Есть мнение, что PC-based системы имеют "засаду на земле"

В.Трофимов, М. Кузнецов, В. Пыжов, А. Попов,
ООО "Тахион"
март 2004 г.

Как всегда, поводом для статьи послужила "жизнь".

Имели в офисе демонстрационный образец компьютерной системы обработки видеосигнала, замечательной по своим функциональным возможностям. Об удобстве или неудобстве интерфейса в данном случае речь не идет. И не было никаких проблем, пока не вывезли систему на выставку в Ленэкспо. И пошли помехи по каналам. И линии то сверхкороткие - никак не больше 10 м. Правда, коаксиальные. Но на видеомониторах эти же картинки чистые, ни квадраторы, ни мультиплексоры тоже ничего не портили. Включили в линии видеосигналов развязывающий трансформатор (благо, являясь производителем, можем взять их столько, сколько захочется), и помеха исчезла. Ну, и слава Богу! Мало ли чего могло случиться. Победили и забыли.

Прошел ровно год. Мы - уже ученые, и сразу пустили на компьютер сигналы через трансформатор. Зато срочно понадобилось несколько трансформаторов для тех же целей нашим коллегам по рынку. Помогли и опять забыли.

А потом нас попросили помочь с "боевой ситуацией". Объект - завод. Передача видеосигнала по коаксиальной линии. Протяженность около 100 м. На приемном конце - компьютерная система (PC-based). На экране - помеха вплоть до полного невосприятия изображения. Первое, что приходит на ум - мощная наводка на линию - на заводе, да по коаксиалу, да 100 м по крыше! Сами никогда бы "не подписались". Заземления на передающем конце нет. Значит, дело не в разнице потенциалов земель. И совсем "чудеса" - на экране видеомонитора картинка отличная, никаких помех нет. Применение развязывающего трансформатора полностью проблему решило.

С интервалом в день к нам обращается другой наш коллега по рынку. Дословно ситуация выглядел а так: "Если бы не это удаленное наблюдение на компьютере, все было бы нормально". Выход из положения тот же. Отметим, что возникают подобные ситуации исключительно при передаче видеосигнала по коаксиальным (несимметричным) линиям. С другой стороны, на столь коротких линиях, на которых могут появиться вышеуказанные проблемы, мало кому придет в голову передавать сигнал по витой паре, а уж тем более, по оптоволокну. Есть реальный повод задуматься, что мы и решили сделать.

Поскольку тема помех поистине неисчерпаема, находится где-то на гране между наукой и хиромантией (это - не законы теоретической механики, где практически все "кандидатские" и "докторские" уже написаны), мы вовсе не претендуем на "истину в последней инстанции", а всего лишь выскажем собственное мнение. Возможно, появятся и другие, которые смогут оказать реальную помощь инсталлятору.

Итак, есть мнение, что сам компьютер в массовом классическом нынешнем исполнении (не Non PC-based системы, о чем упомянем ниже) являет собой достаточно мощный генератор помех для входного видеосигнала при типовом массовом исполнении плат ввода. Только несколько возможных причин таких помех для примера, ибо в каждом конкретном случае, думается, их, возможных, можно отыскать столько, что не хватит разумных объемов журнала. Да это - и не наши цели. Мы эти помехи получаем, как данность, а наша задача - от них избавиться.

Для начала, организация питания компьютера. Сегодняшний Pentium 4 в зависимости от "набивки" запросто может потребовать блок питания мощностью около 300 Вт (можете снять крышку со своего компьютера и посмотреть). Естественно, его блок питания воплощен в реальности исключительно, как импульсный источник питания. В противном случае габариты его были бы такие же, как и самого компьютера, ну а вес был бы неподъемным. Да и количество необходимой меди, отраженное в цене, вряд ли обрадовало бы покупателя. Но сумма удовольствий, как известно, равна const, а импульсный блок питания наряду с выигрышами несет и первые проблемы.

На рис. 1 представлена типовая схема (силовая часть) импульсного блока питания компьютера (форм-фактор AT, ATX). Любителей дискуссий просим не указывать на недостающие фильтры по сети; речь не об источнике, а о проблемах, им создаваемых. Форма управляющего напряжения на транзисторы показана на рис. 2. Форма импульсов, строго говоря, не совсем прямоугольная, но очень к ней близкая. Частота следования этих импульсов может быть от 20 кГц и больше. Благодаря чему, на коллекторах транзисторов имеем форму напряжения, близкую к прямоугольной, с амплитудой около 150 В. По цепям ЕАВС и CBFD циркулируют импульсные токи, возникающие из-за почти мгновенного нарастания напряжения в момент открытия транзисторов, с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,3-1 мкс), с амплитудами до 3-5 А, которые на внутренних сопротивлениях создают падения напряжения, фактически представляющие собой сигналы помех, спектр которых простирается от 20 кГц и до нескольких мегагерц. Эти помехи распространяются в нагрузку, снижая отношение сигнал-шум высокочастотных усилителей. Чем больше мощность нашего источника питания, тем больший уровень помех можно от него ждать.

Основные пути помехоподавления в импульсном источнике питания - это уменьшение паразитных емкостных связей между цепями первичного (сетевого) напряжения и вторичными цепями; выбор оптимальных режимов переключения транзисторов и диодов, предотвращающих резкие перепады напряжения: сокращение площади контуров, охватываемых цепями, по которым протекают большие импульсные токи. Как это все реализовано именно в Вашем компьютерном блоке питания, Вы вряд ли сможете оценить, по крайней мере - до момента покупки - это точно. Кстати, понятие "промышленный компьютер" начинается именно с качественного блока питания. И с трудом верится, что, разрабатывая компьютер "общего применения", разработчики сильно задумывались о Ваших проблемах обработки на нем видеосигналов. Так что в общем случае можно рассматривать импульсный компьютерный источник питания как источник интенсивных помех с очень широким спектром.

Теоретически, и на самой материнской плате можно ожидать наличия элементов и узлов, способных создавать для нас помеху - различные преобразователи, импульсные стабилизаторы и т.п. Хотя, думается, уровень такой помехи не столь значителен, чтобы реально "испортить жизнь".

В компьютере применяется последовательное заземление общих проводов силовых цепей функциональных блоков, к коим относятся непосредственно процессор, видеокарта, звуковая карта, сетевая карта, плата ввода видеосигналов и т.д. Такое соединение представляет собой самый простой и в то же время самый нежелательный вариант. В этом случае появляется перекрестная связь между блоками в результате протекания возвратных токов через последовательно соединенные полные сопротивления заземляющих устройств, из-за чего потенциалы общего провода в каждом функциональном блоке отличны от нуля. Изменения этих потенциалов в компьютере носят импульсный характер. Грубо говоря, импульсно изменяется точка начала измерения сигнала, что может проявляться, как помеха. Такая схема заземления в общем случае приемлема для функциональных блоков с очень малым и стабильным потреблением мощности. Но если мы обратимся к техническим характеристикам, например, процессоров, то увидим, что Intel Pentium 4 может иметь потребление от 50 до 103 Вт. Далеко не малое потребление.

С точки зрения "классики" общие провода силовых цепей в данном случае должны быть разведены радиально с объединением их в точке первичного заземления (рис. 3 Б). Однако физически осуществить это в компьютере невозможно - вся материнская плата состояла бы сплошь из общих проводников, ну и размеров была бы соответствующих. Среди критериев оптимизации для компьютера этот не ставится "на первых ролях". О Вашем видеосигнале меньше всего думали при разводке земли. Для наших задач видеоконтроля не столь важно, где и почему в компьютере может зародиться помеха. Важно, что сам компьютер следует рассматривать, как возможный генератор помех в системе.

Очевидно, что коли такая помеха проявляется на изображении, она воздействует на аналоговый видеосигнал до входа его в АЦП. То есть результаты всех этих "безобразий" не ограничились собственно компьютером, а пошли бродить по внешним цепям. Со Щеточником помех бороться бесполезно, а вот разорвать внешнюю цепь помехи стоит попробовать. Единственный путь попасть этой генерируемой компьютером помехи в нашу линию видеосигнала - через общий провод цепи питания.

На рисунке приведена принципиальная схема подключения видеокамеры к приемнику (компьютеру) с передачей видеосигнала по несимметричной линии - коаксиальному кабелю. Источник питания видеокамеры имеет емкость между обмотками трансформатора. Величина этой емкости, вероятно, не настолько мала, чтобы не пропустить импульсные токи, с частотой, "опасной" для видеосигнала. По поводу источника питания компьютера, однозначного мнения у нас нет. Возможно, токи помехи проходят через емкость между обмотками трансформатора (хотя эта емкость, по идее, должна быть очень мала в силу очень большой частоты токов в обмотках импульсного источника питания и тогда пропустит только токи с частотами, намного превышающими опасный спектр), а могут проходить через входную емкость сетевого фильтра источника питания. Но это на суть не влияет. Главное, что они находят "свою" дорогу через некую емкость.

С учетом этого приведем схему к более удобному для дальнейшего восприятия виду. Считаем, что в цепь включен генератор помех. Нагрузки источника видеосигнала по выходу и приемника видеосигнала по входу составляют по 75 Ом. Ток прмехи, протекая по экрану коаксиального кабеля, создает на нем падение напряжения. Тогда ко входу видеосигнала в приемник через 75-омный делитель будет приложено напряжение помехи, которое и "портит нам жизнь".

Развязывающий трансформатор имеет заведомо очень малую емкость, а, значит, очень большое реактивное сопротивление.

Мы можем разорвать контур заземления, если вместо развязывающего трансформатора используем оптрон. Правда, в этом случае потребуется организация дополнительного питания. Развязывающий трансформатор - элемент пассивный. Кроме того, желаемого эффекта подавления помехи мы можем добиться за счет применения дифференциального усилителя и симметрирования линии передачи, т.е. при организации передачи видеосигнала по витой паре - синфазные помехи, наводимые в разных проводниках линии, будут взаимоуничтожаться. По поводу случаев появления помех на очень коротких линиях, что имело место, в частности, на выставке.

Есть основание полагать, что на таких объектах:

• возможно зануление, когда корпус приемника, соединенный с общим проводом сигнальных цепей в компьютере, в питающей розетке соединен с нулем сети. Током не убьет, зато в полной мере соберете весь "мусор" в сети на вход полезного сигнала;

• даже, если зануления в цепи питания от сети нет, "мусор" с нулевого провода через входную емкость (Сг) может попасть в контур заземления. Далее -см. выше по схемам рис. 5, 6. А на нуле питания "мусора" действительно много. Важно, достаточна ли его амплитуда, находится ли он в опасном частотном спектре, чтобы создать на сопротивлении экрана коаксиального кабеля помеху полезному сигналу, выходящую за допустимый уровень шумов.

Попутно можно отметить, что абсолютно все компьютерные сетевые карты имеют гальваническую развязку по входу, которая является обязательным элементом схемы. Возможно, что где-то есть, но нам не встречалось ни одной платы ввода видеосигналов с гальваническими развязками по входам.

Что касается цифровых "Non PC-based" систем, то применительно к ним вышеописанного эффекта нам пока наблюдать не приходилось. Не утверждаем, что и не придется, но в одинаковых внешних условиях, при питании от одного сетевого источника, при одних и тех же линиях и источниках видеосигналов {в частности - на выставочном стенде), в то время, как компьютерная система дает видимые на экране помехи и требует применения развязывающего трансформатора, какой-нибудь 16-ти канальный "Falcon" дает на видеомониторе безукоризненные "картинки" по всем 16 каналам (это не реклама и не антиреклама; это - всего лишь повод к рассуждениям).

Что видится на первый взгляд? Прежде всего, мощность источников питания таких "законченных цифровиков" - Б 5-6 раз меньше компьютерных. Он рассчитан на конкретный ограниченный перечень функций и не перегружен "полным желаемым набором удовольствий". Значит, в 5-6 раз меньше токи, значит, ниже уровень помех, ими создаваемых. Это - по части возможной внутренней их генерации.

Второе. Проводя сравнительный анализ различных устройств записи на жесткий диск различных производителей, обнаружили интересную деталь: аппараты с ценовым уровнем "выше среднего" (тот же "FaLkon") имеют выносной блок питания. Откройте крышку такого DVD-рекодера - места свободного в корпусе больше, чем достаточно. АН - нет. Размещают отдельно. И, вероятно, не зря. В этом случае имеем возможность вообще уйти от емкостной связи между нулем сети (и/или защитным заземлением) и общим сигнальным проводом. Нет емкости на нашей схеме. Значит, нет и замкнутого контура.

Ну и, думается, есть возможность развести схему, исходя из критериев оптимизации для конкретной, достаточно узкой, в сравнении с компьютером широкого применения, задачи.

Встроенных гальванических развязок по видеовходам в этих устройствах не обнаружили, но не исключаем, что они понадобятся на длинных несимметричных линиях, когда R3Kpana становится достаточным для формирования помехи.

В чем состоит "засада"? Конечно, в деньгах. Представьте, что Вы оснащаете системой видеонаблюдения камер так на 16 какой-нибудь офис с линиями в 30- 100 метров. А на приемной стороне - компьютерная система. Будут помехи, не будет их, в каком Китае делался компьютер?- одному Богу известно. А застраховать "Вашу ответственность" перед заказчиком на 16 каналов, т.е. заложить в калькуляцию 16 развязывающих трансформаторов, ему (заказчику) обойдется в -960 у.е. (16 х -60 у.е.). И вполне

возможно, что заказчику известны цены на компьютерную систему, заявленные изготовителем. Но при этом, ни о каких гальванических развязках вообще нет упоминания, а уж тем более о ценах на них. А цены - относительно не малые: мало развязать земли, надо еще всю амплитудно-частотную характеристику полезного сигнала сохранить в первозданном виде.

Если линии действительно длинные, во всех отношениях разумно передавать сигнал не по коаксиалу, а по витой паре (или оптоволокну, если клиент согласен). Тогда проблема Вас не коснется. А если это - компьютерная система казино на 32 канала, демонстрируемая на последних выставках? Все казино, "прошедшие через наши руки", имеют исключительно коаксиальные линии передачи. Цена рисков составляет уже 1920 у.е. Передача по витой паре выйдет еще дороже. Как Вы поделите стоимость этих рисков с Вашим заказчиком? Получится уговорить доплатить его потом, если "поймаете помеху", или сможете сразу взять с него -2000 у.е. "на всякий случай"?

Еще раз напоминаем - настоящая статья не претендует на истину в последней инстанции. Это - всего лишь наши мнения. Если хотите, мы сочли своим долгом предупредить о возможной "засаде". А кто не спрятался, мы не виноваты.

Статья была напечатана в журнале "Алгоритм безопасности", №3, 2004 г.

Начало | Другие аналитические статьи | Вернуться