作者：Bird
前幾次我們聊了 UART 轉換到實體通訊界面 RS-232、RS-422、RS-485，以及這些通訊介面的驅動 IC 應用，這次我們要聊一下這些通訊介面的電氣特性與它們的制定原因，順便也會帶到一些傳輸線的原理。
神秘的終端電阻 #
上次我們在解釋 RS-485 的實體網路結構時，看過這張圖：
（圖片來源：Bird 提供）
圖中有兩個神秘的電阻 RT，將 A 和 B 連接起來，我們稱這兩個電阻為「終端電阻」或 terminator，它的目的是在纜線的尾端將訊號消耗掉，避免訊號反射回來。
為什麼訊號會反射，而我們為什麼又怕訊號反射呢？當一個訊號在纜線中傳遞，訊號本身會有一個特性阻抗（characteristic impedance），這個特性阻抗可以想像成訊號本身電壓和電流的比例。
還記得歐姆定律吧？V=IR，或是 R = V/I。如果電壓和電流的比例是純量，那就是電阻；如果是複數，就是阻抗。現在將纜線的尾巴視為一個開路的電路，也就是阻抗無限大的狀況，會發生什麼事呢？開路代表電流流不過去（電流為 0），但隨著訊號而來的電流帶著電荷過來，這些電荷無處可去，該怎麼辦呢？
這時候反射就發生了。這些電荷到達纜線尾巴開路的地方後，因為能量無處可去，只好往回走，因此在阻抗無限大的地方，訊號會原封不動發生全反射，且反射的波形會原來的訊號一模一樣。
如果纜線的尾巴是一個短路的電路，會怎麼樣呢？短路的電路電壓為 0，因此無法消耗能量，訊號中的能量同樣無處可去，所以也會發生反射，只是這次的反射長得不太一樣，訊號的電壓會反過來，正的變負的、負的變正的。
事實上在大部分的狀況中，除了在纜線的尾端會遇到開路或短路外，更常碰到的是在纜線中間阻抗有變化的地方，比方說電路經過連接器、纜線經過駁接等，在這些地方阻抗會發生變化，而訊號通過阻抗變化的地方時，會有一部分的能量發生反射，一部分的能量繼續往前走。
請記得，我們上面講的現象都發生在訊號以接近光速的速度在纜線上傳遞時，雖然傳遞的速度很快，但如果訊號頻率很高，波長相對就會比較短，就有可能在線上面的不同位置有不同的電壓。
比方說，如果我們用 10 Mbps 來跑 RS-485，這個訊號在纜線上的波長就是：λ＝v / f = 3108/ 10106= 30（m），如果我們把 RS-485 的纜線拉了超過 30 公尺，就能在纜線上觀察到這個「波」的現象，但如果纜線很短，訊號在纜線上不同位置的差異就不會這麼明顯。
電纜上的波 #
一般來說，有一個原則，就是當纜線的長度超過訊號波長的 1/4 時，就必須考慮這種「波」的效應。
（圖片來源：Bird 提供）
因為以一個週期訊號來說，1/4 波長就是它單邊的振幅從 0 到最大的距離。當訊號在纜線上發生反射時，反射回來的訊號會沿著反方向回到發送端，並沿路和過來的訊號混合，更糟的是，如果反射的訊號回到發送端，而發送端的阻抗和訊號不和，能量便無法消耗掉，訊號便會在發送端再次發生反射，調個頭再繼續它的旅程。
這些反射來反射去的訊號，因為能量用不掉，就會在纜線上來來回回地跑來跑去，而它們疊加在一起的後果，就會產生「訊號變形」，我們來看一個很典型的變形訊號：
（圖片來源：Bird 提供）
這兩個訊號本來應該是方波，但是因為不良的傳輸線設計，導致訊號在線上多處反射，疊加之後的結果，就讓原本應該是方方正正的訊號變成一顆一顆的牙齒，而如果牙齒的凹槽深一點，深到超過輸入端的 VIH或 VIL，就有可能造成接收器的誤動作。
訊號與能量 #
回到 RS-485 上，我們來複習一下 RS-485 的傳送器特性：
- 邏輯 1：VA-VB = +1.5 V ~ +6 V
- 邏輯 0：VA-VB = -1.5 V ~ -6 V
如果傳送器輸出 1.5 V 的電壓差，這個電壓就會流經跨接在 A、B 線之間的兩個終端電阻 RT，另外兩個 120 Ω 的電阻並聯之後是 60 Ω，因此傳送器需要輸出的電壓就是：
V ＝IR，I = V / R = 1.5 / 60 = 0.025（A）
我們來算算看這傳輸線上的功率：P = IV = 0.025*1.5 = 0.0375（W），也就是說，傳送器總共輸出了 37.5 mW 的功率到整個傳輸線上。
我們再來看 RS-232C 的傳輸線特性。RS-232C 的傳送端電壓規範是：
- 邏輯 0：傳送端+5 V ~ +15 V / 接收端 +3 V ~ +15 V
- 邏輯 1：傳送端 -5 V ~ -15 V / 接收端 -3 V ~ -15 V
之前我們沒有提過 RS-232C 的終端電阻，因為在 RS-232 的規範中它沒有終端電阻，接收器本身的輸入阻抗就是它的終端電阻。
RS-232C 所規範的最大纜線長度是 50 英呎，差不多是 15 公尺，而 RS-232C 常用的最大 baud rate 是 115200 bps，能造出的最大頻率則是它的一半：57600 Hz。我們來算一下 57600 Hz 在纜線上的波長是多少：λ＝v / f = 3*10^8 / 57600 = 5202.2（m）。
哇！這波長居然長達 5 公里多！根據前面提到的四分之一波長原則，RS-232C 的纜線大概不太需要考慮傳輸線上的波效應了，也正由於這個原因，RS-232C 並沒有嚴格規範傳輸線與訊號的特性阻抗。規格中接收器的輸入阻抗允許的範圍是 3 KΩ 到 7 KΩ，一般在設計時會用 5 KΩ 當標準值。
（圖片來源：Bird 提供）
有了電壓和負載，我們就能計算它的驅動電流了：I = V / R = 5 / 5000 = 0.001（A），有沒有發現，RS-232C 線上的電流比 RS-485 要小得多？我們接著計算傳輸線上的功率：P = IV = 0.001*5 = 0.005（W），同樣也比 RS-485 要小得多。
當我們要干擾一個訊號，就必須用比它更強的能量去對抗它，才能改變它的狀態。RS-485 因為線上的功率相對來說比較大，因此跟 RS-232C 比起來確實比較不容易受到干擾，再加上它差動傳輸的特性，如果干擾同時對 A、B 兩根線作用，在接收端也可以將這個干擾消除，種種原因加起來便讓 RS-485 相較於 RS-232C 更耐干擾，能跑更遠的距離。
那麼跑在電路板上、電壓準位是 logic level 的 UART，狀況又如何呢？一般邏輯 IC 不一定會特別標明它的輸入阻抗，但是現在 CMOS IC 的輸入阻抗都很高，大概在數百 KΩ 到 1 MΩ 左右。
（圖片來源：Bird 提供）
如果用 500 KΩ、5 V 邏輯準位來計算：I = V / R = 5 / 5000000 = 0.00001（A），當我們用 5 V 的邏輯電壓去驅動一個輸入阻抗高達 500 KΩ 的 IC，流過的電流只有 0.00001 A，而功率也只有：P = IV = 0.000015 = 0.00005（W）
也就是說，在 CMOS IC 之間傳遞訊號所用的功率非常小（這也是 CMOS 電路省電的秘密之一），但如前面所說的，你只要用比它大的訊號就可以干擾它，因此這種高輸入阻抗的訊號傳輸介面是很容易受到干擾的；幸好 UART 訊號通常只跑在電路板上，很少會用纜線連接到比較長的距離，因此需要對抗嚴重干擾的機會其實不大。
小結 #
經由比較 RS-485、RS-232C 以及 UART 訊號的電氣特性，我們發現「訊號如果要耐干擾，傳輸時的功率就要比較大」，而在電壓受限的系統中，要增加傳輸的功率，最好的方法就是「降低接收端的輸入阻抗、增加傳輸的電流」，因此在 RS-485 這種需要跑很遠的系統中，阻抗通常都較低。
訊號跑到目的地後，為了避免能量用不掉而發生反射，需要有終端電阻來將訊號的能量消耗掉。如果訊號發生反射，在傳輸線上來來回回疊加，就會讓訊號變形，甚至破壞訊號；至於要不要認真考慮這些傳輸線的特性，有一個 1/4 波長的原則可以參考：如果傳輸線的長度比訊號的 1/4 波長還長，就需要考慮這些特性。
UART 以及 RS-232C、RS-485 等界面雖然是古老的技術，USB 3 也早已衝上 5 Gbps 甚至更高的速度，但從這些界面設計的規格上，我們仍能學到許多物理原理以及它當初設計時的背後意義。
（責任編輯：賴佩萱）
