（通信与信息系统专业论文）微型计算机系统的电磁辐射及电磁兼容性研究.pdf

郑州大学硕学位论文 摘要 微型计算机系统是由各分系统、部件组成的，因此，作为电磁设各的微型计 算机，其电磁辐射是通过这些分系统和部件共同作用的结果。现有的文献大多是 将微机作为一个整体来研究其辐射特性：本文通过对微机系统各组成部分信号的 产生和流向进行分析，寻找各分系统、各部件可能产生的辐射。在此基础上，对 各部件的电磁辐射进行实际的测量，再将理论分析与实际测量结果进行比较、分 析、处理，从而对微机各部件产生电磁辐射的特性和机理有较深入的了解。 另外我们通过理论分析与试验，对降低微机电磁泄漏的方法进行了一些探 讨，并取得较明显的效果。 关键词：电磁兼容性( e m c ) ，电磁辐射，电磁干扰( e m i ) ，电磁耦台，屏蔽 滤波，接地 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep e r s o n a lc o m p u t e r s y s t e mi sak i n do fe l e c t r o m a g n e t i ce q u i p m e n t a n di t i s c o m p o s e d o f m a n yi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t s a n d s u b s y s t e m s t h u s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nf r o mt h ec o m p u t e rs y s t e mi sc o n t r i b u t e db yt h ec o m p o n e n t s a n ds u b s y s t e m s t o g e t h e r s of a r , i nm a n ye x i s t i n gd o c u m e n t s ，t h ec o m p u t e r i s c o n s i d e r e da saw h o l ef o ri t s r a d i a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s b u tw es t u d yt h ec o m p u t e r s r a d i a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s b ya n a l y z i n g t h ec i r c u i t c o n f i g u r a t i o n o fi t sd i f f e r e n t i a l c o n s t i t u t e d p a r t s i nm yt h e s i s ，t h es t u d ys t a r t s f r o ma n a l y z i n gd i f f e r e n tk i n d so f s i g n a l sp r o d u c t i o na n df l o w i n gp a t h s i nt h ec o m p u t e r s y s t e m o nt h eb a s i so ft h i s ，t h e p o s s i b l er a d i a t i n g s o u r c e so ft h ec o m p u t e r sd i f f e r e n t i a l p a r t s a r e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d f u r t h e r m o r e ，w ec o m p a r et h et h e o r e t i c a la n a l y z i n gr e s u l t sw i t hm e a s u r e d o n e s a sar e s u l t ，w e g e t m o r e k n o w l e d g e a b o u tt h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i n g m e c h a n i s mo fd i f f e r e n tc o m p o n e n t si nc o m p u t e r s y s t e m i n a d d i t i o n ，s o m ee f f o r t o ne x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s i sm a d et o d e c r e a s et h em a g n i t u d eo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf r o mc o m p u t e r i ts h o w st h a tt h e e f f e c to fr a d i a t i o ni so b v i o u s l yr e d u c e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，e l e c t r o m a g n e t i er a d i a t i o n ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g ， s h i e l d i n g ，f i l t e r i n g ，g r o u n d i n g 郑州大学硕士学位论文 1 1 电磁兼容性概述 1 绪论 1 1 1 引言 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y - 一e m c 直译为“电磁兼容性”) 是 研究在有限的空间、时间和频率资源下各种设备和系统可以相互共存而不至于造 成性能下降甚至无法正常工作的科学。其涉及的技术领域几乎包括一切用电设备。 在许多领域。电磁兼容性已成为电气和电子产品中必备的技术指标或性能评价的 依据。 国家标准g b , r i 4 3 6 5 1 9 9 5 电磁兼容术语对“电磁兼容性”作了如下定义i l l “设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受 的电磁骚扰的能力。”国家军用标准g j b 7 2 - - 8 5 电磁干扰和电磁兼容名词术语 第5 1 0 条对“电磁兼容性”的定义更加详细昭1 ：“设备( 分系统、系统) 在共同 的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同 一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电 磁环境中其它设备( 系统、分系统) ，因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。” 由此可见，电磁兼容性学科研究的主要内容是如何使处于同一电磁环境下的各种 电子电气设备或系统能够正常工作而又互不干扰，达到所谓的“兼容”状态。实 际上电磁兼容性学科的研究对象并不仅限于电气电子设备，而且涉及到自然干扰 源、核电磁脉冲、静电放电、电磁辐射对人体的生态效应，信息处理设备电磁泄 漏产生的失密，检测地震前的电磁辐射进行震前预报等等问题。所以有的学者也 把电磁兼容性学科称为环境电磁学。 明确两个概念：在电磁兼容学科中，电磁骚扰( e l e c t r o m a g n e t i c d i s t u r b a n c e ) 指的是任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生 损害作用的电磁现象。电磁干扰( e m i ，e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) 是指电磁骚 扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降t l l o 1 1 2 电磁兼容性学科的研究内容 电磁兼容性的研究是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即干扰源、干扰传 输途径和敏感设备( 干扰接受器) 。图1 1 给出了一个电磁干扰的干扰源敏感设 备干扰耦合路径的示例。 图中干扰源代表一个产生噪声的系统或分系统，敏感设备代表个对噪声敏 感的系统或分系统。在现实世界中，一个系统或分系统可以被模拟为一个干扰源 1 郑州大学硕士学位论文 一一辐射干扰 传导干扰 图1 1电磁干扰传播途径 或敏感设备，虚线表示辐射干扰，实线表示传导于扰，箭头表示发射或传导耦合 的方向。a 线表示干扰源通过辐射途径直接耦合到敏感设备的干扰，b 线表示互 连电缆也可作为噪声辐射的干扰源，c 线表示互连电缆可以作为敏感设备对由辐 射引起的噪声产生响应。由此可见，起初由辐射发射引起的噪声通过场至线的耦 合，在敏感设备系统中可表现为传导响应。d 线表示互连电缆之间的辐射耦合， 一根导线上的噪声可通过电容或电感耦合到其它的导线上。需要强调的是，交流 电源往往是很“不干净”的，它除了供给用电设备5 0 王z 的交流电以外，还容易携 带其它各种频率的电磁噪声和无用信号，而这些都会给用电设备带来干扰。因此， 电源本身也是一种干扰源。 围绕构成电磁干扰的三要素，我们有很多问题需要探讨。如研究干扰产生的机 理、干扰源的发射特性以及如何抑制干扰的发射；研究干扰以何种方式通过什么 途径传输的，以及如何切断这些传输通道；研究干扰接受器对干扰产生何种响应 以及如何提高接受器的抗干扰能力即抗扰度。围绕这些问题可把电磁兼容性的研 究内容粗略地分为以下几大类： 1 ) 干扰源的研究 干扰产生的原因包括：由于各种放电产生的噪声，金属接触面之间产生的噪 声，过渡现象即电压电流的瞬时变化产生的嗓声，无用信号产生的干扰，由于信 号反射引起的干扰，强电磁辐射源及脉冲产生的干扰等等。 干扰源通常分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰是自然界本身产生的， 例如主要由雷电引起的大气噪声，由磁暴引起的太阳噪声和来自银河系的宇宙噪 声等，它们对无线电通信广播会产生相当大的影响，至于近处发生的雷电还可能 直接危害电子设备的安全。 人为干扰主要由各种电气、电子设备产生。国际无线电干扰特别委员会( c i s p r l 2 郑州大学硕士学位论文 专门设有7 个分会，分别对下列干扰进行研究。a 分会讨论无线电干扰测量和统 计方法；b 分会讨论来自业、科学、医疗用高频设备的干扰：c 分会讨论来自架 空电力线、高压设备和电牵引系统的干扰；d 分会讨论来自汽车和内燃机的干扰； e 分会讨论无线电接收机的干扰和抗干扰特性：f 分会讨论来自电动机、家用电器 以及照明器具的干扰；g 分会讨论来自信息技术设备的干扰。c i s p r 研究的是民 用产品的电磁兼容性，没有包括军用设备的电磁兼容性。此外除电气电子设备的 干扰外还存在其他人为干扰源。例如，由核爆炸产生的强烈的电磁脉冲( n e m p ) 以及静电放电等都是重要的人为干扰源。对人为干扰源的研究，大至可从整个系 统考虑，例如城市的综合无线电噪声，小至可从构成设备的基本单元，例如印刷 电路板、各种元器件等着手，以适应不同层次的电磁兼容性分析的需要。 2 ) 传输途径的研究 电磁干扰主要通过空间辐射和导线传导方式从干扰源传输到敏感设备。 对于辐射干扰，当干扰源与敏感设备间的距离与波长相比比较大的场合，表 现为远区场特性；当两者间的距离与波长相比较小时，干扰的传输可看成是近场 感应，即电场( 电容) 耦合或磁场( 电感) 耦合。辐射干扰主要讨论线与线、机壳与机 壳、天线与天线和场与导线、机壳、天线间的耦合问题。 对传导干扰，主要讨论通过电源线、控制线、信号线和其他金属体传输的共 模干扰和差模干扰，还讨论由于不同设备使用公共电源或公共地线所产生的共阻 抗干扰。需要强调有时即使没有实物的导线相连，通过杂散电感或电容仍可构成 干扰的传输途径。 3 ) 敏感设备的研究 敏感设备在受到干扰侵入后会降低其性能或产生误动作，甚至危及其安全。 该部分主要研究敏感设备对干扰的响应以及与抗干扰能力有关的指标。敏感设备 的规模根据研究层次不同可以是系统、分系统、设备、印刷电路板和各种元器件。 研究对象涉及通信、导航、雷达、广播、电视、信息处理、遥控遥测、自动控制 等很多领域中的电磁敏感设备。此外人体也是一种敏感设备，电磁辐射对人体的生 态敏感是电磁兼容性的重要研究内容之一。强电磁辐射引起燃油燃烧、武器弹药 爆炸等也在研究之列 应该指出的是所有发射电磁能量的设备在一定的条件下都可以成为干扰源， 有时它们也可能是敏感设备。 4 ) 电磁兼容性控制技术 郑州大学硕士学位论文 屏蔽、滤波、接地是三项最基本的干扰抑制技术。屏蔽主要用于切断通过空 间辐射的干扰的传输途径，根据其性质可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。 屏蔽体可以很小，如元件的屏蔽壳，也可以很大，例如屏蔽室。衡量屏蔽的好坏， 采用屏蔽效能这一指标。屏蔽问题主要研究各种材料，例如金属、磁性材料、各 种结构，例如多层、单层、孔缝及各种形状的屏蔽体的屏蔽效能，研究屏蔽体的 设计和屏蔽与接地的关系等。 滤波技术用来抑制沿导线传输的传导干扰，主要讨论抗共模干扰、差模干扰 和浪涌的滤波电路和装置的设计。 接地除了提供设备的安全保护地以外，还提供了设备运行所必需的信号参考 地。接地方式有单点、多点和混合接地。接地技术主要讨论正确地布置地线、接 地体的设计、接地和屏蔽滤波的关系。搭接是实现接地的实际技术，如何减小搭 接电阻也是接地需研究的问题。 屏蔽、接地、滤波主要用来切断干扰的传输途径。从广义上看电磁兼容性控 制技术还应包括抑制干扰源的发射和提高于扰接受器的抗干扰能力即减低敏感 度。但由于干扰源和接受器种类繁多，功能不同，其控制技术已延伸到其他学科 领域。 除上述控制技术外，还必须加强对电气电子设备在时间、空间和频谱使用上 的管理和控制，持别是频谱的利用和保护方面已发展成电磁兼容性学科的一个重 要分支“频谱工程”。频谱工程研究频率的指配，频谱规划频谱过载的解决， 为压缩使用频谱而改进设备的研究，降低发射机的寄生辐射，加强接收机的抗干 扰能力等等。 5 ) 测量的研究 电磁兼容性测量的研究是至关重要的，它贯穿于电磁兼容性分析、建模、产 品开发、产品检验、干扰诊断等各个阶段。由于电磁兼容性测量的对象是干扰和 噪声，不同于一般有用信号，因此噪声的拾取、噪声的衡量和误差分析等都有自 己的特点。对测量方法、测量仪器设备、测量场所的研究是电磁兼容性学科的重 要组成部分。 测量方法包括干扰源的辐射发射和传导发射特性的测量，敏感设备的辐射敏 感度和传导敏感度的测量。由于干扰源和接收器种类繁多，用途不一，有军用、 民用的，所占频带很宽，从几赫兹到几十吉赫兹，所以测量方法必须分频段并根 据用途归类进行研究。 电磁兼容性测量使用的专门仪器通常有干扰场强测量仪、带预选器和准峰值 适配器的频谱分析仪、数字或模拟存储示波器等，用于进行干扰的频域和时域测 郑卅大学硕 学位论文 量。由于绝大部分人为无线电干扰都是脉冲性的宽带干扰，所以要求这些仪器具有 良好的脉冲响应。与这些仪器配合使用的专用设备有各种天线、各种探头、功率 吸收钳、人工电源网络、各种干扰脉冲模拟器等。这些仪器设备的研制、开发使 用和自动测试网络的组建等是研究的主要内容。 6 ) 标准的研究 电磁兼容技术的迅速发展，也刺激了对电磁兼容标准化工作的需求。一些发 达国家存e m c 技术的研究、标准的制定、e m c 测试及认证方面处于领先地位。 i e c ( 国际电工委员会) 专门从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会，即国 际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 和第7 7 技术委员会( t c 7 7 ) 。其中c i s p r 负 责制订频率大于9 k h z 发射的基础标准和通用标准，t c 7 7 负责制订9 k h z 和开关 操作等引起的高频瞬态发射及整个频率范围内的抗扰性基础标准和通用标准。 t c 7 7 制订的国际标准是i e c 6 1 0 0 0 系列。我国的e m c 测试及标准化工作是6 0 年 代起步的，对应于c i s p r 成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，对应t c 7 7 成立了“全国电磁兼容标准化联合工作组”，以促进磁兼容e m c 研究和标准化工 作。我国已陆续制订了很多种有关电磁兼容性的国家标准。随着e m c 标准化工作 的进行，其认证工作作为市场经济发展到一个比较成熟阶段的产物，就如安全认 证、环境保护的绿色认证一样，e m c 认证也将是产品的一个重要质量标志。 自1 9 9 6 年1 月1 日起，欧盟( 1 5 国) 开始强制执行8 9 3 3 6 e e c ( e m q 指令， 率先将产品的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范围。指令规定所有的电子电 器产品( 设备) 必须符合e m c 要求，加贴c e 标记才能在欧洲市场上销售。没有 c e 标记的产品不得上市，不符合e m c 指令要求的，要被责令从市场上撤出，持 续违反者将受到重罚。我国加入w t o 后，为适应国际贸易新标准，尽快与国际接 轨，积极促进我国家电行业的良性发展，从2 0 0 3 年8 月1 日起，我国家电行业将 全面推行c c c 认证，即叫，国国家强制性产品认证”，简称“3 c 认证”。国内没有 通过3 c 认证的企业的产品将不得出厂和销售，国外没有通过3 c 认证的产品将不 得进入中国市场。而该认证中重要的一项认证就是产品的电磁兼容认证。 电磁兼容标准规定了各个频段各种类型的电气电子设备的发射干扰限值和对 敏感度的要求。标准中还对干扰的测量方法、仪器设备、试验场所做了统一的规 定。因为大部分干扰具有脉冲性质，采用不同的测量方法和手段即使测量同一干 扰所得结果也可能相差甚远。 7 ) 电磁兼容性分析、预测和电磁兼容性设计 电磁兼容性设计应该在产品开发的最初阶段就开始进行，并贯穿于开发的整 郑州大学硕士学位论文 个阶段，不要等产品使用时发现电磁兼容性问题再去解决，这样可以节约大量的 时间和经费，图1 2 表示电子、电气产品从设计到投产的全过程中电磁兼容控制的 可行性和投入成本的关系。在设计的起始阶段有很多有效的控制措施使干扰得到 抑制，同时花费的成本比较低；等到产品投产后发现不兼容问题，不仅可用的措 施少、解决困难，而且成本大大上升。 时间 图1 2 解决聃c 问题各阶段的可行性和成本 电磁兼容性设计必须依靠电磁兼容性分析和预测，分析和预测关键在于数学 模型的建立和计算机分析程序的编制。数学模型包括根据实际电路、布线和参数 建立起来的所有干扰源、传输途径和干扰接收器模型。分析程序应能计算所有干 扰源通过各种可能传输途径对每个接收器的影响，并判断这些综合影响的危害是 否符合相应的标准或设计要求。目前国外已经开发了不少大型的分析预测程序， 例如美国的i e m c a p 程序可以处理2 4 0 个干扰源和2 4 0 个干扰接收器，用于飞机、 航天器、导弹、地丽系统等复杂系统内和系统间的电磁兼容性评估。g e m a c s 程 序可预测电磁场的散射、耦合和谐振腔中场的传播 2 1 0 1 1 3 计算机的电磁兼容性简介 计算机是一种电磁设备，我们注意到，它既是一个敏感设备，又是一个干扰 源。首先，计算机作为一种数据处理和存储系统，夕 界电磁场干扰可能对其正常运 行和信息安全造成危害。而作为一种电子设备，它的寄生辐射和电磁泄漏也可能污 染外界电磁环境或造成自身信息失密。计算机系统的e m c 已成为一个迫切需要研 究的问题。 计算机设备，包括主机、crt 终端、磁盘驱动器和打印机等在工作时，都会 产生不同程度的电磁泄漏。如主机中各种数字电路的电磁泄漏，显示器视频信号 的电磁泄漏。键盘按键开关引起的电磁泄漏，打印机的低频电磁泄漏，通信设备 郑州大学硕士学位论文 和电源线产生电磁泄漏等等。计算机及其外部设备的信息可以通过两种方式泄漏 出去，一种是以电磁波的形式辐射出去，称为辐射泄漏。计算机的辐射泄漏是伴随 计算机系统各部件工作时的电磁辐射产生的，各种传输线、信息处理电路、时序 电路、显示器、开关元件及接地系统等( 也包括印制板上的线路) 工作时或多或少都 会起到天线的作用，向外产生电磁辐射，如图1 3 所示。另一种是通过各种线路和 金属管传导出去的，称为传导泄漏。例如，计算机系统的电源线，机房内的电话 线等都可能作为传导媒介。这些金属导体有时也起着天线作用，将传导的信号辐 射出去。图1 4 给出了传导泄漏的原理图。在这些泄漏源中，最大量和最基本的辐 射源是载流导线。 劫圈 捻鼗jj 心竺竺、 图1 3 计算机的辐射泄漏示意图 图1 4 计算机的传导泄漏示意图 电磁信息泄漏的机理、预测分析、检测、防护和管理技术，即t e m p e s t ( t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c p u l s ee m a n a t i o ns t a n d a r dt e c h n o l o g y ) 技术，是美 国国家安全局( n s a ) 和国防部( d o d ) 联合进行研究与开发的一个极其重要的 项目，主要研究计算机系统和其它电子设备的信息泄漏及其对策，也就是研究如 何抑制信息处理设备的辐射泄漏，或采取有关的技术措施使对手不能接收到辐射 的信号，或从辐射的信息中难以提取有用的信号。有关t e m p e s t 技术的资料各 国均属机密，都不允许在公开场合讨论其有关问题。t e m p e s t 技术研究包括理论、 工程和管理方面，在技术上涉及电子、电磁、计算机、信息测量、材料、化学等 多个学科领域。 抗干扰、低辐射的计算机被称为t e m p e s t 计算机。计算机中的t e m p e s t 技术主要采用以下的技术措施： 1 ) 采用屏蔽技术 屏蔽是t e m p e s t 技术中的一项基本措施。其目的，一是限制内部辐射的电 磁信息外泄；二是防止外来的射频干扰进入计算机系统。t e m p e s t 技术对屏蔽要 求很高，一般要求从线路板做起。实施屏蔽的关键在于屏蔽材料的性能，特别是 7 郑州大学硕= e 学位论文 衬垫对屏蔽的效果影响很大。屏蔽机箱应是金属的，电缆的屏蔽层多以不导磁的 金属丝编织而成。 当电缆屏蔽层需要同时实现电磁屏蔽时，可采用高导电率和高导磁率的组合 材料作电缆的屏蔽层。 2 ) 滤波技术 滤波是t e m p e s t 技术中的一项十分重要的内容。滤波器能非常有效地减少 和抑制电磁泄漏。按需要传输和衰减的频段可分为：低通、高通、带通、带阻四 种类型：按用途可分为信号滤波器和电源滤波器。信号滤波器有板上滤波器和连 接器内藏滤波器两种。板上滤波器用于线路板上，通常安装在信号输出端，连接 器内藏滤波器用于设备之间的接口电缆上，电源滤波器用于设备的电源线上。使 用合适的滤波器能减弱高次谐波，进而减少线路板上的走线和各种传输线的辐射 以及红，黑信号的耦合。使用时需仔细考虑插入损耗、阻抗、处理能力、信号失真、 可调谐性、成本和抑制无用信号的能力等各种因素。 3 ) 布线与元器件选择 印制板和整机的元器件布局和线路排列很重要，应采取必要的隔离措施，使 载有不同源电流的导线远离，以减少各导线之间的有害耦合。为此，应尽量减少 线路板上的走线和元器件引线的长度。通常采用多层布线和表面安装技术，并选 用大规模集成电路，以减少线路的辐射。安排走线时，要避免走线发生急剧变化， 尽可能采用平衡布线法，且每一层信号走线设置地线面，以减少干扰信号的产生。 采用了屏蔽电缆以后，电缆的辐射幅度减小。为了进一步减少辐射，可在电缆的 两端套上铁氧体磁环。计算机及其外部设备中的信息都是“o ”和“1 ”，都是以电脉冲 的形式表示的。根据傅立叶变换，脉冲中包含丰富的高次谐波。计算机速度越高， 它辐射的电磁波频谱越宽。为了减少高次谐波，应尽量选用低速和低功耗的逻辑 器件和波形较迟钝的时钟发生器。例如，c m o s 电路的辐射比1 几电路小得多， 瓷介质振荡器的辐射比晶体振荡器小得多。 钔“红”，“黑”隔离 “红”，是指有信息泄漏的危险；“黑”，则表示安全。“红”色，指红区、红线。 红区，是指处理未经加密的信息区域。红线，指未经加密的机密信息的传输线。而 不含未加密的有用信息的区域和传输线路称为黑区和黑线。将“红”与“黑”隔离开， 防止其耦合是t e m p e s t 技术的重要内容。具体方法有：( 1 ) 用隔离仓将红区与黑 区隔离；( 2 ) 合理布线，使红线与黑线隔开或尽量减少其耦合，红线和黑线分别供 电；( 3 ) 用缓冲器隔开红与黑接口线路；( 4 ) 减小红信号环路面积，减少线路走线和 元器件引线长度。 8 郑州人学硕j 学位论文 5 ) 利用噪声干扰源 它利用两种方式降低电磁信息泄漏的可能性。一种方法是将一台能产生噪音 的干扰器放在计算机设备旁边，干扰器产生的噪音与计算机设备产生的信息辐射 一起向外泄漏，使计算机设备产生的有用信息泄漏不易被接受复现。二是将处理 重要信息的计算机设备放在中间，其四周放一些处理一般信息的设备，让这些设 备产生的信息泄漏一起向外辐射。 我国从二十世纪8 0 年代中期开始关注t e m p e s t 领域，已经在计算机系统电 磁信息泄露的安全防护方面取得了一些研究成果。但因为起步晚，许多课题尚有 待深入研究、发展。 1 2 课题意义和主要研究内容 计算机作为一种数据、信息的处理设备，其中传输和处理的信息是以电磁信 号的形式存在的；因此，它又是一种电磁设备。随着信息技术的发展和微型计算 机的普及应用，计算机已成为目前应用最为广泛的信息处理和信息传输的电子设 备。由于计算机的特殊构造方式与工作方式，它不可避免地会向空间辐射电磁波， 这种电磁辐射的危害有三：一是危害计算机周围的人体健康；二是对周围的电磁 设备形成电磁干扰；三是导致信息泄密。当前第三方面正越来越收到人们的关注， 因为这些电磁发射信号不但频谱成分丰富，而且携带信息，从而对某些处理的信 息的安全性造成威胁。1 9 8 5 年，荷兰电信总局的一名工程师在英国b b c 电视台的 配合下，进行了一次计算机终端信息辐射的实验接收。窃收的目标是一条马路边 楼内的一台正在工作的计算机终端，窃收装置放在路边的一辆面包车内，实验窃 收非常成功，在经过改装的电视机屏幕上，清晰地显示出楼内终端工作的内容。 鉴于计算机在当今政治、经济生活及科研、金融、军事领域的重要作用，研 究计算机的e m c 问题，意义重大。在特殊领域，我们需要抗干扰、低辐射的计算 机。但此问题的解决并非易事，因为它涉及到计算机的内部结构、电源性能、电 源电缆、以及检测技术等多种技术因素，需要对电磁兼容检测的具体问题和计算 机结构进行分析。 微型计算机系统是由各分系统、部件组成的，因此，作为电磁设备的计算机 系统，其电磁辐射、泄露是通过各分系统、各组合以及各单独部件共同作用的结 果。现有的文献大多是将计算机作为一个整体来研究其辐射特性，且很少有对计 算机产生的电磁辐射从电路构成上做详细分析与探讨的资料：本文对微型计算机 的各组成部分，从信号的产生及流向的角度进行具体分析，确定信号的产生、走 向，寻找各分系统、各部件的辐射源。 在此基础上，对各部件的电磁辐射进行实际的测量，再将理论分析的结果与 郑州大学硕士学位论文 实际测量结果进行比较、分析、处理，从而从电路级把握计算机各主要部件的辐 射机理。郑州大学信息工程学院电磁兼容实验室有大型屏蔽室、吉赫兹横电磁波 室、高档频谱分析仪和近场测量探头等先进设备，可进行电子设备及通信设备的 抗干扰性能和电磁兼容性能的测试和分析，为我们的试验刨造了良好的条件。我 们的分析和测量结果可以作为计算机生产厂家、广大计算机用户参考之需。 要减少微型计算机系统的电磁辐射，必须进行电磁兼容设计。电磁兼容设计 应该是从最基本的电路功能性设计就开始的，即在设计电路时使电路完成一定功 能的同时，也要考虑使系统具有良好的电磁兼容性；实际上，电磁兼容性的好与 坏，直接影响着电路功能是否能够良好地体现。提高微型计算机系统电磁兼容性 的措施有屏蔽技术、滤波技术和接地技术。为了验证这些措旋的有效性，我们做 了一些试验和测试；实际的措施是根据被测试机的实际结构进行设计的。测试结 果证明，这些措施是有效的，大大减低了微机系统的电磁辐射。 对被测试机的传导和辐射发射的测试以及对被测试机进行的抑制其电磁辐射 的试验是在北京瑞特电子技术公司进行，该公司是电磁兼容专业研究和开发的技 术型企业，公司具有完善的e m c 试验环境和全套的测试诊断设备，为我们实验的 顺利进行创造了良好条件。 由于作者水平有限，请各位读到本文的专家、学者和同学们多提宝贵意见， 指出文中的不妥之处，或共同探讨相关问题，本人深表谢意。 1 3 论文的章节安排 论文共分四章，第一章介绍电磁兼容学科的研究内容和有关计算机电磁兼容 性的知识，并说明本课题的意义和研究内容；第二章从计算机各部分的组成和工 作原理分析入手，具体分析计算机系统的各组成部分信号的产生及流向，阐述各 部件所产生的较强电磁辐射的机理，并对主板、视频子系统等部件的辐射频谱进 行了研究；在此基础上，对各部件的电磁辐射进行实际测量，并将理论分析的结 果与实际测量结果进行比较和分析，从而得出计算机产生电磁辐射的一些规律。 第三章阐述电磁兼容性设计的概念和方法。第四章利用屏蔽、滤波等电磁兼容设 计方法，对试验机进行电磁兼容性设计，通过试验探讨计算机电磁辐射的抑制方 法；从实验结果看，我们采取的一些电磁兼容设计方法是有效和实用的，可以为 计算机的电磁兼容性设计工作提供一些借鉴。 郑州大学硕士学位论文 2 微机系统电磁辐射特性的研究 微机作为一种数据、信息的处理设备，传输和处理的信息是以电脉冲的形式 存在的，因此必然存在电磁辐射。本章将对计算机的电磁辐射特性进行研究。微 型计算机系统由各分系统、部件组成，因此，其电磁辐射、泄露是通过各分系统、 各组合以及各单独部件共同作用的结果。本文对计算机的各主要组成部分从信号 产生和流向的角度，具体分析各分系统和各部件可能产生的电磁辐射，寻找其各 自的辐射源；在此基础上，对主要部件的电磁辐射进行实际的测量，再将理论分 析的结果与实际测量结果进行比较、分析，从而对微机各主要部件的辐射机理有 所了解，为进一步研究计算机的电磁兼容问题打下基础。 2 1 微机主板的电磁辐射分析与测量 2 1 1 引言 主板是计算机产生电磁泄露的主要部件之一，本节以计算机主板的电路结构 为基础，深入分析各种信号的产生和走向，研究主板上可能产生的电磁泄露的频 谱，配合贴近场测量技术，分析计算机主板上各部件的辐射机理，为进一步研究 和解决计算机的电磁兼容问题打下基础。 2 1 2 主板的电路结构 本文以一块“技嘉”g a - - 5 8 6 a t v 主板为例来讨论。 主板是机箱内最大的一块电路板，其上有c p u 插座和内存插槽，可安装c p u 和内存条：有i o 扩展插槽，可插入各种i ，o 扩展卡( 如显卡、声卡等) ，c p u 正 是通过这些i o 扩展卡与外设相连。主板上还提供了称为芯片组的大规模集成电 路芯片，集成了除c p u 以外的其它各种控制功能。 g a 一5 8 6 a 主板采用a m d k 5p r l 3 3c p u 和i n t e l4 3 0 v x 芯片组，该主 板的模块化结构图如图2 1 所示。该主板为“b a b y a t ”结构，其p c b ( 印制电 路板) 由四层组成，除上下两层均有印制电路导线( 为信号线) 外，中间还有两 层各有印制电路导线( 为电源线和地线) 。这样的主板结构，由于用电源层和地线 层将数字信号层隔开，大大减低了信号层相互之间的电磁干扰。 i n t e l4 3 0 v x 芯片组出一片8 2 4 3 7 v x 系统控制器( t v x ) ，两片8 2 4 3 8 v x 数 据通路芯片( t d x ) 和一片p c i 、i d e 、i s a 总线加速器( p i i x 3 ) 组成；其中t v x 和两片t d x 一起作为c p u 总线到p c i 总线的桥梁，提供了p c i 总线的控制功能， 郑州大学硕士学位论文 俗称“北桥”( n o a hb r i d g e ) ：p i i x 3 是一个多功能的p c i 设备，作为p c i 总线到 i s a 总线的桥梁，其内部包括一个快速i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) 接口， 一个a p i c ( a d v a n c e dp r o g r a m m a b l ei n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) 接1 2 i 和一个通用串行总 线( u s b ) 控制器，俗称“南桥”( s o u t hb r i d g e ) ；它还提供电源管理功能1 2 0 1 。芯片 组的功能几乎涉及到计算机的每一个环节，它们是c p u 和外部设备的桥梁和枢纽， 功能强大，是整个主板的核心，它的性能，几乎决定了整个主板的性能。除此之 外，主板上还有系统总线插槽、内存插槽、s u p e ri o 芯片、键盘控制器芯片( k b c ) 、 l 2c a c h e 芯片、c m o sr a m 芯片、时钟发生器芯片、软硬盘接口插座、串并行 接口插座及一些辅助性的芯片等等。虽然它们各自完成自身的功能，但无一例外 都通过总线和芯片组保持密切联系。 图2 1g a 5 8 6 a 主板模块图 2 1 3 主板上信号走向分析 一台计算机是由许多不同功能的部件构成，而这些部件必须通过总线互相连 接才能构成计算机系统，发挥系统的强大功能。总线( b u s ) 在物理上表现为一 组电气连接导线，其作用是将p c 的各功能部件有机地连接起来，以实现各部件之 间各种信息的传递。总线根据它们传递信息的性质不同，可分为地址总线( a b ) 、 数据总线( d b ) 和控制总线( c b ) ；而按在计算机系统中的层次结构，总线又可 分为如下类型： 处理器总线：它是c p u 与主板芯片组中的n o g h b r i d g e 的联系途径，该总 郑州大学硕士学位论文 线以完全主板速度工作，5 8 6 主板中为6 6 m h z 。同时，c p u 与二级高速缓存之间 也以该速率传输数据。 存储器总线：用于在c p u 与主存储器之间传递信息。该总线通过n o r t h b r i d g e 与处理器总线相连。对e d o 内存，总线速度为1 6 m h z ；而对于s d r a m 内存，系统以6 6 m h z 的速度运行该总线。 p c i 总线( 外围设备互连总线) ：是一种局部总线。它由n o r t h b r i d g e 发出， 特点是信息传输速度快，工作频率可达3 3 m h z 。一些较快的设备如p c i 显卡、p c i 网卡等可通过p c i 插槽与它相连。 i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线：它由南桥芯片引出，是一种低 速总线，工作频率只有8 3 3 m h z 。一些速度较低的设备，如软盘驱动器、键盘、 串行口、并行口等通过s u p e r i o 芯片与它相连。并且通过i s a 插槽可扩展其它设 备。 p c i 总线和i s a 总线又统称系统总线。 外围通道总线：用来将各种外设控制芯片连接到i s a 总线，如主板上的 s u p e ri o 芯片和键盘控制器芯片等。c p u 总线、存储器总线、外围通道总线一般 都设计在主板上，不同的主板采用不同的芯片组，以上这些总线的布线因主板的 不同而不同；但系统总线却遵循统一的标准，各主板上采用的系统总线扩展插槽 是一样的。 一块典型的5 8 6 主板通过各种总线互连的原理图如图2 2 所示。下面分别从时 钟总线、地址数据总线和其它控制总线、电源线与地线三方面说明信号的走向。 图2 2 典型5 8 6 主板总线 郑州大学硕士学位论文 1 ) 时钟总线( 属控制总线) 计算机是由各部件组成的一个整体，各部件之间需要有统一的指挥，整个系 统才能协调运行；计算机系统中起到这种指挥作用的，不是c p u ，而是系统时钟， 包括c p u 在内的各种部件，都必须按系统时钟的节拍工作。计算机系统的时钟脉 冲是由一片叫做时钟发生器( c l o c kg e n e r a t o r , 也有叫时钟合成器的( c l o c k s y n t h e s i z e r ) ) 的集成电路芯片产生的。时钟发生器的内部电路采用频率合成技术， 将高精度、高频率稳定度的基准频率( 晶体振荡器提供) ，经过直接或间接频率的 加、减、乘、除运算，产生出多个与标准频率有相同稳定度和精确度的离散频率， 供给计算机各分系统使用。 图2 3 是c y p r e s s 公司的c y 2 2 7 3 a 时钟发生器的逻辑模块结构图1 2 1 1 。 图中x t a l i n 和x r i a i d u t 两个输入端接一个振荡频率为1 4 3 1 8 1 8 m h z 的晶 体振荡器，经过内部电路的频率合成，在c p u c l k 端产生用于c p u 的时钟脉冲， 频率为6 6 m h z ，这就是所说的外频，也叫系统时钟，在c p u 内部仍有倍频电路， 可将输入的外频信号以适当的系数倍频，这个系数叫做倍频系数，将外频乘以倍 频系数，就得到c p u 实际的工作频率，称为主频，例如倍频系数是2 ，c p u 的主 频就是1 3 3 m h z ；在s d r a m 端产生用于内存的时钟脉冲，其频率等于系统时钟； 在p c i 端产生的是p c i 总线插搪的时钟脉冲，频率3 3 m h z ( 由系统时钟2 分频得 来) ：此外，还能产生u s b c l k ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，4 8 m h z ) 、a g p ( a c c e l e r a t e d g r a p h i cp o r t ，6 6 m h z ，由p c i 端时钟2 倍频得来) 、r e f 0 ( 1 4 3 1 8 1 8 m h z ) 等时钟 信号。而i s a 总线扩展插槽的时钟脉冲( 8 3 3 m h z ) 是由p c i 时钟经南桥芯片中 的i s a 接口部分4 分频得到。此外，像软盘驱动器、硬盘驱动器的时钟脉冲( 2 4 m h z ) 1 4 郑州大学硕士学位论文 由主板上的l ，0 控制芯片产生，而键盘的时钟脉冲( 1 m h z 左右) 则由键盘控制芯片 产生f 有的时钟发生器也能直接产生这些时钟脉冲) 。 由于时钟电路产生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散谱；离散谱 的能量集中在有限的频率上，因此是电磁辐射的主要因素。又由于系统各部分的 时钟信号多由同一时钟分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频关系，会重叠 在一起，从而增大辐射的幅值。 2 ) 地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 和其它控制总线( c b ) 连接主板电路各个部分的地址总线( 高位) 、数据总线和其它控制总线，其上 流动的各种信号都是在每个部件的时钟脉冲协调下的高速数字脉冲信号，其波形 总体上是毫无规律可言的；因此，其辐射频谱更宽且无一定规律，难以预测。但 是，如果和时钟总线综合考虑，在各个部件工作的时钟信号的基频及其各次谐波 附近，电磁辐射应较强。但是，对低位地址线，由于存储器单元地址分配的连续 性，决定了它们传送的信号大多情况下是周期信号，与时钟信号的道理相同，它 们造成的辐射也较强。 3 ) 电源线和地线 电源线和地线也是不可忽视的辐射源。在主板设计时，电源线和地线的铺设 都要认真考虑，把辐射减低到最小限度。四层板布线时，应将电源线、地线各单 独布在一层，时钟线要与地线层相邻，而不能与电源线相邻，以减少电源线耦合 干扰的影响。电源线层与地线层要尽量靠近，以获得最小的电流阻抗。 2 1 4 测量结果与分析 在电路分析的基础上，我们对该款技嘉g a - - 5 8 6 a t v 主板的电磁辐射进行了 测量。 2 1 - 4 1测量方法与测量装置 对电磁场辐射发射的测量，可分为远区场测量、近区场测量和贴近场测量， 三种场的分布特性不同，测量方法也不相同。我们在实验中使用的是贴近场测量 技术，这种方法是用贴近场探头来检测设备电磁辐射或泄漏，如在机箱表面探测 有电磁泄漏的缝隙，在电路板表面探查电磁辐射大的元器件等。 我们在屏蔽室内，用贴近场测量方法，对主板上晶振及时钟发生器、c p u 、 北桥、南桥等主要部件进行了测量。测量仪器采用h p 4 3 9 6 b 频谱分析仪和h z 一 1 1 贴近场探头。测量某一器件的电磁辐射时，用专门加工的屏蔽隔舱罩住被测部 件，以尽量减少其它器件电磁辐射的干扰，h p 4 3 9 6 b 可显示和存储辐射频谱。 2 1 4 2测量结果与分析 郑州大学硕士学位论文 用上述方法，我们对时钟发生器、 磁辐射在开机情况下进行了实际测量， c p u 、北桥、南桥、内存等主要部件的电 测量结果如图2 a ) ( e ) 所示。 翩 _ 翱黼 枞赢枞 荆槲 1l l ：l 聃 如酗献蝴涵妇 ( c ) 北桥 生器 i 椭 枞晰祧黼 蝴脚岬 ( b ) c p u 神 酬鼬艄晌 胛 ? i17 ”玎 l f 州 ( d ) 南桥( e ) 内存 图2 4 主板部分部件的电磁辐射 1 ) 晶振及时钟发生器 由图可见，晶振及时钟发生器的辐射频谱呈现很强的规律性，晶振的 1 4 3 1 8 m h z 的谱线清晰可见，面由时钟发生器产生的3 3 m h z 、6 6 m h z 等谱线也很 明显。其它如1 0 0 、1 6 6 、2 3 3 、3 0 0 、3 3 4 m h z 等谱线正好是3 3 m h z 、6 6 m h z 谱线 各次谐波。 2 ) c p u c p u 芯片的辐射频谱也有较强的规律性。己知c p u 的外频是6 6 m h z ，内频 是1 3 3m h z ( 主板倍频