電磁兼容課程報告教材

1、轟京師覽火學電磁兼容工程應用課程報告電磁兼容現(xiàn)場測試中的干擾源辨識技術研究引言在科學發(fā)達的今天，廣播、電視、通信、導航、雷達、遙測測控及計算機等 迅速發(fā)展，尤其是信息、網(wǎng)絡技術以爆炸性方式增長，電磁波利用的快速擴張， 產(chǎn)生了不斷增長的電磁污染， 帶來了嚴重的電磁干擾。 各種電磁能量通過輻射和 傳導的途徑，以電波、電場和電流的形式，影響著敏感電子設備，嚴重時甚至使 電子設備無法正常工作。 上述情況對電子設備及系統(tǒng)的正常工作構成了很大的威 脅，因此加強電子產(chǎn)品的電磁兼容性設計， 使之能在復雜的電磁環(huán)境中正常工作 已成為當務之急。電磁兼容性 (Electromagnetic Compatibilit

2、y ， EMC) 是設備或系 統(tǒng)在其電磁環(huán)境中， 能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷 擾的能力。它包括電磁干擾 (Electromagnetic Interference， EMI) 和電磁敏感度 (Electromagnetic Susceptibility, EMS)兩個方面。電磁兼容測試是驗證電子設備電 磁兼容設計的合理性以及最終評價、 解決電子設備電磁兼容問題的主要手段。 通 過定量的測量，可以鑒別產(chǎn)品是否符合 EMC 相關標準或者規(guī)范，找出產(chǎn)品在 EMC 方面的薄弱環(huán)節(jié)。目前很多國家和組織都制定了相關的電磁兼容標準， 只有符合相關指標要求 的電子和電氣產(chǎn)品才能進入市

3、場。要判斷某電子產(chǎn)品是否存在電磁兼容性問題， 就需要依據(jù)相關標準對該產(chǎn)品進行具體的電磁兼容測試。在目前電磁兼容測試中， 針對設備或分系統(tǒng)級的電磁兼容測試與評價有著較 為完備的電磁兼容標準或規(guī)范體系， 不僅規(guī)定了測試所使用的儀器設備的具體指 標要求，同時還規(guī)范了測量方案的組成和環(huán)境要求， 這是其他標準或規(guī)范中所少 見的。然而針對系統(tǒng)測試， 目前還沒有詳細具體的標準或規(guī)范。 已經(jīng)了解的標準 有美軍標MIL-E-6051D系統(tǒng)電磁兼容性要求(已等效成國軍標 GJB1389系 統(tǒng)電磁兼容性要求 )，又如美軍標 MIL-STD-1541A 對航天系統(tǒng)的電磁兼容性 要求等。在這些標準中給出了一些應該遵從的

4、原則， 但如何將這些原則用于工 程，還需要一個實踐的過程。雖然許多實驗證明了設備和分系統(tǒng)通過了規(guī)定標準的 EMC 測量，那么一 般情況下是能夠保證它們組成的系統(tǒng)可以實現(xiàn)自兼容。 但是目前系統(tǒng)集成度越來 越高，潛在的電磁干擾大大增加，另外復雜的電子系統(tǒng)往往具備多種工作模式， 在設備和分系統(tǒng)試驗時很難考慮周全；且研究了整個系統(tǒng)的 EMC 試驗數(shù)據(jù)， 可以成為系統(tǒng)對設備和分系統(tǒng) EMC 指標驗收的根據(jù)， 有利于防止設備在 EMC 設計中的過設計， 浪費不必要的資源。 所以能夠評估系統(tǒng)電磁兼容性能的最直接 和有效的方法是對系統(tǒng)在正常工作環(huán)境下進行測試即電磁兼容現(xiàn)場測試。 由于現(xiàn) 場測試面臨著電磁環(huán)境的

5、復雜性和系統(tǒng)組成的多樣性等束縛條件， 使得現(xiàn)場測試 存在環(huán)境干擾嚴重、 評估困難、結(jié)果不穩(wěn)定、 測試數(shù)據(jù)利用率低和干擾源難確定 等一系列問題。 又由于良好的干擾源定位能力能夠?qū)Σ町愋盘柕谋孀R和故障診斷提供依據(jù)，即提高干擾源的辨識能力對系統(tǒng)電磁兼容問題的評估以及電磁兼容故 障診斷具有重要的參考意義， 因此研究電磁兼容現(xiàn)場測試中的干擾源辨識技術具 有重要的意義和工程應用價值。國內(nèi)外發(fā)展狀況國外對系統(tǒng)測試的研究開始的較早， 在 20 世紀 60 年代美軍便將系統(tǒng)的電磁 兼容性設計和測試驗證作為大型系統(tǒng)研究的重點。 美國和西方發(fā)達國家的研究多 集中于軍用設備和系統(tǒng)， 美國針對系統(tǒng)電磁環(huán)境效應問題制訂了

6、 MIL-STD-46 等 標準來規(guī)范系統(tǒng)的電磁環(huán)境效應設計和測試。 隨著民用通信設備的大量使用和外 界電磁環(huán)境的日益復雜， 對民用設備和系統(tǒng)的電磁兼容研究隨之展開。 虛擬暗室 技術是目前國外應用于現(xiàn)場測試的一種領先的電磁兼容測試方法。 虛擬暗室測試 理論是由 Mari no Jr.和 Michael A于2000年提出的。CASSPER就是一種典型 的虛擬暗室系統(tǒng)。 CASSPER 最初是為美國空軍研究所定制的虛擬暗室 EMI 測 試系統(tǒng)，該系統(tǒng)即使在惡劣的電磁環(huán)境中， 也能進行精確的電磁兼容測試， 還能 精確定位電磁干擾源，是一個兼具遠場測試和近場定位的 EMI 測試設備。國內(nèi)對電磁兼容現(xiàn)

7、場測試的研究起步較晚， 只有很少大學和研究所進行這方 面的研究。國內(nèi)對電磁兼容的研究多集中于部件和設備的電磁兼容研究和防護研 究，電磁兼容測試主要針對于設備的故障診斷測試和認證測試， 對系統(tǒng)級的電磁 兼容測試研究較少。國內(nèi)目前在系統(tǒng)電磁兼容研究方面有 GJB1389A 作為系統(tǒng) 電磁兼容設計的主要依據(jù)， 但是標準中對測試方法的規(guī)定很少。 目前在現(xiàn)場測試 這個領域的研究成果很少，僅有一些使用 CASSPER 系統(tǒng)進行的試驗及算法分 析。陳京平、劉建平等人使用 CASSPER 虛擬暗室系統(tǒng)做了一些試驗，其中去 除噪聲的試驗效果并不能令人滿意。 程君佳、韓朝暉等人對虛擬暗室的相關算法 及原理進行了分

8、析。 國內(nèi)對于設備或系統(tǒng)的故障診斷多是人工干預， 還無法實現(xiàn) 干擾源辨識的自動化。模式識別是當前科學發(fā)展中的一門前沿學科， 也是一門典型的交叉科學。 電 磁兼容測試數(shù)據(jù)由于其單一性和隨機性等特點， 存在處理困難、 特征不明顯等問 題。將模式識別的方法應用于干擾源的辨識， 能夠很好的解決電磁兼容數(shù)據(jù)處理 中的問題。綜上所述，電磁兼容現(xiàn)場測試技術的研究在國內(nèi)外都屬于較為嶄新的研究課 題。目前國外的研究成果已經(jīng)投入實用， 但是還有很大的改進空間； 國內(nèi)目前還 處于起步階段，迫切的需要對現(xiàn)場測試技術進行研究和提高。電磁兼容現(xiàn)場測試分析及測試方法研究隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，各種電子設備間的電磁兼容問

9、題也日益突 出，為了掌握和提高這些電子設備的電磁兼容性， 最直接的方法就是對它們進行 電磁兼容測試?，F(xiàn)場系統(tǒng)電磁兼容測試作為最能反映系統(tǒng)真實任務執(zhí)行能力的電磁兼容測試起著非常重要的作用在電磁兼容測試中， 場地對測試結(jié)果的影響非常明顯。 主要原因是場地的差 異，即空間直射波與地面反射波的反射影響和接收點不同， 造成相互疊加的場強 不一致。早期的CISPR標準要求電磁兼容測試應該在開闊測試場地 (OATS)中進 行。開闊試驗場的基本結(jié)構應是周圍空曠， 無反射物體， 地面為平坦而導電率均 勻的金屬接地表面。場地按橢圓形設計，場地長度不小于橢圓焦點之間距離的 2 倍，寬度不小于橢圓焦點之間距離的 1.

10、73 倍，具體尺寸的大小一般視測試頻率 下限的波長而定。實際電磁輻射干擾測試時， EUT 和接收天線分別置于橢圓場 地的兩個焦點位置。 考慮到開闊試驗場及屏蔽暗室的建造成本和環(huán)境的限值， 國 內(nèi)外電磁兼容標準將 EUT到接收天線的距離定為 3m和10m,俗稱3m法和 10m 法。如要滿足 3m 法測量，場地長度不小于 6m 距離，寬度不小于 5.2m 距 離；如要滿足 10m 法測量, 場地長度不小于 20m 距離,寬度不小于 17.3m 距 離。開闊試驗場的要求也給其使用帶來了很大的局限性, 主要表現(xiàn)在開闊測試場 地是一種成本很高的測試場地, 很難尋覓, 一般在遠離城市的農(nóng)村或山區(qū)才能找 到

11、合適的場地, 因此交通大都不便, 測試設備和樣機在運輸途中易遭破壞。 其次, 當用開闊測試場地進行輻射敏感度試驗時, 由于需要建立人為的電磁場, 可能會 干擾周圍其他設備的正常工作, 妨礙通信或廣播電臺, 影響頻譜劃分, 而且采用 開闊測試場地進行試驗往往受到氣候等天氣條件的限制。 電波暗室的出現(xiàn), 為電 磁兼容試驗提供了一個無外界干擾、 無向外泄漏、 無反射回波的電磁波自由傳播 空間,不僅能替代開闊場的大量試驗內(nèi)容, 而且更大程度地完善和彌補了開闊場 試驗的不足,因此得到了廣泛的應用。標準測試在針對部件級或者設備級的電磁兼容測試方面具有無可比擬的優(yōu) 勢,但是在反映任務系統(tǒng)的系統(tǒng)性能方面卻有一

12、定的局限性。主要體現(xiàn)在：1) 標準實驗室的測試是針對單個設備的測試, 無法體現(xiàn)上裝環(huán)境下成組設 備工作時的成組特性。2) 標準實驗室內(nèi)的測試由于空間及連接限制, 無法體現(xiàn)設備的實際工作模 式。3) 標準實驗室中電源采用 LISN 供電, LISN 的阻抗為 50 歐姆標準阻 抗,能夠與設備實現(xiàn)較好的阻抗匹配, 無法體現(xiàn)上裝環(huán)境下設備實際的阻抗特性。綜上所述,標準實驗室測試特點表明標準實驗室環(huán)境下的測試是一種理想條 件下的測試, 能夠反映單個設備的電磁兼容性能, 但是無法反映上裝系統(tǒng)的實際 電磁兼容性能。目前實驗室標準測試還無法滿足系統(tǒng)上裝條件下的電磁兼容測試 要求。所以需要開展基于任務剖面的電

13、磁兼容系統(tǒng)現(xiàn)場測試研究, 為大型復雜系 統(tǒng)的電磁兼容分析、設計和整改提供支持。現(xiàn)場測試由測試方法、 測試數(shù)據(jù)處理技術和后期整改組成。 測試方法包括微 弱信號的測試方法和近場抗飽和測試方法。 測試數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理技術和 干擾源辨識技術?，F(xiàn)場測試的方案如下圖。圖1現(xiàn)場測試整體方案在現(xiàn)場測試時，經(jīng)常會遇到大信號的測量。這時需要兼顧大小信號的測量又 需要防止儀器的飽和，建議選用盡可能小的內(nèi)置衰減器的衰減量而使用外置帶通 /帶阻濾波器，濾波器的損耗可在自動測試軟件中補償。以下方法能提高頻譜儀測量微小信號的能力：1）減小頻譜儀分辨率帶寬；2）減小射頻衰減器的衰減3）減小頻譜儀視頻帶寬4）使用前置放大

14、器在測試過程中可以使用衰減器防止接收到大功率的信號使得頻譜儀混頻器 飽和，給測試帶來誤差。但是使用了寬帶的衰減器引起的問題是： 衰減器不僅將 大信號進行了衰減，小信號也被衰減以至于小信號可能被噪聲淹沒。為了解決該 問題，在測試過程中使用中心頻率可調(diào)的帶通或帶阻濾波器，該濾波器的功能就是實現(xiàn)EMC接收機的前端預選器的功能，使用該濾波器可以防止大功率信號 進入頻譜儀，只要在測試過程中將帶阻濾波器的中心頻率調(diào)節(jié)到電臺的發(fā)射頻率 即可。近場抗飽和測試的測試示意圖如圖 2所示。測試中的接收端使用了帶通/帶阻濾波器和寬帶衰減器。在進行寬帶測試時使用寬帶衰減器；在進行電臺基波特 性測試時使用帶阻濾波器；在進

15、行電臺諧波測試時使用帶通濾波器。受試電臺圖2抗飽和輻射發(fā)射特性測試示意圖干擾源辨識方案設計隨著現(xiàn)代通信電子科學技術的高速發(fā)展和廣泛應用，電子通信系統(tǒng)正在向集 成化、多任務化、微型化發(fā)展。各種各樣的電子設備或系統(tǒng)以及其他的電子、電 氣設備越來越密集導致的系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境及其復雜，高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個空間，使電子通信系統(tǒng)受到了嚴重的考驗，電磁兼容性問題日益突出。 以車載通信系統(tǒng)舉例來說，由于車輛的車內(nèi)、車頂空間都非常狹小，在這樣狹小 的空間內(nèi)安裝了多部不同頻帶及功能的電臺、計算機、數(shù)字化車通等各種數(shù)字化設備，存在著多種導致系統(tǒng)電磁兼容（EMC ）性能惡化的因素。如何解決在復 雜的大型電子

16、通信系統(tǒng)中電磁兼容問題是目前業(yè)界的研究重點和難點。模式識別（pattern recognition）是當前科學發(fā)展中的一門前沿科學，也是一門 典型的交叉科學，它的發(fā)展與人工智能、計算機科學、傳感技術、信息論、語言 學等科學的研究水平息息相關，相輔相成。所謂模式識別是根據(jù)研究對象的特征 或?qū)傩裕糜嬎銠C為中心的機器系統(tǒng)運用一定的分析算法認定它的類別，系統(tǒng)應使分類識別的結(jié)果盡可能地符合真實。模式識別的過程是由數(shù)據(jù)空間經(jīng)特征空間到類別空間的映射， 主要過程可以 分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、特征提取與特征選擇及模式分類等四個部分。 模式 識別的整個過程如圖3所示。數(shù)據(jù)特社握収題吉圖3模式識別過程模式識

17、別目前主流的技術是：統(tǒng)計模式識別、句法模式識別、模糊數(shù)學方法、 神經(jīng)網(wǎng)絡方法、人工智能方法，本文選擇使用統(tǒng)計模式識別的方法?；舅枷胧?先建立關鍵設備的模板數(shù)據(jù)庫，然后將受擾設備端的測試結(jié)果作為待辨識數(shù)據(jù)， 將其通過干擾源辨識算法和模板庫中的數(shù)據(jù)進行比較，最后辨識出干擾源。干擾源辨識算法如下圖所示?！?. ，-a測試敵據(jù)敵據(jù)預處理敵據(jù)預處理特征分光j_rP-r特健縄取包貉、諧波）包絡、諧波）二二=二二“mm ii-特if脖辨說第!n圖4干擾源辨識算法模式識別的基本過程是數(shù)據(jù)預處理、特征提取、特征選擇、學習和訓練、分 類識別。結(jié)合模式識別的方法，對電磁兼容現(xiàn)場測試結(jié)果做相應的數(shù)據(jù)分析。1）數(shù)據(jù)預

18、處理在進行辨識之前先要對目標的有關信息進行預處理。 本文處理的數(shù)據(jù)全部來自于現(xiàn)場電磁兼容測試。 現(xiàn)場電磁兼容的測試結(jié)果包 含有多種噪聲信號， 需要進行消噪處理。 所以在本過程中對原始測試數(shù)據(jù)進行小 波消噪，對發(fā)射特性曲線進行包絡和延拓處理。2）特征提取無論是辨識還是學習過程， 都要對研究對象固有的、 本質(zhì)的及重要的特征或 屬性進行量測并將結(jié)果數(shù)值（字）化，或?qū)ο蠓纸獠⒎柣?，形成特征矢量?符號串、關系圖，從而產(chǎn)生代表對象的模式?，F(xiàn)場電磁兼容測試結(jié)果具有數(shù)據(jù)記錄， 它已經(jīng)是數(shù)值化的對象， 本身就是一 種特征。測試曲線的其它特征又可以分為峰值特征、包絡特征、諧波特征等。3）特征選擇 通常能描述

19、對象的元素很多，為了節(jié)約資源，節(jié)省計算機存儲空間、機時、 特征提取的費用， 有時更為了可行性， 在滿足分類識別正確率要求的條件下， 按 某種準則盡量選用對正確分類識別作用較大的特征， 使得用較少的特征就能完成 分類識別任務。針對不同的電磁兼容測試對象， 可以選擇不同的特征作為辨識對象。 如電臺 類的對象特征選擇峰值特征和諧波特征較為合適， 電源類的對象特征更合適選擇 包絡特征。4）學習和訓練為了讓機器具有分類識別功能， 如同人類自身一樣， 人們應首先對它進行訓 練，將人類的識別知識和方法以及關于分類識別對象的知識輸入機器中， 產(chǎn)生分 類識別的規(guī)則和分析程序。 這個過程一般要反復進行多次， 不斷

20、地修正錯誤、 改 進不足，這包括修正特征提取方法、特征選擇方案、判決規(guī)則方法及參數(shù)，最后 使系統(tǒng)正確識別率達到設計要求。 目前，機器的學習需要人工干預， 這個過程通 常是人機交互。在干擾源辨識過程中的模板選擇是一個學習的過程， 辨識結(jié)果則需要通過訓 練不斷地優(yōu)化改進。5）分類識別在學習、訓練之后，所產(chǎn)生的分類規(guī)則及程序用于未知類別的對象識別。 對 測試結(jié)果提取特征，采用聚類分析中的相似性判斷，得出辨識結(jié)果。綜上所述，干擾源的辨別方案流程是數(shù)據(jù)預處理、特征提取、特征選擇、學 習和訓練、分類識別，具體如下圖所示。圖5干擾源辨識方案干擾源辨識關鍵技術分析1、數(shù)據(jù)預處理技術在使用頻譜儀進行現(xiàn)場測試的過

21、程中，儀器會采集到三種信號的數(shù)據(jù)：有用 信號、儀器內(nèi)部噪聲和外界環(huán)境噪聲。數(shù)據(jù)預處理技術的作用正是用于消除噪聲 的影響。1）小波消噪小波消噪的原理是基于信號與噪聲的小波系數(shù)在尺度上的不同性質(zhì)， 采用相 應規(guī)則，對含噪信號的小波系數(shù)進行取舍、 提取或切削等非線性處理，以達到去 除噪聲的目的。從信號處理的角度看，小波消噪是一個信號濾波的問題，盡管在很大程度上 小波消噪可視為低通濾波，但是由于消噪后，還能成功的保留信號的特征，所以 在這一點上，小波消噪方法又優(yōu)于傳統(tǒng)的低通濾波器。 由此可見，小波消噪實際 上是特征提取和低通濾波的綜合，其流程如圖 6所示：噸構信號特征信息圖6小波消噪原理框圖2）包絡和

22、延拓數(shù)據(jù)預處理技術針對不同的無線設備，由于測試環(huán)境往往不同，導致得到的發(fā)射特性曲線也 不同。所以經(jīng)過消噪處理后的測試曲線雖然變得較為光滑， 但是在峰值的兩側(cè)區(qū) 間信號分布依然很復雜，依然很難從測試結(jié)果中提取關鍵特征， 需要進行包絡計算，使測試曲線更加平滑，這種方法稱為包絡處理。原始的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過各種處理之后，可能導致底部噪聲比原始的噪聲要高，而需要的測試數(shù)據(jù)的底部噪聲要比實際獲得的測試數(shù)據(jù)的底部噪聲要低的多，為了解決上述由于先前的數(shù)據(jù)處理帶來的問題， 需要將包絡后的測試數(shù)據(jù)進行再處 理，把噪聲處理成需要的大小，這種方法稱為延拓處理。2、特征提取1）峰值特征提取在電磁兼容測試中，峰值信號是最為關

23、心的信號。峰值信號所在頻率和相應 幅值是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的關鍵信息。峰值的判別可以根據(jù)測試數(shù)據(jù)的單調(diào)性 確定。對測試點左右兩側(cè)進行單調(diào)性判斷，如果該測試點的左側(cè)為單調(diào)遞增并且 右側(cè)為單調(diào)遞減，則認定其為峰值點，否則不是峰值點。但是由實際的測試曲線 可知，環(huán)境信號的測試結(jié)果中大部分都不是有用信號，而是頻譜儀的底部噪聲。 頻譜儀底噪是在一定范圍內(nèi)波動的隨機數(shù)， 若按單調(diào)性的方法進行峰值提取，必 然會提取出很多的底噪數(shù)據(jù)，達不到提取干擾信號峰值的效果。所以在進行峰值 提取前需要進行噪聲閾值判斷，對于大于該閾值的信號才進行峰值提取。 峰值提 取如下圖所示。圖7峰值提取流程圖2）包絡特征提取包絡特征在現(xiàn)場電磁兼