郭志洁

(南京科安电子有限公司,江苏南京 210009)

基于物理模型实现的CVBS宽带隔离变压器的设计过程

郭志洁

(南京科安电子有限公司,江苏南京 210009)

这篇文章是作者设计的一种CVBS(复合视频基带信号)宽带隔离变压器的技术总结,设计得到了相关视频工业标准的认证。针对复合视频信号传输系统存在的接地环路工频干扰的问题,文中讨论了地回路隔离设备基于模型的开发技术,涉及到物理器件的模型构建、仿真迭代和产品实现的可操作过程及其工具使用;由于设计行为已经深度嵌入到众多工程师的职业生涯中,从任何程度和职业视角对设计过程的回顾,都将有益于对设计技能的探索和改进,因此这个技术总结还触及到设计技能的具体经验乃至设计过程模式的某些思考。文章包含了这样一些章节：问题背景与目标;快速原型;模型迭代;设计验证。

CVBS 地环路 快速原型 建模 仿真

以往有的视频监控系统工程项目，竣工时才发现视频图像信号传输质量存在问题。图1记录了这种典型的影像缺陷。交付缺陷与项目的各个子系统可能都有关系，这种缺陷主要是由于系统集成时CVBS传输存在地环路噪声干扰引起的。

视频监控基础设施建设采用招标商业模式。通常由系统设计单位和业主向专业市场发布项目或设备需求信息，但仍有需要投标方提交技术方案和需求规格的情况。因此设备竞标方对专业项目的投标，除了包含了他们过去积累的技术成就也可能会启动新的自主产品设计，如文中CVBS传输抑制系统地环路噪声的宽带隔离变压器。

“设计”这个词的存在，表明它已经具有独立的服务性质：设计者不再同时也是使用者，两者呈现“需求-满足”契约性质的关系。这种分离是知识演化的必然结果，但同时要求供需之间必须建立有效的信息沟通。现实是，用户对需求“朝三暮四”，而设计者也会“画蛇添足”，这种不确定性影响着设计过程，成功、失败或“歪打正着”都可能发生。由于人类理性的限度，设计行为具有多重属性：它既包含人利用自然规律的能力，也具有人实现价值因素的祈愿。从制造商的角度，结合已完成的每一个具体设计任务反思设计过程，对改进设计技能是很好的学习机会。

图1 视频信号传输受到低频持续干扰的实际影像

图2 用于分析 CVBS 传输设计任务环境的系统层次划分

1 问题背景与设计目标

1.1 设计目标

图1显示了被干扰的图像扭曲现象，设计任务的目标是实现一种独立装置，从技术上有效保持CVBS信号传输的信息完整性。

1969年，Herbert Alexander Simon出版了《人工科学》(The Sciences of The Artificial)一书[1]，他试图探索人们在设计过程中所体现的创造性问题求解技能的本质。用他的话来说，设计的目标就是创造一个适应特定目的的“人造物(artificiality)”，事实也是如此。

图3 CVBS 传输系统中存在地电流环路的抽象电路模型

1.2 任务环境

对于人为事物来说，我们可将其看成是“内在”环境—即其自身物质及组织，同“外在”环境—即它所处的外部环境，这两者之间的接触点，用今天的话来讲，就是“界面”。如果内在环境适应外在环境，或者外在环境适应内在环境，则该人为事物就能够为预想的意图服务［1］。

CVBS系统广泛使用同轴电缆实现信号传输。不同地点的视频设备之间存在着地电位差，而同轴电缆屏蔽层将设备的安全接地端互连构成了地电流环路，就导致50Hz共模信号叠加在信道上。地环电流极易干扰CVBS信号并可能破坏视频同步机制。

根据CVBS系统的功能和信号理论的性质，图2描述了信号传输系统可分解的层次构造：信源、信宿、信道、规约和环境，亦即设计目标的任务环境。

图4 宽带变压器虚拟物理模型

图5 模型迭代修正过的宽带变压器虚拟物理模型的传输特性

1.3 问题空间和领域知识

通常设计首要关心的是要解决的问题。设计的问题，既包含反映设计目标的需求，也包括人造物外在环境和内在环境的相关事实因素对设计目标的影响。

1.3.1 问题空间

(1)CVBS传输系统环境：这是人们早年设计出来的。工业界制定了各种标准，即规约，目的是为了在信源和信宿之间提供信息通道并使各制造商的产品具有互操作性。独立装置的设计任务因信号传输逻辑上的联系将围绕信道子系统展开，系统地看它是人为事物的内部环境。从外部环境看，标准或法规是外在系统中存在的最具刚性的约束形式。

(2)规范性文件是影响设计的外部环境因素：GB 14050-93［2］对电气系统接地的安全技术基本要求中的b项，要求做到“电气装置中的外露可导电部分，都应通过保护导体或保护中性导体与接地极相连接，以保证故障回路的形成。凡可被人体同时接触的外露可导电部分，应连接到同一接地系统。”由于电气化历史早于信息化，视频同轴电缆的屏蔽层不得不将不同地点的视频设备连接起来。这就出现了图3所示的地环路问题。

(3)地环路[3]：地表两点之间的电阻总不为零且随时间变化。电力系统负载不平衡以及太阳磁暴产生的地磁电流都会导致电气设备不同接地点之间产生时变电位差，一旦有导体将两处设备连接起来形成环路，设备之间就有地环电流叠加，形成信号传输系统中的共模噪声(主要的频谱分量集中在50Hz及其谐频)。CVBS视频信号动态范围在56.9dBmV量级，而严重的地环路共模噪声一般都会达到50dBmV以上。显然，设计的问题空间包含了建立原始设计目标与针对信道噪声处理技术需求的内在关系。

1.3.2 领域知识

(1)纵向电流和横向电流：电气/电子专业领域使用“横向电流”定义信号回路中的电流；而“纵向电流”代表地环路中的噪声电流，它被称为共模噪声，会引起信号接收端参考电位的不平衡。

PAL制式的CVBS水平行信号波形参数中与设计目标密切相关的数据[4]：

行同步脉冲电平为3 0 0 m V；视频模拟信号的动态范围为20log700=56.9dBmV；彩色副载波信号的峰-峰值为300mV，载频4.43MHz；CVBS带宽比至少要达到105；传输功率峰值13mW(属于小功率信号范畴)。

(2)CVBS信道关键元件：同轴电缆的状态描述，有结构数据(电缆屏蔽层内直径do，内导体的直径di)和材料数据(绝缘介质的介电常数)，它们决定了同轴电缆独立的特性：过程描述它为特征阻抗Z0。由于衰减系数最小条件下的特征阻抗为77ohm，将Z0规范为75ohm。视频设备互联都要匹配这个特征值[5]。

(3)CVBS信噪比：可接受的信号传输质量，PAL消费型产品SNR48dB，专业型60dB。抑制地环路噪声至少需要达到60dB的共模抑制比。

1.3.3 设计需求与稀缺资源

基于领域知识，内在环境适应性需求主要解决：地环路和射频噪声抑制技术；满足CVBS传输应有带宽和频率响应；满足传输信道与信源和信宿的阻抗匹配；满意的噪声抑制指标。

基于价值因素，内在环境适应性需求主要顾及：最小范围地影响现存系统；环境保护；适宜的外形；简便的安装；易于制造。

主要的稀缺设计资源：心智注意力；专业知识；开发期限；开发资金；测试设备。

1.4 解空间和领域知识

设计具有的冗余性质：对于相同的目的和外部环境条件，并不规定由哪种性质的人为事物内部组织来实现，为某个人为事物的目的很可能存在多个设计方案，这些方案的集合就是解空间。

1.4.1 解空间

工业界使用隔离技术将信号提取并抑制寄生的共模噪声，技术形态上有四种常用方案：电感耦合、电容耦合、电阻耦合，和光电耦合。不让地环路噪声电势在信源和信宿之间形成回路的只有电磁与光电耦合。人为事物的目的性虽然有价值取向因素，但其内在环境依然要服从事实因素[6]。

1.4.2 领域知识

(1)变压器隔离的物理原理[7]：变压器关键构件是导线绕组和磁芯。携带信息的电磁能量在变压器构件之间相互转换，并且输入/输出端口之间的线圈绕组互为绝缘；变压器还具有阻抗变换功能，可以实现两侧电路的阻抗匹配。

(2)LED光耦合器的物理原理：LED光耦合器将光发射半导体管芯和光敏半导体管芯配置在电气绝缘的光导空间内。信源激发电流调制光信号，再由光解调为信宿电路的信号；这种耦合器具有很高的隔离度和极小形状因数。

1.4.3 设计方案的抉择

对可能性空间进行处理的逻辑，就是设计的逻辑：固定备选方案。

将设计目标基于规范性的需求和基于价值判断形成的需求按确定的权重分配，这里，作者认为规范性设计是这个任务主要的需要(60%)，而非规范性的价值因素或主观创造性的需求为次要(40%)，规范性和主观价值需求的权重也要进一步分配。按各设计需求对每个备选方案依其预期的设计目标适应性给出评价值(不超过100，并且与方案无相关性)。然后，计算每个备选方案关于设计目标适应性的加权平均值，依据比较结果做出固定备选方案的决策。

(1)规范性需求：安全规范；自洽性(不因设计引入新的同样问题)；带宽和频率响应；阻抗匹配；噪声抑制。每项权重为60/5=12%。

(2)主观价值需求：无设计耦合(设计范围不耦合到其它稳定形态的系统)；无附加设计(附加的辅助二次设计目标)；最小的形状因数；产品成本；可制造性；物流易于聚集；产品生命周期。每项权重为

(3)备选方案适应性评价数据结果：隔离变压器方案适应性加权平均值为86.72，LED光耦合器方案为78.95。这个形式化的约束过滤方法得到一个可以作为参考的结果。复杂设计的抉择极可能超出计算能力，所以还要根据知识、经验、直觉和价值判断共同决定设计决策以期加快搜索。

(4)经验加速了设计决策：光耦合器与变压器的设计目标适应性相比较，作者的评估值较低，原因在于作者经验过，光耦合器需要隔离供电的开关电源一定会引入难以抑制的高频噪声；无耦合设计原则与光耦合器电路模块需要被嵌入第三方信宿设备的安排相抵触；无附加设计原则由于光耦合器需要额外电源供电而失去价值；光耦合器产品寿命远不如隔离变压器。这些经验使设计抉择几乎不需要犹豫不定。

(5)价值取向将影响设计决策：单纯的价值因素也极有可能快速收敛解空间：如果一种方案在形状、连接方式更接近同轴电缆的几何特征，而能方便在线缆的任何位置将隔离设备接入传输信道，哪种备选方案更有优势呢？作者倾向隔离变压器的方案，显然这里是主观价值因素在支配。

(6)程序合理性：理性最优方案追求“本质合理性”。由于依靠设计活动中的“稀缺资源”，欲获得并能有效处理设计目标所有环境的信息非常不现实的。“这种简化模型的最优决策，当然很难说就是真实世界中的最优决策。决策者面临着如下两种决策之间的抉择，其一是想象的简化模型的最佳决策；其二是更接近复杂现实的模型的‘足够好’的、令人满意的决策。”[8]

2 快速原型

“是应该立即动手设计制造，还是应该先构建设计方案？”有些设计师认为根本没有什么设计过程模式，也人有坚决排斥将设计需求排在过程的前面，他们认为“伟大的设计来自于伟大的设计师而不是伟大的设计过程”，那么被设计事务深度嵌入的众多普通工程师和程序员的职业生涯该怎么办呢？今天，基于快速原型的建模和仿真的可操作性，既可以让我们立即行动，也可以三思而行，“一视同仁”地允许我们有快速地通过反复试验的机会来进行设计。

2.1 虚拟快速原型

2.1.1 为理解设计目标内在环境建立的模型

描述变压器行为的物理原理模型；变压器构件(线圈绕组，磁芯)模型；变压器等效电路模型；这些模型基于自然事实因素的描述包括数学方法，建立在教科书里，是新的建模技术的基础。

2.1.2 为设计目标内在环境建立的虚拟模型

虚拟模型基于计算机软件实现的建模技术，在计算机仿真环境里能够运行并利用数据描述其相关行为。CVBS宽带变压器内在环境的建模，使用了物理系统建模方法。模型的搭建如同配置物理系统一样，图4显示了变压器电磁相互作用的物理构件和能量关系，并利用了成熟的等效电路模型。

由于模型并不是在现实物理世界诞生和演化的，它的构建、修改、重建可以在相当短的时间内或者不需要花费很大工本就能实现。此外，它仿真运行产生的数据可以图形化并存储，以至于能够作为表述设计概念的参照实体，所以称之为虚拟快速原型。

2.1.3 虚拟快速原型的仿真

图4的变压器虚拟物理模型有仿真的输入/输出端口，这些端口提供了与虚拟的外部环境接口。配置了适当的外部激励信号以后，当仿真运行时，模型自动地根据内选的差分方程求解器计算出随仿真时间变化的响应数据，并通过模拟的波形显示器绘出特性曲线。

这样，虚拟原型嵌入在回路的仿真就将设计目标的内部环境和外部环境动态地、符合逻辑和形象表达地联系起来了，这个闭环的系统将引导设计过程通过连续考察内在环境与外在环境交互行为的偏差逐步向适应性目标演进，这个技术亦即MIL(模型在回路中)仿真迭代。

通过虚拟原型的仿真数据表现的行为和问题空间与解空间的领域知识，可以确定仿真的内部环境状态描述：CVBS宽带隔离变压器的体积因数；变压器线圈绕组参数；磁芯材料磁导率参数；变压器绕组在不同磁芯参数下的电感量；电感量对带宽的什么区段产生影响；改变分布电容对带宽的什么区段有贡献；变压器哪些参数决定频域带宽；变压器的预期带宽规格指标；变压器的插入损耗可能在什么范围；电感线圈的损耗；磁芯损耗；等等。

虚拟快速原型可以被认为是设计过程中一个稳定的中间形态。它实际上是一个可以执行的规格需求说明书。设计过程早期用户需求的模糊性经过虚拟原型的建立和迭代就会逐渐清晰；对于后续的设计阶段任务，它也是一个参考基准，有助于因为专业术语的壁垒造成开发团队之间交流的障碍；经过物理相容性(不同方法、工具构建的模型表现出相当精度的仿真行为一致性评估)验证的虚拟快速原型甚至可以作为合同的引证内容，这样，需求就可以安排在设计过程的前端。

实际上，虚拟快速原型是设计的问题空间和解空间不断迭代的中间结果，因为得到它的速度和成本比较低，应该考虑将它成为一般设计过程模式的一个标准节点。

2.2 物理原型

真实的物理原型是不能由虚拟原型取代的。因为建模总是根据研究问题的主要而不是一切性质实行的。虚拟快速原型已经探索了一个可能有效的概念实体，这样就可启发物理原型的构建以最低的稀有资源消耗实现，只要有可实现条件的前提。

根据虚拟快速原型仿真提取的参数的启发，制作符合逻辑的可测试的物理实体原型。

3 模型的迭代

3.1 物理原型的测试

直接测试的数据包括：变压器绕组线圈直流电阻的测量；绕组分布电容集中参数的测量；绕组电感量的测量；插入损耗的测量；阻抗的测量；传输信号带宽的测量。

间接测试的数据包括：变压器磁芯磁导率的计算；绕组线包电感损耗的计算。

3.2 虚拟原型和物理原型的修正

将物理原型的测试数据结果，输入到虚拟原型的参数配置中，将虚拟原型在仿真环境中的行为与物理原型在测试环境中的行为进行比较，根据行为差异修正设计模型(既包括虚拟原型也可能包括物理原型)。如图5是经物理原型测试数据修正过的CVBS宽带隔离变压器仿真模型的特性曲线之一。

做出一个仿真相容性的评估(仿真与测量之间的真实性估计)，对于改进建模和仿真的技术是很重要的。

3.3 设计确认

设计任务的目标是实现一种装置能够从技术上保持CVBS信号传输的信息完整性，根据领域知识，这个设计目标的最终关键的验证是测试它对工频共模噪声信号的抑制性能指标CMRR@50Hz。经过业界通用的常规纵向平衡测试法的测量和计算，样本的平均CMMR=62.6，超过了复合视频信号的信噪比要求。设计样品通过了具有国家相关专业标准的认证方的例行测试。概念上从设计任务环境分离出来的独立装置，经过内在系统的设计过程能够适应外在环境，实现了设计目标，过程是收敛的。如果没能达到适应性需求就要重新回到设计过程的起点。

4 结语

根据CVBS宽带隔离变压器设计任务的背景、目的、和规格需求，建立了关于设计目标的多领域及各层次的变压器模型；基于以仿真迭代的设计技术，验证了模型之间的物理一致性以及建立在物理测量基础上模型仿真的真实性；形成领域知识驱动的虚拟快速原型到产品实现的解决方案搜索的设计过程。

系统内事实上都存在着不同性质和强度的相互联系，因而在不同层次都有稳定的中间形态构造，系统可分解性具有相当的普遍性。利用这个性质，有助于分析复杂的事物。

当所要设计的系统从环境分离出来时，就产生了内部环境和外部环境的边界，一旦内外环境发生适应关系，内在系统就是合意的人为事物，设计即为此适应的目的遵从和利用自然规律及物质而花费心智。设计提高了内部环境的组织程度和与外部环境作用的秩序，绝对是要引入资源的。

所以，虚拟快速原型可以在设计过程的早期阶段发现需求和方案的缺陷，极大地减小修正错误的代价；同时，虚拟快速原型的迭代也可以成为设计过程新知识的来源，是一种启发式的设计搜索过程载体，从过程描述的观点也是诉诸程序合理性的有用的设计方法；另外，虚拟快速原型是可执行的需求规格，可以成为设计过程的基准参照实体。

基于物理的建模和仿真有三种突出建树的工具需要关注：开源的、面向对象基于方程的、大规模模型集Modelica建模语言和工具[9]；MathWorks的MATLAB/simulink工具箱Simscape[10]；COMSOL对任何物理场的系统进行模拟和仿真的软件[11]。任何创新都是建立在积累之上的，伟大始于平凡，好的设计过程模式会产生好的设计。

[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. 《关亍人为事物的科学》［美］赫伯特.A.西蒙（司马贺）著.杨砾译,朱松春等校1988年1月第1版ISBN7-5065-0426-X/C.1.

[2]GB 14050-93.系统接地的型式及安全技术要求[S].1993.

[3]山崎弘郎,足立昭二,山崎修快,若峡.电子电路的抗干扰技术[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（司马贺）著.杨砾译,朱松春等校1988年1月第 1 版 ISBN 7-5065-0426-X/C.1 第二章（经济合理性—适应性技能），第一节（经济活劢者），（程序合理性），第37页.

[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

郭志洁(1955年5月16日—)，男，江苏南京人,汉族，研发工程师，研究方向：仿真技术开发与应用。