陳 潔 趙圣麟 關(guān)作金 黃艷妮 李 麗

1) 珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東珠海 519082

2) 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

地震觀測(cè)對(duì)時(shí)間服務(wù)準(zhǔn)確度的要求一般在毫秒級(jí)。目前多數(shù)地震儀均采用GNSS 模塊為地震記錄信號(hào)提供時(shí)間服務(wù)。楊金梁等[1]研究了物探設(shè)備中GNSS 授時(shí)原理并對(duì)授時(shí)精度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，GNSS 授時(shí)精度主要受衛(wèi)星軌道徑向精度、衛(wèi)星鐘差和偽距測(cè)量精度3 方面的影響。相對(duì)于雙頻GNSS 接收機(jī)，GPS 與Galileo 授時(shí)精度最高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中總體小于5 ns，BDS 二代在衛(wèi)星軌道徑向和偽距精度比GPS 略差，但BDS 二代衛(wèi)星鐘差太大，導(dǎo)致授時(shí)精度在30 ns 左右，GLONASS 授時(shí)精度小于30 ns。單頻GNSS 接收機(jī)的授時(shí)精度會(huì)在雙頻接收機(jī)授時(shí)精度的基礎(chǔ)上降低50 ns 左右。不論單頻還是雙頻，基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)基本都能滿足地震監(jiān)測(cè)對(duì)授時(shí)準(zhǔn)確度的要求。

衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)中衛(wèi)星距地2 萬多km，位于地球表面的天線端所接收到的信號(hào)非常微弱，識(shí)別這類信號(hào)大概相當(dāng)于分辨1 萬km 之外一只功率為25 W 的燈泡發(fā)出的亮光。劉宏華等[2]分析認(rèn)為，衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)信號(hào)極易受到射頻干擾，因此壓制射頻干擾也就成為地震儀獲得高準(zhǔn)確度授時(shí)的重要前提條件。

對(duì)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)信號(hào)產(chǎn)生干擾的射頻干擾源很多，可能來自接收系統(tǒng)外部的大環(huán)境，也可能來自接收系統(tǒng)本身。本文僅討論壓制來自儀器本身的射頻干擾的方法。

隨著井下地震觀測(cè)、便攜流動(dòng)地震觀測(cè)的日益普及，地震儀快速走向集成化和小型化。印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）對(duì)授時(shí)模塊的電磁干擾會(huì)直接影響信號(hào)接收靈敏度，進(jìn)而影響地震儀授時(shí)精度。汪漢新等 [3-9]的研究表明，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、用好電容、做好功能模塊布局是對(duì)抗干擾、消除電流感應(yīng)的有效手段，因此也是地震儀降低授時(shí)模塊受到射頻干擾的最直接、最有效途徑。

1 授時(shí)干擾的主要來源和壓制方法

來自PCB 內(nèi)部的對(duì)授時(shí)模塊的射頻干擾，主要是因?yàn)猷徑娐分g的寄生耦合及內(nèi)部組件的場(chǎng)耦合，導(dǎo)致信號(hào)沿著傳輸路徑有串?dāng)_。例如，在地震數(shù)據(jù)器PCB 板上的電容器，一般都會(huì)產(chǎn)生等效電感和阻抗，電容都有自諧振頻率，在自諧振頻率下，電容器呈現(xiàn)容性。在高于自諧振頻率時(shí)，電容呈現(xiàn)感性，阻抗隨著頻率的增高而增大。

當(dāng)高速數(shù)字信號(hào)線路、開關(guān)電路或大功率的控制電路等在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生急速電壓電流，或是含有電感和電容的電路頻繁通斷時(shí)，射頻干擾就會(huì)比較明顯。因此，在進(jìn)行井下地震儀器、一體化地震儀等緊湊型地震儀PCB 線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)更加關(guān)注如下干擾（圖1）：

圖1 地震儀授時(shí)干擾源及解決方法示意圖Fig.1 Time service interference source of seismograph and its solution

（1）高頻器件的干擾。當(dāng)電路中存在高頻時(shí)鐘處理器芯片時(shí)，或者系統(tǒng)總線的工作周期非?？鞎r(shí)，高速電路PCB 板中會(huì)產(chǎn)生多倍于時(shí)鐘頻率的干擾噪聲，從而向外輻射，影響整體集成電路的其他電路模塊。例如工作頻率32.768 MHz 的地震儀系統(tǒng)，由于MCU 內(nèi)置倍頻造成多次諧波，可能影響授時(shí)模塊在L1載波1575.42（±3） MHz 頻點(diǎn)的射頻信號(hào)接收。

（2）電源的噪聲干擾。高頻噪聲敏感的電路尤其容易受到來自電源的干擾。系統(tǒng)電源在給電路供能時(shí)，會(huì)把電源寄生的干擾噪聲附加到供電電路上。一些高速邏輯電路工作時(shí)的高速轉(zhuǎn)換，也會(huì)使電源線上產(chǎn)生高頻成分豐富的壓降。溫度變化時(shí)的直流干擾是產(chǎn)生電源噪聲另外一大原因。

（3）信號(hào)傳輸線之間的干擾。當(dāng)各傳輸線路的特性阻抗不同或與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，所傳輸?shù)母哳l信號(hào)在臨界或終端部位會(huì)發(fā)生反射造成的畸變或震蕩。同時(shí)，各信號(hào)傳輸線的走向、寬度和線間的間距等直接影響高頻信號(hào)的傳輸。傳輸線的不合理設(shè)計(jì)不但會(huì)產(chǎn)生線間信號(hào)的疊加問題，還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的附加延時(shí)。

（4）地線的噪聲干擾。整體系統(tǒng)中各部分地線的不平衡，會(huì)導(dǎo)致地線之間的電位差和接地阻抗，形成環(huán)路電流，這些電磁干擾會(huì)引起電路的誤操作并造成傳導(dǎo)和輻射。

為了減少電路中產(chǎn)生的電磁干擾，在地震儀的PCB 板設(shè)計(jì)中會(huì)重點(diǎn)采用電磁兼容設(shè)計(jì)。對(duì)于易出現(xiàn)電磁干擾的部位也會(huì)刻意避免電磁干擾的產(chǎn)生。在地震儀PCB 線路的設(shè)計(jì)中，可以采用如下方式降低甚至避免射頻噪聲的干擾（圖1）：

（1）采用最低頻率電路芯片，配置高精度穩(wěn)態(tài)電源。

（2）優(yōu)化電路元器件布局，將模擬信號(hào)部分、高速數(shù)字電路、噪聲源部分盡量合理地分開，將電源線盡可能與地線平行。

（3）縮短高速信號(hào)傳輸線的長度，將電路中的連接器均布置在PCB 板的同一側(cè)。

（4）在布地線時(shí)增加一層地線，或采用多地線網(wǎng)格，布設(shè)大量的平行地線。

2 壓制授時(shí)干擾的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為減少地震儀系統(tǒng)中授時(shí)模塊受到的電磁干擾，并保障系統(tǒng)高穩(wěn)定的授時(shí)功能，通過多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)試發(fā)現(xiàn)如下措施有助于提升地震儀授時(shí)模塊的抗干擾能力。

實(shí)驗(yàn)中，我們采用的儀器設(shè)備主要是RIGOL 的頻譜分析儀，主要針對(duì)GNSS 的L1頻段附近的射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和分析。

工程師使用儀器對(duì)電路板進(jìn)行輻射信號(hào)測(cè)試（圖2a）。當(dāng)近場(chǎng)探頭置于MCU 附近的有源TCVCXO晶振電路時(shí)，產(chǎn)生的射頻輻射比較突出（圖2b）。分析原因是晶振采用了32.768 MHz 的頻點(diǎn)，則其48 次諧波頻率是32.768 MHz×48=1572 MHz，剛好在GNSS的民用頻段1575.42 MHz 附近，很容易干擾到來自衛(wèi)星的微弱GNSS 信號(hào)，從而影響節(jié)點(diǎn)地震儀的收星性能。

圖2 輻射信號(hào)測(cè)試Fig.2 Radiation tests

在L1載波1575.42（±3） MHz 頻點(diǎn)附近，存在峰值 點(diǎn)2 為1.54067 GHz，峰 值 點(diǎn)3 為1.5733 GHz，峰值點(diǎn)4 為1.6060 GHz 三個(gè)頻帶的干擾（圖3）。

圖3 針對(duì)授時(shí)模塊未采取本文所述抗擾技術(shù)前的幅頻曲線Fig.3 Amplitude-frequency curve for a seismograph without anti-disturbance techniques mentioned in this paper for the time-service module

為此，我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 為射頻電路模塊增加屏蔽板

采用屏蔽隔離等物理手段是減少電磁干擾的重要措施之一。采用國標(biāo)0Cr18Ni9 材質(zhì)作為屏蔽板，進(jìn)行屏蔽板安裝前后的對(duì)比測(cè)試（圖4）。由測(cè)試結(jié)果得知，已經(jīng)安裝屏蔽板的授時(shí)模塊比未安裝屏蔽板的授時(shí)模塊所受到的電磁干擾明顯減弱[5]。研究表明，在提高地震儀授時(shí)模塊抗干擾能力方面，增設(shè)不銹鋼屏蔽板是非常有效的方法。設(shè)計(jì)中，衛(wèi)星信號(hào)接收放大LNA 模塊部分，以及MCU 的有源TCVCXO晶振部分電路均采用屏蔽罩進(jìn)行電磁信號(hào)屏蔽措施。

圖4 射頻電路安裝屏蔽板前（a） 后（b） Fig.4 RF circuit without （a） and with （b） shield board

2.2 將授時(shí)模塊遠(yuǎn)離高頻元器件布局

與可能造成干擾的射頻信號(hào)源盡量遠(yuǎn)離是降低授時(shí)干擾的有效方法。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試中，將授時(shí)模塊和授時(shí)天線獨(dú)立設(shè)計(jì)為一塊電路板，安裝時(shí)，盡可能遠(yuǎn)離容易產(chǎn)生電磁輻射的包含晶振電路、高頻芯片、開關(guān)電源等模塊的主板[6]。圖5 中是2 種不同的布局方案。

圖5 模塊布局Fig.5 Module layout

2.3 規(guī)整布線、適度隔離

PCB 電路板在設(shè)計(jì)之初即應(yīng)緊湊有序，盡量減少、縮短器件之間的引線和連接，電路設(shè)計(jì)之后的模擬和測(cè)試比對(duì)尤為重要（圖6）。實(shí)測(cè)顯示，數(shù)字信號(hào)電路和模擬信號(hào)電路分開、干擾源與時(shí)鐘發(fā)生器等敏感元件遠(yuǎn)離、大功率或大電流I/O 驅(qū)動(dòng)電路遠(yuǎn)離信號(hào)電路是非常有效的降低電子線路本身對(duì)授時(shí)信號(hào)干擾的手段。每一層空余處都鋪上銅與地相連。完整的地平面確保信號(hào)層信號(hào)輻射有明確的返回路徑，減小線路的天線效應(yīng)，并且通過盡可能多的過孔將地平面相連。

圖6 PCB 電路板布線Fig.6 PCB layout

2.4 改進(jìn)效果

經(jīng)采用國標(biāo)0Cr18Ni9 材質(zhì)的屏蔽板、PCB 設(shè)計(jì)調(diào)整、模塊重新布局等實(shí)驗(yàn)后，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地震儀授時(shí)模塊受到的電磁干擾強(qiáng)度狀態(tài)發(fā)生變化（圖7），參考對(duì)比數(shù)據(jù)（表1）得知，電磁干擾明顯被壓制。其中，安裝了屏蔽罩后，同一位置同一頻點(diǎn)的輻射水平有了近10 dB 的改善。

表1 屏蔽罩安裝效果對(duì)比數(shù)據(jù)Table 1 Comparison data of shield board installation effect

圖7 射頻電路輻射水平Fig.7 The radiation level of RF circuit

另外，選取一些具有信號(hào)強(qiáng)度比較高的衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)信噪比的對(duì)比（表2）。結(jié)果顯示合理修改PCB 布線、采用屏蔽罩、合理布局各模塊，能提高約6～10 dB 的信噪比，表明授時(shí)模塊受到的電磁干擾明顯減弱，收星能力大大增強(qiáng)。

表2 整改前后對(duì)比數(shù)據(jù)Table 2 Comparison data before and after rectification

為更好地?cái)M合井下地震儀和一體化地震儀的 “緊湊” 電子環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了極限電路測(cè)試（圖8）。測(cè)試以一款節(jié)點(diǎn)式地震儀（TVG-50）為原型，該款地震儀為開展深部地球物理探查而設(shè)計(jì)，需滿足小體積、高靈敏、大動(dòng)態(tài)、低功耗、抗惡劣環(huán)境等嚴(yán)苛的探查條件。設(shè)計(jì)的指標(biāo)是寬頻帶(1/2/5/10/30 s～200 Hz)、24 位低噪聲采集、力平衡反饋、最快4 KHz采樣速率、最長1 個(gè)月時(shí)間鋰電池供電，因此高準(zhǔn)確授時(shí)、高性能電容換能和大容量存儲(chǔ)是不可回避的技術(shù)底線。

圖8 授時(shí)模塊抗干擾改進(jìn)后的野外測(cè)試及結(jié)果Fig.8 Field test and wave recording after modification with anti-disturbance techniques for the time-service module

值得一提的是，大量設(shè)備的野外對(duì)比和實(shí)際波形數(shù)據(jù)分析顯示，在緊湊型的地震儀設(shè)計(jì)中取得的授時(shí)模塊抗干擾技術(shù)具有可行性和有效性，量產(chǎn)地震儀的授時(shí)性能得到了平穩(wěn)、一致的提升，野外觀測(cè)效果見圖8c 。

3 結(jié)束語

在深井地震儀、一體化地震儀等緊湊度要求比較高的地震儀設(shè)計(jì)中，通過改善PCB 板電路設(shè)計(jì)、優(yōu)選適當(dāng)元件、增設(shè)屏蔽板等方式，可以穩(wěn)定提高地震儀授時(shí)模塊的抗干擾能力，進(jìn)而提高地震儀授時(shí)功能的可靠度。

致謝

感謝北京白家疃地球科學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站、中國地震局地球物理研究所地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心對(duì)本文野外實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的幫助。