电磁兼容与通信防护【强烈推荐，非常经典】8

电磁兼容与 通信防护 2 欢迎各位共同关心并探讨电信 系统电磁兼容与通信防护问题 3 第一部分：电磁环境与电磁兼容 第二部分：防雷基本概念与原则 目 录 4 随着现代科学技术的发展，电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号充满整个人类生存的空间，构成了极其复杂的电磁环境。以通信系统、控制系统和计算机系统为主的电子系统和信息技术设备（ ITE）在这样的电磁环境中受到了严峻的考验。 一、电磁环境与通信 (1) 5 事实上，现代电子系统与当今电磁环境构成了紧密相关的联系。可以说电子系统越是现代化，其所造成的电磁环境就愈加复杂；反之，复杂的电磁环境又对电子系统提出了更为苛刻的要求。因此人们面临到一个新问题，这就是如何提高现代电子、电气设备、通信系统、计算机系统在复杂的电磁环境中的生存能力，以保证达到这些设备或系统初始的设计目的。 一、电磁环境与通信 (2) 6 电磁兼容：（ Electromagnetic compatibility） 国际电工委员会 （ IEC） 对其定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 电磁兼容三要素： 1、 2、 3、 二、什么是电磁兼容（ EMC） 电磁兼容通常需要指明特定的空间 （空间） 电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体 （ 对象 ） 电磁骚扰通过一定媒体 （ 耦合途径 ） 将发射体与感受体结合在一起 （ 媒体 ） 7 电磁骚扰： 任何有可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。 电磁干扰： 由于电磁骚扰所引起的器件 、 传输通道或系统性能的劣化 。 电磁骚扰 Electromagnetic disturbance 电磁干扰 Electromagnetic interference 两者关系： 电磁干扰三要素： 电磁骚扰 原因 电磁干扰 结果 1、电磁干扰源 2、耦合途径 3、敏感设备 8 静电放电反射非线性互调转换关开电源无线电通信发射机计算机人为干扰)热噪声接触噪声固有干扰源(系统内干扰源电气化铁路点火系统 输电线电视台微波中继站 广播发射机工科医射频设备电磁脉冲导航台社会通信台站雷达人为干扰源 宇宙干扰太阳噪声)雷电干扰天电干扰大气干扰(自然干扰源系统外干扰源电磁干扰源 9 电磁敏感性 （ EMS： Electromagnetic susceptibility） ：在存在电磁骚扰的情况下 ， 装置 、 设备或系统不能避免性能降低的能力 。 抗扰性 （ immunity） ：装置 、 设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力 。 敏感性高，抗扰性 低 10 电磁能量的转换和传输构成各种电磁现象，它们以各种频率用传导，辐射的方式在空间传播。电磁环境就是在一给定区域内存在的所有电磁现象的总和，它与时间有关，需用统计方法描述。 任何电子 、 电气设备或系统都是工作在一定的电磁环境中 。 根据 IEC 61000， 从实用角度可将电磁环境分为四类： 低频电磁现象； 高频电磁现象； 静电放电 （ ESD） 现象； 高空核电磁脉冲（ HEMP）。 三、电磁环境与电磁现象 11 第一类：损害有用信号的收发，或者使电子、电气设备产生错误或有害的电信号，即破坏有用信息或产生有害信息。 第二类：导致物质的爆炸起火 ， 产生灾难 。 第三类：直接对人类器官、细胞和神经系统产生危害，包括产生热效应、非热效应和致癌、致畸、致突变作用（即“三致作用”）如：其热效应可导致白内障、男性生殖系统障碍及其他热损伤。电磁波的非热效应会使人出现烦躁、头晕、疲劳、失眠、脱发、植物神经功能紊乱等。 四、电磁能量可能产生的三类危害 12 较强的电磁骚扰可能使敏感的通信及电子设备因过载而损坏。一般硅晶体管发射极与基极间的反向击穿电压为 2V5V，很易损坏，而且其反向击穿电压随温度升高而下降。 电磁骚扰引起的尖峰电压能使发射结和集电结中某点杂质浓度增加 ， 导致晶体管击穿或内部短路 。 五、电磁骚扰对通信、电子系统、设备的危害 (1) 13 在强射频电磁场作用下工作的晶体管会吸收足够的能量，使结温超过允许温升而导致损坏。 大多数情况是电子设备（包括电子计算机等信息技术设备）在电磁骚扰作用下，性能暂时降级（信息传递出错、动作失误、工作反常等），当电磁骚扰一旦消除后，设备又会恢复正常工作。 五、电磁骚扰对通信、电子系统、设备的危害 (2) 14 计算机、显示设备、终端设备、存储记录设备、数据处理设备等一般均使用低电平的数字集成电路，噪声容限低、抗干扰能力差。大规模集成电路的破坏能量仅为 10-310-6J，在有较强的电磁干扰（如大功率发射机、雷电、核电磁脉冲等）的作用下极易损坏。 六、电磁环境对计算机系统的影响（ 1） 15 另一方面，这些信息技术设备工作于开关状态，低电平大电流的脉冲信号可以产生很强的宽带辐射，干扰周围的其他设备。因此，计算机系统既对电磁环境十分敏感，同时也会污染局部电磁环境，对其他设备特别是高灵敏度接收设备（如通信接收机）构成干扰。 六、电磁环境对计算机系统的影响（ 2） 16 在恶劣的电磁环境中或信息技术设备之间的相互干扰会导致计算机运转失灵，主要表现在微机系统“跌落”，或由于系统指令传输的错误而进入错误工作程序，或造成 CPU停止运行，总线进入“死态”，数据库信息遭到破坏等故障。 记录设备和磁盘、磁带等也极易受电磁场的干扰，存储器在 15V/m、数据转换器在 50 V/m的电场中均无法正常工作；一般计算机可耐受 1V/m的场强，到 5V/m已不安全，超过 5 V/m就要出错。 六、电磁环境对计算机系统的影响（ 3） 17 传输、交换、电源、监控等电信设备的 EMC指标很多，这里主要考虑产生频繁且设备对其敏感的电磁参量，在设备五个端口分别考虑对下列指标的兼容性： 1） 外壳端口：射频电磁场 ， 工频电场 ， 工频磁场 ， 静电放电电压 。 2） 信号线端口：连续感应的射频传导 ， 快速瞬变 、 浪涌 。 3） 直流电源端口：连续感应的射频传导 ， 快速瞬变 。 4） 交流电源端口：连续感应的射频传导 ， 快速瞬变 、 浪涌 ，电压波动及跌落 ， 短时中断 。 5） 接地端口：接地线电流 、 地电位升 。 七、电信设备的主要 EMC要求 18 八、电磁兼容学科五个研究领域 电磁兼容是一门综合性的边缘学科，其核心仍然是电磁波，其理论基础包括 数学、电磁场理论、电路理论、微波理论与技术、天线与电波传播、通信理论、信息技术、地球物理、材料科学、计算机与控制理论、核物理、生物医学以及法学、社会学等内容。现在，电磁兼容已成为国内外瞩目的迅速发展的学科。 19 九、电磁兼容术语 (1) 1、干扰源（ interference source） 任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统或自然现象。 2、雷电冲击（ lightning surge） 由雷电在电气或电子电路中引起的瞬态电扰动。 3、辐射干扰（ radiated interference） 由任何部件、天线、电缆或连接线辐射的电磁干扰。 4、传导干扰（ conducted interference） 沿着导体传输的电磁干扰。 20 5、电磁骚扰（ electromagnetic disturbance） 任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。 6、电磁干扰（ electromagnetic interference（ EMI） 电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。 7、系统间干扰（ inter-system interference） 由其他系统产生的电磁骚扰对一个系统造成的电磁干扰。 8、系统内干扰（ intra-system interference） 系统中出现的由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。 九、电磁兼容术语 (2) 21 9、干扰信号（ interfering signal） 损害有用信号接收的信号。 10、人为噪声（ man-made noise） 来源于人工装置的电磁噪声。 11、电磁噪声（ electromagnetic noise） 一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。 12、无用信号（ unwanted signal, undesired signal） 可能损害有用信号接收的信号。 九、电磁兼容术语 (3) 22 13、自然噪声（ natural noise） 来源于自然现象而非人工装置产生的电磁噪声。 14、脉冲噪声（ impulsive noise） 在特定设备上出现的、表现为一连串清晰脉冲或瞬态的噪声。 15、喀呖声（ click） 用规定方法测量时，其连续时间不超过某一规定电平的喀呖声数。 16、无线电（频率）噪声（ radio（ frequency） noise） 具有无线电频率分量的电磁噪声。 九、电磁兼容术语 (4) 23 17、电磁脉冲（ electromagnetic pulse（ EMP） 指围绕整个系统（它犹如一个天线），具有宽带大功率效应的脉冲。例如在核爆炸时就会对系统产生这种影响。 18、电磁环境（ electromagnetic environment） 存在于给定场所的所有电磁现象的总和。 19、干扰抑制（ interference suppression） 削弱或消除电磁干扰的措施。 20、（对骚扰的）抗扰性（ immunity（ to a disturbance） 装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。 九、电磁兼容术语 (5) 24 21、抗扰性电平（ immunity level） 将某给定电磁骚扰施加于某一装置、设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。 22、抗扰性限值（ immunity limit） 规定的最小抗扰性电平。 23、抗扰性裕量（ immunity margin） 装置、设备或系统的抗扰性限值与电磁兼容电平之间差值。 24、电磁兼容性（ electromagnetic compatibility（ EMC） 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 九、电磁兼容术语 (6) 25 25、系统间的电磁兼容性（ inter-system electromagnetic compatibility） 给定系统与它运行所处的电磁环境或与其他系统之间的电磁兼容性，影响系统间电磁兼容性的主要因素是信号及功率传输系统与天线之间的耦合。 26、系统内的电磁兼容性（ intra-system electromagnetic compatibility） 在给定系统内部的分系统设备及部件相互之间的电磁兼容性。 27、（电磁）兼容电平（ electromagnetic） compatibility level） 预期加在工作于指定条件的装置、设备或系统上的规定的最大电磁骚扰电平。 28、（电磁）兼容裕量（ electromagnetic） compatibility margin） 装置、设备或系统的抗扰性电平与骚扰源的发射限值之间的差值。 九、电磁兼容术语 (7) 26 29、电磁干扰控制 对辐射和传导能量进行控制，使设备、分系统或系统运行时尽量减小或降低不必要的发射。所有的辐射和传导的电磁发射不论它们来源于设备、分系统或系统都要进行控制。若在控制敏感性同时还能成功地控制电磁干扰，就能实现电磁兼容。 30、屏蔽（ screen） 用来减少场向指定区域穿透的措施。 31、电磁屏蔽（ electromagnetic screen） 用导电材料减少交变电磁场向指定区域穿透的屏蔽。 32、屏蔽效能（ shielding effectiveness） 对给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽安放前后的电场强度或磁场强度之比，通常以 dB表示。 九、电磁兼容术语 (8) 27 （一） CISPR与 IEC （二）关于欧洲 EMC指令（ Directives） （三） ITU T关于电信网络设备的 EMC要求新建议 （四）中国 EMC标准研究 十、关于电磁环境的国际国内研究 28 1、 CISPR是世界上最早成立的国际性无线电干扰标准化组织，它是国际电工委员会（ IEC）下属的一个特别技术委员会。 CISPR与 IEC的分工主要是以 9KHz为界。 9KHz及以下的 EMC问题主要是 IEC研究 。 9KHz以上至 400GHz的 EMC问题 ， 主要由 CISPR研究 。 2、 CISPR与 IEC制订的 EMC标准有三大类： 基础 EMC标准 包括术语 、 定义 、 电磁现象描述 、 电磁环境描述等 。 通用 EMC标准 是关于特定环境下的 EMC标准 。 产品 EMC标准 （一） CISPR与 IEC 29 1、居住、商业和轻工业环境 1） 居住场所包括庭院住宅 、 公寓等； 2） 零售网点包括商店 、 超级市场等； 3） 商务楼宇包括办公楼 、 银行等； 4） 公共娱乐区包括电影院 、 酒巴 、 舞厅等； 5） 室外场所包括加油站 、 停车场 、 游乐园 、 运动中心等； 6） 轻工业场所包括工场 、 实验室 、 维修中心等 。 2、 工业环境 1） 工 、 科 、 医 （ ISM） 设备的工作场所； 2） 大的感性负载 、 容性负载频繁开关的场所； 3）大电流并伴有强磁场的场所。 特定电磁环境分为两大类： 30 1989年 5月 3日 ， 欧共体颁布了 “ 成员国关于电磁兼容性的法律达成的共识 ” 的文件 EMC指令 ， 规定从1996年 1月 1日起 ， 所有投放市场的电气电子产品均须符合 EMC指令要求 ， 否则不准进入市场流通 。 欧洲 EMC标准 （ EN） 与 CISPR、 IEC一致， EN比 CISPR、 IEC更具体化，实用化。 （二）关于欧洲 EMC指令（ Directives） 31 20012004研究期主要课题 Q1/5： 在独立或互操作情况下，对通信网络的 EMC、抗扰性和安全方面的研究 （ 1） 研究内容： 1、 电缆的串音和非平衡要求 2、 在通信系统的电缆中使用子系统的要求 3、 在传输系统子线缆的频率分配和频段 4、 子接口的传导 EMC要求 5、 分类电缆的耐受性要求 6、 低于 150kHz的传导 EMC要求 7、 对设备电缆终端负载阻抗 、 正常电流和瞬态开关电流限值的要求 8、 接地和连接地结构 、 电缆表面的雷击电流和操作耐受性要求 9、 在多用户操作环境下的安全要求 （三） ITU T SG5（对电磁环境影响的保护） 32 Q1/5： 在独立或互操作情况下 ， 对通信网络的 EMC、 抗扰性和安全方面的研究 （ 2） 本课题下的新建议： 1、 K.olo 在多用户环境下 ， 为确保安全无事故操作所需的 方法 。 （ 2002年 ） 2、 K.rub 使用分类电缆的电信业务的 EMC、 耐受性和安全 要求 。 （ 2002年 ） 3、 K.rcol 电信中心设备布置的 EMC、 耐受性和安全要求 。 （ 2002年 ） 4、 K.gub 测量设备导则和 /或分类问题的电缆特性 。 （ 2003年 ） 33 Q2/5：宽带接入系统的 EMC 在小型商务和家居中对数据服务的需求推动下 ， 电信运营商需要为客户提供高宽带连接 。 为了利用现存的接入系统和硬件设备 ， 而采用了新技术 （ 如：扩展频谱技术 ） 。这些新技术的采用带来了 EMC问题 。 本课题将研究宽带有线技术对其它有线或无线设备的影响 。 这些技术包括 xDSL、 CATV、 电力线通信技术 。如果条件成熟 ， 将有新建议 宽带接入系统的 EMC要求 产生 。 34 Q3/5：移动设备和无线系统的无线频率环境特征及其对健康的影响 （ 1） 移动无线系统的增长已经引起了公众对环境中电磁场强度的不断关注 ， 这种增长促使电信运营商开始控制 、 测量并计算电信系统和无线终端在环境中辐射出的电磁场的强度 ， 以遵循各种国际组织 （ 如：国际非离子辐射保护大会 ICNIRP） 及国家政府提出的电磁场限值 。 该课题旨在研究一些测量方法和计算方法 ， 用来估算电信系统和无线终端产生的电磁场强度 。 35 Q3/5：移动设备和无线系统的无线频率环境特征及其对健康的影响 （ 2） 在课题的研究中将涉及： 1、 使用宽带探测器进行现场测量：精确度的不稳定性 ， 人体对测量结果产生的影响 ， 等； 2、 使用各种天线：宽带天线 ， 双极天线 ， 等； 3、 在计算电磁场预测有效性时 ， 各种算法取近似值 。 本课题下的新建议： 1、 K.mes 暴露在电信位置的电磁场测量方法 。 （ 2001年 ） 2、 K.tr 蜂窝电话对人体安全的要求 。 （ 2002年 ） 36 Q4/5：新型电信设备和接入网设备的抗力 此课题的来源： 大量新型的电信设备已出现在电信网上 。另外 ， 在用户大楼内不同类型的设备也互连在一起 ， 因此有必要考虑内部接口和互连设备的抗力要求 。 此课题的主要任务： 主要研究并产生交换设备 、 传输设备 、 转发器 、 路由器等电信设备内部接口的抗力要求 。 同时也对 SPD和 MDF等保护设备进行研究 。 具体为三方面内容： 1、 制订 K.idc：连接器的抗力要求； 2、 考虑在 K.21中加入终端适配器 、 cable modem、 天线端口等的抗力要求； 3、 考虑在 K.21或 K.22中加入用户大楼内部接口的抗力要求 。 37 Q5/5：固定 、 移动和无线系统的雷击防护 （ 1） 此课题的来源： 随着社会的发展 ， 现代社会越来越依靠通信系统 ， 因此电信服务的可靠性得到了广泛的关注 ，对雷击放电的防护是其中的关键问题 。 此课题旨在提出适当的工程保护措施以供电信运营商参考 。 此课题的主要内容： 此课题主要对雷击防护以下方面进行研究： 1、 固定通信线路 ， 包括金属对称线 、 同轴电缆和光缆； 2、 移动和无线通信系统 ， 特别是无线通信基站 ， 他们的天线通常安装在暴露度很高的高建筑物上； 3、 通信骨干网中的局站 。 38 Q5/5：固定 、 移动和无线系统的雷击防护 （ 2） 此课题的任务： 1、 更新建议 K.11、 K.25、 K.39、 K.40、 K.46、 K.47； 2、 起草一个关于同轴电缆雷击防护方面的新建议 ， 暂定名为 K.coax； 3、 起草一个移动和无线通信系统中无线通信基站的雷击防护方面的新建议 ， 暂定名为 K.rbs。 此课题的大部分工作将在 2001年开始 ， 预计在 2003年结束 。 39 此课题的来源： 此课题是上一研究期未完成而延续到此研究期的 。 目的是通过研究电信系统的连接结构和接地来提高电信系统运行的可靠性 。 此课题的内容： 1、 电信建筑物的连接结构和接地的设计方法； 2、 连接结构的 EMC性能的评估和测试方法； 3、 电信建筑物的连接结构和接地的维护方法； 4、 连接结构和接地设计较差的情况下 ， 雷击和传导干扰导致的故障和损坏； 5、 接地电阻的测量方法； 6、 在接地电极施加降阻剂的有效性； 7、 长电极的计算方法等 。 Q6/5：全球化环境下电信系统的连接结构和接地 (1) 40 此课题的任务： 更新建议 K.27、 K.31、 K.35；并完成 “ 电信系统安装接地 ” 技术手册 。 此课题的进展情况：已完成技术手册的第 1、2、 3、 5章的初稿 。 Q6/5：全球化环境下电信系统的连接结构和接地 (2) 41 Q7/5： EMC的数学模型预测 （ 1） 信息工业通常通过模块的组合和现场测试来满足 EMC要求 。这种做法不仅花费昂贵而且试验不确定度高 （ 即：结果的置信度受到限制 ） ， 现场试验可能造成不利的结果 。 本课题寻求一个基于技术的数学解决方法 ， 使得花费最小而最能解决问题 。 本课题将研究评估大系统一致性的数学技术 。 本课题将应用以下合适的技术建立通信 EMC数学模型： 概率分析； 随机评定； 蒙特卡罗法仿真 。 42 Q7/5： EMC的数学模型预测 （ 2） 本课题包括以下研究内容： 现场测试； 近场测试； 预测 （ 例如： PCB分析 ） 本课题下的新建议： 1、 K.mm EMC数学模型预测 （ 2003年 ） 建议将提供应用数学技术展示通信系统 EMC一致性的导则 。 在新建议中会包括特定模型的细节 ， 以及这些模型的有效性和局限性 （ 如：预测的不确定度 ） 。 43 Q8/5：依据电磁兼容性进行的质量检验过程 （ 1） 电信业通常需要满足 EMC的要求并提出遵循这些要求的声明 。 另外 ， 某些 EMC要求可能是检验电信设备质量的有效工具 。该课题旨在确定一种适当的依据电磁兼容性进行的质量检验过程 。 该课题主要研究电信设备和 /或系统在其 EMC性能方面的适当的质量检验过程 。 该课题将涉及某些方法的适用性 ， 诸如： 质量检验过程和概率分析法 EMC测试的选择 EMC测试过程 44 Q8/5：依据电磁兼容性进行的质量检验过程 （ 2） 该课题也将考虑使用： 有关所选 EMC测量的要求 质量指数 成本分析 本课题下的新建议： 该建议 （ K.qual） 包括具体质量指数方面的详细内容 ，这些指数是有效的并且符合这些检验过程的限值 。 该建议将在 2003年完成 。 45 Q9/5：电力线和电气化铁路线对电信网的干扰研究 此课题的来源： 此课题是上一研究期未完成而延续到此研究期的 。 此课题的内容： 1、 修订建议 K.33、 K.53以及相关导则的第五节 ， 使此系列标准中相关的指标一致； 2、 修订 K.54， 增加电信设备对电力线或电气化铁路线感应电压抗力试验的具体测试方法； 3、 研究设置在电力线杆塔上的无线通信基站的安全和抗扰问题 。 此课题的任务： 修订建议 K.33、 K.53、 K.54以及相关导则的第五节 ， 必要时还要与 Q5/5的研究者合作 ， 在 K.rbs中加入设置在电力线杆塔上的无线通信基站的安全和抗扰问题 。 46 Q10/5：电信安装中解决电磁问题的方法研究 此课题的来源： K 系列建议对电信设备抗力和抗干扰能力作了规定 ， 而此课题则主要针对电信安装中的电磁兼容问题 。 此课题的内容： 此课题将首先对现有网络中存在的问题和解决办法进行收集和归类 ， 继而给出解决电信安装中的电磁兼容问题的办法 。 此课题的研究成果可能会以指南或手册的形式发布 。 此课题的任务： 此课题主要完成两个指导手册 ， 一个是电信安装中电磁兼容问题的识别和定位；一个是降低电信安装带来的电磁干扰的方法和措施 。 47 Q11/5： 已有电信环境中人身安全方面建议的修改和充实 此课题的来源： 现有电信环境中人身安全方面的建议主题内容有两个方面：电信设备的安全要求和电信网络运行人员的安全要求 。 此课题将根据电信网络的发展来确定是否需对现有建议进行更新 、 修改甚至删除 。 另外 ， 还