z 。j j ( 3 - 3 4 ) 式中z r 为均匀段右端点坐标。z l 为均匀段左端点坐标链参矩阵q 1 ) 是一个2 n 2 n 阶矩阵，币”中”中2 i 、电：分别为其四个n x n 阶予矩阵。分别为： ； 巾l l = 1 _ y 一。t ( e ”+ e 一”) t - l y ( 3 3 5 a ) m 1 2 = - - 圭y - i t y ( e f e 一恤“ 啦= 一i t ( e f e 一”) 一t 一1 y ( 3 - 3 5 b ) 7 ( 3 - 3 5 c ) 哆：= 三t ( c + e _ 协。 ( 3 _ 3 5 d ) 式中备参数的定义见文献【2 6 1 。式中矩阵y 和z 与前面定义相同：矩阵t 满足 t y z t ：y ：卵t 为y z 的特征向量矩阵，y ：对角元素为特征值平方。引入矩 匮 = 门“咆嘛 互连系统抗干扰技术研究 阵t 是为将方程去耦。 对于求解过程，首先计算出整段传输线的链参矩阵，然后引入终端条件最后 求出各芯线的终端电流电压。 3 6 离散傅立叶反变换原理 同样，在对3 5 的频域中得到的信号进行傅晕叶反变换处理的时候，- 同样面 对对频域中的信号进行采样的问题，即必须遵循频域采样定理。 如果序列x ( n ) 的长度为m ，则只有当频域采样点数n m 时，才有 x ( n ) = i o v r x ( k ) 】= x ( n ) ( 3 - 3 6 ) 即可由频域采样x ( k ) 恢复原序列x ( n ) ，否则产生时域混频现象。这就是所谓的 频域采样定理。 v s ( t ) r n i ! = 5 0 3 7 电缆串扰的仿真结果 一l = l m + r s = 5 0 f j 。乩肛k 依据上儿节介绍的理论，我们建立仿真的模型，如上图3 4 所示：参考面上 第三章互连电缆串扰的时域分析 甲行放置两条桐卫：平行的传输线，参考面为大地。其中发射线与接收线相同，具 体参数姐l 表3 1 所永： 表3 i 传输线类型：尉型电缆导线数目：2导线长度：i m 十对介电常数： 1相对磁导率：l 导线间距： 2 m m 导线半往；0 0 7 5 m m距参考面高度：0 0 0 1 m 3 7 i 注入波形为矿弦波i ：j 仿真结果 山信号处理理论得到：方波是出难弦波和余弦波的叠加而成的，而余弦波又可 认为是具有一定相位嫠的正弦波因此。本节首先讨论对于发射线上注入正弦波信 号时。在接收线的近端得到的波形 to v s ( o 0 5 一 0 0 型 臻 0 5 - 1 i 0幻 1 蜘2 0 0 时j h j n s 】 削3 5 发射上注入的上e 弦波信号波形 如图3 5 所示，取正弦波的频率为5 m h z ，幅值为l v 。为了不产生频率混叠失真， 通常要求信号的最高频率， ，2 ，在此我们取信号离散采样的频率为j = i 2 0 m 。采样时剐为7 1 = 】，：，采样点数则为m = 周期t 。同样，在频域进行采 样时依然需要满足频域采样定理，在此，我们取频域中的采样点数n = m ，这 样才能避免出现频域混赘现象。 图3 6 为电缆参数为表3 1 所示的接收线上绲到的j _ f 弦波串扰波形。图3 3 9 分别为政变线长，距地高度以及线问距的参数得到的波形。对于置于地平面上 的出扰t 要煺包括电感串扰和电容串扰两个部分。从电路理论得到，电感在电路 q j 使相位滞后，砸电容馒相位超前。相位的变换是两个部分影响的和。从下图中 可以看出，线长越大，对于串扰波形的幅值和相位的延迟影响越大；而减小距地苛 皮以及增加线州距则会使幅度和相位的延迟减小。 互连系统抗干扰技术研究 图3 6 线k 为i m 的接收线的串扰波形 蚓3 7 线k 为2 m 的接收线的串扰波形 幽3 8 距地高度为0 0 0 5 m 的接收线的串扰波形 幽3 9 线距为0 0 0 4 m 的接收线的串扰波形 3 7 2 注入波形为具有一定【二升时划的方波的仿真结果 图3 1 0 为发射线的注入信号的波形。如图所示，发射线注入信号的上升时问 为l o n s , 周期为2 0 0 n s ，幅值为0 5 v ，脉冲宽度f 为l o o n s ，信号的频率为5 m h z 。 同样，取信号离散采样的频率为工= 2 0 m 。采样时间为t = 1 ，采样点数则为 m = 周期t ，取频域中的采样点数n = m 。 第二章互连电缆串扰的时域分析 o 5 04 o3 0 2 0 1 0 。0 1 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 鳓 3 4 0 0 砷e ( f l $ ) 嘲3 1 0 发射线注入的具有一定上升时间的信号波形 3 7 2 1 不同长度的仿真结果 x 1 0 3 _ 8 05 0 1 0 01 5 02 0 02 湖3 5 04 0 0 t h n e ( n s ) l 鳘l3 1 i 线| 王= 为i m 年2 m 的接收线的串扰时域仿真结果 图3 1 l 得到的是不同长度的电缆接收线上的串扰时域波形。从图中可以看出， 串扰波形的上升与下降时自j 基本与原注入信号的上升与下降时闻相同。而串扰脉 冲的宽度与线长成j r 比，欧度越长脉冲宽度越宽【z ”。当信号在线上传输时， 1 1 = 】_ = 线闽存在的互电感和互电容的作用，在相邻的线上产生分别向近端及远端传输 的尖峰信号。显然，所有流向近端的尖峰信号在不同的时间分别到达近端，当最 后个尖峰信号戮达近端时，所用的时问为2 l ( l 为信号在线上传输的时f j ) 。 2 o 8 6 4 2 o 2 4 弓 一ompn=喜乏 互连系统抗干扰技术研究 每一个尖峰信号在时间和空削上是连续的，这样就形成了一个持续时问为2 r ，的 脉冲信号其幅度与单个尖峰信号的幅值相同。如果增大线长，近端耦台山j 二互 感产生的尖峰信号到达近端的时删是不同的所以实际上是在近端得到的是刁；刚 的延时的尖峰信号的和，是一个延展的信号。因此，增加线长，近端耦合脉冲的 持续时问会增跃，而其幅度则不会改变。 3 7 - 2 2 不同线问距的仿真结果 图3 1 2 不同线问距的串扰时域波形结果。从图中我们可以看出，相同条件f 线问距增大时其互感和互电容都将减小，接收线上产生的脉冲耦合幅值较小， 因此在控制线间串扰时我们可以通过增加线间距离来解决。 n 。 一 00 6 00 4 00 2 兽 写0 苞 _ 00 2 0 0 4 _ 0 一00 8 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 0 t i m e ( 惦 削3 1 2 不同距离的接收线串扰时域波形蚓 3 7 2 3 不同距地高度的仿真结果 0 0 1 o1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 雨m e ( n s l 图3 1 3 距地高度分别为0 0 ( 3 1 i y i i i i 雨i o ，0 0 0 5 r a m 的仿真 。 | 堇0 一)d三置e 第三二章h 连电缆串扰的时域分析 我们知道：芯线间的感性耦合与芯线问形成的互感成f 比，而互感 m ：掣l n 【1 + 兰粤】( 其中h h h 2 为两导线距地高度，d l 为两线的距离) 与距地 i a 的岛度仃荚 2 73 , 距地高度越火，形成的互感越大，则感应的串扰越大。因此，减 小距地的商度就可以减小芯线m 的互感大小，从而降低接收线上的串扰值。 3 7 2 。4 _ i 蚓终端m 抗的仿真结果 - 0 0 1 5 05 0 伯0 ，5 0瑚2 3 0 03 5 04 0 0 了i m e r e s ) 俐31 4 终端阻抗分别为5 0 q 和l1 0 0 0 的仿真结果 l l l 图3 1 4 看j 臼传输线在终端端接不同阻抗时，其产生的串扰也是不相同的。 这是闪为当终端不能做到阻抗匹配时，由于电感和电容产生的串扰电压会在传输 线一卜来i 翊爻射，最终得到的串扰幅值是这些电压的总和。因此。我们在端接曦 需用匹配段i 抗束对终端实行端接来减小线阕的串拢。 3 7 2 5 不问类型接收线的仿真结果 图3 1 5 给j “的足接收线分别为裸线和不同屏蔽编织密度的接收线上的串扰 波形仿疵缩粜。从图 ：t 可以看出，屏蔽接收线上耦合到的串扰量要小于裸线。而 相对j - 同为j ；i i ! 蔽类型的接收线，屏蔽编织密度为8 7 的接收线，其耦合到的串扰 量i i 王小丁肼敲编纵密度为3 7 的接收线。即编织密度越高，抗干扰的效果越明显。 1 5 o 5 i 洲 一 。 一 删 一)md：兰口e 互连系统抗干扰技术研究 z s v s 0 s 01 0 01 5 0 2 0 0 2 5 0 , 3 0 0 3 5 0 4 0 0 n m e ( n s ) 图3 1 5 谍线接收线与屏蔽接收线的仿真结果 3 8 测试结果与仿真的比较与分析 c v g = 受扰导线与地州电霹 c s g = 源导线与地f i i ji 乜辑 幽3 1 6 串扰的耦台原理 e | 两线在传输信号时，线问的串扰主要是出电感勰含和电容耦合的叠加而成，如 图3 1 6 所示的时域耦合原理图，根据此原理图，我们设计串扰耦合的测试装置o l ， 如图3 1 7 所示，由两个回路组成，注入网路和耦合凹路。注入回路山馈线、匹酗 阻抗和注入电缆组成。馈线为两根同轴屏蔽电缆，应尽量短。注入与接收电缆均 为裸线，同轴电缆另外两端与匹配阻抗连接到地回路。内回路与外四l 路结构干h 同。 v i n ( t ) ， 讯釜f 习 5 1 5 0 5 1 5 哪 啾 舢 一)ap】釜ne l 5 0 0 m v r l 一 2 m v t _ 第三章l 且连电缆串扰的时域分析 具体被测试样的参数为：a w g 3 0 电缆芯线直径o 0 1i n ，线长2 4 3 8 4 m ，线距 o 0 2 m 。测试的罔形结果如图4 8 所示。 j 上 代 力 爪 心泌、，一一 05t o1 5 2 5 3 5 柏5 轴5 5 6 57 07 5 州问 i s 、 i 刘3 1 8 接收线巾扰测试结果 幽3 1 9 仿真结果 图3 1 8 给f f | 足m 于发射线上的信号上升沿的影响，接收线的近端串扰波形。 图q 1 第一部分所示为发射线上的注入波形，其上升时问分别为5 n s 、1 0 n s 、2 0 n s 。 从此图我们可以看出串扰与注入信号幅度的比为0 4 。近端串扰脉冲的上升时间 是与注入信号的上升变化相对应的。发射线上的上升曲线越陡，则串扰脉冲的上 升曲线也越陡。接收线上