Elektromagnetisk störning
Elektromagnetisk störning ( EMI ), även kallad radiofrekvensstörning ( RFI ) i radiofrekvensspektrumet , är en störning som genereras av en extern källa som påverkar en elektrisk krets genom elektromagnetisk induktion , elektrostatisk koppling eller ledning. Störningen kan försämra kretsens prestanda eller till och med stoppa den från att fungera. När det gäller en dataväg kan dessa effekter sträcka sig från en ökning av felfrekvensen till en total förlust av data. Både konstgjorda och naturliga källor genererar föränderliga elektriska strömmar och spänningar som kan orsaka EMI: tändsystem , mobilnätverk av mobiltelefoner, blixtar , solflammor och norrsken (norr-/söderljus). EMI påverkar ofta AM-radioapparater . Det kan också påverka mobiltelefoner , FM-radio och TV-apparater , såväl som observationer för radioastronomi och atmosfärsvetenskap .
EMI kan användas avsiktligt för radiostörning , som i elektronisk krigföring .
Historia
Sedan radiokommunikationens tidigaste dagar har de negativa effekterna av störningar från både avsiktliga och oavsiktliga sändningar känts och behovet av att hantera radiofrekvensspektrumet blev uppenbart.
År 1933 rekommenderade ett möte med Internationella elektrotekniska kommissionen (IEC) i Paris att den internationella specialkommittén för radiostörningar ( CISPR ) skulle inrättas för att hantera det framväxande problemet med EMI. CISPR producerade därefter tekniska publikationer som täcker mät- och testtekniker och rekommenderade emissions- och immunitetsgränser. Dessa har utvecklats under decennierna och utgör grunden för mycket av världens EMC -regler idag.
1979 infördes lagliga begränsningar för elektromagnetisk emission från all digital utrustning av FCC i USA som svar på det ökade antalet digitala system som stör trådbunden och radiokommunikation. Testmetoder och gränsvärden baserades på CISPR-publikationer, även om liknande gränser redan tillämpades i delar av Europa.
I mitten av 1980-talet antog EU:s medlemsländer ett antal "new approach"-direktiv med avsikten att standardisera tekniska krav för produkter så att de inte blir ett hinder för handeln inom EG. Ett av dessa var EMC-direktivet (89/336/EC) och det gäller all utrustning som släpps ut på marknaden eller tas i bruk. Dess omfattning omfattar alla apparater "som kan orsaka elektromagnetiska störningar eller vars prestanda kan påverkas av sådan störning".
Detta var första gången det fanns ett lagkrav på immunitet, samt utsläpp på apparater avsedda för allmänheten. Även om det kan tillkomma ytterligare kostnader för vissa produkter för att ge dem en känd nivå av immunitet, ökar det deras upplevda kvalitet eftersom de kan samexistera med apparater i den aktiva EM-miljön i modern tid och med färre problem.
Många länder har nu liknande krav på produkter för att uppfylla en viss nivå av reglering av elektromagnetisk kompatibilitet ( EMC). [ citat behövs ]
Typer
Elektromagnetisk störning kan kategoriseras enligt följande:
- smalbands EMI eller RFI, som vanligtvis härrör från avsedda sändningar som radio- och TV-stationer eller mobiltelefoner
- bredbands- EMI eller RFI, vilket är oavsiktlig strålning från källor som överföringsledningar för elkraft .
Ledad elektromagnetisk störning orsakas av den fysiska kontakten mellan ledarna i motsats till utstrålad EMI, som orsakas av induktion (utan fysisk kontakt mellan ledarna). Elektromagnetiska störningar i en ledares EM-fält kommer inte längre att vara begränsade till ledarens yta och kommer att stråla bort från den. Detta kvarstår i alla ledare och ömsesidig induktans mellan två utstrålade elektromagnetiska fält kommer att resultera i EMI. [ citat behövs ]
ITU definition
Störning med innebörden av elektromagnetisk störning , även radiofrekvensstörning ( EMI eller RFI ) definieras – enligt artikel 1.166 i International Telecommunication Unions ( ITU) Radio Regulations (RR) – som "Effekten av oönskad energi pga. en eller en kombination av emissioner , strålningar eller induktioner vid mottagning i ett radiokommunikationssystem , manifesterad av någon prestandaförsämring, feltolkning eller förlust av information som skulle kunna extraheras i frånvaro av sådan oönskad energi."
Detta är också en definition som används av frekvensförvaltningen för att tillhandahålla frekvenstilldelningar och tilldelning av frekvenskanaler till radiostationer eller system, samt för att analysera elektromagnetisk kompatibilitet mellan radiokommunikationstjänster .
I enlighet med ITU RR (artikel 1) klassificeras störningsvariationer enligt följande:
- tillåten störning (RR 1.167)
- accepterad störning (RR 1.168)
- skadlig interferens (RR 1.169) [ citat behövs ]
Ledde störningar
Ledad EMI orsakas av den fysiska kontakten mellan ledarna i motsats till utstrålad EMI som orsakas av induktion (utan fysisk kontakt mellan ledarna).
För lägre frekvenser orsakas EMI av ledning och, för högre frekvenser, av strålning.
EMI genom jordledningen är också mycket vanligt i en elektrisk anläggning.
Mottaglighet för olika radioteknologier
Störningar tenderar att vara mer besvärliga med äldre radiotekniker som analog amplitudmodulering , som inte har något sätt att skilja oönskade signaler inom bandet från den avsedda signalen, och de rundstrålande antennerna som används med sändningssystem. Nyare radiosystem innehåller flera förbättringar som förbättrar selektiviteten . I digitala radiosystem, såsom Wi-Fi , kan felkorrigeringstekniker användas. Spridnings- och frekvenshoppningstekniker kan användas med både analog och digital signalering för att förbättra motståndet mot störningar. En starkt riktad mottagare, såsom en parabolantenn eller en diversitetsmottagare , kan användas för att välja en signal i rymden för att utesluta andra.
Det mest extrema exemplet på digital bandspridningssignalering hittills är ultrabredband ( UWB ), som föreslår användning av stora delar av radiospektrumet vid låga amplituder för att överföra digitala data med hög bandbredd. UWB, om det används exklusivt, skulle möjliggöra en mycket effektiv användning av spektrumet, men användare av icke-UWB-teknik är ännu inte beredda att dela spektrumet med det nya systemet på grund av de störningar det skulle orsaka för sina mottagare (de reglerande konsekvenserna av UWB) diskuteras i ultrabredbandsartikeln ).
Störningar på konsumentenheter
I USA tillät 1982 års offentliga lag 97-259 Federal Communications Commission (FCC) att reglera känsligheten hos elektronisk konsumentutrustning.
Potentiella källor till RFI och EMI inkluderar: olika typer av sändare , dörrklocktransformatorer, brödrostsugnar , elektriska filtar , ultraljudsutrustning för skadedjursbekämpning, elektriska buggar , värmekuddar och beröringskontrollerade lampor . Flera CRT- datorskärmar eller TV-apparater som sitter för nära varandra kan ibland orsaka en "shimmy"-effekt i varandra, på grund av den elektromagnetiska naturen hos deras bildrör, speciellt när en av deras avgaussningsspolar är aktiverad .
Elektromagnetisk störning vid 2,4 GHz kan orsakas av trådlösa enheter 802.11b , 802.11g och 802.11n , Bluetooth -enheter, babymonitorer och trådlösa telefoner , videosändare och mikrovågsugnar .
Omkopplingsbelastningar ( induktiva , kapacitiva och resistiva ), såsom elmotorer, transformatorer, värmare, lampor, ballast, strömförsörjning, etc., orsakar alla elektromagnetiska störningar, särskilt vid strömmar över 2 A. Den vanliga metoden som används för att undertrycka EMI är att ansluta ett snubbernätverk , ett motstånd i serie med en kondensator , över ett par kontakter. Även om detta kan erbjuda blygsam EMI-reduktion vid mycket låga strömmar, fungerar inte snubbers vid strömmar över 2 A med elektromekaniska kontakter.
En annan metod för att undertrycka EMI är användningen av ferritkärnbrusdämpare (eller ferritpärlor ), som är billiga och som klämmer fast på strömkabeln till den felande enheten eller den komprometterade enheten.
Strömförsörjning med switchat läge kan vara en källa till EMI, men har blivit ett mindre problem eftersom designteknikerna har förbättrats, såsom integrerad effektfaktorkorrigering .
De flesta länder har lagkrav som kräver elektromagnetisk kompatibilitet : elektronisk och elektrisk hårdvara måste fortfarande fungera korrekt när den utsätts för vissa mängder EMI och bör inte avge EMI, som kan störa annan utrustning (som radioapparater).
Radiofrekvenssignalkvaliteten har minskat under 2000-talet med ungefär en decibel per år eftersom spektrumet blir alltmer trångt. [ ytterligare citat behövs ] Detta har orsakat en Red Queen's race på mobiltelefonindustrin eftersom företag har tvingats sätta upp fler cellulära torn (vid nya frekvenser) som sedan orsakar mer störningar och därmed kräver mer investeringar av leverantörerna och ofta uppgraderingar av mobiltelefoner för att matcha.
Standarder
International Special Committee for Radio Interference eller CISPR (fransk akronym för "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"), som är en kommitté inom International Electrotechnical Commission (IEC) sätter internationella standarder för utstrålad och ledd elektromagnetisk störning. Dessa är civila standarder för inhemska, kommersiella, industri- och fordonssektorer. Dessa standarder utgör grunden för andra nationella eller regionala standarder, framför allt de europeiska normerna (EN) skrivna av CENELEC (European Committee for electrotechnical standardization). Amerikanska organisationer inkluderar Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), American National Standards Institute (ANSI) och US Military (MILSTD).
EMI i integrerade kretsar
Integrerade kretsar är ofta en källa till EMI, men de måste vanligtvis koppla sin energi till större föremål som kylflänsar, kretskortsplan och kablar för att stråla ut avsevärt.
På integrerade kretsar är viktiga medel för att minska EMI: användningen av bypass- eller frånkopplingskondensatorer på varje aktiv enhet (ansluten över strömförsörjningen, så nära enheten som möjligt), stigtidskontroll av höghastighetssignaler med seriemotstånd, och IC-strömförsörjningsstiftfiltrering . Skärmning är vanligtvis en sista utväg efter att andra tekniker har misslyckats, på grund av den extra kostnaden för skärmningskomponenter som ledande packningar.
Strålningens effektivitet beror på höjden över jordplanet eller effektplanet (vid RF är den ena lika bra som den andra) och ledarens längd i förhållande till signalkomponentens våglängd ( grundfrekvens , harmonisk eller transient ). t.ex. överskjutning, underskott eller ringsignal). Vid lägre frekvenser, såsom 133 MHz , sker strålningen nästan uteslutande via I/O-kablar; RF-brus kommer in på kraftplanen och kopplas till linjedrivenheterna via VCC- och GND-stiften. RF:n kopplas sedan till kabeln genom linjedrivenheten som common-mode-brus . Eftersom bruset är common-mode har avskärmning väldigt liten effekt, även med differentialpar . RF-energin är kapacitivt kopplad från signalparet till skärmen och själva skärmen utstrålar. Ett botemedel mot detta är att använda en flätbrytare eller choke för att minska common-mode-signalen.
Vid högre frekvenser, vanligtvis över 500 MHz, blir spåren elektriskt längre och högre över planet. Två tekniker används vid dessa frekvenser: vågformning med seriemotstånd och inbäddning av spåren mellan de två planen. Om alla dessa åtgärder fortfarande lämnar för mycket EMI, kan skärmning som RF-packningar och koppar eller ledande tejp användas. Den mesta digitala utrustningen är designad med metall eller ledande belagda plastfodral. [ citat behövs ]
RF-immunitet och testning
Alla oskärmade halvledare (t.ex. en integrerad krets) tenderar att fungera som en detektor för de radiosignaler som vanligtvis finns i hemmiljön (t.ex. mobiltelefoner). En sådan detektor kan demodulera den högfrekventa mobiltelefonbäraren (t.ex. GSM850 och GSM1900, GSM900 och GSM1800) och producera lågfrekventa (t.ex. 217 Hz) demodulerade signaler. Denna demodulering visar sig som oönskat ljud i ljudapparater som mikrofonförstärkare , högtalarförstärkare , bilradio, telefoner etc. Att lägga till EMI-filter ombord eller speciella layouttekniker kan hjälpa till att kringgå EMI eller förbättra RF-immuniteten. Vissa IC:er är designade (t.ex. LMV831-LMV834, MAX9724) för att ha integrerade RF-filter eller en speciell design som hjälper till att minska eventuell demodulering av högfrekventa bärvågar.
Designers behöver ofta utföra speciella tester för RF-immunitet hos delar som ska användas i ett system. Dessa tester görs ofta i en ekofri kammare med en kontrollerad RF-miljö där testvektorerna producerar ett RF-fält som liknar det som produceras i en verklig miljö.
RFI i radioastronomi
Interferens i radioastronomi , där det vanligtvis kallas radiofrekvensstörning (RFI), är vilken källa som helst för överföring som är inom det observerade frekvensbandet förutom själva de himmelska källorna. Eftersom sändare på och runt jorden kan vara många gånger starkare än den astronomiska signalen av intresse, är RFI ett stort problem för att utföra radioastronomi. Naturliga störningskällor, som blixtar och solen, kallas också ofta för RFI. [ citat behövs ]
Vissa av de frekvensband som är mycket viktiga för radioastronomi, som 21-cm HI-linjen vid 1420 MHz, är skyddade av reglering. Men moderna , observera radioastronomiska observatorier som VLA LOFAR och ALMA har en mycket stor bandbredd över vilken de kan . [ citat behövs ] På grund av det begränsade spektrala utrymmet vid radiofrekvenser kan dessa frekvensband inte helt allokeras till radioastronomi; till exempel rödförskjutna bilder av 21-cm-linjen från återjoniseringsepoken överlappa FM-sändningsbandet (88–108 MHz), och därför måste radioteleskop hantera RFI i denna bandbredd.
Tekniker för att hantera RFI sträcker sig från filter i hårdvara till avancerade algoritmer i mjukvara. Ett sätt att hantera starka sändare är att filtrera bort källans frekvens helt. Detta är till exempel fallet för LOFAR-observatoriet, som filtrerar bort FM-radiostationerna mellan 90 och 110 MHz. Det är viktigt att ta bort sådana starka störkällor så snart som möjligt, eftersom de kan "mätta" de mycket känsliga mottagarna ( förstärkare och analog-digitalomvandlare ), vilket gör att den mottagna signalen är starkare än vad mottagaren klarar av. Att filtrera bort ett frekvensband innebär dock att dessa frekvenser aldrig kan observeras med instrumentet. [ citat behövs ]
En vanlig teknik för att hantera RFI inom den observerade frekvensbandbredden är att använda RFI-detektering i programvara. Sådan programvara kan hitta prover i tid, frekvens eller tidsfrekvensutrymme som är förorenade av en störande källa. Dessa prover ignoreras därefter i ytterligare analys av de observerade data. Denna process kallas ofta för dataflaggning . Eftersom de flesta sändare har en liten bandbredd och inte är kontinuerligt närvarande såsom blixtnedslag eller radioapparater för medborgarband (CB), förblir de flesta data tillgängliga för den astronomiska analysen. Dataflaggning kan dock inte lösa problem med kontinuerliga bredbandssändare, såsom väderkvarnar, digital video eller digitala ljudsändare. [ citat behövs ]
Ett annat sätt att hantera RFI är att upprätta en radiotyst zon (RQZ). RQZ är ett välavgränsat område kring mottagare som har särskilda regler för att minska RFI till förmån för radioastronomiobservationer inom zonen. Föreskrifterna kan innefatta särskild hantering av spektrum och effektflöde eller effektflödestäthetsbegränsningar. Kontrollerna inom zonen kan täcka andra element än radiosändare eller radioenheter. Dessa inkluderar flygplanskontroller och kontroll av oavsiktliga radiatorer såsom industriell, vetenskaplig och medicinsk utrustning, fordon och kraftledningar. Den första RQZ för radioastronomi är United States National Radio Quiet Zone (NRQZ), etablerad 1958.
RFI om miljöövervakning
Före introduktionen av Wi-Fi var en av de största applikationerna för 5 GHz-bandet Terminal Doppler Weather Radar . Beslutet att använda 5 GHz-spektrum för Wi-Fi slutfördes vid World Radiocommunication Conference 2003; men det meteorologiska samhället var inte inblandat i processen. Den efterföljande slappa implementeringen och felkonfigurationen av DFS hade orsakat betydande störningar i väderradarverksamheten i ett antal länder runt om i världen. I Ungern förklarades väderradarsystemet icke-operativt i mer än en månad. På grund av störningarnas svårighetsgrad slutade sydafrikanska vädertjänster med att överge C-bandsdriften och bytte sitt radarnätverk till S-band .
Sändningar på närliggande band till de som används av passiv fjärranalys, såsom vädersatelliter , har orsakat störningar, ibland betydande. Det finns en oro för att antagandet av otillräckligt reglerad 5G kan orsaka stora störningsproblem. Betydande störningar kan avsevärt försämra den numeriska väderprognosens prestanda och medföra avsevärt negativa effekter på ekonomin och den allmänna säkerheten. Dessa farhågor ledde till att USA:s handelsminister Wilbur Ross och NASA-administratören Jim Bridenstine i februari 2019 uppmanade FCC att avbryta föreslagen spektrumauktionering , som avvisades.
Se även
- Elektromagnetisk strålning
- Elektromagnetisk skärmning
- Faraday bur
- Interferens (kommunikation)
- Maktintegritet
- Radiomottagare
- Signalintegritet
- Signalbrus
- Tvinnat par
externa länkar
- ARRL, RFI
- Interferenshandbok
- EMC Design Fundamentals
- Clemsons EMC-sida (EMI-verktyg och information)
- EMC handledning
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
