Übertragungsleitungssimulation (physikalisch)

Ich muss in der Lage sein, die Kommunikation mit einem Sensor über eine große Kabellänge (0-10 km) zu simulieren. Dies ist für ziemlich langsame Kommunikation (max. 10 kHz, normalerweise jedoch 1-2 kHz). Dies wäre FSK ... aber irgendwann muss ich möglicherweise auch ein RS232-ähnliches Signal mit niedrigem Baud verarbeiten.

Meistens suche ich nach Spannungsabfall und Signalverzerrungen. Verzögerung macht nicht viel aus.

Wie würden Sie vorgehen?

BEARBEITEN:

Ich konnte feststellen, dass das Kabel tatsächlich eine (ziemlich nicht standardmäßige) Art von Koaxialkabel ist. Ich kenne jetzt den Widerstand und die Kapazität pro Längeneinheit, die Querschnittsgeometrie und weiß, dass der Isolationswiderstand hoch genug ist, um keine Rolle zu spielen. Es war anfangs 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 mit einem hohen Gleichstromversatz (Kommunikation über Leistung).

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

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

EDIT 2:

Okay, wenn ich nur Widerstände, Kappen und Induktivitäten hinzufüge ... wie sieht das Modell aus? Das unten stehende RLGC-Netzwerk geht davon aus, dass die Gründe meines Erachtens auf dem gleichen Potenzial liegen (eine sichere Annahme für Leiterplatten mit Bodenebenen). Die Rückführung erfolgt in diesem Fall durch die Außenhülle, und der Widerstand ist wahrscheinlich dreimal höher als der des Innenleiters. Ändert das die Dinge erheblich? Füge ich einfach einen weiteren Widerstand an der unteren Schiene hinzu und teile die Kapazität auf beiden Seiten auf?

simulation transmission-line

— darron
quelle

Verwenden Sie FSK mit einem 10-kHz-Träger oder senden Sie Daten mit 10 kBaud? Was meinst du mit RS232-like? Basisband oder nur 1 Bit / Symbol?

— Nick T

Ist es Koax oder etwas anderes?

— Tyblu

Antworten:

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

Alt-Text

wo:

x ist der Abstand entlang der Übertragungslinie
Es ist die verstrichene Zeit
L ist die Induktivität pro Längeneinheit
C ist die Kapazität pro Längeneinheit
R ist der Widerstand pro Längeneinheit
G ist die Leitfähigkeit pro Längeneinheit

Dies wird Ihnen wahrscheinlich nur von begrenztem Nutzen sein, denn wenn ich hier zwischen den Zeilen lese, klingt es so, als würden Sie ein digitales Signal (dh eine Rechteckwelle) übertragen. Die Kanten in der Rechteckwelle sind wirklich "breites Spektrum". Aus diesem Grund durchlaufen die meisten Kommunikationssysteme einen Modulations- und Demodulationsschritt, um das Spektrum des Signals "auf der Leitung" zu begrenzen. Ich denke jedoch, dass die obige Gleichung zutrifft, da das "Signal" in einer Rechteckwelle analytisch "hochfrequent" ist.

Auf jeden Fall sieht Ihr Signal im "stationären" hohen Pegel Ihres Eingangssignals unter der Annahme, dass Ihr Empfänger eine hohe Impedanz aufweist, einen Spannungsteiler, der auf dem charakteristischen Widerstand und der Leitfähigkeit 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 Matlab Simulink verwenden, um die Übertragungscharakteristik der Schaltung zu modellieren, und das Modell mit einer repräsentativen Eingangswellenform versorgen, 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

Um zu klären, was Sie unter physikalischer Simulation verstanden haben, richten Sie, wenn Sie versuchen, den Effekt einer Übertragungsleitung physikalisch einzuführen, einfach die Schaltung in der Abbildung mit den entsprechenden Werten für Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände ein, deren Größe entsprechend ist die Eigenschaften und die Länge der Übertragungsleitung, die Sie emulieren möchten.

— vicatcu
quelle

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 sogar bei 10 km (über 5 mm Isolierung)

— Darron

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 das schreckliche Klingeln, als ich dieses Zeug vor Jahren beobachtet habe ... aber ich vermute, dass dies eher auf eine sehr schlechte Impedanzanpassung zurückzuführen war.

— Darron

@darron, ich denke, das konzentrierte 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 zum Lösen des Raum-Zeit-Feldes innerhalb der Linie.

— Vicatcu

@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 Betriebspunkt Ihrer Frequenz erkennbar ist. Dies wird in jeder Hinsicht wie ein Tiefpassfilter aussehen. Erwarten Sie also eine gewisse Erweichung Ihrer Kanten.

— Vicatcu

@darron, überprüfen Sie sim.okawa-denshi.jp/en/RLClowkeisan.htm

— vicatcu

Die Kabelhersteller teilen Ihnen mit, wie stark das Signal pro Längeneinheit bei der Frequenz des Signals gedämpft wird.

In Bezug auf Signalverzerrungen ist mir nichts Wesentliches bekannt, solange Sie ein abgeschirmtes Kabel verwenden. Aber nimm mein Wort nicht dafür.

Das Übertragen von RS232-Pegelsignalen über eine so lange Kabelstrecke ist schwierig.

— krapht
quelle

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

— Brian Carlton
quelle