1、信號和信號傳遞

2、阻抗匹配概念Impedance matching和阻抗變換網絡

1.信號和信號傳遞

機械系統設計核心是運動變換設計，把簡單周期性循環往復運動變換并傳遞為各種直線或曲線的復雜運動，實現預定的目標。

電子系統設計則是用各種復雜的電子電路完成信號變換和傳遞，實現預期的控制和目標結果。

什么是信號呢？信號是消息的載體，是運載消息的工具。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，傳遞著某種你知道或不知道的神秘消息。信號它就在那里，可以沒有觀眾、沒有聽眾。即使有，如果不明白信號中的消息也等于沒有，不是？

以電聲信號為例，巢妹在深圳房間里對一個物體大喊“Now see you”。這個物體俗名叫“話筒”，科技型名為傳感器，再描述的細致一點叫“拾音器”，抽象名為“負載”。這個有多個名字的家伙，它承載了巢妹的“Now see you”語音信號，要傳遞給千里之外的北京電娃聽。

巢妹的聲音“Now see you”從這個物體開始先被記錄下來，然后切割、包裝進行傳遞。中間穿上各種顏色的馬甲，經過了各種各樣變換，坐上不同的”汽車、火車、輪船”等交通工具，通過很多種不同類型的紅綠燈口，還要在空中飛一會，中間“渴了、餓了”要中轉休息（緩沖）等一系列過程，傳輸到北京電娃手上的一個物體里，這個物體可能叫“手機”。

在電娃手機里面又經歷一通信號變換和傳遞，最后來到一個“輸出負載”，接到一個叫“喇叭”東西上，學名“揚聲器”，在喇叭里把巢妹的聲音還原出來。盡管遠在千里之外，經歷了這么多過程，電娃在分毫時間之內還是聽到了巢妹的聲音。在北京的電娃聽到巢妹的聲音，清晰悅耳、沒有雜音而且沒有變成“No see you”。電娃感到一陣狂喜幸福。

那么，問題來了，巢妹是在深圳喊的，北京的電娃聽到的真的是巢妹的聲音嗎？既是也不是。巢妹在深圳說過的話，說完就消失在空氣中了。北京聽到的并不是直接的巢妹說話，而是被電子系統記錄、經過信號變換并傳輸、復原過來的聲音。然而這個在北京復原的聲音里面包含了巢妹說話的固有特征信息，也的確是巢妹說的話。

這個例子中，巢妹的語音被負載承載，由聲音信號轉換為實時模擬電信號，再轉換為數字信號，按照已確定的協議編碼、壓縮傳輸發送。到電娃接收端那里，嚴格按照協議進行信號逆向變換，在一個明確的負載上再重現出來。

信號就這么從深圳傳遞到北京電娃的手機里。可是傳遞過去的究竟是什么特征信息，還能夠在北京的喇叭里被復原呢？這涉及到信號的表征。

一個單純信號可以用一個確定的電壓表達式來描述：瞬時電壓，有：

幅度A，頻率f，相位。信號傳遞需要有負載來介入，以便顯現出信號來。負載上就會有瞬時電流i(t)。信號在負載Load上，就有瞬時電功率為p(t)=u(t)i(t)。

信號在時域上有三個參數：頻率、振幅和相位，在頻域上有兩個參數：頻率和振幅。如果有很多頻率的信號組成一群，就有信號群、頻率帶的概念。

信號傳遞需要負載Load這個東西，還需要傳輸介質。信號能夠復原不僅需要Load，還需要協議protocol這個東西。

信號傳遞和交換才有價值。黃山上千年美麗的風景就在那里，有愛好者在上面安裝了不少電子眼，只要付費買個賬號，就可以實時傳遞信息過來，看到黃山的晨曦和晚霞，甚至可以看到幾個月前的美麗景象。山上美景一直存在，如果不經過信號傳遞，就無從體現價值。

信號傳遞總是要通過各種各樣電路的。信號從始端輸入，經過一級級的電路、一層層的控制，要求最后無失真地傳遞到目的地。電路系統中各個不同部分、各個單元各司其職，忠實地完成信號的各種變換、控制、交換和傳遞。

信號通過一個電路進行處理時，在時域上三個參數會變化，頻域上兩個參數也會變化。常用這些顯著的參數變化用來表征這個電路的功能特性，如：放大電路、移相電路、震蕩電路等，也會說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例中，要傳遞到北京去的信號特征，只是要把巢妹的語音里包含的所有頻率分量、振幅和相位、時間間隔、語速等參數通過電路系統傳送過去，在終端進行復現出來。

這個例子中信號傳遞開始要作的事，是要在電路里把信號的瞬時電功率盡可能大的傳送到后面環節中去，保證不失真，再逐級往后向目的地傳送。

2.阻抗匹配概念Impedance matching和阻抗變換網絡

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、電容等對電路中電流所起的阻礙作用。

阻（resistance）是對能量的消耗，通常轉換為熱耗，而抗（reactance）是對能量的儲存。

阻抗常用Z表示，是一個復數，矢量向量。數學公式：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“感性負載”；（2）反之，如果(ωL–1/ωC) < 0稱為“容性負載”。

負載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類型的復合物，復合后統稱“阻抗”。

當電路頻率滿足ωL=1/ωC時，即容抗等于感抗，電路呈阻性。這個頻率點稱為諧振頻率點。

每個包含有電感L和電容C組成的電路，都可能在一個或若干個頻率上發生諧振現象（電路呈阻性的點，如：左圖）。

能夠在一個或若干個頻率上發生諧振現象的電路，稱為諧振電路。諧振電路對信號頻率具有選通性（右圖為LC并聯諧振回路的特性）。

電路阻抗有：源端輸出阻抗、傳輸線阻抗、輸入阻抗、負載阻抗等。

為要得到最大功率輸出的工作狀態，負載阻抗與激勵源內部阻抗之間要實現阻抗匹配。要傳送最大功率，阻抗匹配設計比較復雜。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態稱為匹配，否則稱為失配。

線性電路傳輸信號最大功率的條件是負載阻抗與電源內阻相等。

非線性電路由于器件工作狀態的不同，信號源/激勵源的內阻變動很大，輸出阻抗不是常數。負載端要隨時調整負載阻抗來等于信源輸出阻抗以獲得最大功率，是不可能做到的事情。

有兩種方式來設置匹配條件：

1、明確激勵源輸出特性，在輸出特性范圍負載阻抗可調節，得到近似最大功率；

2、確定負載條件，調整激勵源，使激勵源總能夠輸出額定功率到負載端。這也稱作“達到匹配狀態”

信號在中間電路傳送環節，并不是總要按照傳遞最大功率來設計。根據需要，有時候傳送信號最大電壓或最大電流就可以達到目的。例如信號源輸出阻抗盡可能低，測試儀器的信號輸入端的輸入阻抗盡可能高（比信號源輸出阻抗高10倍以上），這樣可以直接把信號源信號連接到儀器的輸入端，可以得到信號源最大電壓信號。

這樣不需要考慮額外匹配，電路就進入預想的工作狀態，可以使得電路得以簡化，降低成本。

信號傳輸過程中負載阻抗和前級輸出內阻抗之間總要有特定配合關系，無論是要傳送最大功率或者最大電壓或電流到下一級。

阻抗匹配的另外一個顯著作用是讓后級負載接入時，不影響前級的工作和輸出，起到隔離作用。

作傳送最大功率的電路阻抗匹配設計是最為復雜的。作好最大功率傳輸的匹配，其他就是小菜一碟了。

共軛匹配與阻抗變換網絡

在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負載電阻與信號源內阻之比K，當兩者相等，即K=1時，輸出功率最大。當負載阻抗與信號源阻抗共軛時，能夠實現功率的最大傳輸。如果負載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負載和信號源之間加一個阻抗變換網絡（也可叫“阻抗匹配網絡”），將負載阻抗變換為信號源阻抗的共軛，實現阻抗匹配。

在信號源輸出和負載的輸入端之間總有第三者介入，這個第三者統稱信號“傳輸線”。如前面連接測試儀器的電纜、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絡的不可或缺的組成部分，它們是信號傳輸的通道。因此，阻抗匹配設計就要對信號源、傳輸線/阻抗匹配網絡和負載三者之間進行設計選擇出一種合適的搭配方式。

如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？

如果不匹配，則會形成信號反射，能量不能夠有效傳遞到負載，降低效率

小結一下

信號要傳遞和交換出去才有其用：

1、信號傳遞需要負載Load這個東西，還需要傳輸介質。

2、信號能夠復原不僅需要Load，還需要協議protocol這個東西。

3、信號傳遞需要在信號源、傳輸線（傳輸介質）、負載之間實現阻抗匹配。通過阻抗匹配網絡來實現有效傳輸的目的。

4、阻抗變換設計涉及到頻帶選通性，因此阻抗匹配網絡設計并不是一件容易的事情。

實際工作中，由于電路形式和器件都是參考別人已經用過、比較成熟的東西，因此經驗非常豐富的硬件大咖，常常要作的實際設計工作內容就是在作各種條件下的阻抗變換網絡設計，竭力使電路達到最佳效果。但是他們常常攪盡了腦汁，還是沒有最佳結果，是因為忽視了PCB設計師的工作。

阻抗匹配網絡設計是一個layout-driven的設計工作，需要硬件工程師和PCB設計師一起合作來完成。往往硬件工程師新手反而沒有感覺那么復雜，因為不懂而謙虛，多和上下游配合的工程師交流，從而似乎輕而易舉、不經意之間實現了最佳結果。再次說明“信息交換、共享合作創造價值”。

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