Фильтры подавления электромагнитных помех. Причины помех кроются в мелочах. Установка приводов вблизи жилых кварталов

При разработке и установке ПРС следует сводить к минимуму ЭМП, чтобы предотвратить ухудшение работы или повреждение самого устройства, ограничить распространение помех на расположенное вблизи оборудование и другие устройства. Электромагнитная совместимость (ЭМС) представляет собой общую концепцию, нацеленную на уменьшение ЭМП, защиту электрического и электронного оборудования. Стандартное решение для систем силового привода (ССП), включая электрические приводы, моторы, оболочки и кабели, рекомендовано основным международным стандартом ЭМС по приводам IEC 61300-3.

Учет условий окружающей среды

В стандарте IEC 61300-3 предусмотрены два типа окружающих сред для размещения приводов. Для жилых районов (первый тип) установлены более строгие требования по ЭМС, чем для промышленных регионов (второй тип). Как отметил г-н Марк Кеньон (Mark Kenyon), менеджер по маркетингу низковольтных приводов компании ABB Automation Inc., для приводов, подключаемых к бытовой низковольтной сети (первый тип), необходимо использовать фильтры ЭМП. Он сказал: «Также рекомендуется использовать фильтры и в промышленности (второй тип), если поблизости расположено чувствительное к наводкам оборудование».

Фильтры ЭМП уменьшают наведенные помехи в точке подключения к линии,отводя их на землю. Фильтр ЭМП, использующий ферритовые сердечники (или кольца) и резистивно-емкостные цепи, является стандартным дополнительным оборудованием большинства новых приводов для первого типа среды, заявил г-н Кеньон. «Встроенные или внешние фильтры являются дополнительной принадлежностью некоторых приводов и для второго типа среды», - сказал он.

В компании Siemens Energy & Automation влияние ЭМП/РЧП внимательно рассматривается уже на этапе разработки приводов с регулируемой скоростью. Для того чтобы убедиться в том, что излучение электромагнитных помех в окружающую среду минимизировано, а окружающая среда не оказывает влияния на работу приводов, проводятся их испытания в специальной камере, - пояснил г-н Вольфганг Гилмер (Wolfgang Hilmer), менеджер по технологии приводов. В основном производятся испытания компонентов блока питания, где расположены быстро переключающиеся биполярные транзисторы с изолированным затвором, создающие ЭМП.

Хорошим способом защиты от ЭМП/ РЧП является фильтрация. Для приводов компании Siemens фильтр ЭМП является стандартным компонентом, обеспечивающим выполнение стандарта по ЭМС для их промышленного использования. Небольшие приводы, как правило, имеют встроенный фильтр ЭМП. «На мощных приводах фильтр часто является обособленным модулем. Он улавливает электрические помехи, выходящие на линию», - сказал г-н Гилмер.

Причины помех кроются в мелочах

Уменьшение мощности излучаемых электромагнитных помех является кропотливым трудом, связанным с мелочами, поскольку от радиоизлучений должны быть защищены самые разные части системы электрического привода. В первую очередь следует уделять внимание оболочкам, кабелям, проводам и монтажу системы. Меры, рекомендуемые компанией ABB, включают в себя следующие технические решения.

Влияние фильтрации на наведенную ЭМП для привода с регулируемой скоростью

Как доказано испытаниями, проведенными в компании Yaskawa Electric America, для привода мощностью 0,7 кВт, работающего на частоте 60 Гц (несущая частота равна 2 кГц), значительно уменьшить наведенную помеху может входной фильтр ЭМП. Граничные линии на графиках соответствуют стандарту EN 55011, класс B, для бытовых и больничных условий окружающей среды.

Используются кожухи с неокрашенными и не подвергающимися коррозии поверхностями в местах, где пластины, дверцы и другие металлические части контактируют между собой, а также проводящие прокладки в дверцах и крышках.

Используются неокрашенные опоры для установки, надежно подсоединенные к общей точке заземления, что гарантирует одно и то же заземление для всех отдельных металлических частей.

Как всегда, перед любой проблемой, которая, как вы подозреваете, вызвана помехами, или если вы ее обнаружили и не знаете, как ее решить, вы можете проконсультироваться с ней на форуме. Отзывы Луис-дель-Валье Эрнандес. Рано или поздно вы столкнетесь с этим паразитным сигналом, который связан с вашим полезным сигналом и нарушает ваши измерения. Вот почему необходимо знать, что такое шум, какие источники его производят и как мы можем его остановить.

Что такое шум?

Как и многие факторы, связанные с электроникой и программированием, нет никакой волшебной формулы для устранения шума, но мы можем применить некоторые методы, которые помогут нам максимально смягчить ее. Мы можем найти много статей, книг и даже видео о шуме в Интернете.

Используются специальные входы для высокочастотного заземления экранов кабеля питания.

Используются проводящие прокладки для высокочастотного заземления экрана кабеля, передающего сигналы управления.

Экранированные кабели питания и управления прокладываются на удалении друг от друга.

Производится заземление всей установки ССП.

Мы разрабатываем идеальные случаи, которые не учитывают шум в наших проектах

Представьте себе отношение температуры к напряжению 1 - 10 мВ. Это означает, что каждая степень увеличивает напряжение, полученное на 10 мВ. Когда мы разрабатываем наш проект, мы используем типичный. Эти законы основаны на математических разработках, которые не учитывают влияние шума. Если мы выполним вычисления и получим напряжения, мы проверим с помощью мультиметра, что, несмотря на то, что они выглядят одинаково, результат не тот.

Шумный сигнал не влияет на аналоговые сигналы, а также на цифровые сигналы

Мы уже видели пример температурного датчика с аналоговым сигналом. Но это не влияет на цифровые сигналы одинаково, это будет зависеть от амплитуды шума. В общем, аналоговые сигналы более чувствительны к шуму. Если в приведенном выше примере температурного датчика шумовой сигнал имел 3 мВ вместо 20 мВ, это не повлияло бы на наши измерения. Поэтому важна амплитуда сигнала. В случае цифровых сигналов амплитуда также важна, но будет влиять только на то, если эта амплитуда достаточно велика, чтобы перейти от высокого к низкому или к низкому или высокому.

Компания Siemens установила, что заземление кожуха привода играет важную роль для регулирования уровня ЭМП, особенно для больших установок в защищенном кожухе. «Основной способ избавиться от электрических помех состоит в том, чтобы сделать заземление с низким сопротивлением, - сказал г-н Гилмер. — Кроме того, металлические крышки работают как экран, уменьшая уровень помех, а сварной каркас гарантирует низкое сопротивление». В приводе также должна быть линия заземления, подключенная к кожуху, которая служит путем отвода электрических помех на землю с низкой индуктивностью.

Другим способом улучшения ЭМС, рекомендованным Гилмером, является установка между дверцами и корпусом заземляющих скоб. Использование только лишь одного заземления недостаточно, потому что у него слишком большое сопротивление для электрических помех. «Мы используем скобы с оплеткой, чтобы заземлить дверцы на корпус. Именно поверхность большой площади может эффективно проводить высокочастотные помехи», - сказал он.

Все элементы системы ССП - привод, мотор и кабели - должны быть заземлены. «Остальные части системы столь же важны, как и сам привод», - добавил г-н Гилмер. «Это также относится и к монтажу привода, чтобы снизить ЭМП/РЧП», - пояснил он.

Соответствие стандартам

Приводы с регулируемой скоростью должны соответствовать стандартам по ЭМС, если они используются в Европе или в других регионах. В то же время не существует американских стандартов, которые бы непосредственно и полностью соответствовали требованиям по ЭМС приводов. Соответствующий международный стандарт IEC 61800-3 определяет четыре категории предельных уровней ЭМП, соответствующих мощности привода, применительно к жилой или промышленной среде. Он также определяет методы испытаний приводов с регулируемой скоростью сращения вала. Европейский стандарт EN 55011 задает аналогичные требования для промышленного, научного и медицинского радиочастотного оборудования.

Наиболее подходящим стандартом США является документ «Federal Communications Commission (FCC) rules and regulations» (Правила Федеральной комиссии по связи), часть 15. «Однако в нем отсутствует промышленное оборудование, например, приводы, кроме случая, когда они имеют недопустимый уровень помех, и только тогда производитель привода должен устранить проблему», - сказал г-н Кеньон из компании ABB. То, что приводы не включены в часть 15 Правил, объясняется отсутствием определенной процедуры их испытаний. «Трудно разработать тест, соответствующий характеристикам привода, поскольку в них отсутствует стандартный кабель питания двигателя определенной длины», - добавил г-н Кеньон.

Большинство производителей приводов включают фильтрацию ЭМП в качестве стандартной функции, чтобы удовлетворить возрастающие требования потребителей по созданию в глобальном масштабе однотипных продуктов и, чтобы обеспечить экспорт базовых модулей производителя. Компания ABB отмечает, что включение фильтра в комплект поставки создает финансовые трудности при продвижении различных продуктов в Северной Америке и других регионах.

Компания Siemens выступает с инициативой создания единой системы ЭМС для приводов с переменной скоростью, независимо от того, где они были построены. Это происходит не потому, что не соблюдаются Директивы США по ЭМС, - пояснил Гилмер. Такие особенности, как требования Национального электрического кода США - NEC, Элементы защиты оболочки привода от ЭМП либо различия типов предохранителей или выключателей (согласно требованиям Международной электротехнической комиссии (МЭК) - IEC по сравнению с требованиями Национальной ассоциации производителей электрооборудования от ЭМП США - NEMA, корректируются на местном уровне.

Компанией Danfoss Drives отмечено усиливающееся международное одобрение новых стандартов МЭК, например,IEC 61800-3 по ЭМС приводов. Кроме того, Йорн Лэндкилдехас (Jorn Landkildehus), менеджер по ЭМС, надежности функциональной безопасности компании Danfoss, упоминает новую европейскую директиву 2004/108/EC как еще один стандарт, проясняющий требования по ЭМС. Она требует следования документированной проверенной инженерной практике в областях ЭМС, таких как уменьшение эмиссии, взаимных наводок и излучения, повышение защищенности оборудования.

«Это соответствует нашим усилиям по повышению компетентности потребителей в вопросах влияния способа установки ЭМС приводов на их характеристики», - сказал г-н Лэндкилдехас. В компании Danfoss организованы семинары по обучению работников и клиентов правильной методике монтажа приводов переменного тока с выдачей соответствующих удостоверений.

Оптимизация размера фильтра

Компания Yaskawa Electric America отмечает, что электрические помехи, создаваемые при определенной конфигурации привода, постоянны. «Вместе с тем, внутри привода можно установить фильтры, уменьшающие распространение радиопомех и влияние привода на внешнюю среду», - сказал д-р Макеш Свами (Mahesh Swamy), директор по НИОКР компании Yaskawa. В зависимости от желаемого уровня снижения ЭМП, для уменьшения наведенной помехи используется фильтр ЭМП (внутренний или внешний по отношению к приводу), а экранирование кабелей является очевидным способом уменьшения излучения радиоволн. Однако д-р Свами тут же отметил, что экранированные кабели могут и усилить наведенные ЭМП из-за наличия пути с низким сопротивлением (импедансом) для токов, проходящих от проводников к заземленному экрану. Для уменьшения влияния токов заземления он предложил проводить тщательную оптимизацию прокладки кабелей.

Тщательная конструкторская проработка привода также приносит свои плоды. Трехуровневая конфигурация привода переменного тока, предложенная компанией в 2003 году, хотя напрямую и не снижает уровень ЭМП, однако упрощает фильтрацию синфазных и аддитивных помех. Говорят, что это приводит к значительному уменьшению уровня наведенных и излучаемых ЭМП. «Размер фильтра значительно уменьшается, благодаря меньшему размеру ступеней в наведенном синфазном напряжении при работе с выходным напряжением, превосходящим 230-240 В», - продолжил др Свами. Кроме того, трехуровневая конструкция обеспечивает спектр выходного сигнала на несущей частоте, расположенный значительно выше по отношению к рабочей частоте (обычно 2:1). «Это помогает уменьшить размер фильтра аддитивных помех», - утверждает он. Сообщается, что малогабаритный фильтр, разработанный компанией YEA, весьма эффективен для уменьшения наведенной ЭМП.

Еще один пример монтажа, уменьшающего влияние ЭМП, - использование защитных зажимов для гарантии контакта всей поверхности оболочки кабеля питания электродвигателя с защитной шиной в приводах компании Siemens Sinamics.

Еще одним удачным схемным решением привода переменного тока, предложенным компанией YEA в 2005 году, является матричный конвертер, т.е. прямой преобразователь переменного тока в переменный (четыре квадранта) без громоздкой схемы постоянного тока. Матричный конвертер компанииYEA также позволяет уменьшить размер ступеней в фильтре синфазных помех. Кроме того, такая структура помогает в разработке комбинированных фильтров синфазных и аддитивных помех, причем по результатам тестирования они значительно уменьшают размер входного фильтра ЭМП, объяснил д-р Свами.

Во всех входных фильтрах ЭМП используется конденсатор, соединяющий сигнальную линию с землей. «Хорошо известно, что это создает большие токи на землю. Интеграция фильтров синфазных и аддитивных помех в матричном конвертере позволяет уменьшить емкость конденсатора входного фильтра в 10 раз, - добавил д-р Свами. — Это существенно упрощает проблемы, связанные с использованием рискованных методов фильтрации ЭМП».

Баланс производительности привода и уровня ЭМП

Представители компании Baldor Electric согласны с тем, что генерация высокочастотных помех является нежелательным результатом применения современных мощных устройств коммутации, которые сделали возможным создание высокопроизводительных приводов переменного тока. «В конструкции привода должен быть достигнут баланс между переключениями, необходимыми для достижения высокой эффективности и производительности привода или двигателя, и ограничением уровня ЭМП, которое вызывается этими быстрыми переключениями», - сказал г-н Фил М. Кемп (Phil M. Camp), специалист по высокопроизводительным приводам переменного тока.

Ограничить влияние ЭМП на систему предприятия помогает линейный элемент с реактивным сопротивлением, устанавливаемый во входном преобразователе в точке, где привод соединяется с блоком питания. При этом, как утверждает г-н Кемп, даже лучшим выбором, чем линейный элемент, может быть развязывающий трансформатор. Трансформаторы обеспечивают более существенное уменьшение передачи ЭМП на источник питания и при этом снижают пик-фактор линейного тока, что уменьшает нагрузку на конвертер, - пояснил он.

Г-н Бэлдор (Baldor) также считает существенным установку в приводе фильтров ЭМП. «Фильтры должны быть спроектированы так, чтобы уменьшать как дифференциальные помехи (от линии к линии), так и синфазные помехи (от линии на землю)», - утверждает г-н Кемп. Еще одно соображение касается именно приводов большой мощности, которые используют устройства с регулируемой фазой (например, электрические машины с короткозамкнутым ротором), чтобы помочь зарядить конденсаторы на шине во время включения устройства. Излучаемые приводом помехи уменьшатся, если устройства с регулируемой фазой будут использоваться только для предварительной зарядки, но не для регулировки напряжения на шине во время нормальной работы привода, - отмечает г-н Кемп.

Уменьшить ЭМП, создаваемые приводом, также может рациональная конструкция выходного инвертора. «При проектировании выходных цепей следует обеспечить правильный выбор проводимости устройства, чтобы его переключение осуществлялось управляющим током, - сказал г-н Кемп. — Включенный в обратном направлении параллельно каждому переключателю диод, должен иметь «мягкое» выключение и низкие характеристики обратного восстановления. Управление током переключения должно ограничивать скорость изменения напряжения (dv/dt) на выходе привода». Это требует нахождения компромисса между уменьшением уровня помех вследствие более медленного переключения и большими потерями при переключении в инверторе из-за более длительного перехода между состояниями «включено/выключено» в блоке питания.

Программные алгоритмы, использующие векторную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), еще больше способствуют уменьшению уровня ЭМП, минимизируя время переключения выходных устройств. Еще одно программное решение использует «подавление минимальной ширины импульса» - технологию, при которой исключаются импульсы, более короткие, чем заданный интервал времени (например, 5 мс), - пояснил г-н Кемп.

Установка приводов вблизи жилых кварталов

Г-н Гилмер из компании Siemens отметил, что приводы переменного тока все чаще находят применение вблизи мест проживания людей, например в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий и городских водонапорных станций. Это в еще большей степени поднимает важность проблем уменьшения уровня ЭМП, выдвигая требование соответствия привода строгим правилам по ЭМС.

Промышленные установки, напротив, почти всегда имеют трансформатор, который, как правило, блокирует распространение ЭМП/РЧП от привода наружу. У этих установок также предусмотрено больше возможностей подавления излучаемых ЭМП по сравнению с техникой, расположенной в местах проживания.

Компания Yaskawa Electric отметила, что для соответствия промышленных приводов правилам по ЭМС часто оказывается достаточным использовать в них небольшие встроенные фильтры. Однако, для соответствия приводов по ЭМС стандартам МЭК в области жилых зон, включая больницы, по всей видимости, нужны внешние и, возможно, двухкаскадные фильтры.

Компания Danfoss Drives подтверждает, что «требования по ЭМС для жилых зон являются самыми трудно выполнимыми». По информации г-на Лэндкилдехаса, в связи с тем, что монтаж систем отопления, вентиляции и кондиционирования является для компании Danfoss профильным видом деятельности, она конструирует свои приводы сразу с учетом их ЭМС, прямо со стадии разработки. Это привело к разработке современных фильтров ЭМП/РЧП, которые обеспечивают надежную и экономичную ЭМС приводов.

Встраиваемые в привод фильтры проектировались для длинных кабелей электродвигателей (в которых 150 м, как правило, экранированы, а 300 м не экранированы). «Чтобы соответствовать этому требованию, конструкцию привода также пришлось оптимизировать с позиций обеспечения приемлемых тепловых режимов». Г-н Лэндкилдехас подчеркнул также, что встроенные фильтры имеют преимущество в отношении интеграции своего теплового дизайна в общий тепловой дизайн привода.

С учетом общей тенденции к глобализации конструирования приводов ожидается, что все большее число моделей приводов с регулируемой скоростью будут удовлетворять международным стандартам по ЭМС, снижая уровень электромагнитных помех.

Синхронный подавитель помех электрической сети

О шуме электрической сети:

Одним из проклятий при прослушивании диапазона СДВ/ДВ/СВ является шум от линий электропередач. На этих низких частотах (от нескольких мегагерц и ниже) распространяются помехи от различных электронных переключающих устройств (такие как регуляторы освещения, контроллеры электродвигателей, флюоресцентные лампы и др.), и помехи эти очень мощные. Для этого есть несколько причин. Гармонические составляющие помех уменьшаются с возрастанием частоты, а на этих низких частотах энергия помех слабо распространяется в пространстве вокруг источника. Другая причина состоит в том, что фильтры встроенные в такие устройства как регуляторы освещения не эффективны на частотах ниже нескольких сотен килогерц из-за малого реактивного сопротивления емкостей и индуктивностей на этих частотах (некоторые дешевые устройства не вовсе не имеют фильтров - прим. пер.). В результате эти устройства установленные в домах на линиях электропередач излучают помехи во всех направлениях по электрическим проводам.

Попытки избавить себя от этого вида шума представляют собой "тяжелые" сражения в диапазонах низких частот. Фильтры, которые эффективно работают на низких частотах вероятно слишком громоздкие и требуют тщательной настройки своих параметров под конкретные виды источников помех.

Существует несколько путей для уменьшения воздействия мощных помех распространяющихся по проводам:

• Слушать НЧ диапазоны когда нет источников помех. (это очень редкие случаи для нас...)
• Слушать НЧ диапазоы вдали от линий электропередач. (Не удобно в большинстве наших домов)
• Тщательно выбирать место для приемной антенны. Антенна должна быть расположена возможно дальше от устройств - источников помех, от линий электропередач и домов для минимизации таких шумов.
• Использовать защищенную петлевую или магнитную антенну. Эти типы антенн в меньшей степени воспринимают ближнее электрическое поле помех, которое часто является главной компонентой принимаемого шума. Эти типы антенн можно вращать в пространстве частично подавляя помехи за счет выраженной их направленности. Правда существует мнение, что часто помехи приходят с того же направления, что и желательный радиосигнал!

При условии, что вы пробовали в борьбе с помехами все описанные выше способы, но не добились успеха, тогда может быть подавитель помех то что вам нужно!

Большинство выпускающихся сегодня приемников содержат узлы "шумопонижения". Эти устройства уменьшают шумы, но также известно, что они имеют ограниченную эффективность по отношению к помехам распространяющимся по сетям электропередачи (далее сетевые помехи) и многие из них при работе создают значительные интермодуляционные искажения сигнала, что нежелательно при приеме очень слабых сигналов. Малое число шумоподавителей (в таких приемниках, как Drake TR-7/R-7 или линейке R-4) работают хорошо, но эффективны они при приеме сильных сигналов. Кроме того они срабатывают с задержкой не позволяя компенсировать начальную фазу шумовой помехи.

Краткий анализ шума электрической сети:

Шум сети типично возникает в обоих концах линии электропередачи - что приводит к продуцированию пульсовых волн дважды за период сетевой частоты, (в данной статье полагается, что частота переменного напряжения в электрической сети равна 60 Гц - для США), то есть 120 Гц. Причем эта помеха часто мощнее компонента с частотой 60 Гц. В результате этого в электрической сети генерируется связанный с ней шум с основной частотой 60 Гц и расширяющимся спектром. Появляется 3-х фазное распределение энергии в линии электропередачи со смещением в 120 градусов. Это можно представить, как умножение количества шумовых импульсов возникающих в течение каждого цикла синусоиды сетевого напряжения.

Шумы производимые устройствами с быстрым переключением (тринисторные регуляторы освещения) производят помехи с большим количеством гармоник сигнала. Время начала пульсаций совпадает с началом синусоиды (можно сказать, что это время перехода через нуль отрицательной полуволны в положительную), также может изменяться в зависимости от частоты переключения триггеров устройства. Время начала импульсной помехи может смещаться, если устройство работает с другим фазовым соотношением, например в трехфазных системах регулирования мощности. Быстрые переключения мощного устройства генерируют очень узкополосные импульсы (с длительностью несколько десятков микросекунд или менее сравнимой с временем реакции вашей антенны).

Что дают фильтры? Пока используется узкополосный фильтр с правильно подобранными параметрами энергия помехи мала, но проявляется другой ее эффект. Сильно узкополосный фильтр растягивает шумовые пульсации - увеличивает длительность. Три изображения справа показывают это. Три изображения справа получены от линейно-синхронизированного осциллографа соединенного со звуковым выходом приемника Drake TR-7. Использованы три фильтра (начиная сверху) - первый с полосой 12 кГц (использован только первый ПЧ фильтр), затем следующий SSB на 2,2 кГц в центре и телеграфный фильтр 300 Гц нижнее изображение.

При использовании фильтра с полосой 12 кГц (на фото сверху) видны обширные и множественные шумовые пульсации обогащенные гармоническими составляющими 1/8 основного импульса (длительность около 250 мксек), видны составляющие с длительностью 1 мсек. Заметно отличие изображения в центре при использовании фильтра с полосой 2,2 кГц. Здесь видны импульсы помехи с длительностью длиннее 1 мсек, которые на 4-5 временных интервала длиннее предыдущих. Нижнее изображение иллюстрирует поведение телеграфного фильтра. Видны растянутые по времени импульсы с большой длительностью. Все показанные импульсы фактически начинаются в одно время. Верно так же то, что в большинстве приемников устройства понижения шума располагаются в приемном тракте до фильтров основной селекции сигналов, но даже в приемниках с широкополосными фильтрами длительность импульсов помех имеют тенденцию к некоторому удлинению.

Но это еще не все. В случае с шумом возникающим в электрической сети мы имеем преимущество перед случайным (белым) шумом, так как мы определенно знаем с чем он связан и период его повторения - частота 60 - 120 Гц (для США, в России 50 - 100 Гц). К тому же источники шума по электрической сети часто имеют "регулярное" расположение в пространстве как бы образуя энергетическую сеть вокруг вашего оборудования (фазы шумовых сигналов часто не совпадают) и таким образом вы можете проанализировать частоты шумовых импульсов. Что мы не можем знать, так это точное возникновение во времени и продолжительность шумовых импульсов.

(Между прочим устройство понижения помех описанное в статье снижает шум "регулятора яркости освещения" более чем на 35 дб)

Несколько замечаний по снижению шума с помощью DSP:

На первый взгляд, мощные технологии основанные на современных DSP процессорах прошли долгий путь становления по части цифровой фильтрации шума электрической сети, но это еще не все что нужно в данном случае.

Возьмем к примеру DSP используемому в тракте низкой частоты. Здесь используется типичный DSP процессор с низким потреблением мощности и с умеренной ценой. Его работа не лишена недостатков. Как иллюстрируется в примере, шумовые импульсы часто приобретают "уродливую и перекошенную" форму проходя через фильтры основной селекции приемника, при этом DSP процессор располагается уже после фильтров в тракте низкой частоты. В этих обстоятельствах чрезвычайно трудно избавиться от мешающего шума.

Возьмем другой типичный случай применения DSP в тракте промежуточной частоты. Это лучше, чем использовать DSP в тракте низкой частоты. Большинство DSP предназначенных для применения в тракте промежуточной частоты фактически имеют рабочие частоты лежащие в звуковом диапазоне, например 10 - 20 кГц. Размещаются они в последних каскадах преобразования частоты, а низкие рабочие частоты позволяют уменьшить требуемую вычислительную мощность DSP по обработке сигналов. Но несмотря на достаточную полосу частот проходящими через DSP фильтр, все равно остро стоит проблема предотвращения искажения шумовых импульсов. При правильном проектировании этих типов систем можно получить очень эффективное подавление шумов электрической сети - но необходим очень серьезный подход в выборе динамических показателей используемого DSP и качественного написания программного обеспечения.

В заключении хочу заметить, что наряду с использованием DSP фильтра по низкой частоте - вы получите более "тихий" эфир при использовании подавителя шума основанного на антенных эффектах. То же самое относится и для случая использования в вашем приемнике DSP фильтра по промежуточной частоте.

Удаление раздражающих импульсных помех...

Как вы могли видеть выше, простое уменьшение нежелательных шумовых импульсов не очень хорошее решение, так как при прохождении через приемный фильтр длительность воздействия помехи увеличивается. Этот факт имеет не очень большое значение по сравнению с проблемой работы системы АРУ приемника, которая снижает полезный сигнал при воздействии помехи. Система АРУ срабатывает по наиболее сильному принимаемому сигналу (срабатывая и на шумовой сигнал). Например если уровень желательного сигнала на 15 дб ниже пикового уровня шумовых импульсов, то АРУ стремиться снизить его звуковой уровень на те же 15 дб, при этом увеличивается длительность воздействия импульсной помехи.

Поэтому нам необходимо добиваться снижения уровня импульсных помех в тракте высокой частоты до цепей основной фильтрации сигналов. Обычно импульсная помеха очень короткая по длительности и не требуется ее блокировать на длительное время. Очевидное место для блокировки помех - место соединения антенны с приемником и это можно сделать несколькими способами. Один из них - это использование PIN диодов в управляемом аттенюаторе, обладающие хорошей линейностью по сравнению с обычными диодами, что положительно сказывается на линейности приемного тракта и снижения интермодуляционных искажений. В качестве примера мы намеренно приводим тип PIN диода MPN3404: в то время как схема удовлетворительно будет работать с обычными диодами типов 1N914/1N4148, конечно с некоторым ухудшением линейности схемы. Как упоминается ниже, другой тип устройства для блокирования импульсных помех на высоких частотах - использует кольцевой диодный смеситель и по сообщениям радиолюбителей работает несколько лучше.

Более важно устранение интермодуляционных искажений и удобство контроля за подавлением импульсных помех. Если мы будем просто быстро отключать антенну на период действия импульсной помехи, а затем снова ее подключать, то само по себе это будет служить источником существенных гармоник и устройство подавления импульсных помех будет излучать сигналы подобные сетевым помехам. Если производить подавление помех с относительно медленным переключением в течение периода подавления помехи, мы получим значительное подавление интермодуляционных искажений, уменьшение полосы пропускания и интенсивности "звучания диапазона", что непременно будет порождаться в течение периода подавления помехи (мы получим амплитудную модуляцию наших принимаемых сигналов с частотой подавления импульсной помехи, запомните это...)

Возвращаясь назад можно подчеркнуть, один типичный мощный импульс помехи является причиной значительного гула, но часто мы имеем комбинацию импульсов помех возникающие в различное время - что происходит: начиная подавлять одну серию мешающих импульсных помех, другая может пройти через приемный тракт и проявиться при слуховом приеме ухудшая качество полезного сигнала. Поэтому нам необходимо иметь возможность устанавливать индивидуальную частоту подавления импульсных помех для различных "слоев" шумовых помех.

Философия разработки:

Существует несколько мнений касающихся разработке подавителей шумов: "Нормальный" подавитель шума (такой как используемый в профессиональных приемниках) имеет быстродействующее запирание ВЧ тракта на период действия помехи - используется для подавления типичных "асинхронных" импульсных помех, срабатывающий на первом детектированном крутом подъеме фронта импульса помехи. Ясно, что при таком подходе скорость реакции системы шумоподавления должна быть высокой.

С синхронным шумоподавлением, таким как описанный здесь, вы имеете определенные знания о характере импульсных помех, когда они появляются и что служит причиной их возникновения. Вы можете использовать быстродействующее или относительно медленное запирание ВЧ тракта на период действия помехи. В чем тогда разница в подходе к проектированию? Какой способ лучше?

Ответы на эти вопросы не обязательно простые и в каждом случае приходиться находить компромиссное решение. О быстродействующем запирании приемного тракта:

• Поскольку "атака" и "угасание" подавляемого импульса помехи происходит очень быстро, требуется малая часть времени для запирающего импульса. Если общий запирающий импульс по времени совпадает с серединой импульса помехи, длина завершенного "запирающего окна" приходящегося на "быстрое" возрастание/падение фронта импульса запирающего генератора будет уже, чем "запирающее окно" создаваемое генератором блокирующего импульса с определенной формой. Это может уменьшить размер "дыры" пробитой в общем сигнале.
• Действие по блокированию сигнала просто регулировать по принимаемому сигналу с блокирующим импульсом. Спектральная компонента этого импульса будет смешана с принимаемым сигналом. В этом случае быстродействующий генератор запирающего импульса выделяет спектральные компоненты с шириной сотни килогерц (и даже мегагерц.) окружающей полезные сигналы в очень широкой полосе частот. Эффект этого может быть генерация шумов или искажений по всему принимаемому частотному спектру.

Об имеющем "определенную форму импульсе" для запирания приемного тракта:

• "Атака" и "угасание" запирающего импульса имеет определенную форму и длина его всецело зависит от продолжительности времени импульса помехи. Это означает, что длительность завершенного запирающего окна может быть значительно дольше чем продолжительность самого импульса. В этом случае нам будет необходимо центрировать запирающий импульс (промежуток времени в котором подавление максимально) прямо в то мгновение, когда случается импульс помехи.
• "Форма" запирающего импульса синусоидальная для минимизации спектральных составляющих запирающего импульса. Когда запирающий импульс "смешивается" с полным частотным спектром принимаемых сигналов, происходит модуляция диапазона частот запирающим импульсом в ограниченной области близкой к каждому блокируемому сигналу, но это лучше, чем размазывание "грязного" спектра в широком диапазоне частот. Этот эффект снижает генерацию побочных шумов и интермодуляционных искажений.

В любой из используемых схем, блокирование приемного тракта очень важная функция. Какая бы схема не применялась необходима "быстрая реакция" или "правильная форма" блокирования, устройства которые реально применяются на высоких частотах обычно обладают высокой интермодуляционной устойчивостью. Это возможно более важно когда используется "правильный блокирующий импульс", в этот важный период действия запирающего импульса желательно в некоторой степени "управлять величиной подавления" нежелательной помехи - точка в течение которой PIN диоды (в этой разработке) склонны к генерации интермодуляционных помех (IMD) в присутствии сильных сигналов.

Использование двойного балансного диодного смесителя (используется как регулируемый аттенюатор) может смягчать эти проблемы, уменьшая вероятность возникновения интермодуляционных помех. Проблема с использованием диодного кольцевого смесителя вместо PIN диодов в том, что его стоимость выше, и он имеют очень четкую нижнюю рабочую частоту, поэтому мало подходит для использования на низких и очень низких принимаемых частотах. Если вы только намереваетесь использовать этот подавитель помех скажем на диапазоне 160 метров и/или вещательных АМ диапазонах, вы можете рассмотреть использование двойного балансного смесителя (DBM) - см. схему ниже.

Описание схемы:

В устройстве подавления импульсных помех нам необходимы два настраиваемых параметра: расположение и продолжительность запирающего импульса. Позиция запирающего импульса примерно совпадает с точкой нулевого перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну переменного напряжения сети частотой 60 Гц (50 Гц) с удвоенной частотой следования 120/100 Гц, а ширина его... ?

Версии схемы:

• Версия 1.00 - Исходная схема
• Версия 1.01 - Добавлена нумерация выводов микросхем, устранены незначительные ошибки - 4/2000
• Версия 1.02 - Скорректирована нумерация выводов U1B (выводы 9 и 11 были перепутаны местами) - 1/2001
• Версия 1.03 - Добавлены обозначения диодов в генераторе запирающих импульсов, исправлена схема и уменьшен размер файла схемы - 11/2001
• Версия 1.04 - Добавлены некоторые виды переключателей, изменен их перечень - 12/2001
• Версия 1.05 - Добавлены "точки" соединений различных частей схемы - 4/2002
• Версия 1.06 - Добавлена возможность использования кольцевого диодного смесителя как ключевого устройства для запирания ВЧ тракта - 2/2004
• Версия 1.07 - Номера выводов 12 и 13 U2D были перепутаны - исправлено 12/2004
• Версия 1.08 - номера выводов 1 и 9 U1 должны быть заземлены - но были присоединены к шине +5В

Подавитель шума питается от переменного напряжения 18 В через фильтр (не пропускающие ВЧ частоты) с катушкой намотанной бифилярно (двойным проводом) - использован фильтр от неисправного импульсного блока питания компьютера. Эта катушка имеет собственную индуктивность в несколько миллигенри (мГн) и предотвращает проникновение помех через понижающий сетевой трансформатор к приемнику и сам блок подавителя шумов.

Выпрямленное напряжение сети (положительные полуволны) фильтруются, стабилизируются по напряжению регулятором 7818 для получения стабильного постоянного напряжения +18 Вольт. Дополнительно регулятором 7805 формируется стабильное напряжение +5 Вольт для питания цифровых элементов. Последовательно соединенные конденсатор и резистор параллельно выпрямительному диоду используются для уменьшения "выбросов" сетевого напряжения и предотвращения нелинейных искажений.

Часть переменного сетевого напряжения до выпрямителя отводится к компаратору на ОУ U2C который формирует положительные прямоугольные импульсы сетевого напряжения с частотой 60(50)Гц и амплитудой 18 Вольт. Импульсы прямоугольной формы поступают на резистивный делитель напряжения и сниженные по амплитуде с напряжением около 5 Вольт поступают на буферный элемент U3B (74HC86), прямоугольные импульсы с которого подаются на детектор перепада напряжения U3A. Комбинация резистор/конденсатор на входе элемента U3A формирует короткие импульсы на каждом восходящем/нисходящем фронте прямоугольных импульсов с частотой 60 Гц, таким образом генерируются короткие прямоугольные импульсы положительной полярности с частотой 120(100) Гц. Элемент U3D буферный и одновременно инвертирует поступающие на него импульсы, используется в генераторе запирающих импульсов. Элемент U3C не используется и просто соединен с элементом U3D.

Импульсы с частотой 120(100) Гц поступают на элемент U1B (74HC123), являющийся одновибратором и время запуска которого регулируется переменным резистором в интервале нескольких микросекунд в течение действия импульсов с частотой 120 Гц, позволяя запирать ВЧ тракт в любой точке периода импульса (регулировка позиции запирающего импульса). Далее сигнал поступает на вторую секцию одновибратора U1A.

Одновибратор на U1A реагирует только на восходящий фронт импульса приходящего от элемента U1B - в конце определенного временного периода. Работает эта секция аналогично, исключая из временного диапазона и ограничивая длительность интервала 1/3 частью от импульса с частотой 120 Гц. Функция этой секции - регулировка "ширины" блокирующего импульса генератора.

Окончательные запирающие импульсы формируются на выводе 4 секции U1A, совместно с секцией U1B образует генератор запирающих импульсов. К этой точке через диод также может подключаться генератор запирающих импульсов аналогичный первому для запирания помех по второму каналу (две помехи с разными параметрами действуют одновременно). Генератор запирающих импульсов может отключаться переключателем подсоединенным к выводу 3 секции U1A или при наличии нескольких секций генераторов запирающих импульсов они могут включаться простой подачей напряжения питания +5 Вольт и отключаться снятием этого напряжения.

U2D, секция ОУ, используется как компаратор напряжения от генератора запирающих импульсов (использую подтягивающий резистор номиналом 10к) и генерирует инвертированные запирающие импульсы амплитудой 18 Вольт. Импульсы с этого блока поступают на секцию U2A, являющейся фильтром нижних частот 3-го порядка. Здесь прямоугольные импульсы преобразуются в колебания близкие к гармоническим с плавным возрастанием и спаданием фронтов импульсов. Резистор номиналом 100к ограничивает амплитуду выходного сигнала предотвращая ограничение импульсов на выходе усилителя и возникновение искажений (и соответственно гармоник выходных импульсов) от запирающих импульсов. Переключаемый конденсатор с емкостью 0,018 мкф в этой части схемы необходим при низкой скорости следования запирающих импульсов при использовании на очень низких принимаемых частотах (больше об этом ниже по тексту).

Отфильтрованные и сглаженные импульсы от генератора запирающих импульсов поступают на переключатель на PIN диодах через резистор (для ограничения тока) и катушку индуктивности с параллельной емкостью (разделение ВЧ токов). Когда поступает высокое напряжение, то через два PIN диода течет ток, открывая их. Когда напряжение равно нулю, диоды закрыты и их сопротивление велико - получается блокирование приемного тракта на уровне антенна-приемник.

Ближайшее окружение PIN диодов - другие катушки индуктивности и конденсаторы позволяют внешнему напряжению +18 Вольт через фильтр нижних частот включать или отключать активную антенну приемника, включать или отключать работу подавителя помех когда это необходимо. (часть этих узлов схемы не обязательна - примечание авт. пер.).

Использование двойного балансного кольцевого диодного смесителя ("DBM") вместо переключателя на PIN диодах:

Если вы не намерены использовать подавитель помех на очень низких частотах, то можно заменить переключатель на PIN диодах двойным балансным кольцевым диодным смесителем в конструкции как домашнего так и коммерческого производства. Например если вы желаете использовать использовать этот подавитель помех исключительно на диапазоне 160 метров

Существует много удобных для применения кольцевых диодных смесителей и их выбор зависит от необходимого диапазона рабочих частот. Можно предложить недорогие кольцевые смесители типа SBL-1 фирмы MiniCircuits. Этот смеситель работает в диапазоне от 1 до 500 Мгц (позволяя работать на вещательном средневолновом - АМ диапазоне), типичная цена 10$ США, элемент достаточно распространенный.

В качестве альтернативы можно предложить изготовить кольцевой диодный смеситель самостоятельно из дискретных элементов - кольцевого сердечника, диодов, намотки провода. Описание этого узла можно найти в RRL Radio Amateur"s Handbook или других источниках через поиск в Интернет. Единственный недостаток - уменьшение миниатюризации конструкции, однако надо учесть:

• PIN диодам в кольцевом смесителе надо отдавать предпочтение, но совершенно допустимо использовать подобранные диоды типа 1N4148. Для подбора диодов обычно используется цифровой вольтметр или "диодный тестер" и конечно дюжина или больше однотипных диодов. Подбор производится по максимально близким значениям сопротивления диодов в прямом смещении. Подбор диодов важен для улучшения устойчивости к интермодуляционным искажениям и увеличения динамического диапазона. Подсоединение дополнительных звеньев из резисторов не поможет, если предварительно не были отобраны пары идентичных диодов.
• Половина обмотки намотанной трифилярно (в 3 провода) имеет реактивное сопротивление в 10 раз меньшее чем входное/выходное сопротивление на рабочей частоте - или 500 ом, если вы используете 50-ом антенну и приемник. (Если вы не думаете о малой величине дополнительных потерь на низких частотах, вы можете уменьшить входное сопротивление смесителя еще в 3 раза или до 150 ом)
• Если вы все же решили использовать переключатель на кольцевом смесителе, то этот тип необходимо оптимизировать для использования именно как переключатель для минимизации искажений.
• Если вы готовы потратить деньги - или вы склонны добиться своего любой ценой - то возможно вам удастся заставить работать кольцевой смеситель на очень низких частотах. Затраты и времени и средств будут велики, хотя можно сделать узел работающий даже на звуковых частотах.
• Существуют также устройства (как продаваемые фирмой Mini-Circuits) называемые "аттенюаторы/переключатели". Это модифицированные кольцевые балансные смесители только оптимизированные для работы в качестве переключателей, но их частотный диапазон также ограничен на уровне 1-2 МГц.

Как это работает:

Когда на порт "IF" DBM смесителя не подается ток (внутри он соединен по постоянному току с четырьмя диодами) все диоды закрыты. Как только ток через этот порт увеличивается, проводимость диодов тоже увеличивается позволяя протекать ВЧ токам от порта "RF" к порту "LO". Заложенная в смеситель симметрия схемы компенсирует значительную нелинейность диодов ослабляя потенциальные интермодуляционные искажения.

Сигнал необходимый для запирания переключателя составляет около 0 Вольт. Резистор номиналом 3,3 к ограничивает проходящий через смеситель ток 5 мА, а резистор номиналом 51 ом (можно использовать 47 ом) совместно с конденсатором 0,01 мкф устанавливает предельное входное сопротивление "IF" порта (для ВЧ частоты) на уровне 51 ом.

Комментарии:

• Кольцевой диодный смеситель очень чувствительный и хрупкий - гораздо в большей степени, чем например PIN диоды MPN3404. Если рядом с вами будет работать мощная АМ вещательная станция, то возможно что переключатель на кольцевом смесителе будет перегружаться этим сигналом, что вызовет появление интермодуляционных продуктов преобразования в течение периода запирания приемного ВЧ тракта. В этом случае необходимо будет применять простой полосовой фильтр на входе схемы подавителя помех. Такой фильтр предпочтительнее фильтра низких или верхних частот, так как значительно лучше подавляет внеполосные сигналы.
• Достойная рекомендация - защита входа кольцевого смесителя от статических помех. Если вы используете полосовой фильтр, то это разумная защита от различных быстрых энергетических перепадов в атмосфере происходящих при ударах молний (например при грозе).
• Если ваш приемник также и трансивер, необходимо остерегаться прохождения через смеситель мощной энергии передатчика, вероятно что смеситель выйдет из строя.
• Индуктивность используемых катушек 27 мГн не является критической величиной. Более важно входное и выходное сопротивление смесителя, оптимальный его уровень лежит около 150 ом. Кроме того от этих катушек индуктивности и цепей подачи напряжения +18 Вольт можно отказаться, как и в случае применения переключателя на PIN диодах.

Замечания по конструкции:

В прототипе блока (показан на рисунке) используется трехканальный синхронизированный подавитель помех. Хотя двух каналов обычно достаточно, здесь редкий пример использования всех трех каналов.

На передней панели расположены 6 потенциометров: Один из них определяет положение , другой ширину для каждого из трех каналов. Каналы 2 и 3 (один в центре, другой справа) имеют выключатели смонтированные на задней стенке, в нормальном положении эти каналы выключены и используются при необходимости. Каждая пара потенциометров связана с соответствующим генератором запирающих импульсов. При вращении регуляторов против часовой стрелки укорачивается временной интервал ассоциированного с ним таймера (более ранняя генерация запирающего импульса) и уменьшается ширина запирающего импульса). При вращении регуляторов по часовой стрелки указанные параметры изменяются в противоположную сторону.

Переключатель на PIN диодах конструктивно максимально близко расположен от антенных соединителей (типа RCA). Необходимо хорошее заземление, механическая жесткость и короткие проводники по ВЧ цепям. Емкости 1,5 и 2,2 мкф керамических конденсаторов (точное значение не критично) используемые как развязывающие в цепях постоянного тока минимальны для использования на очень низких частотах. Большей емкостью обладают электролитические конденсаторы. Их можно использовать на частотах ниже 10 кГц если возникает в этом необходимость. Рекомендуется параллельно электролитическим конденсаторам подсоединять несколько керамических с небольшой емкостью 0,1 мкф для уменьшения потерь на более высоких частотах.

Рекомендуется металлические корпуса потенциометров заземлять для снижения "эффекта от рук" и защиты КМОП схемы от статического электричества. Строго рекомендуется в блоках U1A и U1B использовать конденсаторы с высокой температурной стабильностью, от которых зависят параметры генераторов (емкости 0,068 и 0.022 мкф), например майларовые или полиэстровые. Керамические дисковые конденсаторы не обладают температурной стабильностью и соответственно будут изменяться параметры подавления помех с течением даже короткого периода времени. В этом случае будет необходима частая подстройка потенциометров.

В заключение необходимо уделить внимание выбору используемых операционных усилителей (ОУ) способных работать при питании однополярным напряжением. ОУ LM324 используемый в этой схеме подходит для этого - но многие типы ОУ нет. Поэтому при замене надо тщательно изучать спецификации того или иного прибора.

Порядок управления блоком: