如何将双绞线与低通滤波器结合来抑制射频干扰和电磁干扰
引言
“the twist”指双绞线，alexander graham bell于1881年申请该项专利。而该项技术一直沿用到今天，原因是它提供了诸多便利。此外，随着现场可编程门阵列(fpga)器件处理能力的逐渐强大，结合电路仿真及滤波器设计软件，使得双绞线在数据通信领域的应用也越来越普遍。
fpga为设计工程师提供了强大、灵活的控制能力，特别是那些无法获取专用集成电路(asic)的小批量设计项目，可以利用fpga实现设计;许多 大批量生产的产品，在项目设计初期也利用fpga进行原型开发，并定制芯片之前对新功能进行测试。fpga的强大之处在于复杂的数字处理功能，而一些模拟 信号则会受限于数字噪声的干扰。需要外部提供模拟放大，以及失调、滤波和信号处理，确保fpga满足系统的整体需求。
双绞线的重要性
双绞线对数据通信有着重大意义，能够大幅降低串扰、rfi和emi。
互联网和计算机的普及带动了双绞线应用的普及，许多人误以为双绞线是项新发明，实际情况并非如此。图1所示是alexander graham bell早在1881年就已申请的专利副本，他描述了多对双绞线之间的相互影响。
图1. alexander graham bell于1881年获得美国专利244,426
bell先生指出：多个电路通过两条线连接——一条直通线和一条返回线，构成一个金属线导电回路。当金属线导电回路置于其它电路附近时，如果周边电 路在两条线上感应信号不同，则金属线所连接的电话及其它电气设备就会感应干扰信号;显而易见，如果在直通线和返回线上产生相同影响，则其中一条导线产生的 电流将抵消另一条导线产生的电流。如果两条导线与干扰电流的感应关系相同，或将两条导线置于与上述电路相同的距离(确保其它条件完全相同)，则可避免干 扰。
这些经过125年历史验证的真理，为现代的差分信号原理奠定了基础。图2所示，导线a的电流所产生的磁场会在导线b中产生所不期望的电流。
图2. 导线之间的串扰：导线a中电流所产生的磁场在导线b产生所不期望的电流。
图中导线之间的电容表示杂散分布电容，当增大串扰信号的频率时，电容耦合将更为明显。图3中，我们观察到bell先生提出的“抵消”效应。当在双绞 线两侧施加相等的干扰信号时，干扰信号将被抵消。射频环境下，杂散电容会耦合导线之间的能量。同理，由于双绞线的干扰相等、方向相反，rfi趋于抵消。以 差分形式接收双绞线信号将增强“抵消”效应。
图3. 当对双绞线两侧施加相等的干扰信号时，导线之间的串扰被抵消。
也可以利用屏蔽导体将双绞线包裹起来，起到静电屏蔽作用。屏蔽增大了杂散电容，作用相当于低通滤波器，进一步衰减rf干扰。导线的阻性和感性为串联元件，分散电容对地形成低通滤波器。当通信链路仅传输低频信号时，例如电话音频或其它窄带信号，这一特性有助于改善传输效果。
利用低通滤波器降低rfi
举例说明，温度测量的速度可能受限于被测对象的物理质量。家用加热器可能只需要每隔一、两分钟测量一次温度。由于空气、墙壁、地板和天花板的质量比较大，温度变化非常缓慢。所以，每秒钟测量数百万次温度对加热器的温度测量或温度控制毫无意义。
我们转向室外，室外产生的rfi可能进入室内。以我家为例，我家距离一座50,000w am电台大约1英里。不幸的是，电话线拾取了电台的1.37mhz信号。信号在电话中经过检波，恢复出电台的音频信号。每每听到这个干扰信号会让人难以忍 受，这一干扰严重影响了电话的调制解调器。电台播音室与发射机和天线相邻，系统维护比较方便。按道理说，工程师比较擅长消除音频和电话系统的 1.37mhz信号，于是我们通过“噪杂”的电话提出维修申请，并询问了他们使用的是什么低通滤波器。
图4. 低通滤波器。
采用图4非常简单的滤波器即可获得不错的效果，为什么?原因在于物理学：我们希望线路上保留什么，抑制什么?本 例中，我们正常的电话信号为300hz至3khz，要抑制的信号是1.37mhz，频率相差450倍。利用nuhertz的filterfree软件，我 们制作了一个巴特沃斯响应滤波器并绘制了其响应特性(图5)。滤波器在3khz以下基本平坦，在1.37mhz时衰减超过135db。135db相当于衰 减了560万倍。电台使用了滤波器后，有效解决了这一问题，不再干扰电话线。
图5. 使用低通滤波器后，电话音频通过线路，而电台的rfi得到抑制。
利用一个简单的滤波电路是否就能解决问题?软件工具solve elec是一款电路仿真器，带有低通滤波器设计文件，这是一个简单的rc滤波器。利用该rc滤波器，更改参数值，得到8khz下的3db衰减，频响特性如图6所示。
图6. 图中所示为简单的rc滤波器对电话线中rfi的响应特性。
对于音频信号，3khz时衰减小于0.5db，而对电台的rfi干扰则衰减44db，或150倍。实际上，我们也利用了电话线的电阻和电感串联元件，只是增加了一个小的接地电容，对电台的rfi做进一步的衰减。
现在，我们重新考虑工厂的温度测量系统，其中导线有数百英尺长，相当于一个无线电天线，因此，受rfi影响的几率非常大。如果在规定的时间周期内，温度测量数据保持一致，可以在检测线路中串联一个低通滤波器，以消除rfi。那么，如何通过双绞线接收信号?当然要采用差分信号，确保干扰信号彼此抵消，图7所示为此类电路。
图7. 采用max5426高精度电阻网络构成差分放大器，可灵活设置放大器参数。
图7所示的电路配置也称为仪表放大器，市场上可以找到多种完全集成的方案，max5426高精度电阻网络为设计人员提供了控制放大器参数的便利条 件。高精度电阻允许以数字方式选择差分增益：1、2、4或8，精度可选择0.5%至0.025%。电阻的精确匹配确保获得79db以上的共模抑制指标。电 路设计人员可方便选择运算放大器，根据具体应用量身定制频率响应特性，改善前端滤波。
结论
虽然alexander graham bell很早就阐述了双绞线原理，至今我们仍然可以通过互联网或无线电听到chubby checker和“双绞线”，如果bell知道双绞线、电路设计、仿真工具以及fpga对现代科学贡献，他一定会感到吃惊。 正确选择双绞线和低通滤波器，即可降低emi和rfi，提高数据通信的可靠性。
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双绞线的重要性
双绞线对数据通信有着重大意义，能够大幅降低串扰、rfi和emi。
互联网和计算机的普及带动了双绞线应用的普及，许多人误以为双绞线是项新发明，实际情况并非如此。图1所示是alexander graham bell早在1881年就已申请的专利副本，他描述了多对双绞线之间的相互影响。
图1. alexander graham bell于1881年获得美国专利244,426
bell先生指出：多个电路通过两条线连接——一条直通线和一条返回线，构成一个金属线导电回路。当金属线导电回路置于其它电路附近时，如果周边电 路在两条线上感应信号不同，则金属线所连接的电话及其它电气设备就会感应干扰信号;显而易见，如果在直通线和返回线上产生相同影响，则其中一条导线产生的 电流将抵消另一条导线产生的电流。如果两条导线与干扰电流的感应关系相同，或将两条导线置于与上述电路相同的距离(确保其它条件完全相同)，则可避免干 扰。
这些经过125年历史验证的真理，为现代的差分信号原理奠定了基础。图2所示，导线a的电流所产生的磁场会在导线b中产生所不期望的电流。
图2. 导线之间的串扰：导线a中电流所产生的磁场在导线b产生所不期望的电流。
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图3. 当对双绞线两侧施加相等的干扰信号时，导线之间的串扰被抵消。
也可以利用屏蔽导体将双绞线包裹起来，起到静电屏蔽作用。屏蔽增大了杂散电容，作用相当于低通滤波器，进一步衰减rf干扰。导线的阻性和感性为串联元件，分散电容对地形成低通滤波器。当通信链路仅传输低频信号时，例如电话音频或其它窄带信号，这一特性有助于改善传输效果。
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举例说明，温度测量的速度可能受限于被测对象的物理质量。家用加热器可能只需要每隔一、两分钟测量一次温度。由于空气、墙壁、地板和天花板的质量比较大，温度变化非常缓慢。所以，每秒钟测量数百万次温度对加热器的温度测量或温度控制毫无意义。
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图4. 低通滤波器。
采用图4非常简单的滤波器即可获得不错的效果，为什么?原因在于物理学：我们希望线路上保留什么，抑制什么?本 例中，我们正常的电话信号为300hz至3khz，要抑制的信号是1.37mhz，频率相差450倍。利用nuhertz的filterfree软件，我 们制作了一个巴特沃斯响应滤波器并绘制了其响应特性(图5)。滤波器在3khz以下基本平坦，在1.37mhz时衰减超过135db。135db相当于衰 减了560万倍。电台使用了滤波器后，有效解决了这一问题，不再干扰电话线。
图5. 使用低通滤波器后，电话音频通过线路，而电台的rfi得到抑制。
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图6. 图中所示为简单的rc滤波器对电话线中rfi的响应特性。
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图7. 采用max5426高精度电阻网络构成差分放大器，可灵活设置放大器参数。
图7所示的电路配置也称为仪表放大器，市场上可以找到多种完全集成的方案，max5426高精度电阻网络为设计人员提供了控制放大器参数的便利条 件。高精度电阻允许以数字方式选择差分增益：1、2、4或8，精度可选择0.5%至0.025%。电阻的精确匹配确保获得79db以上的共模抑制指标。电 路设计人员可方便选择运算放大器，根据具体应用量身定制频率响应特性，改善前端滤波。
结论
虽然alexander graham bell很早就阐述了双绞线原理，至今我们仍然可以通过互联网或无线电听到chubby checker和“双绞线”，如果bell知道双绞线、电路设计、仿真工具以及fpga对现代科学贡献，他一定会感到吃惊。 正确选择双绞线和低通滤波器，即可降低emi和rfi，提高数据通信的可靠性。
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