Simulazione della linea di trasmissione (fisica)

Devo essere in grado di simulare le comunicazioni con un dispositivo sensore su una grande lunghezza di filo (0-10 km). Questo è per le comunicazioni piuttosto a bassa velocità (massimo 10 kHz, in genere 1-2 kHz). Questo sarebbe FSK ... ma ad un certo punto potrei dover gestire anche un segnale simile a RS232 a bassa baud.

Principalmente, cerco cadute di tensione e distorsioni del segnale. Il ritardo non conta molto.

Come lo faresti?

MODIFICARE:

Sono stato in grado di determinare che il cavo è davvero un tipo (piuttosto non standard) di coassiale. Ora so resistenza e capacità per unità di lunghezza, geometria della sezione trasversale e che la resistenza di isolamento è abbastanza alta da non importare. Inizialmente non era chiaro se la linea di ritorno fosse una corsa separata o meno.

Questa sarebbe una configurazione di prova per più dispositivi target. La maggior parte sono FSK di varie scelte di frequenza sotto i 10 kHz, alcuni sono ASK (potresti quasi usare un UART standard dopo il passa-banda / il filtro). Tutti stanno viaggiando su un offset DC elevato (comms over power).

In passato, ho visto persone costruire un semplice interruttore rotante che scambia resistori, condensatori e forse induttori per simulare una determinata lunghezza della linea. Potrebbe essere abbastanza buono?

Attualmente sto cercando di creare alcune simulazioni in LTspice.

MODIFICA 2:

Va bene, se vado solo con l'aggiunta di resistori, cappucci e induttori ... che aspetto ha il modello? La rete RLGC di seguito presuppone che i motivi abbiano lo stesso potenziale, credo (un presupposto sicuro sui PCB con i piani di massa). Il ritorno in questo caso avviene attraverso il guscio esterno e la sua resistenza è probabilmente 3 volte superiore al conduttore interno. Questo cambia le cose in modo significativo? Devo solo aggiungere un altro resistore sulla guida inferiore e dividere la capacità su entrambi i lati?

Le linee di trasmissione hanno un'impedenza caratteristica complessa. L'impedenza caratteristica è in genere specificata "per unità di lunghezza" per una determinata linea di trasmissione. Ai fini pratici, è possibile avere quattro valori "per unità di lunghezza" per una linea di trasmissione: resistenza, capacità, induttanza e conduttanza. C'è un articolo piuttosto ampio su questo su Wikipedia e "per alte frequenze e piccole perdite" l'equazione approssimativa è:

dove:

• x è la distanza lungo la linea di trasmissione
• t è il tempo trascorso
• L è l'induttanza per unità di lunghezza
• C è la capacità per unità di lunghezza
• R è la resistenza per unità di lunghezza
• G è la conduttanza per unità di lunghezza

Ora questo probabilmente ti sarà di utilità limitata perché, se leggo tra le righe qui, sembra che tu stia pianificando di trasmettere un segnale digitale (cioè un'onda quadra). I bordi dell'onda quadra sono davvero "ad ampio spettro". Ecco perché la maggior parte dei sistemi di comunicazione passa attraverso una fase di modulazione e demodulazione in modo da limitare lo spettro del segnale "sulla linea". Ma penso che l'equazione di cui sopra si applichi perché un "segnale" in un'onda quadra è analiticamente contenuto "ad alta frequenza".

Ad ogni modo, nell'alto livello dello "stato stazionario" del segnale in ingresso, supponendo che il ricevitore sia un'alta impedenza, ciò che il segnale vede è un divisore di tensione basato sulla resistenza caratteristica e conduttanza. Quindi dovresti vedere (approssimativamente) Vout / Vin = G / (R + G), in base al modello:

Modifica 1

Ho perso il commento di FSK (Frequency Shift Keying) nella domanda precedente. Ho anche avuto un altro pensiero. Puoi usare qualcosa come Matlab Simulink per modellare le caratteristiche di trasferimento del circuito e alimentare il modello con una forma d'onda di ingresso rappresentativa per vedere cosa viene fuori dall'altra parte ...

Inoltre, se vuoi sapere quanta caduta di tensione vedrai, per un segnale sinusoidale, hai ancora un divisore di tensione efficace con una gamba superiore con impedenza effettiva di lunghezza * (R + jwL) e una parte inferiore impedenza di gamba di ( lunghezza G || 1 / ( lunghezza jwC )). Puoi fare la matematica complessa per trovare la parte reale di quella funzione di trasferimento a una data frequenza (w = 2 * pi * f).

Modifica 2

In risposta al chiarimento di cosa intendevi per simulazione fisica, se stai cercando di introdurre fisicamente l'effetto di una linea di trasmissione, imposta il circuito nella figura con i valori appropriati di condensatori, induttori e resistori - dimensionati secondo le proprietà e la lunghezza della linea di trasmissione che si sta tentando di emulare.

I produttori di cavi vi diranno di quanto il segnale verrà attenuato per unità di lunghezza data la frequenza del segnale.

Per quanto riguarda le distorsioni del segnale, non sono a conoscenza di nulla di significativo finché si utilizza un cavo schermato. Ma non crederci sulla parola.

La trasmissione di segnali di livello RS232 su un cavo così lungo sarà difficile.

Se volessi farlo per uso reale, un modem telefonico standard e un generatore di tensione di linea, se necessario. Per la simulazione @krapht è giusto. Usa STP o coassiale.