Simulación de línea de transmisión (física)

Necesito poder simular comunicaciones con un dispositivo sensor en una gran longitud de cable (0-10 km). Esto es para comunicaciones de baja velocidad (10 khz máx., aunque generalmente 1-2 khz). Esto sería FSK... pero en algún momento puede que también tenga que manejar una señal tipo RS232 de baja velocidad.

Principalmente, estoy buscando caídas de voltaje y distorsiones de señal. La demora no importa mucho.

¿Cómo lo harías?

EDITAR:

He podido determinar que el cable es de hecho un tipo de coaxial (bastante no estándar). Ahora sé la resistencia y la capacitancia por unidad de longitud, la geometría de la sección transversal y que la resistencia del aislamiento es lo suficientemente alta como para que no importe. Inicialmente, no estaba claro si la línea de retorno era una ejecución separada o no.

Esta sería una configuración de prueba para varios dispositivos de destino. La mayoría son FSK de varias opciones de frecuencia por debajo de 10 khz, algunos son ASK (casi se podría usar un UART estándar después del paso de banda/filtrado). Todos están montados en un alto desplazamiento de CC (comunicaciones sobre potencia).

En el pasado, he visto a personas construir un interruptor giratorio simple que intercambia resistencias, capacitores y tal vez inductores para simular una longitud de línea determinada. ¿Podría eso ser lo suficientemente bueno?

Actualmente estoy tratando de construir algunas simulaciones en LTspice.

EDITAR 2:

Bien, si solo agrego resistencias, tapas e inductores... ¿cómo se ve el modelo? La red RLGC a continuación asume que los terrenos tienen el mismo potencial, creo (una suposición segura en PCB con planos de tierra). El retorno en este caso es a través de la capa exterior, y su resistencia es probablemente 3 veces mayor que la del conductor interior. ¿Cambia eso las cosas significativamente? ¿Simplemente agrego otra resistencia en el riel inferior y divido la capacitancia en ambos lados?

¿Va a utilizar FSK con una portadora de 10 kHz o enviar datos a 10 kbaudios? ¿Qué quiere decir con RS232-like; ¿banda base o solo 1 bit/símbolo?
es coaxial o algo mas?

Respuestas (3)

Las líneas de transmisión tienen una impedancia característica compleja. La impedancia característica normalmente se especifica "por unidad de longitud" para una línea de transmisión determinada. A efectos prácticos, puede tener cuatro valores "por unidad de longitud" para una línea de transmisión: resistencia, capacitancia, inductancia y conductancia. Hay un artículo bastante extenso sobre esto en Wikipedia , y "para frecuencias altas y pérdidas pequeñas", la ecuación aproximada es:

texto alternativo

donde:

  • x es la distancia a lo largo de la línea de transmisión
  • t es el tiempo transcurrido
  • L es la inductancia por unidad de longitud
  • C es la capacitancia por unidad de longitud
  • R es la resistencia por unidad de longitud
  • G es la conductancia por unidad de longitud

Ahora, esto probablemente será de uso limitado para usted porque, si leo entre líneas aquí, parece que está planeando transmitir una señal digital (es decir, una onda cuadrada). Los bordes de la onda cuadrada son realmente de "amplio espectro". Es por eso que la mayoría de los sistemas de comunicación pasan por un paso de modulación y demodulación para limitar el espectro de la señal "en la línea". Pero creo que la ecuación anterior se aplica porque la "señal" en una onda cuadrada es analíticamente un contenido de "alta frecuencia".

En cualquier caso, en el alto nivel de "estado estable" de su señal de entrada, suponiendo que su receptor sea de alta impedancia, lo que ve su señal es un divisor de voltaje basado en la resistencia y la conductancia características. Entonces debería ver (aproximadamente) Vout/Vin = G/(R+G), según el modelo:

texto alternativo

Editar 1

Me perdí el comentario de FSK (Teclado por cambio de frecuencia) en la pregunta anterior. También tuve otro pensamiento. Puede usar algo como Matlab Simulink para modelar la característica de transferencia del circuito y alimentar el modelo con una forma de onda de entrada representativa para ver qué sale del otro lado...

Además, si desea saber cuánta caída de voltaje verá, para una señal sinusoidal, todavía tiene un divisor de voltaje efectivo con una pata superior que tiene una impedancia efectiva de longitud * (R + jwL) y un inferior impedancia de la pierna de ( longitud G || 1/(longitud jwC )). Puede hacer cálculos matemáticos complejos para encontrar la parte real de esa función de transferencia a una frecuencia dada (w = 2 * pi * f).

Editar 2

En respuesta a la aclaración de lo que quiso decir con simulación física, si está tratando de introducir físicamente el efecto de una línea de transmisión, simplemente configure el circuito en la figura con los valores apropiados de capacitores, inductores y resistencias, dimensionados de acuerdo con las propiedades y la longitud de la línea de transmisión que intenta emular.

He estado tratando de determinar si este modelo agrupado es adecuado para esto, en comparación con un modelo distribuido (donde divide la red RLGC en secciones serializadas mucho más pequeñas). G es supuestamente cientos de megaohmios incluso a 10 km (más de 5 mm de aislamiento)
Mi principal preocupación en este punto es la forma de onda cuadrada de la señal ASK. No estoy seguro de si puedo ignorar esas transiciones relativamente rápidas o no. Recuerdo un sonido horrible al observar estas cosas hace años... pero supongo que probablemente se deba a una adaptación de impedancia muy pobre.
@darron, creo que el modelo agrupado está bien siempre y cuando lo único que le importe sea lo que sale del otro lado de la línea y no lo que sucede en los puntos del camino. La serie infinita es un modelo útil para resolver el campo de espacio-tiempo dentro de la línea.
@darron, debería poder ignorar cómodamente G si es >> que R en el modelo. En ese caso, sus pérdidas se deberán principalmente al filtro RLC efectivo evidente en el modelo, en el punto de operación de su frecuencia. Esto terminará pareciendo un filtro de paso bajo para todos los efectos. Así que espere ver algo de suavizado de sus bordes.
@darron, echa un vistazo a sim.okawa-denshi.jp/en/RLClowkeisan.htm

Los fabricantes de cables le dirán cuánto se atenuará la señal por unidad de longitud dada la frecuencia de la señal.

Con respecto a las distorsiones de la señal, no tengo conocimiento de nada significativo siempre que use un cable blindado. Pero no confíes en mi palabra.

La transmisión de señales de nivel RS232 a través de un cable tan largo será difícil.

Si quisiera hacerlo para uso real, un módem telefónico estándar y un generador de voltaje de línea, si es necesario. Para la simulación, @krapht tiene razón. Utilice STP o coaxial.

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