1、信號(hào)和信號(hào)傳遞

2、阻抗匹配概念I(lǐng)mpedance matching和阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

1.信號(hào)和信號(hào)傳遞

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心是運(yùn)動(dòng)變換設(shè)計(jì)，把簡(jiǎn)單周期性循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)變換并傳遞為各種直線或曲線的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是用各種復(fù)雜的電子電路完成信號(hào)變換和傳遞，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制和目標(biāo)結(jié)果。

什么是信號(hào)呢？信號(hào)是消息的載體，是運(yùn)載消息的工具。大自然中，大海潮汐浪濤聲、秋天山林顏色變化、落葉飄落等都是信號(hào)，傳遞著某種你知道或不知道的神秘消息。信號(hào)它就在那里，可以沒(méi)有觀眾、沒(méi)有聽(tīng)眾。即使有，如果不明白信號(hào)中的消息也等于沒(méi)有，不是？

以電聲信號(hào)為例，巢妹在深圳房間里對(duì)一個(gè)物體大喊“Now see you”。這個(gè)物體俗名叫“話筒”，科技型名為傳感器，再描述的細(xì)致一點(diǎn)叫“拾音器”，抽象名為“負(fù)載”。這個(gè)有多個(gè)名字的家伙，它承載了巢妹的“Now see you”語(yǔ)音信號(hào)，要傳遞給千里之外的北京電娃聽(tīng)。

巢妹的聲音“Now see you”從這個(gè)物體開(kāi)始先被記錄下來(lái)，然后切割、包裝進(jìn)行傳遞。中間穿上各種顏色的馬甲，經(jīng)過(guò)了各種各樣變換，坐上不同的”汽車、火車、輪船”等交通工具，通過(guò)很多種不同類型的紅綠燈口，還要在空中飛一會(huì)，中間“渴了、餓了”要中轉(zhuǎn)休息（緩沖）等一系列過(guò)程，傳輸?shù)奖本╇娡奘稚系囊粋€(gè)物體里，這個(gè)物體可能叫“手機(jī)”。

在電娃手機(jī)里面又經(jīng)歷一通信號(hào)變換和傳遞，最后來(lái)到一個(gè)“輸出負(fù)載”，接到一個(gè)叫“喇叭”東西上，學(xué)名“揚(yáng)聲器”，在喇叭里把巢妹的聲音還原出來(lái)。盡管遠(yuǎn)在千里之外，經(jīng)歷了這么多過(guò)程，電娃在分毫?xí)r間之內(nèi)還是聽(tīng)到了巢妹的聲音。在北京的電娃聽(tīng)到巢妹的聲音，清晰悅耳、沒(méi)有雜音而且沒(méi)有變成“No see you”。電娃感到一陣狂喜幸福。

那么，問(wèn)題來(lái)了，巢妹是在深圳喊的，北京的電娃聽(tīng)到的真的是巢妹的聲音嗎？既是也不是。巢妹在深圳說(shuō)過(guò)的話，說(shuō)完就消失在空氣中了。北京聽(tīng)到的并不是直接的巢妹說(shuō)話，而是被電子系統(tǒng)記錄、經(jīng)過(guò)信號(hào)變換并傳輸、復(fù)原過(guò)來(lái)的聲音。然而這個(gè)在北京復(fù)原的聲音里面包含了巢妹說(shuō)話的固有特征信息，也的確是巢妹說(shuō)的話。

這個(gè)例子中，巢妹的語(yǔ)音被負(fù)載承載，由聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)模擬電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按照已確定的協(xié)議編碼、壓縮傳輸發(fā)送。到電娃接收端那里，嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行信號(hào)逆向變換，在一個(gè)明確的負(fù)載上再重現(xiàn)出來(lái)。

信號(hào)就這么從深圳傳遞到北京電娃的手機(jī)里?？墒莻鬟f過(guò)去的究竟是什么特征信息，還能夠在北京的喇叭里被復(fù)原呢？這涉及到信號(hào)的表征。

一個(gè)單純信號(hào)可以用一個(gè)確定的電壓表達(dá)式來(lái)描述：瞬時(shí)電壓，有：

幅度A，頻率f，相位。信號(hào)傳遞需要有負(fù)載來(lái)介入，以便顯現(xiàn)出信號(hào)來(lái)。負(fù)載上就會(huì)有瞬時(shí)電流i(t)。信號(hào)在負(fù)載Load上，就有瞬時(shí)電功率為p(t)=u(t)i(t)。

信號(hào)在時(shí)域上有三個(gè)參數(shù)：頻率、振幅和相位，在頻域上有兩個(gè)參數(shù)：頻率和振幅。如果有很多頻率的信號(hào)組成一群，就有信號(hào)群、頻率帶的概念。

信號(hào)傳遞需要負(fù)載Load這個(gè)東西，還需要傳輸介質(zhì)。信號(hào)能夠復(fù)原不僅需要Load，還需要協(xié)議protocol這個(gè)東西。

信號(hào)傳遞和交換才有價(jià)值。黃山上千年美麗的風(fēng)景就在那里，有愛(ài)好者在上面安裝了不少電子眼，只要付費(fèi)買個(gè)賬號(hào)，就可以實(shí)時(shí)傳遞信息過(guò)來(lái)，看到黃山的晨曦和晚霞，甚至可以看到幾個(gè)月前的美麗景象。山上美景一直存在，如果不經(jīng)過(guò)信號(hào)傳遞，就無(wú)從體現(xiàn)價(jià)值。

信號(hào)傳遞總是要通過(guò)各種各樣電路的。信號(hào)從始端輸入，經(jīng)過(guò)一級(jí)級(jí)的電路、一層層的控制，要求最后無(wú)失真地傳遞到目的地。電路系統(tǒng)中各個(gè)不同部分、各個(gè)單元各司其職，忠實(shí)地完成信號(hào)的各種變換、控制、交換和傳遞。

信號(hào)通過(guò)一個(gè)電路進(jìn)行處理時(shí)，在時(shí)域上三個(gè)參數(shù)會(huì)變化，頻域上兩個(gè)參數(shù)也會(huì)變化。常用這些顯著的參數(shù)變化用來(lái)表征這個(gè)電路的功能特性，如：放大電路、移相電路、震蕩電路等，也會(huì)說(shuō)這些電路具有不同的放大特性、幅頻特性、相頻特性等。

上面巢妹和電娃的實(shí)例中，要傳遞到北京去的信號(hào)特征，只是要把巢妹的語(yǔ)音里包含的所有頻率分量、振幅和相位、時(shí)間間隔、語(yǔ)速等參數(shù)通過(guò)電路系統(tǒng)傳送過(guò)去，在終端進(jìn)行復(fù)現(xiàn)出來(lái)。

這個(gè)例子中信號(hào)傳遞開(kāi)始要作的事，是要在電路里把信號(hào)的瞬時(shí)電功率盡可能大的傳送到后面環(huán)節(jié)中去，保證不失真，再逐級(jí)往后向目的地傳送。

2.阻抗匹配概念I(lǐng)mpedance matching和阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

阻抗是表示元件性能或一段電路電性能的物理量，是指電路中電阻、電感、電容等對(duì)電路中電流所起的阻礙作用。

阻（resistance）是對(duì)能量的消耗，通常轉(zhuǎn)換為熱耗，而抗（reactance）是對(duì)能量的儲(chǔ)存。

阻抗常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)，矢量向量。數(shù)學(xué)公式：阻抗Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R為電阻，ωL為感抗，1/（ωC）為容抗。

（1）如果(ωL–1/ωC) > 0，稱為“感性負(fù)載”；（2）反之，如果(ωL–1/ωC) < 0稱為“容性負(fù)載”。

負(fù)載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類型的復(fù)合物，復(fù)合后統(tǒng)稱“阻抗”。

當(dāng)電路頻率滿足ωL=1/ωC時(shí)，即容抗等于感抗，電路呈阻性。這個(gè)頻率點(diǎn)稱為諧振頻率點(diǎn)。

每個(gè)包含有電感L和電容C組成的電路，都可能在一個(gè)或若干個(gè)頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象（電路呈阻性的點(diǎn)，如：左圖）。

能夠在一個(gè)或若干個(gè)頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路，稱為諧振電路。諧振電路對(duì)信號(hào)頻率具有選通性（右圖為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路的特性）。

電路阻抗有：源端輸出阻抗、傳輸線阻抗、輸入阻抗、負(fù)載阻抗等。

為要得到最大功率輸出的工作狀態(tài)，負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗之間要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。要傳送最大功率，阻抗匹配設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。對(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

線性電路傳輸信號(hào)最大功率的條件是負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等。

非線性電路由于器件工作狀態(tài)的不同，信號(hào)源/激勵(lì)源的內(nèi)阻變動(dòng)很大，輸出阻抗不是常數(shù)。負(fù)載端要隨時(shí)調(diào)整負(fù)載阻抗來(lái)等于信源輸出阻抗以獲得最大功率，是不可能做到的事情。

有兩種方式來(lái)設(shè)置匹配條件：

1、明確激勵(lì)源輸出特性，在輸出特性范圍負(fù)載阻抗可調(diào)節(jié)，得到近似最大功率；

2、確定負(fù)載條件，調(diào)整激勵(lì)源，使激勵(lì)源總能夠輸出額定功率到負(fù)載端。這也稱作“達(dá)到匹配狀態(tài)”

信號(hào)在中間電路傳送環(huán)節(jié)，并不是總要按照傳遞最大功率來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)需要，有時(shí)候傳送信號(hào)最大電壓或最大電流就可以達(dá)到目的。例如信號(hào)源輸出阻抗盡可能低，測(cè)試儀器的信號(hào)輸入端的輸入阻抗盡可能高（比信號(hào)源輸出阻抗高10倍以上），這樣可以直接把信號(hào)源信號(hào)連接到儀器的輸入端，可以得到信號(hào)源最大電壓信號(hào)。

這樣不需要考慮額外匹配，電路就進(jìn)入預(yù)想的工作狀態(tài)，可以使得電路得以簡(jiǎn)化，降低成本。

信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗和前級(jí)輸出內(nèi)阻抗之間總要有特定配合關(guān)系，無(wú)論是要傳送最大功率或者最大電壓或電流到下一級(jí)。

阻抗匹配的另外一個(gè)顯著作用是讓后級(jí)負(fù)載接入時(shí)，不影響前級(jí)的工作和輸出，起到隔離作用。

作傳送最大功率的電路阻抗匹配設(shè)計(jì)是最為復(fù)雜的。作好最大功率傳輸?shù)钠ヅ?，其他就是小菜一碟了?/p>

共軛匹配與阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

在信號(hào)源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號(hào)源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時(shí)，輸出功率最大。當(dāng)負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗共軛時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸。如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負(fù)載和信號(hào)源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（也可叫“阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)”），將負(fù)載阻抗變換為信號(hào)源阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

在信號(hào)源輸出和負(fù)載的輸入端之間總有第三者介入，這個(gè)第三者統(tǒng)稱信號(hào)“傳輸線”。如前面連接測(cè)試儀器的電纜、PCB上的走線、雙絞線等都是傳輸線的具體形式。

傳輸線是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的不可或缺的組成部分，它們是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。因此，阻抗匹配設(shè)計(jì)就要對(duì)信號(hào)源、傳輸線/阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載三者之間進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇出一種合適的搭配方式。

如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？

如果不匹配，則會(huì)形成信號(hào)反射，能量不能夠有效傳遞到負(fù)載，降低效率

小結(jié)一下

信號(hào)要傳遞和交換出去才有其用：

1、信號(hào)傳遞需要負(fù)載Load這個(gè)東西，還需要傳輸介質(zhì)。

2、信號(hào)能夠復(fù)原不僅需要Load，還需要協(xié)議protocol這個(gè)東西。

3、信號(hào)傳遞需要在信號(hào)源、傳輸線（傳輸介質(zhì)）、負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效傳輸?shù)哪康摹?/p>

4、阻抗變換設(shè)計(jì)涉及到頻帶選通性，因此阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并不是一件容易的事情。

實(shí)際工作中，由于電路形式和器件都是參考別人已經(jīng)用過(guò)、比較成熟的東西，因此經(jīng)驗(yàn)非常豐富的硬件大咖，常常要作的實(shí)際設(shè)計(jì)工作內(nèi)容就是在作各種條件下的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，竭力使電路達(dá)到最佳效果。但是他們常常攪盡了腦汁，還是沒(méi)有最佳結(jié)果，是因?yàn)楹鲆暳?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)師的工作。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是一個(gè)layout-driven的設(shè)計(jì)工作，需要硬件工程師和PCB設(shè)計(jì)師一起合作來(lái)完成。往往硬件工程師新手反而沒(méi)有感覺(jué)那么復(fù)雜，因?yàn)椴欢t虛，多和上下游配合的工程師交流，從而似乎輕而易舉、不經(jīng)意之間實(shí)現(xiàn)了最佳結(jié)果。再次說(shuō)明“信息交換、共享合作創(chuàng)造價(jià)值”。

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