利用双绞线与低通滤波器抑制RFI和EMI有效方案

引言

"The Twist"指双绞线，Alexander Graham Bell于1881年申请该项专利。而该项技术一直沿用到今天，原因是它提供了诸多便利。此外，随着现场可编程门阵列（FPGA）器件处理能力的逐渐强大，结合电路仿真及滤波器设计软件，使得双绞线在数据通信领域的应用也越来越普遍。

FPGA为设计工程师提供了强大、灵活的控制能力，特别是那些无法获取专用集成电路（ASIC）的小批量设计项目，可以利用FPGA实现设计；许多大批量生产的产品，在项目设计初期也利用FPGA进行原型开发，并定制芯片之前对新功能进行测试。FPGA的强大之处在于复杂的数字处理功能，而一些模拟信号则会受限于数字噪声的干扰。需要外部提供模拟放大，以及失调、滤波和信号处理，确保FPGA满足系统的整体需求。

本文讨论了如何将双绞线与低通滤波器相结合，抑制射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）。我们还介绍了如何利用高精度电阻排设计定制化差分放大器，消除信号干扰并改善FPGA系统的性能。在我们选择频响特性时，利用高精度电阻设置增益和共模抑制比。

双绞线的重要性

双绞线对数据通信有着重大意义，能够大幅降低串扰、RFI和EMI.

互联网和计算机的普及带动了双绞线应用的普及，许多人误以为双绞线是项新发明，实际情况并非如此。图1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申请的专利副本，他描述了多对双绞线之间的相互影响。

图1. Alexander Graham Bell于1881年获得美国专利244，426

Bell先生指出：多个电路通过两条线连接--一条直通线和一条返回线，构成一个金属线导电回路。当金属线导电回路置于其它电路附近时，如果周边电路在两条线上感应信号不同，则金属线所连接的电话及其它电气设备就会感应干扰信号；显而易见，如果在直通线和返回线上产生相同影响，则其中一条导线产生的电流将抵消另一条导线产生的电流。如果两条导线与干扰电流的感应关系相同，或将两条导线置于与上述电路相同的距离（确保其它条件完全相同），则可避免干扰。

这些经过125年历史验证的真理，为现代的差分信号原理奠定了基础。图2所示，导线A的电流所产生的磁场会在导线B中产生所不期望的电流。

图2.导线之间的串扰：导线A中电流所产生的磁场在导线B产生所不期望的电流。

图中导线之间的电容表示杂散分布电容，当增大串扰信号的频率时，电容耦合将更为明显。图3中，我们观察到Bell先生提出的"抵消"效应。当在双绞线两侧施加相等的干扰信号时，干扰信号将被抵消。射频环境下，杂散电容会耦合导线之间的能量。同理，由于双绞线的干扰相等、方向相反，RFI趋于抵消。以差分形式接收双绞线信号将增强"抵消"效应。

图3.当对双绞线两侧施加相等的干扰信号时，导线之间的串扰被抵消。

也可以利用屏蔽导体将双绞线包裹起来，起到静电屏蔽作用。屏蔽增大了杂散电容，作用相当于低通滤波器，进一步衰减RF干扰。导线的阻性和感性为串联元件，分散电容对地形成低通滤波器。当通信链路仅传输低频信号时，例如电话音频或其它窄带信号，这一特性有助于改善传输效果。

利用低通滤波器降低RFI

举例说明，温度测量的速度可能受限于被测对象的物理质量。家用加热器可能只需要每隔一、两分钟测量一次温度。由于空气、墙壁、地板和天花板的质量比较大，温度变化非常缓慢。所以，每秒钟测量数百万次温度对加热器的温度测量或温度控制毫无意义。

我们转向室外，室外产生的RFI可能进入室内。以我家为例，我家距离一座50，000W AM电台大约1英里。不幸的是，电话线拾取了电台的1.37MHz信号。信号在电话经过检波，恢复出电台的音频信号。每每听到这个干扰信号会让人难以忍受，这一干扰严重影响了电话的调制解调器。电台播音室与发射机和天线相邻，系统维护比较方便。按道理说，工程师比较擅长消除音频和电话系统的1.37MHz信号，于是我们通过"噪杂"的电话提出维修申请，并询问了他们使用的是什么低通滤波器。

图4.低通滤波器。

采用图4非常简单的滤波器即可获得不错的效果，为什么？原因在于物理学：我们希望线路上保留什么，抑制什么？本例中，我们正常的电话信号为300Hz至3kHz，要抑制的信号是1.37MHz，频率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree软件，我们制作了一个巴特沃斯响应滤波器并绘制了其响应特性（图5）。滤波器在3kHz以下基本平坦，在1.37MHz时衰减超过135dB.135dB相当于衰减了560万倍。电台使用了滤波器后，有效解决了这一问题，不再干扰电话线。

图5.使用低通滤波器后，电话音频通过线路，而电台的RFI得到抑制。

利用一个简单的滤波电路是否就能解决问题？软件工具Solve Elec是一款电路仿真器，带有低通滤波器设计文件，这是一个简单的RC滤波器。利用该RC滤波器，更改参数值，得到8kHz下的3dB衰减，频响特性如图6所示。