宽带干扰抑制（通用8篇）
宽带干扰抑制 篇1
0 引言
以3G为代表的直接序列扩频通信技术在移动通信领域得到广泛应用。从扩频技术的原理看,抑制宽带干扰,特别是其中占重要比例的人为干扰,对提高系统性能和通信质量有着重要意义。因此,直接序列扩频系统设计和应用的关键在于信号接收处理中的宽带干扰抑制。
在广泛应用的直接序列扩频(Direct-sequence-spread-spectrum,DSSS)通信系统中,绝大多数人为信号都具有周期平稳性(CycloStationary,CS),即谱相关性。从分析可知[1,2,3,4],其周期平稳性与信号的速率,载波频率及周期分量相关。而周期平稳信号与其本身的时移和频移信号相关,呈现出固有的频率分集。因此,基于信号周期平稳特性建立模型设计滤波算法,可以在基于平稳信号假设的传统信号处理算法基础上,对宽带干扰抑制进行更为有效的滤波,大大改善信号接收质量。
1 LCL-FRESH算法
周期平稳信号在有规律的间隔频带里具有谱相关性。图1绘出了符号速率为1/T(1 Hz)的矩形脉冲形状的信号的功率谱。其中区域A是奈奎斯特带宽。可以看到,区域B和B′中的频率分量与A中的频率分量是相关的,即存在冗余的频谱分量(同理, 区域C和C′亦如此)。
1.1FRESH滤波原理
利用图1所示的频率相关性,将各区间相关频率移位加权,就可有效地增强信号,同时只产生最小信号失真。而干扰的频率分量具有不同的谱相关性,因此这种处理能减少干扰水平,提高信干比。能移位加权的相关频率分量越多,信干比的提升幅度就越大。这种基于信号的周期平稳统计特性,联合不同频移相关分量结构的滤波器即是频移(FRESH, FREquency-SHift)滤波器。
FRESH滤波器利用信号的周期平稳特性,分离频谱交叠信号,从而抑制干扰,同时可利用干扰不同的谱相关性,将干扰加权后从接收信号中减去,使得干扰有效地被自身抑制,且FRESH滤波效果不会因为干扰的增强而下降。
1.2LCL-FRESH滤波算法
循环维纳滤波理论是基于周期平稳时间序列的最佳多周期时变滤波理论。通用的多周期线性滤波器的输入输出关系如:
式中,⨂表示卷积,xη(t)≜x(t)exp(i2πηt)为x(t)的频移。式(1)中包含了滤波器的每一个周期T0相对应的基础频率1/T0的所有倍频。考虑到瞬时能量有限信号的傅氏变换是存在的,可重写式(1)为:
式(2)就是对接收信号进行频移操作,再进行线性时不变滤波,并加权求和的频移滤波算法。因此,对于具有周期平稳特性的信号,最佳滤波器中的周期时变提供了利用信号谱相关的方法。
由于实信号的线性时变滤波等效于对其复包络(或解析信号)及其复包络的复共轭分别进行线性时变滤波。因此对于复信号,最佳的自适应时变滤波则是将信号与其共轭联合滤波,再加权求和,即线性—共轭—线性(LCL,Linear-Conjugate -Linear)滤波器。考虑复包络线性时变滤波的等效性,对复信号x(t)进行LCL-FRESH滤波,产生期待响应d(t)的估计
式中,xαm(t)=x(t)exp(i2παmt);x*-βn(t)=
x*(t)exp(i2πβnt)。
该滤波器包括参数:
M和N,由系统设计确定;
信号周期频率{αm}和共轭周期频率{βn};
滤波器冲击响应函数{αm(t)}和{bn(t)},或相应傅里叶变换,传递函数{Am(f)}和{βn(f)}。
对于特定的M、N、{αm}、{βn},最佳LCL-FRESH滤波问题就等效于多变量的维纳滤波问题(维数为M+N)。
令:
h(t)=[a1(t),…,aM(t),b1(t),…,bN(t)]′,
z(t)=[xα1(t),…,xαM(t),x*-β1(t),…,x*-βN(t)]′。 (4)
重写式(3)为
S′zzH(f)=Sdz(f)。 (5)
式(5)中Szz(f)和Sdz(f)是由以下自相关的傅里叶变换得到的自相关谱密度矩阵和互相关谱密度矩阵。
Rzz(τ)≜〈z(t+T/2)zH(t-T/2)〉,
Rdz(τ)≜〈d(t+τ/2)z*(t-τ/2)〉,
式中(·)H表示转置共轭。
联立式(5)、(6),可得以下方程:
这就是由x(t)和d(t)的谱相关密度函数决定的最佳LCL-FRESH滤波方程组。
该滤波算法基于多周期复信号的频谱相关性,将输入信号及其共轭进行频移操作,通过循环维纳滤波的方式分离频谱交叠信号,叠加有用倍频信号能量,再经过一组线性时不变滤波器加权求和,有效提高了接收信号的信干比。在通信系统抗干扰设计中,这种基于复信号算法更具有实际应用价值。
1.3LCL-FRESH滤波器结构
利用频谱相关性,LCL-FRESH滤波器可通过“谱分集”从噪声和干扰中提取所需要的信号(Signal Of Interest,SOI)。其滤波器结构如图2所示。
LCL-FRESH滤波器需要设定的频移参数有周期频率0,{αm}以及共轭周期频率0,{βm}(0是所有信号最基本的周期频率)。图中的子滤波器hα和hβ是时不变滤波器,带宽需大于输入信号。若是对不具有共轭谱相关的信号进行滤波,则图2中的共轭循环滤波部分可省略。
理论上LCL-FRESH滤波器中的支路数目为趋于无穷,即信号带宽趋于无穷,就可获得最佳干扰抑制性能。而实际通信中,对于100K%(K>1)过带宽采样信号,则非零周期频率的数目为2
如果现在存在有周期平稳的干扰,则LCL-FRESH滤波器的频移支路的频移将包括干扰的周期频率。它们可以被加权求和后被减去,使得干扰有效地被利用来抑制掉它本身。利用干扰的周期频率来抑制干扰的有效性在于干扰与噪声的比值。这意味着,当干扰功率比较大时,LCL-FRESH滤波会比较有效。大功率的干扰叠加在SOI上,造成SOI严重破坏,这时靠别的方法是很难解决的。而LCL-FRESH滤波,却从大的干扰与噪声的比值中获益:LCL-FRESH滤波的理论效果不会因干扰功率的增大而变坏。
2仿真结果
为达到模拟实际扩频技术应用的效果,以下仿真是在基于DSSS系统的环境中进行。假设信号与干扰均为BPSK调制的矩形脉冲形状,扩频增益为N=31;设扩频信号的码速率为RC,干扰的符号速率为RI,载波偏移为f1。滤波器采用有限冲激响应滤波器,并采用自适应滤波算法,即递推最小二乘算法(RLS)。
预测-估计滤波算法与自适应LCL-FRESH算法都已应用于窄带干扰抑制。现将二者同时应用于直扩系统的宽带干扰抑制,仿真结果如图3所示。预测/估计滤波算法对宽带干扰几乎无抑制作用,而LCL-FRESH算法除了可以应用于窄带干扰的抑制[1,2,3]外,也很适合于宽带干扰的抑制。随着信道信噪比SNR的增加,LCL-FRESH滤波产生的误码率BER大幅下降。此处宽带干扰的速率设为RI=(5/10) RC,干信比ISR固定为20 dB,其余参数同前面的假设。
LCL-FRESH滤波器可同时利用信号与干扰的谱相关性,使得干扰有效地被自身抑制。图4显示了单独利用信号周期频率与同时利用信号与干扰二者周期频率的滤波效果。可见同时利用干扰谱相关的干扰抑制效果比单独利用信号谱相关有所提高。LCL-FRESH滤波的理论效果不会因干扰功率的增大而变坏,这是LCL-FRESH比其他干扰抑制算法优越的地方。
当信号和干扰的载波不同时,FRESH滤波的性能优于信号与干扰无载波偏移的情况[1]。在此将载波偏移fI设为0、1/7、2/7三种情况,其余参数同前面的假设。滤波同时利用信号与干扰二者的谱相关性。仿真结果如图5所示。从图5中可以看到,干扰带宽不变时,随着载波偏移的增大,滤波的性能有较大改善。在实际通信中,干扰通常与信号都存在一定的载波偏移,因此LCL-FRESH滤波的效果对实际通信具有良好的适用性。
3结束语
目前,直接序列扩频技术广泛应用于第3代移动通信和军事领域。干扰抑制能力是影响系统性能的核心问题。由于通信系统中的宽带干扰主要来自人为干扰, LCL-FRESH滤波器算法将有效加强直接扩频序列通信系统的干扰抑制效果,提高系统性能,在宽带干扰抑制问题上具有良好的应用前景。
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宽带干扰抑制 篇2
0 引言
随着现代电子技术和功率器件的发展，开关电源以其体积小，重量轻，高性能，高可靠性等特点被广泛应用于计算机及外围设备通信、自动控制、家用电器等领域，为人们的生产生活和社会的建设提供了很大帮助。但是，随着现代电子技术的快速发展，电子电气设备的广泛应用，处于同一工作环境的各种电子、电气设备的距离越来越近，电子电路工作的外部环境进一步恶化。由于开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率，导致开关电源产生较强的电磁干扰。电磁干扰信号不仅对电网造成污染，还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，造成电磁污染，制约着人们的生产和生活。国内在20世纪80一90年代，为了加强对当前国内电磁污染的治理，制定了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证(china compulsory certification)工作以来，掀起了“电磁兼容热”，近距离的电磁干扰研究与控制愈来愈引起电子研究人员们的关注，当前已成为当前研究领域的一个新热点。本文将针对开关电源电磁干扰的产生机理系统地论述相关的抑制技术。
l 开关电源电磁干扰的抑制 形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰应从这三方面人手。抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力，从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。1．1 采用滤波器抑制电磁干扰 滤波是抑制电磁干扰的重要方法，它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备，还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器，不但可以解决传导干扰问题，同时也是解决辐射干扰的重要武器。滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波2种方式。
1．1．1 无源滤波技术 无源滤波电路简单，成本低廉，工作性能可靠，是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是解决传导发射。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。
由于原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会产生脉冲尖峰电流，这个电流由非常多的高次谐波电流组成，对电网产生干扰；另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高，对周围电路会产生出不同频率的感应电流，其中包括差模和共模干扰信号，这些干扰信号可以通过2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号，又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律，得E=Ldi／dt，其中：E为L两端的电压降；L为电感量；di／dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小，则要求电感量就越大。脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号；开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场，电路会产生位移电流，而这个位移电流也属于共模干扰信号。图1中共模滤波器就是用来抑制共模干扰，使之受到衰减。1．1．2 有源滤波技术
有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。该方法从噪声源出发而采取的措施(如图2所示)，其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号，以达到降低干扰水平的目的。如图2所示，利用晶体管的电流放大作用，通过把发射极的电流折合到基极，在基极回路来滤波。R1，C2组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极的纹波也很小。由于C2的容量小于C3，减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。另外，在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装位置要恰当，安装方法要正确，才能对干扰起到预期的滤波作用。1．2 屏蔽技术和接地技术 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。屏蔽一般分为2种：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使电磁波产生衰减。此外，为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散，为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响，应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入／输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露，且不易散热，结构成本大幅度增加等因素。为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽效果，同时保障人身和设备的安全，应将系统与大地相连，即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题，又可提高电子产品的抗干扰能力。1．3 PCB设计技术 为更好地抑制开关电源的电磁干扰，其印制电路板(PCB)的抗干扰技术尤为重要。为减少PCB的电磁辐射和PCB上电路间的串扰，要非常注意PCB布局、布线和接地。如减少辐射干扰是减小通路面积，减小干扰源和敏感电路的环路面积，采用静电屏蔽。而抑制电场与磁场的耦合，应尽量增大线间距离。在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3种基本类型。地线设计应注意以下几点：交流电源地与直流电源地分开；功率地与弱电地分开；模拟电路与数字电路的电源地分开；尽量加粗地线。1．4 扩频调制技术 对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于n次谐波的带宽是基频带宽的n倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。要在开关电源中采用扩频时钟信号，需要对该电源开关脉冲控制电路输出的脉冲信号进行调制，形成扩频时钟(如图3所示)。与传统的方法相比，采用扩频技术优化开关电源EMI既高效又可靠，无需增加体积庞大的滤波器件和繁琐的屏蔽处理，也不会对电源的效率带来任何负面影响。
宽带干扰抑制 篇3
跳频通信技术通过伪随机序列控制载波频率跳变来躲避干扰,使得跳频通信能够对抗瞄准式干扰。但是,当敌方侦察机速度足够快,进而形成跟踪干扰时,就会给跳频通信带来极大威胁[1]。
通常为了对抗跟踪干扰,需要提高跳频的速率或者采用变跳的措施,但是,这样显然会造成跳频系统复杂、实现难度增大。为了实现跟踪干扰的抑制,文献[2]提出应用天线调零技术,结合跳频技术,实现跟踪干扰的抑制; 文献[3]在其基础上,利用数字波束形成和跳频相结合,解决了快速跟踪干扰的抑制问题; 前面2 种方案在对跟踪干扰抑制时,未考虑干扰与期望信号是否相干,而且需要准确知道跳频信号的导向矢量,为了解决这些问题,文献[4]结合空间平滑技术,应用特征空间自适应波束方法实现跟踪干扰的抑制。文献[4]提出的算法适合一维线阵,为了推广到二维虚拟空间平滑算法,文献[5]在均匀矩形阵列下,结合二维虚拟子空间和相位补偿算法,给出了一种抗跟踪干扰方法。
文献中提到的跟踪干扰抑制技术,其核心是利用自适应天线调零技术结合跳频通信对抗跟踪干扰,其接收模块都是在跳频信号完成解跳后才进行波束控制。因为,所采用的自适应波束形成算法是针对窄带信号才能实现,但是当跳频通信中的同步信息被干扰,导致跳频通信不能够准确实现同步,进而不能被解调时,上述抗跟踪干扰性能将会下降很多,同时上述提到的自适应波束形成要求在跟踪干扰与跳频信号的时延内实现跳频信号的抽样,进而完成跳频信号的调零,而实际上随着跳速的提高,跳频信号和跟踪干扰之间的时延越来越小。在这么短的时间实现准确的DOA估计,并控制波束形成,难度较大。
跳频信号和跟踪干扰信号在解跳前属于宽带信号[6],对于宽带信号的波束形成,需要波束形成器能在不同频率上形成相同束宽的波束,否则会造成接收信号发生畸变。为了解决该问题,文献[7]采用离散傅里叶变换插值实现宽带波束形成,但是需要基阵灵敏度函数满足一定条件,在应用上存在一定的局限性。文献[8]提出一种基于频域处理的宽带恒束宽的波束形成方法,该方法在一定宽带内对各个频率进行空间插值的数字加权,能够得到恒束宽的波束。该方法容易实现,虽然牺牲了一些性能代价,但是能满足工程实现的需求。
本文设计在跳频信号同步前实现对跟踪干扰的抑制。采用基于空间插值的频域宽带自适应波束控制技术,在信号下变频之前,实现对跟踪干扰信号波束控制的调零,从而实现对跟踪干扰的抑制。
1 空间插值的频域宽带波束形成技术
1. 1频域宽带波束形成
基于频域处理的宽带波束形成模型如图1 所示。首先每一个天线阵元对接收到的时域数据做FFT变换,在频域进行实现波束形成后,经过加窗求和,再通过FFT逆变换后就可以得到波束形成后的数据[8]。
假设天线阵元为均匀线阵,在某一个频点 ωk形成波束图:
式中,b( ωk,Ωb) 为第b个方向的导向矢量,可以表示为:
式中,dm= [d1,…dm…dM],m = 1,…; M为第m个天线阵元所在的位置。方向矢量 Ωb为:
式中,θb为第b个方向的方位角; θb∈[- 180°,180°]; c为光速。
式( 2) 中,W( ωk) 和win( ωk) 分别是波束形成器中频点 ωk的2 级频域加权系数,其结果是使数字波束能够形成相同的波束。W( ωk) 为频率 ωk在第m个天线阵元的复加权系数,可表示为:
式中,Ω'b为相应方向的角度。第一级加权后采用加窗处理。
1. 2空间插值滤波方法
空间滤波的目标是得到较窄的主瓣和较低的旁瓣。而主瓣变窄需要更多的天线阵元,这样会增加系统复杂度。上节中波束形成器应用加窗能够降低旁瓣,但是存在的问题是如何平衡窄主瓣和低旁瓣。那么在实际应用过程中,如果使得阵列天线数量较少时得到较窄的主瓣和较低的旁瓣波束,文献[9]应用空间插值波束形成器解决了该难题。
该方法的主要原理是增大天线距离,当天线阵元数较少时,把阵元距离变成 αd,这里 α 称为扩展因子,这样就会使得天线的合成空间变大,形成较窄的主瓣,但是这样做会破坏波束形成的限制条件,产生空间相位谱镜像。那么在后级设计合理的滤波器,把镜像分量滤除掉,得到需要的窄主瓣和低旁瓣的波束。整个过程分为2 部分: 空间插值和旁瓣滤波。该方法的缺点是计算量大,其本质是通过算法的复杂度换取了阵元数目的减少。
定义 μ = kd( sinθ - sinθ0) ,z = exp( ju) ,对于均匀线阵的波束形成器为:
式中,Wpr,m为第m个天线阵元的幅度; θ0为初始角度; k = 2π/λ。经过空间插值后,波束形成器可表示为[9]:
式中,Fsh( μ) 为第一级滤波器,可表示为:
2 空间插值下频域宽带波束形成跟踪干扰抑制
2. 1 跳频信号与跟踪干扰信号模型
假设接收端观察时间为T,在观察时间内共接收到M跳信号,则接收到的信号可以表示为[10]:
式中,S为跳频信号功率; fk和 θk为获得的第k跳信号的载频和相位; TH为跳频间隔时间; n( t) 为高斯白噪声;为宽度为TH的矩形窗。
跟踪干扰是指干扰信号能跟踪跳频频点跳变的干扰方式,其在时域和频域特征相均和跳频信号类似,不同之处在于跟踪干扰与跳频信号存在一定的时延,而且跟踪干扰调制的是干扰信息。
2. 2 跟踪干扰抑制系统
对于跟踪干扰的抑制,前面研究都是在跳频信号解调后,对窄带信号进行处理。为了在跳频解调前实现跟踪干扰的抑制,就需要采用宽带信号的空间谱估计和波束形成,因为跳频信号和跟踪干扰信号在解调前均可看作是宽带信号。跳频同步前跟踪干扰抑制的系统模型如图2 所示。
图2 中,来自K个天线阵元的跳频信号和跟踪干扰信号,首先经过宽带空间谱估计和宽带波束形成后,在空域实现分离,经过跟踪干扰识别,判断是否存在跟踪干扰,如果存在,此时根据跟踪干扰信号所在的方向,确定自适应波束形成加权输出的约束矢量,并把约束矢量复制传递给跳频通信的接收端。阵列天线通过波束控制器把零点方向对准跟踪干扰方向,把阵列方向图的主瓣指向跳频信号的方向,从而达到抗跟踪干扰的目的。
对于跟踪干扰的识别,笔者在文献[6]进行了详细的研究,这里不再赘述。因此,对于跟踪干扰的抑制的关键就是能够对跳频信号和跟踪干扰信号进行波束形成。
跳频通信在实际的应用之一就是跳频电台,通常在实际应用过程中不可能配备很多根天线用来组成阵列。因此,需要考虑在较少阵元下实现跳频信号的波束控制。本文对于跳频信号和跟踪干扰信号的波束形成采用的就是空间插值的频域宽带波束。基于空间插值的频域宽带波束形成处理模型如图3所示。
图3 中,对接收到的跳频信号和相关干扰信号首先经过频域宽带波束形成。采用空间插值滤波方法代替了加窗求和,其目的就是在阵元数较少时,降低旁瓣宽带,得到较窄的主瓣。
在波束形成和跟踪干扰识别后,把通过基于空间插值的宽带波束形成器后的权矢量求得波束形成加权输出的约束矢量,把获得的波束控制器加权输出的约束矢量复制到波束控制器,使得阵列天线的主瓣方向对准跳频信号,零点方向对准跟踪干扰,进而实现跟踪干扰的抑制。
3 性能仿真及分析
为了验证采用空间插值宽带波束形成技术对跳频通信中跟踪干扰抑制的有效性,采用M = 8 阵元组成的线性等距线阵,跳频信号工作在超短波频段,频率为33 ~ 88 MHz,带宽为25 k Hz,伪随机序列采用m序列,跳频频点数为64,跳速为200 Hop /s,其中跳频信号方向为- 20°,阵列接收信噪比为10 d B,阵元间距等于跳频最高频率对应波长的1 /2,假定经过跟踪干扰识别后存在跟踪干扰,其中跟踪干扰方向为10°。信干比为- 3 d B。其中跳频信号的入射频率在观测时间T内共有4 跳,分别是35 MHz、37. 5 MHz、42. 5 MHz和40 MHz。 采样快拍数为512。
采用空间插值频域宽带波束形成后得到的跳频信号和跟踪干扰信号波束形成增益如图4 所示,从图4 可知,采用基于空间插值的频域宽带波束形成对跳频信号和跟踪干扰信号进行波束控制的有效性。虽然天线阵元数目只有8 根,但经空间插值滤波,仍能够获得比较理想的波束,空间滤波效果良好。
为了说明本方法对跟踪干扰抑制的性能,分别对采用跟踪干扰抑制后的跳频通信系统和未采用干扰抑制的通信系统的误码率特性进行对比仿真,图5给出了信干比SIR = - 3 d B,信噪比SNR以2. 5 d B为步进,从0 ~ 25 d B变化时,跳频系统在跟踪干扰下的误码率和本文采用的跟踪干扰抑制方法的误码率曲线图。
从图5 中可以看出,在相同的SNR和SIR下,提出的基于空间插值的频域宽带波束形成跟踪干扰抑制算法的跳频通信系统的误码率性能优于存在跟踪干扰的情况,这说明系统误码率性能得到了改善;随着信噪比的增加,跳频通信系统的性能提高明显,抗跟踪干扰性能得到了提升。
4 结束语
传统的跟踪干扰抑制方法都是在跳频信号同步后再解调实现的,但是当跳频同步被干扰以后,此类方法就失效了。本文提出的跳频通信中跟踪干扰抑制方法,能够在跳频同步前实现跟踪干扰的抑制,避免了传统跟踪干扰抑制方法在跳频同步被干扰后无法应用的问题。本文的研究成果可为跳频通信抗跟踪干扰提供参考。
摘要：提出了一种针对跳频通信中跟踪干扰抑制方法,该方法能够在跳频同步前实现跟踪干扰的抑制,避免了传统跟踪干扰抑制方法在跳频同步被干扰后失效的缺点。采用空间插值的频域宽带波束形成技术实现了跳频信号与跟踪干扰信号的波束形成,在此基础上,给出了一种跟踪干扰抑制方法。对所提跟踪干扰抑制方法进行了计算机仿真,验证了该方法的正确性和有效性。
关键词：跳频,跟踪干扰,频域宽带波束,空间插值,干扰抑制
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地线干扰与抑制 篇4
什么是地线?在电子电路中常常选一条特定的公共线, 也就是等电位点作为参考点 (如零电位) , 和这一点连接的线称为电路的地线。地线通常分为:电源地线, 通常把与电源负极相连的导线作为电源的地线;信号地线, 在弱电中把与电源负极相连的线作为信号地线, 另一根线作信号线传输信号;安全地线, 与大地相连的线作为安全地线, 机壳通常和安全地线相连.
1.1 地线电阻和电感形成电压降的干扰
当电源接入电子电路中, 电源、负载和地线之间就构成一个回路, 也叫地环路, 那么流过地线中的电流就称为地电流, 地电流中除了含有直流分量, 而且还含有各种频率的交流分量。由于地线具有阻抗和感抗, 地线中电阻在各种频率的电流流过时, 都会在地线上产生压降, 地线的感抗只在高频电流流过时才会产生压降.这些压降就会使得地线上各点的电位不再是同一数值的电位, (也就是说地线不是等电位线) , 这就是地线电阻和电感形成的干扰.
1.2 地线的环路干扰
在一个电路中, 电源、负载和地线就构成了一个闭合的回路, 如图 (1)
Us是电源, R是负载, 当突变的磁场穿过这个环路时 (可以把环路看成是一个闭合的线圈) , 在环路中就产生感生电动势VS, , 由法拉第电磁感应定律可知, S是环路的面积, Φ是垂直通过环路的磁通量, B是磁感应强度, -是感生电动势的方向.由于地线具有阻抗, 当有突变的磁场通过这个回路时就形成了地线环路的干扰.
2 抑制地线干扰的方法有以下几种
2.1 采用低电阻率的导线来减小地阻抗的干扰
导线的电阻与导线的材料、长度、横截面积有关, R=ρL/S, ρ表示导线的电阻率, L表示导线的长度, S表示导线的横截面。即导线的电阻与导线的电阻率成正比, 与导线的长度成正比, 与导线的横截面面积成反比。当导线截面积和长度相同时, 用电阻率小的导线, 其电阻就小。因为高频电流具有集肤效应, 当高频电流流过导体时, 总是沿导体的表面流过, 因此在高频电路中, 多采用大面积的铜带作为地线。广播电视发射机房全都是采用宽铜带、大面积、短路径接地, 以免形成地环路干扰。
为了减小地线的阻抗, 地线与信号线尽可能靠近一些, 这样回路中的电阻R和电感L就会变小, 但是地线与信号线靠得太近, 线间的分布电容就会增大。 (电容的容量与两电极间的面积成正比, 与两电极间的距离成反比) , 即C=εS/4πkd其中, ε是一个常数, S为电容极板的正对面积, d为电容极板的距离, k则是静电力常量。常见的平行板电容器, 电容为C=εS/d. (ε为极板间介质的介电常数, S为极板面积, d为极板间的距离。) 由电感电容组成电路的谐振阻抗特性Z=CL, 可知L越小, C越大地阻抗就越小。此外信号线与地线靠得越近, 地环路的面积就越小, 地环路产生的感生电动势就小了, 干扰也就随之减小。
2.2 将地环路隔开减小地线的地环路干扰
将地环路隔开, 就是使信号电流顺利传输, 而使地环路中的地电流无法通过或通过时受到抑制, 大大削弱其干扰, 通常采用以下几种方法:
(1) 采用变压器隔离, 因为变压器具有隔离低频信号和阻抗变换作用.
变压器的初级和次级是相互隔开的, 这样初级地和次级地就可以分开设计.尽管变压器初级与次级绕组间存在分布电容, 我们只要在变压器初级与次级绕组间加上屏蔽, 就可以削弱分布电容, 达到抑制地环路电流干扰。
(2) 采用共模扼流圈隔离
扼流圈有通低频, 阻高频的特性, 当信号含有直流分量或较低频率的交流分量时, 就不应用变压器来传输信号, 而应当用共模扼流圈来传输信号.
共模扼流圈的两个绕组的绕向相反和匝数都相同, 信号电流从一个绕组流进, 再通过另一个绕组流出, 这时产生的感生电动势恰好抵消, 所以共模扼流圈没有消弱信号.而外界干扰磁场在共模扼流圈产生的磁场同向叠加, 因而共模扼流圈对干扰信号.呈现较大的感抗, 起到了隔离作用, 减小地电流干扰。。
(3) 采用同轴电缆线阻隔
高频信号具有集肤效应, 总是沿导线的表面传输.如果用同轴电缆传输信号, 将同轴电缆一端接地并且与大地相接, 就可以屏蔽内外电磁场, 干扰地电流 (电磁场) 就不会窜入同轴电缆线内, 同轴电缆线传输的信号也不会干扰其它电路, 这样就可以抑制地环路电流和电场的干扰。如图 (2) 我台将上海明珠广科所生产的中波发射机改成自动开关机时, 其中的一条功率增益控制线没有用屏蔽, 造成功率上下摆动, 换成屏蔽线, 将屏蔽层的两端接地, 功率也是上下摆动, 前者是因为地阻抗的干扰, 后者是因为地环路的干扰, 将屏蔽层的一端接地, 功率就能正常控制.
(4) 采用光电耦合器件阻隔
光电耦合的原理是:先将电信号变成光信号, 再由光信号变成电信号.采用光电耦合器件就能阻隔.由于电流转换成光强的线性较差, 所以在传输模拟信号时失真就会大些。由于数字信号是1和0组成一连串的离散信号, 所以光电耦合适合数字电路信号传输。在开关电源电路中也普遍采用光电耦合将高压端与低压端隔离开来。
2.3 合理设计地线减小地线干扰
为减小寄生反馈, 根据实际情况可采用一点接地或就近接地 (多点就近接地) 如图 (3)
该电路图就是一个两级放大电路, 采用一点接地。Ra、Rb, Re、Rf组成分压偏置电路, Rb、Rf、Rh, C 2、C3、C5等集中在一点接地, C2、C3为高频傍路电容, C5为去耦电容, 一点接地可以减小两级之间的地电流干扰就会减小。
频率较高时 (如几十兆赫) , 要考虑分布电容的影响, 高频电流通过分布电容流到地, 与元件的接地点无关, 宜采用就近接地, 能较好地抑制各种寄生耦合.
总之, 作为一个电子工程人员, 在实际工作中会经常碰到这样的问题, 如果我们多了解一些电子线路中地线干扰与抑制, 就会少走弯路, 给工作带来方便。
摘要：作为电子工程技术人员在设计和维修中一定要注重地线的干扰, 尽可能地避免地线的干扰, 并且知道如何抑制地线的干扰
关键词：地线,地环路,磁通量,集肤效应
参考文献
地线干扰与抑制对策 篇5
地线在教科书上的定义是:地线是作为电路电位基准点的等电位体。但是实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位,会发现地线上各点的电位是不一样的,有的相差还比较大。正是这些电位差的存在,造成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。有人给地线一个更加符合实际的定义:信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义,就容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零,当一个电流通过有限阻抗时,就会产生电压降。因此,我们可以把地线上的电位想象成大海的波浪一样,此起彼伏。
2 地线的阻抗
地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作,许多人觉得不可思议:我们用欧姆表测量地线的电阻时,地线的电阻往往在毫欧姆级,电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降,导致电路工作的异常。要搞清这个问题,首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗,而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗,这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感,当频率较高时,导线的阻抗远大于直流电阻。在实际电路中,造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号,脉冲信号包含丰富的高频成分,因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言,电路的工作频率是很高的,因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。
如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻,而当频率达到10MHz时,对于1米长导线,它的阻抗是直流电阻的1 0 0 0倍至1 0万倍。因此对于射频电流而言,当电流流过地线时,电压降是很大的。我们知道,增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的,但对于减小交流阻抗的作用则很有限。但在电磁兼容中,人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗,一个有效的办法是多根导线并联。当两根导线并联时,其总电感L为:L=(L1+M)/2
式中,L 1是单根导线的电感,M是两根导线之间的互感。从式中可以看出,当两根导线相距较远时,它们之间的互感很小,总电感相当于单根导线电感的一半。因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是,多根导线之间的距离不能过近。
3 地线干扰机理
3.1 地环路干扰
由于地线阻抗的存在,当电流流过地线时,就会在地线上产生电压。当电流较大时,这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时,会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的,因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。
3.2 公共阻抗干扰
当两个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路,这种耦合称为公共阻抗耦合。在数字电路中,由于信号的频率较高,地线往往呈现较大的阻抗。这时,如果存在不同的电路共用一段地线,就可能出现公共阻抗耦合的问题。
4 地线干扰对策
4.1 地环路干扰对策
从地环路干扰的机理可知,只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流,则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此我们提出以下几种解决地环路干扰的方案。
一是将一端的设备浮地。如果将一端电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意,一个是出于安全的考虑,往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号,设备接地阻抗较大,减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。另一个问题是,尽管设备浮地,但设备与地之间还是有寄生电容,这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗,因此并不能彻底减小高频地环路电流。
二是使用变压器实现设备之间的连接。利用磁路将两个设备连接起来,可以切断地环路电流。但要注意,变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则,不仅不能改善高频隔离效果,还可能使高频耦合更加严重。因此,变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。
三是使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法,一种是光耦器件,另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2 p f,能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容,但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。
四是使用共模扼流圈。在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果越差。
4.2 公共阻抗干扰对策
消除公共阻抗耦合的途径有两个,一个是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。
如上所述,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线,用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于相互干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分类,然后在同类电路内部用串联单点接地,不同类型的电路采用并联单点接地。
摘要：地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时,会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路,增加地环路的阻抗,使用平衡电路等;解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用并联单点接地,彻底消除公共阻抗。
宽带干扰抑制 篇6
1 信号模型
根据参考文献[3]可知, 单小区环境下, 在一个OFDM符号周期, 接收天线i在第k个子载波上接收到的信号为:
其中hij (k) 代表接收天线i与发射天线j在此OFDM符号周期第k个子载波上的频率信道相应, xj (k) 为发送天线j在此OFDM符号周期第k个子载波上传输的信号, ni (k) 为接收天线i在此OFDM符号周期第k个子载波上接收到的加性高斯白噪声。
考虑L个同频干扰源, 则接收信号可以表示为:
2 发射分集传输模式
根据参考文献[2]可知, 如果目标小区和干扰小区均采用传输分集有:
如果目标小区采用传输分集, 而干扰小区传输模式为单天线, 则有:
如果目标小区采用传输分集, 而干扰小区传输模式为空间复用, 则有:
3 单天线传输模式
如果目标小区和干扰小区传输模式为单天线, 则有:
如果目标小区传输模式为单天线, 干扰小区传输模式为发射分集或者空间复用, 则有:
4 算法核心思想
根据第三节的分析可知, 无论干扰小区和目标小区采用哪种传输模式, UE接收到的信号均可描述为:
其中y为UE接收到的信息, H为目标小区信道信息, x为目标小区发送的有用信息, Gi为第i个干扰小区基站到UE的信道状态信息, Zi为第i个干扰小区发送的信息, L为干扰小区个数。
(1) 已知H&G
对每根天线接收到的信息乘以不同的加权向量ω, 从而获得发射信息x的有效估计^x, 加权向量ω根据选取的准则确定, 最小均方误差准则在这一类问题中受到广泛应用, 基于MMSE准则的代价函数为:
上述加权矩阵的表达式可设为:
上式中Rnn为噪声功率协方差矩阵。H为目标小区信道状态信息, Gi为第i个干扰小区基站到UE的信道状态信息, H和Gi依据目标小区和干扰小区的传输模式而确定, 形如式 (3) ~ (7) 中所示。
由 (10) 式可以看出, 其与基于MMSE准则的最大比合并 (MRC) 算法不同之处是考虑了抑制同频干扰的影响, 因此该算法被称为干扰抑制合并 (IRC) 算法。
本方法需要已知目标小区和干扰小区信道状态信息, 本文将其命名为IRC (H&G) 。
(2) 未知H&G
IRC算法要求UE已知目标小区和干扰小区的信道状态信息, 当工程中不能获得干扰小区的信道状态信息时, 可以通过盲估的方式获得干扰的协方差矩阵[2], 观察 (10) 式中一项, 显然有:
近似认为H和Gi在一定的时间和频率范围内保持不变, 则可以通过对该范围内的yyH求平均而获得的有效估计, 以一定的性能损失为代价换取干扰小区信道估计信息的获取。
具体而言, 加权矩阵ωH为:
其中:
上式中N表示用于估计干扰协方差的频域维度, 以检测次数为单位 (传输分集, 1个检测对应2个子载波, 单天线1个检测对应1个子载波) , L表示时域维度, 以OFDM符号个数为单位。如果用于估计干扰协方差矩阵的样本过少, 则显然估计的结果不准确, 如果采用的样本过多, 则导致样本包含的H和Gi的特性发生变化, 性能也会下降, 从参考文献[2]的研究结论看, 优选1个PRB (物理资源块) 。
如果目标小区采用的是传输分集模式, 则R为1个4×4的共轭对称矩阵;如果目标小区采用的是单天线传输模式, 则R为1个2×2的共轭对称矩阵。
本方法假定1个PRB范围内的干扰统计特性不变, 通过盲估的方法获得干扰协方差矩阵, 本文将其命名为IRC (PRB) 。
5 算法流程设计
(1) IRC (H&G)
本方案如图1所示, 如果目标小区和干扰小区RS重回, 信道估计可采用MLS多小区信道估计算法[5], 否则目标小区和干扰小区分别采用单小区信道估计LS算法;信号检测采用IRC (H&G) 算法, 4×4矩阵求逆可采用cholesky分解[4]或者MD2MH分解计算。
(2) IRC (PRB)
同频环境接收端解决方案如图2所示。首先根据测量得到的SIR (信干比) 判断是否启动同频算法, 如果SIR大于门限值, 则采用单小区策略。如果SIR小于门限值, 则激活Ruu盲估模块, 计算UE占用PRB的Ruu1信道均衡模块采用本文介绍的IRC算法合并接收到的数据从而获得有用信息的估计。
如图2所示, 资源单元解映射模块输出端口:
●Data_PRB_I, 用于指示每1个输出Data所在的PRB编号
●SF_Data_Len, 用于指示每1个子帧中需要检测的总的数据量
●PRB_Indicate, 用于指示第k个PRB是否被UE占用
Ruu盲估模块用于计算UE占用的PRB的Ruu1, Ruu1计算实现过程如下:
步骤1:分别将天线口0和1接收到的数据按照其对应的PRB编号存入对应的数组中;
步骤2:计算UE占用的每个PRB包含的数据量;
步骤3:判断第i个PRB是否分配给UE, 如果是, 则计算该PRB对应的R, 这里是以PRB为单位计算Ruu1;
步骤4:单天线时, 计算R;
步骤5:发射分集时, 计算R;
步骤6:2×2矩阵求逆, 可采用简单矩阵求逆实现;
步骤7:4×4矩阵求逆, 可采用cholesky分解或者MD2MH分解计算。
6 结论
IRC (H&G) 方案以及IRC (PRB) 方案给出的算法都能有效抵御同频干扰, 其中IRC (H&G) 方案最优, 但是需要信道估计针对RS不重合场景进行优化, 以提高干扰小区信道估计的准确度。
在信道估计方案不变的条件下, 针对RS不重合场景, 可以采用IRC (PRB) 所述方案, 而针对RS重合场景, 建议信道采用MLS、信道均衡采用IRC (H&G) 方案获得最优的性能。
参考文献
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PLC系统电磁干扰的抑制 篇7
随着现代自动化技术的普及以及PLC产品的成熟, 越来越多的工厂开始使用PLC作为工业控制的核心控制器。同其他电气控制系统一样, PLC控制系统的稳定运行同样受很多外部因素的制约, 包括安装不当、环境恶劣以及电磁干扰等。其中电磁干扰对PLC控制系统的稳定运行会产生很大影响。介绍PLC控制系统中电磁干扰产生的原因以及处理方法。
1 电磁干扰原理及产生
1.1 电磁干扰原理
电磁场是电场和磁场的统一体的总称。通电导线周围形成磁场, 随时间变化的磁场产生电场。正是电场跟磁场这种相互转化的能力使得电路中的能量得以辐射传递, 形成电磁干扰。电磁场由变化的电流产生, 然后电磁场会以光速向四周传播, 形成电磁波。同时电磁场的能量也通过电磁波向周围传播。通过电磁感应现象, 周围的导电回路接收了变化磁场的能量形成电动势, 从而形成感应电流而影响系统的稳定运行。
1.2 电磁干扰的产生
由电磁干扰产生原理可知, 控制系统的电磁干扰主要是因为电流或电压剧烈变化而产生, 这些电荷剧烈移动的部位就形成噪声源。根据传播方式的不同, 电磁干扰主要分为两种:传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络, 传导干扰的形成必须在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接, 干扰信号沿着这个电路传递到干扰对象。辐射干扰是指干扰源通过空间将信号耦合到另一个电网络。
在PLC控制系统中的电磁干扰一般是辐射干扰与传导干扰相互结合的。电磁干扰产生如图1所示, 首先动力线A点电流的急剧变化引起电源线周围磁场的急剧变化, 通过电磁感应对信号线B点电流产生影响, 又通过信号线的传导使干扰信号传导到信号线C点的被干扰对象。信号干扰会引起I/O信号状态异常以及工作性能降低, 严重时将引起电器元件的损坏。对于PLC控制系统, 信号线路产生感应电压形成干扰会造成I/O模件以及PLC控制器的损坏, 后果相当严重, 由此引起的系统故障也很多。
2 常见电磁干扰以及抑制方法
在PLC电气控制系统中的电磁干扰跟其他控制系统一样也是各种干扰源相互交织影响的, 有时并不能通过对一个线路的改造而彻底解决。但是通过合理规避, 还是能大大抑制电磁干扰对PLC控制系统的影响。
2.1 合理的布线设计
对于电磁干扰, 可以从干扰源的产生以及传导整个过程进行控制, 所以在电气设计与选型之初就要整体考虑电气系统的电磁兼容性。动力电缆与信号电缆之间必须保持一定距离, 不能长距离平行走线, 防止电磁感应现象的发生。当动力电缆与信号电缆必须交叉时尽量使两电缆成90°直角走线, 避免产生电磁干扰。
2.2 可靠的接地系统与隔离
在PLC控制系统中, 主要干扰对象 (敏感源) 一般是直流控制系统中的IO模块以及仪表信号等弱电部分。但是动力电源的扰动却可以通过直流电源或者公共参考端传导到控制系统, 因此在PLC控制系统中采用性能优良的电源非常重要, 尽量使用有隔离作用的直流电源, 它能抑制电网引入的扰动对PLC系统的影响。电磁干扰中, 传导干扰的传输途径主要有信号线回路、0V直流公共端、公共阻抗以及公共接地端等公共导电线。正确可靠的接地点、完善的接地系统能有效抑制此类电磁干扰对控制系统的影响。PLC控制系统应采用一点接地或串联一点接地方式, 集中布置的PLC系统可使用并联一点接地的方式, 即将各PLC控制柜柜体接地端以单独的接地线连接至接地极。如果PLC控制柜间距较大, 应采用串联一点接地方式, 即用一根大截面绝缘电缆连接各PLC控制柜柜体的接地端, 然后将绝缘电缆接地母线连接至接地极。接地线应采用截面大于22mm2的铜导线, 总母线使用截面大于60mm2的铜排。PLC接地极的接地电阻应小于2Ω, 接地极最好埋在距建筑物10~15m处。设备与PLC接地单独做接地点, PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
2.3 选择使用屏蔽电缆
选择合适的屏蔽电缆能降低电磁感应现象对信号线信号的影响。屏蔽电缆使用时应注意始终将电缆屏蔽层的两端连接到接地系统, 如果仅将屏蔽层的一端 (即电缆的始端或末端) 接地, 则干扰衰减仅局限于较低的频率范围。单侧屏蔽连接更合适的情形:不允许安装等电位连接导体;传送模拟量信号的场合;使用了金属箔屏蔽层 (静电屏蔽) 。
2.4 变频驱动的干扰
在PLC控制系统中, 变频器的应用很普遍, 变频器中大量使用了晶体管等非线性的电力电子元件, 所以对变频器的电磁干扰抑制尤为重要。对于与变频器相连接的IO信号线路, 尽量采用光电耦合隔离器件, 既能断开干扰的传输路径又能将信号准确传输;在变频器的输入输出端添加EMI滤波器, 对开关电源产生的高频电磁干扰能有较好的抑制作用;变频器的辐射干扰严重, 金属隔离式电磁屏蔽对于抑制电磁干扰非常有效;此外, 变频器可靠的接地能有效抑制变频本身对外界的影响。
3 结语
电磁干扰的复杂性以及相互影响性, 使得独立地解决干扰问题非常困难, 只有在设计之初就综合考虑各方面的因素, 才能有效地抑制电磁干扰的发生。
摘要：介绍电磁干扰的分类与性质, 分析PLC控制系统电磁干扰产生的原因, 并提出抑制方法。
关键词：PLC控制系统,电磁干扰,接地系统,变频器
参考文献
[1]华成英, 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2006
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[4]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003
[5]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京:人民邮电出版社, 2004
某小型测试系统干扰抑制措施 篇8
一、干扰源及形成分析
测试系统采用PC104总线的自动测试系统,由于系统用在外场试验环境,使用小型加固机箱,内部嵌入模块板卡及电源系统等,机箱空间小,系统使用的测试距离远、电源供电、地线等环境苛刻,存在着大量的干扰。通过试验及数据分析,发现干扰源主要为:
1.1电源系统干扰
干扰主要是从电源和电源线引入系统。当系统与其它负载共用电源时,会产生电源噪声,如电源过/欠压、浪涌、下陷等干扰,这些噪声会耦合到系统电路,给系统造成危害。当电源引线较长时,所产生压降及感应电势等形成噪声。系统所需的直流电源,会因净化不佳,给高精度系统带来干扰。
1.2数字电路引起的干扰
数字电路引出的直流电流虽然只有m A级,但是当电路处在高速开关时,就会形成较大的干扰。如,TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5m A左右的电流,截止状态下则为1m A,在Tns时间内其电流变化为Im A,如果在配电线上具有LμH的电感,当这个门电路改变状态时,配电线上产生的噪声电压为:U=L*di/dt=L*I/T(1)
虽然这种门电路的供电电压仅为5V,但所引起的干扰噪声将是非常严重的。
1.3长线传输干扰
信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号,形成传导耦合干扰。测试系统使用30米的测试电缆,因此信号彼此间干扰电压很大。导致传输信号发生畸变,产生的干扰主要有:传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰;当两条或两条以上信号强弱不同的线靠得很近时,通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰。
1)容性(电场)耦合干扰
当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时,干扰源与信号电路之间就存在容性(电场)耦合,这时干扰电压线电容耦合到信号电路,形成干扰源。对于平行导线,由于分布电容大,容性耦合较严重。在图1a中,导线1和2是两条平行线,C1和C2分别是各线对地的分布电容,C12是两线间分布的耦合电容,V1是导线1对地电压,R是导线2对地电阻。由图1b等效电路可得,导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为:V2=jωC12RV1/[1+jω(C12+C2)R](2)
由式(2)、(3)、(4)可知,容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。
2)感性(磁性)耦合干扰
当干扰源以电流形式出现时,此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图2是互感耦合示意图,两邻近导线之间存在分布互感M,M=Ф/I1(其中,I1是流过导线1的电流,Ф是电流I2产生的与导线2交线的磁通),由互感耦合在导线2上形成的互感电压为V2=2ωMI1,此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。
1.4地线干扰
该测试系统电路复杂,系统中有数字地、模拟地、机壳等,而模拟地又可分为直流地和交流地。当各部分电路的电流均流过公共地线时,会在其上产生压降,形成噪声干扰。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。通常,数字系统的入地电流比模拟系统大得多,并且有较大波动噪音。即使系统接地电阻很小,数字电路也会在其两端形成较高电压,使模拟系统的接地电压不能为零。
二、硬件抗干扰措施
2.1电源滤波电路
电源滤波电路可以防止输入电压的高频脉冲干扰,为设备内的AC/DC变换提供干净的电源,使DC输出电压稳定。同时,该电路可以防止设备中的电磁干扰通过电源线传到电网上,防止电磁干扰进入电网的其他设备。电路如图3所示:
在电路的设计中,C1的选用原则:
1)耐压高于最大输出电压的50%以上;
2)C1=1/F,F为系统的频率。滤波电容的选用原则:C≥2.5T/R;T为系统频率,R为负载电阻,一般使用中选择C≥5T/R。
2.2隔离与耦合措施
1)光电隔离与耦合
测试系统的接口,用数字式光电隔离器进行隔离,以切断公共阻抗环路,避免长线感应和共模干扰。较长时间的信号传输线可采用屏蔽与光电耦合配合使用的方法。
2)放大器隔离
测试系统中的放大电路易受共模干扰的影响,对此,前级放大电路之间可采用光电耦合进行隔离。采用两个耦合器组成互补形式,可以改善放大电路的线性度,减少温度影响。
2.3传输导线抗干扰措施
1)传输导线的选择
信号频率在100k Hz以下采用双绞线传输,频率超过100k Hz信号传输采用同轴电缆。双绞线对电容耦合的电场噪声几乎没有抑制作用,但对磁场的耦合噪声的抑制能力很强。同轴电缆的阻抗在高频下保持基本恒定,但同轴电缆不能用于低于10k Hz的低频信号传输。
2)传输导线的屏蔽
对于长距离导线,采取屏蔽措施,提高信号传输的可靠性。为实现最佳的磁场屏蔽作用,电路的一端与地隔离。为减小屏蔽层噪声电流,低频信号线缆的屏蔽层采用单点接地。如果仅有信号源接地,屏蔽层接地点在信号源端。如果仅有负载端接地,屏蔽层接地点在负载端。高频信号的屏蔽层采用多点接地设计,为确保屏蔽线缆的良好接地,每十分之一信号波长加一个屏蔽层接地点,可通过一个小电容将屏蔽层接地。
三、软件抗干扰措施
软件抗干扰措施是系统抗干扰的一个非常重要方面,软件的抗干扰性能差,会导致系统死机或程序跑飞等现象。为此,在软件设计中采取了几种抗干扰措施:
3.1跟踪监视定时器技术
当系统受到干扰时,有时嵌入式处理器的设置值会被改变,导致程序跑飞,盲目运行或进入死循环。采用设置跟踪监视定时器,在程序失控的状态下,将跑飞的处理器指针“俘获”并强行拉回到一个处理该故障的程序中,恢复被破坏的现场,回到受干扰之前的地址,使程序正常运行。
跟踪监视定时器技术利用定时器中断功能来监视程序的运行状态。
3.2数字滤波技术
进行实时数据采集时,为了消除传感通道中的干扰信号,利用算术平均值法、FIR数字滤波算法实现软件滤波效果,减少系统的随机干扰对采样结果的影响。
四、结束语
由于小型测试系统体积小,其内部工作环境比较复杂,外部工作环境苛刻。因此,小型测试系统的可靠性是必须要考虑的重要因素,该系统在样机研制过程中,对系统的抗干扰性做了细致周全的设计,在实际使用中得到了很好的效果。
摘要：介绍了某小型测试系统的干扰现象,对干扰源的形成机理进行分析。针对系统的特点,在硬件设计中通过滤波电路、隔离与耦合技术、传输导线的选择与屏蔽来提高系统的可靠性,在软件方面采用跟踪监视定时器技术、软件滤波等措施,使整个系统的干扰得到良好抑制。