（通信与信息系统专业论文）无线接收机的电磁干扰数学建模.pdf

r l 一 l j jpo i i 摘要 在电磁环境日益复杂 电磁污染同趋严重的今天 电磁兼容预测分析已成为 设备和系统设计 研制的重要参考 是系统电磁兼容性设计的必要组成部分 电 磁兼容预测分析的基础是干扰数学模型的建立 本文重点讨论了超外差接收机的 干扰数学模型 采用模块化的思想 将超外差接收机前端划分成线性和非线性模 块进行分析 接收机的非线性是造成干扰的主要因素 因此本文将非线性模块作 为分析的重点 首次将瞬时正交建模法运用到接收机的非线性分析中 详细讨论 了如何用包络转换函数计算瞬时转换特性以用于正交建模仿真 最后将瞬时 f 交 建模法用于a m f m p m 检波器仿真进行了验证 瞬时币交建模法克服了传统建 模方法的各种缺点 可以对非线性系统在很宽的频带和大的动态范围内进行仿真 是非线性模块建模的有效工具 关键词 电磁兼容预测模块化瞬时正交建模法瞬时转换特性 玉 l i a b s t r a c t n o w a d a y s t h ee l e c t r o m a g n e t i cc i r c u m s t a n c e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e da n dc o n t a m i n a t i o nm a d eb ye l e c t r o m a g n e t i ch a sb e c o m em u c hs e v i o u s t h e a n a l y z ea n dp r e d i c t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c i sb e c o m i n gt h e i m p o r t a n tr e f e r e n c ef o r t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fe q u i p m e n t sa n ds y s t e m s a n d i t sa l s oa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ed e s i g no ft h es y s t e me m c t h eb a s eo fa n a l y s i so f e m c p r e d i c t i o ni sm a t h e m a t i cm o d e l i nt h i sp a p e r w ed i s c u s st h ei n t e r f e r e n c e m a t h e m a t i cm o d e lo fs u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r b yt h em o d u l a r i z a t i o ni d e a w ed i v i d e s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e ri n t ol i n e a ra n dn o n l i n e a rm o d u l e sa n dt h e na n a l y z ei t t h e n o n l i n e a ro fr e c e i v e ri st h em a i nc a u s eo fi n t e r f e r e n c e s ow es t r e s st h ea n a l y z eo f n o n l i n e a rm o d u l e a n df o rt h ef i r s tt i m eu s et h ei n s t a n t a n e o u sq u a d r a t u r et e c h n i q u et o d oa n a l y z e w ea l s od i s c u s st h et r a n s f o r m a t i o no fe n v e l o p et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s i n t oi n s t a n t a n e o u so n e si nd e t a i l a n df i n a l l ya p p l yi n s t a n t a n e o u sq u a d r a t u r et e c h n i q u e t oa m f m p md e t e c t o rs i m u l a t i o nt ov a l i d a t ei t t h ei n s t a n t a n e o u sq u a d r a t u r e t e c h n i q u eo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lm o d e lm e t h o d a n dc o u l d s i m u l a t et h en o n l i n e a rs y s t e mo v e rw i d ef r e q u e n c ya n dd y n a m i cr a n g e i t sa n e f f i c i e n c yt o o lf o rn o n l i n e a rm o d e l k e yw o r d s p r e d i c t i o nf o re m c m o d u l a r i z a t i o ni n s t a n t a n e o u sq u a d r a t u r e t e c h n i q u e i n s t a n t a n e o u st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ti毒 目录 第一章绪论 1 1 1 论文研究背景及意义 1 1 1 1 论文研究背景 1 1 1 2 论文研究意义 2 1 2电磁兼容预测的发展及现状 3 1 3 论文章节安排 4 第二章电磁兼容预测的基本理论 5 2 1基本概念 5 2 1 1 电磁干扰和电磁兼容 5 2 1 2 电磁干扰三要素 5 2 1 3 电磁干扰抑制 7 2 1 4 电磁兼容预测 8 2 2 电磁兼容预测理沦 9 2 2 1 电磁兼容预测方程 9 2 2 2 电磁兼容预测数学模型 l o 第三章接收机的电磁干扰数学建模 1 3 3 1 接收机的模块化建模思想 1 4 3 2 接收机的线性模块分析 1 8 3 3 接收机的非线性模块分析 18 第四章接收机的非线性模块建模 2 1 4 1 非线性模块的各种建模方法 2 1 4 1 1v o l t e r r a 级数法 2 l 4 1 2 正交建模法 2 2 4 1 3 离散建模法 2 4 4 2 改进的建模法 瞬时正交建模法 2 5 4 2 1 瞬时正交建模法概述 2 5 4 2 2 瞬时变换特性 2 7 4 2 3 瞬时变换因子的偶数部分 2 7 4 2 4 瞬时变换因子的奇数部分 3 0 4 3 非线性转换函数的逼近 3 2 4 3 1 逼近方法概述 3 2 4 3 2 贝塞尔级数逼近法 3 3 4 3 3s i n e c o s i n e 级数逼近法 3 5 4 3 4 切比雪夫级数逼近法 3 6 4 3 5 逼近方法的验证 3 8 4 4 瞬时i f 交建模算法的验证 4 2 4 4 1a m 检波器仿真 4 3 4 4 2f m 和p m 检波器仿真 4 7 第五章总结与展望 4 9 致谢 5 1 参考文献 5 3 tl 一 第一章绪论 1 1 1 论文研究背景 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着电子技术 通信广播等无线电事业的高速发展 电子 电气设备和系 统获得了越来越广泛的应用 而且系统结构同益复杂 高密度 宽频谱的电磁信 号充满整个人类生存空间 构成了极其复杂的电磁环境 由于频率资源有限 大 量不同类型的通信和电子设备不得不重复使用某些频段 因此容易造成彼此间的 相互干扰 加上电子技术正向集成化 数字化 密集化和高速方向发展 发射机 功率电平和接收机灵敏度都有很大的提高 因此 功率频谱不断增大 电磁环境 日益复杂 导致电磁污染严重 电磁干扰成为困扰人们的难题 为有效利用极其 宝贵的频谱资源 保证各种电子设备j f 常工作 移动通信业务及通信网的正常运 行 必须及早重视和研究设备 系统的电磁兼容 虽然电磁干扰问题由来已久 但是电磁兼容这个新兴的综合性学科却足近代 形成的 从4 0 年代提出电磁兼容性 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 缩写为e m c 概念 是电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成为理论上 技术上全面控制 用电设备在其电磁环境中正常工作能力保证的系统工程 电磁兼容学科在认识电 磁干扰 研究电磁二f 扰和控制电磁干扰的过程中得到了发展 它深入阐述了电磁 干扰的技术措施 制定了电磁兼容的系列标准和规范 建立了电磁兼容实验和测 量的体系 解决了电磁兼容设计 分析和预测的一系列理论和技术问题 电磁兼容设计已成为民用电子设备和军用武器装备研制中必须严格遵循的原 则和步骤 在产品设计 加工 检测 试验和使用的各个阶段都要考虑电磁兼容 技术和管理 电磁兼容性成为产品可靠性保证中的重要组成部分 随着电子技术的迅速发展 现代电子设备已广泛地应用于人类生活的各个领 域 电磁兼容的研究将获得更加迅速的发展 将得到全人类的高度重视 当前 电予设备已处于飞速持续发展和广泛应用时期 必然导致在其周围空问产生的电 磁场电平的不断增加因此 必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力 电磁兼 容 e m c 是 i i 关于抗电磁干扰影响的科学 目前 就世界范围来说 电磁兼容性 问题已经成为一门新的学科 电磁兼容的中心课题就是研究 控制和消除电磁二f 扰 使电子设备或系统与其他设备或系统联系在一起工作时 不引起设备或系统 的任何部分的工作性能的恶化或降低 目前 电磁兼容性工程已经从事后检测处理 2 无线接收机的电磁下扰数学建模 发展到预先分析评估 预测检验和预先设计 在方案设计阶段就展了l 有针对性的 预测分析工作 1 1 2 论文研究意义 在军事上 舰船 飞机这类有限空间中 电子通信没备密集 各通信设备共 同工作 就造成了高密度电磁环境 在这种情况之下 设备之间的电磁干扰问题 变的极为严重 在民用方面 随着移动通信设备使用量的不断增加 通信事业的 不断发展 通信设备同益密集 移动通信网路不断的增设 扩容 移动用户数量 迅速增加 因此在移动用户密集的市区范围内 同样形成了高密度电磁环境 在 高密度电磁环境下 电磁环境极为恶劣 造成了严重的电磁干扰问题 使通信设 备通信质量急剧下降 甚至造成系统失灵 瘫痪 因此 对于现代社会 高密度 电磁环境不可避免 高密度电磁环境下 通信系统内部以及通信系统之问的电磁 兼容性设计成为一个棘手的问题 论文选题来源于国家十五预研项目 高密度电磁环境下电磁兼容性分析 该项目的目的是设计一套e m c 预测软件 完成设备 系统问的电磁兼容性预测分 析 软件的功能 一方面是为用户提供一个平台 允许用户在自定义的空间范围 内摆放设备 如接收设备 发射没备 收发天线等等 同时用户可以对各个设备 进行参数选择和没置 另一方面 该软件可以根据用户所提供的系统设备情况 计算设备 系统受到的电磁干扰e m i 进行系统设备电磁兼容性 e m c 分析 由 此我们可以在系统设计阶段 设备参数和设备摆放位置选定之前 实现系统电磁 兼容性预测分析机制 电磁兼容预测分析软件功能示意图如图1 1 所示 图1 1 电磁兼容预测分析软彳 功能示意图 该项目对于设备间电磁兼容性预测分析有着重要意义 并且为设备 系统设 计阶段的电磁兼容性设计提供有效依据 该e m c 预测分析软件可以在设备和系统 的设i i 1 j s t 完成电磁兼容性分析和设计修正 以避免设备和系统在建成之后在进 第一章绪论 3 行修改所造成的不必要的资金和精力上的浪费 该软件的界面仅仅是为用户提供一个良好的人机操作界面 软件功能实现的 基础还是电磁兼容预测理论 而数学模型又是电磁兼容性预测分析的核心 因此 本文的内容就是完成高密度电磁环境下无线通信设备数学模型的搭建 主要是针 对接收机的干扰数学模型的建立 主要从理论 算法上进行分析 寻求解决模型设 计的有效可靠的方法 从电磁干扰的控制策略上看 如果在设备和系统设计 研制阶段 就能够对 设备或系统的电磁兼容性有定性和定量的了解的话 将对设备或系统的电磁兼容 性设计有很好的帮助 因此 必须尽量避免由于设计初期未考虑电磁兼容性 而 造成在设备或系统成品生产出来之后 才发现设备间或系统间电磁干扰严重 设 备或系统性能下降 甚至无法正常工作 同时 电磁兼容预测可以减少设备或系 统建成之后 为降低干扰而采取修改设计 重新调整布局等各种补救措施所造成 的不必要的人力 物力浪费 有时也未必能彻底解决不兼容问题 因此电磁兼容 预测机制应运而生 并成为当今设备或系统电磁兼容性设计的必要组成部分 而 且通过对电磁干扰的预测 能够对可能存在的干扰进行定量的估计和模拟 以避 免采用过高的防护措施 造成不应有的浪费 1 2电磁兼容预测的发展及现状 人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进行控制 特别是工业发达国家格外重 视控制干扰 他们成立了国家级以及国际间的组织 如德国的电气工程师协会 国际电工委员会 i e c 国际无线电二f 扰特别委员会 c i s p r 等 开始对电磁干扰问 题进行世界性有组织的研究 在我国电磁兼容理论和技术的研究起步较晚 我国对e m c 的研究 与其它科 学技术相比 滞后国外发达国家的程度更为严重 国家科技部 原电力部 邮电 部和电子部都先后投入较大力量加大了e m c 的研究步伐 成立了一系列与e m c 有关的学术组织 制定出等同或等效采用了i e c c i s p r 等国际组织的e m c 标准 1 9 9 4 年为全面舰划和推进e m c 标准的制订修订工作 促进国家电磁兼容技术 进步和保护电磁环境 在全国无线电二 f 扰委员会和国内t c 7 7 归口工作基础上 及 时成立了 全国电磁兼容标准化联合工作组 全面规划以i e c 6 1 0 0 0 系列为主的 电磁兼容标准体系和具体目标 i e c 6 1 0 0 0 系列标准的转化工作已经开始 1 9 9 9 年 将陆续制订出一批等同或等效采用i e c 6 1 0 0 0 的国家标准并绝大部分为强制执行 以解决电气 电子设备制造部门和用户的急需 同时也为规范我国e m c 认证体系 提供了依据 美国在进行电磁兼容研究过程中 调集了一些大学和研究所来开发数学模型 4 无线接收机的电磁干扰数学建模 为今后的电磁兼容预测技术的应用和发展奠定了良好的基础 随着计算机速度和 存储容量的飞速发展 使一些数值分析算法得以应用 从而使电磁兼容分析软件 的设计成为可能 它将成为电磁兼容性设计必备的有效工具 在我国 适用于工 程应用的电磁兼容预测软件的设计还处于起步阶段 因此 建立起一套科学 完 整的e m c 分析方法和软件成为当前的一个重要课题 1 3 论文章节安排 第二章介绍了电磁兼容预测的基本理论 包括电磁兼容的一些基本感念 电 磁兼容预测方程及预测的数学模型 第三章针对超外差接收机 引入了模块化建 模思想 将超外差接收机前端划分成线性和非线性模块进行分析 第四章详细讨 论了非线性模块建模方法 提出了一种新的建模方法 瞬时j f 交建模法 并对在 仿真中用到的瞬时转换函数的逼近方法进行了讨论 最后将该方法用于a m f m p m 检波器仿真进行了验证 第二章 电磁兼容预测的基本理论 第二章电磁兼容预测的基本理论 2 1 1 电磁干扰和电磁兼容 2 1基本概念 1 电磁干扰 电磁干扰产生于干扰源 是一种来自外部的 并有损于有用信号的电磁现象 由电磁干扰源发出的电磁能 经过某种传播途径到达敏感设备 敏感没各对此表 现出的某种形式的响应 就产生了电磁二f 扰效应 强干扰会导致设备或系统失灵 甚至可能会造成严重故障或事故 因此电磁干扰成为现代电子技术发展道路上不 可逾越的巨大障碍 为了保障电子系统或设备的正常工作 必须研究电磁二f 扰 分析预测干扰 限制人为干扰强度 研究抑制干扰的有效技术手段 提高抗干扰 能力 并对环境进行合理化的设计 2 电磁兼容 电磁兼容在我国国军标g j b 7 2 8 5 中的定义是 设备 分系统 系统 在共 同的电磁兼容环境中能一起执行各自功能的共存状态 即该设备不会由于受到处 于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级 它也不会使 同一电磁环境中其他设备 分系统 系统 因受其电磁发射而导致或遭受不允许 的降级 对于无线电系统问的电磁兼容性 是指无线电通信系统或设备在一个公共电 磁环境中完成其本身设计功能的同时 对于同一个环境中的其他无线电系统或设 备既不会产生有害干扰 也不会遭受到冈无线电干扰而引起的不可接受的通信质 量恶化 在频谱管理中 为了使系统共存所做的分析成为无线电系统之间的电磁 兼容分析 无线电系统之间的电磁干扰 通常是由于频率指配不恰当 台站选址 不合理 以及发射设备谐波辐射和其他寄生辐射过强等因素而引起的 另外还有 为了有效的利用宝贵的频谱资源 一些不同无线电业务之间公用一些频段或相同 业务不同区域 山于协调不够 在边界囚频率共用而产生的干扰 2 1 2 电磁干扰三要素 理论和实验的研究结果表明 不管是复杂系统还是简单装置 任何一个电磁 干扰的发生必须具备三个基本条件 首先应该具有干扰源 其次有传播干扰能量 6 无线接收机的电磁干扰数学建模 的途径或通道 第三还必须有被干扰对象 即敏感设备 的响应 所以干扰源 干扰传播途径 或传输通道 和敏感设备称为电磁干扰的三要素 干扰三要素及 其关系的示意图如图2 1 所示 图2 1 电磁干扰三要素不慈图 1 电磁干扰源 各种形式的电磁干扰是影响电子设备电磁兼容性的主要因素 因此 它是电 磁兼容性设计中需要研究的重要内容 常见干扰源有无线电发射设备 工业 科 学和医用射频设备 电力 交通 工业设施 照明器具及家用电器 计算机及其 外设和静电放电干扰等等 电磁干扰按照干扰源的性质可分为两大类 自然干扰源和人为二 二扰源 自然干扰源来源于大气层的天电噪声 地球外层空问的宇宙噪声 人为二f 扰 源是由机电或其他人工装置产生的电磁能量二r 扰 其中一部分足专门用来发射电 磁能量的装置 如广播 电视 通信 雷达和导航等无线电设备 称为有意发射 干扰 另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射 如交通车辆 架空输电线 照明器具 电动机械 家用电器以及工业和医用射频设备等 这部 分称为无意发射的干扰源 从来源上可分 电磁干扰可分为内部干扰和外部二f 扰 内部二f 扰是指点子设备内部各元部件之问的相互干扰 它包括以下几种 1 工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰 2 信号通过地线 电源和传输导线的阻抗相互耦合 或导线之问的 互感造成 的干扰 3 设备或系统内部某些元件发热 影响元件本身或其他元件的稳定性造成的 干扰 4 大功率和高电压部件产生的磁场 电场通过耦合影响其他部件造成的干 扰 外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路 设备或系统的干扰 它包 括 第 二章i l l 磁兼容预测的荣奉理论 7 1 外部的高电压 电源通过绝缘漏电而干扰电子线路 设备或系统 2 外部大功率的设备在空间产生很强的磁场 通过互感耦合干扰电子线路 设备或系统 3 空问电磁波对电子线路或系统产生的干扰 4 工作环境温度不稳定 引起电子线路 设备或系统内部元器件参数改变造 成的干扰 5 由工业电网供电设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰 2 电磁干扰的传输途径 电磁干扰的传输途径有两种方式 一种是传导传输方式 一种是辐射传输方 式 从被干扰的敏感设备来看 干扰的耦合可以分为传导耦合和辐射耦合两种 传导传输必须在干扰源和敏感设备之间有完整电路连接 干扰信号将沿着该 连接传递到敏感没备 发生干扰现象 辐射传输足通过介质以电磁波的形式传播 干扰能量按电磁场的规律向周围 空间发射 常见的辐射耦合有三种 天线对天线的耦合 场对线的耦合和线对线 的感应耦合 3 敏感设备 敏感设备心1 是以不同电路原理 不同结构和不同元器件构成的具体用电设备 或系统 它们受同一电磁二f 扰作用的响应程度差别很大 通常用敏感度来描述敏 感设备对电磁干扰响应的程度 敏感度越高 表示对干扰作用响应的可能性越大 也可以说表明该设备抗电磁干扰的能力越差 在实际问题中 我们关心的是敏感 设备在受到干扰作用后 是否影响了其工作性能 因此引入了敏感度门限值 引 起设备性能降低的最小干扰值 作为标准 用以判定设备受干扰影响的程度 具体到本课题中的三要素分别为 干扰源 各发射机的发射信号 传输途 径 辐射传输 敏感设备 接收机 2 1 3 电磁干扰抑制 电磁兼容学科是在早期单纯的抗干扰方法的基础上发展形成的 两者的目标 都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不发生干扰 最大限度的发挥其工 作效能 但是早期的抗二f 扰方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略悔1 思 想上有着本质的差别 单纯的抗二卜扰方法在抑制二r 二扰的思想方法上比较简单 或者认识比较肤浅 主要的思路集中在怎样设法抑制干扰的传播上 因此工程技术人员处于极为被动 的地位 哪罩有干扰就在哪罩就事论事地给予解决 这仅仪是根据经验局部的应 用 解决问题的方法也是单纯的对抗式的措施 无线接收机的电磁二 二扰数学建模 电磁兼容技术在控制干扰的策略上采用了主动预防 整体规划和 对抗 与 疏导 相结合的方针 人类在征服大自然各种灾难性危害中 总结出的预防和 救治 对抗和疏导等一系列策略 在控制电磁危害中同样是极为有效的思维方法 首先电磁兼容控制是一项系统 l 二程 应该在设备和系统设计 研制 生产 使用与维护的各个阶段都充分予以考虑和实施才可能有效 科学而先进的电磁兼 容工程管理是有效控制技术的重要组成部分 在控制方法设计上 除了采用众所周知的抑制干扰传输的技术 如屏蔽 接 地 搭接 合理布线等方法以外 还可以采取回避和疏导的技术处理 如空问方 位分离 时间闭锁分离 频率规划与回避 滤波 吸收和旁路等等 有时这些回 避和疏导技术简单而巧妙 可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施 收到事半功倍的效果 在解决电磁干扰问题的时机上 应该由设备研制后期暴露出不兼容问题而采 取挽救修补措施的被动控制方式 转变成为在设备设计初始阶段就开展预测分析 和设计 预先检验计算 并全面规划实施细节和步骤 做到防患于未然 把电磁 兼容设计和可靠性设计 维护性 维修性设计与产品的基本功能结构没计同时进 行 当前 实现系统和设备电磁兼容性 在宏观上 应当采用频率划分和管制 其指导思想就是利用系统的频谱特性将需要的频率分量全部接收下来 将二f 扰的 频率分量加以剔除 由此 形成了很多具体的方法 如频谱管制 滤波 频率调 制 数字传输 光电传输等方法 各国根据国际电信公约和国际无线电规则设立 国家级的频谱管理机构 为本国分配和管理无线电频谱 这样就对频谱资源进行 合理的分配和管理 就可以减少有意发射电磁波的相互干扰 将频淆分成许多的 频段 不同用途的电磁波只能在各自的频段范围内工作和传播 在微观上 要采 取相应的技术措施 技术措施可以分为两类 第一类措施是系统和设备本身应尽 可能选用互相干扰最小的设备 电路和部件 并进行合理布局 第二类措施是通 过接地屏蔽及滤波等手段将干扰予以隔离和抑制 2 1 4 电磁兼容预测 电磁兼容性预测足一种通过理论计算对用电设备或系统的电磁兼容程度进行 分析评估的方法 该技术通常应用在系统或设备研制的方案设计阶段和工程研制 阶段 因为电磁兼容预测的目的是为了分析不兼容的薄弱环节 评价系统或设备 的安全裕度 为方案修改 防护设计提供依据 同时在设备或系统研制定型之前 通过预先测知发现干扰问题 采取抑制和防护二 二扰措施 可以收到事半功倍的效 果 因此电磁兼容预测技术足一项具有很高经济效益的工程技术方法 第二章电磁兼容预测的基本理论 9 电磁兼容预测分析不仅应用于新研制中的系统和设备 而且也可以应用于已 使用的系统改装和增加新设备的兼容性分析 进行电磁兼容预测和分析所采用的方法是计算机数字仿真技术 该技术是将 各种电磁干扰特性 传输函数和敏感度特性全部都用数学模型描述编制成程序 然后根据预测对象的具体状况 运行预测程序来获得潜在的电磁干扰计算结果 该预测方法在世界发达国家以普遍采用 实践证明它是行之有效的方法 因此研 究预测数学模型 建立输入参数数据库 提高预测准确度等成为电磁兼容学科关 于预测分析技术深入发展的基本内容 2 2 电磁兼容预测理论 2 2 1 电磁兼容预测方程 电磁兼容性预测基本方程在电磁兼容性分析的过程中占有重要地位 它是进 行电磁兼容性分析的基础 是判断电磁兼容性最有效的手段 是建立干扰数学模 型的依据 任何电磁二 二扰的发生过程都遵循电磁干扰三要素原理的规律 并且是方位日 的函数 因此其过程都可以用数学模型来描述 干扰源产生的干扰信号通常可以 描述为时间t 频率厂及方位0 的函数 表示为g f t 0 传播途径对干扰信号 的影响用传输函数来描述 写为t f f d 0 其中包含着时问迟延t 频率哀减厂 传播方向损耗0 及距离尸的影响 因此传播到 处的电磁二f 扰信号函数可以表示成 为p f t d 0 g f f 0 t f f d 0 敏感设备的特性通常用敏感度阈值 s f t 0 来描述 它也是时间t 频率 厂和方位d 的函数 由此产生以下两种情况 1 当p f t d 0 s c f f 0 时 出现不兼容的情况 说明作用到敏感设备上 的电磁干扰大于没各敏感度门限值 敏感设备将收到严重干扰 2 当p f t d 0 0 时 表示发生干扰 干扰源和敏感设备不兼 容 且按i m 值大小表明干扰的严重程度 当i m 0 表示两者兼容 设m 一i m 称为安全系数 m 越大 安全裕度越大 式 2 1 就称为电磁兼容预测基本方程 它用数学方程式表述了单个干扰源作 用于单个敏感设备的电磁二 二扰过程 电磁兼容预测分析基本方程是预测技术的理 l o 无线接收机的电磁干扰数学建模 论基础 然而实际工程中 如在高密度电磁环境下 经常有敏感设备受到若干干扰源 的共同作用 而发生干扰的情况 此时式 2 1 应该表示成为 i m 只 t d o s f t d p 2 2 1 1 电磁兼容性预测的基本方程中的干扰信号特性函数g 干扰传输特性p 和敏 感度门限值特性函数s 通常用功率表示 也可以用电压或电流表示 还可以用电 磁场强度表示 2 2 2 电磁兼容预测数学模型 无线电发射设备和接收设备 必须在解决电磁兼容问题的前提下才能共置于 有限空问内同时工作 实现收 发系统间干扰预测与分析通常有下面几种方法哺1 计算机计算方法 人工计算方法 经验方法 与其他系统比较方法和缩尺模型实 验方法 其中计算机分析方法是应用最为广泛的 它是将问题的几个基本要素以 数学的定量关系 通过计算机程序获得对各种潜在电磁干扰的数值计算 系统电磁干扰预测的方法与分析单个设备的方法大不相同 对单个设备确定 其电磁干扰特性时应该考虑组成该设备的元件和电路的具体特性 但是在系统预 测中分析是集中在各个设备的相互作用 仪仪需要确定干扰源的输出特性和接收 机的敏感度 不必知道设备的详细内部特性 从前面的分析当中我们可以了解到 要实现电磁兼容预测与分析 数学模型 成为预测分析机制的基础和关键 电磁干扰的数学模型实质上是对电磁干扰机理 理沦和实验分析的描述 根据电磁干扰发生的基本规律 任何电磁干扰的仿真计 算都必须包括干扰源模型 传输函数模型和敏感没备模型 它们正足构成电磁干 扰的三要素 干扰源模型 干扰源主要指的是各种发射设备 通常采用频域模型和辐射源 模型进行表示 即用连续波的电压或发射功率来衡量干扰源的输出特性 传输函数模型 又称为耦合模型 它包括传输模型和天线模型 主要是两个 天线问的辐射场耦合 传输函数模型足将干扰源模型的输出电压或功率转换到接 收机的输入端 其中要涉及天线的功率增益以及收 发天线之问的传输损耗 天 线的增益根据天线的形状和层数确定 传输损耗根据地形 地物和电磁波的频段 选择计算公式或曲线计算 敏感设备模型 即接收设备模型 它主要描述接收设备对输入信号和二f 扰信 号的响应 如乱真 互调 交调等 这里主要考虑接收机的敏感度门限和信噪比 s n 第二章电磁兼容预测的基本理论 对应前面的干扰三要素 在本课题中 干扰源模型 发射机模型 传输函 数模型 传输模型和天线模型 敏感设备模型 接收机模型 1 发射机模型 发射机的基本任务是产生电磁能 这种电磁能在一个确定的频带内包含着直 接的或潜在的信息 并发射到特定的空间领域 发射机除了产生并发射有用的信 号功率和频率外 还会在一些寄生频率上产生很多不需要的辐射 产生并发射无 用的功率和频率 另一方面 发射机所辐射的信号 对于本系统来说是有用信号 对于其他系统而言 则是无用信号 会对其他接收机产生干扰 因此 从电磁兼 容的角度出发 所有的发射机都必须视为潜在的干扰源来对待 发射机模型主要是指发射机频谱的输出特性 通常描述这一特征的参数是发 射机功率谱密度以及发射机的杂散辐射 这些参数反映了偏离谐振频率电磁能量 的相对变化关系 在电磁兼容分析中 一般以发射机基波功率谱密度以及带外杂 散辐射特性作为发射机模型 在对精度要求不高的情况下 可忽略发射机输出频 谱的细致结构 用若干测量值近似拟合发射机频谱的输出特性即所谓的离散模式 由于谐波辐射功率随时问及相同型号发射机的不同而不同 因此 谐波辐射 仅能以概率方式来表示 发射机发射的信号类型分为以下四类 1 宽带发射 能量频谱分布足够均匀和连续的一种发射 当测量仪器或接 收机在接收机带宽儿倍的频率范围内调谐时 它们的响应无明显变化 2 寄生发射 发射机发出的由电路中不希望有的振荡引起的一种电磁辐 射 它既不足信息信号的组成部分 也不是载波的谐波 3 谐波发射 发射机发出的频率为载波频率整数倍但不是信息信号组成 部分的一种电磁辐射 4 基波发射 对于拳h 筛选 需要规定在所需基波频率上的功率输出 此数 据是现成的 可来自发射机技术手册 频谱特征测量及设计规范 2 传输函数模型 1 传输模型 电波传输模型用于计算电波在收 发天线口端传播路径之间的传输损耗 电 波在不同频段有不同的传输特性 并且不同的传输机制所对应的传输模型也不同 电波传输模型需要根据不同频段的传输特性来建立 传输模型中要考虑到电波传 播路径中由各种因素 如地形 地貌等 造成的反射 绕射 折射 散射和大气 吸收等现象 常用的传输模型有地下 水下 电波传播 地面波传播 对流层电 波传播 电离层电波传播和星际空间的电波传播 2 天线模型 天线模型主要是指天线的方向图以及天线在带外的频率响应 天线和馈线是 1 2 无线接收机的电磁干扰数学建模 无线电通信系统不可缺少的一部分 天线的增益和馈线的损耗直接影响着接收信 号的强度 天线无论是发射电磁波或是接收电磁波都可以分为方向性天线和无方向性天 线 通信系统中 希望将辐射或接收信号局限在某一有限的扇面内 然而在实际 中无论是在空域或是在频域对天线进行清楚的区分是不可能的 旨在将辐射限制 在特定区域的天线也会无意地辐射或接收在非设计频率的非希望信号 而且天线 在杂波频率的空间特性与在工作频率的特性是人不相同的 在给定的预测问题中可能有各种不同类型的天线 从基本上是全向辐射的天 线到高向性天线 虽然在干扰预测中也考虑全向型天线 但是由于这种类型的天 线增益较低 不致形成严重问题 对于方向性天线 其辐射特性在空域内变化很 大 而且方向性天线时常与高功率发射机和灵敏的接收机一起采用 诸如雷达 卫星通信 对流层散射通信等 这就增加了干扰产生的可能性 3 接收机模型 接收机由几大部分组成 每部分有自己的通带 而且各不相同 其中最宽的 称为接收机最宽带宽 而最窄的则称为接收机最窄的通带 对于超外差接收机而 言 有射频放大器通带 混频器通带和中频通带 其中射频放大器通带最宽 中 频放大器带宽最窄 接收机干扰类型可以分为以下几种 1 带外信号干扰 具有大大超出最宽的接收机通带频率分量的信号 强的 带外信号干扰可能产生接收机内的杂波响应 超外差接收机对那些与本振谐波混 频以致产生中频信号的带外信号干扰最敏感 接收机内的杂波响应通常发生在特 定的频率 其他带外信号频率被接收机中频选择性所衰落 2 邻近频道干扰 具有等于或者接近于最宽的接收机通带内的频率分量 超外差接收机的邻近频道干扰落在或接近于射频通带 但在变频后落在中频通带 以外 邻近频道干扰能在接收机内产生非线性效应 即减敏 交调和互调 减敏 是接收机对所希望信号增益的降低 是干扰产生自动增益控制作用或接收机一级 或多级非线性导致的结果 互调是由于两个或多个输入信号的非线性组合产生不 希望的信号 其频率为输入信号频率或其谐波的和或差 3 同频道干扰 频率在接收机最窄通带内的信号 对于超外差接收机 同频道干扰的危害频率以和所希望的信号相同的方式变换为中频通带内的频率 这要求其频率等于 调谐的射频 1 2 超外差接收机最窄的中频带宽 同频 道二f 扰包括存在于最窄的检波前通带内的那些潜在干扰发射 因为同频道干扰信 号以与希望信号相同的方式被放大 处理和检波 所以接收机较容易受这些发射 的干扰 同频道干扰可能使接收机减敏或淹没希望的信号 它也可能与希望信号 共同作用引起检波输出的严重失真 第三章接收机的电磁干扰数学建模1 3 第三章接收机的电磁干扰数学建模 在多部发射机 接收机等电子设备同时工作的高密度电磁环境中 存在很多 个影响接收机正常工作的干扰源 因此为电磁干扰分析造成了一定的困难 此时 我们采用逐一考虑的方式 也就是在每次的干扰分析过程中 只选择一个接收设 备进行分析 将可能对接收机产生影响的信号源均作为潜在的干扰源对接收机的 性能进行分析 当每个影响接收机工作性能下降的干扰源对接收机造成的干扰分 析完成后 将所得各干扰结果进行综合 就获得了该接收机在高密度电磁环境下 受到的干扰 对所有的敏感设备进行干扰分析后 经过综合 就可以对设备问和 系统的电磁兼容性进行分析 因此在高密度电磁环境下 接收机干扰分析方法最 终还是归结为逐一考虑的方式 本文采用超外差接收机作为研究对象 针对其进行数学模型的建立 超外差 接收机模型前端部分结构如图3 1 所示 功率提供电路 控制电路 图3 1 超外差接收机前端部分结构 对于超外差接收机而言 进行数学模型建立的部分是从接收端天线之后到中 1 4无线接收机的电磁干扰数学建模 频输出这一部分 也就是射频放大器一直到中频放大器之间的部分 3 1 接收机的模块化建模思想 目前经常使用的电磁兼容预测方法主要为分级筛选法 分级筛选法的特点就 是将干扰的分析分步骤进行 由浅到深逐步进行 在干扰对接收机不形成影响时 将不再进行下一步的分析 当干扰对接收机产生影响时 每一步的筛选都为下一 步的分析进行简化 而它的不足之处就在于它进行每一步干扰分析时 是从接收 机的整体上进行把握和分析 而我们知道 接收机内部的各个器件均会影响信号 产生干扰 而且各部分造成的效果各有不同 如果采用该方法建立接收机干扰模 型 也就是从整体上把握接收机工作特性时 需要同时考虑很多因素的共同作用 对模型的建立造成很大的团难 同时也影响了模型的准确度 而且 从整体上考 虑接收系统模型 不易于分析接收机各个部分对信号和二f 扰的影响程度 也不利 于在今后的电磁兼容性检测过程中 对接收机参数的调整 使电磁兼容达到标准 规范 考虑到以上因素 为了建立有效合理的接收机模型进行电磁兼容性预测 通 过分析 我们设想将模块化思想运用到接收机干扰模型的建立 设计模块化的模 型结构 模块化的思想是将一个问题划分成许多小问题后 再进行分析解决 也就是 将一个整体划分成个体 那么个体不仅具有自身的特性 同时和其他个体之间必 然存在相互的联系 对于模块而言 其自身的特性也就足内聚性反映了模块内部 的联系 模块之间的耦合特性就体现了模块之间的联系 模块之问的耦合程度是 对模块独立性的直接衡量 耦合度越小 模块的独立性越高 而且模块的内聚性 强 模块的独立性也会提高 接收机的模块化结构模型指出了接收机各组成器件之间的关系 接收机的模 块化是根据接收机的具体特点进行的 当对构成接收机的每一功能模块以及各模 块之问的关系进行分析后 就可以获得整个接收机的特性 从而也就可以实现接 收机的干扰模型 好的接收机模块化结构中 数据的走向将充分体现信号在接收机内部的流向 反映表征信号特性的参数变化 接收机模块化结构的设计 不仅简化接收机干扰 模型的设计和实现 加强可测试性能 而且能够以一种更为有效的方式对模块结 构进行维护 接收机的模块化结构不仪体现了接收机的总体结构 并且隐含的指出了模块 结构的控制层次体系 对于接收机的干扰模型设计这一个问题 根据具体的情况 可以采用不同的设计模式进行解决 也就是说各模块之间的结构关系会造成对同 第三章接收机的电磁1 二扰数学建模 1 5 一问题进行分析时采用不同的模块化结构 如图3 2 所示 结构l结构2结构3 图3 2 模块化结构示意图 图3 2 中只给出了几种模块化结构 在实际情况中还有很多种模块化结构 模块的独立性是系统模块化结构优劣的i y 笋d 标准 模块独力性强的系统结构 容易开发 功能模块可以进行划分 相互接口义不复杂 而且模块相互独立 在 各自设计和修改算法时所引起的二次影响不大 错误传播少 因此 要得到好的接收机模块结构 应尽量减少块间联系 提高块内联系 实际上 块间联系和块内联系反映的是同一事物的两个方面 对于接收机 构成 该系统的器件是有相互联系的 如果将密切相关的器件分散在不同的模块中 就 会造成很大的模块问联系 相反地 将密切相关的器件放在同一模块中 模块内 联系增大 相应的模块之间联系减小 因此模块问的独立性成为进行接收机模块 化分的重要准则 在模块化设计思想中 模块之间的联系类型有以下几种 1 无块问联系 就足指模块之间相互独立 无联系 对于来自不同发射机的 信号源 它们之问的关系就是无块问联系 如图3 3 a 所示 2 数据性块间联系 就是指模块之问只通过接口界面进行数据传递的一种关 系 对于接收机而言 其各模块之间就是进行电信号的传递 模块之间的信息传 递就足通过信号 如图3 3 b 所示 3 外部模块问联系 这种联系在模块受到外部环境约束时出现 对于处于同 一环境之下的不同的接收机而言 它们中的各模块都会受到同一信号源的影响 如图3 3 c 所示 1 6 无线接收机的电磁干扰数学建模 a 厂 l 干扰源i i j 图3 3 模块间联系 将以上模块化思想具体应用到超外差接收机的模块化设计中时 先根据接收 机的具体情况 从传递特性出发 按照线性器件和非线性器件对接收机各部件进 行模块划分 例如滤波器 线性放大器具有线性传输特性 它们就可以归类为线 性模块 某些放大器和射频发射器具有非线性传输特性 它们就可以归类为非线 性模块 对于超外差接收机而言 输入电路 i c 可以看作是线性模块 混频器 作为非线性模块 放大器可根据其线性和非线性特性化分为线性和非线性模块 进行模块划分之后 超外差接收机的干扰分析模型的模块化结构如图3 4 所示 卤乡圈 只 卤南 囤 圈 第三章接收机的电磁干扰数学建模 1 7 图3 4 模块化的超外差接收机模型示意图 从以上分析中可知 模块化在保留了接收机原有的特性的基础上 将接收机 内部原有器件进行归类 为接收机性能分析提供了有效的手段 同时模块化将一 个问题分而治之的思想 使一个复杂的问题划分成许多可对付的 容易解决的小 问题 为接收机干扰模型设计提供了切入点 接收机的模块化将有利于对设备特性的分析 便于实现其内部器件的添加和 删除 有利于模型各部分的建立和模型参数的修改 这种模型建立的思想不但可 用于解决局部无线电电子设备群中的电磁兼容难题 而且能应用在设备群实现的 不同阶段从设计到改进和使用过程中的跟踪 因此对于复杂的设备 不仅仅足接 收系统 还有发射系统和传输信道以及其他的电子没备的模型设计而占 模块化 思想都是进行数学模型设计的一个有效手段 模块化思想便于将信号和干扰的转换以及它们之问相互的作用进行高速模块 化 在采用模块化思想进行模型没计阶段 需要把握的原则是 i 采用理想化的输入 输出信号形式 这些形式将适用于电磁兼容分析和 传输 过程 并且适用于对干扰造成的信号畸变的估计 2 理想的系统结构模型是由一系列功能模块构成的 我们需要进行如下的 假设 f t 各分离模块的特性是相互独立的 降低模块问的耦合度 便于实现各模块 特性的独立分析 b 各功能模块是无方向性的 模块的输出信号是不会受到输入信号的影响 的 3 信号形式分时域和频域两种 在每个特定的情况之下 在检测模块中需 要采用最合适的信号形式以及信号转换的快速算法 无线接收机的电磁干扰数学建模 3 2 接收机的线性模块分析 线性模块用于不同类型的滤波器和不同类型的具有线性传输特性的放大器 对线性模块进行分析时 其传输特性的描述可以采用频域也可以采用时域分析 1 在频域情况下 线性信号传输模型化后 信号在线性模块输入 输出端的 频谱密度的关系为 配 s i n k 3 1 其中霞佃 为线性模块的传递函数 2 在时域情况下 采用单位冲击响应五 f 描述线性模块特性 输入信号u 加 f 经过线性模块 其输出o u t f 和模块传递特性 f 的依赖关系为 2 删 t i 加 r h t r d r 3 2 3 3 接收机的非线性模块分析 非线性模块通常用于表示传输特性为非线性的放大器和无线频率转发器 1 在时域情况下 采用一个近似多项式对非线性模块特性进行描述 讲 f k i 1 3 3 其中 f 非线性瞬时模块输出端的输出 卜 近似多项式的阶数 k k k 多项式分解因子的系数为非线性瞬时模块的传输特性 通 过实验或计算可获得系数取值 2 在频率域的情况下 非线性传输模型化以后 会出现比较复杂的问题 由 频率组合 产生很多频率成分 这会造成信号频谱的振荡次数和多项式阶数的增 加 在多个输入信号影响下 用于计算分离的组合成分的数量和幅度的关系式可 表示为 p l e p 2 e p l d f p l p 2 p 一2 1 0 1 2 l m o d p 3 4 l l 式中 l 是互调产物的阶数 互 t c 足形成互调干扰的信号频率 o f 为接 第三