数字机顶盒电磁抗干扰的设计技巧

摘要：随着电子技术的发展，电子产品广泛应用，改善了人们的生活。然而各种电子产品在使用时由于需要使用电源，需要进行各种解码，因此必定会产生各式各样电磁干扰。要使得本机能正常工作，必须在设计之初就充分考虑到产品的电磁抗干扰的问题。通过对DVBT机顶盒电磁抗干扰现象的具体分析，有针对性地通过改进电路设计、增强接地和屏蔽措施，修改PCB LAYOUT，有效地提升系统对电磁干扰的承受能力，达到所销往目的国的电磁抗干扰标准要求。
关键词：电磁兼容EMC；电磁抗干扰EMS；模电压抗干扰测试；屏蔽效能测试

0 引言
    随着电子技术的飞速发展，各式各样电子产品已广泛应用于人类生活的各个领域。越来越多的电子产品应用，必然导致它们在其周围空间电磁场电平的不断增加，使得设备周围的电磁环境处于持续恶化的过程中。因此必须解决电子产品、设备在电磁环境中的适应能力，使得电子产品、设备与其他设备联系在一起的时候，不会引起该产品、设备任何部分的工作性能下降和恶化。随着世界上各个国家模拟电视逐渐被数字电视取代的今天，越来越多的机顶盒(Set Top Box，STB)走进千家万户。作为重要的接收和转换中间设备，数字机顶盒为了解码高清节目，工作频率越来越高，机内同时存在大量的DC／DC开关电源模块、高速数据处理器(DSP)、高清数字输出接口，处理不当会导致系统不正
常工作，导致影响最终的观看效果。因此对于DVB机顶盒应当在产品的设计阶段就应当考虑其电磁兼容性(EMC)。它要求电子设备具有2方面的能力：一是在预期的电磁环境中正常工作；二是对所在的电磁环境中不是一个污染源。

1 DVB数字机顶盒的结构
     对于DVB数字机顶盒，其大体是由解码板、电源板、面板(及电路)等电路模块构成。其通过TUNER端子收取当地的电视信号并经过解调和解码芯片(DSP)的处理，解码出音视频的信号，并经过输出端子输出到电视等终端。其框图如图1所示。

2 DVB数字机顶盒目前所执行的电磁抗干扰标准
    DVB数字机顶盒在欧共体需要符合的标准是：EN55020：《声音和电视广播接收机及有关设备抗干扰特性限值和测试方法》。一般来说，在中国是按照GB9383标准，中国标准一般会参照欧洲的标准；如果产品销售的对象是美国，那么电磁兼容的设计就应当以FCC part 20的要求作为依据。对应不同的标准来设计DVB机顶盒，所采用的抑制电磁抗干扰的应对措施也有所不同，下面就欧洲的高清机顶盒HD DVBT为例进行重点阐述。

3 按照预期符合欧共体EN55020标准要求在设计时的重点
    《声音和电视广播接收机及有关设备抗干扰特性限值和测试方法》的现行标准编号为EN55020：2002+A1：2003+A2：2005+IS1：2007+I S2：2007。EN55020主要是针对视听产品和类似设备对电磁能的抗干扰的能力，保障电子产品不受其他产品产生的电磁能量影响并正常工作。其测试代号和项目有抗静电实验(ESD)、电快速瞬变(EFT)和S1～S5。S1～S5的定义如表1所示。

    在实际设计和测试的过程中，比较困扰的是经常发现S1和S4不能过，下面就这2个项目结合实际生产的机型进行详细的探讨：
3．1 天线输入端差模电压抗干扰测试S1
3．1．1 对S1的描述和标准
    该项测试适用于带有外接天线端子的声音和电视广播接收机产品。通过信号发生器对受试设备的外接天线端子以传导的方式注入特定频率点的差模干扰信号，测试受试设备天线输入端的抗干扰能力。S1的测试包含2部分，分别是抗临频测试(这部分的指标要求比Nodig的底很多，因此数字机顶盒一般没有问题)和抗干扰测试。

    天线输入端差模电压抗干扰限值，如表2(无用信号在TV频段外的电视接收机内部抗扰度)。表中的N表示有用信号，其中N1是VHF-L频段的任一频点，N3是VHF-H的任一频点。
3．1．2 抗干扰测试的测试数据、分析和解决方法
    图2是一款采用NXP数字硅高频头的机顶盒在标准实验室测试的数据，其中在29．33 MHz至30 MHz之间，抗干扰的能力离标准的要求差1 dB左右。

    在不影响机顶盒性能的情况下，根据信号通路的路径和电容越小通过的频率越高的特性，将图3中耦合输入电容C99的容值减小，由原来的1 000 pF减为120 pF。再测试，发现数据刚刚临界，没有余量。于是翻阅资料，发现事实上由于许多IC线性度性能的限制，需要在RF输入端加入一个陷波滤波器来滤除以28 MHz为中心点，带宽为4 MHz(26～30 MHz)的窄带信号，来保证测试通过。于是增加了滤波电路，如图3所示。

    此电路经过电路仿真和实际测试，对26～30 MHz的信号有大约15 dB的衰减，同时在100 MHz的衰减只有0．4 dB左右，因此对接收机低端灵敏度的影响很小，可以忽略不计。
    加装滤波器电路的机器经过测试，顺利的通过了测试，并且有6 dB的余量，同时不影响机器的接收性能。
3．2 天线端的屏蔽效能S4
3．2．1 对S4的描述和测试标准
    该项测试是评价受试设备天线端的屏蔽效能。干扰信号通过吸收钳耦合到天线端的屏蔽层(地线)及天线端本身2种途径注入到被测设备，干扰分别通过吸收钳和天线端本身注入到被测设备所经过的路径损耗之差就是天线端的屏蔽效能。更具体的讲，是入射到屏蔽层的电磁场幅度与穿透屏蔽层传输的电磁场幅度之比。对地面电视接收机的屏蔽效能的限值为50dB。
3．2．2 屏蔽效能S4的测试数据
    图4是一款高清数字机顶盒在标准实验室测试的数据，从测试结果看，只有低频段205．5 MHz通过测试，并且余量也只有0．6 dB，中高频段都没有通过测试，需要至少6 dB的屏蔽增强改进。

3．2．3 对S4测试数据的分析
    如果数字机顶盒的RF输入线没有采用屏蔽线，则外界的辐射干扰很容易耦合到导线上，产生干扰电流，并带到屏蔽壳上，并进而耦合到内部电子电路上。假如使用良好的屏蔽线，则外部电磁干扰，只会存在于屏蔽壳的外部，而不会干扰到内部电路。而如果屏蔽线与屏蔽壳结合不紧密，则干扰电流还会进入到屏蔽壳的内部，是屏蔽效能降低。反之，除非电缆屏蔽层边缘与外壳相连，外壳内部的噪声电流也会沿着屏蔽层流出外壳。
3．2．4 对数字机顶盒设计的改进
    (1)PCB布线的改进。将射频输入线与敷地之间的间隔加大，至少有1 mm的间隔，这样可以减少射频先与地线之间的耦合，因为地线与屏蔽壳是连在一起的，因此可能会导致信号线中的干扰信号向外辐射。具体要更改的地方如图5所示。

    (2)屏蔽壳的设计改进。如前所述，最有效的方法是改进屏蔽壳的密闭性，是输入电缆的屏蔽层与机顶盒的屏蔽壳紧密相连，同时保证屏蔽壳是一个完整的密闭体。然而实际操作来说，对于硅高频头ON BOARD设计，鉴于成本的设计，只能尽量接近理想的要求。
    具体的改法是把过孔式的屏蔽壳装配的时候手工在焊接面把屏蔽壳露出脚位扭十字固定，并且在元件面的PCB上沿着屏蔽壳的正下面敷地并露铜，在过波峰焊的时候保证其脚位焊接良好。具体的更改如图6所示。

    经过上述的更改，机顶盒顺利地通过了测试，并且有5 dB的余量。

4 结语
    EN55020用于判定产品的抗干扰特性，主要是引入信噪比作为性能判定依据。此外，标准中的S1，S2，S4为内部抗扰度的测试，即将干扰信号注入到产品的内部来测试产品的各部分的抗干扰能力，而S3，S5则是外部抗扰度，即测试产品对外部磁场和外部环境的抗干扰能力。理解EN55020测试的关键就在于理解各项抗干扰测试的评定方法。另外，在测试中还要注意区分不同测试之间干扰信号的频率范围。
    通过以上电路设计，DVBT机顶盒的电磁抗干扰性能能满足所销往目的国的电磁兼容标准要求。实际上，经过以上抑制电磁抗干扰设计，提高DVBT机顶盒抗接受信号的灵敏度并保证信号输出的质量。实践证明，在设计前期良好的策划和经验是保证产品设计快速成功的基础，避免重复的更改。对于电磁兼容的讨论和规则运用要不停的结合实际情况不断的学习和探索下去。