Übertragungsleitungssimulation (physikalisch)

Ich muss in der Lage sein, die Kommunikation mit einem Sensorgerät über eine große Kabellänge (0-10 km) zu simulieren. Dies ist für Kommunikation mit ziemlich niedriger Geschwindigkeit (maximal 10 kHz, normalerweise jedoch 1-2 kHz). Dies wäre FSK ... aber irgendwann muss ich möglicherweise auch mit einem RS232-ähnlichen Signal mit niedrigem Baud umgehen.

Meistens suche ich nach Spannungsabfall und Signalverzerrungen. Verzögerung spielt keine große Rolle.

Wie würden Sie vorgehen?

BEARBEITEN:

Ich konnte feststellen, dass es sich bei dem Kabel tatsächlich um einen (ziemlich nicht standardmäßigen) Koaxialtyp handelt. Ich kenne jetzt Widerstand und Kapazität pro Längeneinheit, Querschnittsgeometrie und dass der Isolationswiderstand hoch genug ist, um keine Rolle zu spielen. Es war zunächst nicht klar, ob die Rückleitung ein separater Lauf war oder nicht.

Dies wäre ein Testaufbau für mehrere Zielgeräte. Die meisten sind FSK mit verschiedenen Frequenzoptionen unter 10 kHz, einige sind ASK (Sie könnten nach Bandpass / Filterung fast einen Standard-UART verwenden). Alle fahren auf einem hohen DC-Offset (Comms over Power).

In der Vergangenheit habe ich Leute gesehen, die einen einfachen Drehschalter gebaut haben, der Widerstände, Kondensatoren und vielleicht Induktivitäten austauscht, um eine bestimmte Leitungslänge zu simulieren. Könnte das gut genug sein?

Ich versuche gerade, ein paar Simulationen in LTspice zu bauen.

BEARBEITEN 2:

Okay, wenn ich nur Widerstände, Kappen und Induktivitäten hinzufüge ... wie sieht das Modell aus? Das RLGC-Netzwerk unten geht davon aus, dass die Erdungen meines Erachtens dasselbe Potenzial haben (eine sichere Annahme für Leiterplatten mit Erdungsebenen). Die Rückleitung erfolgt in diesem Fall durch die Außenhülle, und ihr Widerstand ist wahrscheinlich dreimal höher als der Innenleiter. Ändert das die Dinge erheblich? Füge ich einfach einen weiteren Widerstand auf der unteren Schiene hinzu und teile die Kapazität auf beiden Seiten davon?

Werden Sie FSK mit einem 10-kHz-Träger verwenden oder Daten mit 10 kBaud senden? Was meinst du mit RS232-ähnlich; Basisband oder nur 1 Bit/Symbol?
Ist es Koaxialkabel oder etwas anderes?

Antworten (3)

Übertragungsleitungen haben eine komplexe charakteristische Impedanz. Die charakteristische Impedanz wird typischerweise "pro Längeneinheit" für eine gegebene Übertragungsleitung angegeben. Aus praktischen Gründen haben Sie möglicherweise vier Werte "pro Längeneinheit" für eine Übertragungsleitung: Widerstand, Kapazität, Induktivität und Leitwert. Es gibt einen ziemlich ausführlichen Artikel dazu auf Wikipedia , und "für hohe Frequenzen und kleine Verluste" lautet die ungefähre Gleichung:

Alt-Text

wo:

  • x ist der Abstand entlang der Übertragungsleitung
  • t ist die verstrichene Zeit
  • L ist die Induktivität pro Längeneinheit
  • C ist die Kapazität pro Längeneinheit
  • R ist der Widerstand pro Längeneinheit
  • G ist der Leitwert pro Längeneinheit

Das wird Ihnen jetzt wahrscheinlich nur von begrenztem Nutzen sein, denn wenn ich hier zwischen den Zeilen lese, klingt es so, als wollten Sie ein digitales Signal (dh eine Rechteckwelle) übertragen. Die Flanken in der Rechteckwelle sind wirklich "Breitband". Aus diesem Grund durchlaufen die meisten Kommunikationssysteme einen Modulations- und Demodulationsschritt, um das Spektrum des Signals "auf der Leitung" zu begrenzen. Aber ich denke, die obige Gleichung gilt, weil das "Signal" in einer Rechteckwelle analytisch "Hochfrequenz" -Inhalt ist.

Auf jeden Fall sieht Ihr Signal im "stationären" hohen Pegel Ihres Eingangssignals, vorausgesetzt, Ihr Empfänger ist eine hohe Impedanz, einen Spannungsteiler, der auf dem charakteristischen Widerstand und der charakteristischen Konduktanz basiert. Sie sollten also (ungefähr) Vout/Vin = G/(R+G) sehen, basierend auf dem Modell:

Alt-Text

Bearbeiten 1

Ich habe den FSK-Kommentar (Frequency Shift Keying) in der Frage zuvor verpasst. Ich hatte auch einen anderen Gedanken. Sie können etwas wie Matlab Simulink verwenden, um die Übertragungscharakteristik der Schaltung zu modellieren, und das Modell mit einer repräsentativen Eingangswellenform füttern, um zu sehen, was auf der anderen Seite herauskommt ...

Wenn Sie wissen möchten, wie viel Spannungsabfall Sie für ein sinusförmiges Signal sehen, haben Sie immer noch einen effektiven Spannungsteiler mit einem oberen Bein mit einer effektiven Impedanz der Länge * (R + jwL) und einem unteren Beinimpedanz von (G- Länge || 1/(jwC- Länge)). Sie können die komplexe Mathematik durchführen, um den Realteil dieser Übertragungsfunktion bei einer bestimmten Frequenz ( w = 2 * pi * f) zu finden.

Bearbeiten 2

Als Antwort auf die Erläuterung dessen, was Sie mit physikalischer Simulation gemeint haben, wenn Sie versuchen, den Effekt einer Übertragungsleitung physikalisch einzuführen, richten Sie einfach die Schaltung in der Abbildung mit geeigneten Werten von Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen ein – entsprechend dimensioniert die Eigenschaften und Länge der Übertragungsleitung, die Sie zu emulieren versuchen.

Ich habe versucht festzustellen, ob dieses konzentrierte Modell dafür geeignet ist, im Vergleich zu einem verteilten Modell (bei dem Sie das RLGC-Netzwerk in viel kleinere serialisierte Abschnitte unterteilen). G ist angeblich Hunderte von Megaohm selbst bei 10 km (über 5 mm Isolierung)
Mein Hauptanliegen an dieser Stelle ist die Rechteckwellenform des ASK-Signals. Ich bin mir nicht sicher, ob ich diese relativ schnellen Übergänge einfach ignorieren kann oder nicht. Ich erinnere mich an ein schreckliches Klingeln, als ich dieses Zeug vor Jahren beobachtete ... aber ich vermute, dass dies eher auf eine sehr schlechte Impedanzanpassung zurückzuführen war.
@darron, ich denke, das zusammengefasste Modell ist in Ordnung, solange Sie sich nur darum kümmern, was auf der anderen Seite der Linie herauskommt, und nicht, was an Punkten auf dem Weg vor sich geht. Die unendliche Reihe ist ein nützliches Modell zur Lösung des Raumzeitfeldes innerhalb der Linie.
@darron, Sie sollten in der Lage sein, G bequem zu ignorieren, wenn es >> als R im Modell ist. In diesem Fall sind Ihre Verluste hauptsächlich auf den effektiven RLC-Filter zurückzuführen, der im Modell am Arbeitspunkt Ihrer Frequenz erkennbar ist. Dies wird am Ende wie ein Tiefpassfilter für alle Absichten und Zwecke aussehen. Erwarten Sie also, dass Ihre Kanten weicher werden.

Die Kabelhersteller geben an, wie stark das Signal pro Längeneinheit bei gegebener Frequenz des Signals gedämpft wird.

In Bezug auf Signalverzerrungen ist mir nichts Nennenswertes bekannt, solange Sie abgeschirmte Kabel verwenden. Aber nehmen Sie mich nicht beim Wort.

Die Übertragung von RS232-Pegelsignalen über eine so lange Kabelstrecke wird schwierig sein.

Wenn ich es wirklich machen wollte, benutze ein Standard-Telefonmodem und bei Bedarf einen Netzspannungsgenerator. Für die Simulation hat @krapht Recht. Verwenden Sie STP oder Koax.

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