PL208179B1 - Sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej tak, aby sygnały te nie wywoływały wzajemnych zakłóceń, czyli aby transmisja ta była wolna od przesłuchów, co znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach elektroniki i telekomunikacji.

Wieloprzewodowe linie transmisyjne służą do przesyłania wielu sygnałów od abonenta do centrali i między centralami. W komputerach i innych urządzeniach cyfrowych służą do przesyłania sygnałów cyfrowych między układami scalonymi, blokami funkcjonalnymi i urządzeniami peryferyjnymi na przykład w postaci tak zwanej szyny danych lub magistrali. Mogą też występować wewnątrz układu scalonego, gdzie konieczne jest przesyłanie wielu sygnałów między elementami układu. We wszystkich tych przypadkach istnieje groźba zakłóceń właściwego funkcjonowania urządzeń związana z występowaniem przesłuchów między niezależnymi sygnałami. W ostatnich latach waga problemów związanych z eliminacją, bądź ograniczeniem przesłuchów gwałtownie wzrosła. Jest to między innymi wynikiem czynników takich jak: wzrost częstotliwości sygnałów w tradycyjnych kanałach łączności telefonicznej związany z adaptacją tych kanałów do potrzeb przesyłania sygnałów internetowych, gwałtowny wzrost częstotliwości zegarów układów cyfrowych, jak również wzrost stopnia upakowania układów monolitycznych i płytek drukowanych zwiększający ich podatność na przesłuchy.

Wieloprzewodowa linia transmisyjna stanowi linię złożoną z N + 1 przewodów elektrycznych, z których jeden jest to przewód posiadający potencjał odniesienia dla przewodów pozostałych, stanowiących przewody sygnałowe jak pokazano na pos. Ib i pos. Ic rysunku. Zwykle przewód odniesienia połączony jest z masą i może stanowić także ekran linii, jak pokazano na pos. Ia oraz Ie rysunku. Teoretycznie do potencjału odniesienia może być podłączony więcej niż jeden przewód linii. Jest to jednak przypadek mało użyteczny praktycznie, dlatego dla linii N + 1 wieloprzewodowej występuje liczba N przewodów sygnałowych przy założeniu N > 1. Przewody linii mają dowolny przekrój i dowolne położenie wzajemne. Przestrzeń między przewodami i dookoła przewodów wypełniona jest jednym lub wieloma dielektrykami. Przyjęto założenie, że kształt przekroju poprzecznego przewodów metalowych i dielektryków nie zmienia się wzdłuż linii. Konfiguracja dielektryków jest taka, że prędkości rozchodzenia się różnych rodzajów w linii są równe lub prawie równe. Ponadto zakładamy, że sygnały przenoszone są w linii przez rodzaje TEM = transverse electromagnetic mode lub quasi-TEM, czyli brak jest w linii składowych wzdłużnych pola elektromagnetycznego lub są pomijalnie małe.

Postacie pos. Ia, pos. Ib, pos. Ic, pos. Id, pos. Ie, rysunku pokazują przykładowo kilka różnych typów wieloprzewodowej linii transmisyjnej, stosowanych w praktyce, które nie ograniczają się do przedstawionych na rysunku. Wynalazek dotyczy tych, jak również i innych typów spełniających ogólne cechy wieloprzewodowej linii transmisyjnej.

Zasadę powstawania przesłuchu w znanej prostej linii 3-przewodowej ilustruje postać pos. II rysunku. Linia posiada dwa przewody sygnałowe N = 2 rozróżniane jako pierwszy i drugi. Przewody sygnałowe umieszczone są nad płaszczyzną stanowiącą przewód odniesienia podłączony do masy.

Długość linii ograniczona jest dwoma poprzecznymi płaszczyznami jej cięcia, które określają dwa brzegi linii. Brzeg bliższy stanowi początek linii l = 0, a strona przeciwległa koniec linii l = L. Pobudzany jest tylko pierwszy przewód sygnałowy na początku linii. Każda linia złożona z przewodu sygnałowego i przewodu odniesienia jest obciążona na obu brzegach impedancją charakterystyczną Zp1, Zp2, Zk1, Zk2 linii niesprzężonej to jest dopasowana falowo. Źródło pobudzające powoduje powstawanie fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w kierunku końca linii l = L. Fala elektromagnetyczna powoduje powstanie fal napięcia i prądu na obydwu przewodach sygnałowych. Fale napięcia i prądu w przewodzie drugim powstają z powodu występowania sprzężenia między przewodami sygnałowymi. Amplitudy napięcia i prądu fal w przewodzie drugim są zależne od siły tego sprzężenia, która charakteryzowana jest współczynnikiem sprzężenia. Prąd płynący w przewodzie drugim wytwarza natychmiast spadek napięcia na jego impedancji obciążającej Zp2 dołączonej na jego początku, powodując tak zwany przesłuch w obciążeniu bliskim, stanowiącym impedancję obciążającą przewód drugi na początku linii l = 0, czyli po tej samej stronie co pobudzenie wywołujące przesłuch - stronie bliższej pobudzenia. Analogicznie, impedancja Zk2 obciążająca przewód drugi na końcu linii l = L stanowi obciążenie dalekie. Zakończenie każdego przewodu sygnałowego tylko jedną impedancją do masy nie może dopasować bezodbiciowo fal rozchodzących się w liniach sprzężonych, następują więc wielokrotne odbicia na początku i końcu linii, które ustalają ostateczną wartość napięć przesłuchów na obciążeniu bliskim i dalekim linii drugiej.

PL 208 179 B1

Znany inny sposób przesyłania sygnałów w wieloprzewodowych liniach transmisyjnych z ograniczaniem przesłuchów polega na tym, że stosuje się układy zrównoważone pokazane na pos. III rysunku. Jest to linia z czterema 1, 2, 3, 4 przewodami sygnałowymi, to jest N = 4 skojarzonymi w pary pierwszy 1 - trzeci 3 raz drugi 2 - czwarty 4. Każda para 13, 2-4 zasilana jest jednym sygnałem w sposób zrównoważony z transformatora, którego odczep na środku uzwojenia zasilającego jest uziemiony i podłączony do przewodu odniesienia linii. Wadą takiego rozwiązania jest możliwość przesyłania tylko dwóch różnych sygnałów w linii pięcioprzewodowej N + 1 = 5. Ponadto, w przypadku zastosowania większej liczby przewodów w jednym ekranie nie ma możliwości wyeliminowania przesłuchów między wszystkimi parami nawet przy wykorzystaniu, dość powszechnie stosowanego w praktyce, skręcania przewodów.

Inne znane rozwiązanie zaproponował D. Mansour w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej nr 6 226 330, w którym wykorzystano w powszechnie znanych wieloprzewodowych liniach transmisyjnych, obliczanie macierzy indukcyjności, z uwagi na to, że układ ma więcej niż dwa zaciski wejściowe lub wyjściowe i nie można go scharakteryzować pojedynczą impedancją charakterystyczną tylko macierzą oraz obliczanie macierzy indukcji elektrostatycznej. Znajomość tych macierzy pozwala na obliczenie macierzy wektorów własnych. Jeżeli każdy z sygnałów odpowiada jednemu wektorowi własnemu, to sygnały te są wzajemnie ortogonalne a więc rozchodzą się w linii bez przesłuchów. Do prawidłowego działania układu potrzebne jest jeszcze bezodbiciowe dopasowanie obu końców linii. Odpowiedni zestaw oporników dopasowujących można obliczyć również na podstawie znajomości macierzy indukcyjności i indukcji elektrostatycznej. Zaletą rozwiązania według patentu jest to, że w linii o N + 1 przewodach można przesyłać N - 1 sygnałów, a więc na przykład w przewodzie z pos. III rysunku można przesyłać trzy różne sygnały, a nie dwa, jak w przypadku dwóch par zrównoważonych. Jednakże główną wadą rozwiązania według patentu jest wielka komplikacja układu kodującego po stronie nadawczej i dekodującego po stronie odbiorczej. Układ taki musi być coraz bardziej rozbudowywany wraz ze wzrostem liczby przewodów linii, co ogranicza praktyczne wykorzystanie takiego rozwiązania ze względu na koszt realizacji układów.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, składającej się z N przewodów sygnałowych i przewodu odniesienia, dopasowanej bezodbiciowo na obu końcach dla rozchodzących się w niej fal napięcia i prądu, jeden lub więcej nadajników sygnałów napięciowych łączy się w dowolnych punktach do każdego przewodu sygnałowego szeregowo, w postaci źródeł napięciowych o małej impedancji wewnętrznej to znaczy dużo mniejszej od impedancji charakterystycznej pojedynczej linii złożonej z tego przewodu i przewodu odniesienia, natomiast sygnały napięciowe między n-tymi przewodami sygnałowymi i przewodem odniesienia, gdzie n = 1,...,N, 0 < l < L jest położeniem punktu wzdłuż linii od jej początku l = 0 do końca i = L, odbiera się odbiornikami o dużej impedancji wejściowej, to znaczy dużo większej od impedancji charakterystycznej pojedynczej linii złożonej z tego przewodu i przewodu odniesienia, przy czym każdy dołącza się między dowolny punkt n-tego przewodu sygnałowego a przewód odniesienia lub odbiornikami nie spełniającymi wymogu dużej impedancji wejściowej które dołącza się na dowolnym końcu linii l = 0 lub l = L tak, że ich impedancje wewnętrzne zastępują w części lub całości impedancje dopasowujące bezodbiciowo linię na jej końcu, co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że każdy sygnał napięciowy odbierany między n-tym przewodem sygnałowym a przewodem odniesienia jest zależny wyłącznie od źródeł dołączonych do n-tego przewodu sygnałowego natomiast jest niezależny od źródeł dołączonych do pozostałych przewodów sygnałowych.

Korzystne jest, jeśli bezodbiciowe dopasowanie impedancji na obu końcach wieloprzewodowej linii transmisyjnej realizuje się w postaci układu impedancji takiego, że każde dwa przewody sygnałowe i przewód odniesienia łączy się w układzie impedancji typu n złożonym z trzech impedancji w tym dwie włącza się między każdy z przewodów sygnałowych a przewodem odniesienia a trzecią impedancje włącza się pomiędzy przewodami sygnałowymi.

Korzystne jest, jeśli źródła napięciowe stanowią niskoomowe uzwojenia transformatorów lub wyjścia aktywnych układów wzmacniających lub wyjścia aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

Korzystne jest, jeśli odbiorniki sygnałów stanowią uzwojenia transformatorów lub wejścia aktywnych układów wzmacniających o odpowiednich impedancjach.

Pierwszy inny sposób według wynalazku polega na tym, że co najmniej jedno ze źródeł napięciowych mają impedancje wewnętrzne o znacznym poziomie wartości, w odniesieniu do warunku o impedancji wewnętrznej dużo mniejszej od impedancji charakterystycznej pojedynczej linii złożonej

PL 208 179 B1 z rozważanego przewodu sygnałowego i przewodu odniesienia, jednak każde z tych źródeł położone jest na początku l = 0 lub na końcu l = L linii, czyli źródło i ich impedancją stanowią przedłużenie przewodów sygnałowych, a układ impedancji dołączonych na końcu każdej z linii modyfikuje się tak, że te zmodyfikowane impedancje razem z impedancjami źródeł, stanowiących przedłużenie przewodów sygnałowych, tworzą układ impedancji dopasowujących bezodbiciowo fale prądu i napięcia propagujące się w tej linii wieloprzewodowej, co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że każdy sygnał napięciowy odbierany między n-tym przewodem sygnałowym a przewodem odniesienia jest zależ ny wyłącznie od ź ródeł dołączonych do n-tego przewodu sygnałowego natomiast jest niezależny od źródeł dołączonych do pozostałych przewodów sygnałowych.

Korzystne jest w pierwszym innym sposobie według wynalazku, jeśli impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowią oporniki, albo, jeśli impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowi kombinacja obwodów RLC lub impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowią uzwojenia transformatorów, bądź impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowią impedancje wejściowe lub wyjściowe aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących, ponadto, jeśli źródła stanowią uzwojenia transformatorów lub wyjścia aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

Korzystne jest, jeśli bezodbiciowe dopasowanie impedancji na obu końcach wieloprzewodowej linii transmisyjnej jest w postaci układu impedancji takiego, że każde dwa przewody sygnałowe i przewód odniesienia łączy się w układzie impedancji typu II złożonym z pięciu impedancji w tym dwie impedancje stanowiące górne gałęzie układu H włączone są szeregowo jako przedłużenie przewodów sygnałowych linii i w całości lub części stanowią impedancje źródeł, a pozostałe trzy impedancje tworzą dolna część układu typu H czyli układ typu n, w którym dwie impedancje włącza się między przedłużenie każdego przewodu sygnałowego a przewód odniesienia, a trzecią impedancje włącza się pomiędzy przedłużeniami przewodów sygnałowych.

Drugi inny sposób wynalazku polega na tym, że w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, składającej się z N przewodów sygnałowych i przewodu odniesienia, dopasowanej bezodbiciowo na obu końcach dla rozchodzących się w niej fal napięcia i prądu tak, że układ impedancji dopasowujących zawiera impedancje dołączone szeregowo na końcach przewodów sygnałowych, czyli stanowiące przedłużenie przewodów sygnałowych, jeden lub więcej nadajników sygnałów w postaci źródeł prądowych o dużej impedancji wewnętrznej włącza się między przewód odniesienia a dowolny przewód sygnałowy, natomiast sygnały odbiera się jako sygnały napięciowe na impedancjach stanowiących przedłużenie przewodów sygnałowych, co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że każdy sygnał napięciowy odbierany na przedłużeniu n-tego przewodu sygnałowego jest zależny wyłącznie od źródeł prądowych dołączonych do n-tego przewodu sygnałowego natomiast jest niezależny od źródeł dołączonych do pozostałych przewodów sygnałowych.

Korzystne jest w drugim innym sposobie według wynalazku, jeśli impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowią oporniki, albo, jeśli impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowi kombinacja obwodów RLC lub impedancje dopasowujące linię oraz impedancje zmodyfikowane stanowią uzwojenia transformatorów, bądź impedancje dopasowujące linie oraz impedancje zmodyfikowane stanowią impedancje wejściowe lub wyjściowe aktywnych układów wzmacniających, lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących, ponadto, jeśli źródła stanowią uzwojenia transformatorów lub wyjścia aktywnych układów wzmacniających, lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

Korzystne jest, w drugim innym sposobie według wynalazku, jeśli bezodbiciowe dopasowanie impedancji na obu końcach wieloprzewodowej linii transmisyjnej realizuje się w postaci układu impedancji, w którym dwa przewody sygnałowe i przewód odniesienia łączy się w układzie impedancji typu H złożonym z pięciu impedancji w tym dwie impedancje stanowiące górne gałęzie układu H włączone są szeregowo jako przedłużenie przewodów sygnałowych linii i w całości lub części stanowią impedancje wejściową odbiorników sygnałów, a pozostałe trzy impedancje tworzą dolna część układu typu H, czyli układ typu II, w którym dwie impedancje włącza się między przedłużenie każdego przewodu a przewód odniesienia a trzecią impedancje włącza się pomiędzy przedłużeniami przewodów sygnałowych.

Zgodnie z wynalazkiem oraz pierwszym innym wynalazkiem, sposoby przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej pozwalają na uwolnienie od przesłuchów. Ponadto, sygnały nie są przesyłane modami ortogonalnymi a więc nie jest konieczne stosowanie skomplikowanego kodowania/dekodowania sygnałów. Ponadto, eliminacja wzajemnych przesłuchów mięPL 208 179 B1 dzy sygnałami w wieloprzewodowych liniach transmisyjnych odbywa się w sposób inny, bowiem w linii o N + 1 przewodach można przesyłać N sygnałów, a więc liczbę większą.

Przykład wykonania sposobu według wynalazku jest przedstawiony w oparciu o rysunek, który na fig. 1 przedstawia sposób zasilania jednego z przewodów wieloprzewodowej linii transmisyjnej, szeregowym źródłem napięciowym, a na fig. 2 - podstawowy układ sposobu zasilania i obciążania wieloprzewodowej linii transmisyjnej, w sposób wolny od przesłuchów, zaś na fig. 3 - układ do realizacji sposobu podłączania pobudzeń o niezerowej impedancji wewnętrznej, natomiast na fig. 4 - przekształcenia ułatwiające wyznaczenie zmodyfikowanych wartości impedancji zachowujących taką samą macierz impedancyjną przy podłączeniu pobudzenia o niezerowej impedancji wewnętrznej, a na fig. 5 - układ impedancji zmodyfikowany do postaci H ale mający taką samą macierz impedancyjną jak układ z fig. 3, natomiast na fig. 6 - układ do realizacji pobudzania z symetrycznego wyjścia układu aktywnego, zaś na fig. 7 - układ do realizacji pobudzenia z zastosowaniem transformatora, a na fig. 8 układ z pobudzeniem źródłami prądowymi, przy czym na rysunkach 1-8 przedstawiano dla uproszczenia linie z dwoma, trzema lub czterema przewodami sygnałowymi, co ilustruje sposób, który zastosowany jest do linii o dowolnej liczbie N przewodów sygnałowych.

Przekroje poprzeczne typów linii wieloprzewodowych, znanych ze stanu techniki, przedstawiono na pos. Ia rysunku, który pokazuje linię wieloprzewodową w ekranie, a na pos. Ib - linię wieloprzewodową bez ekranu, a na pos. Ic - wieloprzewodowy kabel taśmowy, zaś na pos. Id - linię mikropaskową, a na pos. Ie - linię paskową symetryczną ekranowaną, natomiast na pos. II przedstawiono układ powstawania przesłuchów w klasycznej konfiguracji zasilania linii trójprzewodowej, a na pos. III - układ wieloprzewodowej linii do ograniczania przesłuchów z wykorzystaniem zasilania symetrycznego, zrównoważonego.

Na figurze 1 rysunku przedstawiono sposób eliminacji przesłuchów sposobu według wynalazku. Pokazany wycinek wieloprzewodowej linii transmisyjnej jest dopasowany bezodbiciowo dla wszystkich rodzajów fal rozchodzących się w obie strony. W środek pierwszego z przewodów włączono szeregowo źródło napięciowe E> Źródło to powoduje powstanie fal rozchodzących się w obu kierunkach. Symetria i obustronne dopasowanie struktury powoduje, że amplitudy napięcia V^-i,V+i i prądu m+i obu fal będą na przewodzie pierwszym równe, przy czym prądy JTjJ+i będą miały zwroty zgodne, a napięcia V^-i,V+1 przeciwne. Na przewodzie drugim, trzecim zaindukuje się prąd kJą wynikający ze sprzężenia oraz zerowe napięcie V₂ = 0, V₃ = 0. Powstaje więc taki zestaw rodzajów własnych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, który wymusza na innych przewodach zerowe napięcie. Ten zestaw rodzajów własnych dochodząc do końca wieloprzewodowej linii transmisyjnej zakończonego dopasowaniem bezodbiciowym nie wytworzy spadku napięcia na impedancji łączącej kolejne przewody sygnałowe z masą, a więc linia będzie wolna od przesłuchu sygnału z przewodu pierwszego na inne przewody. Pobudzanie pozostałych przewodów sygnałowych w analogiczny sposób zapewnia przesyłanie sygnałów bez przesłuchów w całej wieloprzewodowej linii transmisyjnej.

Sposób według wynalazku przedstawiony w oparciu o rysunek na fig. 2, przy założeniu linii 4-przewodowej. Trzy przewody sygnałowe umieszczone są nad płaszczyzną stanowiącą przewód odniesienia podłączony do masy. Do każdego przewodu sygnałowego dołącza się szeregowo źródła napięciowe, co zostało zilustrowane dołączeniem dwóch źródeł napięciowych do każdego przewodu sygnałowego: E^, Ej2, E21, E22, E31, E32. Linia jest obciążona na obu brzegach zestawem impedancji Zpii, Zpi2, Zp2i, Zp22, Zp3i, Zp32, na początku linii oraz Zkii, Zki2, Zk2i, Zk22, Zk3i, Zk32 na końcu linii, przy czym między poszczególnymi przewodami sygnałowymi a przewodem masy występują obciążające impedancje własne Z_Pn, Zp22, Zp33 na początku linii oraz Z_k11, Zk22, Zk33 na końcu linii, oraz między różnymi przewodami sygnałowymi występują obciążające impedancje wzajemne Z_Pn, Z_P3i, Zp32 na początku linii i Z_Pn, Zp3i. Zp32 na końcu linii. Zestawy impedancji na początku linii Z_p11, Zpi₂. Zp2i, Zp22, Zp3i , Zp32 i impedancje Zkii , Zki2, Zk2i , Zk22, Zk3i , Zk32 na końcu linii są takie same i dobiera się je tak, aby zapewnić bezodbiciowe dopasowanie linii. Wartości tych impedancji oblicza się zgodnie z ogólnie znaną teorią wieloprzewodowych linii transmisyjnych. W tym celu należy uzyskać macierz impedancyjną linii i na jej podstawie wyznaczyć wartości impedancji obciążających. Do obliczeń można wykorzystać programy komputerowe takie jak „Linpar”, autorzy: A. R. Djordjević, M. p. Bazdar, T. K. Sarkar, R. F. Harrington, Artech House, 1996 oraz „Multlin”, autorzy: A. R. Djordjević, D. D. Cvetković, G. M. Ćujić T. K. Sarkar, Artech House, 1996 lub inne programy dwuwymiarowej analizy elektromagnetycznej. Sposób wyznaczania impedancji opisany jest w instrukcjach do powyższych programów oraz w wielu publikacjach naukowych, np. D. F. Wiliams, L. A. Hayden, R. B. Marks, “A complete multimode equivalent-circuit theory for electrical design”, Journal of Research National Jnstitute

PL 208 179 B1 of Standards and Technology, vol. 102, July-Aug 1997. W większości przypadków sprzężenia między przewodami sygnałowymi, które nie są położone w bezpośrednim sąsiedztwie, są bardzo małe, wówczas w zastosowaniach praktycznych upraszcza się układ pomijając obciążające impedancje wzajemne między słabo sprzężonymi przewodami sygnałowymi. W takim przypadku w układzie pomija się impedancje łączące przewody pierwszy i trzeci. Przedstawiona konfiguracja impedancji dopasowujących linię nie jest jedyną możliwą, ale najbardziej przydatną praktycznie. W ogólności może być to dowolna sieć impedancji, której zastępcza macierz impedancyjną będzie obciążała linię bezodbiciowo.

Przesyłane sygnały doprowadza się do poszczególnych przewodów sygnałowych przez włączenie szeregowo źródeł napięcia E--, E-2, E-, E22, E3-, E32 o bardzo małej impedancji wewnętrznej. Przez impedancję bardzo małą rozumie się impedancję pomijalnie małą w stosunku do impedancji własnej danego przewodu sygnałowego. Małą impedancje źródeł zapewnić można przez zastosowanie odpowiedniego wyjścia układu aktywnego pokazanego na fig. 6 rysunku lub niskoimpedancyjnego uzwojenia transformatora, jak pokazano na fig. 7 rysunku. Odbiór każdego z transmitowanych sygnałów odbywa się przez pobranie napięcia sygnału między danym przewodem sygnałowym i przewodem masy w dowolnym punkcie wzdłuż całego przewodu sygnałowego. Jeśli punkt odbioru sygnału nie jest położony na jednym z brzegów przewodu sygnałowego to układ odbiorczy musi mieć dużą impedancje wejściową znacznie większą od impedancji własnej przewodu Z_p11, Zp22, Z_P33, na początku linii oraz Zk11, Zk22, Zk33 na końcu linii. Jeśli natomiast punkt odbioru sygnału położony jest na początku lub na końcu przewodu to impedancją wejściowa układu odbiorczego zastępuje obciążającą impedancje własną przewodu Z_p11, Z_P22, Z_P33 na początku linii oraz Zkh, Z_K22, Zk33 na końcu linii. Jeśli stosowany jest układ odbiorczy o dowolnej impedancji to łączy się do niego dodatkową impedancje równolegle lub szeregowo tak, aby to połączenie miało impedancje wypadkową równą obciążającej impedancji własnej przewodu Z_Pii, Z_P22, Z_P33 na początku linii oraz Zk-i-i, Z_K22, Zk33 na końcu linii.

Na figurze 3 rysunku przedstawiono pierwszy inny sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej w przypadku, gdy trudno spełnić praktycznie wymaganie dotyczące małej impedancji wewnętrznej źródła. Sposób dotyczy również dowolnej liczby N przewodów w wieloprzewodowych liniach transmisyjnych ale został zilustrowany dla przypadku linii trójprzewodowej. Przy założeniu, że źródła sygnału E--, E21 nie spełniają warunku odpowiednio małej impedancji wewnętrznej włącza sieje na początku l = 0 lub na końcu linii l = L. W układzie przyjęto zastosowanie dwóch pobudzeń. Pierwsze o impedancji Zj- pobudza przewód pierwszy na początku linii l = 0, drugie o impedancji Z^e ₂- pobudza przewód drugi na końcu linii l = L. W takim przypadku dla zachowania dopasowania ulegają modyfikacji pozostałe impedancje obciążające linię. Ich zmodyfikowane wartości Z_p11, Z_P22, Z_P21 na początku linii oraz Zkii, Z_K22, Zk2i na końcu linii oblicza się z warunku zapewnienia identycznej macierzy impedancyjnej układu oryginalnego. W ogólności stosuje się przekształcenia macierzowe ogólnie znane z teorii obwodów.

Dla rozważanej konfiguracji, przekształcenia wartości impedancji przedstawione zostały na fig. 4 rysunku, który przedstawia przekształcenia ułatwiające wyznaczenie zmodyfikowanych wartości impedancji zachowujących taką samą macierz impedancyjną przy podłączeniu pobudzenia o niezerowej impedancji wewnętrznej. Polegają one na przejściu impedancji Z_p11, Z_P21, Z_P22 z konfiguracji typu n na konfigurację impedancji Z^tp11, Z^tP21, Z^tP22 typu T. Prawa górna impedancją konfiguracji typu T określa maksymalną wartość impedancji wewnętrznej Zja źródła E--. Po odjęciu impedancji wewnętrznej Zjj. u źródła E-1 od prawej górnej impedancji konfiguracji typu T, przechodzi się z pozostałymi impedancjami ponownie na konfigurację typu II. Powoduje to otrzymanie nowych wartości obciążających impedancji własnych i wzajemnych linii Z_p11, Z_P22, Z_P21. Napięcie V_K11 jest napięciem na odbiorniku sygnału pobudzanego przez źródło E-- i jest ono wolne od przesłuchu od pozostałych pobudzeń. Napięcie V_P22 jest napięciem na odbiorniku sygnału pobudzanego przez źródło E- i jest ono wolne od przesłuchu od pozostałych pobudzeń. Możliwe jest stosowanie źródeł o większej wartości impedancji wewnętrznej niż wynikająca z powyższego przekształcenia. Pozostałe impedancje można zmodyfikować tak, że nie będzie przesłuchu od pobudzenia z tej samej strony linii. Jednak cały układ impedancji nie zachowa właściwości obciążenia bezodbiciowego dla sygnałów pochodzących od pobudzeń z przeciwległej strony linii, czyli nie zachowa właściwej macierzy impedancyjnej. Może mieć to zastosowanie do propagacji sygnałów tylko w jednym z kierunków.

Na figurze 5 rysunku, przedstawiono uogólnienie konfiguracji impedancji pierwszego innego sposobu według wynalazku, obciążających linię w sposób bezodbiciowy. Impedancje Z^ep11, Z^eP22, Z^Ekii, Z^eK22, podłączone są szeregowo do przewodów sygnałowych, czyli stanowią ich przedłużenia. Impedancje te mogą stanowić w całości lub części impedancje wewnętrzne źródeł sygnałów pobudzaPL 208 179 B1 jących lub częściowo wchodzić w skład impedancji odbiorników. Wartości impedancji oblicza się zgodnie z opisem dla fig. 3 oraz fig. 4 rysunku. Różnica w stosunku do fig. 3 polega na wyszczególnieniu wszystkich możliwych impedancji przedłużeń przewodów linii i co jest z tym związane przesunięciu punktów potencjałów Vkh i Vp22, które są wolne od przesłuchu. Przy obliczaniu wartości impedancji posługujemy się przekształceniem przedstawionym na fig. 4, przy czym należy uwzględnić wyodrębnienie w sposób symetryczny drugiej górnej impedancji, która stanowi część impedancji Zj₂₂ z fig. 4. Pozostałe impedancje tworzące układ typu II dla odróżnienia oznaczamy indeksami bis. Przedstawiony sposób obciążania linii nazywamy układem typu H. Na początku linii mamy zestaw pięciu impedancji Z_pii, Zj₂₂. Zj₂₁, Z^Epii, Z^EP22, a na końcu linii zestaw pięciu impedancji Z__Kii, Z__K22, Z_k2i. Z^Ek11, Z^EK22. Impedancje przedłużeń przewodów sygnałowych stanowią górne gałęzie układu H, a pozostałe trzy impedancje z danej strony tworzą dolna część układu typu H, czyli układ typu II, w którym dwie impedancje są włączone między przedłużenie każdego przewodu a przewód odniesienia a trzecia impedancją włączona jest pomiędzy przedłużeniami przewodów sygnałowych.

Figura 6 rysunku przedstawia przykładowy sposób pobudzania pierwszego przewodu sygnałowego linii trój przewodowej stanowiącej część linii czteroprzewodowej pokazanej na fig. 2 rysunku, z wyjścia układu aktywnego symbolizowanego przez wzmacniacz operacyjny z wyjściem symetrycznym. Wzmacniacz operacyjny może charakteryzować się bardzo małą impedancją wyjściową. Dlatego w tym przypadku możliwa jest najprostsza implementacja, bez zmian wartości impedancji obciążających linię. Wzmacniacz operacyjny obejmuje także wszelkiego rodzaju układy aktywne z wyjściem symetrycznym, takie jak np. wzmacniacze różnicowe. Jeśli impedancja wyjściowa układu pobudzającego jest niezerowa, należy obliczyć nowe wartości impedancji obciążających linię Z_P11, Z_P21, Z_P22 zgodnie z tym, jak przedstawiono w opisie fig. 3 rysunku oraz schematem opisanym i przedstawionym na fig. 4.

Figura 7 przedstawia przykładowy pierwszy inny sposób pobudzania pierwszego przewodu sygnałowego linii trójprzewodowej pokazanej na fig. 3 rysunku przy użyciu transformatora, a więc układem pasywnym. Pobudzenie takie z reguły charakteryzuje się niezerową impedancją wyjściową, dlatego w większości przypadków bierze się pod uwagę przeliczanie wartości impedancji obciążających linię Zjii, Zj₂i, Z'_P22 zgodnie z tym, jak przedstawiono w opisie fig. 3 rysunku. Dodatkową zaletą pobudzenia transformatorowego jest możliwość realizacji pobudzeń z separacją galwaniczną. Przy wyższych częstotliwościach stosować można innego rodzaju pasywne układy symetryzujące lub w ogólności transformujące pobudzenia o charakterze niezrównoważonym, czyli względem masy na pobudzenia o charakterze zrównoważonym.

Na figurze 8 przedstawiono drugi inny sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej z zastosowaniem źródeł prądowych o dużej impedancji wewnętrznej, przy założeniu linii 3-przewodowej. Linię dopasowuje się bezodbiciowo na obu końcach impedancjami w konfiguracji H, czyli impedancjami Zjii, Zj₂₂, Zj₂i, Z^EP11, Z^EP22 na początku linii oraz Z__Kii, Z__K22, Z._K2i, Z^Ek1 1, Z^EK22 na końcu linii, przy czym impedancje Z^EP11, Z^EP22, Z^EK11, Z^EK22 włącza się szeregowo do przewodów sygnałowych czyli stanowią one ich przedłużenia. Do każdego z przewodów sygnałowych dołącza się nadajniki sygnałów w postaci źródeł prądowych oznaczonych odpowiednio J^, J21 Odbiór sygnałów dokonywany jest na impedancjach stanowiących przedłużenia przewodów sygnałowych przy czym napięcia Vpn. V_K11 na impedancjach Z^EP11, Z^Ek11 nie zależą od źródła prądowego J21, a napięcia V_P22, V_K22 na impedancjach Z^EP22, Z^EK22 nie zależą od źródła prądowego J^, co sprawia, że transmisja sygnałów jest wolna od przesłuchów.

Pewnym ograniczeniem zakresu zastosowań rozwiązań według wynalazku jest konieczność stosowania takiej konfiguracji wypełnienia dielektrycznego w wieloprzewodowych liniach transmisyjnych, aby prędkości propagacji różnych rodzajów były do siebie zbliżone. Różnice prędkości poszczególnych rodzajów mogą bowiem powodować pogorszenie stopnia eliminacji przesłuchów.

Claims (19)

1. Sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, składającej się z liczby N większej od 2 elektrycznych przewodów sygnałowych oraz dodatkowo jednego przewodu odniesienia, który może mieć postać połączonych ze sobą kilku przewodów, obciążonej na obu końcach zestawem impedancji o liczbie N między poszczególnymi przewodami sygnałowymi a przewodem odniesienia oraz zestawem impedancji o liczbie N(N-1)/2, gdzie n = 1,...,N, k = 1,...,N,

PL 208 179 B1 przy czym k t n, między różnymi przewodami sygnałowymi tak, że linię wieloprzewodową dopasowuje się bezodbiciowo na obu końcach dla wszystkich rodzajów fali mogących się w niej propagować, znamienny tym, że co najmniej jeden z nadajników sygnałów (E11, Ej2,—,E2i, E22. — .E31.. E22. — ,E_Qi), gdzie n = 1,...,N, i = 1,2, 3,..., łączy się w dowolnych punktach do każdego przewodu sygnałowego szeregowo, w postaci źródeł napięciowych o małej impedancji wewnętrznej (Z^E -2, Z^E2i.....Z^Eni << Zpm = ZKm), natomiast sygnały napięciowe (Vi, V2, V?.....Vn(l)) między przewodami sygnałowymi i przewodem odniesienia gdzie n = 1,..., N, 0 < l < L jest położeniem punktu wzdłuż linii od jej początku (l = 0) do końca (l = L), odbiera się odbiornikami o dużej impedancji wejściowej dołączonymi w dowolnym miejscu przewodu linii lub odbiornikami dołączonym na dowolnym końcu linii 0 = 0) lub 0 = L) tak, że ich impedancje wewnętrzne zastępują w części lub całości impedancje ( Zpn = Zkh, Zp21 = Z_K21, ·, Zpnn = Zknn), co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że sygnał V_k, gdzie k = 1 ..N, jest zależny wyłącznie od (Em, Ek2), natomiast jest niezależny od (E^ E^), gdzie k t n.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, ZKm, Z_K1n) stanowią oporniki.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, ZKm, Z_K1n) stanowi kombinacja obwodów RLC.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, ZKm, Z_K1n) stanowią uzwojenia transformatorów.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, ZKm, Z_K1n) stanowią impedancje wejściowe lub wyjściowe aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że źródła Eni (z zastrz. 1 i 2) oraz Enk (z zastrz. 3) stanowią uzwojenia transformatorów lub wyjść aktywnych układów wzmacniających lub pasywnych albo aktywnych układów symetryzujących.

7. Sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, składających się z liczby N większej od 2 elektrycznych przewodów sygnałowych oraz dodatkowo jednego przewodu odniesienia, który może mieć postać połączonych ze sobą kilku przewodów, obciążonej na obu końcach zestawem impedancji o liczbie N między poszczególnymi przewodami sygnałowymi a przewodem odniesienia oraz zestawem impedancji o liczbie N(N-1)/2, gdzie n = 1,...,N, k = 1,...,N, przy czym k t n, między różnymi przewodami sygnałowymi tak, że linię wieloprzewodową dopasowuje się bezodbiciowo na obu końcach dla wszystkich rodzajów fali mogących się w niej propagować, znamienny tym, że wszystkie lub niektóre z ni, gdzie n = 1,...,N, i = 1, 2, 3,..., źródeł napięciowych umieszczone są na początku 0 = 0) lub na końcu 0 = L) n-tego przewodu sygnałowego i mają impedancje wewnętrzne oznaczane przez (Z^Epm, Z^EKm), gdzie n = 1...N, o znacznym poziomie wartości w odniesieniu do warunku w którym impedancje wewnętrzne są dużo mniejsze od impedancji dopasowujących linię (Z^Epm, Z^EKm << Z_m), a impedancje dopasowujące linię na początku i na końcu linii (Z_pnk, Z_Knk), gdzie n = 1...N, k = 1...N, przyjmują wartości zmodyfikowane (Z'_pnk, Z'_Knk), takie, że linia pozostaje dopasowana, co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że sygnał V_k gdzie k = 1...N, między k-tym przewodem sygnałowym i przewodem odniesienia, jest zależny wyłącznie od (Ekj, Ei^), natomiast jest niezależny od (Em, E2,...), gdzie k t n.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_pkn, ZKm, Z_K1n) oraz impedancje zmodyfikowane (Z'p_m, Z'_pkn, ZKm, Z!_K1n) stanowią oporniki.

9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_pkn, ZKm, Z_K1n) oraz impedancje zmodyfikowane (Zpm, ZW, ZKm, Z!_K1n) stanowi kombinacja obwodów RLC.

10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_pkn, ZKm, Z_K1n) oraz impedancje zmodyfikowane (Zpm, Z_pkn, ZKm, Z'_K1n) stanowią uzwojenia transformatorów.

11. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linie (Zpm, Zpkn, ZKm, Z_K1n) oraz impedancje zmodyfikowane (Zpm, Z_pkn, Zkm, Z'_K1n) stanowią impedancje wejściowe lub wyjściowe aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

12. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że źródła Eni stanowią uzwojenia transformatorów lub wyjść aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

13. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że bezodbiciowe dopasowanie impedancji na obu końcach wieloprzewodowej linii transmisyjnej jest w postaci układu impedancji takiego, że każde dwa przewody sygnałowe i przewód odniesienia łączy się w układzie impedancji typu H złożonym z pięciu impedancji w tym dwie impedancje stanowiące górne gałęzie układu H włączone są szeregoPL 208 179 B1 wo jako przedłużenie przewodów sygnałowych linii i w całości lub części stanowią impedancje źródeł, a pozostał e trzy impedancje tworzą dolna część ukł adu typu H czyli uk ład typu II, w którym dwie impedancje włącza się między przedłużenie każdego przewodu a przewód odniesienia, a trzecią impedancje włącza się pomiędzy przedłużeniami przewodów sygnałowych.

14. Sposób przesyłania sygnałów elektrycznych w wieloprzewodowej linii transmisyjnej, składających się z liczby N większej od 2 elektrycznych przewodów sygnałowych oraz dodatkowo jednego przewodu odniesienia, który może mieć postać połączonych ze sobą kilku przewodów, obciążonej na obu końcach zestawem impedancji o liczbie n = 1...N między poszczególnymi przewodami sygnałowymi a przewodem odniesienia oraz zestawem impedancji o liczbie (N-1)(N-1)/2 gdzie n = 1...N, k = przy czym k ϊ n, między różnymi przewodami sygnałowymi tak, że linia wieloprzewodową dopasowuje się bezodbiciowo na obu końcach dla wszystkich rodzajów fali mogących się w niej propagować, znamienny tym, że co najmniej jeden z nadajników sygnałów (J11, J12.—.J21. j22, — ,Jai, J32, — ,Jni), gdzie n = 1,...,N, i = 1,2, 3,..., łączy się w dowolnych punktach do każdego przewodu sygnałowego równolegle, w postaci źródeł prądowych o dużej impedancji wewnętrznej w stosunku do impedancji Z_m między poszczególnymi przewodami sygnałowymi a przewodem odniesienia, a układ impedancji obciążających linię modyfikuje się tak, że na obu końcach linii do każdego przewodu sygnałowego dołączane są szeregowo dodatkowe impedancje (Z^Epm, ZEke) gdzie n = 1...N, a impedancje dopasowujące linię na początku i na końcu linii (ZPnk, ZKnk) gdzie n = 1...N, k = 1...N, przyjmują wartości zmodyfikowane (ZPnk, ZKnk) takie, że linia pozostaje dopasowana, co powoduje, że przesyłanie sygnałów jest wolne od przesłuchów, w sensie takim, że sygnał VPkk na impedancji Z^Epkk oraz sygnał VKkk na impedancji Z^EKkk gdzie n = 1...N, k = 1...N jest zależny wyłącznie od (Jk1, Jk2,···), natomiast jest niezależny od (Jm, Jn2, ...), gdzie k ϊ n.

15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, Ζκπ, Z_Kkn), dodatkowe impedancje szeregowe (Z^E Pm, Z^EKm) oraz impedancje zmodyfikowane (Z”pm, Zlpkn, Z^Km, ZlKkn) stanowią oporniki.

16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zpm, Z_Pkn, ZKm, Z_Kkn), dodatkowe impedancje szeregowe (ZSm, Z^EKm) oraz impedancje zmodyfikowane (Z”p_m, Z”_Pkn, Z”Km, Z''_Kkn) stanowi kombinacja obwodów RLC.

17. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zgm, Z_Pkn, ZKm, Z_Kkn), dodatkowe impedancje szeregowe (Z^Egm, Z^EKm) oraz impedancje zmodyfikowane (Z”gm, Z”_Pkn, Z”Km, Z”_Kkn) stanowią uzwojenia transformatorów.

18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że impedancje dopasowujące linię (Zgm, Z_Pkn, ZKm, Z_Kkn), dodatkowe impedancje szeregowe (Z^Egm, Z^EKm) oraz impedancje zmodyfikowane (Z”gm, Z”_Pkn, Z”Km, Z”_Kkn) stanowią impedancje wejściowe lub wyjściowe aktywnych układów wzmacniających lub aktywnych albo pasywnych układów symetryzujących.

19. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że bezodbiciowe dopasowanie impedancji na obu końcach wieloprzewodowej linii transmisyjnej realizuje się w postaci układu impedancji, w którym dwa przewody sygnałowe i przewód odniesienia łączy się w układzie impedancji typu H złożonym z pięciu impedancji w tym dwie impedancje stanowiące górne gałęzie układu H włączone są szeregowo jako przedłużenie przewodów sygnałowych linii i w całości lub części stanowią impedancje wejściową odbiorników sygnałów, a pozostałe trzy impedancje tworzą dolną część układu typu H, czyli układ typu II, w którym dwie impedancje włącza się między przedłużenie każdego przewodu a przewód odniesienia, a trzecią impedancje włącza się pomiędzy przedłużeniami przewodów sygnałowych.