阻抗 75Ohm 的同軸Cable與 75Ohm 的電阻-兩者別搞混

同軸Cable電纜上通常會印75 Ohm或50 Ohm阻抗的字樣，這難道是表示電纜裡面的銅線含有75 Ohm電阻的意思嗎? 你是不是有拿電表真的去測量過電纜線的兩端? 阿信助教以前就幹過這種蠢事，如果你有這種疑問千萬要好好看這篇文章。

阻抗-與-電阻

所謂阻抗(Impedance,Z)是一種特性，包含了儲能的特性與耗能的電抗特性，儲能的特性是由電感與電容而來，耗能的特性是由電阻特性而來，所以電阻是阻抗特性裡面耗能的部分。那所以電阻到底是個特性還是實體? 其實電阻是個特性，而擁有這種特性的東西稱為電阻器，但是大家還是會把電阻器簡稱為電阻，因為計算的時候終究是以電阻特性來計算，還好英文沒有這個問題，電阻特性稱為Resistance，電阻器稱為Resistor，我們繼續往下看。

講到Cable的阻抗如下圖，阻抗(Z)單純是電壓(V)與電流(I)的比值，這裡講的V是指中心導體與隔離層之間的電壓，I是指流入中心導體的電流。Cable的阻抗指的是電波訊號在Cable內傳遞時，V與I的比值，所以它是討論”Cable內”的特性，與Cable另一端接甚麼無關。

同軸電纜(Coaxial Cable)利用自身的物理結構讓V/I的比值保持恆定，Cable本身理論上並不耗能，它的任務重點在傳遞能量，但詭異的是V除以I的結果是個Ohm單位，而且它還分為75ohm與50ohm，但是它裡面明明就只有金屬導體而已啊? 這到底是甚麼意思?

銅線本身的電阻非常小沒錯，但那是指橫跨銅線兩端的電阻，並非Cable線的阻抗，而Cable阻抗的定義是內外導體的電壓與電流的比值，並非指銅線本身的電阻。

這裡我們來比較75 ohm Cable與75 ohm電阻，我們思考一件事情，若我們丟個Pulse訊號進Cable，如果線夠長甚至你想像它是無限長，這個Pulse的能量就會一直在裡面傳遞直到永遠，以訊號源的角度來看，這個丟進去的Pulse能量是有去無回的，也就是能量像肉包子打狗一樣有去無回。

這意思是一段無限長的Cable它就等效於一個耗能的電阻，差別只是Cable不會發熱，因為能量還在無窮盡的行走中，正確來說是還沒發熱；而電阻會發熱直接把能量用掉，無論哪種情況對我們來說就是: 能量不會再回來了，也就是它逸散掉了。

因此在很多應用上例如有線電視的接線，我們會把接收器阻抗設計為與Cable相同的75 ohm，或是在無用的Cable尾端加上 75ohm 的終端電阻，目的就是讓訊號能量完全消失，為什麼要刻意做這件事情? 因為多出來的訊號能量如果沒有被電阻消耗轉為熱能，那麼訊號就會反射。對有線電視來說，若反射訊號太多，會干擾接收器的運作，因此在通訊領域我們都會盡量避免訊號反射。

終端電阻

那麼終端電阻要加多少才能耗掉最多功率呢? 這個時候就要介紹電路學裡面一個很經典的定理：最大功率轉換定理(Maximum Power Transfer Theorem)，如下圖R1是訊號源的輸出阻抗，R2是負載的輸入阻抗，這個定理告訴我們當R2(Load)與R1(Source)相等的時候，Load所獲得的功率會是最大的。

不知道是否有人跟阿信助教一樣，曾經懷疑過這個定理的實用性，畢竟大家都直覺認為電壓大功率就大，但上面這個電路竟然在訊號端有個電阻，而且還不是趨近於零的電阻，對我來說一時半刻其實很難接受。實際上任何輸出電路一定含有寄生阻抗，與其對抗它，不如接受它，只要適當調整就能為我所用。

而人的直覺總是有缺陷，誰說輸出阻抗一定要為零? 那是以電力傳輸的觀點來看才是如此，畢竟它的對象是一整區並聯在一起的龐大負載，負載阻抗是越併越小，輸出阻抗當然要越小越好。

而在Cable訊號傳輸的觀點來看有些不同，它是一對一的傳輸，要的是保有訊號的完整性，若電壓太小會偵測不到，電流太小又驅動不了接收器，所以通訊的重點就是能量傳輸。我把實際R1,R2與Power的關係圖畫出來，大家應該就能理解了，下圖的橫軸是R2/R1的比值，你可以看到R2 power最大的地方出現在x=1，也就是R2=R1的時候。

當然如果你是有數學潔癖的人，光看圖無法說服你x=1就是功率最大的位置，那麼你可以將功率公式對R1做偏微分，微分代表斜率，你會發現斜率等於零的地方就是x=1，公式很容易導證，我就不贅述了。

那…如果R2與R1不相等的時候會發生甚麼事? 此時功率傳送的效率差，若以傳輸線理論來看，就是發生了反射讓部分功率回到訊號源頭，若你刻意將Cable長度拉長一些，Pulse寬度弄窄一些，你還可以在示波器上看到入射波與反射波之間的時間差，甚至用它來計算Cable長度如下圖，這部分可以參考這篇同軸電纜壓接頭檢測-利用反射波一翻兩瞪眼。

特徵阻抗

目前市面上的同軸電纜若以特徵阻抗來分類的話，目前分兩種規格，一種是50Ohm 常用在射頻通訊上面，例如雷達系統、Wifi訊號、以及很早期的ethernet訊號，都是走50Ohm的規格。而另一種75Ohm則是常用在視訊訊號上面，例如CATV、機上盒、DVD player或電視的訊號輸入端。

你可能會問50Ohm怎麼來的? 這是可是工程師們做了很多實驗得來的，根據實驗有兩種結果:

• 30Ohm擁有最好的Power Capacity Handling
• 77Ohm有最低的loss

於是在射頻通訊領域他們取了兩者的平均因此得到了50Ohm，而另一方面有線電視最在意的是訊號的衰減量，他們希望衰減越少越好，因此他們採用75Ohm作為特徵阻抗的標準，它最靠近77Ohm的實驗值。相關資訊可以看這篇文章50 Ohm VS. 75 Ohm, Which One is the Best Coaxial Cable?

所以這樣知道了嗎? Cable的阻抗只是個特性，它不是電阻喔，畢竟Cable是拿來傳遞能量的，你也無法用電表來測量這個阻抗，你只能用波的反射來觀察到阻抗的存在。

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