摘要：Alexander Graham Bell早在1881年就申請了雙絞線(xiàn)專(zhuān)利，而至今我們仍在使用雙絞線(xiàn)，原因在于它帶給我們了諸多便利。另外，隨著(zhù)器件功能的逐步增強，雙絞線(xiàn)通信的應用也越來(lái)越普遍；借助可免費獲取的電路仿真、濾波器設計軟件，我們可以充分發(fā)揮雙絞線(xiàn)與低通濾波器相組合的優(yōu)勢，抑制射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)。我們也在本文介紹了利用高精度電阻排實(shí)現定制差分放大器的方法。在我們選擇頻響特性時(shí)，高精度電阻可以設置增益和共模抑制比。

引言

“The Twist”指雙絞線(xiàn)，Alexander Graham Bell于1881年申請該項專(zhuān)利。而該項技術(shù)一直沿用到今天，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著(zhù)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件處理能力的逐漸強大，結合電路仿真及濾波器設計軟件，使得雙絞線(xiàn)在數據通信領(lǐng)域的應用也越來(lái)越普遍。

FPGA為設計工程師提供了強大、靈活的控制能力，特別是那些無(wú)法獲取專(zhuān)用集成電路(ASIC)的小批量設計項目，可以利用FPGA實(shí)現設計；許多大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，在項目設計初期也利用FPGA進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，并定制芯片之前對新功能進(jìn)行測試。FPGA的強大之處在于復雜的數字處理功能，而一些模擬信號則會(huì )受限于數字噪聲的干擾。需要外部提供模擬放大，以及失調、濾波和信號處理，確保FPGA滿(mǎn)足系統的整體需求。

本文討論了如何將雙絞線(xiàn)與低通濾波器相結合，抑制射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)。我們還介紹了如何利用高精度電阻排設計定制化差分放大器，消除信號干擾并改善FPGA系統的性能。在我們選擇頻響特性時(shí)，利用高精度電阻設置增益和共模抑制比。

雙絞線(xiàn)的重要性

雙絞線(xiàn)對數據通信有著(zhù)重大意義，能夠大幅降低串擾、RFI和EMI。

互聯(lián)網(wǎng)和計算機的普及帶動(dòng)了雙絞線(xiàn)應用的普及，許多人誤以為雙絞線(xiàn)是項新發(fā)明，實(shí)際情況并非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請的專(zhuān)利副本，他描述了多對雙絞線(xiàn)之間的相互影響。

圖1. Alexander Graham Bell于1881年獲得美國專(zhuān)利244,426

Bell先生指出：多個(gè)電路通過(guò)兩條線(xiàn)連接——一條直通線(xiàn)和一條返回線(xiàn)，構成一個(gè)金屬線(xiàn)導電回路。當金屬線(xiàn)導電回路置于其它電路附近時(shí)，如果周邊電路在兩條線(xiàn)上感應信號不同，則金屬線(xiàn)所連接的電話(huà)及其它電氣設備就會(huì )感應干擾信號；顯而易見(jiàn)，如果在直通線(xiàn)和返回線(xiàn)上產(chǎn)生相同影響，則其中一條導線(xiàn)產(chǎn)生的電流將抵消另一條導線(xiàn)產(chǎn)生的電流。如果兩條導線(xiàn)與干擾電流的感應關(guān)系相同，或將兩條導線(xiàn)置于與上述電路相同的距離(確保其它條件完全相同)，則可避免干擾。

這些經(jīng)過(guò)125年歷史驗證的真理，為現代的差分信號原理奠定了基礎。圖2所示，導線(xiàn)A的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì )在導線(xiàn)B中產(chǎn)生所不期望的電流。

圖2. 導線(xiàn)之間的串擾：導線(xiàn)A中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導線(xiàn)B產(chǎn)生所不期望的電流。

圖中導線(xiàn)之間的電容表示雜散分布電容，當增大串擾信號的頻率時(shí)，電容耦合將更為明顯。圖3中，我們觀(guān)察到Bell先生提出的“抵消”效應。當在雙絞線(xiàn)兩側施加相等的干擾信號時(shí)，干擾信號將被抵消。射頻環(huán)境下，雜散電容會(huì )耦合導線(xiàn)之間的能量。同理，由于雙絞線(xiàn)的干擾相等、方向相反，RFI趨于抵消。以差分形式接收雙絞線(xiàn)信號將增強“抵消”效應。

圖3. 當對雙絞線(xiàn)兩側施加相等的干擾信號時(shí)，導線(xiàn)之間的串擾被抵消。

也可以利用屏蔽導體將雙絞線(xiàn)包裹起來(lái)，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容，作用相當于低通濾波器，進(jìn)一步衰減RF干擾。導線(xiàn)的阻性和感性為串聯(lián)元件，分散電容對地形成低通濾波器。當通信鏈路僅傳輸低頻信號時(shí)，例如電話(huà)音頻或其它窄帶信號，這一特性有助于改善傳輸效果。

利用低通濾波器降低RFI

舉例說(shuō)明，溫度測量的速度可能受限于被測對象的物理質(zhì)量。家用加熱器可能只需要每隔一、兩分鐘測量一次溫度。由于空氣、墻壁、地板和天花板的質(zhì)量比較大，溫度變化非常緩慢。所以，每秒鐘測量數百萬(wàn)次溫度對加熱器的溫度測量或溫度控制毫無(wú)意義。

我們轉向室外，室外產(chǎn)生的RFI可能進(jìn)入室內。以我家為例，我家距離一座50,000W AM電臺大約1英里。不幸的是，電話(huà)線(xiàn)拾取了電臺的1.37MHz信號。信號在電話(huà)中經(jīng)過(guò)檢波，恢復出電臺的音頻信號。每每聽(tīng)到這個(gè)干擾信號會(huì )讓人難以忍受，這一干擾嚴重影響了電話(huà)的調制解調器。電臺播音室與發(fā)射機和天線(xiàn)相鄰，系統維護比較方便。按道理說(shuō)，工程師比較擅長(cháng)消除音頻和電話(huà)系統的1.37MHz信號，于是我們通過(guò)“噪雜”的電話(huà)提出維修申請，并詢(xún)問(wèn)了他們使用的是什么低通濾波器。

圖4. 低通濾波器。

采用圖4非常簡(jiǎn)單的濾波器即可獲得不錯的效果，為什么？原因在于物理學(xué)：我們希望線(xiàn)路上保留什么，抑制什么？本例中，我們正常的電話(huà)信號為300Hz至3kHz，要抑制的信號是1.37MHz，頻率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree軟件，我們制作了一個(gè)巴特沃斯響應濾波器并繪制了其響應特性(圖5)。濾波器在3kHz以下基本平坦，在1.37MHz時(shí)衰減超過(guò)135dB。135dB相當于衰減了560萬(wàn)倍。電臺使用了濾波器后，有效解決了這一問(wèn)題，不再干擾電話(huà)線(xiàn)。

圖5. 使用低通濾波器后，電話(huà)音頻通過(guò)線(xiàn)路，而電臺的RFI得到抑制。

利用一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波電路是否就能解決問(wèn)題？軟件工具Solve Elec是一款電路仿真器，帶有低通濾波器設計文件，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器。利用該RC濾波器，更改參數值，得到8kHz下的3dB衰減，頻響特性如圖6所示。

圖6. 圖中所示為簡(jiǎn)單的RC濾波器對電話(huà)線(xiàn)中RFI的響應特性。

對于音頻信號，3kHz時(shí)衰減小于0.5dB，而對電臺的RFI干擾則衰減44dB，或150倍。實(shí)際上，我們也利用了電話(huà)線(xiàn)的電阻和電感串聯(lián)元件，只是增加了一個(gè)小的接地電容，對電臺的RFI做進(jìn)一步的衰減。