基于分布式采集模式的强电磁场抗干扰方法

严 波

（作者单位：国家新闻出版广电总局二〇二三台）



基于分布式采集模式的强电磁场抗干扰方法

严 波

（作者单位：国家新闻出版广电总局二〇二三台）

摘 要：本文从理论和实际两个层面，深入分析了中短波发射台自动化系统集中采集取样信号不稳定的原因，提出分布采集模式+短距离传输线路双屏蔽方法，解决模拟信号受干扰问题，并在实际应用中取得了非常好的效果，对强电磁干扰环境下的数据采集，具有较高的借鉴意义。

关键词：中短波；电磁干扰；集中采集；分布采集

随着科技的发展，大量自动化系统应用于中短波广播电台的安全播出工作中，而对于电磁环境恶劣的中短波发射电台，有些自动化系统的前端采集点分布广，距离干扰源近，数据采集环境非常不理想。保证采集端数据稳定可靠，使其不受高频电磁干扰影响，是实现自动化系统稳定可靠的前提，也是在强电磁环境下，设计自动化系统必须考虑的因素。本文提出了一种基于分布采集模式的强电磁场抗干扰方案，其在实际中得到了很好的验证。

1 信号采集

图1 信号采集模型

1.1 信号采集模型有线信道，但多数采集信号属于模拟信号，如发射机各个器件的输入/输出电压、电流、温湿度、水压、驻波比等。自动化系统的传输线路并不是在所有场合都适用无线传输，有线信道的应用场合更加广泛，比如，发射机的各种表值、状态的取样等。所以，虽然数字信号和无线信道抗电磁干扰能力都较强，但模拟电信号的有线信道传输更为常用。因此，对有线传输信道模拟信号的抗干扰分析是非常有必要的。

1.2 信号采集模式

3 分布采集数据模型

取样信号的采集模式，分为集中采集和分布式采集两种，典型集中采集的信号设备是PLC。如图2所示，PLC将来自不同采集地点的取样信号汇集一处，集中处理，并集中输出控制信号。典型的分布式信号处理设备是研华的ADAM模块，如图3所示，它能将数据处理功能划整为零，将数据处理功能分摊到多个数据处理模块上，而这些数据模块既

图1是典型的自动化系统数据采集方式模型，数据采集设备将采集到的取样信号，以电或光信号的方式，经传输线路送给数据处理设备进行处理。

在这个模型中，取样信号可以是数字信号，也可以是模拟信号，传输线路可以是有线，也可以是无线信道，虽然数字信号的抗干扰能力明显优于模拟信号，无线传输信道的工作频段也远远高于广播的工作频段，抗干扰性明显强于可以分散放置在离采集端非常近的地点，也可以与其他数据模块进行数据交互。

1.3 集中采集模式的弊端

从图1可以看出，无论采用哪种数据采集模式，中短波电台的数据采集和处理设备，都暴露在强电磁环境下。电磁干扰通过以下三种干扰方式影响数据采集信号的准确性。一是直接作用于数据采集或处理设备，干扰设备内元器件，使其无法正常工作；二是作用于数据采集或处理设备的电源，使设备供电不正常；三是直接作用于传输信道，使传输信号发生畸变。对于集中式和分布式两种数据采集方式来说，经常会遇到前两种干扰方式，二者抗干扰措施基本相同，一般都是增加电源滤波器或磁环。根据实际的电磁特性，选择具有较好电磁屏蔽效果和厚度适宜的材料制作屏蔽机箱，同时，提供良好的接地（最好接地阻值在1欧姆以下），为电源和屏蔽机箱提供良好的静电泄放通路。而这两种截然不同的数据采集方式，最大的区别在于传输信道干扰程度不同，这是本文讨论的重点，下面将重点分析。

集中采集模式的弊端在于数据传输线路过长，特别是模拟信号，易受强电磁干扰，信号波形严重失真，造成数据处理设备无法正确获得取样数据的数值。由于短波工作在3～26M范围，常用频段在6～21M，波长范围在14.28～50m，查阅电磁干扰相关书籍可知，当传输线长度大于电磁信号1/4个波长时，电磁信号就会对传输信道的信号产生干扰。在实际有线传输信道，经常会采用多种抗干扰措施，但如果自动化系统前端采集设备到数据处理设备的传输距离大于1/2个波长，在强电磁干扰源的作用下，即使采取多种抗干扰措施，并不能起到很好的抗电磁干扰效果。

1.4 分布采集模式

集中采集模式，如果传输信道距离大于1/2个波长，模拟信号在有线传输信道存在严重干扰，原因有二，一是传输信号是模拟信号，二是传输线路过长。但模拟信号在有线信道传输中是不可避免的，所以，一方面要尽可能缩短有线传输信道的距离，使作用于有线信道的抗干扰措施发挥作用，让干扰控制在有效范围内；另一方面，将模拟信号转换为数字信号，提高信号的抗干扰性。但在集中采集模式下，如果采集点分布较为分散，缩短某一个采集点到数据处理汇聚点的距离，必然意味着增加另一个采集点到数据处理设备的距离。所以，要想解决模拟信号长距离传输，使其不受干扰，必须跳出集中采集模式的思维定势，从另一个角度解决集中采集模式存在的问题，也就是将数据处理设备化整为零，采用分布采集模式，拉近数据处理设备到所有数据采集点的距离，就近处理采样信号，同时，将模拟信号转换为数字信号，从而提高采集信号的抗干扰性。

图5 PLC测试温度曲线

图6 ADAM测试温度曲线

图4 PLC、ADAM测试示意图

1.5 多层屏蔽的短距离传输线路

解决了长距离传输线路问题，接下来就要解决传输线路干扰问题。在强电磁场环境下，传输线路是非常好的接收天线，所以，必须在采用分布采集模式的基础上，提高传输线路的屏蔽效果。采用分布采集模式，将模拟信号传输距离控制在半个波长范围内，再采取抗干扰措施，解决干扰问题。电磁干扰对传输线路的影响，可以分为电场耦合和磁场耦合两种。传输线路可以采用两层屏蔽模式，外层屏蔽采用双端接地，用来消除磁场耦合，通过中间多点接地方式，把传输线路控制1/4个波长范围内；内层屏蔽选接地良好的一端接地，用来消除电场耦合，同时，减小屏蔽层的孔径，减低电磁信号的衍射干扰。如果电磁波信号强度非常强或者采集点距离干扰源非常近，可以考虑三层以上的屏蔽层，采用电场和磁场交叉屏蔽的方式设置接地方式。

2 实际测试

2.1 运行效果

为了验证理论分析是否与实际相符，以PLC为代表的集中采集模式和以ADAM模块为代表的分布采集模式，在某台500kW短波发射机房，作为温控自动化系统两个测试方案，进行为期一个月的测试。该机房共有6部发射机，摆放在长约70米的机房大厅。两个测试方案都需要采集每部发射机出/入水温度和水位液面位置的模拟量，共计18个模拟量；PLC采用集中采集数据模式，最远的采集点距离PLC近40m；而ADAM模块采用分布式数据采集，每部发射机可以根据采集点的数量和距离，采取就近安装方式，选择安装一块或多块ADAM模块采集数据，每个采集点距离ADAM模块不超过1/2个波长（21M频率）距离。PLC和ADAM模块与采集点的传输线路，均采用双层屏蔽方式，外层两端接地，内层在采集点采用单端接地方式，此外，PLC的传输线路，在外层屏蔽层中还做了多点接地；PLC和ADAM在接收到采集信号后，都采用数字信号将数据发送给位于现场的上位机。如图4所示。

经过实际测试，采用分布式采集模式+短距离传输线路双屏蔽方式，效果明显优于集中采集+长距离传输线路双屏蔽方式。图5是17M频率下，采用集中采集模式，B03机的温度采集数据曲线，从图中可以看到，使用同样的抗干扰措施，依然会有较强的干扰信号；而采用分布采集模式，在为期一个月的时间里，在同一时间段、同一频率下，即使500kW的天馈线距离采集点不到10m，上位机显示的B03机温度采集数据，如图6所示，曲线比较平滑，符合设备操作运行规律，测试达到了预期效果。

本方法已经在两个短波发射机房成功实施，截至目前，设备稳定，运行情况良好。

3.2 经济成本

在测试中，虽然ADAM模块的数量多于PLC，但统计实际需求采集点数量，经过具体测算，购买ADAM模块的预算少于购买PLC模块的预算。

3 结语

中短波发射电台，由过去传统的手动操作广播发送设备，改变为自动化系统控制广播发送设备，广播发送设备的自动化，降低了值班员的劳动强度，提高了设备的稳定性，缩短了指令的响应时间。自动化彻底改变了电台的工作方式，但这一切都建立在自动化系统稳定可靠的基础上，笔者站在实际工作的角度，提出分布式采集模式+短距离传输线路双屏蔽的抗干扰方法。发射电台自动化系统，其最大的难点就是抗电磁干扰问题。在高频环境下，往往需要采取多种措施，才能彻底解决中短波全频段上的干扰问题。限于篇幅和作者能力，无法在此一一列举，文章若有描述不当之处，希望各位老师、同仁能批评指正。