計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容EMC問(wèn)題解析

電磁兼容的英文名稱為Electromagnetic Compatibility ，簡(jiǎn)稱EMC。電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達(dá)0-400GHz，研究對(duì)象除傳統(tǒng)設(shè)施外，涉及芯片級(jí)，直到各型艦船、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈，甚至整個(gè)地球的電磁環(huán)境。

一、計(jì)算機(jī)TEMPEST技術(shù)

計(jì)算機(jī)TEMPEST技術(shù)發(fā)展至今已有40年的歷史，它是在電磁兼容（EMC）領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究方向。TEMPEST計(jì)劃的具體內(nèi)容是針對(duì)信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問(wèn)題，從信息接收和防護(hù)兩個(gè)方面所展開(kāi)的一系列研究和研制工作，包括信息接收、破譯水平、防泄漏能力與技術(shù)、相關(guān)夫范標(biāo)準(zhǔn)及管理手段等。

由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是各種信息處理設(shè)備中最關(guān)鍵和重要的組成部分，因而也是利用信息設(shè)備的電磁發(fā)射來(lái)獲取信息情報(bào)更為及時(shí)、準(zhǔn)確、廣泛、連續(xù)，且安全、可靠、隱蔽。正是這樣，TEMPEST防護(hù)研究一般都是針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其外設(shè)配置而言的。TEMPEST的研究對(duì)象還包括接收系統(tǒng)、電傳機(jī)、數(shù)字電話等。

信息處理設(shè)備的電磁輻射有兩方面影響：1）對(duì)電磁環(huán)境構(gòu)成污染；2）對(duì)信息安全與信息保密會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

已經(jīng)分析表明：對(duì)于由數(shù)字電路組成的信息處理設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于輻射頻譜及諧波非常豐富，因而很容易被竊收和解譯，其信息泄漏問(wèn)題更為突出一嚴(yán)重，以計(jì)自機(jī)算機(jī)視頻顯示器例，其中各種印刷電路板，各部件之間的電源。信號(hào)接口與連線、數(shù)據(jù)線接地線、驅(qū)動(dòng)電路、陰極射擊線管等都可以產(chǎn)生程度不同的電磁輻射。在輻射頻譜中，所包含的信息也不相同，包括時(shí)鐘/數(shù)據(jù)信息頻信息等。從理論上講這些信息都是可以接收和解譯的，只是難易程度。利用信息設(shè)備的電磁發(fā)射來(lái)獲取信息情報(bào)更為及時(shí)、準(zhǔn)確、廣泛、連續(xù)，而且安全、可靠、隱蔽。

總之，在信息化社會(huì)，研究計(jì)算機(jī)TEMPEST技術(shù)已和研究計(jì)算機(jī)病毒一樣，被認(rèn)為是涉及計(jì)算機(jī)安全的重要方面，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

二、計(jì)算機(jī)印刷電路板（PCB）中的電磁兼容（EMC）問(wèn)題

信息化社會(huì)的電子產(chǎn)品越來(lái)越趨向高速、寬帶、高靈敏度、高密集度和小型化，這種趨勢(shì)導(dǎo)致了EMC問(wèn)題更加嚴(yán)重。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中PCB是一個(gè)典型的代表，PCB的電磁兼容（EMC）問(wèn)題是目前微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中急待解決的技術(shù)難題。

1、印刷電路板（PCB）中帶狀線、電線、電纜間的串音和電磁耦合

印刷電路板（PCB）中帶狀線、電線、電纜間的串音是印刷電路板線路中存在的最難克服的問(wèn)題之一。這里所說(shuō)的串音是較廣意義上的串音，不管其源是有用信號(hào)還中噪聲，串音用導(dǎo)線的互容和互感來(lái)表示。當(dāng)在EMC預(yù)測(cè)和解決EMI問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳導(dǎo)的、輻射的、還是串音。例如，當(dāng)PCB上某一帶狀線上載人控制和邏輯電平，與其靠近的第二條帶狀線上載有低電平信號(hào)，當(dāng)平行布線長(zhǎng)度超過(guò)10厘米時(shí)，預(yù)期產(chǎn)生串音干擾。當(dāng)一長(zhǎng)電纜載人幾組串行或并行高速數(shù)據(jù)和遙控線時(shí)，串音干擾也成為主要問(wèn)題?？拷碾娋€和電纜之間的串音是由電場(chǎng)通過(guò)互容，磁場(chǎng)通過(guò)互感引起的。

當(dāng)考慮在PCB帶狀線、電纜中導(dǎo)體或靠近的電線和電纜的串音問(wèn)題時(shí)，是主要的是確定電場(chǎng)（互容）、磁場(chǎng)（互感）耦合哪個(gè)是主要的。確定那種耦合模型主要取決于線路阻抗、頻率和其他因素。對(duì)線路阻抗，一個(gè)粗略的原則是：1）當(dāng)源和接收器阻抗乘積小于3002時(shí)，耦合的主要是磁場(chǎng)；2）當(dāng)源和接收器阻抗乘積大于10002時(shí)，耦合的主要是電場(chǎng)；3）當(dāng)源和接收器阻抗乘積在3002-10002之間時(shí)，則磁場(chǎng)或電場(chǎng)都可能成為主要耦合，這時(shí)取決于線路間的配置和頻率。

然而，上述標(biāo)準(zhǔn)并不適用于所有的情況，例如在地（底）板上PCB帶狀線之間的串音，這時(shí)，PCB上帶狀線特性阻抗可能較低，而負(fù)載和源阻抗可能較高，但串音仍以電場(chǎng)（互容）耦合為主。

一般來(lái)說(shuō)，在高頻時(shí)電容耦合是主要的，但是如果源或接收器之一或兩者采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場(chǎng)耦合將是主要的。另外；低頻一般有較低的電路阻抗、電感耦合是主要的。

串音預(yù)測(cè)計(jì)算程序是計(jì)算機(jī)輔助PCB設(shè)計(jì)軟中的重要內(nèi)容，通過(guò)串音預(yù)測(cè)，可以保證PCB上數(shù)字和模擬信號(hào)適當(dāng)?shù)拈g距。由Quantic實(shí)驗(yàn)室編制的程序GREENFIELF2TM和EESOF編制的u Wave SPICKE程序可預(yù)測(cè)串音、延時(shí)和振蕩。該程序可確定幾層PCB布置的電壓和脈沖上升時(shí)間表格。

電磁耦合預(yù)測(cè)：當(dāng)導(dǎo)體之間或信號(hào)導(dǎo)體與返回導(dǎo)體（可以是地平面）之間的距離較大時(shí)，采用電流元和電流環(huán)的發(fā)射和接收特性進(jìn)行耦合預(yù)測(cè)更為精確。例如PCB上帶狀線端接高阻抗并遠(yuǎn)離地平面時(shí)，用電流元模擬電場(chǎng)和磁場(chǎng)的發(fā)射特性更為方便。當(dāng)帶狀線形成環(huán)路時(shí)，無(wú)論是圓形還是矩形，都可用環(huán)的接收和發(fā)射特性模擬。當(dāng)兩環(huán)在同塊PCB表面時(shí)，則為共面耦合。當(dāng)一環(huán)在一塊PCB上面，另一環(huán)在附近PCB上時(shí)，則為共軸耦合。

2、數(shù)字PCB的采用使計(jì)算機(jī)的電磁輻射加重

計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的電路一般都是由數(shù)字PCB實(shí)現(xiàn)的，在很多情況下，數(shù)字PCB產(chǎn)生的輻射問(wèn)題要比模擬PCB更為嚴(yán)重。

由于數(shù)字電路的驅(qū)動(dòng)電流較大，致使輻射的強(qiáng)度也較大；而高速時(shí)鐘脈沖和數(shù)字信號(hào)又使得輻射他的帶加寬，由于時(shí)鐘電路產(chǎn)生的信號(hào)一般都是周期方波，春諧波分量都是以基頻為倍頻的分立頻譜，因而，時(shí)鐘電路的輻射頻譜也都是分立的。而數(shù)字化的信息信號(hào)一般都是非周期信號(hào)，其輻射頻譜將是窄帶與寬帶兩種輻射的疊加，頻率可從幾兆到數(shù)字百兆赫茲，如此寬的輻射頻率范圍，不可避免地會(huì)引起一系列EMI和TEMPEST問(wèn)題。

PCB電磁輻射分兩種基本類(lèi)型：差模輻射與共模輻射。差模輻射的特點(diǎn)取決于閉合環(huán)路中電流特性；共模輻射由對(duì)地的干擾（噪聲）電壓引起。目前的文獻(xiàn)中對(duì)共模輻射討論較少，但實(shí)際PCB或電路并非都是由單根或回路軌跡組成，而且即使是并行電路軌跡是的電漢也并非相等反向，所以在分析輻射問(wèn)題時(shí)，只考慮差模電漢的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須考慮軌跡中所有電流的作用，同時(shí)因?yàn)椴钅ｋ娏鞯妮椛涫窍鄿p的，盡管不完全抵消，而共模電流的輻射則是相加的。所以共模電流即使比差模的電流小很多，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)程度的輻射電場(chǎng)。

電磁輻射主要表現(xiàn)在：對(duì)周?chē)碾娮酉到y(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾；另一方面造成潛在的信息泄漏問(wèn)題。

影響PCB電磁輻射的因素主要是PCB的結(jié)構(gòu)的激勵(lì)因素：PCB的結(jié)構(gòu)不同，其輻射效果也不同，傳輸帶的長(zhǎng)度、回路面積、地線走向、整體布局等都會(huì)影響到輻射效果。除結(jié)構(gòu)因純潔外，激勵(lì)因不比如幅值、周期、脈沖寬度、上升與下降時(shí)間、頻率等，也都是影響輻射效果及頻率特征的重要因素。顯然，PCB的布局設(shè)計(jì)，將直接關(guān)系到整機(jī)電磁輻射的強(qiáng)弱。在確定的激勵(lì)狀態(tài)下，整機(jī)系統(tǒng)輻射水平的抑制和降低，必須從PCB的輻射分析及布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)著手。

目前有不少文獻(xiàn)對(duì)PCB的輻射問(wèn)題進(jìn)行討論，提出PCB輻射的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和測(cè)試手段。然而，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵(lì)參數(shù)的差異，PCB的輻射問(wèn)題不可能象其他用電路那樣，用一種模型就可以分析解決。比如：電偶極子和磁偶極子的輻射模型只有在電路線度過(guò)錯(cuò)小于波長(zhǎng)和測(cè)試點(diǎn)距離的情況下才能適用。另外，對(duì)一塊PCB來(lái)說(shuō)，眾多的線路和回路是潛在的輻射源。所以PCB的整體輻射效果應(yīng)是各輻射單元輻射效果的疊加，總體輻射作用的大小主要與頻率、輻射源長(zhǎng)度或面積、激勵(lì)強(qiáng)度、方位等因素有關(guān)；此外，布線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對(duì)降低PCB輻射也具有關(guān)鍵的作用。

消除輻射干擾最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪聲源或屏蔽敏感電路。除屏蔽方法外，還可以通過(guò)改變電路設(shè)計(jì)來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

從TEMPEST意義上講，凡與串行數(shù)據(jù)和信息相關(guān)的PCB，其輻射水平都應(yīng)設(shè)法降低到最低點(diǎn)，對(duì)并行數(shù)據(jù)的PCB，則相應(yīng)放寬限制，但應(yīng)注意避免通過(guò)耦合作用為串行信息提供通路。

為了抑制PCB電磁輻，除了采用相應(yīng)的技術(shù)措施外，CISPR、CENELEC、FCC和VDE等國(guó)際組織先后頒布了有關(guān)數(shù)字電子設(shè)備電磁輻射的約束規(guī)范。目前輻射標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的頻率從30兆赫到1吉赫，在不久的將來(lái)會(huì)擴(kuò)展到5-40GHz。
來(lái)源；微波射頻網(wǎng)