标签: 传输线

目前的影音接口传输已经达到8K分辨率，而主流的影音界面非DisplayPort及HDMI莫属，但近年随着USB Type-C接口的信道带宽加大，影音传输接口圈开始有了变动，在搭配PC的领域中尤其明显。屏幕除了影像显示外，多半也带有USB Hub或视讯镜头功能，若使用DP或HDMI线材作为与PC间的影音传输接口，通常还需要另外搭配一条USB线材做为Hub与视讯镜头间的传输桥梁；但若改用USB Type-C，则可以用一条线就满足两样需求，当一端连接了笔电或智能型手机，还可以进行充电！ 三种高解析接口的功能比较及能力 潜在风险 在HDMI、DP及USB Type-C三个接口中，USB Type-C的连接面积相较之下小了许多，因此在连接强度或是受外力的冲击程度来说，都会相对较弱。 HDMI、DP及USB Type-C界面大小比较 百佳泰经手屏幕检测经验丰富，曾遇过厂商因客诉案例而来委托进行分析，有多位使用者以Type-C传输线做为计算机与屏幕间的传输方式，但过程中因为Type-C传输线没有线槽或束线固定，悬挂半空中的传输线便容易晃动，晃着晃着影像就消失了。 由上述的情境案例，百佳泰归纳出可能的成因： 线材使用过久，连接器磨损过大导致连接器间接合力变小，因而造成松脱问题。 接头结构设计不良，在摇摆过程中，接头出现半脱离状态，导致出现讯号断讯。 线被长时间反复弯折，以致蕊线断裂。 解决方案 以上三种不同的问题，若只使用单一测试方式可不足够，以连接器寿命测试(Durability Test)、摇摆测试(Wiggle Test)、线材挠曲试验(Cable Flexing Test)等方案，设计系列的测试计划及检测方式，才能全面 厘清 问题的真正发生点。 寿命测试(Durability Test)相关设备 摇摆测试(Wiggle Test)相关设备 线材挠曲试验(Cable Flexing Test)相关设备

在高画质屏幕当道的世代，不论你是消费者、品牌端或产品制造商，都有一个同样的身分「电视观看者」，但你是否也遇过影像播放时而出现噪声、不稳定的情境呢？除了屏幕本身良率问题以外， HDMI Cable 也是不可忽视的稳定度关键！ 【HDMI Cable为何如此重要？】 HDMI Cable主要功能是数字讯号传输，由于其传输速度快，对于图像、 声音、色彩还原效果好，显示自然且真实，所以HDMI Cable在今日的影音装置上扮演重要的角色。从播放一般的 1080p分辨率 的影片，到 4K、8K 影片，所要传输的声音、影像与操作讯号量是越来越大。 为了确保影音质量不会因为数据量大而受到影响， 使用者除了要确认所选用的HDMI传输线与影音装置规格一致，更需要注意选用质量好的传输线 。这两个因素会很直接的影响使用者满意度。 质量优的HDMI线能在有效距离内将输出设备的数字讯号完整还原到显示设备上，保持图像色彩丰富与影音生动。一般HDMI传输距离越长，讯号会衰减，若是选到用料不佳、屏蔽效果差的料材所做出的HDMI线，在播放720P或1080P时或许没影响，但 当播放4K、8K影音时，就可以明显看出线材的好坏造成的差异 。可能会因为线材不佳在显示上出现色差，或是带宽不足导致拨放不稳定，图像闪烁甚至出现黑屏，同时线材的抗噪声干扰能力也相对较差。 举例来说，虽然HDMI线材规格宣告支持4K (4096*2160)画质，但HDMI 2.0所支持的4K画面又分为每秒可播放30张图片或60张图片，当你选用的HDMI线材不佳无法达到 最大带宽(18 Gbps) 的要求时，播放每秒30张图片的4K画面通常不会有问题，但若播放每秒60张图片的4K画面，就容易会 出现画面闪烁或者拨放卡卡的状况 。 【消费者满意度也与HDMI Cable的质量息息相关】 根据统计，在美国市场2021年的退货率来分析，高达7610亿美元是因为使用情境不佳而导致退货，可见消费者对于使用情境的满意度要求是越来越高。 要如何可以确保你所采购的HDMI线材不会产生令你不愉快的经验，有几个方式： 选购符合HDMI规格并且通过认证的线材 若是需要使用超过15M以上的线材，要特别注意厂牌质量 若线材长度越长，对于材质质量要求越高。

做 PCB 的，经常会遇到设计规则中等长、阻抗匹配的事情。还有传输线理论，提到信号反射等等问题。基本上会弄得一头雾水。 如果是做单片机的，根本不需要考虑这些问题。原理图上画的线，只要能连上就好。不会有什么问题。 如果设计中信号频率达到几百 M 上 GHz ，则需要考虑将信号线布线的电气参数影响因素考虑进去。电路板上的连线电气特性有三要素：电阻、电感、和电容。通常连线上的电阻对信号影响很小，可以不考虑进去。如果保持线路一致性，则信号线可以简化为多级电感电容级连的形式。需要注意的是，信号源的内阻不可能为 0 。信号源通过线路到达接收方的电路可以模拟如图：其中 R1 为信号源输出阻抗， R2 为接收端输入阻抗。 线路中电感量 L 为 2.5nH ，电容量 C 为 1pF ， L/C 的平方根为 50 。 每个 L C 级的输出，可以视为下一 LC 级的输入。同样可以列出微分方程。这样可以形成一个一阶微分方程组。求解这个方程组，可以得到最后一级的输出与输入信号之间的对应关系。 也可以通过仿真，可以得到如下结果。 图中标记有 20 50 80 100 是改变 R1 （信号源输出阻抗）的阻值，得到 R2 （接收端）电压变化。 接收端信号与信号源相比， 1 、有延迟。信号源输出电阻越小，输出延迟越小。 2 、有过冲或下陷，信号源输出电阻越小，则过冲越大。当 R 等于 L/C 的平方根时。信号源上升沿与接收端的电压时间上一致。 如果将负载的输入阻抗 改为 50 Ω。 输出信号也能很好的跟踪信号源，但信号幅度会按比例变小。 从上面这些仿真（计算）结果，可以推测出高速布线的一些规则背后的理论支持。 1、 等长布线规则 信号在线路上传输都会有延迟，延迟的数据跟线长（ LC 级数）有关，同步设计中，需要让时钟线与数据线的延迟一致，使数据传送或采样时处于最有利的时刻。 2、 阻抗布线规则 需要让布线的 L/C 达到一个确定的数值。让线路有准确的时间特性。 3、 源端匹配规则 需要让信号源的输出阻抗等于线路的特征阻抗（特征阻抗指的是 L/C 的均方根，具有电阻的量纲，但并不是电阻），这样输出的信号具有与信号源接近相同的时间特性。例如： SDRAM 上驱动信号（时钟，数据线，地址线等）的输出阻抗 20 Ω左右，在线路板源端串 20~30 Ω的电阻，将信号源的输出阻抗调整为接近 50 Ω，达到匹配。 4、 终端匹配规则 也可以使用终端匹配，只是会增加功耗，并且得到的信号幅度会降低。 另外，线路板上的 L C 取决于线路板材质，其中材质的介电常数最为关键，磁导率通常不会有影响。 在通常的解释中，当阻抗不匹配时，会产生信号反射。基于能量守衡的基本原则，源端的能量如果不能完全被终端接收，则能量多余的部会反射回源端。 ( 待续 )

阻抗匹配（impedance matching）信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。否则，便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U/ ，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为： P=I 2 ×R= 2 ×R=U 2 ×R/(R 2 +2×R×r+r 2 ) =U 2 ×R/ =U 2 /{ +4×r} 对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中 ，当R=r时， 可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U 2 /(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共扼匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。 在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。 例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大）。它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配，如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。 当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。(始端串联匹配，终端并联匹配) 为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。

多长的走线才是传输线？ 这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。 我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况。假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。   图1 信号在这条走线上向前传播，传输到走线尽头需要10ns，返回到源端又需要10ns，则总的往返时间是20ns。如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话，返回路径上应该没有电流，因为在远端是开路的。但实际情况却不是这样，返回路径在信号上后最初的一段时间有电流。 在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号还线条上只走了6英寸，不知道远端是开路还是短路，那么信号感觉到的阻抗有多大，怎么确定？如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾，所以，必须按传输线处理。 实际上，在信号线条和返回地平面间存在寄生电容，如图2所示。当信号向前传播过程中，A点处电压不断不变化，对于寄生电容来说，变化的电压意味着产生电流，方向如图中虚线所示。因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗，寄生电容构成了电流回流的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗，这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的，通常叫做传输线的瞬态阻抗。     图2 当信号到达远端，远端的电压升至信号的最终电压后，电压不再变化。虽然寄生电容还是存在，但是没有电压的变化，电容相当于开路，这对应的就是直流情况。 因此，这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样，在起始一小段时间内，表现就是传输线。即使传输线远端开路，在信号跳变期间，传输线前段的性能也会像一个阻值有限的电阻。     于博士讲信号完整性系列 信号完整性(一)：PCB走线中途容性负载反射 信号完整性(二)：接收端容性负载的反射 信号完整性(三)：PCB走线宽度变化产生的反射 信号完整性(四)：信号振铃是怎么产生的 信号完整性(五)：信号反射 信号完整性（六）：多长的走线才是传输线