Электромагнитные помехи ( EMI ), также называемые радиочастотными помехами ( RFI ), когда они находятся в радиочастотном спектре, представляют собой помехи, создаваемые внешним источником, которые влияют на электрическую цепь посредством электромагнитной индукции , электростатической связи или проводимости. [1] Помехи могут ухудшить работу схемы или даже остановить ее работу. В случае пути данных эти эффекты могут варьироваться от увеличения частоты ошибок до полной потери данных. [2] Как искусственные, так и естественные источники генерируют изменяющиеся электрические токи и напряжения, которые могут вызвать электромагнитные помехи: системы зажигания , сотовая сеть мобильных телефонов, молнии , солнечные вспышки и полярные сияния (северное/южное сияние). Электромагнитные помехи часто влияют на радиоприемники AM . Оно также может повлиять на мобильные телефоны , FM-радиоприемники и телевизоры , а также на наблюдения в области радиоастрономии и науки об атмосфере .
ЭМИ могут быть намеренно использованы для радиопомех , например, в радиоэлектронной войне .
С самых первых дней радиосвязи ощущались негативные последствия помех как от преднамеренных, так и от непреднамеренных передач, и стала очевидной необходимость управления радиочастотным спектром. [3]
В 1933 году заседание Международной электротехнической комиссии (МЭК) в Париже рекомендовало создать Международный специальный комитет по радиопомехам ( CISPR ) для решения возникающей проблемы электромагнитных помех. Впоследствии CISPR выпустил технические публикации, охватывающие методы измерений и испытаний, а также рекомендованные пределы выбросов и помехоустойчивости. Они развивались на протяжении десятилетий и сегодня составляют основу большинства мировых норм по ЭМС . [4]
В 1979 году Федеральная комиссия связи США ввела юридические ограничения на электромагнитное излучение всего цифрового оборудования в ответ на увеличение числа цифровых систем, которые создавали помехи проводной и радиосвязи. Методы испытаний и ограничения были основаны на публикациях CISPR, хотя аналогичные ограничения уже применялись в некоторых частях Европы. [5]
В середине 1980-х годов государства-члены Европейского Союза приняли ряд директив «нового подхода» с намерением стандартизировать технические требования к продукции, чтобы они не становились барьером для торговли внутри ЕС. Одной из них была Директива по ЭМС (89/336/EC) [6] , и она применяется ко всему оборудованию, размещенному на рынке или введенному в эксплуатацию. Его сфера охвата охватывает все оборудование, «способное вызвать электромагнитные помехи или на работу которого такие помехи могут повлиять». [5]
Это был первый случай, когда законодательство требовало иммунитета, а также выбросов от оборудования, предназначенного для населения в целом. Хотя на некоторые продукты могут потребоваться дополнительные затраты, чтобы придать им известный уровень иммунитета, это повышает их воспринимаемое качество, поскольку они могут сосуществовать с аппаратурой в активной ЭМ среде современности и с меньшим количеством проблем. [5]
Во многих странах теперь действуют аналогичные требования к продуктам, которые должны соответствовать определенному уровню регулирования электромагнитной совместимости (ЭМС). [5]
Электромагнитные помехи делятся на несколько категорий в зависимости от источника и характеристик сигнала.
Источник помех, часто называемый в этом контексте «шумом», может быть антропогенным (искусственным) или естественным.
Непрерывная или непрерывная волна (CW) помеха возникает там, где источник непрерывно излучает в заданном диапазоне частот. Этот тип естественным образом делится на подкатегории в зависимости от диапазона частот и в целом иногда называется «от постоянного тока до дневного света». Одна общая классификация состоит из узкополосной и широкополосной связи в зависимости от расширения частотного диапазона.
Электромагнитный импульс (ЭМИ), иногда называемый переходным возмущением, возникает, когда источник излучает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно является широкополосной по своей природе, хотя она часто возбуждает у жертвы относительно узкополосную затухающую синусоидальную волну .
Источники в целом делятся на изолированные и повторяющиеся события.
Источники изолированных событий ЭМИ включают:
Источники повторяющихся событий ЭМИ, иногда в виде регулярных последовательностей импульсов , включают:
Кондуктивные электромагнитные помехи возникают в результате физического контакта проводников, в отличие от излучаемых электромагнитных помех, вызываемых индукцией (без физического контакта проводников). Электромагнитные возмущения в ЭМ поле проводника больше не будут ограничиваться поверхностью проводника и будут распространяться от него. Это сохраняется во всех проводниках, и взаимная индуктивность между двумя излучаемыми электромагнитными полями приведет к возникновению электромагнитных помех. [7]
Некоторые из используемых технических терминов могут использоваться в разных значениях. Некоторые явления могут обозначаться различными терминами. Эти термины используются здесь в общепринятом смысле, что соответствует другим статьям энциклопедии.
Базовое расположение излучателя или источника шума , пути связи и жертвы, рецептора или приемника показано на рисунке ниже. Источником и жертвой обычно являются электронные аппаратные устройства, хотя источником может быть естественное явление, такое как удар молнии , электростатический разряд (ESD) или, в одном известном случае , Большой взрыв в зарождении Вселенной.
Существует четыре основных механизма связи: кондуктивный , емкостной , магнитный или индуктивный и радиационный . Любой путь связи можно разбить на один или несколько механизмов связи, работающих вместе. Например, нижний путь на диаграмме включает индуктивные, кондуктивные и емкостные режимы.
Кондуктивная связь возникает, когда путь связи между источником и жертвой формируется путем прямого электрического контакта с проводящим телом, например линией передачи, проводом, кабелем, дорожкой печатной платы или металлическим корпусом. Кондуктивный шум также характеризуется тем, как он проявляется на разных проводниках:
Индуктивная связь возникает, когда источник и жертва разделены небольшим расстоянием (обычно меньше длины волны ). Строго говоря, «индуктивная связь» может быть двух видов: электрическая индукция и магнитная индукция. Электрическую индукцию принято называть емкостной связью , а магнитную индукцию — индуктивной связью .
Емкостная связь возникает, когда между двумя соседними проводниками существует переменное электрическое поле, расстояние между которыми обычно меньше длины волны, вызывающее изменение напряжения на принимающем проводнике.
Индуктивная связь или магнитная связь возникает, когда между двумя параллельными проводниками существует переменное магнитное поле , расстояние между которыми обычно меньше длины волны, вызывающее изменение напряжения вдоль принимающего проводника.
Радиационная связь или электромагнитная связь возникает, когда источник и жертва разделены большим расстоянием, обычно превышающим длину волны. Источник и жертва действуют как радиоантенны: источник излучает или излучает электромагнитную волну , которая распространяется через пространство между ними и улавливается или принимается жертвой.
Помехи , то есть электромагнитные помехи , а также радиочастотные помехи ( EMI или RFI ) – в соответствии со статьей 1.166 Регламента радиосвязи (RR) Международного союза электросвязи (ITU) [ 8 ] – определяются как «эффект нежелательных помех». энергии, вызванной одним или комбинацией излучений , излучений или индукций при приеме в системе радиосвязи , проявляющихся в любом ухудшении характеристик, неправильной интерпретации или потере информации, которая могла бы быть извлечена в отсутствие такой нежелательной энергии».
Это также определение, используемое администрацией частот для предоставления частотных присвоений и присвоения частотных каналов радиостанциям или системам, а также для анализа электромагнитной совместимости между службами радиосвязи .
В соответствии с РР МСЭ (статья 1) вариации помех классифицируются следующим образом: [9]
Кондуктивные ЭМП возникают в результате физического контакта проводников, в отличие от излучаемых ЭМП, вызванных индукцией (без физического контакта проводников).
Для более низких частот электромагнитные помехи вызваны проводимостью, а для более высоких частот – излучением.
ЭМП через заземляющий провод также очень распространены в электроустановках.
Помехи, как правило, создают больше проблем при использовании старых радиотехнологий, таких как аналоговая амплитудная модуляция , которая не позволяет отличить нежелательные внутриполосные сигналы от предполагаемого сигнала, а также всенаправленных антенн, используемых в системах вещания. Новые радиосистемы включают в себя ряд усовершенствований, повышающих избирательность . В цифровых радиосистемах, таких как Wi-Fi , могут использоваться методы исправления ошибок . Методы расширения спектра и скачкообразной перестройки частоты могут использоваться как с аналоговой, так и с цифровой сигнализацией для повышения устойчивости к помехам. Высоконаправленный приемник, такой как параболическая антенна или разнесенный приемник , может использоваться для выбора одного сигнала в пространстве , исключая другие.
Самым крайним примером цифровой передачи сигналов с расширенным спектром на сегодняшний день является сверхширокополосная связь ( UWB ), которая предполагает использование больших участков радиоспектра с низкими амплитудами для передачи цифровых данных с высокой пропускной способностью. СШП, если бы она использовалась исключительно, позволила бы очень эффективно использовать спектр, но пользователи технологии, не связанной с СШП, еще не готовы использовать спектр с новой системой из-за помех, которые это могло бы вызвать для их приемников (регламентарные последствия СШП). обсуждаются в статье о сверхширокополосных технологиях ).
В Соединенных Штатах Публичный закон 97-259 1982 года позволил Федеральной комиссии по связи (FCC) регулировать восприимчивость потребительского электронного оборудования. [10] [11]
Потенциальные источники радиопомех и электромагнитных помех включают в себя: [12] различные типы передатчиков , трансформаторы дверных звонков, тостеры , электрические одеяла , ультразвуковые устройства для борьбы с вредителями, электрические устройства для защиты от насекомых , грелки и лампы с сенсорным управлением . Несколько компьютерных мониторов или телевизоров с ЭЛТ , расположенные слишком близко друг к другу, иногда могут вызывать эффект «дрожания» друг друга из-за электромагнитной природы их кинескопов, особенно когда активирована одна из их катушек размагничивания .
Электромагнитные помехи на частоте 2,4 ГГц могут быть вызваны беспроводными устройствами 802.11b , 802.11g и 802.11n , устройствами Bluetooth , радионянями и беспроводными телефонами , видеопередатчиками и микроволновыми печами .
Коммутационные нагрузки ( индуктивные , емкостные и резистивные ), такие как электродвигатели, трансформаторы, нагреватели, лампы, балласты, источники питания и т. д., вызывают электромагнитные помехи, особенно при токе выше 2 А. Обычный метод подавления электромагнитных помех — подключение снабберной цепи, резистора последовательно с конденсатором , через пару контактов. Хотя это может обеспечить умеренное снижение электромагнитных помех при очень низких токах, демпферы не работают при токах более 2 А с электромеханическими контактами. [13] [14]
Другой метод подавления электромагнитных помех — использование шумоподавителей с ферритовым сердечником (или ферритовых бусин ), которые недороги и крепятся к проводу питания устройства-нарушителя или скомпрометированного устройства.
Импульсные источники питания могут быть источником электромагнитных помех, но они стали менее серьезной проблемой по мере совершенствования методов проектирования, таких как встроенная коррекция коэффициента мощности .
В большинстве стран действуют юридические требования, гарантирующие электромагнитную совместимость : электронное и электрическое оборудование должно работать правильно при воздействии определенных электромагнитных помех и не должно излучать электромагнитные помехи, которые могут создавать помехи для другого оборудования (например, радиоприемников).
Качество радиочастотного сигнала на протяжении XXI века снижалось примерно на один децибел в год, поскольку спектр становится все более перегруженным. [ необходимы дополнительные ссылки ] Это вызвало гонку Красной Королевы в индустрии мобильных телефонов, поскольку компании были вынуждены устанавливать больше вышек сотовой связи (на новых частотах), которые затем вызывают больше помех, тем самым требуя от провайдеров больше инвестиций и частых соответствующие обновления мобильных телефонов. [15]
Международный специальный комитет по радиопомехам или CISPR (французская аббревиатура от «Comité International Special des Perturbations Radioélectriques»), который является комитетом Международной электротехнической комиссии (IEC), устанавливает международные стандарты излучаемых и кондуктивных электромагнитных помех. Это гражданские стандарты для бытового, коммерческого, промышленного и автомобильного секторов. Эти стандарты составляют основу других национальных или региональных стандартов, в первую очередь Европейских норм (EN), разработанных CENELEC (Европейский комитет по электротехнической стандартизации). В число организаций США входят Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Вооруженные силы США (MILSTD).
Интегральные схемы часто являются источником электромагнитных помех, но для значительного излучения они обычно должны передавать свою энергию более крупным объектам, таким как радиаторы, плоскости печатных плат и кабели. [16]
В интегральных схемах важными средствами снижения электромагнитных помех являются: использование развязывающих или развязывающих конденсаторов на каждом активном устройстве (подключаемых параллельно источнику питания, как можно ближе к устройству), управление временем нарастания высокоскоростных сигналов с помощью последовательных резисторов, [17] и фильтрация выводов источника питания IC . Экранирование обычно является последним средством после того, как другие методы не дали результата, из-за дополнительных затрат на экранирующие компоненты, такие как проводящие прокладки.
Эффективность излучения зависит от высоты над плоскостью заземления или плоскости мощности (в ВЧ одно так же хорошо, как и другое) и длины проводника по отношению к длине волны составляющей сигнала ( основная частота , гармоническая или переходная) . например, перерегулирование, недорегулирование или звон). На более низких частотах, например 133 МГц , излучение почти исключительно происходит через кабели ввода-вывода; Радиочастотный шум попадает на плоскости питания и подается на линейные драйверы через контакты VCC и GND. Затем радиочастотный сигнал подается на кабель через линейный драйвер как синфазный шум . Поскольку шум является синфазным, экранирование оказывает очень незначительное влияние даже на дифференциальные пары . Радиочастотная энергия емкостно передается от сигнальной пары к экрану, а излучает сам экран. Одним из способов решения этой проблемы является использование прерывателя оплетки или дросселя для уменьшения синфазного сигнала.
На более высоких частотах, обычно выше 500 МГц, дорожки становятся электрически длиннее и выше над плоскостью. На этих частотах используются два метода: формирование волны с помощью последовательных резисторов и встраивание дорожек между двумя плоскостями. Если все эти меры по-прежнему оставляют слишком много электромагнитных помех, можно использовать экранирование, например, радиочастотные прокладки, медь или проводящую ленту. Большая часть цифрового оборудования имеет металлические или пластиковые корпуса с проводящим покрытием. [ нужна цитата ]
Любой неэкранированный полупроводник (например, интегральная схема) будет действовать как детектор тех радиосигналов, которые обычно встречаются в домашней среде (например, в мобильных телефонах). [18] Такой детектор может демодулировать высокочастотный сигнал несущей мобильной связи (например, GSM850 и GSM1900, GSM900 и GSM1800) и генерировать низкочастотные (например, 217 Гц) демодулированные сигналы. [19] Эта демодуляция проявляется в виде нежелательного звукового шума в аудиоустройствах, таких как усилитель микрофона , усилитель динамика , автомобильный радиоприемник, телефоны и т. д. Добавление встроенных фильтров электромагнитных помех или специальных методов компоновки может помочь в обходе электромагнитных помех или повышении устойчивости к радиочастотам. [20] Некоторые микросхемы (например, LMV831-LMV834, [21] MAX9724 [22] ) имеют встроенные радиочастотные фильтры или специальную конструкцию, которая помогает уменьшить любую демодуляцию высокочастотной несущей.
Конструкторам часто приходится проводить специальные испытания на устойчивость к радиочастотам деталей, которые будут использоваться в системе. Эти тесты часто проводятся в безэховой камере с контролируемой радиочастотной средой, где тестовые векторы создают радиочастотное поле, подобное тому, которое создается в реальной среде. [19]
Помехи в радиоастрономии , где их обычно называют радиочастотными помехами (RFI), — это любой источник передачи, находящийся в наблюдаемом диапазоне частот, кроме самих небесных источников. Поскольку передатчики на Земле и вокруг нее могут быть во много раз сильнее, чем интересующий астрономический сигнал, радиочастотные помехи являются серьезной проблемой для радиоастрономических исследований. [23] Естественные источники помех, такие как молния и Солнце, также часто называют радиочастотными помехами. [ нужна цитата ]
Некоторые из полос частот, которые очень важны для радиоастрономии, такие как линия HI длиной 21 см на частоте 1420 МГц, защищены правилами. [ нужна цитация ] Однако современные радиоастрономические обсерватории, такие как VLA , LOFAR и ALMA , имеют очень большую полосу пропускания, в которой они могут вести наблюдения. [ нужна ссылка ] Из-за ограниченного спектрального пространства на радиочастотах эти полосы частот не могут быть полностью выделены для радиоастрономии; например, смещенные в красную область изображения линии 21 см эпохи реионизации могут перекрываться с диапазоном FM-вещания (88–108 МГц), и поэтому радиотелескопам приходится иметь дело с радиочастотными помехами в этой полосе пропускания. [23]
Методы борьбы с радиочастотными помехами варьируются от аппаратных фильтров до продвинутых алгоритмов в программном обеспечении. Один из способов борьбы с сильными передатчиками — полностью отфильтровать частоту источника. Так обстоит дело, например, с обсерваторией LOFAR, которая отфильтровывает FM-радиостанции в диапазоне от 90 до 110 МГц. Важно как можно скорее удалить такие сильные источники помех, поскольку они могут «насытить» высокочувствительные приемники ( усилители и аналого-цифровые преобразователи ), а это означает, что принимаемый сигнал окажется сильнее, чем может выдержать приемник. Однако фильтрация полосы частот означает, что эти частоты никогда не смогут наблюдаться с помощью прибора. [ нужна цитата ]
Распространенным методом борьбы с радиочастотными помехами в наблюдаемой полосе частот является использование программного обеспечения для обнаружения радиочастотных помех. Такое программное обеспечение может найти образцы во времени, частоте или частотно-временном пространстве, которые загрязнены источником помех. Эти образцы впоследствии игнорируются при дальнейшем анализе наблюдаемых данных. Этот процесс часто называют маркировкой данных . Поскольку большинство передатчиков имеют небольшую полосу пропускания и не присутствуют постоянно, например, радиоустройства молний или гражданского диапазона (CB), большая часть данных остается доступной для астрономического анализа. Однако маркировка данных не может решить проблемы с непрерывными широкополосными передатчиками, такими как ветряные мельницы, передатчики цифрового видео или цифрового звука . [ нужна цитата ]
Другой способ управления радиопомехами — создание зоны радиомолчания (RQZ). RQZ — это четко определенная зона вокруг приемников, в которой действуют специальные правила для уменьшения радиопомех в пользу радиоастрономических наблюдений внутри этой зоны. Правила могут включать специальное управление спектром и потоком мощности или ограничения плотности потока мощности. Органы управления внутри зоны могут охватывать элементы, отличные от радиопередатчиков или радиоустройств. К ним относятся средства управления самолетом и контроль непреднамеренных излучателей, таких как промышленные, научные и медицинские устройства, транспортные средства и линии электропередачи. Первой RQZ для радиоастрономии является Национальная зона радиомолчания США (NRQZ), созданная в 1958 году. [24]
До появления Wi-Fi одним из крупнейших приложений диапазона 5 ГГц был терминальный доплеровский метеорологический радар . [25] [26] Решение об использовании спектра 5 ГГц для Wi-Fi было окончательно принято на Всемирной конференции радиосвязи в 2003 году; однако метеорологические органы в этом процессе не участвовали. [27] [28] Последующее небрежное внедрение и неправильная конфигурация DFS вызвали значительные сбои в работе метеорадиолокаторов в ряде стран по всему миру. В Венгрии система метеорологического радара была объявлена недействующей более месяца. Из-за серьезных помех метеорологические службы Южной Африки отказались от работы в диапазоне C, переключив свою радиолокационную сеть на диапазон S. [26] [29]
Передачи на диапазонах, соседних с теми, которые используются пассивным дистанционным зондированием , такими как метеорологические спутники , вызывают помехи, иногда значительные. [30] Существуют опасения, что внедрение недостаточно регулируемого 5G может привести к серьезным проблемам с помехами. Значительные помехи могут ухудшить качество численного прогнозирования погоды и повлечь за собой негативные последствия для экономики и общественной безопасности. [31] [32] [33] Эти опасения побудили министра торговли США Уилбура Росса и администратора НАСА Джима Брайденстайна в феврале 2019 года призвать Федеральную комиссию по связи отменить предложенный аукцион по спектру , который был отклонен. [34]
Постановление FCC вновь открывает диапазон терминального доплеровского метеорологического радара (TDWR) (каналы 120, 124, 128) с новыми требованиями к испытаниям для защиты DFS.
С 2006 года большинство членов OPERA все чаще испытывают помехи радарам C-диапазона от RLAN. ... Метеослужбы Южной Африки сначала пытались внедрить специальную программную фильтрацию, чтобы улучшить ситуацию, но затем в 2011 году решили перевести свою метеорологическую радиолокационную сеть в S-диапазон.
Решение ERC/DEC/(99)23 добавляет частоты 5250–5350 МГц и 5470–5725 МГц с большей мощностью передачи, но с добавленной оговоркой, что DFS требуется для защиты устаревших пользователей (военные радиолокационные и спутниковые каналы связи).
Подобные случаи вмешательства наблюдались более чем в 12 европейских странах (в настоящее время другие случаи зарегистрированы в ряде стран мира). Определенно вредные помехи (в Венгрии радар был признан нерабочим более 1 месяца)
