چهار راه ورود نویز به کابل سیگنال و راه های کنترل آن

تداخل چیست؟

نویز و یا تداخل می تواند به عنوان سیگنال نا مطلوبی که با سیگنال مطلوب تداخل می کند و آن را تغییر می دهد تعریف شود. نویز می تواند به صورت گذرا و یا دائمی باشد. وجود نویز همواره طراحی سیستم را چالشی تر می کند.

یک نمونه از نویز دائمی می تواند ناشی از لامپ های روشنایی(مخصوصا مهتابی ها) باشد که نویز 50هرتز (فرکانس برق شهر) را به سیگنال وارد می کند. مدارهای قدرت نیز می توانند این نویز و همچنین نویز ناشی از هارمونیک های فرکانس بالاتر برق شهر را وارد سیستم کنند.

نویز الکترونیکی به 4 روش می تواند به داخل سیم سیگنال نفوذ کند:

1.       روش گالوانیک و به عبارت دیگر اتصال الکتریکی مستقیم منبع نویز و سیم سیگنال

2.       کوپلینگ الکترواستاتیک

3.       القای الکترومناطیسی

4.       تداخل فرکانس رادیویی

اگر دو سیگنال داخل یک کابل دارای یک سیم مشترک (یا مسیر برگشت سیگنال) باشند، افت ولتاژ ناشی از برگشت یک سیگنال در سیم مشترک می تواند به صورت نویز در سیگنال دیگر ظاهر شود چرا که هم دو سیگنال نسبت به یک سیم مشترک سنجیده می شوند و بنابراین افت ولتاژ ناشی از یک سیگنال، به عنوان نویز در سیگنال دیگر قابل مشاهده است.

نویز الکترواستاتیک نیز توسط خازن ها و خازن های پراکندگی به سیم سیگنال کوپل می شوند. این خازن ها در فرکانس نویز امپدانس کمی دارند و مقدار زیادی از نویز را به سیم سیگنال انتقال می دهند. بنابراین نویز می تواند از مسیرهای به ظاهر نارسانا هم به داخل سیگنال نفوذ و اختلال ایجاد کند.

تداخل الکترومغناطیسی زمانی ایجاد می شوند که سیم رسانا در داخل یک میدان مغناطیسی متغیر قرار گیرد. در این صورت یک ولتاژ ناخواسته در داخل سیم القا می شود. این ولتاژ ناخواسته در سیم های مرجع باعث تغییر سطح ولتاژ آن ها شده و انداه گیری های ولتاژ سیگنال ها نسبت به این مرجع را دچار خطا می کند. همچنین ولتاز ناخواسته مذکور در سیم های سیگنال نیز به طور مشابه اندازه گیری ها را دچار خطا می کند. بنابراین ولتاژ ناخواسته ناشی از القای الکترومغناطیسی به صورت نویز در سیستم نفوذ می کند. میدان های مغناطیسی قوی اغلب در مدارهای مخابراتی و اطراف سیم های جریان بالا وجود دارد.

نویز ناشی از تداخل فرکانس رادیویی هم به دلیل تداخل دو سیگنال فرکانس بالا ایجاد می شود. دیتای مدوله شده در این سیگنال ها در اثر تداخل قابل بازیابی به صورت صحیح نخواهند بود. این نویز در مدارهای مخابراتی بی سیم مشکل ساز است.

انتقال نویز به صورت گالوانیک و راه حل کاهش آن

همانطور که گفته شد، زمانی که دو یا چند مدار از سیم های مشترک به عنوان مرجع سیگنال ها استفاده می کنند جریان برگشتی ناشی از یک سیگنال در سیم مشترک باعث ایجاد افت ولتاژی می شود که این افت ولتاژ باعث ایجاد خطا در سنجش سایر سیگنال ها خواهد شد.افت ولتاژ مذکور در سیم مشترک ناشی از مقاومت و خاصیت خازنی  و سلفی  آن است. این وضعیت در شکل زیر نمایش داده شده است

یکی از سریع ترین راه های کاهش این نوع نویز، کاهش حداکثری امپدانس سیم مشترک است. بهترین راه برای کاهش این نویز هم استفاده از سیم های مجزا برای برگشت هر سیگنال است. این سیم های مجزا، فقط در یک نقطه مشترک می شوند بنابراین اثر جریان برگشتی هر سیگنال بر روی مسیرهای برگشت سایر سیگنال ها اثر ندارد. روش پیاده سازی این روش در شکل زیر نشان داده شده است.

انتقال نویز با کوپلینگ خازنی و یا الکترواستاتیک و راه حل کاهش آن

شدت این نویز با میزان ظرفیت خازنی بین منبع نویز و سیم سیگنال متناسب است. علاوه بر این هرچه فرکانس نویز بالاتر باشد، میزان بیشتری از نویز به سیم سیگنال موپل خواهد شد زیرا امپدانس خازن با افزایش فرکانس کاهش می یابد و مسیر بهتری برای انتقال نویز فراهم می کند. در شکل زیر نحوه ی انتقال نویز از منبع آن به مدار نشان داده شده است. خازن های C1 و C2 مدل فشرده از خازن های پراکندگی و طرفیت های خازنی قرار داده شده بین سیم سیگنال و منبع نویز هستند.

با توجه به اینکه با افزایش فاصبه بین منبع نویز و سیم سیگنال، ظرفیت خازنی بین آن ها کم می شود، یک راه کاهش انتقال نویز به سیم سیگنال، دور کردن آن از منبع نویز است. کاهش طول سیم سیگنال نیز باعث کاهش میزان خازن پراکندگی شده و بنابراین نویز کمتری به آن منتقل می شود.

با توجه به مطالب بالا، چهار روش برای کاهش نویز ناشی از کوپلینگ خازنی شامل موارد زیر است:

·        استفاده از سیم شیلددار برای انتقال سیگنال ها

·        ایجاد فاصله بین سیم های سیگنال و منبع نویز

·        کاهش هرچه بیشتر دامنه و فرکانس نویز در صورت امکان(مثلا کاهش فرکانس کاری میکروکنترلر و مدارهای دیجیتال تا حد امکان)

·        دورهم پیچیدن سیم های سیگنال و ایجاد کابل Twisted pair

مکانیزم عملکرد کابل شیلد دار

با استفاده از کابل شیلد دار، ظرفیت خازنی بین منبع نویز و شیلد تشکیل می شود. مطابق شکل زیر یک ظرفیت خازنی نیز بین شیلد و سیم سیگنال ایجاد می شود که مسیری برای انتقال نویز از شیلد به سیم سیگنال است اما با توجه به اینکه امپدانس شیلد برای بسته شدن مدار منبع نویز بسیار کمتر است، نویز به مقدار ناچیزی به سیم سیگنال کوپل می شود. با اتصال شیلد و مرجع سیگنال به زمین مدار، نویز اعمال شده به دلیل امپدانس کمتر شیلد از طریق شیلد منتقل می شود. در صورتی که مدار زمین مناسبی از نظر امپدانس داشته باشد، این نویز پتانسیل آن را به میزان ناچیزی تغییر می دهد که در مدار اختلالی ایجاد نمی کند.

نکته مهم در انتخاب کابل شیلددار آن است که امپدانس شیلد باید به مقدار کافی کوچک باشد.

مکانیزم عملکرد پیچیدن سیم های رفت و برگشت سیگنال به دور هم

در شکل زیر یک نمونه کابل Twisted مشاهده می کنید.

با پیچیدن سیم های رفت و برگشت سیگنال به دور هم، خازن های C1 و C2 در شکل زیر از نظر ظرفیت مشابه خواهند بود. بنابراین میزان نویز کوپل شده به هر دو سیم مشابه بوده و مطابق جمع آثار، اثر یکدیگر را خنثی می کنند.