Elektromagnetické rušení - Electromagnetic interference

Záznam debaty Sněmovny reprezentantů USA 8. října 2002, přerušený a zkreslený elektromagnetickým rušením ze sluneční erupce přibližně v 16:30.
Elektromagnetické rušení v analogovém televizním signálu

Elektromagnetické rušení ( EMI ), také nazývané vysokofrekvenční rušení ( RFI ), když je v rádiovém frekvenčním spektru, je rušení generované externím zdrojem, které ovlivňuje elektrický obvod elektromagnetickou indukcí , elektrostatickou vazbou nebo vedením. Porucha může zhoršit výkon obvodu nebo dokonce zastavit jeho fungování. V případě datové cesty se tyto efekty mohou pohybovat od zvýšení chybovosti až po celkovou ztrátu dat. Umělé i přírodní zdroje vytvářejí měnící se elektrické proudy a napětí, která mohou způsobovat EMI: zapalovací systémy , mobilní síť mobilních telefonů, blesky , sluneční erupce a polární záře (severní/jižní světla). EMI často ovlivňuje rádio AM . Může také ovlivnit mobilní telefony , FM rádia a televize , stejně jako pozorování pro radioastronomii a atmosférické vědy .

EMI lze použít záměrně pro rušení rádia , jako v elektronickém boji .

Rušení 5 GHz Wi-Fi pozorované na meteorologickém radaru Doppler

Dějiny

Od nejranějších dob rádiové komunikace byly pociťovány negativní efekty interference jak z úmyslných, tak z neúmyslných přenosů a byla zjevná potřeba spravovat rádiové frekvenční spektrum.

V roce 1933 zasedání Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) v Paříži doporučilo, aby byl zřízen Mezinárodní zvláštní výbor pro rádiové rušení ( CISPR ), který se bude zabývat vznikajícím problémem EMI. CISPR následně vytvořil technické publikace pokrývající měřicí a testovací techniky a doporučené limity emisí a odolnosti. Ty se v průběhu desetiletí vyvíjely a tvoří základ většiny dnešních světových předpisů o EMC .

V roce 1979 byly FCC v USA uvaleny zákonné limity na elektromagnetické emise ze všech digitálních zařízení v reakci na zvýšený počet digitálních systémů, které zasahovaly do kabelové a rádiové komunikace. Testovací metody a limity byly založeny na publikacích CISPR, ačkoli podobné limity již byly v některých částech Evropy prosazovány.

V polovině 80. let členské státy Evropské unie přijaly řadu směrnic „nového přístupu“ se záměrem standardizovat technické požadavky na výrobky tak, aby se nestaly překážkou obchodu v rámci ES. Jedním z nich byla směrnice EMC (89/336/ES) a vztahuje se na všechna zařízení uvedená na trh nebo do provozu. Jeho oblast působnosti zahrnuje veškerá zařízení „která mohou způsobovat elektromagnetické rušení nebo jejichž výkon může být ovlivněn takovým rušením“.

Bylo to poprvé, kdy byl stanoven zákonný požadavek na imunitu a emise z přístrojů určených pro běžnou populaci. Ačkoli u některých produktů mohou existovat dodatečné náklady, které jim poskytnou známou úroveň imunity, zvyšuje jejich vnímanou kvalitu, protože jsou schopny koexistovat s přístroji v aktivním prostředí EM moderní doby as menším počtem problémů.

Mnoho zemí má nyní podobné požadavky na výrobky, aby splňovaly určitou úroveň regulace elektromagnetické kompatibility (EMC).

Typy

Elektromagnetické rušení lze kategorizovat následovně:

Vedené elektromagnetické rušení je způsobeno fyzickým kontaktem vodičů na rozdíl od vyzařovaného EMI, které je způsobeno indukcí (bez fyzického kontaktu vodičů). Elektromagnetické poruchy v elektromagnetickém poli vodiče již nebudou omezeny na povrch vodiče a budou z něj vyzařovat. To přetrvává ve všech vodičích a vzájemná indukčnost mezi dvěma vyzařovanými elektromagnetickými poli bude mít za následek EMI.

Definice ITU

Interference s významem elektromagnetického rušení , i rušení radiových kmitočtů ( EMI nebo RFI ) je - v souladu s článkem 1.166 z International Telecommunication Union ' s (ITU) Radiokomunikační řád (RR) - definované jako „Vliv nežádoucího tepla vlivem jeden nebo kombinace emisí , záření nebo indukcí při příjmu v radiokomunikačním systému, projevující se jakýmkoli zhoršením výkonu, nesprávnou interpretací nebo ztrátou informací, které by bylo možné extrahovat v nepřítomnosti takové nežádoucí energie “.

Toto je také definice používaná správou kmitočtů k poskytování přiřazování kmitočtů a přiřazování kmitočtových kanálů rozhlasovým stanicím nebo systémům a také k analýze elektromagnetické kompatibility mezi radiokomunikačními službami .

V souladu s ITU RR (článek 1) jsou varianty rušení klasifikovány následovně:

  • přípustné rušení
  • přijatelné rušení
  • škodlivé rušení

Vedené rušení

Vedené EMI je způsobeno fyzickým kontaktem vodičů na rozdíl od vyzařovaného EMI, které je způsobeno indukcí (bez fyzického kontaktu vodičů).

U nižších frekvencí je EMI způsobeno vedením a u vyšších frekvencí zářením.

EMI přes zemnící vodič je také velmi běžné v elektrickém zařízení.

Citlivost různých rádiových technologií

Rušení bývá problematičtější u starších rádiových technologií, jako je analogová amplitudová modulace , které nemají způsob, jak odlišit nežádoucí signály v pásmu od zamýšleného signálu, a všesměrové antény používané u vysílacích systémů. Novější rádiové systémy obsahují několik vylepšení, která zvyšují selektivitu . V digitálních rádiových systémech, jako je Wi-Fi , lze použít techniky opravy chyb . Pro zlepšení odolnosti proti rušení lze použít techniky analogového i digitálního přeskakování s rozšířeným spektrem a frekvencí . Vysoce směrový přijímač, jako je parabolická anténa nebo přijímač rozmanitosti , lze použít k výběru jednoho signálu v prostoru s vyloučením ostatních.

Nejextrémnějším příkladem digitální signalizace rozprostřeného spektra k dnešnímu dni je ultra-wideband ( UWB ), který navrhuje použití velkých částí rádiového spektra při nízkých amplitudách k přenosu digitálních dat s vysokou šířkou pásma. Pokud by se UWB používalo výhradně, umožnilo by velmi efektivní využití spektra, ale uživatelé technologií, které nejsou UWB, ještě nejsou připraveni sdílet spektrum s novým systémem kvůli rušení, které by to způsobilo jejich přijímačům (regulační důsledky UWB jsou popsány v článku o ultra širokopásmovém připojení ).

Rušení spotřebitelských zařízení

Ve Spojených státech umožnil veřejný zákon z roku 1982 97–259 Federální komunikační komisi (FCC) regulovat citlivost spotřebního elektronického zařízení.

Mezi potenciální zdroje RFI a EMI patří: různé typy vysílačů , domovní zvonkové transformátory, toustovací pece , elektrické přikrývky , ultrazvuková zařízení proti škůdcům, elektrické lapače hmyzu , vyhřívací podložky a dotykově ovládané žárovky . Několik počítačových monitorů nebo televizorů CRT, které sedí příliš blízko sebe, může někdy způsobovat „třpytivý“ efekt jeden druhého, vzhledem k elektromagnetické povaze jejich obrazovek, zvláště když je aktivována jedna z jejich de Gaussingových cívek.

Elektromagnetické rušení na frekvenci 2,4 GHz, může být způsobeno 802.11b a 802.11g bezdrátových zařízení, Bluetooth zařízení, dětské chůvičky a bezdrátových telefonů , videa odesílatelů a mikrovlnné trouby .

Spínací zatížení ( indukční , kapacitní a odporové ), jako jsou elektrické motory, transformátory, ohřívače, lampy, štěrku, napájecích zdrojů, atd, všech příčin elektromagnetickému rušení, zejména při proudech nad 2  A . Obvyklou metodou používanou pro potlačení EMI je připojení snubberové sítě, odporu v sérii s kondenzátorem , přes dvojici kontaktů. I když to může nabídnout mírné snížení EMI při velmi nízkých proudech, tlumiče nefungují při proudech nad 2 A s elektromechanickými kontakty.

Další metodou potlačení EMI je použití tlumičů šumu s feritovým jádrem (nebo feritových kuliček ), které jsou levné a které se připínají k napájecímu kabelu urážlivého zařízení nebo narušeného zařízení.

Spínané napájecí zdroje mohou být zdrojem EMI, ale staly se menším problémem, protože se zlepšily konstrukční techniky, jako je integrovaná korekce účiníku .

Většina zemí má zákonné požadavky, které nařizují elektromagnetickou kompatibilitu : elektronický a elektrický hardware musí při správném vystavení určitému množství EMI stále správně fungovat a neměl by vyzařovat EMI, které by mohlo rušit jiná zařízení (například rádia).

Kvalita radiofrekvenčního signálu se v průběhu 21. století snížila zhruba o jeden decibel ročně, protože spektrum je stále více přeplněné. To způsobilo závod Rudé královny v odvětví mobilních telefonů, protože společnosti byly nuceny postavit více mobilních věží (na nových frekvencích), které pak způsobují větší rušení, což vyžaduje větší investice poskytovatelů a časté upgrady mobilních telefonů.

Standardy

Mezinárodní zvláštní výbor pro rádiové rušení nebo CISPR (francouzská zkratka pro „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques“), což je výbor Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC), stanoví mezinárodní standardy pro vyzařované a vedené elektromagnetické rušení. Jedná se o civilní normy pro domácí, komerční, průmyslová a automobilová odvětví. Tyto normy tvoří základ dalších národních nebo regionálních norem, zejména evropských norem (EN) vypracovaných CENELEC (Evropský výbor pro normalizaci v elektrotechnice). Mezi americké organizace patří Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), American National Standards Institute (ANSI) a US Military (MILSTD).

EMI v integrovaných obvodech

Integrované obvody jsou často zdrojem EMI, ale musí svou energii obvykle spojit s většími objekty, jako jsou chladiče, letadla s obvody a kabely, aby výrazně vyzařovaly.

U integrovaných obvodů jsou důležitými způsoby snížení EMI: použití bypassových nebo odpojovacích kondenzátorů na každém aktivním zařízení (připojeném přes napájecí zdroj, co nejblíže k zařízení), řízení doby náběhu vysokorychlostních signálů pomocí sériových odporů, a filtrování pinů napájecího zdroje IC . Stínění je obvykle poslední možností poté, co jiné techniky selhaly, kvůli vyšším nákladům na stínící součásti, jako jsou vodivá těsnění.

Účinnost záření závisí na výšce nad zemskou rovinou nebo výkonovou rovinou (u RF je jedno stejně dobré jako druhé) a délce vodiče ve vztahu k vlnové délce složky signálu ( základní frekvence , harmonická nebo přechodová) překmit, podstřel nebo vyzvánění). Na nižších frekvencích, jako je 133  MHz , je záření téměř výhradně přes I/O kabely; RF šum se dostává do silových rovin a je spojen s linkovými budiči pomocí pinů VCC a GND. RF je pak spojen s kabelem přes linkový budič jako šum běžného režimu . Jelikož je šum v běžném režimu, stínění má velmi malý účinek, dokonce iu diferenciálních párů . Energie RF je kapacitně spojena ze signálního páru se štítem a samotný štít vyzařuje. Jedním lékem na to je použít přerušovač copu nebo tlumivku ke snížení signálu běžného režimu.

Na vyšších frekvencích, obvykle nad 500 MHz, se stopy elektricky prodlužují a stoupají nad rovinu. Na těchto frekvencích se používají dvě techniky: tvarování vln se sériovými odpory a vkládání stop mezi dvě roviny. Pokud všechna tato opatření stále zanechávají příliš mnoho EMI, lze použít stínění, jako jsou RF těsnění a měděná páska. Většina digitálních zařízení je vybavena kovovými nebo vodivými plastovými pouzdry.

RF imunita a testování

Jakýkoli nestíněný polovodič (např. Integrovaný obvod) bude mít tendenci fungovat jako detektor pro rádiové signály běžně se vyskytující v domácím prostředí (např. Mobilní telefony). Takový detektor může demodulovat vysokofrekvenční mobilní telefon (např. GSM850 a GSM1900, GSM900 a GSM1800) a produkovat nízkofrekvenční (např. 217 Hz) demodulované signály. Tato demodulace se projevuje nežádoucím slyšitelným bzučením v audio zařízeních, jako je zesilovač mikrofonu, zesilovač reproduktorů , autorádio, telefony atd. Přidání vestavěných filtrů EMI nebo speciálních technik rozložení může pomoci při obcházení EMI nebo zlepšení odolnosti proti RF. Některé integrované obvody jsou navrženy (např. LMV831-LMV834, MAX9724) tak, aby měly integrované RF filtry nebo speciální konstrukci, která pomáhá omezit jakoukoli demodulaci vysokofrekvenčního nosiče.

Konstruktéři často potřebují provést speciální testy na odolnost částí RF k použití v systému. Tyto testy se často provádějí v bezodrazové komoře s řízeným RF prostředím, kde testovací vektory produkují RF pole podobné tomu, které se vytváří ve skutečném prostředí.

RFI v radioastronomii

Interference v radioastronomii , kde se běžně označuje jako vysokofrekvenční interference (RFI), je jakýkoli zdroj přenosu, který je v pozorovaném frekvenčním pásmu jiný než samotné nebeské zdroje. Protože vysílače na Zemi a kolem ní mohou být mnohonásobně silnější než požadovaný astronomický signál, je RFI hlavním problémem při provádění radioastronomie. Přírodní zdroje rušení, jako jsou blesky a Slunce, jsou také často označovány jako RFI.

Některá kmitočtová pásma, která jsou pro radioastronomii velmi důležitá, jako je 21 cm HI linka na 1420 MHz, jsou chráněna regulací. Říká se tomu správa spektra . Moderní radioastronomické observatoře, jako jsou VLA , LOFAR a ALMA, však mají velmi velkou šířku pásma, přes kterou mohou pozorovat. Vzhledem k omezenému spektrálnímu prostoru na rádiových frekvencích nelze tato frekvenční pásma zcela přidělit radioastronomii. Hvězdárny se proto ve svých pozorováních musí vypořádat s RFI.

Techniky pro řešení RFI sahají od hardwarových filtrů po pokročilé algoritmy v softwaru. Jedním ze způsobů, jak se vypořádat se silnými vysílači, je úplné odfiltrování frekvence zdroje. To je například případ observatoře LOFAR, která filtruje rozhlasové stanice FM mezi 90 a 110 MHz. Je důležité co nejdříve odstranit tak silné zdroje rušení, protože by mohly „nasytit“ vysoce citlivé přijímače ( zesilovače a převodníky analogových signálů na digitální ), což znamená, že přijímaný signál je silnější, než přijímač zvládne. Filtrování frekvenčního pásma však znamená, že tyto frekvence nelze pomocí přístroje nikdy pozorovat.

Běžnou technikou, jak se vypořádat s RFI v rámci pozorované šířky frekvenčního pásma, je použití detekce RFI v softwaru. Takový software dokáže najít vzorky v časovém, frekvenčním nebo časovo-frekvenčním prostoru, které jsou kontaminovány rušivým zdrojem. Tyto vzorky jsou následně ignorovány v další analýze pozorovaných dat. Tento proces je často označován jako označování dat . Protože většina vysílačů má malou šířku pásma a nejsou nepřetržitě přítomna, jako jsou blesky nebo rádiová zařízení občanského pásma (CB), většina dat zůstává k dispozici pro astronomickou analýzu. Označování dat však nemůže vyřešit problémy s kontinuálními širokopásmovými vysílači, jako jsou větrné mlýny, digitální video nebo digitální zvukové vysílače.

Dalším způsobem, jak spravovat RFI, je zřízení rádiové tiché zóny (RQZ). RQZ je dobře definovaná oblast obklopující přijímače, která má speciální předpisy pro snížení RFI ve prospěch radioastronomických pozorování v zóně. Předpisy mohou zahrnovat speciální správu omezení spektra a energetického toku nebo hustoty energetického toku. Ovládací prvky v zóně mohou pokrývat jiné prvky než rádiové vysílače nebo rádiová zařízení. Patří sem ovládání letadel a ovládání neúmyslných radiátorů, jako jsou průmyslová, vědecká a lékařská zařízení, vozidla a elektrické vedení. První RQZ pro radioastronomii je United States National Radio Quiet Zone (NRQZ), založená v roce 1958.

RFI o monitorování životního prostředí

Před zavedením Wi-Fi je jednou z největších aplikací pásma 5 GHz terminální dopplerovský meteorologický radar . Rozhodnutí využívat spektrum 5 GHz pro Wi-Fi bylo dokončeno na Světové radiokomunikační konferenci v roce 2003; meteorologická komunita se však do procesu nezapojila. Následná laxní implementace a chybná konfigurace DFS způsobily v řadě zemí po celém světě značné narušení provozu meteorologických radarů. V Maďarsku byl meteorologický radarový systém prohlášen za nefunkční déle než měsíc. Vzhledem k závažnosti zásahu, počasí South African služby skončil opuštění operace C pásma, přepínání své radarové sítě pro S pásmu .

Přenosy v sousedních pásmech k pásmům používaným pasivním dálkovým průzkumem , jako jsou meteorologické satelity , způsobily rušení, někdy významné. Existuje obava, že přijetí nedostatečně regulovaného 5G by mohlo způsobit velké problémy s rušením. Významné rušení může významně zhoršit výkonnost numerické předpovědi počasí a způsobit podstatně negativní dopady na ekonomickou a veřejnou bezpečnost. Tyto obavy vedly v únoru 2019 amerického ministra obchodu Wilbura Rosse a správce NASA Jima Bridenstina k naléhání na FCC, aby zrušilo navrhované aukce spektra , což bylo odmítnuto.

Viz také

Reference

externí odkazy