Simulação de linha de transmissão (física)

Preciso ser capaz de simular as comunicações com um dispositivo sensor em um grande comprimento de fio (0 a 10 km). Isto é para comunicações de baixa velocidade (máximo de 10 kHz, geralmente de 1 a 2 kHz). Isso seria FSK ... mas em algum momento talvez eu tenha que lidar com um sinal semelhante ao RS232 de baixa velocidade também.

Principalmente, estou procurando por queda de tensão e distorções de sinal. Atraso não importa muito.

Como você faria isso?

EDITAR:

Consegui determinar que o cabo é realmente um tipo de cabo coaxial (bastante fora do padrão). Agora eu sei resistência e capacitância por unidade de comprimento, geometria da seção transversal e que a resistência do isolamento é alta o suficiente para não importar. Não ficou claro inicialmente se a linha de retorno era uma execução separada ou não.

Essa seria uma configuração de teste para vários dispositivos de destino. A maioria é FSK de várias opções de frequência abaixo de 10khz, algumas são ASK (você quase poderia usar um UART padrão após a passagem de banda / filtragem). Todos estão rodando em um deslocamento DC alto (comunicação de energia).

No passado, eu vi pessoas construindo um comutador rotativo simples que troca resistores, capacitores e talvez indutores para simular um determinado comprimento de linha. Isso poderia ser bom o suficiente?

Atualmente, estou tentando criar algumas simulações no LTspice.

EDIT 2:

Ok, se eu adicionar apenas resistores, tampas e indutores ... como é o modelo? A rede RLGC abaixo está assumindo que os motivos estão no mesmo potencial que eu acredito (uma suposição segura em PCBs com aviões terrestres). O retorno neste caso é através do invólucro externo e sua resistência é provavelmente 3 vezes maior que o condutor interno. Isso muda as coisas significativamente? Acabei de adicionar outro resistor no trilho inferior e dividir a capacitância em ambos os lados?

As linhas de transmissão têm uma impedância característica complexa. A impedância característica é tipicamente especificada "por unidade de comprimento" para uma determinada linha de transmissão. Para fins práticos, você pode ter quatro valores "por unidade de comprimento" para uma linha de transmissão: resistência, capacitância, indutância e condutância. Há um artigo bastante extenso sobre isso na Wikipedia , e "para altas frequências e pequenas perdas", a equação aproximada é:

Onde:

• x é a distância ao longo da linha de transmissão
• t é o tempo decorrido
• L é a indutância por unidade de comprimento
• C é a capacitância por unidade de comprimento
• R é a resistência por unidade de comprimento
• G é a condutância por unidade de comprimento

Agora isso provavelmente será de uso limitado para você, porque, se eu ler as entrelinhas aqui, parece que você planeja transmitir um sinal digital (ou seja, uma onda quadrada). As bordas da onda quadrada são realmente "amplo espectro". É por isso que a maioria dos sistemas de comunicação passa por uma etapa de modulação e desmodulação, de modo a limitar o espectro do sinal "na linha". Mas acho que a equação acima se aplica porque um "sinal" em uma onda quadrada é analiticamente conteúdo de "alta frequência".

De qualquer forma, no alto nível de "estado estacionário" do seu sinal de entrada, assumindo que o seu receptor é uma alta impedância, o que o seu sinal vê é um divisor de tensão com base na resistência e condutância características. Então você deve ver (aproximadamente) Vout / Vin = G / (R + G), com base no modelo:

Editar 1

Perdi o comentário do FSK (Frequency Shift Keying) na pergunta anterior. Eu também tive outro pensamento. Você pode usar algo como o Matlab Simulink para modelar a característica de transferência do circuito e alimentar o modelo com uma forma de onda de entrada representativa para ver o que sai do outro lado ...

Além disso, se você quiser saber quanto de queda de tensão verá, para um sinal sinusoidal, ainda terá um divisor de tensão eficaz com uma perna superior com impedância efetiva de comprimento * (R + jwL) e uma parte inferior impedância da perna de ( comprimento G || 1 / ( comprimento jwC )). Você pode fazer a matemática complexa para encontrar a parte real dessa função de transferência em uma determinada frequência (w = 2 * pi * f).

Editar 2

Em resposta ao esclarecimento do que você quis dizer com simulação física, se você está tentando introduzir fisicamente o efeito de uma linha de transmissão, basta configurar o circuito na figura com valores apropriados de capacitores, indutores e resistores - dimensionados de acordo com as propriedades e o comprimento da linha de transmissão que você está tentando emular.

Os fabricantes de cabos informarão o quanto o sinal será atenuado por unidade de comprimento, dada a frequência do sinal.

Em relação às distorções do sinal, não conheço nada significativo, desde que você use um cabo blindado. Mas não aceite minha palavra.

A transmissão de sinais de nível RS232 em um cabo tão longo será difícil.

Se eu quisesse fazer isso de verdade, use um modem telefônico padrão e um gerador de tensão de linha, se necessário. Para a simulação, o @krapht está certo. Use STP ou cabo coaxial.