基于物理模型實現的CVBS寬帶隔離變壓器的設計過程

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

基于物理模型實現的CVBS寬帶隔離變壓器的設計過程

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

這篇文章是作者設計的一種CVBS(復合視頻基帶信號)寬帶隔離變壓器的技術總結,設計得到了相關視頻工業標準的認證。針對復合視頻信號傳輸系統存在的接地環路工頻干擾的問題,文中討論了地回路隔離設備基于模型的開發技術,涉及到物理器件的模型構建、仿真迭代和產品實現的可操作過程及其工具使用;由于設計行為已經深度嵌入到眾多工程師的職業生涯中,從任何程度和職業視角對設計過程的回顧,都將有益于對設計技能的探索和改進,因此這個技術總結還觸及到設計技能的具體經驗乃至設計過程模式的某些思考。文章包含了這樣一些章節：問題背景與目標;快速原型;模型迭代;設計驗證。

CVBS 地環路 快速原型 建模 仿真

以往有的視頻監控系統工程項目，竣工時才發現視頻圖像信號傳輸質量存在問題。圖1記錄了這種典型的影像缺陷。交付缺陷與項目的各個子系統可能都有關系，這種缺陷主要是由于系統集成時CVBS傳輸存在地環路噪聲干擾引起的。

視頻監控基礎設施建設采用招標商業模式。通常由系統設計單位和業主向專業市場發布項目或設備需求信息，但仍有需要投標方提交技術方案和需求規格的情況。因此設備競標方對專業項目的投標，除了包含了他們過去積累的技術成就也可能會啟動新的自主產品設計，如文中CVBS傳輸抑制系統地環路噪聲的寬帶隔離變壓器。

“設計”這個詞的存在，表明它已經具有獨立的服務性質：設計者不再同時也是使用者，兩者呈現“需求-滿足”契約性質的關系。這種分離是知識演化的必然結果，但同時要求供需之間必須建立有效的信息溝通。現實是，用戶對需求“朝三暮四”，而設計者也會“畫蛇添足”，這種不確定性影響著設計過程，成功、失敗或“歪打正著”都可能發生。由于人類理性的限度，設計行為具有多重屬性：它既包含人利用自然規律的能力，也具有人實現價值因素的祈愿。從制造商的角度，結合已完成的每一個具體設計任務反思設計過程，對改進設計技能是很好的學習機會。

圖1 視頻信號傳輸受到低頻持續干擾的實際影像

圖2 用于分析 CVBS 傳輸設計任務環境的系統層次劃分

1 問題背景與設計目標

1.1 設計目標

圖1顯示了被干擾的圖像扭曲現象，設計任務的目標是實現一種獨立裝置，從技術上有效保持CVBS信號傳輸的信息完整性。

1969年，Herbert Alexander Simon出版了《人工科學》(The Sciences of The Artificial)一書[1]，他試圖探索人們在設計過程中所體現的創造性問題求解技能的本質。用他的話來說，設計的目標就是創造一個適應特定目的的“人造物(artificiality)”，事實也是如此。

圖3 CVBS 傳輸系統中存在地電流環路的抽象電路模型

1.2 任務環境

對于人為事物來說，我們可將其看成是“內在”環境—即其自身物質及組織，同“外在”環境—即它所處的外部環境，這兩者之間的接觸點，用今天的話來講，就是“界面”。如果內在環境適應外在環境，或者外在環境適應內在環境，則該人為事物就能夠為預想的意圖服務［1］。

CVBS系統廣泛使用同軸電纜實現信號傳輸。不同地點的視頻設備之間存在著地電位差，而同軸電纜屏蔽層將設備的安全接地端互連構成了地電流環路，就導致50Hz共模信號疊加在信道上。地環電流極易干擾CVBS信號并可能破壞視頻同步機制。

根據CVBS系統的功能和信號理論的性質，圖2描述了信號傳輸系統可分解的層次構造：信源、信宿、信道、規約和環境，亦即設計目標的任務環境。

圖4 寬帶變壓器虛擬物理模型

圖5 模型迭代修正過的寬帶變壓器虛擬物理模型的傳輸特性

1.3 問題空間和領域知識

通常設計首要關心的是要解決的問題。設計的問題，既包含反映設計目標的需求，也包括人造物外在環境和內在環境的相關事實因素對設計目標的影響。

1.3.1 問題空間

(1)CVBS傳輸系統環境：這是人們早年設計出來的。工業界制定了各種標準，即規約，目的是為了在信源和信宿之間提供信息通道并使各制造商的產品具有互操作性。獨立裝置的設計任務因信號傳輸邏輯上的聯系將圍繞信道子系統展開，系統地看它是人為事物的內部環境。從外部環境看，標準或法規是外在系統中存在的最具剛性的約束形式。

(2)規范性文件是影響設計的外部環境因素：GB 14050-93［2］對電氣系統接地的安全技術基本要求中的b項，要求做到“電氣裝置中的外露可導電部分，都應通過保護導體或保護中性導體與接地極相連接，以保證故障回路的形成。凡可被人體同時接觸的外露可導電部分，應連接到同一接地系統。”由于電氣化歷史早于信息化，視頻同軸電纜的屏蔽層不得不將不同地點的視頻設備連接起來。這就出現了圖3所示的地環路問題。

(3)地環路[3]：地表兩點之間的電阻總不為零且隨時間變化。電力系統負載不平衡以及太陽磁暴產生的地磁電流都會導致電氣設備不同接地點之間產生時變電位差，一旦有導體將兩處設備連接起來形成環路，設備之間就有地環電流疊加，形成信號傳輸系統中的共模噪聲(主要的頻譜分量集中在50Hz及其諧頻)。CVBS視頻信號動態范圍在56.9dBmV量級，而嚴重的地環路共模噪聲一般都會達到50dBmV以上。顯然，設計的問題空間包含了建立原始設計目標與針對信道噪聲處理技術需求的內在關系。

1.3.2 領域知識

(1)縱向電流和橫向電流：電氣/電子專業領域使用“橫向電流”定義信號回路中的電流；而“縱向電流”代表地環路中的噪聲電流，它被稱為共模噪聲，會引起信號接收端參考電位的不平衡。

PAL制式的CVBS水平行信號波形參數中與設計目標密切相關的數據[4]：

行同步脈沖電平為3 0 0 m V；視頻模擬信號的動態范圍為20log700=56.9dBmV；彩色副載波信號的峰-峰值為300mV，載頻4.43MHz；CVBS帶寬比至少要達到105；傳輸功率峰值13mW(屬于小功率信號范疇)。

(2)CVBS信道關鍵元件：同軸電纜的狀態描述，有結構數據(電纜屏蔽層內直徑do，內導體的直徑di)和材料數據(絕緣介質的介電常數)，它們決定了同軸電纜獨立的特性：過程描述它為特征阻抗Z0。由于衰減系數最小條件下的特征阻抗為77ohm，將Z0規范為75ohm。視頻設備互聯都要匹配這個特征值[5]。

(3)CVBS信噪比：可接受的信號傳輸質量，PAL消費型產品SNR48dB，專業型60dB。抑制地環路噪聲至少需要達到60dB的共模抑制比。

1.3.3 設計需求與稀缺資源

基于領域知識，內在環境適應性需求主要解決：地環路和射頻噪聲抑制技術；滿足CVBS傳輸應有帶寬和頻率響應；滿足傳輸信道與信源和信宿的阻抗匹配；滿意的噪聲抑制指標。

基于價值因素，內在環境適應性需求主要顧及：最小范圍地影響現存系統；環境保護；適宜的外形；簡便的安裝；易于制造。

主要的稀缺設計資源：心智注意力；專業知識；開發期限；開發資金；測試設備。

1.4 解空間和領域知識

設計具有的冗余性質：對于相同的目的和外部環境條件，并不規定由哪種性質的人為事物內部組織來實現，為某個人為事物的目的很可能存在多個設計方案，這些方案的集合就是解空間。

1.4.1 解空間

工業界使用隔離技術將信號提取并抑制寄生的共模噪聲，技術形態上有四種常用方案：電感耦合、電容耦合、電阻耦合，和光電耦合。不讓地環路噪聲電勢在信源和信宿之間形成回路的只有電磁與光電耦合。人為事物的目的性雖然有價值取向因素，但其內在環境依然要服從事實因素[6]。

1.4.2 領域知識

(1)變壓器隔離的物理原理[7]：變壓器關鍵構件是導線繞組和磁芯。攜帶信息的電磁能量在變壓器構件之間相互轉換，并且輸入/輸出端口之間的線圈繞組互為絕緣；變壓器還具有阻抗變換功能，可以實現兩側電路的阻抗匹配。

(2)LED光耦合器的物理原理：LED光耦合器將光發射半導體管芯和光敏半導體管芯配置在電氣絕緣的光導空間內。信源激發電流調制光信號，再由光解調為信宿電路的信號；這種耦合器具有很高的隔離度和極小形狀因數。

1.4.3 設計方案的抉擇

對可能性空間進行處理的邏輯，就是設計的邏輯：固定備選方案。

將設計目標基于規范性的需求和基于價值判斷形成的需求按確定的權重分配，這里，作者認為規范性設計是這個任務主要的需要(60%)，而非規范性的價值因素或主觀創造性的需求為次要(40%)，規范性和主觀價值需求的權重也要進一步分配。按各設計需求對每個備選方案依其預期的設計目標適應性給出評價值(不超過100，并且與方案無相關性)。然后，計算每個備選方案關于設計目標適應性的加權平均值，依據比較結果做出固定備選方案的決策。

(1)規范性需求：安全規范；自洽性(不因設計引入新的同樣問題)；帶寬和頻率響應；阻抗匹配；噪聲抑制。每項權重為60/5=12%。

(2)主觀價值需求：無設計耦合(設計范圍不耦合到其它穩定形態的系統)；無附加設計(附加的輔助二次設計目標)；最小的形狀因數；產品成本；可制造性；物流易于聚集；產品生命周期。每項權重為

(3)備選方案適應性評價數據結果：隔離變壓器方案適應性加權平均值為86.72，LED光耦合器方案為78.95。這個形式化的約束過濾方法得到一個可以作為參考的結果。復雜設計的抉擇極可能超出計算能力，所以還要根據知識、經驗、直覺和價值判斷共同決定設計決策以期加快搜索。

(4)經驗加速了設計決策：光耦合器與變壓器的設計目標適應性相比較，作者的評估值較低，原因在于作者經驗過，光耦合器需要隔離供電的開關電源一定會引入難以抑制的高頻噪聲；無耦合設計原則與光耦合器電路模塊需要被嵌入第三方信宿設備的安排相抵觸；無附加設計原則由于光耦合器需要額外電源供電而失去價值；光耦合器產品壽命遠不如隔離變壓器。這些經驗使設計抉擇幾乎不需要猶豫不定。

(5)價值取向將影響設計決策：單純的價值因素也極有可能快速收斂解空間：如果一種方案在形狀、連接方式更接近同軸電纜的幾何特征，而能方便在線纜的任何位置將隔離設備接入傳輸信道，哪種備選方案更有優勢呢？作者傾向隔離變壓器的方案，顯然這里是主觀價值因素在支配。

(6)程序合理性：理性最優方案追求“本質合理性”。由于依靠設計活動中的“稀缺資源”，欲獲得并能有效處理設計目標所有環境的信息非常不現實的。“這種簡化模型的最優決策，當然很難說就是真實世界中的最優決策。決策者面臨著如下兩種決策之間的抉擇，其一是想象的簡化模型的最佳決策；其二是更接近復雜現實的模型的‘足夠好’的、令人滿意的決策。”[8]

2 快速原型

“是應該立即動手設計制造，還是應該先構建設計方案？”有些設計師認為根本沒有什么設計過程模式，也人有堅決排斥將設計需求排在過程的前面，他們認為“偉大的設計來自于偉大的設計師而不是偉大的設計過程”，那么被設計事務深度嵌入的眾多普通工程師和程序員的職業生涯該怎么辦呢？今天，基于快速原型的建模和仿真的可操作性，既可以讓我們立即行動，也可以三思而行，“一視同仁”地允許我們有快速地通過反復試驗的機會來進行設計。

2.1 虛擬快速原型

2.1.1 為理解設計目標內在環境建立的模型

描述變壓器行為的物理原理模型；變壓器構件(線圈繞組，磁芯)模型；變壓器等效電路模型；這些模型基于自然事實因素的描述包括數學方法，建立在教科書里，是新的建模技術的基礎。

2.1.2 為設計目標內在環境建立的虛擬模型

虛擬模型基于計算機軟件實現的建模技術，在計算機仿真環境里能夠運行并利用數據描述其相關行為。CVBS寬帶變壓器內在環境的建模，使用了物理系統建模方法。模型的搭建如同配置物理系統一樣，圖4顯示了變壓器電磁相互作用的物理構件和能量關系，并利用了成熟的等效電路模型。

由于模型并不是在現實物理世界誕生和演化的，它的構建、修改、重建可以在相當短的時間內或者不需要花費很大工本就能實現。此外，它仿真運行產生的數據可以圖形化并存儲，以至于能夠作為表述設計概念的參照實體，所以稱之為虛擬快速原型。

2.1.3 虛擬快速原型的仿真

圖4的變壓器虛擬物理模型有仿真的輸入/輸出端口，這些端口提供了與虛擬的外部環境接口。配置了適當的外部激勵信號以后，當仿真運行時，模型自動地根據內選的差分方程求解器計算出隨仿真時間變化的響應數據，并通過模擬的波形顯示器繪出特性曲線。

這樣，虛擬原型嵌入在回路的仿真就將設計目標的內部環境和外部環境動態地、符合邏輯和形象表達地聯系起來了，這個閉環的系統將引導設計過程通過連續考察內在環境與外在環境交互行為的偏差逐步向適應性目標演進，這個技術亦即MIL(模型在回路中)仿真迭代。

通過虛擬原型的仿真數據表現的行為和問題空間與解空間的領域知識，可以確定仿真的內部環境狀態描述：CVBS寬帶隔離變壓器的體積因數；變壓器線圈繞組參數；磁芯材料磁導率參數；變壓器繞組在不同磁芯參數下的電感量；電感量對帶寬的什么區段產生影響；改變分布電容對帶寬的什么區段有貢獻；變壓器哪些參數決定頻域帶寬；變壓器的預期帶寬規格指標；變壓器的插入損耗可能在什么范圍；電感線圈的損耗；磁芯損耗；等等。

虛擬快速原型可以被認為是設計過程中一個穩定的中間形態。它實際上是一個可以執行的規格需求說明書。設計過程早期用戶需求的模糊性經過虛擬原型的建立和迭代就會逐漸清晰；對于后續的設計階段任務，它也是一個參考基準，有助于因為專業術語的壁壘造成開發團隊之間交流的障礙；經過物理相容性(不同方法、工具構建的模型表現出相當精度的仿真行為一致性評估)驗證的虛擬快速原型甚至可以作為合同的引證內容，這樣，需求就可以安排在設計過程的前端。

實際上，虛擬快速原型是設計的問題空間和解空間不斷迭代的中間結果，因為得到它的速度和成本比較低，應該考慮將它成為一般設計過程模式的一個標準節點。

2.2 物理原型

真實的物理原型是不能由虛擬原型取代的。因為建模總是根據研究問題的主要而不是一切性質實行的。虛擬快速原型已經探索了一個可能有效的概念實體，這樣就可啟發物理原型的構建以最低的稀有資源消耗實現，只要有可實現條件的前提。

根據虛擬快速原型仿真提取的參數的啟發，制作符合邏輯的可測試的物理實體原型。

3 模型的迭代

3.1 物理原型的測試

直接測試的數據包括：變壓器繞組線圈直流電阻的測量；繞組分布電容集中參數的測量；繞組電感量的測量；插入損耗的測量；阻抗的測量；傳輸信號帶寬的測量。

間接測試的數據包括：變壓器磁芯磁導率的計算；繞組線包電感損耗的計算。

3.2 虛擬原型和物理原型的修正

將物理原型的測試數據結果，輸入到虛擬原型的參數配置中，將虛擬原型在仿真環境中的行為與物理原型在測試環境中的行為進行比較，根據行為差異修正設計模型(既包括虛擬原型也可能包括物理原型)。如圖5是經物理原型測試數據修正過的CVBS寬帶隔離變壓器仿真模型的特性曲線之一。

做出一個仿真相容性的評估(仿真與測量之間的真實性估計)，對于改進建模和仿真的技術是很重要的。

3.3 設計確認

設計任務的目標是實現一種裝置能夠從技術上保持CVBS信號傳輸的信息完整性，根據領域知識，這個設計目標的最終關鍵的驗證是測試它對工頻共模噪聲信號的抑制性能指標CMRR@50Hz。經過業界通用的常規縱向平衡測試法的測量和計算，樣本的平均CMMR=62.6，超過了復合視頻信號的信噪比要求。設計樣品通過了具有國家相關專業標準的認證方的例行測試。概念上從設計任務環境分離出來的獨立裝置，經過內在系統的設計過程能夠適應外在環境，實現了設計目標，過程是收斂的。如果沒能達到適應性需求就要重新回到設計過程的起點。

4 結語

根據CVBS寬帶隔離變壓器設計任務的背景、目的、和規格需求，建立了關于設計目標的多領域及各層次的變壓器模型；基于以仿真迭代的設計技術，驗證了模型之間的物理一致性以及建立在物理測量基礎上模型仿真的真實性；形成領域知識驅動的虛擬快速原型到產品實現的解決方案搜索的設計過程。

系統內事實上都存在著不同性質和強度的相互聯系，因而在不同層次都有穩定的中間形態構造，系統可分解性具有相當的普遍性。利用這個性質，有助于分析復雜的事物。

當所要設計的系統從環境分離出來時，就產生了內部環境和外部環境的邊界，一旦內外環境發生適應關系，內在系統就是合意的人為事物，設計即為此適應的目的遵從和利用自然規律及物質而花費心智。設計提高了內部環境的組織程度和與外部環境作用的秩序，絕對是要引入資源的。

所以，虛擬快速原型可以在設計過程的早期階段發現需求和方案的缺陷，極大地減小修正錯誤的代價；同時，虛擬快速原型的迭代也可以成為設計過程新知識的來源，是一種啟發式的設計搜索過程載體，從過程描述的觀點也是訴諸程序合理性的有用的設計方法；另外，虛擬快速原型是可執行的需求規格，可以成為設計過程的基準參照實體。

基于物理的建模和仿真有三種突出建樹的工具需要關注：開源的、面向對象基于方程的、大規模模型集Modelica建模語言和工具[9]；MathWorks的MATLAB/simulink工具箱Simscape[10]；COMSOL對任何物理場的系統進行模擬和仿真的軟件[11]。任何創新都是建立在積累之上的，偉大始于平凡，好的設計過程模式會產生好的設計。

[1]Herbert A.Simon, "The Sciences of the Artificial - 3rd Edition",ISBN-13：978-0262691918；Herbert A.Simon "THE SCIENCES OF THE ARTIFICIAL" The MIT press Second edition 1981. 《關亍人為事物的科學》［美］赫伯特.A.西蒙（司馬賀）著.楊礫譯,朱松春等校1988年1月第1版ISBN7-5065-0426-X/C.1.

[2]GB 14050-93.系統接地的型式及安全技術要求[S].1993.

[3]山崎弘郎,足立昭二,山崎修快,若峽.電子電路的抗干擾技術[M].1981.

[4]Keith Jack，Video Demystified - A Handbook for the digital engineer。ISBN： 978-0-7506-8395-1.

[6]Bill Whitlock, Understanding, Finding, & Eliminating Ground Loops CEDIA Class EST016.

[7]Colonel WM.T.McLyman,Transformer and Inductor Design Handbook, Third Edition.

[8]［美］赫伯特.A.西蒙（司馬賀）著.楊礫譯,朱松春等校1988年1月第 1 版 ISBN 7-5065-0426-X/C.1 第二章（經濟合理性—適應性技能），第一節（經濟活勱者），（程序合理性），第37頁.

[9]https：//www.modelica.org/education/educational-material/lecture-material/english/ModelicaOverview.pdf.

[10]http：//www.mathworks.cn/products/datasheets/pdf/simscape.pdf.[11]http：//www.cn.comsol.com/story/download/131827/ABB_AG_CN12.pdf.

This article is a summing-up of the design technique about CVBS (Composite Video Baseband Signal) wideband isolation transformer. This type of the transformer designed by author has identified via relevant video industry standard group. There are many the ground loop problems in CVBS transmission systems by grounding and a result of the resolution for that interferes to CVBS will focused in this article; The author discussed about the development technique based on model which deal with the building model for the physical devices, iterations of simulation, realizations, practicability and application; As design activities have deeply embedded to many engineers’ career then it is beneficial to explore and improve technical of the design whatsoever degree or professional view point to review of the design process. So the summing-up by author relate to some thinking from experience of design technique to mode of design process. Some chapters and sections grouped this article： Design Background and Targets; Quick prototype; Validation to Design requirements;Iterations to models; Verifies to design.

Cvbs Ground loop Quick prototype Building model Simulation

郭志潔(1955年5月16日—)，男，江蘇南京人,漢族，研發工程師，研究方向：仿真技術開發與應用。