拖线阵数据传输对微弱信号的影响分析

2014-07-17卢爱国曾景贤

声学与电子工程 2014年2期

卢爱国曾景贤

（第七一五研究所，杭州，310023）

随着电子技术的发展，拖线阵声呐数据传输技术从模拟传输向数字传输发展到如今的网络化传输技术，前置电路在拖线阵中所处的电磁环境越来越复杂。在基于网络传输的拖线阵中，前置电路所调理的微弱信号与高压直流信号、高频数字信号在狭小的空间内共存，微弱信号的抗干扰能力也是体现声呐性能的一项重要指标，因为前置放大信号的准确性与信号处理结果的正确性密切相关，最终影响到声呐性能。

1 现状

目前拖线阵湿端信号一般都采用百兆以太网进行传输，数据传输速率高，电子模块高度集成，占用空间小，拖线阵的直径可以更小。小型化的拖线阵由于空间高度利用，阵内各模块所处的电磁环境极其复杂，在某型拖线阵系统中，拖线阵的内径只有几十毫米，阵内有几百伏高压电源线，也有数据传输速率超过100 Mbps的高频数据线，而前置放大器要处理的小信号只有微伏级，这种高低频信号、大小信号在狭小的空间内相互影响越来越严重[1]。

拖线阵内部布置了大量的支撑骨架，阵内的电源线、数据传输线等均通过骨架中的通孔走线。但由于骨架尺寸有限，湿端相关的信号线、电源线、控制线、数据线等都会集中通过骨架，且在骨架之间这些导线也捆扎在一起，形成多种信号共存的长平行线束。

图1 骨架走线

图1 是各种传输线穿过骨架的照片。前置放大器的输出信号周围有几百伏高压电源线，也有几十伏的低压电源线，有大电流的电源线也有小电流的电源线，有高频时钟数据线也有低频信号控制线，前置放大器输出的微弱信号受电磁场干扰十分严重。

2 原理分析

由图1的走线方式我们可知，前置放大器的输出信号线周围布满传输各类信号的导线，图2是实际情况的工程模型。

图2 工程模型

网络数据传输对前置放大器输出信号影响的主要途径是两种传输线之间的信号耦合，这两种传输线之间的容性耦合可以建立图3的模型。图4为图3的等效电路。

图4 等效电路

图3 中，导线1为数据传输导线，载有交变的数据电压u1，导线2是输入端信号线，连接到节点上的放大器，放大器对地电阻为R。导线1和2之间的分布电容为C，C1为导线1的对地分布电容，C2为导线2的对地分布电容以及放大器的输入电容。

由图4所示等效电路中，考虑到任何直接并联在电源上的小电容都可以忽略，因为它们对噪声耦合没有影响，因此可以忽略C1，得到u1耦合到u2的噪声电压为：

当干扰源的频率ω为确定值，感应噪声u2对信号放大电路的输入电阻R的依赖关系很大。如果R>>[ω（C+C2）]−1时，则式（1）可简化为

这时噪声电压u2与u1是电容C和C2的串联分压关系，而且与ω无关。当R<<[ω（C+C2）]−1时，则式（1）可简化为

由式（1）得到

|u2/u1|可以看作是容性耦合的敏感度，|u2/u1|随着频率ω变化的曲线见图5。

图5 | u2/u1| 随着频率ω变化的曲线图

由公式（1）～（4）以及图5，我们分析得出以下结论：

（1）在所有频率范围内，容性的敏感度都取决于分布电容C的大小。因此为了减小分布电容C，应使信号线尽量远离干扰声传输线，尽量避免两者平行分布，垂直布线最好，而且信号线的长度越短越好。

（2）因为分布电容通常很小，其容抗很大，所以在高阻抗、低电平电路中电场耦合噪声问题更为严重。信号放大器对地输入电阻R越大，对电场干扰噪声越敏感。所以在微弱信号检测电路中，前置放大器的输入阻抗应尽可能小一些。

（3）由公式（3）可见，接收到的干扰噪声幅度|u2|正比于干扰源噪声的幅度|u1|和频率ω，因此，当微弱信号检测电路附近有高频干扰源时，必须采取措施，克服电场噪声的影响。

从理论上分析，做好以上三点我们基本可以把这种耦合噪声降到最低，但是在实际工程应用中，付诸实施有以下难点：

● 对于结论（1），拖线阵阵内空间非常狭小，还需要安装各类功能模块，留给导线的空间已经很小，而且导线长度也是控制在满足使用要求的最短长度，因此，通过增大信号线和传输线之间的距离以及减小信号线的长度来减小它们之间的分布电容不可行；

● 对于结论（2），前置放大器的输入阻抗根据前端输出阻抗来确定，若阻抗过小将影响前置放大器的性能。因此，前置放大器的输入阻抗不能随意改变。

● 对于结论（3），拖线阵内安装的各类功能模块同样不可避免地成为了微弱信号的干扰源。

我们从本质上无法消除干扰源，因此，现在只能借助外部措施来降低数据传输对信号的影响。我们利用屏蔽来减小线间耦合，通过在信号线上加一屏蔽层，屏蔽层接地，以此来减小数据传输线和信号线之间的分布电容，降低干扰噪声。信号传输线上加屏蔽层电路模型见图6，图7为等效电路。

图7 等效电路

由图7我们可得导线1耦合到导线2的噪声电压为：

与无屏蔽情况类似，当干扰源的频率ω为确定值，感应噪声u2对信号放大电路的输入电阻R的依赖关系很大。如果R>>[ω（C+C2+C4）]−1，则式（5）可简化为

而当R<<[ω（C+C2+C4）]−1时，则式（5）可简化为

两平行导线的分布电容为：

上式中，d为导线直径（mm）；l是较短导线长度（mm）；a为导线间的中心距（mm）。

粗略看来，式（3）和（7）相同，式（2）和（6）也类似，但是对比图3、图4、图6和图7可以看出，信号线加了屏蔽层之后，公式中的电容C已经不是导线1和导线2之间的分布电容，而是导线1和导线2在接点处露出屏蔽层之外的端头之间的分布电容。在某型拖线阵中，信号传输线未加屏蔽时，前置放大信号传输线l1最长约8 m，端头导线l2约0.1 m，分布电容为：

信号传输线加屏蔽后，产生分布电容的导线有效长度只有端头部分导线l2，分布电容为：

加入屏蔽前后，分布电容变化：

数据传输线和信号线之间的分布电容在引入屏蔽层后只有原来的1/81，因此，引入屏蔽层之后干扰噪声要比不屏蔽时小很多。依此类推，如果是导线1加屏蔽或者导线1和导线2都加屏蔽，都可以有效的降低导线之间的分布电容，减小干扰噪声。

3 对比验证

在某项目拖线阵湿端调试过程中，发现数据中有一个3 kHz固定频率的干扰信号。图8是其中的3个通道进行的谱分析图。

图8 无屏蔽谱分析图

在排除电源因素的影响后，发现前置放大器的输出信号线和数据传输节点的数据传输线保持一定的距离，干扰信号就消失，靠近时，会复现，而且数据传输线中数据包的频率刚好就是3 kHz，确认干扰信号是由数据传输线耦合进前置放大器的输出信号线后产生的，我们对前置放大器的信号输出线进行更换，采用带屏蔽的导线，屏蔽接信号地，降低线间耦合电容。再调试时，3 kHz干扰信号消失。谱分析图见图9。由图9的测试结果可确认，采用屏蔽线传输前置放大器的输出信号，能有效消除数据传输对前置放大信号的干扰，这种方法有效且可行。