瞬态信号长线传输补偿方法.pdf
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1、1 9 9 0年 8月 遥测遥控 41 瞬态信号长线传输补偿方法 张万 方(航 空航 天部第 十四所)文摘：介 绍高频补偿 网络 的补 偿原理、极 零对特性 厦补 偿 网络的 电气参数 计算 和 结 构 设 计 方 法。由 于 设 计 方 法 简单，并 对 电境 侍输 引起 瞬 态 信 号 畸 变有很 好 的 补 偿 效 果，故 已成 为 瞬 态 信 号 长距 离 测 量 系统 中不 可 少 的 组成 部 分。即 使 在根 短 的距 离 内，这 种 网络 对 解 决 瞬 态 信 号 的 畸 变 问题 也 非 常 有 效。主题词：瞬态信 号幅颤 襄战补偿 一、补偿 原 理 1 幅度补偿原理 瞬
2、态 信 号 经 长 线(如 0 0 0 m)传 输，将引起信号幅度严重衰减和波形严重畸变。为了使信号不发生畸变 或少发生畸变，一个 好 的办法是在传输系统 中引进一个补偿网 络、来校正电缆引起的畸变 严格地说，对 电缆 传 输 衰 减进 行 补偿，既要 进 行 幅 度补 偿，又要进行相位补偿。但是，在理论和实 践上都 已证 明，在最小 相位时问延迟 的频率 范围 内，幅度补偿 能够 导致相位补偿。这个 最小 相 位 时 问延 迟 范 围与 同轴 电缆 型号 有 关，通常都在 5 0 0 MH z以上。这对我们来 说 已足够 了。因此，我 们只采用幅度补偿 的 方法来解决瞬态信号长线传输所引起的
3、波形 畸变问题。如果 我们 以 d B为单 位表示 电缆衰减特 性()和 补偿 网 络 特 性(A。()，则 电缆幅度补偿 的要求 可 以用下式表示：0()+【()：2 0(1 g A 0(+A】()=Ko (1)式 中K 为常数 若用曲线表示 这个 要求，则得 图 1。由图 l 可 以看 出，所 需的补偿网络是高 通型网络。如果我们在 补偿 网络 中设置一些 图 电缆 补 偿 原 理 示 意 图 极 零对，使极 点频 率 高于零点 频率，那 么，这个补偿 网络就是高通型 的。通过调整极零 对个数和每个极零对的零点和极点，使补偿 网络的传输幅度衰减特性满 足 电缆幅度补偿 要 求。这个方 法一
4、般是用 逐步逼近法来进行 的 为 了能 够更合 理地 设置和 调整极 零对，我们必须充分 了解极零对 的特性。2 极零对特性 极零对的数学表达式为：E ()=Z+j r o (2)式中P 极 零对的极点 Z极零对 的零点。维普资讯 http:/ 4 2 遥测遥控 要组 成 高 通 网 络，P必 须 大干 z d B为 位表示 的极零 对幅频特性，则：第 l 1 卷 第 4期 用 对，它们之间是不产生影 响 的。，)()一2 0 I 1+()_ 一Ig 1 +(岩)!十 培 岳 (3)如果我们 以z为 单位来 表示P，则：、P(珊)=2 0 t g【l+r I j 一培【1 1 l +(1 2
5、一詹研(4)、n 式 中Kr一 极零对有 下 几个 特性：(1)引进 一个 极零 对，在低频(相对零 点频 率而言)，要 产生一 2 0 1 g k的 衰减，而在 高频，衰减趋 于零 低 频衰减符合每倍频程 B的规律。这里 所说 倍频程是指极点频率 相对零点频率 来说 的。就是说，极点频率等 于两倍 的零 点频 率，则 在 低 频 段产 生 6 d B 衰减(2)极零对的幅频特性是随极点频率 与 零点频 率的 比值 K 变化 的，K 值 越 小，极 零对 幅频特 性 随频 率变 化越慢；随 K 值 增 加，极零 对 幅频 特性 随频 率变化 速度增 快。因此，通过 调 整 K 值，可以使极 零
6、 对 幅频 衰减挣 生随频率变化符合 电缆补偿要求。但 是，极 零对的幅频特性随频率变化 的最大 速 度 不 能超过 每 倍频 程 为 6 d B 的规 定。如 果 电缆 补偿要 求 超过 每倍 频 程 6 d B时，就 必 须 在 该频 率 范 围 内设 置 两 个或 更 多个 极 零 对。(3)在 某 一频 率 范 围 内设 置 一个 极 零 对，它不仅在从零 点到极点 的频率范 围内对 补偿 网络有 影响，而且对低于零点频率和 高 于极点 频率 的频率范围 内的 幅频特性 也有 影 响。但是，在低 于零 点频率和高于极点频 率 一十量级 以上的频率范围 内，其影响可 忽 略不计。这说 明
7、相距 很近的两个极零对，它 们 是互 相影 响 的，而 相距 较 远 的两 个 极零 二、补偿 网络 幅颊衰减 特性 的确 定 1 电缆幅频 衰减特 性测量(1)确定 电缆 幅度 补偿 的频率范 围 在瞬态信号测量时，一般根据被测信号的上 升沿(或下降沿)的时间来确定所用电缆幅 度补 偿 的频率范 围。以 2】_ 9 6”核效应试 验 为例，被铡信 号为一方 波脉 冲，方 渡宽度约 为 4 s，上 升沿(1 0 9 O )约 为 4 0 n s。考虑到宴 际使 用 中的各种情 况，确定对选用 的 s Yv 一7 5 5高频 电缆(长 1 0 0 0 m)幅度 补 偿 的频 率 范 围 为 0
8、5 MHz 2 5 MHz 在 数 据 列 表 中，实 际 给 出 了0 5 MHz 3 0 MHz范围内的测量数据。(2)测量方法 电缆 传输 幅度衰减特 性可 在实 验室测定 测定方 法有两种。一种 是频 域测 量法，另一种是 时域测 量法。在七 十年代 初，时域测量法 已经发展 成 熟。通过计算机 分析、测量 已能得到 比较 满 意 的结果 但 由于 波形的前 后沿 不易测 准，又要用计算 机进 行频 谱分析，一般情况 下不 宜采用。频域测量法 比较 简单，但 由于不 能完 全 匹配，往往有驻 波现象存在。采取一些措施 之 后，用这 种方法 也可 以测到准确的传输 幅 度特性。主要措施是
9、：用 内阻与 电缆 渡阻抗 匹配 的信 号源，用性 能相 同 的高频毫伏表 同 时测量输人端和 输出端的电压。在“2 1-9 6 核效应 试验 中，采 用的是频 域测量法 其测 量设 备连接方式示于 图 2。在 实 际测 量 中，发 现还存 在驻 波现 象，但 不太严 重。通过 对测量 数 据的 甲滑处 理，进 一步 消除 了驻 波的影 响。(3)数据 的平滑 处理 用频域法测得 的 S YV 一7 5 5(0 0 0 m)的 幅 度 衰 减 特 性 r 以 d B表示 的数据列于表 l。维普资讯 http:/ 1 9 9 0年 8月 遥测遥控 4 3 图 2屯 缆幅 度 特 性 测 量 连
10、接 图 表，y卜 硝 一 r D mJ 幅度 衰 减 数据，n 0 5 -0 7 2 5 -8 5 1 2 -2 7 7 5 0 7 -2 3 一l 0 3 l 5 -3 0 6 3 0 9 2 3 4 1 3 2 l 7 -3 2 3 8 l 2 7 5 5 1 5 7 2 0 -3 4 4 1 2 3 6 3 6 一l 8 2 5 -3 7 5 1 5 4 7 5 7 -2 0 3 0 4 0 1 7 -5 5 8 -21 7 5 2 -6 6 7 1 0 -2 5 2 根据数表 1 的数据并加平滑修正处理 后 绘制的 曲线示于 图 3。图 j y卜7 5 5 电 缆 幅 频 衰 减 特
11、性 数 据的平滑处理是指根据测量 数据，在 绘 制 曲线 时，把 引 起 曲线有 捌 点 的 数据 去 掉。曲线按 理论分析，平 滑过 度 而成。按照 平 滑处理的 曲线得到 的数 据列 于表 2 表 2平 滑 后 的 幅度 衰 减数 据 lf J(MC1 0(d B)r MC1 a,o(d B)山r MC1 (d B)0 5 -0 7 2 5 8 5 1 2 2 7 0 7 1 6 5 3 1 0 3 1 5 -3 0 0 9 -2 4 5 4 1 3 2 1 7 31 5 I -2 7 5 5 一I 5 7 5 2 0 -3 4 1 2 -3 6 3 6 1 8 2 5 -3 7 l 5
12、-4 7 5 7 -2 0 2 3 0 -4 0 1 7 5 5 8 -2 2 J 2 -6 67 1 0 2 5 2 2 确定补偿 网络 幅频 衰减 特 I生 根 据 电缆补偿要求，则 补偿 网络和电缆 的幅频 特性 有如下关 系：I )=K 0(f )(5)式 中K 为补偿 后 频带 上 限以上某 个频 率 的 电缆 幅 度衰 d B数 本例 选 3 0 MHz，此 时 K o 一 4 0 d B ()为需要的补偿网络 幅频特性；。)为电缆幅频衰减特性 由上式计 算得需要的补偿 网络 幅频 特性 数据列 于表 3。维普资讯 http:/ 4 4 置测遥控 第 卷第 4期 袁 3需 要 的
13、补 偿 网络 幅 频 特 性数 据 1 l 0 5 -3 9 3 2 5 3 l 5 1 2 一l 3 0 7 -3 8 3 5 3 -2 9 7 1 5 1 0 0 9 -3 7 5 5 4 -2 6 8 1 7 -8 5 1 -3 7 2 5 5 2 4 2 5 2 O 6 1 2 -3 6 3 7 6 -2 2 2 5 -3 1 5 -3 5 2 5 7 1 9 8 3 0 0 1 7 -3 4 5 8 一l S 2 -3 3 3 3 l 0 一1 4 8 根据表 3所列数 据绘制成 的补偿网络幅 颇 特性 曲线于示 图 4。图 4补 偿 网络 特 性 曲 线 从 图 4可以看 出，所需
14、的补偿网络是高 通型 的 上边 已经 谈到高通型网络可以通过 设置极零对 的方法 来实现。因此，对高通型 网络 的设计，首先是设 计极零对 3 极零对参数计算 根 据所 需的补偿 网络幅频特l 眭，需设置 4个极 零对 极 零对参数可按下式选取。4 (m)=2 0 1 g 1+)L 将计 算得 到 的补偿 网 络幅频 特性 2 )与 所 需 的 补偿 网络 幅 频 特 性)进 行 比 较，根据偏差情况，调整 极零 对 的设计，并 重新计算补偿 网络幅频 特性。依 此类 推，这 样就可 以逐步使计 算得 到的补偿 网络幅频 特 性逼近所需 的补偿 网络幅频特性。满 足逼近 要求 的极零 对设 置
15、方案，就是 我们所要 的极 零 对 评定极 零对逼近要求 的数式，就是平方 差函数：1 =D )(7)”式 中的 f j 是在补偿带宽 上所取 的一组频 率 因此，最好的 补偿 网络设计应是 选取 为最小的那组极零对。但 是，这一最 小化过 程必须按逐次逼近 的方法来完 成 经 过多次 逼 近 计算 得 到 比较 满 意 的极 零 对 参数 如 下：Z【=0 8 5，P1=1 6 5，Z2=2 1 5，=8 6 5，Z=l=8 8 5，P 3=2 0 6 5，z 4=4 0 5，MHz 一2 4 1 5 M Hz。根据 上述极 零对参数计算 出的补偿 网络 幅频特性参 数列 于表 4。表 4计
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