CC BY
229Электромагнитная совместимость
УДК 621.396(075)
Б. М. Антипин, Е. М. Виноградов
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М. А. Бонч-Бруевича
Алгоритм оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
Предложен алгоритм оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, основанный на использовании результатов радиоконтроля в местах размещения приемных антенн радиоэлектронных средств. Рассмотрена структурная схема алгоритма; приведены необходимые исходные данные, основные расчетные соотношения и ожидаемые результаты оценки.
Электромагнитная совместимость, радиоконтроль, защитное отношение, нелинейные эффекты, критерии ЭМС
Средства радиоконтроля позволяют получить информацию об электромагнитной обстановке (ЭМО) в местах, в которых размещены или предполагается разместить антенны радиоприемных устройств, в полосах частот (или на отдельных частотах), где помехи могут повлиять на качество приема полезного сигнала. Совместно с информацией о параметрах радиоприемных устройств и приемных антенн эти сведения могут быть использованы для оценки электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств с их окружением [1].
Для оценки ЭМС по результатам радиоконтроля необходимо иметь информацию о параметрах сигналов, которые поступают в приемник в полосе пропускания его преселек-тора и на частотах побочных каналов приема (ПКП). Число рассматриваемых ПКП может быть произвольным. Для определенности ограничимся пятью ПКП, в число которых войдут зеркальный канал и по два линейных ПКП, образованных биениями со второй и с третьей гармониками гетеродина. Тогда для оценки ЭМС от средств радиоконтроля необходимо получить следующую информацию.
1. Параметры сигналов, обнаруженных в полосе преселектора исследуемого приемника:
• общее число обнаруженных сигналов
• упорядоченный список частот < /2 < ■ ■ ./дь на которых обнаружены сигналы;
• напряженности поля Е^, Е2, ..., ЕN или мощности сигналов р Р^, ..., Р^ на этих частотах, измеренные оборудованием радиоконтроля;
• ширина спектра Вз1, Вз2, ••, BзN каждого обнаруженного сигнала на уровне - 3 дБ относительно максимума спектра.
2. Параметры сигналов на частотах ПКП, измеренные оборудованием радиоконтроля:
• частоты ПКП, на которых выполнялись измерения: частота зеркального канала приема (ЗКП) ¡1 и частоты ПКП /2, /3, / и /5;
102 © Антипин Б. М., Виноградов Е. М., 2013
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 1
• мощности сигналов на указанных частотах, измеренные оборудованием радиоконтроля: Ръ Ръ Ръ, Р4 и Р5;
• ширина спектра В3i, В32, Взз, Вз4 и Вз5 каждого обнаруженного мешающего сигнала на уровне -3 дБ относительно максимума спектра.
Кроме перечисленных параметров об уровнях мешающих сигналов нужна также информация об уровне полезного сигнала S. Если эта информация отсутствует (например, на стадии частотно-территориального планирования), то его значение принимается на 3 дБ выше чувствительности приемника.
Параметры радиоприемного устройства (РПУ) представлены в табл. 1.
Мощности сигналов и чувствительность приемника обычно указываются в децибелах относительно милливатта [дБм]. Если в спецификациях на приемник чувствительность U указана в микровольтах, то с учетом, что входное сопротивление РПУ, работающих в полосах частот выше 30 МГц, обычно составляет 50 Ом, пересчет можно произвести по формуле /р[дБм] = -107 +(/[дБ- мкВ] ((Iизмеряется в децибелах относительно микровольта).
В ряде случаев защитное отношение известно только для отстройки частоты мешающего сигнала от частоты настройки приемника А/ = 0. В этом случае, чтобы учесть влияние отстройки на защитное отношение, необходимо знать коэффициент прямоуголь-ности амплитудно-частотной характеристики основного канала приема (ОКП) П6о = В^/Вг, где В^о - полоса пропускания приемника на уровне - 60 дБ.
В дополнение к перечисленным параметрам используется информация о коэффициентах усиления антенн измерительной аппаратуры радиоконтроля и рассматриваемого приемника.
При наличии перечисленной информации обобщенную структурную схему оценки ЭМС по результатам радиоконтроля можно представить в виде, приведенном на рис. 1. Предлагаемая схема анализа состоит из четырех основных блоков, обозначенных I, II, III и IV, которые оценивают влияние на качество приема полезного сигнала помех, поступающих по ОКП, по соседним каналам приема СКП, по побочным каналам приема ПКП, а также возможные нелинейные эффекты в приемнике (блокирование и интермодуляцию 3-го порядка). Основные блоки состоят из более мелких блоков, пронумерованных далее
Таблица 1
Параметр РПУ Тип приемника аналоговый цифровой
Частота настройки /ог
Чувствительность P
Ширина полосы пропускания на уровне - 3 дБ Вг
Избирательность по зеркальному и по побочным каналам приема ^ЗКП, ¿ПКП
Защитное отношение А
Динамический диапазон по блокированию Бб -
Характеристика блокирования - 1б
Динамический диапазон по интермодуляции 3 -го порядка Бим3 -
Подавление интермодуляции 3-го порядка - IMR
Точка пересечения 3-го порядка IIP3
Рис. 1
арабскими цифрами. Кроме того, имеется ряд блоков, связывающих основные блоки между собой и с исходными данными для расчетов.
Оценка ЭМС согласно представленной схеме происходит следующим образом.
После ввода исходных данных (блок 1), полученных от средств радиоконтроля, и параметров исследуемого РПУ, представленных в таблице, расчитываются мощности обнаруженных помех на входе приемника (блок 2). Если по результатам радиоконтроля получены значения напряженности поля в месте установки приемной антенны, то мощность сигнала, поступающего в антенно-фидерный тракт (АФТ) приемника Р, дБм, определяется выражением [2]:
Р = Е-20\% / + С-77.2, (1) где Е - напряженность поля в месте установки приемной антенны, дБ(мкВ/м); / -частота сигнала, МГц; G - коэффициент усиления приемной антенны относительно изотропной антенны, дБи.
Если мощность сигнала на входе измерительного приемника известна, то мощ-
ность сигнала на входе исследуемого приемника составит
^ПР = ^ИЗМ ~~ ^ 'пр + '
(2)
где Рпр, Ризм - мощности сигналов на входе АФТ исследуемого и измерительного приемников соответственно, дБм; Опр, Оюм - коэффициенты усиления приемной и измерительной антенн соответственно, дБи.
Пренебрегая омическими потерями в АФТ и полагая согласование АФТ идеальным (для выражения (1)) или одинаковым в АФТ измерительного и исследуемого приемников (для выражения (2)), можно считать, что приведенные выражения дают значение мощности сигналов на входе исследуемого приемника. В противном случае мощности, полученные из (1) и (2), необходимо изменить на значение, учитывающее разность омических потерь в АФТ измерительного и анализируемого приемников и потерь рассогласования этих трактов с их антеннами.
Если уровень полезного сигнала неизвестен, то, как указывалось ранее, его значение принимается превышающим на 3дБ чувствительность приемника (блоки 3 и 4).
Анализ ЭМС начинается с оценки влияния помех по ПКП (блок I на рис. 2). Если среди сигналов присутствуют помехи по ПКП (блок 5), то оценка их влияния на прием полезного сигнала включает:
• расчет коэффициента частотной коррекции каждой помехи СЕ^, дБ (рис. 2, блок 6):
( 7, р101ё вх/вЪ1 ,в31>вх, 1 \^вЪ1<вх,
• расчет отношения "сигнал/помеха", приведенного к входу ПКП Щ, дБ:
Ж^Я-Р^СЬ)
и защитного отношения для ПКП ^опкп, дБ (рис. 2, блок 7):
^пкп ¿ПКП > (3)
где Ао = А О - защитное отношение по ОКП, дБ.
• сравнение отношения "сигнал/помеха", приведенного к входу ПКП, с защитным отношением по соответствующему кана-
_Да Рис. 2
лу. Если БЩ > А{)
'пкп'
то мешающий
сигнал неопасен. В противном случае на частоте ПКП возможна помеха (блоки 8, 9);
• фиксацию частоты, на которой возможна помеха (блок 10) и переход к рассмотрению следующего ПКП, в котором присутствует мешающий сигнал (блоки 11, 12).
При наличии в спецификации РПУ отдельной информации об избирательности приемника по ЗКП защитное отношение ^ожп определяется аналогично (3) с заменой ¿дкп
на ^зкп , а возможное влияние анализируется аналогично алгоритму для ПКП.
Если мешающие сигналы по ПКП отсутствуют (блок 5) или анализ ПКП, в которых присутствуют помехи, завершен (блок 11), осуществляется анализ сигналов, попадающих в полосу преселектора приемника. В зависимости от значения отстройки частот мешающих сигналов от рабочей частоты приемника (см. рис. 1, блок 13) выполняются анализ их воздействия на прием полезного сигнала по ОКП и СКП либо анализ эффекта блокирования.
Оценка помех по ОКП и СКП при условии, что отстройка помехи не превышает трех полос пропускания приемника (см. рис. 1, блок 14), выполняется в блоке II (см. рис. 3). Последовательность операций в указанном блоке имеет следующий вид:
• вычисление отношения "сигнал/помеха" 81К^ = 8 — Pj, дБ (блок 15);
D Д/ =
(4)
• определение защитного отношения. Если частотная зависимость защитного отношения А Äf известна, защитное отношение определяется значением Aj = А Afj (см. рис. 3,
блок 16). Если же указанная зависимость неизвестна, но известны защитное отношение по ОКП Aß и коэффициент прямоугольности ОКП ügg, то, используя модель избирательности РПУ в виде
О, |Д/|<£г/2;
60[lg 2|Д/|/£г /lg П60 ], |Д/|>£г/2, получим оценку защитного отношения в виде Aj —Aq-D Afj . При этом, если из (4) следует D Afj >100 дБ, принимается I) Afj =100 дБ. Если же известно только Ад, принимается Aj =А$;
• помеха по ОКП или СКП на частоте /у имеет место, если SIRj = Aj . При выполнении
указанного условия (см. рис. 3, блок 17) значение этой частоты фиксируется для представления окончательных результатов анализа (блоки 18, 19), после чего происходит переход к анализу следующей частоты (см. рис. 1, блоки 26, 27).
При отстройке j-го мешающего сигнала Afj > 3Вх он исследуется на возможный эффект блокирования (рис. 4, блок III). В зависимости от типа приемника (аналоговый или цифровой) (блок 20) анализ выполняется следующим образом.
Для аналогового приемника определяется восприимчивость к блокированию /д =
Рис. 3
Рис. 4
вается с 1б (для аналогового приемника - блок 22) либо с 1б (для цифрового приемника, блок 24). Помеха блокирования на частоте /у возможна, если Р^ > /д Pj > . Такая частота фиксируется.
На заключительном этапе анализируются двухсигнальные интермодуляционные помехи 3-го порядка в приемнике (блок IV на рис. 5). Анализ выполняется для частот, нахо-
Исключ ение израссмотрения вссх зафиксщхжипн>к частот. Количество оставшисячастто Ы\
Блок IV !
Нет
ОпхедeлeшIeпос частот, обрсвукшвдк иш'ехмодуляциошнуо шмееу 3-го порядка в полосе гфиемшиса
ермодуляциошнле (32 помехи о тсутствуют
Расчет о тношения 'сягисш']янгepмo^дл яционнм помеха
Оценка вocIоееяn/oшясcra РРП I к янтeхмодулящш 3-го порядка
Расчет п^еoв]н^Iшнeнмoддуяциoш^oй помехи относите лью зуховн
Рис. 5
дящихся в полосе преселектора, на которых на предыдущих этапах исследования не зафиксированы помехи, опасные для приема полезного сигнала (рис. 5, блок 28). Если останется меньше двух частот (блок 29), то интермодуляционные помехи отсутствуют и алгоритм завершает работу (блок 32). В качестве результата анализа останутся результаты, полученные на предыдущих этапах исследования (см. рис. 1, блок 45). Если число оставшихся сигналов не менее двух, то в список частот включается рабочая частота приемника и среди мешающих сигналов определяются пары, которые образуют интермодуляционные частоты 3-го порядка, попадающие в полосу пропускания приемника (см. рис. 5, блок 31). При отсутствии таких пар интермодуляция в приемнике не имеет места и анализ ЭМС заканчивается. При наличии указанных пар (блок 31) оценка интермодуляции в приемнике выполняется по-разному в зависимости от заданных параметров приемника и от его типа.
Если известна точка пересечения 3-го порядка IIP3, дБм, приведенная к входу приемника, то вне зависимости от типа последнего для частоты интермодуляции /им = |2 /у - /■ | оценивается мощность интермодуляционного продукта 3-го порядка, приведенная к входу приемника Р/МЗ, дБм: PIM3 = 2Pj + Pj-2IIP3, где Pj, Pj - мощности сигналов на частотах fj и /■
соответственно. Далее определяется отношение "сигнал/интермодуляционная помеха" SIR, дБ (рис. 5, блок 34): SIR = S - PIM3, которое сравнивается с защитным отношением А{)
(блок 35). При SIR<Aq на анализируемых частотах возможна интермодуляционная помеха (рис. 5, блок 41). Указанные частоты фиксируются (рис. 5, блок 42). При наличии других пар частот осуществляется анализ следующей пары (блоки 42, 43).
Если информация о точке пересечения отсутствует, то в зависимости от типа приемника - аналоговый или цифровой (блок 36) интермодуляционная помеха оценивается следующим образом.
Для аналогового приемника вычисляется восприимчивость приемника к интермодуляции 3-го порядка, дБм (рис. 5, блок 37): /имз = + ^АшЗ• Интермодуляционная помеха представляет опасность, если 2Pj +Pt > З/^з (блок 38). Для цифрового приемника мощность интермодуляционной помехи 3-го порядка PIM3, дБ, относительно собственного шума приемника определяется выражением (блок 39)1: = 2/у + /' -—3PR — 3IMR — 9, где параметр IMR определен для уровня сигнала, который на ЗдБ выше чувствительности приемника. Если PIM3 > 0, то интермодуляционная помеха для цифрового приемника представляет опасность (рис. 5, блок 40). После энергетической оценки всех пар, потенциально опасных по частотному признаку, алгоритм завершает работу.
Рассмотренный алгоритм реализован в виде программного продукта "ЭМС Монитор" [3]. Далее приведен пример оценки ЭМС с использованием этого продукта.
Анализ совместимости проведен для РПУ со следующими характеристиками:
1 Monte Carlo simulation methodology for the use in sharing and compatibility studies between different radio services or systems: Report ITU-R SM 2028-1 // http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-SM.2028-1-2002-PDF-E.pdf 108
тип приемника...................................................................................................................цифровой
частота настройки /0г, МГц...........................................................................................940
частота гетеродина /гет, МГц........................................................................................961.4
чувствительность Рг, дБм...............................................................................................- 104
полоса пропускания Вг, кГц...........................................................................................200
защитное отношение по ОКП А), дБ.............................................................................9
коэффициент прямоугольности фильтра промежуточной частоты.............................2.5
избирательность по ЗКП, дБ............................................................................................50
избирательность по ПКП, дБ...........................................................................................60
подавление интермодуляции 1ЫК, дБ.............................................................................58
Уровень полезного сигнала в точке приема составил - 101 дБм, коэффициенты усиления равнялись: для измерительной антенны 6 дБи, для приемной антенны 10 дБи.
Таблица 2
Расстройка А/, кГц 1б, дБм
600 - 26
800 - 16
3000 - 13
Характеристика блокирования РПУ представлена табл. 2.
В табл. 3 и 4 приведены результаты измерений, полученные средствами радиоконтроля в месте расположения антенны приемника.
В результате оценки ЭМС установлено: что на частоте 982.8 МГц возможны помехи по ПКП; помехи по ОКП или СКП отсутствуют;
помехи по блокированию возможны на частотах 938.0, 942.8 МГц.
Результаты анализа интермодуляции в РПУ сведены в табл. 5. Указанные в левом столбце табл. 5 пары частот образуют опасные интермодуляционные помехи 3-го порядка. Значения частот и уровни сигналов на этих частотах перенесены в табл. 5 из табл. 4. В рассмотренном примере допустимое значение мощности интермодуляционной помехи равно мощности шума в полосе пропускания приемника.
В результате анализа, проведенного на основе измерений параметров электромагнитной обстановки средствами радиоконтроля, выявлены частоты, на которых возможно
Таблица 3
Помехи по побочным каналам приема
Номер канала Частота, МГц Уровень, дБм Ширина спектра, кГц Отношение "сигнал/помеха", дБ Превышение защитного отношения, дБ
1 982.8 - 60 300 - 43.24 -2.24
3 1901.4 - 70 Не указана - 35.0 16.0
Таблица 4
Помехи в преселекторе
Частота, МГц Уровень, дБм Ширина спектра Отношение "сигнал/помеха", дБ Превышение защитного отношения, дБ Превышение восприимчивости по блокированию, дБ
938.0 -15 Не указана - - 5
938.4 -55 То же - - - 35
938.8 -60 к - - - 40
939.2 -30 п - - 0
940.4 -40 п - 65 16.7765 -
941.0 -55 п - - - 35
941.6 -25 п - - - 5
942.0 -30 п - - - 10
942.8 -15 п - - 2
Принимается, что ширина спектра помехи не превышает ширины полосы пропускания приемника.
Таблица 5
Эффекты интермодуляции
Частоты помех, Уровень помехи, Ширина спектра помехи, Превышение допустимого значения
МГц дБм кГц мощности помехи, дБ
939.2 - 30 Не указана 26
938.4 - 55 То же
941.0 - 55 1
942.0 - 30
появление помех, опасных для работы исследуемого РПУ; каналы, по которым помехи могут влиять на качество приема полезного сигнала; нелинейные эффекты, снижающие качество работы РПУ ниже допустимого уровня.
Предложенный алгоритм позволяет установить излучения, которые создают недопустимые помехи, и пути воздействия последних на качество приема полезного сигнала, т. е. получить информацию, достаточную для принятия мер по устранению любого несоответствия работы радиоэлектронных средств требованиям ЭМС. Рассмотрены параметры радиосигналов и РПУ, а также основные соотношения, которые могут быть использованы для выполнения анализа ЭМС.
Используя базы данных частотных присвоений и радиоэлектронных средств совместно с оборудованием для определения местоположения источников излучений, можно установить, от каких источников излучения могут создаваться (или создаются) помехи исследуемым радиосредствам, что позволит принять необходимые меры для обеспечения их ЭМС с другими функционирующими средствами.
Программное обеспечение, разработанное на базе предложенного алгоритма, может быть полезно органам радиочастотной службы, занимающимся частотно-территориальным планированием и вводом в эксплуатацию новых РЭС и систем.
Список литературы
1. Антипин Б. М., Виноградов Е. М. Оценка электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств по результатам радиоконтроля // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 6. С. 97-104.
2. Милютин Е. Р., Василенко Г. О., Сиверс М. А. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона / СПб.: Триада, 2003. 160 с.
3. Свид. о государственной регистрации программы для ЭВМ № 201361032. "ЭМС-Монитор" / Б. М. Антипин, Е. М. Виноградов, А. Д. Спирин. Зарег. в реестре программ для ЭВМ 09.01.2013.
B. M. Antipin, E. M. Vinogradov
Saint-Petersburg state university of telecommunications n. a. prof. M. A. Bonch-Bruevich Algorithm for radio electronics electromagnetic compatibility estimation
An algorithm for radio electronics electromagnetic compatibility estimation based on spectrum monitoring results at receiving antenna locations is proposed. Block diagram of the algorithm, the input data required, basic equations and expected results are considered.
Electromagnetic compatibility, radio monitoring, protection ratio, nonlinear effects, EMC criteria
Статья поступила в редакцию 14 января 2013 г.
