监控系统电磁干扰研究和检测不确定度评定

文/钱钰钰 孙仲杰 刘 梅 李龙国（合肥通用机械研究院有限公司）

监控系统也称闭路电视监控系统，经典的监控系统主要由前端的音视频传输设备、音视频采集设备，后端的控制、存储及显示设备五大部分组成，其中后端的控制部分可进一步分为分段控制设备与中心控制设备。前、后端设备又有多种构成方式，它们之间的传输可以通过光纤、双绞线、微波、同轴电缆、无线等多种方式来实现。随着监控系统的广泛应用，监控系统的电磁干扰对环境和其他设备的影响越来越受到重视。本文依据国家标准《信息技术设备的无线电骚扰极值和测量方法》（GB 9254—2008）[1]，对监控系统的电源端子传导骚扰检测技术和监控系统的辐射骚扰检测技术进行了研究；为了降低监控系统对环境的电磁干扰，对监控系统中电源模块的缺陷进行了整改；依据国家计量技术规范《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）[2]对监控系统电源模块的传导骚扰检测的不确定度进行了分析评定。

一、监控系统

某监控系统主要由显示器、控制器、视频矩阵切换器、RGB 矩阵切换器和传输系统组成，如图1 所示。其中控制器又由控制模块、电源模块和存储模块三部分组成，通过显示屏展示信息地图。

二、检测过程

1.传导骚扰检测方法及结果

传导骚扰检测主要检测监控系统内部的电压或电流通过信号线、电源线或地线传输出去的电磁干扰。对该监控系统的显示器、控制器、视频矩阵切换器、RGB 矩阵切换器进行检测发现，主要是控制器中的电源模块影响传导骚扰检测数据。根据GB 9254—2008 中的方法，对监控系统的电源模块进行检测。

检测结果表明，检测相位为N 时，在频率为0.425 MHz、0.47 MHz、0.58 MHz、0.69 MHz、2.08 MHz 的检测结果准峰值均超出对应的传导骚扰Class A 的极限值[1]（见表1），检测不合格。

2.辐射骚扰检测方法和结果

辐射骚扰检测主要检测监控系统通过空气传播出去的电磁干扰，对该监控系统的显示器、控制器、视频矩阵切换器、RGB 矩阵切换器进行检测，发现主要是控制器中的电源模块影响辐射骚扰检测数据。根据GB 9254—2008 中辐射骚扰检测方法，对监控系统的电源模块进行辐射骚扰测试。以准峰值为参考值，测量垂直极化与水平极化方向的辐射干扰量。

检测结果表明，天线极性为垂直的情况下，在频率为100 MHz、132 MHz、164 MHz、192 MHz、246 MHz的检测结果均超出对应Class A 的极限值[1]（见表2），检测不合格。

三、整改方法

1.传导骚扰检测整改

方法一。电源模块中的噪声源也可以通过变压器传播。变压器的初级线圈和次级线圈之间的杂散电容对噪声源有影响，尝试在变压器的初级线圈和次级线圈中间增加一个屏蔽层，其目的是将杂散电容接地，使噪声对地有一个低阻抗的回路，从而减小流过LISN人工电源网络的电流，最终降低传导骚扰的干扰。

方法二。电源模块中的噪声源的传播途径是“变压器的杂散电容→二极管/MOS 管→散热器的杂散电容→散热器→地的杂散电容→人工电源网络”。要减小传导骚扰的干扰，应该在初级线圈地与次级线圈地之间加一个Y 电容。Y 电容的作用是减小到地的电流，为了给MOS 管工作产生且串到变压器次级的噪声电流提供一个低阻抗的回路，也是为了二次侧二极管产生的且串到变压器初级的噪声电流提供低阻抗回路，从而减小流过人工电源网络的电流。

2.辐射骚扰检测整改

方法一。对电源模块在垂直极化超差部分进行分析，通过近场探头法在电源模块内部找出干扰源和耦合路径。近场探头法是把电源模块的金属外壳打开，然后把电源模块分成多个区域，用频谱分析仪的进场探头对每一个区域进行排查。如果发现频谱仪上的起伏超过正常值，说明对应的频段近场探头测到的干扰量比较大，辐射骚扰数据的超差也比较大，干扰源就在此区域，则要对之进行整改。

方法二。电源模块的金属外壳是由金属板材组合而成，金属外壳可以屏蔽一定量的电磁辐射，电源模块的外壳接缝不紧密会造成电磁场穿透。检查电源模块的外壳缝隙，如果电源模块的外壳接缝不紧密，找到电源模块金属壳缝隙比较大的地方，压合紧密；如果缝隙无法压合或者电源模块的内部元器件超差，则选取合适尺寸的铜箔，对电源内部元器件进行粘贴，以阻碍电磁场的穿透。

四、验证

1.传导骚扰验证

通过对电源模块的改进，再次检测监控系统的电源模块，以相位N 为例，检验不同频率的准峰值均在极限值以下（见表3），检测合格。

表3 传导骚扰检测结果

2.辐射骚扰验证

通过对监控系统的电源模块进行改进，再次检测监控系统的电源模块，不同频率的准峰值检测数据均在极限值以内，判定为合格。

五、传导骚扰检测不确定度分析

1.不确定度的分析与计算

根据JJF 1059.1—2012 中对不确定度的定义和评定要求，对本实验室电源端子传导骚扰的测量不确定度进行评定[3]。根据GB 9254—2008 进行电源端子传导骚扰测量操作，电源端子传导骚扰的测量不确定度涉及EMI 接收机、场地（屏蔽室）和LISN 人工电源网络及其他因素。

2.测量不确定度的A 类分量计算

操作重复性的不确定度，采用监控系统的电源模块检测任一频率点。每次检测后，把EMI 接收机和电源模块调至初始状态，关闭电源，拆卸连接电缆，使每次检测的结果各自独立。共测量12 次准峰值观测值，计算12 次测量结果的算术平均值为56.2 dB，测量结果的标准偏差为1.24 dB，计算得到标准不确定度为0.36 dB。

人员偏向性的不确定度，固定一名技术人员进行实际操作，不确定度为0 dB。

3.测量不确定度的B 类分量计算

端口匹配特性的不确定度，EMI 接收机校准中包含端口匹配影响，此不确定度包含在EMI 测量接收机误差中[4]。

样品位置误差，电源传导骚扰检测要求对样品位置误差也不高，位置极限误差不大于0.02 m，不确定度约为0 dB。

环境误差，在恒温恒湿恒压环境下，背景噪声也很小[4]，不确定度约为0 dB。

场地误差，电源传导骚扰检测要求对场地保障较低的电磁背景噪声，屏蔽室可保障较低的电磁背景噪声[4]，不确定度约为0 dB。

4.合成标准不确定度的评定

综合上述A 类分量和B 类分量的不确定度，得到合成标准不确定度约为0.91 dB。

5.扩展不确定度的评定

测量结果不确定度的给定概率95%时，扩展因子2，则扩展不确定度约为1.8 dB[5]。

6.结果报告

根据GB 9254—2008 来测定监控系统中电源模块的传导骚扰准峰值为(56.2±1.8)dB，k=2。

六、结语

本文介绍了经典的监控系统技术以及监控系统对环境的电磁干扰的影响。依据标准GB 9254—2008，通过对监控系统的电源模块的传导骚扰检测技术和监控系统的辐射骚扰检测技术的研究，探讨了如何通过改进设计来降低设备的电磁干扰，并通过实验的数据来验证改进的效果，最后对传导骚扰检测结果的不确定度进行分析评定。