CN109743079B - 并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法 - Google Patents

并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法，属于抑制信号串扰噪声的领域，通过在传输线上并接一段单短截线，根据链参数矩阵求得在弱耦合且在电气短线的情况下远端串扰传递函数HFE，并由远端串扰传递函数HFE计算出所需特定电阻负载RL，调节单短截线距远端负载的距离和自身长度实现阻抗由任意值向特定电阻负载的转换，从而起到消除串扰的作用。本发明解决了传输线为弱耦合且在电气短线的情况下多导体传输线的远端串扰对信号完整性的影响。

Description

并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法
技术领域
本发明属于抑制信号串扰噪声领域，主要是涉及一种并接单短截线实现阻抗转换的消除线缆束远端串扰的技术。
背景技术
在电气电子设备中存在着各种不同类型的线缆束，线缆束作为电信号的载体，是连接各类电子设备的纽带，起着传递信号和能量的作用。然而，随着数据传输速率和时钟速度在稳步提高，长距离和高频率给传输线带来了不利的近场干扰—串扰，它是指相互靠近的传输线之间无意的电磁耦合。在有限的空间内，大量传输线间的电磁能量以噪声的形式相互流动，造成系统内部的相互干扰，这将会严重影响信号完整性，导致系统工作可靠性下降。
目前串扰抑制的方法有很多，有的抑制方法出于改变传输线结构或耦合参数的原理，例如屏蔽和双绞结构；有的方法根据不同频率的信号，设计无源的滤波器作为串扰的抑制手段；还可以通过信道编码的角度减少串扰对信号完整性的影响。本发明的优点为充分利用了传输线的分布参数，通过简单的电路实现任意阻抗向特定电阻的转换，使用了更少的器件，减少损耗并降低了成本。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法，在传输线远端添加单短截线进行阻抗匹配，使得远端串扰传递函数为0，即可以自动消除远端串扰。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法，在传输线上并接一段单短截线，根据链参数矩阵求得在弱耦合且在电气短线的情况下远端串扰传递函数HFE，并由远端串扰传递函数HFE计算出所需特定电阻负载RL，调节单短截线距远端负载的距离和自身长度实现阻抗由任意值向特定电阻负载的转换，从而起到消除串扰的作用。
优选的：调节单短截线距远端负载的距离l1，使单短截线接入处向远端负载方向的入端阻抗实部为所需特定电阻负载RL；对应的虚部为
Figure GDA0003078119300000011
调节并接单短截线的长度，抵消短截线入口处向负载方向阻抗的虚部，这样就实现了从任意阻抗到特定电阻的转换，从而实现消除导线间的串扰。
优选的：单干扰单受扰传输线模型端口处的电压电流用链参数矩阵表征，近端端口与远端端口之间由链参数矩阵表征的函数关系：
Figure GDA0003078119300000021
其中，U(0)和U(l)分别代表近端端口电压和远端端口电压，IG(0)表示干扰线近端端口电流，IG(l)表示干扰线远端端口电流，UG(0)表示干扰线近端端口电压，UG(l)表示干扰线远端端口电流，IR(0)表示受扰线近端端口电流，IR(l)表示受扰线远端端口电流，UR(0)表示受扰线近端端口电压，UR(l)表示受扰线远端端口电压，
Figure GDA0003078119300000022
表示传输线的链参数矩阵；
远端串扰传递函数表示为：
Figure GDA0003078119300000023
其中，HFE(ω)表示远端串扰传递函数，
Figure GDA0003078119300000024
表示受扰线远端端口电压相量，
Figure GDA0003078119300000025
表示干扰线近端端口电压相量。
对于干扰线与受扰线间为弱耦合且在电气短线时，l<<λ，λ表示电磁波波长，则HFE(ω)近似为：
Figure GDA0003078119300000026
其中，j表示虚数单位
Figure GDA0003078119300000027
ω表示角频率，cm表示互电容，lm表示互电感，RL表示干扰线负载，RNE与RFE表示受扰线上的近端负载和远端负载，当远端串扰函数为0时，则远端串扰得到消除；
Figure GDA0003078119300000028
此时，RL称作系统对应的名义特定电阻负载，简称“特定电阻”。
在电路结构已经确定的情况下，在电路远端并接单短截线来进行阻抗转换，此时端口条件为：
Figure GDA0003078119300000029
其中：
Figure GDA0003078119300000031
Figure GDA0003078119300000032
其中，l1为单短截线距远端负载的距离，l2为单短截线的长度，Z01和Z02分别为l1段距离上的特征阻抗和单短截线的特征阻抗；Γ为反射系数，β为相位常数；
Figure GDA0003078119300000033
Figure GDA0003078119300000034
由于RL为名义特定电阻，为纯实数，调节l1和l2，使得：
Figure GDA0003078119300000035
Figure GDA0003078119300000036
最终使得AB端口的入端阻抗Zi|AB满足：
Zi|AB＝RL (11)
即：
Figure GDA0003078119300000037
即可实现远端串扰函数HFE为0，达到串扰消除的效果。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.在并接单短截线实现阻抗转化的线缆束远端串扰消除中，根据链参数矩阵求得在弱耦合且在电气短线的情况下远端串扰传递函数的解析表达式HFE，并由HFE计算出的特定电阻RL，改变单短截线距干扰线远端负载的距离和自身长度进行阻抗转换，从而起到消除串扰的作用。
2.阻抗转换为先调节短截线距干扰线远端负载的长度l1，使短截线接入处向远端负载方向的入端阻抗实部为“要求1”求得的特定电阻RL，对应的虚部为
Figure GDA0003078119300000038
调节短截线的长度，抵消对应的虚部。这样可使AB端口的入端阻抗为RL，使得远端串扰传递函数HFE为零值，达到消除串扰的效果。
附图说明
图1为阻抗转换的具体实施方式；
图2为链参数矩阵表征的(2+1)端口网络；
图3为串扰消除原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法，在传输线上并接一段单短截线，根据链参数矩阵求得在弱耦合且在电气短线的情况下远端串扰传递函数HFE，并由远端串扰传递函数HFE计算出所需特定电阻负载RL，调节单短截线距远端负载的距离和自身长度实现阻抗由任意值向特定电阻负载的转换，从而起到消除串扰的作用。如图1所示，调节单短截线距远端负载的距离l1，使单短截线接入处向远端负载方向的入端阻抗实部为所需特定电阻负载RL；对应的虚部为
Figure GDA0003078119300000041
调节并接单短截线的长度，抵消短截线入口处向负载方向阻抗的虚部，这样就实现了从任意阻抗到特定电阻的转换，从而实现消除导线间的串扰。如图1所示为“单干扰+单受扰”传输线模型，多导体传输线模型串扰消除方法与此类似，其中传输线的长度为l，干扰线上的源由噪声源US和源电阻RS组成，RNE与RFE表示受扰线上的近端负载和远端负载。从图1中可以看出，具体步骤为：
1.将图1端口处的电压电流用链参数矩阵表征(如图3所示)，链参数矩阵可以表示为:
Figure GDA0003078119300000042
其中，U(0)和U(l)分别代表近端端口电压和远端端口电压，IG(0)表示干扰线近端端口电流，IG(l)表示干扰线远端端口电流，UG(0)表示干扰线近端端口电压，UG(l)表示干扰线远端端口电流，IR(0)表示受扰线近端端口电流，IR(l)表示受扰线远端端口电流，UR(0)表示受扰线近端端口电压，UR(l)表示受扰线远端端口电压，
Figure GDA0003078119300000043
表示传输线的链参数矩阵。可以看出，近端端口与远端端口之间存在着由链参数矩阵表征的函数关系。
2.远端串扰传递函数可以表示为：
Figure GDA0003078119300000051
其中，HFE(ω)表示远端串扰传递函数，
Figure GDA0003078119300000052
表示受扰线远端端口电压相量，
Figure GDA0003078119300000053
表示干扰线近端端口电压相量。
对于干扰线与受扰线间为弱耦合且在电气短线(l<<λ)时，λ表示电磁波波长，HFE可近似为
Figure GDA0003078119300000054
其中，j表示虚数单位
Figure GDA0003078119300000055
ω表示角频率，cm表示互电容，lm表示互电感，RL表示干扰线负载。当远端串扰函数为0时，则远端串扰得到消除：
Figure GDA0003078119300000056
此时，RL称作系统对应的名义特定电阻负载，简称“特定电阻”。
3.在电路结构已经确定的情况下，传输线远端实际负载ZL难以调节。因此，可在电路远端并接单短截线来进行阻抗转换。此时端口条件为
Figure GDA0003078119300000057
其中
Figure GDA0003078119300000058
Figure GDA0003078119300000059
其中，l1为单短截线距远端负载的距离，l2为单短截线的长度，Z01和Z02分别为l1段距离上的特征阻抗和单短截线的特征阻抗；Γ为反射系数，β为相位常数。
Figure GDA00030781193000000510
Figure GDA00030781193000000511
由于RL为名义特定电阻，为纯实数。如调节l1和l2，使得
Figure GDA0003078119300000061
Figure GDA0003078119300000062
最终使得AB端口的入端阻抗Zi|AB满足：
Zi|AB＝RL (11)
即
Figure GDA0003078119300000063
即可实现远端串扰函数HFE为0，达到串扰消除的效果。
本发明通过在传输线远端适当的位置并接合适长度的开路或短路单短截线，调节单短截线距离远端负载的长度l1和单短截线的长度l2，实现了任意阻抗向特定电阻的转换，达到消除或一定程度抑制串扰的目的。解决了传输线为弱耦合且在电气短线的情况下多导体传输线的远端串扰对信号完整性的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种并接单短截线实现阻抗转换的线缆束远端串扰消除方法，其特征在于：在传输线上并接一段单短截线，根据链参数矩阵求得在弱耦合且在电气短线的情况下远端串扰传递函数HFE，并由远端串扰传递函数HFE计算出所需特定电阻负载RL，调节单短截线接入端到远端负载的距离和自身长度实现阻抗由任意值向特定电阻负载的转换，从而起到消除串扰的作用；
单干扰单受扰传输线模型端口处的电压电流用链参数矩阵表征，近端端口与远端端口之间由链参数矩阵表征的函数关系：
Figure FDA0003098405790000011
其中，U(0)和U(l)分别代表近端端口电压和远端端口电压，IG(0)表示干扰线近端端口电流，IG(l)表示干扰线远端端口电流，UG(0)表示干扰线近端端口电压，UG(l)表示干扰线远端端口电流，IR(0)表示受扰线近端端口电流，IR(l)表示受扰线远端端口电流，UR(0)表示受扰线近端端口电压，UR(l)表示受扰线远端端口电压，
Figure FDA0003098405790000012
表示传输线的链参数矩阵；
远端串扰传递函数表示为：
Figure FDA0003098405790000013
其中，HFE(ω)表示远端串扰传递函数，
Figure FDA0003098405790000014
表示受扰线远端端口电压相量，
Figure FDA0003098405790000015
表示干扰线近端端口电压相量；
对于干扰线与受扰线间为弱耦合且在电气短线时，l<<λ，λ表示电磁波波长，则HFE(ω)近似为：
Figure FDA0003098405790000016
其中，j表示虚数单位
Figure FDA0003098405790000017
ω表示角频率，cm表示互电容，lm表示互电感，RL表示干扰线负载，RNE与RFE表示受扰线上的近端负载和远端负载，当远端串扰函数为0时，则远端串扰得到消除；
Figure FDA0003098405790000018
此时，RL称作系统对应的特定电阻负载；
在电路结构已经确定的情况下，在电路远端并接单短截线来进行阻抗转换，此时端口条件为：
Figure FDA0003098405790000021
其中：
Figure FDA0003098405790000022
Figure FDA0003098405790000023
其中，l1为单短截线接入端到远端负载的距离，l2为单短截线的长度，Z01和Z02分别为l1段距离上的特征阻抗和单短截线的特征阻抗；Γ为反射系数，β为相位常数；
Figure FDA0003098405790000024
Figure FDA0003098405790000025
由于RL为特定电阻负载，为纯实数，调节l1和l2，使得：
Figure FDA0003098405790000026
Figure FDA0003098405790000027
最终使得AB端口的入端阻抗Zi|AB满足：
Zi|AB＝RL (11)
即：
Figure FDA0003098405790000028
即可实现远端串扰函数HFE为0，达到串扰消除的效果。
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