干扰抑制

干扰抑制（共11篇）

干扰抑制 篇1

干扰轻则会降低电路的信号质量, 重则会破坏电路的正常功能, 造成逻辑错乱、控制失灵, 甚至发生设备损坏, 影响生产等各种事故。

1 干扰

1.1 干扰的类型

干扰的来源是多方面的, 它所造成的影响也是多种多样的。

按来源可将干扰分为两类:①控制器本身引起的各种干扰, 即内部干扰。内部干扰可分为固定干扰和过度干扰。过度干扰为电路动态工作时引起的干扰。②由外部因素引起的干扰称为外部干扰。外部干扰可分为自然干扰和人为干扰。由自然现象造成的干扰称为自然干扰。

按干扰的途径也可将干扰分为两类, 分别是路的干扰和场的干扰。通过电路渠道进行干扰的称为路的干扰, 通过电场、磁场或电磁场进行的干扰的称为场的干扰。其中, 场的干扰还可分为静场干扰 (包括静电场干扰和静磁场干扰) 和动场干扰。

按干扰出现的规律, 可将干扰分为固定的、半固定的和随机的三类。固定设置的电气设备在运行时引起的干扰属于固定干扰;有些偶尔使用或启动无规律的电气设备 (例如行车、电钻等) 引起的干扰属于半固定干扰;闪电、供电系统继电保护功能、绝缘子泄漏、汽车启动点火设备引起的干扰等均属于随机干扰。半固定干扰与随机干扰之间的区别在于前者是可以预计的, 而后者是突发性的。

按干扰在电路输入端的作用方式与有用信号的联系, 可将干扰分为常态干扰和共态干扰。干扰信号与有用信号串联在一起时为常态干扰, 干扰信号出现在监测点与控制器之间时为共态干扰。常态干扰可能是信号源本身产生的, 也可能是引线上感应的, 它串接在检测回路中, 相当于检测信号增加了一个信号, 成为检测信号的一部分。这种干扰直接送入放大器的输入端, 所以影响较大。共态干扰是因控制器本体的接地点与检测装置的接地点之间存在干扰电压所引起的, 这种干扰电压主要来源于50 Hz交流电源的接地系统。

1.1.1 自然干扰

自然干扰是由某些自然现象所引起的, 例如闪电、雷击、地球辐射、宇宙辐射等。这类干扰主要对通信、广播、导航等设备有较大影响, 而对程控电气设备的影响不大。除非在近处发生闪电、打雷等强烈干扰, 才有可能影响程控电气设备的正常工作, 所以除了对可靠性要求特别高或处于严重雷电区的设备外, 一般不考虑自然因素的干扰。

1.1.2 人为干扰

外部干扰除了自然干扰外, 其余的均属于人为干扰。人为干扰主要包括电干扰——各类电气设备电火花引起的干扰 (例如直流电机整流子碳刷电火花, 接触器、断路器开关灯接点电火花) , 电气设备启停通过供电系统对控制设备产生的干扰, 一些气体、水电元件 (例如闸流管、荧光灯) 工作时产生的干扰, 高频加热、脉冲电蚀、电火花加工、可控硅整流等电加工设备产生的干扰等。

1.1.3 内部干扰

内部干扰是由控制器本身产生的各种干扰, 例如内部布局和布线不合理, 由分布电容、分布电感、漏电阻等潜在耦合而形成的内部组件相互干扰;由公共电源的内阻、接地回路的阻抗等耦合形成的级间反馈和干扰;电源电压不稳定, 直流电源的波纹对电路造成的干扰;元器件质量不好、虚焊、接插件接触不良、金属件装置松动、屏蔽体接地不良、元件盒晶体管的噪声等造成的干扰。其中, 由虚焊引起的干扰时通时断, 时隐时现, 较难寻找。另外, 在逻辑电路中, 电路开门或关门、电压的差异、时间节拍配合得不好、电路动作时产生的脉冲干扰等都有可能造成电路误动作, 这些都属于内部干扰中的过度干扰。

控制器内部的电设备不良也是造成干扰的原因之一。控制器内部均采用低压直流稳压电源, 这样可以克服电网电压和负载变化等造成的直流电源电压波动, 并为控制器各部分电路的稳定运行提供保障。稳压电源的容量取决于供给内部电路的电压和电流。一般情况下, 稳压电源的供电量是可以保证的, 但当交流电源电压下降过多, 超过了稳压器的设计限额时, 稳压源的输出电压会下降, 并伴随着交流波纹的增多, 使电路受到纹波的干扰, 严重时, 甚至不能正常工作。直流电压的降低容易在检查中被发现, 但由于采用了稳压源以后, 工作人员认为电压已经稳定, 而忽视了来自电源波纹的干扰, 特别是当直流电压几乎没有降低, 但波纹电压已经产生的情况, 就更不容易被注意到了。

1.2 干扰的途径

1.2.1 路的干扰

各种干扰之所以能够对电路造成影响, 除了具有干扰源和被干扰对象这两个方面, 还必须具备一条从干扰源到被干扰对象的干扰途径。例如, 电机、电器等用电设备的启停通过供电电路对供电系统造成干扰。这样, 凡是接在这一系统上的电子设备, 都将通过供电系统这一途径受到干扰。再如, 在控制器内部, 某一级单元电路的动作电流通过公共电源内阻所形成的压降会以“路的形式”干扰其他单元电路。对于内部干扰来说, 路的干扰是主要的。

1.2.2 场的干扰

接触器通断时产生的接点电弧就是强烈的干扰源, 它一方面通过供电电路的形式传输干扰信号, 另一方面通过电磁波的发射以场的形式传播干扰信号。如果在它旁边用半导体收音机去收听, 就会听到爆裂的噪声, 这就是场的干扰所引起的。

对于外部干扰来说, 除了通过供电电路引入控制器的干扰外, 多数是场的干扰, 而场的干扰往往不是直接进入控制本体, 而是先以场的形式干扰检测部件、执行部件等外围设备, 然后再根据这些外围设备与控制器本体的联系, 以路的形式窜入控制器内部。

2 抑制干扰

2.1 抑制干扰的思路

2.1.1 消除干扰源

最积极有效的措施是消除干扰源, 例如将产生干扰的电气设备用隔离变压器作为专线供电, 搬移设备, 将整流子电机改为无整流子电机。继电器、接触器、开关鞥电触点在通断时产生的电火花是较强的干扰源。对此, 可以采取触点消弧的措施, 例如在接点上并接消弧电容或使用无触点开关。另外, 触点接触不良、电路中的虚假焊接等也会对电路造成干扰。这类干扰源是能够消除的, 也必须消除。

2.1.2 破坏干扰途径

对于场的干扰, 可采取屏蔽措施;对于路的干扰, 可采用限幅、整流等信号处理方法, 切断干扰途径, 或采用早通脉冲等方法从时间机率上切断干扰途径。如果无法切断干扰途径, 就要区分有用信号和干扰信号, 根据信号的特征, 采用退耦、滤波、选频等电路手段, 引导干扰信号转移, 以抑制信号对电路的影响。

2.2 抑制干扰的措施

2.2.1 退耦

直流电源和地线中的脉冲电流所造成的干扰是常见的内部干扰。因为一块电路板上往往有几十个逻辑单元, 这些逻辑单元在变换状态时, 从电源中取得的电流将发生变化, 这样一个电流就在共电源的内阻和接地回路的阻抗上就形成了干扰脉冲。这些干扰脉冲会以路的形式干扰公共电源上的各单元电路。抑制这种干扰的有效措施是在电源与地之间并接退耦电容, 电容量越大, 退耦效果越好, 一般均采用电介电容进行退耦。在某些要求较高的场合, 除了要采用容量较大的电介电容外, 还要并接一只0.01~0.1μF的非电解电容作为退耦元件。这是因为电介电容具有一定的分布电感, 其对脉冲的高频分量是呈感抗的, 而上述做法能使它们分别起到低频和高频的退耦作用。

2.2.2 接地

电路的接地是十分重要的, 因为接地问题会引起内部的反馈干扰。总的要求是接地回路的阻抗要低;接地点的焊接或连接要十分可靠, 并采取一点接地的方式;输出级的接地点离工作电源的底线应尽可能地近一些, 其他接地点则按信号的逆流程依次逐级连接, 即输入级的接地点离电源线最远。

接地干扰产生的根源是各级电路的动态工作电流在接地回路、接触电阻等阻抗上的降压以路的形式反馈到前级作为输入信号, 当反馈量与反馈极性符合一定条件时, 就会引起电路的不稳定。

2.2.3 屏蔽

屏蔽主要是针对各种场的干扰, 对于经磁场和地点磁场的干扰, 应采用导磁材料屏蔽;对于高频电磁场的干扰, 应采用良导体屏蔽;对于电场干扰, 则主要依靠导体屏蔽。

2.2.4 滤波

当稳压电源控制器内部电路不良时, 输入的平均电压很小, 用万用表检测是不容易发觉的, 即使发现有些下降, 也容易误认为是稳压电源中的参数漂移。这时, 工作人员会重新调整一下取样部分的分压电位器, 使输入平均电压提高到额定值, 但这样做会进一步加剧纹波干扰。对于这种干扰的解决, 可以增加滤波电容的容量, 但当负载较重时, 由于电源等效内阻的限制, 即使据需增加电容容量也无济于事, 而且过大的容量会使整流元件在接通电源时发生冲击性损坏, 比较彻底的方法是提高整流电路的交流电压。

当电路用电量较大时, 可采取三相桥式整流方案。三相桥式整流的纹波频率为电源频率的6倍, 容易滤波, 而且三相桥式整流的纹波分量也比单相桥式小很多。另外, 沿电路引入的干扰可以采取滤波的方法予以削弱或消除。

3 结束语

抗干扰问题是实践性较强的问题, 本文只介绍了一些常见的方法, 在具体实践中, 还需“对症下药”, 有时往往需要采用多种抗干扰措施, 多管齐下, 才能解决问题。要真正解决问题, 还需逐一测试和科学结合各种抗干扰措施, 以取得最合理的抗干扰方案, 并把握干扰的本质, 使之上升为理论, 为今后的实践提供理论依据。

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。

干扰抑制 篇3

关键词：开关电源；电磁干扰；抑制；技术

开关电源由于其实用性，广泛运用于工业、军事、医疗等领域，在大功率高电压的电气设备之中，开关电源会受到难以避免的电磁干扰，在开关频率加大或功率密度提高的条件下，电磁的兼容性能需要加以密切的关注，也是需要切实解决的问题，本文从电子线路电磁干扰的特点入手，探讨高频开关电源电磁干扰的机理及抑制技术，对于开关电源的电磁兼容性进行测量，提供了干扰源的干扰量、传输特性及敏感度等依据，从而提高开关电源的使用效率和质量。

1 高频开关电源的概念及特点

电磁干扰即是电磁的兼容性不足，对电子设备之间的电磁辐射传导加以破坏的进程。开关电源在小型化、高频化发展的趋势中，自身的噪声源也会产生大量的传导性电磁干扰，即EMI，从而对电子系统造成不良效果。由于大量的电器设备如：计算机、通信产品、电器等的涌入，空间人为电磁能量以成倍的速度递增，电磁环境的恶化态势正显现出严重的问题。开关电源的电磁干扰是一种有害的电磁效应，它必须具备三个干扰要素，即：干扰源、敏感体、干扰耦合路径。它具有以下特点：

①开关电源在频繁的开关过程中，会产生较大的电流变化，从而不可避免地产生强大的干扰强度。

②开关电源干扰源的关键干扰装置表现在功率的开关器件、散热器、高频变压器之中，具有较为清晰的电路干扰位置。

③开关电源的干扰频率不高，主要表现为传导干扰和近距离电场干扰。

④由于线路板通常是人工布设，随意性较大，对于线路板分布参数的提取和评估，增加了难度，同时，人工布设不当也是产生电磁干扰源的一个原因。

⑤开关电源的电磁干扰与网侧阻抗不匹配，呈现变化的趋势，难以把握。而且，滤波器中的电器元件要在使用中承受较大的无功功率，就无疑增加了电源体积，降低了效率。

2 开关电源的工作原理及电磁干扰机理分析

2.1 开关电源的构造及工作原理

开关电源的构造由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源构成，其中：主电路包括输入滤波器、整流器、逆变等；控制电路则是通过对输出端的数据的取样，在比较之下控制逆变器，从而改变输出频率或脉宽，实现电路稳定。检测电路重点提供保护电路中的参数，还显示各种仪表数据。辅助电源则负责提供单一电路的不同电源。

开关电源控制的工作原理，如下图1所示：

在图1中，K开关负责无定时的接通或断开，在K开关接通时，E电源向开关K和滤波电路提供负载RL及能量；在K开关断开时，E电源中止提供能量。由此可知，电源提供的负载和能量是无定时的、间断的状态，而为了使开关获取稳定连续的能量供给，需要配备储能装置，即在能量接通时负责实现对能量的储存，在开关断开时，负责释放储存的能量，这个装置由图中的电感L、电容C2、二极管D构成，这个电路具有上述功能。可以将图中AB之间的电压平均值用EAB表示，用以下公式加以计算和控制：

E=TT·E

上式中：Ton表示每次接通开关的时间；T表示开关通断的周期间隔。在这两个要素变化的条件下，AB之间的电压平均值也会改变，这种改变控制称为“时间比率控制”。开关电源控制原理，主要表现为三种方式：脉冲宽度调制；脉冲频率调制；混合调制。

2.2 电磁干扰的产生机理分析

开关电源的电磁干扰是存在电路之中的无用信号、噪声等，它们对于电气设备、通道产生的干扰，开关电源自身存在有大量的谐波干扰，同时还有潜在的电磁干扰，并集中显现于电压、电流变化较大的电气元器件之中。电磁干扰产生的机理主要有以下几点：

①开关电路产生的电磁干扰。由开关管和高频变压器构成的开关电路是开关电源的核心，具有较大幅度的脉冲，谐波丰富，开关电路产生的电磁干扰主要是由于开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管接通与断开的瞬间，会出现较大的电压尖峰，产生磁化冲击电流的瞬变，这就造成了属于传导性质的电磁干扰。

②整流电路造成的电磁干扰。整流电路的整流二极管在接通状态时，有较大的正向电流，然而当其终断时受反的电压影响，而产生一个反向电流，还包含较多的高频谐波分量，产生剧烈的电流变化。

③高频变压器产生的电磁干扰。在高频开关电源构成中，变压器初级线圈、开关管和滤波电容，会形成高频开关电流环路，在这个环路之内有极大的空间辐射，若电容滤波性能不好或容量不足，电容上的高频阻抗就会将高频电流传导到交流电源中，造成传导干扰。同时，值得一提的是，整流电路造成的干扰强度较大、频带较宽，是较为重要的电磁干扰源之一。

④分布电容生成的电磁干扰。由于开关电源正向高频发展，因而分布电容也是电磁干扰源之一，由于散热片和开关管的集电极之间的绝缘片接触面积大而薄，高频电流会由分布电容流过，产生共模干扰。

3 开关电源电磁干扰的抑制技术举措分析

对于开关电源电磁干扰的抑制技术，主要可以从三个途径着手：其一，减少电磁干扰源的干扰信号；其二，截断电磁干扰信号路径；其三，提高电磁干扰敏感体的抗干扰性能。下面，本文可以就抑制开关电源电磁干扰的技术进行分述：

3.1 软开关抑制技术

软开关抑制技术基于“硬”开关基础之上，它是利用谐振技术或控制技术，连通或截断零电流状态下的先进技术。它在小型化、轻量化、电磁兼容性高的发展特点之下，有效地降低了开关损耗和噪声，提高了开关电源的使用频率。

软开关与“硬”开关的区别在于：“硬”开关在开关过程中的电压和电流都不为零，有重叠的状况；而且电压、电流的变化较大，脉冲较为明显，产生较大的开关噪声。而软开关由于增添了电感、电容等谐振元件，减少了电压、电流的重叠，有效降低了开关噪声。

软开关技术中包括多种技术，如：谐振变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器。其中：谐振变换器是基于标准PWM变换器之上，附加谐振网络，从而实现零电压或零电流的开关。准谐振变换器则是在PWM开关上附加谐振元件的控制技术。零开关PWM变换器是先利用谐振实现换相，再运用PWM方式工作。零转换PWM变换器是并联一个谐振网络，由此而产生零开关条件，实现控制技术。但是，值得注意的是，软开关技术要有辅助电路的添加实现，才能较好地实现对开关电源EMI的有效改善和优化。

3.2 开关频率调制技术

首先，要明晰频率调制的概念，频率调制是指瞬时频率偏移跟随调制信号m（t）成比例变化的调制，它可以用以下公式表示：

=Km（t）

其次，我们再分析开关频率调制技术的应用思想：固定频率调制脉冲在低频段上产生电磁干扰，并集中于低频段的各个谐波点之上，它通过调制开关频率fc，将集中的能量加以分散，从而有效降低各个谐波点上的EMI值，它关注的是使分散的各频点都在EMI的限值之内，而并非降低电磁干扰的总量。鉴于这一应用思想，开关频率调制技术在降低噪声频谱峰值的过程中，采用随机频率控制法和调制频率控制法。

其中：随机频率控制法是在开关电源间隔之中加入随机扰动分量，分散各频点的噪声能量，使离散的尖峰脉冲噪声转化为连续、分散的各频点噪声，从而降低峰值。调制频率控制法则是在电路产生的锯齿波中加入调制波形，生成离散频段的边频带，使噪声能量分散到这些边频带之上，这样，就可以在不影响变换器工作的前提下，抑制开关的通断时的电磁干扰。

3.3 共模电磁干扰的有源抑制技术

共模干扰也称不对称干扰、接地干扰，它是电流的载体与大地之间的电磁干扰，有源抑制技术的应用思想主要是在主回路中提取与导致干扰的开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压，在保证开关电源正常工作的前提下，消除较宽频段内的共模干扰。这一抑制技术是作用于电磁干扰源本身，是非常有效的共模电磁干扰抑制技术。

3.4 抑制电磁干扰的缓冲电路设计

对于缓冲电路设计的开关电源可以消除电力线内潜在的电磁干扰，对于阻抗和消除电快速瞬变、电涌、电压高低变化、电力线谐波等，可以起到较重要的作用。试例50kHz开关控制电源的构造图为：（图2）

其中：开关元件在有外来电压变化时，产生较多的谐波成分而导致其波形失真，图中的线性阻抗稳定网络可以有效地抑制共模干扰，在其对称结构和适宜的去耦处理与设计下加以解决。整流滤波电路由整流电路和大电容构成，它可以产生高频的矩形脉冲，并可以促进稳压反馈作用，稳定输出的电压。场效应管开关主电路是核心电路，设计之中添加了一个缓冲电路来抑制EMI，它主要采用灵敏接地的方法解决共模辐射的问题。

3.5 滤波抑制技术

这是一种常用而高效的高频开关电源电磁干扰抑制技术，它的应用原理为：在高频开关电源的输入输出端口，接上滤波器，阻抗开关电源在电网中的干扰信号，其干扰信号主要是传导干扰，并表现为共模干扰和“差模”干扰两种形式，其中：共模干扰是非对称性的干扰，它是干扰信号对地的电位差以及电网串连的噪声，具有幅度大、频率高、干扰性能较大的特性；“差模”干扰是对称性干扰，它是电磁场在信号间耦合感应以及不平衡电路转换而产生的电压，它在添加抗干扰滤波器的条件下，可以有效地抑制干扰信号。“差模”干扰具有幅度小、频率低、干扰较小的特性。

3.6 PCB抑制技术

PCB抗干扰抑制技术的目的是为了减小PCB的电磁辐射，解决PCB电路之间的串扰现象。它包括布局、布线及接地设计，其布局设计与电气设计类似，设计流程为：首先考虑PCB的尺寸和形状，要保持最佳电路板的矩形形状，即长宽比为3：2或4：3，使其可以承受一定的机械强度；然后，再确定特殊元器件的位置设计。由于发生器、“晶振”易产生干扰噪声，因而在设计时的位置要相互靠近；最后，再根据电路的功能单元进行整体布局，要考虑元器件的分布参数，确保均匀、整齐而紧凑，尽量减少元器件之间的引线和连接，还要选取不易产生噪声的、不易传导的、不易辐射噪声的元器件。

3.7 屏蔽抗干扰抑制技术

由于开关电源会在传播空间产生电场和磁场，因而，可以考虑采用屏蔽的措施，将电磁干扰源和受干扰物之间隔离一层与地相连的屏蔽片，这种屏蔽技术可以采用两种方式，其一是静电屏蔽，用于阻抗“静电”场和恒定磁场的干扰；其二是电磁屏蔽，用于阻抗交变电场、磁场的干扰，这样，就可以使电磁波产生衰减，减少对电气设备的干扰影响。

总而言之，高频的开关电源会在信号传输过程中产生电磁干扰，不利于电气设备的安全、稳定运行，因而，需要采用适宜的开关电源电磁干扰抑制技术，使电磁干扰得到有效的衰减，保障电气设备稳定、高效。

参考文献：

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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

干扰抑制 篇5

浅谈中波发射机房系统的噪声干扰与抑制措施

摘要：中波发射机房系统中不管是机器内部还是外部,噪声干扰对系统的影响不容忽视,处理不当会对设备的安全运行造成巨大的`破坏.本文从介绍噪声的成因入手,分析了噪声干扰对中波发射系统产生损害的原因,从多个方面提出一些切实可行的防护措施.作 者：林晓斌    LIN Xiaobin  作者单位：福建省广播电视传输发射中心泉州401台,福建泉州,350001 期 刊：科技传播   Journal：PUBLIC COMMUNICATION OF SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)：2010, “”(6) 分类号：X593 关键词：噪声干扰    中波发射机    起伏噪声   

干扰抑制 篇6

关键词：噪声抑制器；电力载波；远程采集；载波噪声

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）01-0035-04

近年来，用户用电信息采集逐渐成为电力营销工作的重中之重，是电网自动化技术发展的必然趋势，其广泛应用可以大大减少电能表抄表工作的人力投入。目前，国内外在低压电力载波通信技术领域的研究已取得一定成果，对基于低压电力线载波和GPRS技术的电能自动抄表系统的可行性和有效性进行了广泛研究。其中，电力载波通信把电力线作为数据传输的载体，具有覆盖范围广、无需重新敷设线路等优点，受到越来越多的关注，具有很大的应用潜力。当前几种比较典型的低压电力载波技术各具特点，形成了低压电力载波通信测试系统的构成及其组网方案，但噪音干扰却严重影响信号的传输质量。为研究噪声的特性，电力信道噪声模型被广泛研究，形成了电力线噪声分离网络技术。根据电力载波特点及噪声特性，设计出多种滤波装置，均取得良好效果。实验研究表明，锅炉等供暖供水设备会使载波线中产生噪声，对电力载波线上传递的载波信号造成严重影响，但并未能引起足够的重视。

在用户较多的城市地区，低压接线网络较为复杂，负荷种类多样化，尤其是存在电力载波传输干扰源，使用电信息采集系统的抄表成功率降低，为集中采集的实施带来挑战。

1 噪声干扰原因分析

对电量采集系统的长期研究发现，高层住宅变频水泵启动后，载波抄读效果差；东北地区冬季电锅炉启动后，载波抄读效果差；凌晨抄表效果好，白天抄表效果差。究其原因在于电网上的这些电器产生了较大的干扰。一些台区的抄表效果达不到验收标准，其根本原因是无法克服电网上的这种噪声。避开高噪声环境，在低噪声良好环境中进行载波通信，可获得较好的载波通信成功率，降低通信失败几率，提高数据采集成功率，减少抄表人力投入。

低压电网载波通信受噪声干扰而采集率低，究其原因在于载波信号在电网上会遇到噪声干扰，这种干扰通常由电力线路上的各种大功率负载突然开关、大功率电机启停、功率因数补偿电容器投切以及短路、故障切除和重合闸、雷电等引起，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽，会引起电压、电流的突变和谐波分量的增加。通过大量现场噪声数据采集发现，我国低压电网噪声在一个工频周波的微分时段内，具有周期性噪声峰谷规律。

进一步研究可知，隔离噪声环境，在良好环境中进行载波通信，会获得较好的载波通信成功率，降低通信失败的几率。为此，设计一种用于滤除低压台区噪声干扰的滤波器，达到屏蔽干扰信号和保证噪声干扰源附近智能表可以正常采集的目的，从而提高通信成功率。

2 噪声抑制器设计

该噪声抑制器采用三相四线制接线，额定频率为50 Hz，可用于三相四线制（380V）或两线制（220V）电力线载波通信产品，其结构如图1所示。

噪声抑制器共分有4根接线，分别对应电力线的A，B，C，N四相电压线。安装时只要将对应的线序接到电力线上，就可以保证噪声抑制器的正常运行。噪声抑制器与电力载波线接入方式如图2所示。

使用噪声抑制器时，要尽量保证噪声抑制器安装在干扰源的附近，最好安装在干扰源的开关处，这样能够发挥噪声抑制器的最好效果。

当某些节点因电力线噪声较高而接收不到远端发出的载波信号时，可尝试在该节点处安装电力线噪声抑制器；当集中器发出的信号表端能收到而表端发出的信号集中器收不到，且确认集中器端的噪声较高时，可尝试在集中器下安装电力线噪声抑制器。

电力线上的阻抗比载波模块的阻抗要大得多，所以电力线噪声抑制器的衰减作用对载波通信的影响较小，对电力线噪声的影响较大，可提高接收端信噪比和载波通信的成功率。

滤波器由RC元件组成，我国低压集抄主要厂家的载波芯片载波频率一般在120～421 kHz之间，因此，所设计的噪声抑制器（即滤波器）不应对以上频率区间的载波信号造成过多影响。该滤波器即电力线噪声抑制器可以在牺牲少许载波信号的前提下降低电力线的噪声，从而提高接收端的信噪比和接收成功率。

阻抗计算公式ZC=1/2πfC，载波模块通信（f=270 kHz）的内阻约为5.9 Ω，电力线噪（假设频率f=10 kHz）声阻抗约为160 Ω。由此可见，阻抗越大，衰减越大；阻抗越小，衰减也相应减小。根据低通滤波器的原理，可提高传输信噪比。噪声抑制器的原理如图3所示，电阻R1，R2，R3为1 Ω，R4，R5，R6为1 MΩ，电阻RV1，RV2，RV3为压敏电阻，主要起到保护主电路的作用。

RC串并联电路存在两个转折频率f1和f2。以A相为例，当信号频率低于f1时，C1相当于开路，电路总阻抗为R1+R2，相当于开路，对工频电压无影响；当信号频率高于f2时，C1相当于短路，电路总阻抗为R1，相当于短路，使高频噪声完全滤掉。当信号频率高于f1低于f2时，电路总阻抗在R1+R2到R1之间变化。电力线噪声抑制器主要功能是提高载波通信传输过程中的信噪比，进而提高通信成功率。

3 噪声抑制试验结果分析

为验证电力线噪声抑制器的有效性，以胡家线44金山分28#-1台区为实例，分别测量集中器端载波信号的波形及在安装和不安装噪声抑制器情况下，电力载波线上电表端载波信号的波形。该台区为城区内小区类型的台区，总户数1 109户，供电半径超过800 m，集中器位于变电室内，向外辐射24条三相线路，每条线路上均有采集失败表。台区拓扑如图4所示。

nlc202309031450

该台区包含多种负荷，其中锅炉房为泵房，用于供暖和自来水的二次加压，对电力载波信号产生一定影响。

3.1 在集中器端的噪声信号图

根据台区使用的电力线采集设备集中抄读噪声情况，对该频谱图进行120 kHz（该台区所用载波频率为120 kHz）切片，得到图5所示图形。

由图5可以看出，集中器发出的载波信号幅值为92.766 dB，39811 uV，载波信号发送正常。

3.2 无噪声抑制器的噪声信号图

在本台区百合一街6-1号楼使用电力线噪声采集设备，在长期抄读不成功的表计端采集集中器端抄读时的噪声情况如图6所示。

由图6可以看出，噪声信号为53 dB uV，446 uV。与图5所示的集中器所发出的载波信号相比，已经发生较大程度的失真。锅炉房正常工作时会产生大量噪声，并通过电力载波线进行传播，对载波线上的载波信号叠加干扰。集中器发出的载波信号经过噪声干扰与衰减到达该目标表计时，已经淹没在噪声中了，无法识别其中的载波信号，因此抄读失败。

3.3 有噪声抑制器的噪声信号图

针对该台区干扰（供热、供水）导致台区抄表不理想的情况，使用噪声抑制器可以屏蔽干扰源，从而保证抄表的成功率。将噪声抑制器与集中器并联，可以滤除其产生的噪声。

使用电力线噪声采集设备，在抄读成功的表计端，采集集中器端抄读时的噪声情况，如图7所示。

由图7可以看出，集中器发出的载波信号幅值为67.048 dB，2 238 uV。与图5所示的集中器所发出的载波信号相比，失真程度较小。噪声抑制器可以滤除绝大部分噪声，但仍有一部分噪声没有被滤除而是混杂在载波信号中，但没有造成严重影响。集中器发出的载波抄读信号经传输有所衰减。智能电表处接收到的载波信号与集中器发出的载波信号基本相当，在扩频通讯抗噪处理下，可实现正常抄读。

该台区1—6月份未安装噪声抑制器，7—8月份安装了噪声抑制器。通过用电信息采集系统对百合一街6-1号楼安装噪声抑制器前后的抄表成功率数据进行对比发现，未隔离噪声干扰时该台区在1—2月份采集成功率最低，仅为77.34%，这是由于在冬季除了日常供水外还需要供暖，锅炉房会对载波信号造成较大干扰，1—6月份平均采集成功率为83.48%，7—8月份安装电力线噪声抑制器后的采集成功率为99.08%（见表1）。

通过该实例可知，所研制的噪声抑制器能滤除锅炉等设备引起的噪声，提高采集成功率。

电力线噪声抑制器在牺牲部分载波信号的前提下降低电力线噪声，会因线路过长或载波信号衰减过大而导致抄读成功率不稳定，可能使抄读效果变得更差。

电力线噪声抑制器多数情况下可提高通信成功率，但有时也会降低成功率，因此在使用该设备时需要尝试着进行，即安装后要测试通信效果是否有所改善。如果有改善就保留，如果没有改善就换个位置或者拆除。

4 结论

噪声抑制器用于滤除噪声并提高采集成功率。通过将其并联在噪声源处，可以达到滤除高频噪声的目的。以一个实际台区为例，通过测量集中器端安装噪声抑制器前后智能电表端的载波信号可知，噪声抑制器能够有效抑制由供水、供暖等原因引起的电力载波噪声。对该台区1—8月份采集成功率情况进行对比发现，噪声抑制器能使采集成功率由83.34%提高到99.08%，具有良好的应用效果，建议大面积推广。

干扰抑制 篇7

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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[5]张浩杰, 李晓明, 裴文林.MLS接收机数字滤波器设计研究[J].电视技术, 2011 (13) :41-44.

PLC系统电磁干扰的抑制 篇8

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

[2]郭银景.电磁兼容原理及应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2004

[3]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京:电子工业出版社, 2003

[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9

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。

电子设备的噪声干扰与抑制 篇10

1 各类不同的噪声源探讨

噪声源可以认为是凡能产生一定的电磁能量且能影响到周边电子设备正常运行的物件与设备。具体一点地说, 所谓噪声源就是产生噪声的源。其产生的噪声是指电子设备运行系统之外和系统之内产生的紊乱的、时断时续的、随即的杂波信号。

1.1 电子设备的外部噪声源

在探讨电子设备外部噪声源时, 我们应该认识到噪声源的频谱很宽, 例如我们日常使用的光管放电从500KHz到200MHz之间, 雷电的频谱为音频到50MHz之间, 旋转电机电刷火花在200KHz到20MHz之间。因此, 电子设备系统外部噪声源极多。

1.1.1 自然界的噪声:

在自然界, 太阳黑子、宇宙线、由雷电产生及大气因素产生的天电, 被称为宇宙空间噪声和大气噪声。

1.1.2 人为产生的噪声:

此种噪声主要是由于人为地使用电子设备而造成的。我们常见到工业噪声即是一个大源头。例如热合焊机、高频电炉、汽车点火装置等所产生的噪声。总括起来可以分为以下几种:

a.电子和电气设备所引起的:例如广播电视雷达、通讯、导航设备产生的噪声, 以及工艺高频加热电炉等大功率高频率电路所传播的电磁能。

b.放电行为所引起的:例如各种车辆发动机点火装置造成的点火花、继电器等接触器件接点开合引起的电弧和电火花、电机旋转时电刷和整流子引起的电火花、电力线的电晕放电、严重损坏绝缘的电力线造成的弧光放电, 甚至于照明日光灯管所引起的辉光和弧光等均能产生噪声。

c.电路过渡过程产生的:例如电路中电容器和电感器产生的瞬变电流和电压、TTL集成电路在状态转移时引起的尖峰电流等。在两种金属产生接触时, 将产生接触电动势, 也能产生噪声。

当然, 有些噪声的产生也可列为电子设备内部产生的噪声。

1.2 电子设备的直接内部噪声源

电子设备内部噪声是电子设备中各元器件内部自身产生的, 是由内部载流子运动不规则所为。实际上, 这种噪声是构成电子设备元器件本身特有的, 其表现为杂乱的, 无规则的变化电流或者变化电压。

1.2.1 三极管的噪声:

a.热噪声:三极管内部的体电阻由于再流子不规则的热运动通过其产生的。

b.散粒噪声:平常所谓三极管中的电流只是一个平均值。而通过发射结注入到基区的载流子数量, 在瞬间各时间不一样多, 从而引发发射极电流或者集电极电流产生一个无规则的波动, 即为散粒噪声。若电子设备负载为RL, 则RL两端就又一个IRRL的散粒噪声电压 (IR为散粒噪声电流) 。

c.颤动噪声:三极管产生的这种噪声的机理目前尚不明确。多见的解释是设想为载流子在晶体管表面的产生和复合引起的。所以与半导体材料和制造工艺有关。此噪声与频率成反比, 因此被称为1/f噪声。故在电子设备运行系统中, 在低频端所受的不良影响要高于高频端。例如对有线电视系统的影响。

1.2.2 电子电路电阻的热噪声:

在电子电路中, 由于导体中组成传导电流的自由电子的无序热运动, 有可能造成瞬间向一个方向运动的电子将比向另一个方向运动的数量多。这种电流通过电阻就将产生一个正比于电路电阻的电压。因而任何电阻即使不于接通电源, 在电路的两端仍有电压存在。这个电压是电子无序热运动而产生的、随时间而变化的噪声电压, 称为热噪声电压, 也叫基础热噪声。它是固定存在的, 与外部无关, 只与电子电路中的器件有关。热噪声电压是一个非周期变化的时间函数, 故它的频率范围是较宽的。

2 噪声的耦合通道

形成电磁噪声干扰有三个因素:即噪声源、耦合通道以及接收噪声的电子电路。上面我们已谈到噪声源。下面谈一下噪声的耦合方式, 即通道。

图3多级放大电路级间去耦示意图

图6对称消除法示意图

噪声的主要耦合方式, 即通道的性质有以下四种:传导耦合、经过公共阻抗的耦合、近场感应耦合、远场辐射耦合。

2.1 噪声传导耦合

经导线传播的噪声进入电子电路谓为传导耦合。一般来说, 信号电路的长线可能受到空间电磁场的影响而在导线中产生噪声电压。而交流电源线的负载较多, 如大功率高频电炉、各种旋转电动机等, 由它们产生的噪声通过供电电网会传导到其它电子设备中去, 形成噪声干扰。

2.2 噪声经公共阻抗的耦合

在电子电路中, 为了测量和控制工作情况, 各电路与电路之间以及设备与设备之间, 需设一个电位参考点, 最常见的即以地线为零电位, 这样就又一个公共的地阻抗。在电子设备内部, 各个电路大多共用一个直流电源, 这样电源线阻抗以及电源的内阻也形成了公共阻抗。若电流流过这些公共阻抗时, 就产生了压阻即噪声电压。

2.3 噪声远场辐射耦合

电荷运动将产生电磁场, 故经过通电的导体和元件能形成电磁场。场的特性用波阻抗来描述, 而波阻抗的数值与离“场源”的距离有关。当距离大于λ/2π时, (λ为电磁波波长) , 磁场与电场同时起作用, 这时耦合方式以电场辐射为主, 称为远场耦合。

火花、电荷运动、天电都可能产生电磁场, 当产生的电磁场噪声源与接收电路距离大于λ/2π时, 电磁场以平面波形式以光速传播, 其强度与距离成反比。

2.4 噪声近场感应耦合

当距离小于λ/2π时, 波阻抗不仅与“场图4采用稳压管鉴幅

源”的距离而且还与其特性有关。当源为小电流低电压时, 近场以磁场为主, 当源为小电流高电压时, 近场以电场为主。因此, 近场耦合可分为电容性耦合和电感性耦合。

在电子设备内部, 导线与导线以及元件与元件之间, 导线、元件与结构之间均存在分布电容。当导体上的噪声电压经分布电容将使其他导体上的电位受到影响即为电容感应耦合。

当电流在闭合回路中流动, 会产生磁通。若存在两个闭合回路, 那么当一个电路里的电流所产生的磁通穿过另一个电路, 就存在着互感现象。若磁场随时间而变化, 则在电路中会感应出电压来即耦合了噪声, 也即所谓电感性耦合。

3 噪声的抑制

3.1 噪声对电子设备的危害

电子设备的运行环境决定了其本身的、人为的、自然产生的电磁能量而通过各种途径进入运行路线而产生电磁干扰即噪声干扰, 从而影响电子设备的正常运行。典型的噪声干扰存在于电子设备放大电路中, 这种弱电系统具有高灵敏度特点, 从而轻易受到外界和本身内部一些无规则信号的影响而干扰运行。若在放大器中无噪声干扰的可能, 那么其不论有效信号多么弱小, 总能够用高倍数放大器或者采用多级放大的形式将信号放大到我们的设计值。但由于噪声干扰的存在, 这样经放大器放大的有效信号和噪声信号同时存在, 在输出端有效信号将被淹没, 有效信号分量与噪声信号分量就不能清楚分辨, 将妨碍对有效信号的测量和观察。典型的例子就是在有线电视终端接收中, 噪声干扰将使接收图像呈雪花干扰, 伴音呈噪声, 直接影响图像和伴音质量。且在多级放大器中, 噪声将通过放大不断叠加, 将使电子设备噪声干扰更加严重。因此, 对电子设备噪声干扰的抑制则显得十分重要。

3.2 对电子设备噪声干扰的对抗和抑制

对抗电子设备的噪声干扰主要表现在以下几个抑制手段上:设法降低噪声源;切断和阻止噪声的耦合及耦合通道;提高电子设备自身的抗噪能力。综合起来, 典型的抑制手段有以下几种。

3.2.1 屏蔽手段:

一般来说, 金属对电磁场有吸收和反射作用。这样, 可以利用金属物、技术阻挡板、金属圈全封闭盒把电磁场限制在一定的空间, 阻挡电磁场的辐射, 削弱电磁场的强度 (图1) 。屏蔽体对低频磁场反射损耗极小, 而对高频磁场反射损耗大。在实际应用中, 卫星电视地面站主要面临高频电磁场噪声干扰。因此, 利用金属挡

图5电机绕组耗能电路实例示意图

板削弱某一方向的高频电磁干扰是十分有效的。但要十分注意的是在屏蔽辐射场或者电场时, 屏蔽体必须良好接地, 而单纯的磁屏蔽则可不接地。

3.2.2 隔离手段:

从电子设备电路上可以理解为:若两个电路相互独立, 即不构成回路, 就可比较有效地阻断从一个电路引入到下一个电路的噪声通道。隔离法即能达到这个目的。隔离法一般有以下几种手段 (图2) :

a.用隔离变压器隔离 (图2-a) 。通常1:1的初次级匝比。它们绕组之间加有屏蔽屏, 屏蔽屏层要良好接地, 能有效抑制从初级耦合到次级耦合的噪声, 而对电路有效信号的磁耦合并无影响。隔离变压器还能利用来断开地环路, 可抑制噪声磁场的影响。

b.用光电耦合器件隔离 (图2-b) 。利用光作为有效的传输介质, 可使两个电路没有电或磁的耦合, 即使两个电路对地电位不同也不能造成噪声干扰, 但由于其线性度差, 故在模拟量输入回路中不适宜采用。

c.用继电器隔离 (图2-c) 。在集成电路电子设备输出低电平信号去控制强电电子设备执行机构时, 可以用继电器隔离两个电路。但要注意的是它本身又是一个噪声源, 因此又要设法削弱其噪声强度。

3.2.3 滤波手段:

用滤波手段来抑制噪声, 宜用于噪声频率与有效信号频率相差较远的场合。对近场感应耦合、传导耦合、或因接触点抖动产生的噪声的抑制, 有较好的效果。滤波的方式一般根据抑制噪声的对象分别采用交流电源进线的低通滤波器来抑制较高频率的噪声, 例如抑制电网噪声。但要注意的是要确保低通滤波器外壳有良好的接地、其输入端与输出端要产生严格隔离、防止耦合噪声。另一种滤波是针对接点信号开关、按钮、键盘输入工作时, 每次操作会出现不是理想的阶跃电位, 因此在上升沿或下降沿将出现噪声。产生的原因是由于接点开关的机械抖动所为。因此必须在接收端添加滤波器, 可削弱和消除此类噪声。

3.2.4 去耦手段:

在电子设备中, 电源回路总有一定的内阻, 而电源线自身又有一定阻抗。当负载电流突然变化时, 这时电源的输出电压也将变化而形成噪声。用RC或LC滤波方式, 或电容滤波方式消除或削弱直流回路被耦合的这种噪声, 是实际工作中证明有作用的, 是去耦的有效办法。特别是在多级放大器中, 应在极间电源供电线上加上RC去耦环节 (图3) 。对于因电源内阻和电源线的分布电容和分布电感的存在而很不容易确保电源内阻是低阻抗, 因而在电源端将出现一个随信号频率变化的噪声电压, 它将通过基极回路电阻回到放大器输入端而引起低频振荡产生自激。这通常要在电源端对地并联一电容器, 对地形成低阻抗电路而达到抑制噪声的目的。在数字集成电路从一个状态快速转换到另一个状态时, 电源线上会产生出一相当强的动态尖峰电流而形成瞬间噪声电压。因此, 在数字集成电路电压线输入端与地之间并联一个电容器可以削弱瞬间过程噪声的影响。若在此电容两端再并联一个高频去耦电容, 或串入一个电阻, 形成RC去耦环节可有效抑制瞬间噪声。

3.2.5 鉴幅手段:

施密特触发器和稳压管均有鉴幅能力 (图4) , 能较有效地抑制信号传输线上的噪声, 被广泛地应用在模拟和数字电路中。

3.2.6 耗散电磁能手段:

在电子设备中具有较大电感量的器件有脉冲变压器、电动机、继电器、电磁阀、接触器等。当其被切断电流时, 电感中将产生巨大的反电动势, 将与电源电压叠加在开关两端, 产生电弧、火花或辉光放电将会产生辐射噪声干扰。同时对于用三极管作控制开关来说, 很高的瞬间电压进入电网可能引起传导性噪声干扰和近场耦合噪声干扰。因此, 抑制这种干扰的方法是必须为电感性负载提供一个回路使其储存的电磁能量能够被释放。通用的方法是在电感或接点两端接上耗散瞬间变化过程中产生的电磁能的电路。这些电路也被称作吸收电路。耗能电路通常用电阻、电容、二极管组成, 其不同的组成形式有的适用于交直流电流 (图5) , 而有的仅适用于直流电路。

3.2.7 提高信号信噪比:

信号功率与噪声功率之比谓之信噪比。从定义可知:在一定的噪声幅度下提高信号幅度, 就是提高了信噪比。在实际工作中, 传输较长距离和较弱的测量信号时要将信号进行预先放大, 然后进行传输。提高传输信号电路的电源电压并设计专用的接口电路, 是提高数字信息和开关信息信号幅度的简单方法, 也是一种有效的抑制噪声手段。

3.2.8 对称消除噪声手段:

电路的完全对称定义为电路有一个对地对称的输入极或输出, 使其连接外电路的两导线对地或对其它导线有相同的阻抗, 并有对地对称的负载电路。这样两导线拾取的是相同量的噪声, 能够在负载上形成幅值相等而极性相反的噪声电压, 从而将自行抵消 (图6) 。在实际应用中, 电路要完全对称是较不容易的。一般选用带屏蔽的双绞线电缆来确保电路对地阻抗相等。信号源是非对称输出时, 可用两个变压器将信号转换成对称输入。

3.2.9 用合理的工作接地抑制噪声:

电子设备的工作接地可理解为无论其在工作时和对其进行测量时, 均需要一个公共电位参考点, 这个点即为工作接地点。合理的工作接地是抑制噪声干扰的极其重要的手段。这种手段可以抑制噪声的电容性耦合, 可以减小经公共阻抗产生的噪声电压, 可以避免构成对地回路而引起的电感性耦合或者接地电位差。不合理的工作接地, 常会引入噪声。例如把电子设备的金属构件作为参考接地点, 将使电子设备工作不可靠。通常的典型工作接地方式有以下几种:

a.在输入信号回路接地中的电路一点接地法 (图7) , 即在信号一方或是接收一方一点接地, 应视具体情况决定。值得注意的是必须对不接地一方对地应有良好绝缘才能达到抑制噪声的目的。电子设备屏蔽层也应一点接地, 否则通过屏蔽层, 将对地形成地回路, 易发生电感性耦合, 使屏蔽产生噪声电流, 通过导线与屏蔽层之间的分布电容和电感耦合到信号线上形成噪声电压。在测量放大器上加上的屏蔽罩接地的目的是确保屏蔽罩上的电位差与放大器输入回路的地电位相等。实际做法是将屏蔽罩与放大器公共端相接后, 再接到输入屏蔽导线的屏蔽层上。

b.在电源回路中的变压器屏蔽层的接地, 是将变压器次级绕组和初次级绕组之间的隔离层连接在一起, 再接到放大器的公共工作接地点 (图8) 。而将初级绕组的屏蔽层接到交流电网的零线。直流电源零线接地时将其零线直接接到工作接地点。因整流滤波电路有较大的脉冲电流, 它的地不能和稳压电源的采样及控制回路的地相接。

c.当电路工作频率高于1MHz以及屏蔽电缆的长度超过干扰波长的0.15倍时, 则屏蔽层应采取两端接地或多点接地, 接地点之间距离应小于0.15λ。这样有利于屏蔽层更与地电位相等。若各接地点有电位差, 因接地点电位差引起的噪声电压频率要比信号频率低很多而在电路中较容易被滤除掉。

d.在工业用低频电子设备装置中, 较大系统常采用“三套法”接地系统 (图9) 。它的特别之处在于根据产生噪声的强弱、电源的类别、信号电流的大小把接地分成三类:第一类是小信号回路、控制、逻辑、低电平等电路的信号地, 也即工作地;第二类包括大电流电源、电磁阀、风机、继电器以及噪声源地, 也即噪声地;第三类包括箱体、机门、机柜、机架等金属构件的地。此三套地各自成系统, 最终用接地母线接于一点。这种接地法是在实际工作中总结出来的, 它以噪声电磁能量的大小而将地线加以分类, 将小功率与大功率、低电压与高低压、小电流与大电流电路分开, 信号电路而采用专门的接地回路, 有效地避免了小信号回路受大功率、大电流、高电压电路通过地线回路产生的噪声影响。这比较有效地解决了工作接地点与安全接地点能否相连的问题, 使整个系统处于地电位, 也对安全接地作了兼顾。

结束语

在通常的电子设备中, 噪声干扰问题以及抑制电磁干扰问题, 在进行系统设计时就必须认真考虑。所谈及的所有抗噪声干扰手段仅限于削弱噪声信号和阻断噪声耦通道, 其它还有一个重要的抑噪手段即提高电路本身的抗噪声干扰能力, 故必须对电子设备系统电路所采用的元器件进行老化和筛选, 对元器件的使用必须合理, 必要时可以降额使用, 以达到电磁兼容性设计的抗噪能力。

对电子设备抑制噪声干扰不能有轻视心态, 不然会造成人力物力的很大浪费, 达不到设计目的, 这是我们必须注意的问题。

参考文献

作者简介:温培和 (1980, 9~) , 男, 汉族, 泸州人, 助理实验师, 主要研究方向为电子及自动控制系统设计。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1983, 4.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京:人民教育出版社, 1979, 3.

[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:人民教育出版社, 1981, 1.

直扩系统窄带干扰抑制技术研究 篇11

信息论的建立和发展为扩频通信奠定了理论基础。因为扩频通信技术能将信号隐蔽在背景噪声下传输, 使信号不易被敌方发现和截获, 且能有效抑制窄带干扰, 所以在军事领域获得广泛应用。现代军事通信系统往往要工作在复杂电磁环境中, 必须具备足够的抗电磁干扰能力。因此, 能否有效识别和抑制各种干扰是未来军事通信发展至关重要的因素, 本文对直接序列扩频通信系统中的干扰抑制技术进行了分析和研究。

扩展频谱通信技术简称扩频通信, 是一门新兴的高科技通信技术, 具有大容量、抗干扰、低截获率以及可实现码分多址 (CDMA) 等优点。从20世纪80年代末、90年代初开始, 扩频技术不仅在军事通信而且在民用通信方面的应用逐渐兴起并迅速发展, 例如在蜂窝数字移动通信系统中, 扩频技术被用于克服多路径效应和抑制同信道干扰, 第三代移动通信系统广泛利用CDMA (Code Division Multiple Access) 技术进一步提高频谱利用率和系统性能。目前, 扩频技术日益成熟, 其应用领域越来越广泛, 除了在卫星导航、雷达、测量、无线通信等方面的典型应用外, 也开始用于电力载波通信, 尤其是在低压和中压配电网中, 用于自动化控制, 远程抄表, 用户数据通信等。其中, 直接序列扩频 (DSSS) 系统是目前应用最广泛的一种扩频通信系统。它最突出的优点是当扩频增益足够大时, 系统具有良好的抗干扰能力。

二、直接序列扩频通信的基本原理[1]

扩频通信是一种数字技术, 它是利用伪随机码 (对称扩频码) 对所传信息进行扩频调制来实现的, 而扩频调制具有以三个特点:

一是发射信号带宽远大于所传信息需要的带宽;

二是扩频调制所用扩频码独立于所传数据;

三是接收端的解扩必须采用用同步扩频码和接收信号进行相关解调。

假设信息信号的带宽为B, 发射信号带宽为Bs, Bs远大于B, 把信息信号加载到发射信号上。则一组带宽为B、持续时间T为的线性无关信号si (t) i=1, 2..., M可以表示为:

其中, 正则基函数张成了一个N维空间。每T秒时间发射一个信号, 每秒的信息量为log2M/T比特。表示这些信号大约需要2BT个基函数。由于线性无关, 所以。选择N>>M将这些信号放入高维空间中, 接收端有M个支路, 第i个支路用si (t) 信号对接收信号进行相关运算。接收机输出各支路相关运算值最大者。

假设用随机序列产生信号si (t) , 则系数sij由随机序列决定, 其均值为0、方差为Es/N。因此信号si的能量均匀分布在信号空间的N个维上。考虑信号空间中的一个干扰

假设发送信号为si (t) , 忽略噪声时的接收信号是发送信号和干扰之和:

接收端第个相关器的输出为

式中, 括号中第一项为有用信号, 第二项为干扰。则信干比为:

SIR与干扰在N维空间中的能量分布无关。将干扰的功率扩展到比信号维度M更大的N维空间后, 信干比增加了G=N/M倍, 称G为处理增益或者扩频因子。实际扩频系统的处理增益G在100~1000量级。由于N≈2BST, M≈2BT, 所以G≈BS/B, 即信号带宽与信息信号带宽的比值。处理增益一般定义为带宽比, 其内涵是指干扰条件下扩频系统相对于未扩频系统的性能增益。

扩频的实现一般有直接序列 (DS) 及跳频 (FH) 两种形式, 本文仅讨论直接序列扩频。

2.1直序扩频基本原理

直序扩频调制是将已调的数据信号s (t) 与扩频码sc (t) 相乘。而sc (t) 在时间Tc内的取值是固定的1或-1。扩频码的比特为码片 (chip) , Tc为码片时间, 1/Tc为码片速率。sc (t) 的带宽BC≈1/Tc近似为已调信号s (t) 带宽B的Bc/B≈Ts/Tc倍, 每比特中的码片数约为G的整数。已调信号与扩频信号在时域相乘, 在频域则为卷积。故发送信号s (t) sc (t) 的频域响应为S (f) *Sc (f) , 其带宽约为B+Bc。

2.2直序扩频抑制干扰原理

在AWGN信道中, 接收的扩频信号为

n (t) 为信道噪声。将此接收信号乘以同步的扩频信号sc (t) , 得到

由sc (t) =±1得审查sc2 (t) =1。如果sc (t) 均值为0, 且带宽足够宽, 那么n' (t) =sc (t) n (t) 与噪声n (t) 有相同的统计特性。这样, 接收信号为

扩频和解扩对信号在AWGN信道中的传输没有产生任何影响。

存在窄带干扰时, 不考虑噪声, 接收机的输入由扩频信号S (f) *Sc (f) 和窄带干扰I (f) 构成。接收端经过解扩后得到信号S (f) 。而干扰信号i (t) 与扩频信号相乘后在频域是卷积S (f) *I (f) , 因此解扩的效果就是把干扰信号的功率分布到扩频信号的带宽上。对s (t) 的解调等效于一个低通滤波器, 它滤除了扩频后的大部分干扰功率, 输出的干扰功率降低了G≈Bs/B倍。

存在多径干扰时, 假设扩频信号为s (t) s通过一个冲激响应为h (t) =αδ (t) +βδ (t-τ) 的两径信道传输。信道的频域响应为

则忽略噪声时的接收机输入频域响应为

时域响应为

假设接收端解扩时所乘的信号是对两径模型中的每一径同步的, 则解扩后信号为

由于第二径分量βs' (t) =βs (t-τ) sc (t-τ) sc (t) 是与异步的sc (t) 相乘, 它还是一个扩频信号, 解调器能滤除其大部分能量, 从而抑制多径干扰。

三、直序扩频系统 (DSSS) 中窄带干扰抑制技术

近几年, 国内外对于窄带干扰抑制的研究发展迅速, 各种技术实现方案相继提出, 如:基于PLL的干扰抑制器、时域自适应滤波器、基于变换域处理、子带滤波及时频分析的窄带干扰抑制技术等。这些技术方案的提出为扩频通信中抗干扰技术的发展提供了很好的思路。

3.1时域自适应干扰抑制技术[2]

最近年来世界各国在时域自适应干扰抑制技术领域研究较活跃。时域自适应干扰抑制技术充分利用干扰和信号特性的差异, 依据某一准则 (如:信噪比准则或最小均方误差准则) 提取自适应干扰抑制所需的参数, 推导自适应滤波器控制权值, 不断调整自身结构, 实现自适应抑制干扰、跟踪信号的目的。在DSSS系统中, 接收信号主要包括扩频信号、接收机背景噪声及窄带干扰, 由于窄带干扰具有强相关性, 可以从其前后相邻的取样值估计出当前窄带干扰的取值, 而扩频信号和背景噪声是宽带过程, 近似不相关, 其当前值不能估计。因此, 能够采用自适应处理将具有强相关性的窄带干扰从当前接收的信号中抑制掉, 而信号由于其不相关则不能抑制。

图1为自适应干扰抑制器的模型。两个输入端分别为接收信号与参考信号。接收信号:

式中, s (t) 为理想信号, s0 (t) 为窄带干扰。参考信号s' (t) 与干扰信号s0 (t) 相关, 而与信号s (t) 不相关。s' (t) 输入到自适应滤波器AF的输入端, 依照某种算法准则调整自适应滤波器的参数, 使得自适应滤波器的输出逐渐逼近接收信号中的干扰信号s0 (t) , 此时, 接收信号减去该分量得到的误差信号ei就近似等于理想信号s (t) , 从而达到了干扰抑制的目的。

3.2变换域处理

鉴于时域抑制算法收敛速度慢, 对快变的干扰抑制效果差的缺点, 提出了基于变换域的干扰抑制算法。采用变换域处理抑制窄带干扰的基本思路是, 选定一种变换, 将信号映射到变换域, 根据窄带干扰和扩频信号及背景噪声在变换域上的不同特性, 在变换域上直接进行干扰抑制, 再将抑制后的信号变换到时域, 进行解扩处理。这种变换必须是唯一的, 并且是非歧义性的, 这样才能保证反变换或逆影射的存在。

3.3自适应时频滤波[3]

自适应时频滤波算法的思想是, 首先分析信号的时域特性, 即采用滑动的时间窗口, 对信号进行判决, 捕获幅值超过门限的样点数目 (N) , 当大于预定门限 (Ns) 时, 判断为干扰, 在时域中进行滤除。如果干扰为时域中的干扰, 根据不确定原则, 这种方法对时域干扰的抑制性能优于任何一种频域分析的算法。如果接收信号中的干扰位于频域, 则可采用自适应子带变换的方法来进行频域抑制。

自适应子带变换可以跟踪输入信号频谱的变化, 减少带内的干扰能量泄露。传统的分析、综合滤波器组以半带滤波器为原型, 采用规则的分层子带树状 (TSA) 结构。如图2所示, 这种分层结构, 具有固定的时频分辨率。有一种不规则的分层方法。按照这种方法, 可以根据输入信号的频谱, 自适应地改变滤波器的最小带宽, 确定干扰存在的精确位置, 以便尽可能地避免有用信号的损失。如图3所示。

图3中所示为不规则的子带树结构。为避免在转换频率 (π/3, π/2或2π/3) 上的重叠, 滤波器的原型选为2个子带或3个子带的PR-QMF滤波器。在子带分解树的每一个节点分析信号的能量分布, 判断出受到干扰污染的子带, 继续分解直到分离出最小范围的干扰子带。这种自适应子带分解的过程, 减少了不必要的分解, 可以锁定并抑制时变的干扰信号。

对非平稳的信号, 时频分析是一种有效的分析手段。若干扰为非平稳特性, 自适应时频滤波可以有效的抑制干扰。然而, 从工程实现上来讲, 这种算法存在着运算量大、不易实现的问题。如何寻求快速的实现方法, 是一项值得研究的内容。

四、总结

综上所述, 窄带干扰抑制可以在时域或变换域上完成。时域抑制技术实现简单, 通过自适应算法产生最优权值, 可有效抑制平稳窄带干扰, 但多数算法需要长时间的迭代才能达到稳定, 无法跟踪上快变的干扰, 当干扰的个数增加或能量改变时, 干扰抑制性能迅速下降, 尽管有不同的改进方案, 但在权值收敛性和失调噪声上始终存在折中问题。

基于变换域的干扰抑制包括频域抑制、重叠变换域抑制、子带变换及时频分析等多种算法。其中, 重叠变换域抑制和子带变换抑制虽然在数据的重构性能方面要优于频域抑制技术, 但硬件实现要复杂得多, 尤其对于宽带扩频系统, 要进行频带分割和滤波器组变换, 工程上较难实现。而频域抑制技术是把接收信号变换到频域, 在频域上进行干扰抑制。与自适应滤波相比, 实时频域滤波不需要收敛的过程, 对快变的干扰迅速作出反应, 且对干扰的个数、频率及能量变化不敏感, 抑制干扰性能大大提高;与其它变换域抑制技术相比, 频域抑制技术可采用快速算法实时处理, 节省了运算量, 易于工程实现。

参考文献

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