无线电通信系统中的电磁兼容技术12.ppt

第九章无线电通信系统中的电 磁 兼 容 技 术 第九章第九章 无线电通信系统中的电无线电通信系统中的电 磁磁 兼兼 容容 技技 术术一、教学内容及时间安排一、教学内容及时间安排9.1 9.1 无无线电线电通信系通信系统统中的中的电电磁波干磁波干扰扰(无无线电线电干干扰扰)9.2 9.2 无无线电发线电发射机的射机的杂杂散散发发射射9.3 9.3 无无线电线电波波传传播的播的杂杂散干散干扰扰(杂杂散波散波)9.4 9.4 移移动动通信中的通信中的电电磁波干磁波干扰扰9.5 9.5 无无线电线电通信系通信系统统中的中的电电磁兼容技磁兼容技术术9.6 9.6 频频率的指配与管制率的指配与管制 9.7 9.7 无无线电发线电发射机的射机的杂杂散散发发射功率射功率电电平限平限值值9.8 9.8 频谱频谱共用中的共用中的电电磁兼容技磁兼容技术术9.9 9.9 蜂蜂窝窝移移动动通信系通信系统统中的中的电电磁兼容技磁兼容技术术9.10 9.10 无无线电线电通信系通信系统统中的其他中的其他电电磁兼容技磁兼容技术术二、教学目的及要求二、教学目的及要求 通过这部分内容的教学，使学员对电磁兼容与频谱管通过这部分内容的教学，使学员对电磁兼容与频谱管理的概念和基础理论有基本的理解，对电磁兼容性标准和理的概念和基础理论有基本的理解，对电磁兼容性标准和规范和电磁兼容性的实施方法及其重要性有一定的认识。规范和电磁兼容性的实施方法及其重要性有一定的认识。第九章第九章 无线电通信系统中的电无线电通信系统中的电 磁磁 兼兼 容容 技技 术术二、教学目的及要求二、教学目的及要求1 1了解无线电通信系统中的电磁干扰。了解无线电通信系统中的电磁干扰。2 2掌握无线电通信系统中的电磁兼容技术。掌握无线电通信系统中的电磁兼容技术。3 3掌握无线电通信系统中的电磁兼容标准。掌握无线电通信系统中的电磁兼容标准。4 4了解计算机系统中电磁兼容技术，工业环境中的了解计算机系统中电磁兼容技术，工业环境中的抗干扰技术，计算机电磁信息泄漏与防护。抗干扰技术，计算机电磁信息泄漏与防护。三、本次课重点与难点三、本次课重点与难点无线电通信系统中的电磁干扰无线电通信系统中的电磁干扰四、教学方法与手段四、教学方法与手段 采用课堂多媒体教学手段进行理论教学。采用课堂多媒体教学手段进行理论教学。五、能力与素质培养五、能力与素质培养 考考察察学学员员对对无无线线电电通通信信中中的的电电磁磁兼兼容容技技术术基基本本理理论论与与无无线线电电通通信信中中的的电电磁磁兼兼容容技技术术的的理理解解和和掌掌握握程程度度，提提高高解解决实际问题的分析能力决实际问题的分析能力。六、具体教学内容六、具体教学内容9.1 9.1 无线电通信系统中的电磁波干扰无线电通信系统中的电磁波干扰(无线电干扰无线电干扰)9.2 9.2 无线电发射机的杂散发射无线电发射机的杂散发射9.3 9.3 无线电波传播的杂散干扰无线电波传播的杂散干扰(杂散波杂散波)9.4 9.4 移动通信中的电磁波干扰移动通信中的电磁波干扰9.5 9.5 无线电通信系统中的电磁兼容技术无线电通信系统中的电磁兼容技术9.6 9.6 频率的指配与管制频率的指配与管制 9.7 9.7 无线电发射机的杂散发射功率电平限值无线电发射机的杂散发射功率电平限值9.8 9.8 干扰协调区干扰协调区9.9 9.9 频谱共用中的电磁兼容技术频谱共用中的电磁兼容技术9.10 9.10 蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术9.11 9.11 无线电通信系统中的其他电磁兼容技术无线电通信系统中的其他电磁兼容技术八、思考题及课后阅读资料八、思考题及课后阅读资料 电磁兼容原理与设计电磁兼容原理与设计（杨克俊）（杨克俊）军事无线电管理概论军事无线电管理概论 电磁频谱工程基础电磁频谱工程基础九、作业九、作业 电磁兼容电磁兼容(EMC(EMC，ElectroMagneticElectroMagnetic Compatibility)Compatibility)一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容兼容”状状态。态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。性和系统之间的相容性。112 电磁兼容的含义电磁兼容的含义 一.无线电通信系统中频率的指配与管理91 无线电通信系统中的电磁波于扰(无线电干扰)无线电通信系统中的电磁波干扰(或称无线电干扰)是指在无线电通信过程中发生的，致有用信号接收质量下降、损害或阻碍的状态及事实。无线电干扰信号是指通过直接耦合间接耦合方式进入接收设备信道或系统的电磁波信号(电磁能量)。它可以对无线电通信所需接收信号的接收产生影响，导致性能下降，质量恶化，信息误差或丢失，甚至阻断了通信的进行。因此，通常说，无用的无线电信号引起有用无线电信号接收质量下降或损害的事实，我们称之为无线电干扰(电磁波干扰)。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 911 无线电发射机的杂散发射 无线电发射机的杂散发射(Spurious emission)的定义为：必要带宽之外的某个或某些频率的发射，其发射电平可降低而不致影响相应信息的传送。杂散发射包括谐波发射、寄生发射、互调产物以及变频产物，但带外发射除外(如图91所示)。一.无线电通信系统中频率的指配与管理1无线电发射的几个基本概念：(1)必要带宽(Necessary bandwidth)对给定的发射类别而言，恰好足以保证在规定的条件下所要求的速率和质量的信息传输的频带宽度 对于多通道或多载频发射机或转发器，几个载频可能同时从一个末级放大器输出或从一个被激活的天线发射，此时必要带宽为发射机或转发器的频率带宽。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 (2)带外发射(Out-of-bandemission)由调制过程产生的，刚超出必要带宽的一个或多个频率的发射，但杂散发射除外(如图91所示)。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 频率落在刚超出必要带宽到离开发射中心频率250的必要带宽的频带范围内的任何不需要发射，都被看作是带外发射。对于多通道或多载频发射机或转发器，几个载频可能同时从一个末级放大器输出或一个被激活的天线发射，发射的中心频率取发射机或转发器的-3dB带宽的中心。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 (3)无用发射(Unwanted emissions)由杂散发射和带外发射组成的发射(如图91所示)。(4)谐波发射(Harmonic emissions)频率是发射中心频率整数倍的杂散发射。(5)寄生发射(Parasitic emissions)既不依赖于发射机的载频或特征频率而产生，也不依赖于产生载频或特征频率的振荡频率而产生的发射，它是由于电路中的寄生参量或自激引起的杂散发射。一.无线电通信系统中频率的指配与管理(7)变频产物(Frequency conversion products)在形成载频或特征频率过程中产生的任何振荡的杂散发射，但不包括载频和特征频率的波频率。(8)特征频率(Characteristic frequency)在给定的发射中，易于识别和测量的频率。2谐波发射 发射机谐波发生的主要原因是射频功率放大器的波形失真。当发射机的阳极与输出电路间在谐波频率上满足谐振条件时，谐波的幅度将高到难以接受的水平。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 3寄生发射 寄生发射是振荡器在产生载波或特征频率时偶然生成的发射，其频率与载波或特征频率关。寄生振荡的频率基本上与那些到达发射机的输入信号无关。无法给出抑制这些振荡方的通用规则，由于寄生振荡与电路正常操作无关，每种情况都必须根据它们的意外现象去服它。抑制的办法如改善高低电平电路之间的屏蔽；在发射机的不同环节注意布线，在射频电部分采用电缆线或采用具有滤波的引线；尽量克服为了消除一种频率振荡插入一电路后，而又增加了一种新的频率振荡；尽量避免由于晶体管放大器极间电容的变化，在低频不能足退耦条件时，而产生与基波无关的高频振荡。一.无线电通信系统中频率的指配与管理4互调产物发射 引起互调产物发射的原因通常是发射机内的非线性元件所致，如混频器、调制器等。若干个信号加至非线性器件上，由于非线性特性的作用，将生成大量的互调产物。另为了提高效率，发射机的输出级要工作在C类状态上，当一台发射机的输出级与另合发射机的输出信号相互耦合时，也会产生互调产物。一.无线电通信系统中频率的指配与管理4互调产物发射 引起互调产物发射的原因通常是发射机内的非线性元件所致，如混频器、调制器等。若干个信号加至非线性器件上，由于非线性特性的作用，将生成大量的互调产物。另为了提高效率，发射机的输出级要工作在C类状态上，当一台发射机的输出级与另合发射机的输出信号相互耦合时，也会产生互调产物。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 为了减少发射机互调干扰，可以采取以下措施：(1)尽量增加发射机之间的去耦损耗，如图92所示的，增大天线间的空间隔离度；在发射机输出端串接环行器或单向器；在发射机输出端和馈线之间插入高Q带通滤波器；发射机的各个环节必须有良好的匹配效果，以避免信号反射造成去耦损耗的减小；选用屏蔽良好的馈线，并避免多根馈线相互靠近平行设置等。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 (2)选用无三阶互调的频道组。(3)调整发射机的工作状态。(4)采用自动功率控制系统，如陆地移动通信系统，当移动台距基站较近时，移动台发射功率自动降低。(5)改为时分、码分工作方式，失掉互调机会。因为在多频道共用下其载频发射受到时间分割或码分控制，不同发射频率无法进入非线性区工作，即失掉互调机会。(6)改进非线性的动态范围。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 1频率的指配频率指配是有权机关通过一定程序将频率指配给某一电台在规定的条件下使用的行为。基本要求是：(1)指配频率和使用频率，必须遵守国家对无线电频率划分和分配的有关规定(2)指配频率和使用频率，必须按规定权限进行；(3)指配频率和使用频率，必须符合科学、经济、理、充分、有效的利用。在满足完成通信任务的前提下 2.频谱管制：频谱管制包括执法和监测两个方面。频谱管制通过提供测量信息来支持频谱管理，测量信息可用于：(1)通过验证发射信号的技术操作特性，监测和识别末授权的发射机来确保同国家频谱管理的规则和法规相一致(2)定位干扰源并解决干扰问题，(3)决定信道和频段的用途，包括评价信道的可用性并证实频率指配过程和频谱分析方法的有效性。一.无线电通信系统中频率的指配与管理 频谱的有效管理取决于频谱管理人员通过执行频谱管理条例对频谱使用进行管制的能力。(1)强制检查调查干扰投诉调查非法操作和不符合无线电台执照规定的操作为诉讼案件收集信息并协助执法机构；确保无线电台的操作者遵守国家及国际法律、规则要求；进行技术测量，如发射机的输出噪声功率、失真等，这很难或不太可能通过监测进行。(2)监测一.无线电通信系统中频率的指配与管理 1杂散发射限值的使用与参考带宽 (1)杂散发射限值的使用 杂散发射的电子依据无线电发射机的业务特性应该用在杂散发射频率上在个给定的参考带宽内由发射机供给天线馈线的峰值包络功率或平均功率表示。杂散发射的电平也用(在杂散发射频率上)在地球表面的场强或功率通量密度来表示。下面给出的杂散发射限值仅适用于与定义一致的不包含带外发射的纯粹的杂散发射。二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值 1杂散发射限值的使用与参考带宽 (1)杂散发射限值的使用 杂散发射限值适用于频率在基本发射频率之上和之下但离开发射中心频率250的必要带宽及之外的那些频率上。杂散发射测量的频率范围是从9kHz110GHz。来自除天线(天线和馈源)外系统的任何部分上的杂散发射将不应产生大于这个天线系统在杂散发射频率上被供给最大允许功率时产生的影响。二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值1杂散发射限值的使用与参考带宽 (2)参考带宽参考带宽是杂散发射功率电平被规定在其中的带宽参考带宽。在9kHz150kHz之间参考带宽为lkHz。在150kHz一30MHz之间参考带宽为10kHz。在30kHz1GHz之间参考带宽为100kHz。在1GHz以上参考带宽为1MHz。在测量杂散发射时规定使用下面的 二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值 1杂散发射限值的使用与参考带宽 (2)参考带宽 作为一个特殊情况所有空间业务杂散发射的参考带宽规定为4kHz。为正确测量雷达的杂散发射所要求的杂散发射参考带宽，一定要对每个雷达系统具体计算，并且测量方法一定要按ITURMll77建议书的指导去做。二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值 、杂散发射的限值、杂散发射的限值杂散发射的限值分为A、B、C三类。A类：为所有被主管理部门批准使用的无线电设备 规定的最大杂散发射功率电子值；B类：为可能需要采用比A类中给出更严格限制的无线电设备规定的最大杂散发射功率电子值；C类：由国际无线电干扰特别委员会(CISPR)为信息技术设备(1TE)规定的辐射限值；二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值二.无线电发射机的杂散发射功率电平限值 干扰协调区分为发射协调区和接收协调区：发射协调区是指地球站周围的个地区。位于此区域外地面微波站受到地球站的干扰电平不会超过允许的干扰电子，而处于这个区域内的微波站是否由于地球站的发射而产生不可接受的干扰，还要经过严格的计算后再确定。收信协调区是指地球站周围的一个地区，位于此区外的微波站发射的电平不会对地球站造成不可接受的干扰，而在收信协调区内的微波站是否会对地球站造成不可接受的干扰，还要通过认真地计算和分析，最后确定。三.干扰协调区四.频谱共用中的电磁兼容技术 1无三无三阶阶互互调调子子扰扰的的频频道道组组产生三阶互调干扰的频率是 或五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术 1无三无三阶阶互互调调子子扰扰的的频频道道组组假设初始频率为，则任一频道的频率 三阶互调关系式还可用频道序号的差值来表示，任意两个频道同的差值为：五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术1无三阶互调子扰的频道组无三阶互调子扰的频道组 2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术数字蜂窝移动通信的多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)。时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。实际中也常用到它们的混合方式，比如，时分多址频分多址(TDMAFDMA)、码分多址频分多址(CDMAFDMA)等。另外，还有新近发展起来的空分多址(SDMA)。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术 2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术 (1)频分多址(FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess)FDMA是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(或称信道)分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。在数字蜂窝通信系统中，采用FDMA制式的优点是技术比较成熟和易于与现有模拟系统兼容；缺点是系统中同时存在多个频率的信号，容易形成互调干扰，尤其是基站因为要集中发送多个频率的信号，这种互调干扰就更容易产生。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术 2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术 (2)时分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)TDMA通信系统和FDMA通信系统相比具有以下主要特点：TDMA系统的基站只用一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生互调干扰。TDMA系统对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单。因此，TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。有利于加强通信网络的控制功能和保证移动台的过区切换。TDMA系统必须有精确的定时和同步。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术 2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术 (3)码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)它具有如下优点：CDMA系统中，许多用户共享同一频率，不管采用的是TDD方式还是FDD方式。抗干扰，抗噪声能力强。由于信号被扩展在一较宽频谱上，从而可以减少多径衰落，如果频谱带宽比信道的相关带宽大，那么固有的频率分集将减少多径衰落的作用，这一点对移动通信尤为重要。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术(3)码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其他使用不同码型的信号不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。CDMA蜂窝系统的多址干扰是系统本身存在的内部干扰，分两类：上行链路的多址干扰，下行链路的多址干扰。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术2数字蜂数字蜂窝窝移移动动通信的多址技通信的多址技术术(4)空分多址(SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess)在蜂窝系统中，反向链路的性能是影响系统性能的主要因素。原因有以下两个方面：(1)用户位置的随机性和移动性，使得从每一用户单元出来的发射功率必须动态控制，以防止任何用户功率太高而干扰其他用户，而功率控制很难做到完善，(2)用户的发射功率受到电池能量的限制，这就限制了反向链路功率控制的动态范围。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术3功率控制技功率控制技术术功率控制技术就是控制发射端的发射功率，减小小区间的干扰，补偿无线信道衰落得CDMA移动通信系统具有下列优点：(1)功率消耗最小，延长移动台电池的寿命；(2)降低干扰，最大化系统容量；(3)保证通信链路要求的QoS以支持对QoS敏感的多媒体业务(4)提供服务区内不相等负载小区间的负载分流。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术3功率控制技功率控制技术术常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制3种:(1)开环功率控制(2)闭环功率控制(3)外环功率控制(如图912所示)五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术4分集接收技分集接收技术术为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域不同方法与措施来加以实现。其中最基本的有如下几种：（1）空间分集（2）频率分集（3）时间分集，（4）分集合并技术（5）发射分集五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术4分集接收技分集接收技术术（）空间分集利用不同接收地点(空间)收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端N副天线接收，如图913所示接收天线之间的距离为d，d为相关区间，它应满足分集天线数N越大，分集效果越好.空间分集还有两类变化形式:极化分集,角度分集.空间分集中由于接收端有N副天线，若N副天线尺寸、增益相同可获得抗衰落的分集增益以外，还可获得每副天线3dB的设备增益 五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术4分集接收技分集接收技术术（）频率分集将待发送的信息，分别调制在不同的载波上发送至信道。只要不同的载波之间的间隔足够大，载波间隔 大于频率相关带宽 即 式中，L为接收信号时延功率谱的宽度。频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数目；缺点是要占用更多的频率资源，并且在发端有可能需要采用多部发射机。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术4分集接收技分集接收技术术（）时间分集对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大时，两个样点问的衰落是互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。将待发送的信号每隔一定时间间隔(大于时间相关区间)重复发送，在接收端就可以得到N条独立的分集支路。根据时间选择性衰落的特性，在时域上时间间隔 应大于时域相关区间AT，即 时间分集对处于空间分集，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用更多的时资源，从而降低了传输效率。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术4分集接收技分集接收技术术（）分集合并技术分集接收中在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术5RAKE接收技接收技术术由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，并把它们合并在一起。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术交交织织技技术术交织器的作用就是将信源比特分散到不同的时间段中，以便出现深衰落或突发干扰时，来自信源比特中某一块的最重要的码位不会被同时干扰。而且，信源比特被分开后，还可以利用信道编码来减弱信道干扰对信源比特的影响，而交织器是在信道编码之前打乱了信源比特的时间顺序。交织编码设计思想是通过交织与去交织将一个有记忆的突发差错信道无记忆的随机独立差错的信道，然后再用纠随机独立差错的纠错码来纠错五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术交交织织技技术术交织器有两种结构类型：分组结构和卷积结构。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术多用多用户检测户检测技技术术目目标标：综合各个用户的有用信息，采用一定的信号处理手段去降低接收信号中的多址干扰直至为0多用户检测器的一般结构:传统的单用户检测接收机(如图918所示)。它是将多址于扰、多径干扰当作等效加性高斯白噪声来处理.多用户检测接收机。充分利用有用伪码多址的已知结构信息与统计信息联合检测的多用户接收机.若进一步考虑到移动信道中的多径信道的特点，则可进一步给出下列两种形式的多径多用户最佳接收机结构。五.蜂窝移动通信系统中的电磁兼容技术小结 1，频率的指配与管制 2，杂散发射功率电平限值 3，干扰协调区 4，频谱共用中的电磁兼容技术 5，蜂窝移动系统中的电磁兼容技术