Электромагнитные помехи ( ЭМП ), также называемые радиочастотными помехами ( РЧП ) 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 цепи или даже остановить ее функционирование. В случае тракта 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 вызывать ЭМП: системы зажигания , сотовая сеть мобильных телефонов, молнии , солнечные вспышки и полярные сияния (северное/южное сияние). [ необходима ссылка ] ЭМП часто влияет на AM-радио . Они также могут влиять на мобильные телефоны , FM-радио и телевизоры , а также на наблюдения в области радиоастрономии и атмосферной науки .
Электромагнитные помехи могут быть намеренно использованы для создания радиопомех , например, в радиоэлектронной борьбе .
С самых первых дней радиосвязи ощущались негативные последствия помех как от преднамеренных, так и от непреднамеренных передач, и необходимость управления радиочастотным спектром стала очевидной. [3]
В 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссии (МЭК) в Париже было рекомендовано создать Международный специальный комитет по радиопомехам ( СИСПР ) для решения возникающей проблемы ЭМП. Впоследствии СИСПР выпустил технические публикации, охватывающие методы измерений и испытаний, а также рекомендуемые пределы излучения и помехоустойчивости. Они развивались на протяжении десятилетий и сегодня составляют основу многих мировых норм ЭМС . [4]
В 1979 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) ввела правовые ограничения на электромагнитное излучение от всего цифрового оборудования в ответ на возросшее количество цифровых систем, которые мешали проводной и радиосвязи. Методы испытаний и ограничения основывались 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 целью стандартизации технических требований к продукции, чтобы они не стали препятствием для торговли в рамках ЕС. Одной из них была Директива по ЭМС (89/336/EC) [6] , которая применяется ко всему оборудованию, размещаемому на рынке или вводимому в эксплуатацию. Ее сфера действия охватывает все устройства, «способные вызывать электромагнитные помехи или на работу которых могут влиять такие помехи». [5]
Это был первый раз, когда было введено юридическое требование по иммунитету, а также по излучению на аппаратах, предназначенных для населения в целом. Хотя для некоторых продуктов могут потребоваться дополнительные расходы, чтобы дать им известный уровень иммунитета, это повышает их воспринимаемое качество, поскольку они способны сосуществовать с аппаратами в активной ЭМ-среде современности и с меньшим количеством проблем. [5]
Во многих странах в настоящее время действуют схожие требования к продукции, чтобы соответствовать определенному уровню регулирования электромагнитной совместимости (ЭМС). [5]
Электромагнитные помехи делятся на несколько категорий в зависимости от источника и характеристик сигнала.
Источник помех, часто называемых в данном контексте «шумом», может быть антропогенным (искусственным) или естественным.
Непрерывные или непрерывные волновые (CW) помехи возникают, когда источник непрерывно излучает в заданном диапазоне частот. Этот тип естественным образом делится на подкатегории в соответствии с диапазоном частот, и в целом иногда называется «DC to daylight». Одна из распространенных классификаций — узкополосные и широкополосные, в соответствии с распространением диапазона частот.
Электромагнитный импульс (ЭМИ), иногда называемый переходным возмущением, возникает, когда источник испускает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя она часто возбуждает относительно узкополосный затухающий синусоидальный ответ у жертвы.
Источники в целом делятся на изолированные и повторяющиеся события.
Источниками изолированных событий ЭМИ являются:
Источниками повторяющихся событий ЭМИ, иногда в виде регулярных последовательностей импульсов , являются:
Кондуктивные электромагнитные помехи вызываются физическим контактом проводников в отличие от излучаемых электромагнитных помех, которые вызываются индукцией (без физического контакта проводников). Электромагнитные возмущения в электромагнитном поле проводника больше не будут ограничиваться поверхностью проводника и будут излучаться от него. Это сохраняется во всех проводниках, и взаимная индуктивность между двумя излучаемыми электромагнитными полями приведет к электромагнитным помехам. [7]
Некоторые из используемых технических терминов могут использоваться с разными значениями. Некоторые явления могут называться разными терминами. Эти термины используются здесь общепринятым образом, что согласуется с другими статьями энциклопедии.
Базовая компоновка излучателя или источника шума , пути связи и жертвы, рецептора или приемника показана на рисунке ниже. Источник и жертва обычно являются электронными аппаратными устройствами, хотя источником может быть и естественное явление, такое как удар молнии , электростатический разряд (ESD) или, в одном известном случае , Большой взрыв в начале Вселенной.
Существует четыре основных механизма связи: кондуктивный , емкостный , магнитный или индуктивный и излучательный . Любой путь связи можно разбить на один или несколько из этих механизмов связи, работающих вместе. Например, нижний путь на схеме включает индуктивный, кондуктивный и емкостный режимы.
Кондуктивная связь возникает, когда путь связи между источником и жертвой формируется путем прямого электрического контакта с проводящим телом, например, линией передачи, проводом, кабелем, печатной платой или металлическим корпусом. Кондуктивный шум также характеризуется тем, как он проявляется на различных проводниках:
Индуктивная связь возникает, когда источник и жертва находятся на небольшом расстоянии (обычно меньше длины волны ). Строго говоря, «индуктивная связь» может быть двух видов: электрическая индукция и магнитная индукция. Обычно электрическую индукцию называют емкостной связью , а магнитную индукцию — индуктивной связью .
Емкостная связь возникает, когда между двумя соседними проводниками, расстояние между которыми обычно меньше длины волны, существует переменное электрическое поле , вызывая изменение напряжения на принимающем проводнике.
Индуктивная связь или магнитная связь возникает, когда между двумя параллельными проводниками, расстояние между которыми обычно меньше длины волны, существует переменное магнитное поле , вызывающее изменение напряжения вдоль принимающего проводника.
Радиационная связь или электромагнитная связь происходит, когда источник и жертва находятся на большом расстоянии, обычно большем, чем длина волны. Источник и жертва действуют как радиоантенны: источник испускает или излучает электромагнитную волну , которая распространяется через пространство между ними и улавливается или принимается жертвой.
Помехи в значении электромагнитных помех , а также радиочастотных помех ( EMI или RFI ) — в соответствии со статьей 1.166 Регламента радиосвязи (РР ) Международного союза электросвязи (МСЭ ) [ 8 ] — определяются как «воздействие нежелательной энергии, вызванное одним или несколькими источниками излучений , излучений или наводок при приеме в системе радиосвязи , проявляющееся в любом ухудшении характеристик, неправильном толковании или потере информации, которая могла бы быть извлечена при отсутствии такой нежелательной энергии».
Это определение также используется администрацией по распределению частот для предоставления частотных назначений и назначения частотных каналов радиостанциям или системам, а также для анализа электромагнитной совместимости между службами радиосвязи .
В соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ (статья 1) вариации помех классифицируются следующим образом: [9]
Кондуктивные электромагнитные помехи возникают в результате физического контакта проводников, в отличие от излучаемых электромагнитных помех, которые возникают в результате индукции (без физического контакта проводников).
На более низких частотах электромагнитные помехи вызваны проводимостью, а на более высоких частотах — излучением.
Электромагнитные помехи через заземляющий провод также весьма распространены в электроустановках.
Помехи, как правило, более проблематичны для старых радиотехнологий, таких как аналоговая амплитудная модуляция , которые не имеют возможности отличать нежелательные внутриполосные сигналы от предполагаемого сигнала, и всенаправленные антенны, используемые в вещательных системах. Новые радиосистемы включают несколько усовершенствований, которые повышают избирательность . В цифровых радиосистемах, таких как Wi-Fi , могут использоваться методы исправления ошибок . Методы расширенного 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 с исключением других.
Самым экстремальным 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. UWB, если бы использовался исключительно, позволил бы очень эффективно использовать спектр, но пользователи не-UWB технологий пока не готовы делить спектр с новой системой из-за помех, которые это вызовет для их приемников (нормативные последствия UWB обсуждаются в статье о сверхширокополосной связи ).
В Соединенных Штатах публичный закон 97-259 1982 года позволил Федеральной комиссии по связи (FCC) регулировать восприимчивость потребительского электронного оборудования. [10] [11]
Потенциальные источники радиочастотных и электромагнитных помех включают в себя: [12] различные типы передатчиков , трансформаторы дверных звонков, тостеры , электроодеяла , ультразвуковые устройства для борьбы с вредителями, электрические мухобойки , грелки и лампы с сенсорным управлением . Несколько компьютерных мониторов с ЭЛТ или телевизоров, расположенных слишком близко друг к другу, иногда могут вызывать эффект «вибрации» друг в друге из-за электромагнитной природы их кинескопов, особенно когда активируется одна из их размагничивающих катушек.
Электромагнитные помехи на частоте 2,4 ГГц могут быть вызваны беспроводными устройствами стандартов 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 токах выше 2 А. Обычный метод, используемый для подавления ЭМП, заключается в подключении демпферной сети, резистора последовательно с конденсатором , через пару контактов. Хотя это может обеспечить скромное снижение ЭМП при очень низких токах, демпферы не работают при токах выше 2 А с электромеханическими контактами. [13] [14]
Другим методом подавления ЭМП является использование шумоподавителей с ферритовым сердечником (или ферритовых бусин ), которые стоят недорого и крепятся к силовому проводу устройства-нарушителя или взломанного устройства.
Импульсные блоки питания могут быть источником электромагнитных помех, но они стали представлять меньшую проблему по мере совершенствования методов проектирования, таких как встроенная коррекция коэффициента мощности .
В большинстве стран действуют правовые требования, предусматривающие электромагнитную совместимость : электронное и электрическое оборудование должно работать правильно при воздействии определенного уровня электромагнитных помех и не должно излучать электромагнитные помехи, которые могут создавать помехи для другого оборудования (например, радиоприемников).
Качество радиочастотного сигнала снижалось на протяжении 21-го века примерно на один децибел в год, поскольку спектр становился все более переполненным. [ необходимы дополнительные ссылки ] Это вызвало гонку Красной Королевы в индустрии мобильной связи, поскольку компании были вынуждены устанавливать больше сотовых вышек (на новых частотах), которые затем вызывали больше помех, тем самым требуя от провайдеров больших инвестиций и частой модернизации мобильных телефонов для соответствия. [15]
Международный специальный комитет по радиопомехам или CISPR (французская аббревиатура от "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"), который является комитетом Международной электротехнической комиссии (МЭК), устанавливает международные стандарты для 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 частности, Европейских норм (EN), разработанных CENELEC (Европейский комитет по электротехнической стандартизации). Американские организации включают Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Вооруженные силы США (MILSTD).
Интегральные схемы часто являются источником электромагнитных помех, но для значительного излучения им обычно приходится связывать свою энергию с более крупными объектами, такими как радиаторы, платы и кабели. [16]
В интегральных схемах важными средствами снижения ЭМП являются: использование обходных или развязывающих конденсаторов на каждом активном устройстве (подключенных через источник питания, как можно ближе к устройству), управление временем нарастания высокоскоростных сигналов с помощью последовательных резисторов [17] и фильтрация выводов источника питания ИС . Экранирование обычно является последним средством после того, как другие методы не сработали, из-за дополнительных расходов на экранирующие компоненты, такие как проводящие прокладки.
Эффективность излучения зависит от высоты над плоскостью заземления или плоскостью питания (на RF одно так же хорошо, как и другое) и длины проводника по отношению к длине волны компонента сигнала ( основная частота , гармоника или переходный процесс, такой как выброс, недобор или звон). На более низких частотах, таких как 133 МГц , излучение происходит почти исключительно через кабели ввода-вывода; радиочастотный шум попадает на плоскости питания и соединяется с драйверами линии через контакты VCC и GND. Затем радиочастота соединяется с кабелем через драйвер линии как синфазный шум . Поскольку шум является синфазным, экранирование имеет очень небольшой эффект, даже с дифференциальными парами . Радиочастотная энергия емкостно связана от пары сигнала к экрану, и сам экран излучает. 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 все еще оставляют слишком много ЭМП, можно использовать экранирование, например, с помощью прокладок ВЧ и медной или проводящей ленты. Большая часть цифрового оборудования разработана с металлическими или пластиковыми корпусами с проводящим покрытием. [ необходима цитата ]
Любой неэкранированный полупроводник (например, интегральная схема) будет, как правило, действовать как детектор для тех радиосигналов, которые обычно встречаются в домашней обстановке (например, мобильные телефоны). [18] Такой детектор может демодулировать высокочастотный носитель мобильной связи (например, GSM850 и GSM1900, GSM900 и GSM1800) и производить низкочастотные (например, 217 Гц) демодулированные сигналы. [19] Эта демодуляция проявляется как нежелательный слышимый шум в аудиоустройствах, таких как усилитель микрофона , усилитель динамика , автомобильный радиоприемник, телефоны и т. д. Добавление бортовых фильтров ЭМП или специальных методов компоновки может помочь обойти ЭМП или улучшить устойчивость к радиочастотам. [20] Некоторые ИС разработаны (например, LMV831-LMV834, [21] MAX9724 [22] ) так, чтобы иметь встроенные фильтры РЧ или специальную конструкцию, которая помогает уменьшить любую демодуляцию высокочастотного носителя.
Разработчикам часто необходимо проводить специальные тесты 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, похожее на то, которое создается в реальной среде. [19]
Помехи в радиоастрономии , где они обычно называются радиочастотными помехами (RFI), — это любой источник передачи, который находится в пределах наблюдаемого диапазона частот, за исключением самих небесных источников. Поскольку передатчики на Земле и вокруг нее могут быть во много раз сильнее интересующего астрономического сигнала, RFI является серьезной проблемой для выполнения радиоастрономии. [23] Естественные источники помех, такие как молнии и Солнце, также часто называются RFI. [ необходима цитата ]
Некоторые из полос частот, которые очень важны для радиоастрономии, такие как линия HI 21 см на частоте 1420 МГц, защищены регулированием. [ требуется ссылка ] Однако современные радиоастрономические обсерватории, такие как VLA , LOFAR и ALMA, имеют очень большую полосу пропускания, в которой они могут вести наблюдения. [ требуется 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 из эпохи реионизации могут перекрываться с диапазоном вещания FM (88–108 МГц), и поэтому радиотелескопам необходимо иметь дело с радиопомехами в этой полосе пропускания. [23]
Методы борьбы с радиопомехами варьируются от фильтров в оборудовании до сложных алгоритмов в программном обеспечении. Один из способов борьбы с сильными передатчиками — полностью отфильтровать частоту источника. Например, это касается обсерватории LOFAR, которая отфильтровывает радиостанции FM в диапазоне от 90 до 110 МГц. Важно как можно скорее устранить такие сильные источники помех, поскольку они могут «насытить» высокочувствительные приемники ( усилители и аналого-цифровые преобразователи ), что означает, что принимаемый сигнал будет сильнее, чем может обработать приемник. Однако отфильтровывание полосы частот подразумевает, что эти частоты никогда не будут наблюдаться с помощью прибора. [ необходима цитата ]
Распространенным методом борьбы с радиопомехами в пределах наблюдаемой полосы пропускания частот является использование обнаружения радиопомех в программном обеспечении. Такое программное обеспечение может находить 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, устройства грозовой связи или гражданской связи (CB), большая часть данных остается доступной для астрономического анализа. Однако маркировка данных не может решить проблемы с непрерывными широкополосными передатчиками, такими как ветряные мельницы, цифровые видео- или цифровые аудиопередатчики . [ необходима цитата ]
Другой способ управления радиопомехами — создание зоны радиомолчания (RQZ). RQZ — это четко определенная область вокруг приемников, в которой действуют специальные правила для снижения радиопомех в пользу радиоастрономических наблюдений в пределах зоны. Правила могут включать специальное управление спектром и потоком мощности или ограничения плотности потока мощности. Контроль в пределах зоны может охватывать элементы, отличные от радиопередатчиков или радиоустройств. К ним относятся управление самолетами и контроль непреднамеренных излучателей, таких как промышленные, научные и медицинские приборы, транспортные средства и линии электропередач. Первая RQZ для радиоастрономии — Национальная зона радиомолчания США (NRQZ), созданная в 1958 году. [24]
До внедрения Wi-Fi одним из крупнейших приложений диапазона 5 ГГц был терминальный доплеровский метеорологический радар . [25] [26] Решение использовать спектр 5 ГГц для Wi-Fi было принято на Всемирной конференции радиосвязи в 2003 году; однако метеорологические органы не были вовлечены в процесс. [27] [28] Последующее нестрогое внедрение и неправильная конфигурация DFS привели к значительному сбою в работе метеорологических радаров в ряде стран по всему миру. В Венгрии метеорологическая радиолокационная система была объявлена неработающей более месяца. Из-за серьезности помех южноафриканские метеорологические службы в конечном итоге отказались от работы в диапазоне C, переключив свою радиолокационную сеть на диапазон S. [ 26] [29]
Передачи на соседних диапазонах с теми, которые используются пассивным дистанционным зондированием , например, метеорологическими спутниками , вызывали помехи, иногда значительные. [30] Существуют опасения, что принятие недостаточно регулируемого 5G может привести к серьезным проблемам с помехами. Значительные помехи могут ухудшить производительность 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 NASA Джима Брайденстайна в феврале 2019 года призвать FCC отменить предложенный аукцион спектра , который был отклонен. [34]
FCC вновь открывает диапазон терминального доплеровского метеорологического радара (TDWR) (каналы 120, 124, 128) с новыми требованиями к испытаниям для защиты DFS.
С 2006 года помехи радарам C-диапазона от RLAN все чаще испытывают большинство членов OPERA. ... Южноафриканские метеорологические службы изначально пытались внедрить специальную программную фильтрацию, чтобы улучшить ситуацию, но затем в 2011 году решили перевести свою сеть метеорологических радаров в S-диапазон.
Решение ERC/DEC/(99)23 добавляет 5250–5350 МГц и 5470–5725 МГц с большей мощностью Tx, но с дополнительной оговоркой, что DFS требуется для защиты устаревших пользователей (военные радары и спутниковые восходящие каналы)
Более 12 европейских стран столкнулись с такими случаями помех (в настоящее время сообщалось о других случаях в ряде стран мира). Окончательно вредные помехи (в Венгрии радар был объявлен неработоспособным более 1 месяца)
