硬件设计常用知识信号和信号传递,阻抗匹配和阻抗变换详细资料介绍

1、信号和信号传递

2、阻抗匹配概念Impedance matching和阻抗变换网络

1.信号和信号传递

机械系统设计核心是运动变换设计，把简单周期性循环往复运动变换并传递为各种直线或曲线的复杂运动，实现预定的目标。

电子系统设计则是用各种复杂的电子电路完成信号变换和传递，实现预期的控制和目标结果。

什么是信号呢？信号是消息的载体，是运载消息的工具。大自然中，大海潮汐浪涛声、秋天山林颜色变化、落叶飘落等都是信号，传递着某种你知道或不知道的神秘消息。信号它就在那里，可以没有观众、没有听众。即使有，如果不明白信号中的消息也等于没有，不是？

以电声信号为例，巢妹在深圳房间里对一个物体大喊“Now see you”。这个物体俗名叫“话筒”，科技型名为传感器，再描述的细致一点叫“拾音器”，抽象名为“负载”。这个有多个名字的家伙，它承载了巢妹的“Now see you”语音信号，要传递给千里之外的北京电娃听。

巢妹的声音“Now see you”从这个物体开始先被记录下来，然后切割、包装进行传递。中间穿上各种颜色的马甲，经过了各种各样变换，坐上不同的”汽车、火车、轮船”等交通工具，通过很多种不同类型的红绿灯口，还要在空中飞一会，中间“渴了、饿了”要中转休息（缓冲）等一系列过程，传输到北京电娃手上的一个物体里，这个物体可能叫“手机”。

在电娃手机里面又经历一通信号变换和传递，最后来到一个“输出负载”，接到一个叫“喇叭”东西上，学名“扬声器”，在喇叭里把巢妹的声音还原出来。尽管远在千里之外，经历了这么多过程，电娃在分毫时间之内还是听到了巢妹的声音。在北京的电娃听到巢妹的声音，清晰悦耳、没有杂音而且没有变成“No see you”。电娃感到一阵狂喜幸福。

那么，问题来了，巢妹是在深圳喊的，北京的电娃听到的真的是巢妹的声音吗？既是也不是。巢妹在深圳说过的话，说完就消失在空气中了。北京听到的并不是直接的巢妹说话，而是被电子系统记录、经过信号变换并传输、复原过来的声音。然而这个在北京复原的声音里面包含了巢妹说话的固有特征信息，也的确是巢妹说的话。

这个例子中，巢妹的语音被负载承载，由声音信号转换为实时模拟电信号，再转换为数字信号，按照已确定的协议编码、压缩传输发送。到电娃接收端那里，严格按照协议进行信号逆向变换，在一个明确的负载上再重现出来。

信号就这么从深圳传递到北京电娃的手机里。可是传递过去的究竟是什么特征信息，还能够在北京的喇叭里被复原呢？这涉及到信号的表征。

一个单纯信号可以用一个确定的电压表达式来描述：瞬时电压，有：

幅度A，频率f，相位。信号传递需要有负载来介入，以便显现出信号来。负载上就会有瞬时电流i(t)。信号在负载Load上，就有瞬时电功率为p(t)=u(t)i(t)。

信号在时域上有三个参数：频率、振幅和相位，在频域上有两个参数：频率和振幅。如果有很多频率的信号组成一群，就有信号群、频率带的概念。

信号传递需要负载Load这个东西，还需要传输介质。信号能够复原不仅需要Load，还需要协议protocol这个东西。

信号传递和交换才有价值。黄山上千年美丽的风景就在那里，有爱好者在上面安装了不少电子眼，只要付费买个账号，就可以实时传递信息过来，看到黄山的晨曦和晚霞，甚至可以看到几个月前的美丽景象。山上美景一直存在，如果不经过信号传递，就无从体现价值。

信号传递总是要通过各种各样电路的。信号从始端输入，经过一级级的电路、一层层的控制，要求最后无失真地传递到目的地。电路系统中各个不同部分、各个单元各司其职，忠实地完成信号的各种变换、控制、交换和传递。

信号通过一个电路进行处理时，在时域上三个参数会变化，频域上两个参数也会变化。常用这些显著的参数变化用来表征这个电路的功能特性，如：放大电路、移相电路、震荡电路等，也会说这些电路具有不同的放大特性、幅频特性、相频特性等。

上面巢妹和电娃的实例中，要传递到北京去的信号特征，只是要把巢妹的语音里包含的所有频率分量、振幅和相位、时间间隔、语速等参数通过电路系统传送过去，在终端进行复现出来。

这个例子中信号传递开始要作的事，是要在电路里把信号的瞬时电功率尽可能大的传送到后面环节中去，保证不失真，再逐级往后向目的地传送。

2.阻抗匹配概念Impedance matching和阻抗变换网络

阻抗是表示元件性能或一段电路电性能的物理量，是指电路中电阻、电感、电容等对电路中电流所起的阻碍作用。

阻（resistance）是对能量的消耗，通常转换为热耗，而抗（reactance）是对能量的储存。

阻抗常用Z表示，是一个复数，矢量向量。数学公式：阻抗Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R为电阻，ωL为感抗，1/（ωC）为容抗。

（1）如果(ωL–1/ωC) > 0，称为“感性负载”；（2）反之，如果(ωL–1/ωC) < 0称为“容性负载”。

负载是电阻、电感的感抗、电容的容抗三种类型的复合物，复合后统称“阻抗”。

当电路频率满足ωL=1/ωC时，即容抗等于感抗，电路呈阻性。这个频率点称为谐振频率点。

每个包含有电感L和电容C组成的电路，都可能在一个或若干个频率上发生谐振现象（电路呈阻性的点，如：左图）。

能够在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，称为谐振电路。谐振电路对信号频率具有选通性（右图为LC并联谐振回路的特性）。

电路阻抗有：源端输出阻抗、传输线阻抗、输入阻抗、负载阻抗等。

为要得到最大功率输出的工作状态，负载阻抗与激励源内部阻抗之间要实现阻抗匹配。要传送最大功率，阻抗匹配设计比较复杂。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

线性电路传输信号最大功率的条件是负载阻抗与电源内阻相等。

非线性电路由于器件工作状态的不同，信号源/激励源的内阻变动很大，输出阻抗不是常数。负载端要随时调整负载阻抗来等于信源输出阻抗以获得最大功率，是不可能做到的事情。

有两种方式来设置匹配条件：

1、明确激励源输出特性，在输出特性范围负载阻抗可调节，得到近似最大功率； 

2、确定负载条件，调整激励源，使激励源总能够输出额定功率到负载端。这也称作“达到匹配状态”

信号在中间电路传送环节，并不是总要按照传递最大功率来设计。根据需要，有时候传送信号最大电压或最大电流就可以达到目的。例如信号源输出阻抗尽可能低，测试仪器的信号输入端的输入阻抗尽可能高（比信号源输出阻抗高10倍以上），这样可以直接把信号源信号连接到仪器的输入端，可以得到信号源最大电压信号。

这样不需要考虑额外匹配，电路就进入预想的工作状态，可以使得电路得以简化，降低成本。

信号传输过程中负载阻抗和前级输出内阻抗之间总要有特定配合关系，无论是要传送最大功率或者最大电压或电流到下一级。

阻抗匹配的另外一个显著作用是让后级负载接入时，不影响前级的工作和输出，起到隔离作用。

作传送最大功率的电路阻抗匹配设计是最为复杂的。作好最大功率传输的匹配，其他就是小菜一碟了。

共轭匹配与阻抗变换网络

在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比K，当两者相等，即K=1时，输出功率最大。当负载阻抗与信号源阻抗共轭时，能够实现功率的最大传输。如果负载阻抗不满足共轭匹配的条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络（也可叫“阻抗匹配网络”），将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭，实现阻抗匹配。

在信号源输出和负载的输入端之间总有第三者介入，这个第三者统称信号“传输线”。如前面连接测试仪器的电缆、PCB上的走线、双绞线等都是传输线的具体形式。

传输线是阻抗匹配网络的不可或缺的组成部分，它们是信号传输的通道。因此，阻抗匹配设计就要对信号源、传输线/阻抗匹配网络和负载三者之间进行设计选择出一种合适的搭配方式。

如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？

如果不匹配，则会形成信号反射，能量不能够有效传递到负载，降低效率

小结一下

信号要传递和交换出去才有其用：

1、信号传递需要负载Load这个东西，还需要传输介质。

2、信号能够复原不仅需要Load，还需要协议protocol这个东西。

3、信号传递需要在信号源、传输线（传输介质）、负载之间实现阻抗匹配。通过阻抗匹配网络来实现有效传输的目的。

4、阻抗变换设计涉及到频带选通性，因此阻抗匹配网络设计并不是一件容易的事情。

实际工作中，由于电路形式和器件都是参考别人已经用过、比较成熟的东西，因此经验非常丰富的硬件大咖，常常要作的实际设计工作内容就是在作各种条件下的阻抗变换网络设计，竭力使电路达到最佳效果。但是他们常常搅尽了脑汁，还是没有最佳结果，是因为忽视了PCB设计师的工作。

阻抗匹配网络设计是一个layout-driven的设计工作，需要硬件工程师和PCB设计师一起合作来完成。往往硬件工程师新手反而没有感觉那么复杂，因为不懂而谦虚，多和上下游配合的工程师交流，从而似乎轻而易举、不经意之间实现了最佳结果。再次说明“信息交换、共享合作创造价值”。

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