干扰噪声及其抑制

2万 · 2019-3-29 09:41

“21学堂”中已经开设了“噪声分析理论及其相关技术”和“射频和微波以及高速信号完整性相关的基础概念和理论及其相关基本技术”，作为应用将特开设本帖。

2万 · 2019-3-29 09:55

一、干扰噪声及其频谱分布

干扰噪声，原则上就是那些不希望出现的“信号”，其可以是随机噪声，也可以是按某种规律呈现的干扰信号。这些干扰噪声与有用信号叠加或混合后形成了现实中各类含噪声的信号。分析和抑制干扰噪声，首先必须搞清楚各类噪声源及其频谱分布。下面，简单给个分类：

1）电力线噪声

电力线噪声通常指工频电力系统所致噪声。最基本的就是基频为工频（50Hz）以及与之相关的各类干扰噪声。此外，电力的切入和断开以及各种因素所致的电力波动等这些非稳态干扰也是电力线噪声相关问题。

2）电器设备噪声

电气设备自身也会产生各种干扰噪声，譬如各类放电噪声、开关器件闭合断开所致噪声、器件工作时各类物理噪声（散弹噪声、闪烁噪声和热噪声等）。

3）射频噪声

这个世界，电磁波可以说无处不在，而特别是现代社会人类所致的各类电磁波充斥着各个角落。射频噪声就是这些人类所致电磁波的辐射干扰。射频噪声的频谱分布可以从100kHz到数GHz（微波）这么个非常宽的范围内。

4）地电位差噪声

“地”从来就不是理想的，由于各种原因致使地电位不一致。不仅如此，各种噪声还会耦合在地线上导致地电位差噪声。

5）雷电

雷电电流可达10^6 A，感应场强可达10kV/m。雷电的上升时间通常为微秒量级，可产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高强度电磁辐射干扰噪声。

6）天体噪声

天体噪声是地球外所有干扰噪声的总称，其可以是各类宇宙射线，譬如太阳黑子的电磁辐射。宇宙射线的能量可以非常高，其波长非常短（譬如X射线）。

7）机械噪声

机械运动所致噪声类别非常广，譬如摩擦静电、动生电动势、压电效应和颤噪效应等。

2万 · 2019-3-29 09:57

下面，给一幅噪声频谱示意图：

只看该作者 · 2019-3-29 15:20

涨姿势了

2万 · 2019-4-3 11:31

二、干扰途径

前面介绍了几类噪声源及其功率谱密度分布，下面将考察几类干扰途径。

先看看从干扰源至被干扰系统的整个框架。

2万 · 2019-4-3 12:08

从上图中可见，干扰路径至关重要，下面就着重看看几类不同的干扰路径。

2万 · 2019-4-10 13:36

三、抑制干扰

前面已经给出了干扰源概念及其基本的分类和谱分布，并且还给出了几类基本干扰路径。下面将分别针对上述干扰路径给出相应抑制干扰的技术方法。

2万 · 2019-4-10 13:44

1）传导干扰抑制

由于干扰噪声的传导路径就是信号的传导路径，所以不能采用笼统“阻断”的方法。通常，传导干扰抑制的方法就两个字——滤波。而如果“传导”是变压器磁耦合的，那么还可以采用电屏蔽的方法阻断其电场耦合。

传导干扰抑制的滤波方法需要根据信号自身以及干扰源的频谱特性来确定其具体的滤波方案。譬如

a）温漂

如果不是基带信号（频谱可低至直流），那么就可以采用隔直的方法抑制这类干扰。其实，这就是高通滤波。

b）电力线噪声干扰

针对工频和相应固定频率点上的干扰，可以采用带阻（陷波）滤波方法。而针对电力线噪声的一般干扰，则可根据相应干扰噪声频谱及其具体状况采用相应滤波方案。

c）白噪声干扰

白噪声是一类广谱噪声，通常采用带通滤波（通带以信号频带为准）来降低白噪声的干扰。当然，低通滤波也可以视为是带通滤波的特殊情形（通带低至直流）。

d）高频和射频噪声干扰

通常，这类噪声频率远高于信号频率，所以常采用低通滤波来抑制此类噪声。

2万 · 2019-4-10 13:49

下面给两幅图，图示说明用于抑制电力线噪声干扰的相关滤波和隔离技术。

2万 · 2019-4-10 13:52

下面，将较为详细地论述一类极为常用的抗传导干扰技术及其相关器件。

先介绍一个概念——磁滞损耗。

任何以铁磁材料为磁芯的电感都存在磁滞损耗，在此给出一个简述

2万 · 2019-4-10 14:02

前面，给出了磁滞损耗的一般论述。下面将在线性前提下给出一个等效相量分析

2万 · 2019-4-10 14:06

注意到前面所述的磁滞损耗与频率有关，频率越高其损耗功率越大。利用此特性，可以采用高磁导率且高磁滞损耗的材料做成各类磁环或磁珠，使得通过相关器件的高频干扰噪声的大部分不仅不能通过且还就地损耗变成热能而并不反射。

下面给几幅磁珠的特性曲线图

2万 · 2019-4-10 14:08

注意，磁珠的参数通常是100MHz下的阻抗，所以其单位是欧姆。

2万 · 2019-4-17 18:37

2）电场耦合干扰抑制

电场耦合路径是电磁近场耦合干扰途径的一种，物理上看其是分布电容所致。削弱或阻断电场耦合干扰的方法无外乎：1）加大干扰源和被干扰对象的空间距离和缩小器件大小尺寸（其实这就是减小分布电容）；2）采用电场屏蔽技术。

通常，电场屏蔽是一个可行且有效的方法，下面给出电场屏蔽的概念。

2万 · 2019-4-17 18:42

电场屏蔽

2万 · 2019-4-17 18:43

由上述内容可见，采用电场屏蔽后相应的干扰电场大为减弱，甚至可以消除。

2万 · 2019-5-5 20:57

3）磁场耦合干扰抑制

前面介绍了电场耦合干扰的抑制，其主要采用电场屏蔽技术。所谓电场屏蔽，本质就是正负电荷的“中和”。

磁场耦合干扰不同于电场耦合干扰，而由于不存在磁荷，所以也没有“磁荷中和”屏蔽。

在具体介绍磁场耦合干扰抑制技术前，下面先阐述一下互感的概念。

2万 · 2019-5-5 20:59

互感耦合

2万 · 2019-5-5 21:00

再看一个例图

2万 · 2019-5-5 21:01

下面介绍利用地平面抑制磁场耦合干扰。

先看一个三绕组互感耦合模型。

干扰噪声及其抑制

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