Помехи, шумы, наводки и как с ними бороться.

Автор: Владимир Куземко

Недавно сосед попросил меня настроить только что купленный телевизор Samsung. После запуска автоматического сканирования последовательно нашлись ОРТ, РТР и сразу за ними на экране появился незнакомый сигнал. Впрочем, ТВ-сигналом в привычном смысле его назвать было трудно - на сильно зашумленном экране, покрытом шевелящимися косыми серыми полосами, виднелся прямоугольник с рваными краями, по которому плыли горизонтальные волны 50 Гц. Внезапно картинка пропала, появилась вновь, дернулась, и по экрану поползла размытая надпись с развевающимися СЕКАМ’овскими факелами: “Студия кабельного телевидения начинает свою работу. Покупка декодеров по адресу ...”

Такие ужасы нечасто приходится видеть на экранах наших телевизоров, но, тем не менее, проблемы качества сигналов, помех и шумов немало попортили крови инженерам.

Построение любой системы вещательного уровня обязательно требует обеспечения достаточно низкого уровня шумов как в тракте звуковых, так и видеосигналов. Как всякие электрические сигналы, помехи, наводки и шумы имеют вполне конкретные источники и пути проникновения в тракт сигнала. Попробуем разобраться с основными видами помех и типичными методами борьбы с ними.

Помеха от синусоидального сигнала

Синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц - прямое проникновение основной гармоники сетевого питания. Виден на экране как горизонтальные серые полосы с мягкими краями, медленно плывущие по вертикали. Типичный случай появления - незаземленные источник и приемник сигнала питаются от различных фаз сети.

Помеха токов питания

Синхронные с сетью помехи токов питания устройств, участвующих в обработке сигнала. Видны на экране как редкие (2-4 на экране) горизонтальные узкие полосы, поочередно темные и светлые, медленно плывущие по вертикали.

Синхронные с сетью импульсные помехи

Синхронные с сетью импульсные помехи от тиристорных регуляторов и ламп дневного света - похожи на предыдущие, но более узкие, резкие, иногда с мелкой структурой по горизонтали.

Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров

Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров, компьютеров, мониторов и т.п. Видны на экране как бегущие косые полосы (сетка) или крупный шевелящийся муар. Типичный случай появления - не заземленный бытовой телевизор подключен к микшеру длинным тонким кабелем.

Помехи от чужого видеосигнала - неподвижная картина

Синхронный чужой видеосигнал - неподвижная картина темного или светлого “креста” или полос, соответствующих гасящим импульсам чужого сигнала. При синфазости основного и мешающего сигналов гасящие импульсы не видны, но различие картинок может приводить к плавному цветному муару.

Помехи от чужого видеосигнала - бегущий по экрану след

Несинхронный чужой видеосигнал - бегущие по экрану следы чужого синхросигнала. Отличается характерными ровными краями картинки гасящих импульсов помехи и стабильностью частоты.

Высокочастотная помеха

Высокочастотные помехи - широкое понятие, проявляющееся в виде мелко структурной сетки или муара по всему экрану. Детектирование ВЧ помехи во входных каскадах звукового тракта иногда приводит к появлению низкочастотных сигналов самых неожиданных местах.

Несмотря на то, что каждый из приборов, составляющих комплекс оборудования студии, имеет высокие характеристики и низкий уровень шума, далеко не всегда весь комплекс имеет столь же хорошие параметры. И основной вклад в уровень помех вносят соединительные кабели и разъемы.

Источником синусоидальной 50-Гц помехи в большинстве случаев являются токи, текущие по оплеткам коаксиальных кабелей. На вполне конечном (ненулевом) суммарном сопротивлении оплетки и разъемов ток помехи вызывает падение напряжения, суммирующееся с напряжением полезного сигнала. Общий провод - “земля” всех приборов с сетевым питанием в той или иной тепени связан с фазным проводом сети. В оборудовании, оснащенном классическими линейными блоками питания, сетевая помеха проникает через относительно малую (сотни пФ) паразитную емкость сетевого трансформатора.

рисунок 1

рисунок 2

В современных приборах, оснащенных импульсными источниками питания, основная часть сетевой помехи проникает через относительно большую (0.01..0.05 мкФ) емкость сетевого фильтра, имеющегося на входе практически всех импульсных блоков питания. Емкостной делитель С1, С2 создает на общем проводе устройства среднее напряжение в 110 В по отношению к нулю сети (проверьте тестером относительно батареи или нуля) и выходным током короткого замыкания 0.3 - 0.8 мА (типичное значение).

Пример: владелец небольшой тиражной студии (30 магнитофонов NV-HS1000) очень удивлялся, замечая что его “бьет” от общей земли магнитофонов. И неудивительно - суммарная емкость всех параллельно соединенных сетевых фильтров составила почти 0.5 мкФ, что соответствовало току короткого замыкания около 20 мА, который уже является опасным для жизни! Попытка присоединить длинным кабелем к этой системе заземленный магнитофон BETACAM привела к появлению хорошо заметной 50-Гц помехи, менявшейся при покачивании соединительного разъема.

рисунок 3

Причиной помехи было падение напряжения на оплетке кабеля и высоком переходном сопротивлении разболтанного разъема, вызванное протеканием суммарного 50-Гц тока от фазного провода сети по пути А-Б-В-Г в провод заземления (рис.3).

Помогло заземление нескольких магнитофонов (рис.4, точки Д и Е), замена тонкого кабеля на более качественный и разболтанных “тюльпанов” на новые золоченые цанговые, обеспечивающие лучший контакт.

рисунок 4

Наиболее правильное решение в таком случае состоит в отдельном заземлении каждого из магнитофонов на низкоимпедансную шину заземления.

Аналогично синусоидальной 50-Гц помехе проникают в сигнал и большинство других помех, перечисленных выше. Общая их особенность - возникновение паразитных токов в экране соединительного сигнального кабеля. Внешние токи помех - из сети (например, от тиристорного регулятора настольной лампы) или внутренние (от импульсных блоков питания и блоков разверток) проникают в сигнальную землю устройства через паразитные емкости. Особо следует отметить применение дешевых бытовых телевизоров в качестве контрольных мониторов. Не предназначенные для функционирования в комплексе с другим оборудованием, они могут создавать значительные паразитные токи в подключенных сигнальных кабелях. Это связано с объединением в телевизоре земель импульсного блока питания, каскадов разверток и входных разъемов видеосигнала. Подача на вход телевизора видеосигнала, не синхронного с основными сигналами студии, делает это особенно заметным.

Дальнейшее неконтролируемое путешествие паразитных токов по земляным проводам системы может приводить к появлению помех по всем сигналам сразу.

Пример: по всем сигналам студии кабельного телевидения появились помехи, синхронные с одним из входных видеосигналов. После нескольких часов поисков выяснилось - оборвана земля в неаккуратно собранном разъеме на одном из контрольных мониторов. Оборудование было соединено тоненькими заземляющими проводочками, которые шли к висевшей в воздухе медной шине. Отсутствие пути для обратного тока видеосигнала привело к тому, что ток сигнала потек через “заземляющий” провод и напряжение сигнала появилось сразу на всех землях. Аккуратная разделка разъема и заземление медной шины привело к полному исчезновению помехи.

Аналогичные проблемы типичны для всех пользователей бытовой и полупрофессиональной аппаратуры, оснащенной двухпроводным шнуром сетевого питания. Подобные устройства хорошо работают в небольшом комплексе, включающем 3-4 аппарата одного класса без привязки к земле.

Средний потенциал общего провода всех устройств системы - 110 В относительно нуля сети. Благодаря симметрии (в первом приближении) входных фильтров он практически равен для всех устройств и не приводит к появлению значительных токов в соединительных кабелях (рис.5).

рисунок 5

Увеличение количества аппаратов, присоединение устройств длинными кабелями и заземление одного из элементов системы иногда могут приводить к резкому возрастанию уровня помех.

В подобных системах, включающих несколько устройcтв, соединенных друг с другом, проявляется еще один канал проникновения помех, связанный с “закольцовыванием” земель (рис.6).

рисунок 6

Заштрихованный контур А-Б-В-А, состоящий из трех кабелей, работает как приемная рамочная антенна. Любое внешнее магнитное поле В индуцирует в этом контуре токи, протекающие по оплеткам кабелей. Они вызывают падение напряжения на сопротивлении оплетки и разъемов, которое складывается с напряжением полезного сигнала. Источников переменного магнитного поля может быть множество - сетевые трансформаторы, отклоняющие системы телевизоров, двигатели магнитофонов и вентиляторов и т.д. Основное средство борьбы с этим каналом проникновения такого рода помех - устранение (разрыв) земляных контуров и/или уменьшение их площади, переход на звездообразное соединение устройств.

Пример: в эфирной студии кабельного телевидения резко возрос уровень помех после замены модулятора. Новый модулятор с кодером требовал гальванической связи земли системы с заземленным общим проводом кабельной сети как по НЧ, так и по ВЧ сигналу. На кабелях , идущих к модулятору, выделялось напряжение помехи, вызванное протеканием паразитных 50-Гц токов, токов помех от разверток бытовых телевизоров, использовавшихся в качестве контрольных мониторов и токов от импульсных блоков питания компьютера и видеомагнитофонов.

Для радикального решения проблемы помех студия была перестроена на базе центрального коммутатора КМ-1680V.

рисунок 7

Присоединение всех устройств “звездой” к центральному коммутатору с заземленным общим проводом позволило уменьшить количество и суммарную площадь земляных петель, развязать токи помех, укоротить им путь до земли и исключить их взаимное влияние (рис.7). Уровень помех понизился в среднем на 12-18 дБ.

Другая сторона проблемы, связанной с использованием приборов различных классов заземления - перегрузки и пробои сигнальных входов и выходов.

Например: при подключении кабеля, идущего от заземленного микшерного пульта к не заземленному VHS магнитофону центральнsй контакт разъема “тюльпан” может коснуться раньше земляного контакта. Если этот момент совпадет с точкой максимума сетевой синусоиды, то напряжение конденсаторов С1 и С2 (рис.2), заряженных до напряжения 155 В (220 2) будет приложено ко входу магнитофона и выходу микшера. Иногда это приводит к пробою входных/выходных цепей или “защелкиванию” микросхем. Ситуация аналогична при соединении двух не заземленных устройств, питающихся от разных фаз сети.

Более высокий уровень требований в профессиональной и вещательной аппаратуре требует и более корректного подхода к решению проблем заземления, поэтому аппараты таких классов обычно оснащены трехпроводными вилками с третьим контактом “грязной” земли сетевого фильтра, а некоторые - отдельной дополнительной клеммой сигнального заземления.

При правильном выполнении заземления по такой схеме, токи помех стекают в шину заземления, не создавая падения напряжения на экранах сигнальных кабелей.

Необходимое условие нормальной работы такой системы - низкое сопротивление шины заземления и заземляющих проводников. Токи помех (рис.8) должны течь по цепям А-Б-В-земля и А1-Б1-В1-земля.

рисунок 8

Если же сопротивление земляной шины на участке Б-В (Б1-В1) окажется выше, чем сопротивление оплетки кабеля Г-Д , ток помехи потечет по кабелю, создавая напряжение помехи на входе второго устройства.

Как видно, конкретный путь паразитных токов сильно зависит от соотношения нескольких весьма малых и трудно контролируемых сопротивлений, сильно зависящих, например, от чистоты и аккуратности выполнения соединений. Это и порождает мифы о “неизвестно откуда” берущихся помехах, “от которых не помогает никакое заземление”. Ситуация напоминает поведение воды, разлитой на столе - заранее трудно сказать, куда она потечет, и небольшого наклона бывает достаточно, чтобы сделать ситуацию определенной. Постоянное и аккуратное соблюдение общих правил позволяет заметно снизить уровень помех в системе и гарантировать, что он не повысится при изменении её конфигурации.

Для совершенно корректной передачи видеосигналов в сложных условиях применяют дифференциальный прием видеосигналов, позволяющий почти полностью исключить влияние разности потенциалов земли, вызванной протеканием паразитных токов.

рисунок 9

Дифференциальный приемник ДП измеряет разность потенциалов между оплеткой и жилой кабеля в точке Б. Относительно высокое сопротивление между точками В и Г гарантирует, что все токи помех пойдут только по цепи А-Д и не будут влиять на напряжение, измеренное на конце кабеля. Подобная схема часто применяется в вещательном оборудовании при передаче видеосигналов на большие расстояния (например на входе центральной аппаратной или модулятора передатчика). Для звуковых же симметричных сигналов подобная схема является стандартной.

Заметим, что обязательным условием применимости дифференциальной схемы передачи сигналов является наличие общего заземления у приемника и источника сигналов. При разрыве цепи А-Д (рис.9) ток помехи потечет по оплетке кабеля (А-В-Г), создавая помеху на входе дифференциального приемника. Это еще раз показывает, что лишь постоянное соблюдение определенных принципов заземления для всех элементов системы позволит добиться низкого уровня помех.

Максимальный набор мер при передаче звуковых и видеосигналов включает:

Выделение отдельных групп земель - “грязных” силовых, объединяющих фильтры сетевого питания, "более-менее чистых" корпусных, объединяющих корпуса и защитные электростатические экраны и "чистых" сигнальных, объединяющих сигнальные земли устройств. В минимальном случае - разделение “грязных” земель (третий провод сетевых вилок) и "чистых" - сигнальных и корпусных.

Соединение различных земель друг с другом в одной точке - на болте подключения к контуру заземления.

Обеспечение минимального сопротивления земляных шин.

Питание всех элементов тракта прохождения сигнала от отдельного разделительного трансформатора с глухим заземленным электростатическим экраном между первичной и вторичной обмотками. В минимальном случае - питание всех устройств от одной фазы сети. Избегайте фаз, от которых питаются лампы дневного света, тиристорные регуляторы и сильноточные устройства.

Обеспечение чистоты сети и сигнального заземления. Одно устройство низкого класса (с соединенными силовой и сигнальной землей), например VHS магнитофон, подключенный к сигнальной земле, может резко повысить шум во всей системе. Включая электрочайник в сеть, питающую эфирную аппаратную, приготовьтесь увидеть помеху на экране контрольного монитора при выключении чайника.

Применение при предаче звуковых сигналов симметричных линий передачи с дифференциальными приемниками и передатчиками. Область применения несимметричных звуковых сигналов - небольшие по протяженности и количеству оборудования комплексы. При переходе с симметричных на несимметричные сигналы и обратно старайтесь избегать простых переходников, сделанных из куска кабеля и двух разъемов. Только честная трансформаторная или электронная развязка с плавающими выходами и дифференциальными входами обеспечит корректное согласование уровней и форматов сигналов при гарантии высокой помехозащищенности.

Применение дифференциальных приемников в сочетании с корректным заземлением при передаче видеосигналов на большие (>10-20 м) расстояния.

Разрыв петель земли за счет соединения “звездой” вокруг центрального устройства (коммутатора, микшера и т.п.).

Применение для контроля сигналов профессиональных мониторов с дифференциальными входами.

В любом случае, рекомендуем:

Не экономьте на надежных разъемах и хороших кабелях. Пример: для повышения качества сигнала Вы заменяете эфирный микшер Panasonic AVE-7 на MX-30. Выигрыш в 6 дб отношения сигнал/шум обойдется Вам в $1100. Дополнительная замена всех разъемов и кабелей обойдется в $200-300, при том, что влияние разъемов и кабелей на качество сигнала не менее значительно.

Старайтесь применять разъемы BNC по видео вместо менее надежного “тюльпана”. BNC дороже, разделывать его сложней, но качество контакта существенно выше. Кроме того, центральные контакты соединяются всегда после земляных, что защищает входы/выходы от пробоя при подключении незаземленного оборудования.

Не путайте разъем BNC и его советский аналог СР-75. Они, конечно, соединяются друг с другом, но не всегда легко и полностью защелкиваются и не всегда после этого снимаются.

Избегайте использования лишних переходников ( например, типа BNC-RCA). Контакт, разъединившийся во время трансляции рекламного блока, может принести больше убытков, чем стоимость полного комплекта новых кабелей.

Не переключайте лишний раз разъемы. Они имеют ограниченный ресурс и вполне заметный износ. Если регулярное переключение Вам необходимо, продумайте вариант использования электронного коммутатора.

Не используйте сомнительные шнуры для передачи видеосигнала на большие расстояния. Не нормируемое волновое сопротивление, очень большое затухание, жиденькая неравномерная оплетка - это гарантия возникновения проблем при передаче на большие расстояния.

По мере роста комплекса оборудования старайтесь исключить использование несимметричных звуковых сигналов.

При прокладке кабелей избегайте соседства сигнальных и силовых линий.

Продумайте идеологию заземления и старайтесь следовать ей.

Заранее продумайте возможные пути проникновения помех. Отсутствие помех в данный момент не означает, что Вы от них защищены. Завтра в соседнем подъезде пустят лифт и каждое его включение может вызвать помехи в сети Вашей аппаратной.

Приведенный анализ не претендует на полноту и описывает лишь небольшую часть ситуаций, с которыми приходится встречаться на практике. Мы будем рады узнать от Вас, уважаемые читатели, интересные случаи и удачные решения, о которых мы с удовольствием расскажем в последующих выпусках.

Поскольку каждое мероприятие по борьбе с помехами и наводками подчас напоминает сеанс черной или белой магии, то мы предлагаем Вам проверенные годами средства, которые Вы сможете приобрести только у нас.

Владимир Куземко (ku@les.ru)

© 2000 ЛЭС ТВ

Вернуться к списку статей