无线电通信系统中的电磁兼容论文

1、1 第一部分 无线电通信系统中的电磁兼容的概念 一、电磁兼容研究发展史 在无线电通信和电报通信的早期，人们就已经知道火花隙能产生谱分量（频谱 分量）很丰富的电磁波。这种电磁波能在各种不同的电子和电气设备中产生十扰和噪 声，如影响收音机和电话等。很多其它的电磁发射源，如闪电，继电器，直流电动机 和荧光灯，也能产生频谱分量丰富的电磁波，并在这些设备中产生十扰。除此之外， 也存在窄带电磁发射源。高压电力传输线产生工频电磁发射， 无线电发射机有意发射 载波频率上的编码信息（声音，音乐等）。无线电接收机截取这些电波，放大后提取 包含在电磁波中的信息。随着国际无线电十扰特别委员会 1934 年第一次会议提

2、出可 以接受的无线电骚扰限制和测量无线电骚扰的方法，开始了对电磁十扰及其控制技术 世界性的有组织研究,于 20 世纪 40 年代初提出了电磁兼容性的概念，于 1966 年我 国第一个电磁兼容标准制定。国外发达国家早在 60、70 年代就已将电磁兼容分析技 术应用于无线电频谱管理工作中，取得了很好的成效，并积累了大量可借鉴的成功经 验和资料。1984 年，中国通信学会，中国电子学会，中国铁道学会和中国电机工程 学会在重庆召开了第一届全国性电磁兼容性学术会议， 1992 年 5 月，中国电子学会 和中国通信学会在北京成功地举办了 “第一届北京国际电磁兼容学术会议（EM C92、 Beijing ）

3、 ”，标志着我国电磁兼容学科的迅速发展并参与国际交流。 20 世纪 90 年代 以来，随着国民经济和高新科技产业的迅速发展，在航空，航天，通信，电子，局势 等部门，电磁兼容技术受到格外重视，并投入了较大的财力和人力，建立了一批电磁 兼容试验和测试中心，引进了许多现代化和敏感度自动测试系统和试验设备。 随着无 线通信和计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术已经成为电磁兼容分析必不可少的 手段之一，出现了不少专业化的制作公司以及成熟的电磁兼容分析软件产品， 如法国 ATDI 公司的 ICS 软件、CRIL 公司的 ELLIPSE 软件、德国 LS 公司的通用 EMO 件、瑞 典AerotechTel

4、ub 公司的 WRAP 件等，为频谱管理和网络规划提供了较为全面的解 决1 二、通信系统电磁兼容的界定及分类 电磁兼容是指在给定的空间和相应的时间里， 运用合理的措施使各种设备、物体、 人体等互不引起电磁十扰、电磁污染和电磁危害；从广义上讲，电磁兼容除了电磁能 量通过辐射和传导造成的设备问相互影响外，还应考虑电磁辐射对人员、物品影响。 即一个电子设备如果能与其它电子设备相兼容的工作， 既不产生十扰也不对外界十扰 敏感的话，就称该电子设备与其环境电磁兼容。当一个系统如果满足以下三个准则， 就认为与其环境电磁兼容： 1. 不对其它系统产生十扰； 2. 对其它系统的发射不敏感； 3. 不对自身产生十

5、扰。 社会经济发展，通信系统在现代化运输，工业许多生活领域中的地位和作用，显 得越来越重要，随着科技水平的提高，新技术、新业务和新产品层出不穷，各类台站 数量高速增长，许多大功率、高灵敏、高精技术的电子设备日益更新，设备安装拥挤， 通信电缆密如蛛网，电磁环境日益复杂。为了使设备在一定工情下同时工作， 发挥各 自的性能，实施有效管理的难度愈来愈大。对通信系统管理工作的要求和标准越来越 高，利用传统的手工方式管理台站，凭借传统的经验审批频率以及被动式查找十扰等 管理行为，已不能适应新形势、新任务的要求。因此将电磁兼容措施应用到通信领域 中，正是提高信号传输、管理科学化、自动化水平的重要技术手段，也

6、是适应无线电 通信事业发展的必然趋势。 设计把通信系统的电磁兼容分为系统内部和系统之间两大部分进行研究。 分析出 各种十扰源及其危害影响。通信系统内部中的十扰源进行归类总结， 针对不同的十扰 源，根据通信系统兼容原则，给出针对不同抗十扰方案；对通信系统问强电线路产生 的十扰问题，找出产生十扰的原因，危险影响和十扰影响，提出防护措施和测量参数 的方法。当传统方案不能满足十扰消除时，乂提出两种设计预案。以在经济允许的情 况下，有效的减少或消除十扰危害，提高设备的使用效果。2 第二部分 通信系统内部电磁兼容应用及其工作原理 2.1移动通信系统中的干扰分析 中心频率 f0 fo-2.5NB 必要带宽

7、/ fo+2.5NB 1 i 1 1. A A 1 /谐波发射 /夕调发射 / /乃生发射 1 /变/产物 带外发射 带外发射 At fo f - 杂散发射 W - 杂散发射 NB -A - 无用发射fo-O.5NB fo+O.5NB无用发射 图 2-1 无线电发射机发射的频谱 (一) 无线电发射机的杂散发射及拟制措施 无线电发射机的杂散发射(Spurious emission 是指：必要带宽之外某个或某些频率 的发射，包括谐波发射、寄生发射、互调产物和变频产物，但带外发射除外 ，如图所 示。杂散发射和带外发射统称为无用发射(Unwanted emissions无线电发射机的杂 散发射是一种十

8、分有害的干扰，规定无线电发射机的杂散发射功率限值， 有助丁确保 无线电发射的质量，降低系统之间的干扰。国标 GB13421-92 和国际电联建议书 ITU R SM 329- 7 中都给出了无线电发射机的杂散发射功率限值及测量方法。 1. 必要带宽(Necessary bandwidth) 对给定的发射类别，恰好足以保证所要求的速率和质量的条件下信息传输的频带 宽度。对丁多通道或多载频发射机或转发器， 几个载频可能同时从一个末级放大器输 出或从一个天线发射，此时必要带宽为发射机或转发器的频率带宽。 2. 带外发射(Out-of-band emission) 由调制过程产生的，刚超出必要带宽的一

9、个或多个频率的发射，但杂散发射除外。 频率落在刚超出必要带宽离开发射中心频率 2.5 倍必要带宽频带范围内的任何不 需要的发射，都被看作是带外发射。 3. 谐波发射(Harmonic emissions) 频率是发射中心频率整数倍的杂散发射。一般说来，在 HF 频段内，使用简单的 3 低通滤波器，可以将谐波的幅度降低到相对于有用发射大约为-60dB。在大功率发射 机中，有必要加装调谐滤波器降低某些谐波的幅度。 可以把滤波器安装在发射机的 输出端，以便哀减所有的谐波。 4. 寄生发射（Parasitic emissions） 由于电路中的寄生参量或自激引起的杂散发射， 既不依赖于发射机的载频或特

10、征 频率，也不依赖于广生载频或特征频率的振荡频率。 抑制的办法如改善高低电平电路之间的屏蔽； 在发射机的不同环节注意布线；在 射频电路部分采用电缆线或采用具有滤波功能的引线； 尽量克服为了消除一种频率振 荡插入一电路后，反而乂增加了一种新的频率振荡;尽量避免由于晶体管放大器极问 电容的变化，在低频不能满足退耦条件时，产生与基波无关的高频振荡。 5. 互调产物（Intermodulation products） 引起互调产物发射的原因通常是发射机内的非线性组件所致， 如混频器、调制器 等。当若十个信号加至非线性器件上，将生成大量的互调产物。例如：发射的载频 与特征频率或其谐波频率的互调、载频与特

11、征频率的互调。 与来自本发射系统或 其它发射系统的一个或几个有相同特性的其它发射的振荡频率之间的互调。 一台 发射机的输出信号与另一台发射机的输出信号相互耦合， 也会产生互调产物。 在 无线电通信系统之间及系统之内，尤其在频分制的情况下，由于频率分配不当， 各 电台的布局和覆盖系数不合理也会产生互调产物的发射。 如果几个系统在同一地 区，机间距离乂较近，当具备非线性的条件时，也会形成相互调产物的发射。 如果在同一个系统中，采用多频道共享技术，由于频率配置不合理而使互调产物 落人其中工作的频道之中，形成假发射，特别是在本频道不工作的情况下，还有发射 存在，十扰接收台的正确接收。例如一部发射机有

12、10 个频道，若 1、3 频道有互调， 其产物落入 5频道，就影响了 5 频道接收台的正常工作。在互调产物中，奇数阶互调 产物造成的十扰影响最大，在发射机内部和系统之间三阶互调在杂散发射分量中占主 导地位。 （二）多径十扰 在接收点接收到的信号多径反射（地面、建筑物、大型广告牌等）和多径衍射（建 筑物垂直棱边和垂直棱边等）信号的叠加。无线电波以不同的时延从不同方向通过多 条路径到达接收机，通过矢量叠加得到振幅或大或小的合成信号， 这取决于多径信号 叠加是相互加强还是相互抵消。其结果是在某一个位置上接收机接收到的信号强度和 相隔不远的另一位置上接收机接收到的信号强度相差几十分贝，这种起伏称为衰落

13、。 对于移动用户，从一个位置移动到另一个位置，信号强度大幅度的变化严重地影响通 话质量。 （三） 多址十扰（多用户十扰） 多址十扰是由于多个用户要求同时通信，而乂不能将它们完全隔离开而引起的十 扰。一般来说，在传统的频分多址和时分多址技术中，由于频分、时分划分的正交性， 多4 址十扰很小，可以忽略。在码分多址技术中，若码组问的自相关特性，特别是互相 关特性不理想时可能造成多个用户之间的相互十扰。据统计在实际的蜂窝通信系统中， 小区内各用户间的多址十扰大约占总多址十扰的 60%,小区间各用户产生的多址十 扰大约占 40%。在码分多址的移动通信系统中，例如在 IS 95 及各种主要第三代移 动通信

14、系统中，多址十扰是最主要的十扰，有很多新技术都是针对多址十扰设计的， 例如扩频码的设计、多用户检测技术、功率自适应技术等。 （四） 同频道十扰 同频道十扰是指由其它基站区或射频设备信号源发送出来而落在接收机通带内 的与有用信号频率相同或相近的十扰信号，十扰信号不能用正常的手段滤除掉。 （五） 邻频道十扰 相邻频道十扰是指由于接收机的选择性不佳和发信机边带扩展而使某一频道的 信号落在接收机相邻频道的通带内产生的十扰。 （六） 减敏（阻塞十扰） 十扰发射机非常靠近一个接收机时, 会使接收机灵敏度降低,如果十扰信号足够 强，可能使接收机阻塞。避免减敏十扰的方法包括安装滤波器、改变十扰发射机的站 址、

15、降低十扰发射机的过大功率等。 2.2蜂窝移动通信系统 以蜂窝移动通信系统为例，介绍通信系统内的 EMC 蜂窝移动通信系统如图所示，图中每个点表示 1 个基站，每个 6 边形区域表示 1 个服务区（蜂窝区），每个蜂窝区中的数字表示不同的信道，没有重复信道的相邻单 元组成一簇，在完全规则的蜂窝阵中，可以证明同一簇中频道的数目 n 满足下式： n = k2 + l2+ kl （k 1, l 0,自然数） （2 1） 所以 n= 3, 4, 7, 9, 12,。同一簇内相邻频道的单元相距太近就会产生邻频道 十扰。远一些，避免相邻频道的十扰。 5 2.3移动通信系统的兼容原则 1. 有效覆盖判别准则：P

16、r Prs R是接收输入端的信号功率，Prs是接收机的灵敏度。 2. 同频道兼容准则：Er pE 或 Pr p2p Ei:有用信号的场强，E :同频道干扰的场强，Pi :接收机输入端同频道干扰 信号的功率，p：射频保护比。 我国邮电部标准中：模拟频分多地（FDMA 移动通信网 25KHZ道间隔的同频道 干扰保护比 p= 8dB, 900 MHz 数字时分多址（TDMA 移动通信网同频道干扰保护比 p =9dB。 3. 相邻频道兼容准则：Er PaEa Ea：相邻频道的干扰场强，Pa：相邻频道保护比。 我国邮电部标准中：900MHZ莫拟移动通信网25KHz频道间隔设备的邻频道发射 功率在16KH

17、z 频带内低丁载频功率 70dB, 900MHz字全球移动通信系统（GSM 基 站区的邻频道干扰比：200KHz 邻频道干扰比为一 9dB, 400KHz 邻频道干扰比为一 41dB。 通信系统内电磁兼容的另外的几个参量 ： 1. 服务半径 dS,在此距离处场强减小到接收机输入端必须的最小有用信号的水 平。 2. 同频道干扰半径 di ,在此距离之外接收最弱有用信号不受干扰的几率在 90% 以上。 3. 同频道电台的最近距离6 dc ds+ di 4. 邻频道干扰半径 da。在此距离之内受到相邻频道的干扰 2.4保证移动通信网系统内电磁兼容的方法 （一）减少发射机互调干扰的措施： 尽量增加发射

18、机之间的去耦损耗， 增大天线间的空间隔离度；在发射机输出端 申接环行器或单向器；在发射机输出端和馈线之间插人高 Q 值带通滤波器；发射机的 各个环节必须有良好的匹配，以避免信号反射造成去耦损耗小，选用屏蔽良好的馈线， 并避免多根馈线相互靠近平行放置等。 (2- 2) 图 2-3 同频道电台的最近距离 7 选用无三阶互调的频道组。 采用功率自适应系统。 改为时分、码分工作方式，失掉互调机会。因为在多频道共享下其载频发射 受到时间分割或码分控制，不同发射频率无法进入非线性区，即失掉互调机会。 改进非线性的动态范围。 （二）避免三阶互调和邻频道干扰的频道组的选择 移动通信的基站都采用多信道共享方式，

19、 为了避免三阶互调干扰，应合理地选用 同一频道组中的频率，使他们可能产生的互调产物不致落入同组中任一工作频道。 产生三阶互调的频率是：fx=fi+fj-fk 或 fx=2fi-fj 其中：fi,fj,fk 是同一频道组中的 任意三个频率，fx 也是该频道组中的一个频率。 我国规定调频通信的频道间隔 B 为 25KHz,对丁 450MHz 和 900MHz 频段的公 众网，标称频率的尾数可以是 12.5、37.5、62.5、87.5KHz。为了方便，常用频道序号 来表征标称频率，如图所示。设初始频率为 f0=f1-B,则任一频道的频率可以写为： fx=fo+bcx 其中 cx 为频道序号。这样就

20、有：f i=f0+BG,f j=f0+BC.f k=f0+BC 把式子代入可得 到以频道序号表示的三阶互调关系式：a=C+G-Ck更具有普遍性，因为当 i=j丰k 时，, 即为 G=2C-Cj 25KHZ f。 fl f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 fg L。膈确 图 2-5 频道序号 三阶互调关系式还可以用频道序号的差值表示， 任意两个频道的差值：di ,x=Cx-Ci 利用频道序号的差值表示三阶互调关系式可以很方便地判别一组频道中是否存 在互调干扰。用频道序号的差值可以表示为： di ,x=d k,j 因此，判别某个频道组内有无三阶互调干扰， 只要判别各频道序号的差值有无相同的

21、即可。是无三阶互调频道组的例子。 上面仅考虑了无三阶互调的要求， 实际上在一组频道中，如果两个相邻频道同时 被占用，就会出现邻频道十扰。若需要一组频道既无三阶互调乂无邻频道十扰，那么 频段利用率将更低。以使用 4 个频道为例，将占用 10 个频道，如频道序号为 l、3、6、 10,序号8 差值为 2、3、4,频道利用率为 40% （二）多址技术 保证移动通信网系统内电磁兼容的基本思想就是合理地分割频谱资源。 1. 空分多址（SDMA 方法 从空间域分割频率资源，包括： 系统或设备所允许工作的空间位置及范围的分配， 发射天线辐射方向的分配， 对接收信号在某些方向上进行限制， 天线高级的调整， 利用信号极化方式的差别。 2. 频分多址（FDMA 方法 频分多址方法是把总频段划分成若十个等间隔的频道（或称为信道） ，分配给不 同的用户。这些频道互不交叠，从而使相互问的十扰达到最小或可接受的程度。采用 频分多址方法的优点是技术比较成熟、 易与现有的模拟系统兼容。缺点是系统中同时 存在多个频率的信号，容易形成互调十扰，特别是基站因为要集中发送多个频率的信 号，更容易发生互调十扰。 3. 时分多址（TDMA 方法 时分多址方法是从时