Фильтрация информационного сигнала

Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в технических средствах и системах обработки информации, является фильтрация. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебаний за пределы устройства - источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах - рецепторах электромагнитных полей и наводок должна исключить их воздействие на рецептор.

В системах и средствах информатизации и связи фильтрация может осуществляться:

a) в высокочастотных трактах передающих и приемных устройств специальных радиотехнических средств АСУ для подавления нежелательных излучений - носителей опасных сигналов и исключения возможности их нежелательного приема;

b) в различных сигнальных цепях технических средств для устранения нежелательных связей между устройствами и исключения прохождения сигналов, отличающихся по спектральному составу от полезных сигналов;

c) в цепях электропитания, управления, контроля, коммутации техни­ческих средств для исключения прохождения опасных сигналов по этим цепям;

d) в проводных и кабельных соединительных линиях для защиты от наводок;

e) в цепях электрочасофикации, пожарной и охранной сигнализации для исключения прохождения опасных сигналов и воздействия навязываемых высокочастотных колебаний.

Одна из возможных схем фильтрации опасных сигналов, создаваемых или воспринимаемых техническим средством по различным цепям, представлена па рисунке 15.8

Фильтрация в различных цепях осуществляется с помощью фильтров, дросселей и трансформаторов.

 

Рисунок 15.8 – Схема фильтрации опасных сигналов

Фильтры. В целях фильтрации в технических средствах систем информатизации и связи широко используют различные фильтры (нижних и верхних частот, полосовые, заграждающие и т.д.). Основное назначение фильтра - пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе частот, и подавлять (ослаблять) сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.

Количественно эффективность ослабления (фильтрации) нежелательных (в том числе и опасных) сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением:

(15.1)

где U₁(P₁) - напряжение (мощность) опасного сигнала на входе

фильтра;

U₂ (P₂) - напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе фильтра при включенной нагрузке Z_n

R_c - внутреннее сопротивление источника опасного сигнала.

Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:

1. Величины рабочих напряжения и тока фильтра должны соответствовать величинам напряжения и тока цепи, в которой фильтр установлен.

2. Эффективность ослабления нежелательных сигналов должна быть не меньше заданной в защищаемом диапазоне частот.

3. Ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным, не влияющим на качество функционирования системы.

4. Габариты и масса фильтров должны быть, по возможности, минимальными.

5. Фильтры должны обеспечивать функционирование при определенных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление, удары, вибрация и т.д.).

 

Рисунок 15.9 – Применение защитного фильтра

6. Конструкции фильтров должны соответствовать требованиям техники безопасности.

К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования.

a) Затухание, вносимое такими фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть незначительным (например, 0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая в зависимости от конкретных условий может быть достаточно широкой (до 10^1ОГц)

b) Сетевые фильтры должны эффективно работать при больших проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности рабочих и подавляемых электромагнитных колебаний.

c) Ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими (например, уровни гармонических составляющих напряжения питания с частотами выше 10 кГц должны быть на 80 дБ ниже уровня основной гармоники)

В настоящее время существует большое количество различных типов фильтров, обеспечивающих ослабление нежелательных сигналов в разных участках частотного диапазона. Это фильтры нижних и верхних частот, полосовые и заграждающие фильтры и т.д.

Фильтры нижних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности простирается от со = 0 (постоянный ток) до некоторой граничной частоты ω_гр называется фильтром нижних частот (ФНЧ). На Рисунке 15.11 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) идеального ФНЧ - (сплошная линия) в координатах α(ω) и К(ω), где α и К - затухание и коэффициент передачи фильтра соответственно.

Для частотного фильтра совершенно прозрачен (α = О, К = 1), а частоты ω > ω_гр абсолютно не пропускает (α О, К = 1). Реальный ФНЧ не может иметь такой АЧХ. Ее следует рассматривать как предел, к которому в той или иной мере можно стремиться. Реальная АЧХ ФНЧ имеет вид,

Рисунок 15.10 – Реальная АЧХ

представленный на Рисунке 5.10 пунктирной линией. На Рисунке 15.12 приведены схемы наиболее распространенных ФНЧ.

 

Рисунок 15.2 - Наиболее распространенные ФНЧ

Последовательная ветвь ФНЧ должна иметь ничтожное сопротивление для постоянного тока и нижних частот. Вместе с тем для того, чтобы высшие частоты задерживались фильтром, последовательное сопротивление должно расти с частотой. Этим требованиям удовлетворяет индуктивность L.

Параллельная ветвь ФНЧ, наоборот, должна иметь малую проводимость для низких частот, с тем чтобы токи этих частот не шунтировались параллельным плечом. Для высоких частот параллельная ветвь должна иметь большую проводимость, тогда колебания этих частот будут ею шунтироваться, и их ток на выходе фильтра будет ослабляться. Таким требованиям отвечает емкость С.

Более сложные многозвенные ФНЧ (Чебышева, Батгерворта, Бесселя и т.д.) конструируют на основе сочетаний различных единичных звеньев На Рисунок15.14 представлена схема ФНЧ из пяти реактивных элементов.

Рисунок15.13 - схема ФНЧ из пяти реактивных

 

 

Рисунок 15.15 - АЧХ ФВЧ (идеального - сплошная линия и реального - пунктирная линия).

 

Рисунок 15.16 –

 

Фильтры верхних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности занимает псе частоты выше некоторой определенной граничной частоты со. называется фильтром верхних частот (ФВЧ). На Рисунке 15.15 изображены АЧХ ФВЧ (идеального - сплошная линия и реального - пунктирная линия).

В таком фильтре постоянный ток и все колебания с частотами ниже определенной граничной частоты ω_гр должны задерживаться, а колебания частот ω > ω_гр - беспрепятственно пропускаться. Если в качестве последовательного плеча фильтра включить емкость (Рисунок15.16), она будет представлять большое сопротивление для низких частот и способствовать их задержанию. Включение в параллельную ветвь индуктивности приведет к увеличению проводимости ее на нижних частотах и уменьшению проводимости на высоких частотах. Это также будет соответствовать требованиям, предъявляемым к ФВЧ.

Схема фильтра верхних частот, состоящего из 6 реактивных элементов, представлена на Рисунок15.17

Рисунок 15.17 - Схема фильтра верхних частот

 

Полосовые и заграждающие (режекторные) фильтры. Полосовые фильтры характеризуются тем, что обе частоты ω_гр1 и ω_гр2 ограничивающие полосу прозрачности, конечны и ни одна из них не равна нулю (Рисунок15.18).

В ряде случаев ставится задача задержания определенной полосы частот и в то же время пропускания всех остальных частот. Такая задача решается заграждающим фильтром (Рисунок 15.19).

 

 

 

Рисунок 15.18 -

Рисунок 15.19 -

На Рисунке 15.20 представлены варианты построения схем полосовых фильтров, а на Рисунок 15.21 - заграждающих фильтров.

С точки зрения конструктивного исполнения фильтры могут быть выполнены на элементах с сосредоточенными параметрами (фильтры, предназначенные для работы на частотах до 300 МГц) и на элементах с распределенными параметрами (коаксиальные, волноводные, полосковые, применяемые на частотах свыше 1 ГГц). В диапазоне частот 300 МГц - 1 ГГц могут использоваться фильтры, включающие элементы как с сосредоточенными, так и с рас­пределенными параметрами.

 

Рисунок 15.20 – Варианты построения схем полосовых фильтров

 

Рисунок 15.21 - Варианты построения заграждающих фильтров

При конструировании радиочастотных защитных фильтров для получения приемлемых АЧХ необходимо совместно решить три основные задачи.

Первая задача заключается в необходимости согласования в достаточно широком диапазоне частот параметров фильтра по его входу и выходу с параметрами тракта, в который он включен. Эта задача решается методами широкополосного согласования и другими способами, рассмотренными в теории электрических и радиотехнических цепей.

Вторая задача состоит в учете частичного или полного вырождения фильтра, предшествующих ему цепей и нагрузки на высоких частотах, т.е. проявления в элементах с сосредоточенными параметрами свойств элементов с распределенными параметрами, и обратного явления на низких частотах. Эта задача решается путем выбора схемы и элементов фильтра с соответствующими частотными характеристиками, построения целесообразной конструкции фильтра с высокой радиотехнической культурой его монтажа. В частности, для ослабления влияния указанных явлений вырождения электрорадиоэлементов могут использоваться комбинированные схемы фильтрации, включающие различные сочетания последовательного и параллельного соединения фильтров разных типов для отдельных участков диапазона частот. Каждый из таких фильтров обеспечивает реализацию определенной части АЧХ общего фильтра.

Сущность третьей задачи определяется наличием нежелательных связей элементов фильтра между собой и смежными узлами РЭА. Эти нежелательные связи, будучи многочисленными и случайными по своей природе, придают зависимости ослабления фильтра от частоты и другим его параметрам также случайный характер. Поэтому существует необходимость устранения влияния случайных факторов. Среди многочисленных мер борьбы с нежелательными связями элементов РЭА и РЭС ведущая роль отводится электромагнитному экранированию. Применительно к защитным фильтрам используются поэлементный, блочный и полный виды экранирования. Экранирование элементов фильтра, развязка его входа и выхода, а также экранирование фильтра в целом обеспечивают существенное увеличение его ослабления (на 30 дБ и более). Вопрос о выборе вида экранирования решается исходя из назначения, схемы, конструкции, условий эксплуатации фильтра и требований к нему.

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько серий защитных фильтров (ФП, ФБ, ФПС и др.). На Рисунке 15.22 а, б, в представлены принципиальные электрические схемы фильтров типа ФП, обеспечивающих эффективность фильтрации не менее 60, 80 и 100 дБ соответственно.

 

Рисунок 15.22 - Принципиальные электрические схемы фильтров типа ФП, обеспечивающих эффективность фильтрации не менее: а) 60 дБ; б) 80дБ; в)100 дБ

В ряде случаев для борьбы с наводками используют фильтры, которые преобразуют энергию сигналов наводки в тепло. Простейшим таким фильтром является надетое на проводник ферритовое кольцо (Рисунок 15.23) которое увеличивает полное сопротивление проводника на высоких частотах. Если на низких частотах такой участок цепи является хорошим проводником, то на частотах 1—100 МГц его сопротивление равно 50—200 Ом.

 

а) б)

 

в) г)

Рисунок 15.23 - Надетое на проводник ферритовое кольцо

Кольца из маргаицовисто-цинковых ферритов лучше всего применять для фильтрации наводок с частотами до 40 МГц, кольца из никель-цинковых ферритов с умеренной магнитной проницаемостью наиболее эффективны для подавления наводок на частотах до 200 МГц. На частотах больше 200 МГц наиболее целесообразно применять кольца из никель-цинковых ферритов с низкой магнитной проницаемостью.

Полное сопротивление проводника можно повысить, увеличив длину и толщину ферритовых колец, размещая вдоль проводника последовательно несколько колец (Рисунок 15.2Зб) или пропустив его сквозь ферритовое кольцо несколько раз (Рисунок15.23 в)

Достаточно широкое применение находят ферритовые кольца с отверстиями: для подавления наводок на частотах 0,5—1 МГц проводник сквозь ферритовое кольцо пропускают таким образом, чтобы образовалось 2,5 витка, на частотах 1—10 МГц, достаточно 1,5 витка, а для подавления наводок на частотах, больших 10 МГц, проводник пропускают сквозь ферритовое кольцо обычным образом. При необходимости фильтрации нежелательных сигналов в нескольких сигнальных проводах необходимо пропустить сквозь ферритовое кольцо все сигнал ьные провода для образования синфазного фильтра (Рисунок 15.23г)

Разделительные трансформаторы. Такие трансформаторы должны обеспечивать развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. Это означает, что во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в цепи первичной обмотки. Проникновение наводок во вторичную обмотку объясняется наличием нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками.

Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяет­ся внутренний экран, выполняемый в виде заземленной прокладки или фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками. С помощью этого экрана наводка, действующая в первичной обмотке, замыкается на землю.

Однако электростатическое поле вокруг экрана также может служить причиной проникновения наводок во вторичную цепь

 

Рисунок 15.24 - Разделительный трансформатор со специальными средствами экранирования и развязки

 

Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач в том числе для:

— разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;

— устранения асимметричных наводок;

— ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.

Средства развязки и экранирования, применяемые в разделительных трансформаторах, обеспечивают максимальное значение сопротивления между обмотками и создают для наводок путь с малым сопротивлением из первичной обмотки на землю. Это достигается обеспечением высокого сопротивления изоляции со­ответствующих элементов конструкции (~10⁴ МОм) и незначительной емкости между обмотками. Указанные особенности трансформаторов для цепей питания обеспечивают более высокую степень подавления наводок, чем обычные-трансформаторы . Разделительный трансформатор (Рисунок 15.24) со специальными средствами экранирования и развязки (емкость между обмотками 0,001 пФ) обеспечивает ток наводки в нагрузке на 6.6 дБ меньше, чем обычный разделительный трансформатор (Рисунок т с емкостью между обмотками 1 пФ).

 

Рисунок 15.25 - Рисунок т с емкостью между обмотками 1 пФ

 

Средства экранирования, применяемые в разделительных трансформаторах, должны не только устранять влияние асимметричных наводок на защищаемое устройство, но и не допустить на выходе трансформатора симметричных наводок, обусловленных асимметричными наводками на его входе. Применяя в разделительных трансформаторах специальные средства экранирования, можно существенно (более чем на 40 дБ) уменьшить уровень таких наводок.