CN102693364B - 广义通信/控制总线端接模型等效转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传输线的模型等效方法，特别是广义通信/控制总线端接模型等效转换方法，其特征是：至少包括如下过程：步骤101，确定传输线信号传输等效电路；步骤102，建立传输终端节点约束方程；步骤103，求解传输终端节点约束方程。它提供了一种能直接应用传输线理论进行分析的广义通信/控制总线端接模型等效转换方法。

Description

广义通信/控制总线端接模型等效转换方法

技术领域

本发明属于传输线的模型等效方法，特别是广义通信/控制总线端接模型等效转换方法。

背景技术

机动式通信/控制/监测等多种系统往往集成于车辆、舰船、飞机等有限载体空间上，随着一体化信息系统集成度的提高，载体内部的局部电磁环境变得非常恶劣。其系统内的有线信息互连接口种类多、介质类型复杂，同时，信息速率提高、传输带宽增大对信息互连集成提出了更高的要求，如何保证传输线中的信号完整性成为信息传输可靠的关键。

广义总线是通信系统中常用到的各类总线的统称，包括传输工作信号的通信总线、传输控制信号的控制总线、提供电力的电源总线及连接天线设备的射频总线等。受到复杂系统集成的空间限制，通信系统中各类总线布线时往往相互捆扎在一起并行布线，不同总线之间存在很强的电磁耦合，从而影响总线传输的信号完整性，导致通信系统内由于线缆耦合而引发的电磁兼容问题大量出现。针对互连线缆的耦合开展了大量的研究工作，从早期的Vance等人对射频同轴电缆的屏蔽效能、耦合干扰研究，到以Paul为代表的对多芯互连线缆的线间耦合、线缆辐射及场线耦合研究，均是基于传输线理论而进行的。其满足求解边界条件要求的各芯线互连端接均采用共模端接模型，而实际总线传输中往往表现为差模端接，从而导致不能直接应用传输线理论进行分析。

图2是基于经典的传输线模型，模型中终端激励源及负载均定义在线—地之间的共模回路中，负载和激励源与参考电阻a形成回路。

通信系统中，由于种种原因传输线的源和负载并非只与参考电阻a构成共模回路，而往往是线间形成差模回路作为信号驱动回路，构成了所谓的实际传输线模型。

如图3。与经典模型相比，实际传输线模型中的终端连接形式不再是规范的线—地（参考导体）共模端接形式，因此，经典传输线模型中的源端到地阻抗、负载到地阻抗为难以得到的复杂矩阵。而线间激励源的存在使得传输线不能进行准确的建模，无法得到列向量形式的激励源。这些不可知量导致边界的未知，致使传输线方程无法进行求解。本发明针对这一问题，应用网络等效理论，建立了总线终端等效的约束方程，对某双绞线传输线进行了等效分析及测试，验证了终端等效约束方程分析方法的正确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能直接应用传输线理论进行分析的广义通信/控制总线端接模型等效转换方法。

本发明的目的是提供一种广义通信/控制总线端接模型等效转换方法，其特征是：至少包括如下过程：

步骤101，确定传输线信号传输等效电路；

步骤102，建立传输终端节点约束方程；

步骤103，求解传输终端节点约束方程。

所述的步骤101确定传输线信号传输等效电路包括；输入端，芯线c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j，G，到c₀之间存在激励源V_sj(j=1,2,...,n)和内阻抗Z_sj；输出端，芯线c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j,G，到c₀之间存在差模阻抗Z_j，0，其中，c_j(j∈[1,n])为多芯线缆C={c₀,c₁,c₂,…,c_n}中的芯线，c₀为共用回线，数字0~n表示芯线，j为从1~n的正整数，G为地。

所述的步骤102，建立传输终端节点约束方程是按等效前后流入各端口和流出各端口上电流保持恒定、等效前后各端口到参考导体的共模电压恒定和等效前后任意两个不同端口间的差模电压恒定的原则，建立节点约束方程：

其中，对 $\∀i\∈[1,n],$ 有：

$V_{i,0}^{\left(a\right)}=V_{i,0}^{\left(b\right)}---\left(1\right)$

且i≠j，c_i、c_j间的差模电压不变，有：

$V_{i,j}^{\left(a\right)}=V_{i,j}^{\left(b\right)}---\left(2\right)$

对（1）式展开并整理，得到：

对（2）式展开并整理建立传输终端节点约束方程：

其中c₀为回线，有i_k(k∈[1,n])为k号芯线的差模驱动电流，V_si(i=1,2,...,n)为芯线的激励源，Z_si(i=1,2,...,n)为激励源的内阻抗，i_i(i=1,2,...,n)为芯线的驱动电流；（3）、（4）即为等效阻抗满足的约束方程。

步骤103，求解传输终端节点约束方程，是依据所述的方程（3）、（4）中，激励源V_si(i=1,2,...,n)，内阻抗Z_si(i=1,2,...,n)均为已知量；驱动电流i_i(i=1,2,...,n)也为已知量，（3）、（4）式为齐次方程组，可以采用迭代求解或者解析求解的方法得到其解，依据等效前后保持激励源的特性不变，端接阻抗的值发生变化阻抗的假设，求解方程（3）、（4）即可得到终端阻抗等效结果。

本发明的优点是：通过确定传输线信号传输等效电路和建立传输终端节点约束方程；最后求解传输终端节点约束方程。应用网络等效理论，建立了总线终端等效的约束方程，对某双绞线传输线进行了等效分析及测试，可以更好的预测总线的谐振。

附图说明

图1是本发明的实施步骤流程图；

图2是经典传输线模型示意图；

图3是实际传输线模型示意图；

图4是车载总线实际模型端接示意图；

图5是等效前多线传输模型源端端接示意图；

图6是等效后多线传输模型端接示意图；

图7是某车载总线物理介质示意图；

图8是等效前某车载总线传输模型；

图9是等效后某车载总线传输模型；

图10是平行双线对某车载总线的干扰电流测试结果与仿真结果对比图。

图中，a、参考电阻；b、芯线；c、蓝色芯线屏蔽层；d、芯线导体；e、屏蔽介质；f、白色芯线屏蔽层；g、屏蔽层；h、填料；i、总线外壳。

具体实施方式

如图1所示，广义通信/控制总线端接模型等效转换方法，至少包括如下过程：

步骤101，确定传输线信号传输等效电路；

步骤102，建立传输终端节点约束方程；

步骤103，求解传输终端节点约束方程。

步骤101确定传输线信号传输等效电路如图4所示，某多芯线缆C={c₀,c₁,c₂,…,c_n}中，c_j(j∈[1,n])为芯线，c₀为共用回线，数字0~n表示芯线。在输入端，c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j,G，到c₀之间存在激励源V_sj(j=1,2,...,n)和内阻抗Z_sj；在输出端，c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j,G，到c₀之间存在差模阻抗Z_j，0，其中，j为从1~n的正整数，G为地,其源端如图5。

步骤102建立传输终端节点约束方程

按等效前后流入各端口和流出各端口上电流保持恒定、等效前后各端口到参考导体的共模电压恒定和等效前后任意两个不同端口间的差模电压恒定的原则，将图5中的n个Δ型电路等效到图6的n个Y型电路，建立节点约束方程。图5、图6中，对有：

$V_{i,0}^{\left(a\right)}=V_{i,0}^{\left(b\right)}---\left(1\right)$

图5、图6，且i≠j，c_i、c_j间的差模电压不变，有：

$V_{i,j}^{\left(a\right)}=V_{i,j}^{\left(b\right)}---\left(2\right)$

对（1）式展开并整理，得到：

对（2）式展开并整理为：

其中c₀为回线，有i_k(k∈[1,n])为k号芯线的差模驱动电流，V_si(i=1,2,...,n)为芯线的激励源，Z_si(i=1,2,...,n)为激励源的内阻抗，i_i(i=1,2,...,n)为芯线的驱动电流。（3）、（4）即为等效阻抗满足的约束方程。

步骤103求解传输终端节点约束方程

方程（3）、（4）中，激励源V_si(i=1,2,...,n)，内阻抗Z_si(i=1,2,...,n)均为已知量；驱动电流i_i(i=1,2,...,n)也为已知量，（3）、（4）式为齐次方程组，可以采用迭代求解或者解析求解的方法得到其解。依据等效前后保持激励源的特性不变，端接阻抗的值发生变化阻抗的假设，求解方程（3）、（4）即可得到终端阻抗等效结果。

算例验证

如图7所示为某典型车载总线，图8为其实际传输模型。图7中，车载总线包括：蓝色芯线屏蔽层c、芯线导体d、屏蔽介质e、白色芯线屏蔽层f、屏蔽层g、填料h、总线外壳i。总线外壳i包裹在填料h周围，在填料h内有屏蔽层g和屏蔽介质e，屏蔽层g和屏蔽介质e内有白色芯线屏蔽层f和蓝色芯线屏蔽层c，在白色芯线屏蔽层f和蓝色芯线屏蔽层c内有芯线导体d。

依据步骤101确定传输线信号传输等效电路，依据步骤102建立传输终端节点约束方程，依据步骤103求解传输终端节点约束方程，可得源端等效阻抗：

$Z_1^{\′}=-\frac{Z_{g1}{Z}_{g2}}{Z_{\mathrm{ST}}}\frac{I_1}{I_2}+\frac{Z_{g2}(Z_{g1}+Z_S)}{Z_{\mathrm{ST}}}-\frac{Z_{g1}+Z_S}{Z_{\mathrm{ST}}}\frac{V_S}{I_2}$ （5）

$Z_2^{\′}=-\frac{Z_{g1}{(Z}_{g1}+Z_S)}{Z_{\mathrm{ST}}}-\frac{Z_{g1}{z}_{g2}}{Z_{\mathrm{ST}}}\frac{I_2}{I_1}-\frac{Z_{g1}+Z_{g2}}{Z_{\mathrm{ST}}}\frac{V_S}{I_1}$

其中，I₁、I₂为传输线源端电流，Z_g1、Z_g2为传输线源端到地共模阻抗，Z_ST＝Z_g1+Z_g2+Z_S，为源端共模/差模阻抗之和。

同样可求得负载端等效阻抗：

$Z_3^{\′}=\frac{Z_{g3}(Z_L+Z_{g4})}{Z_{\mathrm{LT}}}-\frac{Z_{g3}{Z}_{g4}}{Z_{\mathrm{LT}}}\·\frac{I_2^{\′}}{I_1^{\′}}$ （6）

$Z_4^{\′}=\frac{Z_{g4}(Z_L+Z_{g3})}{Z_{\mathrm{LT}}}-\frac{Z_{g3}{Z}_{g4}}{Z_{\mathrm{LT}}}\·\frac{I_1^{\′}}{I_2^{\′}}$

其中，I′₁、I′₂为负载端电流，Z_g1、Z_g2为负载端到地的共模阻抗，Z_LT=Z_g3+Z_g4+Z_L，为负载端共模/差模阻抗之和。等效后的模型如图9所示。图10为总线串扰耦合测试图，研究该总线在平行双线干扰下的耦合电流。平行双线的信号功率设置为20dBm，频率从10MHz开始到500MHz，每2MHz间隔取一个测试点。分别对未等效和等效后受扰线上的受扰线终端耦合电流进行仿真计算，可得到仿真结果与测试结果的对比如图10。可见，端接阻抗等效后的仿真结果与测试结果更加接近，且可以更好的预测总线的谐振，因而证明了本发明的正确性。

Claims (1)

1.广义通信/控制总线端接模型等效转换方法，其特征是：包括如下过程：

步骤101，确定传输线信号传输等效电路；

所述的步骤101确定传输线信号传输等效电路包括：

输入端等效，芯线c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j,G，到c₀之间存在激励源V_sj(j＝1,2,...,n)和内阻抗Z_sj；

输出端等效，芯线c_j(j∈[1,n])到地之间存在共模阻抗Z_j,G，到c₀之间存在差模阻抗Z_j,0；

其中，c_j(j∈[1,n])为多芯线缆C＝{c₀,c₁,c_2,…,c_n}中的芯线，c₀为共用回线，数字0～n表示芯线，j为从1～n的正整数，G为地；

步骤102，建立传输终端节点约束方程；

建立传输终端节点约束方程是按等效前后流入各端口和流出各端口上电流保持恒定、等效前后各端口到参考导体的共模电压恒定和等效前后任意两个不同端口间的差模电压恒定的原则，建立节点约束方程：

其中，对有：

$V_{i,0}^{\left(a\right)}=V_{i,0}^{\left(b\right)}---\left(1\right)$

且i≠j，c_i、c_j间的差模电压不变，有：

$V_{i,j}^{\left(a\right)}=V_{i,j}^{\left(b\right)}---\left(2\right)$

对(1)式展开并整理，得到：

对(2)式展开并整理建立传输终端节点约束方程：

其中c₀为回线，有i_k(k∈[1,n])为k号芯线的驱动电流，V_si(i＝1,2,...,n)为芯线的激励源，Z_si(i＝1,2,...,n)为激励源的内阻抗，I_a(a＝1，2，...，n)为传输线源端电流；Z_a(a＝1，2，...，n)为传输线源端等效阻抗；Z′_a(a＝1，2，...，n)为负载端等效阻抗；Z₀′为负载端回线等效阻抗，(3)、(4)即为等效阻抗满足的约束方程；

步骤103，求解传输终端节点约束方程，即：是依据所述的方程(3)、(4)中，激励源V_si(i＝1,2,...,n)，内阻抗Z_si(i＝1,2,...,n)均为已知量；驱动电流i_k(k＝1，2，...，n)也为已知量，(3)、(4)式为齐次方程组，可以采用迭代求解或者解析求解的方法得到其解，求解方程(3)、(4)即可得到终端阻抗等效结果。