电磁兼容性技术与现代通信_一_.pdf

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1、专题讲座也不已冰妞林召尔电磁兼容性技术与现代通信?一?朱洪波杜丽冰一己 吉、!万石!随着现代通信科学技术的高速发展和广泛应用,各种各样的通信设备或系统以及其他的电子、电气设备越来越密集高密度、宽频谱的电磁信号充满整个人类生存空间,从而构成了极其复杂的电磁环境,使通信系统在这样的电磁环境中受到了严峻的考验。现代通信系统实质上是以信息技术为支撑的广义信息系统,它完成信息的采集、识别、运算、存贮、转换、发送、接收、传输和交换。整个信息处理过程是 以高效率、高准确性为显著特点这就要求电子器件、电路、设备和整个通信系统向着小型化、集成化、复杂化、高灵敏度、大功率、高速度和宽频带的方向发展。频谱使用的日益

2、扩展?包括幅度和频率两者?以及在各个频 段 上使用频率的日益密集,对电磁干扰的数量和严重程度产生了重大影响。在一个系统 中,只要把两个以上很小的元件放在 同一环境中,就会产生电磁干扰,而且每加入一个新的元件都使电磁干扰的可能性进一步增加,甚至看来很小的干扰都可能引起严重的故障或降低稳定性。由此带来了电磁环境的日益复杂化,并使通信系统与电磁环境之间的矛盾日益尖锐化。现代通信系统与当今电磁环境构成了密不可分的关系。通信系统越是现代化,它所造成的电磁环境就越复杂#反过来,电磁环境又对通信系统提出更严重的挑战电信行业正面临着一个新的问题,这就是如何既提高现代通信系统在复杂电磁环境中的生存能力,又能使含

3、有一切其他 电子系统在 内的电磁环境与现代通信系统相互共存和协调。现代通信中 的 电磁 兼容 性?%&?正是在此背景下应运而生并迅速发展起来的一门新兴学科。二、电磁兼容性的内容和概念通信系统与电磁环境的关系及其特点通信系统按信道传输的信号形式,可以分为模拟和数字两类。在现代通信系统中,趋势是数字通信正迅速取代模拟通信、这将使未来的通信系统成为信号的处理、传输和交换全数字化的信息系统。尽管如此,模拟通信系统仍将是在一个较长时期内得到广泛应用的通信系统,尤其是在本地用户网部分。无论模拟通信还是数字通信,它们都有一个共同的特点,这就是信号朱洪波杜丽冰一()一现代电信科技 (年第北京邮电大学 环境电磁

4、学研究所博士生北京邮电大学环境电磁学研究所教授博士生副导师(期总是按预定的频率和频谱传输。这说明通内的极宽领域。信系统具有频率先决性。通信系统对信号在现代通信的发展 中,微区个 人通信的 传输都必须要 经过 一段距离可观的空系统和 网状通信系统开始采用扩频通信体间,无论传输形式如何,这段空间的电磁环制。扩频通信虽然加强了自身的保密性和境都会对通过的信号施加影响,这种影响抗干扰性,但对 电磁 环境也有不利的一面。可以看作有用信号与无用信号之间的广义由如此 混乱的电磁信号构成了错综复叠加。在讨论通信系统与电磁环境的关系杂的电磁 环境,必然给正在工作 的电子设时,可以把通信系统的特点概括为+模拟信备

5、和系统带来事先难以估量的影响,即 电号传输,数字信号传输,频率先决,信号广磁干扰问题。信号,对设备,是有用的,义 叠加。而对 设备则可能是无用的,甚至是有害.电磁干扰现象的。当设备接收到无用信号,并产生错如上所述,现代电磁 环境的特点是,电误影响时,可以说信号,对设备造成了磁信号高度密集,频谱范围不断扩展,而 且电磁干扰?%/。电磁干扰可以按所讨论随着现代电子系统的日益翻新,电磁 环境的对象?如系统?来区分+产生于 系统内部日趋复杂。在这方面,最有说明意义的一个的电磁干扰,称为系统 内部干扰#产生于系典型例子是现代战争的电磁环境及其所运统外部的电磁干扰,称为系统间的干扰。用的军事电子设备。据估

6、计,一架战术飞 机0通信系统的电磁干扰在重要战区 上 空0)1以上高度飞行 时,通信系统或设备的电磁干扰问题有两会受到2)一)部雷达的照射,信号密度个方 面,一是产生 电磁干扰?即系统 间干可达每秒.3一)万次脉冲。高密度的电扰?,另一是接收电磁干扰并发生响应。磁环境,要求电子系统中的接收机具有良?4?通信系统受到的电磁干扰好的抗饱和、信号分选和处理能力。外界电磁 环境对通信系统的电磁干扰在频谱利用方面,短波、超短波及微波属于系统间的干扰。通信系统的接收机在低端的频谱资源日趋紧张,已接近饱和,目对外来无用信号发生 响应时,即受到电磁前的移动通信及军用电子设备等正在向更干扰。对接收机接收信道的干

7、扰有两类+加高频段发展。毫米波具有微波和激光的许性干扰和乘性干扰。其 中加性干扰是无用多优点,如+?测量目标精度高、分 辨能力信号?噪声 叠加在有用信号上 形成的干强!夭线尺寸 小,方向性强!#信 息容量扰!乘性干扰是由于信道?包括接收、检波大!受杂波影 响小,抗 千扰能力强!%对前的信号通 路 的非理 想传输特性?如非线雨、雾、沙尘的穿透性好,具有较好 的全天性 产生的干扰响应。具体的干扰形式有&候能力等!所以,毫米波技术必将在卫 星通同频干扰,邻近频道干扰,像频干扰和中频信、低窃听概率通信以及移动通信等无线干扰,以及互调干扰,交叉调制干扰和直接电通信领域得 到迅速发展和应用由于光混频干扰等

8、。电设备将得到广泛应用,电磁信号所 占的通信系统受到的电磁干扰除可以分为全部频谱将包括微波、毫米波、光 电频谱在加性 干扰和乘性干扰外,还可以按频带宽现代电信科技()年第期一(一窄分为窄带干扰、宽带干扰和脉冲干扰某的移动终端和基站与包括家电在 内的其他些通信系统还 会有该 系统特有 的干 扰现电子设备及各种地球生命之间的距离迅速象,例如数字通信系统会出现码间干扰对接近,并在非常宽的频带 内向外辐射 电磁于 一 个有限带宽的实际 系统,当考虑频率能量响应失真时,单个脉冲趋于展宽和重叠,这评价通信发射机的电磁干扰有两个重将导致码间干扰。另外,信号传输速率5要指标,即频率和场强在电磁辐射的生物增加,

9、65趋近 于传播时延时,也会发生码效应方面,一般来讲,场强越大则对人的机间干扰。又如在个人通信或移动通信系统体或其 他生命?动物?的影响越严重#频率中会遇到“远近干扰”效应。这是由于在采越高?例如微波和毫米波?则对人或动物的用扩频&/%,的移动通信系统中,当移动影响也越严重。电磁辐射的生物效应有+热台接收机太靠近 一个非需要的发射机而远效应、非热效应?强场效应、弱场效应?等。离所需发射机时?设二机同时工作在同一频人在受到电磁辐射危害后,会出现中枢神率?,则近处发射机的信号将掩盖远处发射机经系统机能障碍或失调。的信号,从而形成了“远近干扰”。解决这个通信系统对其他电子 系统?包括 通信问题 的常

10、规办法是应用功率控制技术。系统?的电磁干扰,重要的一点就是要确定通信系统受到的电磁干扰不仅来自其频率。这与通信系统是数字还是模拟的类他 电子系统?包括通信系统?,还来 自电气别有关系。尽管全数字化是今后通信系统和电力系统。例如,高压输电线和交流电气的发展趋势,但目前许多 民用通信设备仍化铁道输 电线对附近的长途和市内通信线属于模拟的模拟通信系统尤其具有“频率路、航空无线 电导航业务、短波通信系统和先决”的特点,即收发信号的频率或频谱往广播收音机等有很强的干扰作用。在防护往是确定的,在一些情况下是 可以预知的措施不完善的地方,这种干扰是造成 长途?例如在无线电台附近?这就为研究模拟载波和市话通信

11、质量 严重恶化的重要原通信系统之间的干扰以及通信系统对外排因。放的电磁干扰提供了有利条件对于占据?.?通信系统产生的电磁干扰频带较宽的数字通信系统,“频率先决”就通信系统为传输信息而辐射一定的电成了“频带先决”,即对所产生的电磁干扰磁能量。这种电磁能量可能对其他通信系可以估计一个频率范围。而对扩频&/%,统产生 电磁干扰,也可能对其他 电子 系统通信系统来说,由于其占据频带极宽,所产或设备产生 电磁干扰。在强发射机附近,辐生的电磁干扰就成了宽带干扰,给附近的、射的电磁能量会对人及其他生物造成 电磁电磁环境造成“广谱性”污染。与此相反的辐射危害。后一类电磁干扰实际上是环境是,频率先决的通信系统所

12、产生的 电磁干电磁污染。通信系统造成的电磁污染有来扰,可以看作是一种“单频噪声”,其随机性自无线电广播中的中、短波辐射,电视发射根据开机情况而定机的超短波辐射,长途微波通信系统 的微(电磁兼容性及其基本概念波辐射等。实现“个人通信”将使遍布全球对电磁干扰的正式定义是+可能对有一(.一现代电信科技(年第(期用信号造成损害的无用信号或 电磁 噪声。方法。这里电磁 噪声指的是不 同于任何信号的一实现 系统的电磁兼容性,一般要 经 过种电磁 现象,通常是脉动的和随机的,但也下列三个重要步骤+可以是周期的。电磁干扰包含 了电磁 噪声,?电磁干扰预测和分析!但电磁 噪声不 一定是 电磁干扰一般来说,电磁兼

13、容性设计!电磁 噪声是难以消除的。因此 只有设 法降#电磁兼容性试验。低噪声强 度,使其不致 形成干扰。系统和设备的电磁兼容性是否达到,所谓“电磁兼容”,是指电子、电气设备必须 经过有关的+,标准和规范对照检或系统不会因它的内部和彼此之间存在的验,即+,试验?测量。达到+,标准电磁 干扰而影 响其正常工作的一种状 态,的主 要手段是采用+,技术。实现 系统这种状态也称为相互共存。的电磁兼容性就是在分析和预测干扰模型.电磁兼容性”?+/0 01234567 018034一的基 础 上,运用+,0技术,参照+,标9 51 8:8/8 1;,缩 写为+,的定义是&电子、准和规范,实施并完成?通 过试

14、验+,设电气设备或系统在预期的电磁环境中,按计。一定设计要求正常工作的性能或能力。电磁兼容性是一门内容十分丰富而且根据这 个定义,可以推出现代通信中正在不断发展的应用型综合性学科。它可电磁兼容性的三个含义&能包括或正在包括一些尚处初创时期的学?在给定的电磁 环境中,通信设备或科,如“环境电磁工 程 学”、“微波生态学”、系统有抵抗预期电磁 干扰的能力,并具有“电磁透应性”等这些初创的新兴学科在一定的安全余量!现代科技的影响下,同样具有强大 的生命通信设备或系统不能产生超过规定力它们可能从+,中脱离出来而成为限度的电磁干扰!独立的学科,也可能进一 步 发 展从而包括#通信设备或系统能按设计的技术

15、要原来的+,内容。求完成其功能使命。电磁兼容性不仅在广度上不断扩展其从+,的含义可看出,电磁兼容性研究范围,还在深度上不断推进其研究水概念比过去的抗干扰概念提高了一步。它平。+,研究的一些传统课题,例如频谱不仅要求通信或电子设备?系统 能抵御外利用、+,标准、测量 技术、电磁生态 环来干扰,还要求它不产生超过允许值的干境、电磁屏蔽、天线与藕合器、电磁脉冲等,扰,这 就是+,的本质。这个“允许值”由虽然都有 =年以上的研究历史,但至今仍电磁兼容性标准和规范给定。总之,电子系受到重视。计算技术的发展以及计算机应统的+,就是专门研究电子 系统的 电磁用的普及,使利用电子计算机对复杂电子干扰问题及其控

16、制和防护方法的。由此可系统进行+,分析成为趋势。+,研究见,电磁兼容性的研究和发展为“净化”电是与电子技术发展水平及电磁环境的状况磁环境并使一切 电子、电气设备?系统 甚相联系的。随着包括个人通信或移动通信至生命或生物世界的相互共存提供了科学在内的现代通信技术和电子科学的迅速发现代电信科技()年第期一 辐射干扰源辐射干扰通常是指经过介质以电磁场形式传输的干扰信号。辐射电磁场具有能量,它从辐射源发出,并依照 一定的传播规律向外扩散。一般来讲,辐射源的性质决定了辐射电磁场的基本传播特性。在电子工程实践中,辐射干扰源的形式复杂,种类繁多。通常人们只能通过简单而典型的电磁辐射源?如电偶极子、磁偶极子

17、来描述电磁辐射最基本的特性,并在可能的情况下,用它们的叠加来构成较复杂的辐射源。除了这两种最 基本的辐射源外,还有一种非常特殊但又日益受到重视的辐射源电磁脉冲?+,9 辐射源。+,9包括三大类&核电磁脉冲、系统产生的电磁脉 冲以及雷电。在 电磁辐射源与环境作用的性质中,除基本的传播特性外,还有一些特殊的性质,如 电磁辐射的热效应、非热效应和累积效应等。这些特殊的效应?性质 只有在电磁能量以辐射方式传输时才会产生,它们对人及整个生态环境有着不可忽视的影响。电磁 辐射可以从电子系统或设备中以多种方式或途径向外传输。通 过这些方式发出的干扰性 电磁辐射都是非故意的辐射发射或称为泄漏。正因为它们是泄漏

18、出来的,所以有可能对周围的 电磁环境以及附近的电子设备形成污染或干扰。因此,通过非正常途径传输的电磁辐射就称为辐射干扰。辐射干扰的传输方式主 要有&现代电信科技()年第期?透过设备外壳向外辐射。这是由于外壳材料不足以将穿过它的电磁能量衰减掉?例如,一个塑料外壳或一个太薄的金属外壳。透过设备外壳缝隙向外辐射。这是因为 设备外壳的机械结构不能对 电磁干扰形成完全封闭?例如,设备外壳上的各种轴孔,通 风孔,连接器孔和保险丝孔等#透过未充分发挥屏蔽作用的外壳向外辐射感应场。这是由于设备外壳接地不好。通过设备间的连接电缆向外辐射。%特殊辐射现象?例如,生锈表面的互调产物辐射,电晕放电,零件之间的充电和绝

19、缘击穿等。?通过装配 不好的连接器向外辐射?例如,沿连接器的配合表面。通过编织 屏蔽层的泄漏向外辐射发射夭线的旁瓣辐射和谐波辐射。上述辐射能量是否会影响附近设备的性能,主要取决于 以下几点&?干扰源向外辐射能量的方向性!传输到该设备所在位置时,干扰能量的损失量或衰减量!#该设备对此干扰能量的敏感度。干扰源向外辐射能量还与自身的尺寸有关,有些干扰源尽管具有丰富的低频能量,但这些能量却很少被辐射出来,这是 由于它太短的及非有效的长度所致。电磁干扰效应形成 电磁干扰必须有三个基本要素&电磁干扰源、藕合通道和干扰敏感体。电磁噪声通过 三个基本要素而引起干扰作用,这个作用过程及其结果就称为电磁干扰效应。

20、电磁 干扰效应可分为两部分,一是以某种方式“响应”电 磁干扰源,一是产生 干扰“效果”。干扰源是一种特殊的信号源无用信号源。它的物理特征包括&?带宽。在电磁干扰分析中,常常用到“窄带”和“宽带”两 个术语。对于所用的测量仪器来说,如果信号或噪 声是窄带的,则在仪器所覆盖的频带范围内调谐时,就会出现输出幅度的急剧上升。反之,输出只会产生一定程度的变化。幅度。干扰幅度可以表示为多种方式,除了用不同形式的幅度分布?即概率,它是指定的幅度值出现次数的百分比 表示外,还可以用正弦的?具有确定的幅度分布 或“随机的”概念来说明干扰的性质。#波形。电磁干扰有各种不同的波形,波形是决定干扰占有带宽的一个重要 因素。出现率。即干扰信号在时间轴上的出现规律。出现率可以分为周期性的、非周期性的和随机的三种类型电磁 干扰 源除具有基 本的物理 特征外,其向外发射的电磁干扰还与系统或设备的许多因素有关,其中包括&?频带宽度和范围。频带越宽,则干扰影响范围越大。功率电平的大小。功率越大,则干扰危害越大。#电路模式包括线性电路或非线性电路,模拟电路或数字电路。调制方式。包括调幅式、调频式或其他方式。%波形参数。包括正弦波或脉冲波,前后沿时向,脉宽?标准信号产生方式。包括混频式、倍频式、分频式通断电次数及电平大小。方向性,即空间辐射特性。?待续 现代电信科技()年第期一一