wersja mobilna
Online: 763 Piątek, 2016.12.09

Technika

Kable koncentryczne i skrętki w transmisji sygnałów w.cz.

wtorek, 14 lipca 2015 13:07

Wszystkie niemal kable do przesyłania wielkich częstotliwości, z wyjątkiem symetrycznych fiderów antenowych, są koncentrykami. Pole wielkiej częstotliwości zamknięte jest w ich wnętrzu (rys. 1). Impedancja falowa kabla koncentrycznego jest ściśle określona i łatwa do ustalenia. W zakresie wysokich częstotliwości jest to bardzo istotne, ponieważ często długość kabla przekracza długość fali przenoszonego sygnału. W artykule pokazano główne parametry kabli koncentrycznych oraz skrętek dwuprzewodowych w kontekście przesłuchów danych i transmisji sygnałów wysokiej częstotliwości.

Rys. 1. Kabel koncentryczny

Nie należy mylić kabli koncentrycznych wielkiej częstotliwości z kablami audio. Oplotem i dielektrykiem różnią się bardzo, a impedancja przewodów audio nie jest definiowana. Natomiast kable koncentryczne mogą być do audio używane. Kabel koncentryczny charakteryzują następujące parametry:

  • Impedancja falowa (charakterystyczna) Zo, przyjęta powszechnie 50 Ω, z uwagi na własności mechaniczne i zastosowania układowe. Spotyka się również impedancje 75 i 93 Ω w systemach wideo i przesyłania danych, a inne impedancje uważa się za specjalne.
  • Materiał dielektryka, od którego zależą wszystkie właściwości kabla, jak Zo, tłumienie, dopuszczalne napięcie, fizyczne własności i zakres temperaturowy. Standardowym materiałem jest polietylen. Częstą opcją jest polietylen komórkowy, wypełniony pęcherzykami powietrza, zapewnia mniejszą masę i mniejsze tłumienie, jest jednak bardziej podatny na uszkodzenia mechaniczne. Dopuszczalna temperatura kabli polietylenowych wynosi 85°C. Kable teflonowe (PTFE) pracują do temperatury 200°C, są mniej stratne, ale droższe.
  • Materiał przewodnika - w tym zakresie powszechnie jest stosowana miedź. Czasem stosuje się jej srebrzenie dla zwiększenia przewodności przy wysokich częstotliwościach ze względu na efekt naskórkowości. Stosowana jest też stal miedziowana, zwiększająca wytrzymałość mechaniczną. Przewód wewnętrzny może być wykonany z drutu lub ułatwiającej zginanie kabla skręconej linki. Ekran jest zwykle oplotem z miedzianych przewodów, co zapewnia kablowi elastyczność. Lity ekran zewnętrzny jest rozwiązaniem skrajnym, uniemożliwiającym zginanie.
  • Napięcie dopuszczalne. Grubszy kabel dopuszcza zazwyczaj wyższe napięcie pracy i mniejsze tłumienie. Wymaganie napięciowe może nie być spełnione, gdy obwód kabla nie jest dopasowany do jego impedancji falowej. W takim wypadku napięciowa fala stojąca może wywołać w niektórych miejscach wzdłuż kabla napięcia wyższe od spodziewanych z relacji moc/obciążenie.
  • Tłumienie. Straty i w dielektryku, i w przewodniku zależą od częstotliwości i od długości połączenia, wielkość tłumienia jest więc podawana na 10 metrów kabla dla różnych częstotliwości. Konkretne potrzebne wartości można obliczyć przez interpolację, w przypadku długich kabli i wielkich częstotliwości z dużym przybliżeniem.

Powszechnie dostępne kable koncentryczne są specyfikowane zgodnie z dwiema normami: US MIL-C17 dla kabli RG/U (Radio Government, Universal) i UK BS 2316 dla kabli UR-M (Uniradio). Międzynarodową normą jest IEC 60096.

Skrętki

Rys. 2. Zalety skrętek polegają głównie na niewrażliwości na pole magnetyczne

Dwuprzewodowym skrętkom należy się szczególna uwaga, umożliwiają bowiem skuteczny i prosty sposób redukcji zaburzeń magnetycznych i pojemnościowych. Skręcenie dwóch przewodów zapewnia jednorodne rozłożenie pojemności, dzięki czemu pojemności do ziemi i do źródeł zakłóceń zostają zrównoważone.

Pojemnościowe sprzężenia sygnału wspólnego zostają zrównoważone, sygnały takie są zatem skutecznie tłumione. Na rysunku 2 porównano skręconą parę przewodów z nieskręconą. Jednak zastosowanie skrętki nie pomoże w układzie z już istniejącym wspólnym sprzężeniem pojemnościowym.

Skręcanie jest najbardziej użyteczne do redukowania indukowania zaburzeń magnetycznych, ponieważ zmniejsza powierzchnię pętli magnetycznej niemal do zera. Każde półskręcenie tak odwraca kierunek indukcji, że w jednolitym polu zewnętrznym kolejne dwa półskręcenia anulują oddziaływanie pola z przewodem niemal zupełnie.

Rys. 3. Tłumienie pola magnetycznego w skrętce

Indukcja zaburzeń zostaje zredukowana do małych powierzchni początku i końca skrętki oraz skutków niejednorodności pola i nieregularności w skrętce. Przy założeniu, że zakończenia są objęte polem, liczba skręceń na jednostkę długości nie jest istotna, zwykle w jednym metrze jest ich 26 do 50. Rysunek 3 ilustruje zmierzone tłumienie pola magnetycznego w funkcji częstotliwości dla skrętki z przewodów o średnicy 0,64 mm odległych o 0,8 mm w porównaniu do przewodów równoległych.

Dodatkową zaletą skrętek jest powtarzalność ich impedancji falowej. W połączeniu z ogólnym ekranowaniem skrętki doskonale nadają się do szybkiego przesyłania danych, ograniczają bowiem zarówno emisję, jak i odbiór zakłóceń.

Przesłuchy

Tabela 1. Porównawcze parametry kilku typowych kabli 50 Ω

Gdy w tej samej wiązce kablowej jest przesyłany więcej niż jeden sygnał, wzajemne sprzężenie pomiędzy przewodami jest przyczyną przedostawania się tych sygnałów pomiędzy nimi. Zjawisko to jest nazywane przesłuchem. A ściśle biorąc, dotyczy ono nie tylko kabli, lecz także niekorzystnego przenoszenia się sygnałów pomiędzy ogólnie pojętymi torami łączności. Sprzężenie takie może być pojemnościowe, indukcyjne lub powstawać w liniach długich.

Rys. 4. Schemat zastępczy obwodu z przesłuchem

Układ zastępczy sprzężenia pojemnościowego przy częstotliwościach niskich lub średnich, gdy kabel może być traktowany jako obwód o stałych skupionych (w odróżnieniu od wielkich częstotliwości, gdy musi być traktowany jako obwód o stałych rozłożonych, czyli linia długa), jest pokazany na rysunku 4. W przypadku, gdy impedancja pojemności sprzęgającej jest znacznie niższa od impedancji samego obwodu, przesłuch zależy wyłącznie od stosunku impedancji w obwodzie.

Przesłuch jest dobrze znany w obszarach telekomunikacji i audio, na przykład gdy przy wspólnej transmisji oddzielnych kanałów mowy sygnały przedostają się z jednego do drugiego lub gdy wzajemna separacja sygnałów stereo okazuje się niepełna dla wyższych częstotliwości.

Mogłoby się wydawać, że transmisja danych cyfrowych nie jest na przesłuch podatna, jednak jest on istotnym dla integralności danych zagrożeniem. Sprzężenie pojemnościowe łatwo przenosi szybkie skoki, zagrażając taktowaniu danych, jak pokazuje rysunek 5. Niska odporność na zakłócenia logiczne wywołuje poważne błędy taktowania.

Przykłady przesłuchów

Przykład 1. Dwa obwody audio, o impedancji źródła i obciążenia 10 kΩ, są sterowane przez 2-metrowy kabel wielożyłowy o pojemności żyła-żyła 150 pF/m. Jaki jest przesłuch przy 10 kHz (rys. 4)?

Pojemność sprzęgająca wynosi CC = 2 m⋅150 pF/m = 300 pF. Jej reaktancja przy f = 10 kHz wynosi Z = 53 kΩ.

Impedancje źródła i obciążenia obwodu przesłuchu wynoszą po 10 kΩ, czyli razem 5 kΩ.

Zatem przesłuch będzie wynosił 5 k / (5 k + 5 k +53 k) = 0,079 = 22 dB. Jest to wielkość nieakceptowalna.

Jeśli impedancja źródła zostanie zmniejszona z 10 kΩ do 50 Ω, przesłuch wyniesie 49 Ω / (49 Ω + 49 Ω + 53 k) = 9,22E-6 = 60 dB. Jest to wielkość akceptowalna, chociaż prawdopodobnie nie dla Hi-Fi.

Przykład 2. Dwie seryjne linie danych EIA-232 (RS-232) są sterowane przez 16-metrowy kabel danych (nie przez skrętki) o pojemności żyła-żyła 108 pF/m. Nadajniki i odbiorniki zgodnie ze specyfikacją EIA-232 mają impedancję wyjściową 300 Ω i wejściową 5 kΩ, zakres zmian napięcia sygnału ±10 V i czas narastania 30 V/ms. Jaka jest oczekiwana wielkość impulsów interferencyjnych jednego kanału w drugim?

Pojemność sprzęgająca wynosi CC = 16 m⋅108 pF = 1728 pF. Prąd, jaki po t sekundach popłynie w obwodzie RC pod wpływem narastającego napięcia dV/dt przy dV/dt = 30 V/ms i 0,66 ms oraz rezystancji 567 Ω w obwodzie będzie wynosił:

Zatem impuls napięcia na rezystancji obciążenia wynosi U = 25 mA⋅(300 Ω || 5 k || 5 k) = 6,8 V. Wynika stąd, że EIA-232 nie nadaje się do większych odległości i dużych szybkości danych.

Rys. 5. Skutki przesłuchu cyfrowego

Przesłuch można zwalczać na różne sposoby:

  • Zmiany impedancji źródła i obciążenia. Najlepiej gdy impedancja zakłócającego źródła w przeszkadzającym obwodzie jest duża, a impedancja obwodu zakłócanego mała, rola sprzęgającej pojemności jest wtedy znacząca.
  • Zmniejszenie wzajemnej pojemności. Użycie krótszego kabla lub przewodu o mniejszej pojemności żyła-żyła na jednostkę długości. Ale przy sygnałach szybkich lub wielkiej częstotliwości nie przyniesie to spodziewanych rezultatów, ponieważ impedancja pojemności sprzęgającej jest niższa od impedancji w obwodzie. Użycie kabla taśmowego i uziemienie przewodu pomiędzy przewodami sygnałowymi albo użycie kabla taśmowego z uziemieniem podraża konstrukcję. Najlepszym rozwiązaniem jest wprowadzenie dla każdego obwodu indywidualnych uziemionych ekranów.
  • Zredukowanie pasma przenoszenia sygnału do minimum wymaganego przez szybkość danych i przez pasmo systemu. Z przykładu podanego w ramce widać, że sprzężenie zależy wprost od czasu narastania sygnału zakłócającego. Zwiększenie tego czasu zmniejszy przesłuch. Dodanie kondensatora równoległego do rezystora wejściowego (RL2 na rys. 4) utworzy dzielnik napięciowy z pojemnością żyła-żyła przewodu oraz obniży impedancję wejściową dla zaburzeń w.cz.
  • Użycie transmisji różnicowej. Lęk przed przesłuchem jest główną przyczyną popularności norm danych różnicowych, jak EIA-422 (RS-422) i późniejszych innych, dla dużych szybkości danych. Pojemność sprzęgająca niekoniecznie jest zmniejszana przez użycie sparowanych linii. Przesłuch przechodzi wtedy do trybu wspólnego i jest eliminowany w buforze wejściowym. Czynnikiem ograniczającym stopień eliminacji jest nierównowaga pojemności sprzęgających w każdej z połówek pary. To dlatego do transmisji różnicowej danych opłaca się używać skrętki.

KKP