射频电缆、双绞线与串扰

将一对线绞合在一起的另外一个优势是支持完全可再现的特征阻抗。当与整体屏蔽结合在一起时可以减少共模电容耦合，这样的电缆非常适合高速数据通信，因为它既能减少辐射噪声，也能最大限度地减小感应干扰。

1.2.7 串扰

当同一条电缆束内有1个以上的信号要传输任何距离时，导线之间的互相耦合将使得一个信 号的一部分馈送至另一个信号，反之亦然。这种现象被称为串扰。严格地讲，串扰不仅是一种电缆现象，而且是指名义上非耦合信道之间的任何有害的交互作用。这 种耦合可能是电容主导，也可能是电感主导，或者是由于传输线现象造成的。

当电缆可以被看作是集总元件时(与之相反，高频时必须被看作是传输线)，其低频至中频电容耦合的等效电路如图1.24所示。

图1.24: 串扰等效电路。

图中文字从上至下：电缆长度D,电缆电容Cc,针对电路1耦合进电路2的情况,串扰电压

在电容耦合阻抗远低于电路阻抗这种最坏情况下，串扰电压仅取决于电路阻抗的比值。

数字串扰

串扰在电信和音频领域是众所周知的，例如本来分开的语音通道在一起传送、一个通道串进另一个通道时，或者高频时分开的立体声通道又被组合在一起时。虽然数字 化数据初看起来是不受串扰影响的，但事实上它对数据完整性也是一种严重的威胁。电容耦合对快速边沿几乎是透明的，结果是与时钟同步的数据特别容易受到破 坏，如图1.25所示。如果逻辑噪声抗扰性能较差，可能导致严重的错误时钟。一些实际例子(见图1.25)展示了问题的实质。

　　图1.25:数字串扰效应。

图中文字从上至下：信号A,串扰耦合,时钟B,受破坏的时钟B

(a) 源和负载阻抗都为10kΩ的两个音频电路使用2米长的多芯电缆传输信号，导体间的电容为150pF/m。此时在10kHz时的串扰比是多少呢?

耦合电容CC等于2m x 150pF/m=300pF。10kHz时的阻抗为53kΩ。

每种情况下串扰电路中的源和负载阻抗为10K//10K=5kΩ。

因此串扰等于：

5 K/(5 K + 5 K + 53 K) = 22 dB：这在任何情况下都是不可接受的!如果输出驱动阻抗从10kΩ减小到50Ω，那么串扰变为49/(49 + 49 + 53 K) = 60 dB：，这对许多应用来说都是可以接受的，虽然对Hi-Fi来说还是不可接受。

(b)两条 EIA-232(RS-232)串行数据线采用了16米长的数据电缆(不是单独的双绞线)，其芯/芯电容为108pF/m。发送器和接收器符合EIA- 232规范，即具有300Ω输出阻抗、5kΩ输入阻抗、±10V摆幅和30 V/μs上升时间。那么由于某个电路引起而在另外一个电路上产生的干扰尖峰幅度有多大呢?

这里的耦合电容是16 × 108 pF = 1728 pF。

来自具有恒定dV/dt的斜坡电压、经t秒后在RC电路中流动的电流I = C × dV/dt (1 - exp[-t/RC])。在我们这个例子中，dV/dt=30 V/μs持续0.66 μs，电路电阻为567Ω，此时的电流为25mA。转换成阻值为(300//5 K//5 K)的负载电阻上的峰值电压为：25 × 10–3 × 267 = 6.8 V。这正是EIA-232不适合长距离和高数据速率的一个原因!

串扰可以有许多解决策略，从上述例子中可知一二。这些策略是：

● 减小电路的源和/或负载阻抗。理想情况下，侵害电路的源阻抗应该高，受害电路的源阻抗应该低。在耦合大小一定的情况下，低阻抗要求更高的电容。

● 减小交互耦合电容。使用更短的电缆，或选择单位长度具有更低芯到芯电容的电缆。需要注意的是，对于快速或高频信号来说，这样解决不了任何问题，因为耦合电 容的阻抗小于电路阻抗。如果你使用带状电缆，牺牲一些空间，将每根信号线之间的导线连到地;另外一种方法是采用具有完整地层的带状电缆。最好的方法是每个 电路使用单独的屏蔽层。屏蔽层必须接地，否则这种方法不会给你带来任何好处。

● 将信号电路带宽减小到系统的数据速率或频率响应要求的最小值。从上面的(b)可以看出，耦合效应直接取决于侵害信号的上升时间。较慢的上升时间意味着较小 的串扰。如果增加一个与输入负载电阻(图1.24中的RL2)并联的电容，与芯到芯电容形成分压器，同样可以减小高频噪声的输入阻抗。

● 使用差分传输。串扰的可怕是高数据速率时差分数据标准(如EIA-422(RS-422))和其它更新标准流行的主要原因。使用对线时没有必要减小耦合电 容，但此时的串扰是以共模方式注入的，因此可以受益于输入缓冲器的共模抑制功能。抑制程度的限制因素是每半对线耦合电容的不平衡。这正是建议差分数据传输 使用双绞线电缆的原因。