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数字图像处理系统中的抗干扰设计方案解析
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2017-10-30
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0. 引言
随着人类文明的进步和电子科技的快速发展，视频通信作为人类视野的延伸，被广泛应用于各行各业。应运而生的数字图像处理技术也就得到了飞速地发展。目前，由于运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等原因，DSP已成为通信、计算机和消费电子产品等领域的基础器件，其中在数字图像处理技术中显得尤为突出。然而，由于包括DSP本身在内的所有电子器件都是干扰源，而且系统所处的工作环境中还有很多外界干扰源，再加上数字图像处理技术对信号噪声非常敏感，所以在系统设计中必须考虑系统的抗干扰问题。否则，至少会影响系统的处理结果，甚至造成更为严重的后果。本文就是介绍基于DSP的数字图像处理系统中的抗干扰设计。
1. 系统的干扰源和干扰径
基于DSP的数字图像处理系统中的干扰源主要有由光和电的基本性质所引起的噪声、电器的机械运动产生的噪声、雷电放电造成的大气噪声源、太阳黑子运动等造成的天电噪声源、电阻等电子元器件工作时发热造成的热噪声源、50Hz工频电网造成的电网干扰源、汽车点火装置造成的点火系统干扰源、无线通信系统造成的射频干扰源以及一些人为恶意造成的干扰源等，所有干扰源中高频脉冲噪声对数字信号处理系统的危害最大。
以上提到的干扰源都属于电磁干扰（EMI）。电磁学原理告诉我们：只要有电流存在就会产生磁场，只要有电压存在就会产生电场。磁场、电场随时间变化的产生量的多少，就是电磁干扰的根本原因。电磁干扰的概念如图1所示。
基于DSP的数字图像处理系统的干扰途径主要有电源线、输入／输出线、接地线、电磁感应、静电感应、电路的公共阻抗、电源异常等。各种干扰途径在本系统中所占比例如表1所示。
2. 抗干扰措施
根据对系统自身、干扰源和干扰途径的分析，本系统抗干扰措施主要是：①提高系统自身的电磁兼容性；②隔离干扰源；③切断干扰途径等3种方案。基于此，本文提出了一些适用于本系统的硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
2.1 电磁兼容
电磁兼容性是指电力、电子、通讯设备或其系统在其设置的场所处于工作状态时，不对其周围产生影响，也不被其四周的电磁环境所影响，不产生误动作和性能降低，按设计获得其工作能力。也就是说，设备或系统不对外界产生干电磁干扰，而且不受所处环境中电磁干扰影响其的正常工作能力。
2.2 硬件抗干扰技术
硬件抗干扰具有效率高的特点，可将绝大多数干扰拒之门外，硬件抗干扰技术是设计时的首选，它能有效抑制干扰源，阻断干扰通道。只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制视频通信系统的绝大部分干扰。常见的硬件抗干扰技术措施有：滤波（无源滤波和有源滤波）技术、去耦技术、隔离技术和接地技术等。
由于高频脉冲噪声对本系统危害最大，为了提高系统的抗干扰性能，在系统中可采取以下措施：
（1） 增加总线的抗干扰能力。采用三态门形式的总线结构，并给总线接上拉电阻，使总线在瞬间处于稳定的高电平而避免总线出现悬空状态。总线须加缓冲器。
（2） 提高系统控制信号抗干扰能力。在系统中通常有RESET、STB等控制线，当CPU与其控制器件的传输距离较远且控制线阻抗较高时，就容易受到脉冲噪声干扰。可在被控制器件的输入端并联一只20pF的电容，并且在RESET等控制信号线并联一只0.01μF电容。给控制线加一级缓冲器，使控制线的阻抗变低，也有助于抑制干扰。
（3） 抑制数字信号的串模干扰。这种串模干扰是相邻信号线在传输信号过程中引起的干扰，大多发生在印制板平行导线上。串模干扰的强弱与相邻两信号线之间的耦合阻抗和信号本身的阻抗有关。因此，在本系统中应当：尽量缩短信号线的长度；传输多种电平信号时，尽量把前、后沿时间相近的电平信号划为一组传输；在双面印制板的背面布置较大面积的地线区域可对部件产生的高频脉冲噪声起到吸收和屏蔽的作用。
随着人类文明的进步和电子科技的快速发展，视频通信作为人类视野的延伸，被广泛应用于各行各业。应运而生的数字图像处理技术也就得到了飞速地发展。目前，由于运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等原因，DSP已成为通信、计算机和消费电子产品等领域的基础器件，其中在数字图像处理技术中显得尤为突出。然而，由于包括DSP本身在内的所有电子器件都是干扰源，而且系统所处的工作环境中还有很多外界干扰源，再加上数字图像处理技术对信号噪声非常敏感，所以在系统设计中必须考虑系统的抗干扰问题。否则，至少会影响系统的处理结果，甚至造成更为严重的后果。本文就是介绍基于DSP的数字图像处理系统中的抗干扰设计。
1. 系统的干扰源和干扰径
基于DSP的数字图像处理系统中的干扰源主要有由光和电的基本性质所引起的噪声、电器的机械运动产生的噪声、雷电放电造成的大气噪声源、太阳黑子运动等造成的天电噪声源、电阻等电子元器件工作时发热造成的热噪声源、50Hz工频电网造成的电网干扰源、汽车点火装置造成的点火系统干扰源、无线通信系统造成的射频干扰源以及一些人为恶意造成的干扰源等，所有干扰源中高频脉冲噪声对数字信号处理系统的危害最大。
以上提到的干扰源都属于电磁干扰（EMI）。电磁学原理告诉我们：只要有电流存在就会产生磁场，只要有电压存在就会产生电场。磁场、电场随时间变化的产生量的多少，就是电磁干扰的根本原因。电磁干扰的概念如图1所示。
基于DSP的数字图像处理系统的干扰途径主要有电源线、输入／输出线、接地线、电磁感应、静电感应、电路的公共阻抗、电源异常等。各种干扰途径在本系统中所占比例如表1所示。
2. 抗干扰措施
根据对系统自身、干扰源和干扰途径的分析，本系统抗干扰措施主要是：①提高系统自身的电磁兼容性；②隔离干扰源；③切断干扰途径等3种方案。基于此，本文提出了一些适用于本系统的硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
2.1 电磁兼容
电磁兼容性是指电力、电子、通讯设备或其系统在其设置的场所处于工作状态时，不对其周围产生影响，也不被其四周的电磁环境所影响，不产生误动作和性能降低，按设计获得其工作能力。也就是说，设备或系统不对外界产生干电磁干扰，而且不受所处环境中电磁干扰影响其的正常工作能力。
2.2 硬件抗干扰技术
硬件抗干扰具有效率高的特点，可将绝大多数干扰拒之门外，硬件抗干扰技术是设计时的首选，它能有效抑制干扰源，阻断干扰通道。只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制视频通信系统的绝大部分干扰。常见的硬件抗干扰技术措施有：滤波（无源滤波和有源滤波）技术、去耦技术、隔离技术和接地技术等。
由于高频脉冲噪声对本系统危害最大，为了提高系统的抗干扰性能，在系统中可采取以下措施：
（1） 增加总线的抗干扰能力。采用三态门形式的总线结构，并给总线接上拉电阻，使总线在瞬间处于稳定的高电平而避免总线出现悬空状态。总线须加缓冲器。
（2） 提高系统控制信号抗干扰能力。在系统中通常有RESET、STB等控制线，当CPU与其控制器件的传输距离较远且控制线阻抗较高时，就容易受到脉冲噪声干扰。可在被控制器件的输入端并联一只20pF的电容，并且在RESET等控制信号线并联一只0.01μF电容。给控制线加一级缓冲器，使控制线的阻抗变低，也有助于抑制干扰。
（3） 抑制数字信号的串模干扰。这种串模干扰是相邻信号线在传输信号过程中引起的干扰，大多发生在印制板平行导线上。串模干扰的强弱与相邻两信号线之间的耦合阻抗和信号本身的阻抗有关。因此，在本系统中应当：尽量缩短信号线的长度；传输多种电平信号时，尽量把前、后沿时间相近的电平信号划为一组传输；在双面印制板的背面布置较大面积的地线区域可对部件产生的高频脉冲噪声起到吸收和屏蔽的作用。
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