通信设备和系统电磁兼容技术与标准

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通信设备和系统电磁兼容技术与标准  
1、概述

　　随着信息通信业的高速发展，促进了通信设备的大量开发和应用，其复杂程度也越来越高，系统间、设备间潜在的干扰源无处不在，信息通信设备之间的电磁干扰、电磁辐射对人体的健康危害也日益严重，也带来信息安全问题并引起了世界各国的高度关注。
目前，多数发达国家对电子产品、信息技术设备，包括通信设备，都以法律法规的形式规定了电磁兼容性能的强制要求。

　　通信电磁环境与安全防护的研究在当今信息化社会的发展中是至关重要的，需要整个信息产业界花大力气做好相关标准的研究工作，通过研究制订标准来规范和指导产业的持续发展。同时，电磁环境与安全防护方面的标准属于国家强制性标准范畴并且是国家重要的技术壁垒，对于支持和促进民族产业的发展具有非常重要的意义。

2、重点研究技术

　　2.1　高频辐射骚扰

　　在CISPR22：2005第五版第一修正案《1 GHz-6GHz辐射限值和测量方法》中给出了高频辐射骚扰测试的限值要求，并且规定辐射骚扰测试最高频率取决于EUT内部工作源的最高频率，即EUT内部产生和使用的最高频率，或EUT工作或调谐的最高频率。

　　此修正案详细规定了1GHz-6GHz辐射骚扰的测量仪器、场地和测试方法等。测量仪器应符合CISPR 16-1-1中8.2的规定，其中详细规定了测试接收设备在频率高于1GHz时的要求，如RBW、VBW、检波方式、输入端滤波器及扫描时间等。由于在高频测试中，普遍采用频谱分析仪进行测量，所以该修正案并没有采用在30MHz-1GHz辐射骚扰所采用的接收机作为测试设备，进而在限值方面也是采用了峰值限值和平均值限值。

　　测量天线和场地应分别符合CISPR 16-1-4中第4.6节和第8节的规定，进行1GHz以上测量的天线需是经过校准的线性极化天线，天线的波瓣宽度或主瓣应足够宽以覆盖EUT的最大范围，主瓣定义为该天线的3dB波瓣宽度，而测量场地应满足自由空间无反射条件，并且归一化场衰减与理论自由空间场衰减值相差小于4dB。而根据最新的CISPR/A/531CD的规定，要求与理论自由空间衰减值相差小于3.5dB。

　　测试方法应符合CISPR 16-2-3中7.3节的规定，其中包含测试物理量、测试距离、EUT布置、测试布置、测试步骤等的要求。

　　A类和B类信息技术设备在3m测量距离的高频辐射骚扰限值分别如表1和表2所示。
表1　A类信息技术设备在3m测量距离的辐射骚扰限值

频率范围（GHz）    平均值限值（dBuV/m）    峰值限值（dBuV/m）
    1-3                   56                               76
       3-6                  60                                80

表2　B类信息技术设备在3m测量距离的辐射骚扰限值

频率范围（GHz）    平均值限值（dBuV/m）    峰值限值（dBuV/m）
   1-3                     50                                70
     3-6                     54                                74


　　在2005年10月的CISPR南非会议上，通过了CISPR/I/106/CDV文件，该文件对于6GHz-18GHz的辐射骚扰限值进行了规定，如表3和表4所示。
表3　A类信息技术设备在3m测量距离的辐射骚扰限值

频率范围（GHz）    平均值限值（dBuV/m）    峰值限值（dBuV/m）
   6-18                  60                                80

表4　B类信息技术设备在3m测量距离的辐射骚扰限值

频率范围（GHz）    平均值限值（dBuV/m）    峰值限值（dBuV/m）
  6-18                    54                                      74


　　由于测试最高频率取决于EUT内部源工作的最高频率，所以需要针对不同设备规定其测量的上限频率，如表5所示。
表5　EUT内部工作源的频率与相应测试频率之间的关系

EUT内部源频率（MHz）    测试最高频率（GHz）
EUT＜108                         1
108＜EUT＜400                2
400＜EUT＜1000              5
1000＜EUT    最高频率的5倍或者18GHz中取较小者


　　2.2　全电波暗室自由空间传输损耗FSTL测试

　　依照最新CISPR 16-1-4中5.8的规定，需要对进行辐射骚扰测试的全电波暗室进行30MHz-1GHz范围内的自由空间传输损耗FSTL测试，本测试的目的是衡量在EUT的最大测试范围内的自由空间传输损耗值与理论自由空间传输损耗值的差异，如果此差异过大，则认为暗室不符合要求。被测试区域为一个圆柱形区域，该圆柱的底面直径和高度由该暗室测试的最大EUT尺寸来决定，而他们都取决于该暗室的测试距离，如表6所示：
表6　不同测试距离下最大测试区域

测试区域的最大底面直径和高度（m）    测试距离（m）
               1.5                           3.0
                        2.5                          5.0
                        5.0                         10.1


　　而针对日常较多应用的3m法全电波暗室，可以看出测试的圆柱体的底面直径和高度最大为1.5m，在此条件下，测试布置如图1所示。

                               
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图1　全电波暗室自由空间传输损耗测试示意图


　　为尽量模拟EUT的真实发射情况，发射天线会在高中低三个不同的水平面上进行发射，而接收天线只在中间高度进行接收。对于发射天线，在每个水平面上选择前后左右中五个位置进行测试，其中中间平面即是暗室静区中心所对应的水平面，高平面为中间平面的水平高度加上测试圆柱高度的一半然后减去发射天线长度的一半后即发射天线中心所对应的水平面，低平面与高平面相对于中间平面对称。对于发射天线的大小同样也有要求，相对于3米的测试距离要求它的长度不能超过40厘米，而当测试距离增加时，它可以按比例增大。在测试过程中，发射天线和接收天线的距离需固定不变，由于接收天线的水平高度只在暗室的中间高度处，所以发射天线在高低两个水平面上时，需要调节发射和接收天线的相对位置。如图2所示。

                               
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图2　发射接收天线位置调节示意图


　　测试过程中，测试步长可以随频率的改变而改变，但是最大测试步长如表7所示。
表7　全电波暗室自由空间传输损耗测试测试最大步长




频率范围（MHz）          最大测试步长（MHz）
30-100                                    1
100-500                                  5
500-1000                                10


　　2.3　全电波暗室场地电压驻波比SVSWR测试

　　与全电波暗室30MHz-1GHz自由空间传输损耗测试目的相同，全电波暗室场地电压驻波比SVSWR测试的目的是验证频率在1GHz-18GHz范围内的暗室性能。由于目前无线设备测试频率越来越高，要求在1GHz以上对全电波暗室的自由空间条件进行验证。场地电压驻波比测试的目的就是检查受试空间的周边由接收天线3dB波瓣宽度形成的切线W范围内所提供的自由空间条件，如图3所示。

                               
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图3　SVSWR测试示意图


　　SVSWR是由反射信号与直射信号在暗室内相互作用而导致的接收天线接收端的最大电压与最小电压之比，用分贝表示如下：

　　SVSWRdB=Vmax dB-Vmin dB

　　为了得到在SVSWR测试期间暗室所有的反射面的反射信号强度，用作发射源的天线应该具有全向发射特性或者象偶极子天线那样的辐射模式图，而接收天线要求必须线性极化。

　　SVSWR的测试布置图4所示，此试验同样在测试最大区域的高中低三个水平面上进行，但与自由空间传输损耗测试不同之处在于此时发射天线和接收天线总处于同一水平面上，即接收天线也随着发射天线高度的调节而进行相应调节，但接收天线在水平方向上的位置相对固定。以接收天线的前端作为参考点，发射天线在水平面上一共进行六个位置的测试，六个位置分别相距测试最大区域外边缘的距离为0、0.7、2.1、3.5、7.7和15.4厘米，所以共进行18个位置的测量。

                               
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图4　SVSWR测试布置图


　　测试最大区域的高中低三个水平面按照如下方法进行定义：低平面定义为高于地表面1米且至少高于吸波材料0.7米，高平面定义为测试最大区域的最高高度，中间平面为两个高低两个平面的中值平面。

　　由于接收天线在水平面上的位置固定，所以测试距离会随着发射天线的位置改变而改变，所以要求在进行场地评估时，需要将测量得到的结果都归算到同样的测试距离下，即归算到测试距离D（D为测试最大区域边沿与接收天线参考点之间的最小距离）的情况下，然后再用接收到的最大信号强度减去最小信号强度，得到场地电压驻波比。当采用以上方法进行测试时，场地电压驻波比要求小于3.5dB。

　　2.4　归一化场地衰减NSA测试

　　在CISPR22中针对半电波暗室规定了30MHz-1GHz的归一化场地衰减测试方法，而针对1GHz-18GHz的高频全电波暗室归一化场地衰减在最新的CISPR/A/342CD中进行了说明，要求测试场地满足自由空间无反射条件，例如全电波暗室或地面使用吸波材料的半电波暗室，对于3米的测试距离，吸波材料的最小尺寸为1.3米×1.3米，放置于发射天线前端0.4米处，针对实际EUT的使用空间测试场地，将发射天线置于转台的中心位置及其前后50cm处以及EUT测试空间的左右边缘共5个位置进行测试。由于是全电波暗室，所以不需要接收天线进行上下扫描。

　　当实测的垂直和水平极化的NSA测试结果位于理论的归一化场地衰减NSA的+/-4dB之内时，则认为该场地符合要求，否则应检查测量方法、仪器漂移和天线系数的校准，如果仍然超出+/-4dB限值，应增加吸波材料的尺寸进行校验，如果仍然不符合要求，则认为该场地不符合要求。

　　用以下公式计算1-18GHz之间的理论归一化场地衰减：

　　A（dB）=20×log（R）-20×log（ƒ）+32

　　其中：R为发射天线和接收天线在水平投影之间的距离，单位为米，

　　ƒ为测试频率，以MHz表示，

　　A（dB）为理论归一化场地衰减。

　　在测试过程中，水平和垂直极化下的测量都按以下方法进行：首先进行两次测试，将两次测试的接收天线终端电压相减来得到场地衰减，而归一化场地衰减则由场地衰减减去两个天线的自由空间天线系数得到。第一次测试时，将两个同轴电缆与天线分开，直接相连后在接收电缆末端测量得到Vdirect，然后将电缆分别与发射天线和接收天线相连以后在接收电缆末端测量得到Vsite，最后归一化场地衰减由下式得出：

　　A（dB）=Vdirect-Vsite-AFT-AFR

　　其中，AFT与AFR分别是自由空间条件下发射天线和接收天线的天线系数。由此可以看出，天线系数的准确性对于测试结果是至关重要的，由于现在一般的校准机构只给出了开阔场的天线系数校准结果，所以应用于归一化场地衰减测试时会带来一定的误差，所以需要对天线进行专门自由空间天线系数校准，并明确校准距离。

　　2.5　PLC技术的辐射干扰问题

　　电力线相当于天线，它一方面将产生的电磁波向外辐射，另一方面吸收来自外界的电磁波。PLC使用2～30MHz的频带传输数据时，可能会对该频段的短波无线电广播、业余爱好者无线电台以及其它电信设备的正常工作产生影响。在电力线调制解调器工作时，电力线通信设备和电力线将会产生泄漏电波，这些泄漏电波将变成无线通信中的噪音，有可能会对无线通信造成干扰，但是电力线辐射电磁波的能力远远没有电力线通信设备辐射电磁波的能力大，且无线通讯应用的频带比较窄，所以影响的程度不大。泄漏的电磁波对于有线通信来说，经过调制接收到的是类似于白噪声的干扰，对于有线通信会使设备间通信的误码率提高，信噪比升高，影响通信质量。在十米的距离上和用9KHz的带宽测量其电磁辐射时，频率在10MHz以下时达到66dBµV/m，会在100-200米范围内干扰无线电通信和电子设备。但是当频率到达10MHz以上时，电磁波随距离增加衰减加剧，通过电力线传输宽带信号造成的辐射影响迅速下降。电力线通信设备此时会对其周围电子设备的工作造成严重影响。

　　为了避免这种干扰，各国制定了相应的一些标准和规范。目前世界上有英国的MPT1570、德国的NB30是专门针对高速PLC通信制定的法规。加上美国的通用电磁兼容标准FCC Part15，实际上高速PLC现有三个电磁兼容标准。三个标准中，FCC Part 15最为宽松，NB30次之，MPT1570最为严格。

                               
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图5　标准限值


　　电力线上网技术作为众多通信技术的一种，电力线通信设备也要满足关于电磁兼容性（EMC）及功率辐射的有关标准和规定。通信设备的无线电骚扰限值由国标GB 9254-1998规定，对应国际标准为EN 55022；抗扰度试验由国标GB17626系列规定，对应国际标准为IEC 61000-4系列。电力线通信设备由于其通信方式的特殊性，它的测试方法和普通通信设备的测试有着差异。

　　在通常的EMC 测试中，被测试样品都要保持正常的工作状态或者和正常状态接近的一种测试状态来满足测试的需要。而PLC设备都是通过电力线工作，这种状态和以往的通信设备相比有着很大的不同。

　　其它电信设备电源接口仅仅作为设备的供电而存在，在测试环境中AC端口也只是给被测设备提供电源。而PLC设备的电源端口同时也是它的通信端口，在提供电源的同时也担负着链路通信的任务，这就使得原来的测试设备不能完全满足测试的要求。

　　例如在辐射连续骚扰测试的过程中，被测试样品按标准要求摆放于暗室内，辅助设备通过暗室中的各种转接电缆连接到暗室外。被测设备由暗室中独立的经过滤波的电源提供电源。普通通信设备的通信链路通过各种暗室中提供的通信线端口连接，或者用光纤转换的方式来实现通信。暗室中经过滤波的电源可以净化测试场地的电磁环境，使实验环境的电磁噪声降到最低。但是这种滤波在净化电磁环境的同时也滤掉PLC设备传输的有用的通信信号，造成PLC被测设备和辅助设备之间的通信链路没有办法建立，从而不能实现设备的正常工作的要求。在不正常的状态下得到的测试数据是不能反应设备的EMC特性的。

　　在没有专门滤波处理的电源接口的情况下，只有将PLC设备的辅助设备同时放置在暗室中。暗室中的电源线是互通的，被测设备和辅助设备之间的通信很容易建立。但是由于在暗室中增加了辅助设备，也就增加了辅助设备的电磁辐射，从而测试结果中就会有辅助设备电磁辐射的叠加，就不能正确的体现被测设备的EMC特性。

　　测试结果符合要求的话，可以说明被测设备和辅助设备都满足EMC辐射要求。若测试结果不满足要求，则不好判断那个设备的电磁辐射超过标准要求。

　　为了在现有的条件下完成测试，又要把辅助设备的影响降到最低，辅助设备只能摆放在对暗室电磁环境影响较小的位置。位置的选择很重要，几乎所有涉及暗室的EMC测试，都会有类似的问题。

　　在EMC抗扰项目测试中，针对AC端口的测试是必不可少的。测试设备通过AC端口向被测设备施加骚扰信号，往往这些测试设备的供电端口的电压是可以调节的。在测试设备内部会有一个内部调压器，或者就是一个简单的变压设备，这样的变压设备会阻断电力线方式的通信。总而造成测试过程中电力线通信设备没有办法建立正常的连接，无法保持正常的工作状态，从而没有办法对测试结果进行判据。在这种情况下如何合理的进行测试就是需要考虑的问题，目前的测试设备都没有这方面的考虑。

　　而在传导连续骚扰测试中，被测PLC设备连接到AMN（人工电源网络）上。AMN为被测设备提供电源，提取骚扰信号，隔离测试网络和供电网络。由于AMN的隔离不是通过滤波器实现，而是通过一个50Ω/50µH的网络实现，从而实际操作中，通信信号可以很好的通过AMN传输而不会被隔离。由于PLC设备的工作频段正好落在传导连续骚扰测试频段（150KHz-30MHz）之内，所以测试数据中通信信号会被当作骚扰信号记录，体现通信信号对供电网络的干扰。这种通信信号的干扰必须满足目前的EMC标准，因而对于PLC设备制造厂家来说，一味的提高通信信号的强度的结果就是干扰了公共电网。下图显示了在传导连续骚扰测试中，通信信号对公共电网的骚扰。显然通信信号对公共电网的骚扰已经超过了标准规定的限值。

                               
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图6　PLC设备传导骚扰测试图


　　因此PLC技术必须解决通信信号对公共电网的干扰的问题，使得通信信号既能满足通信的要求，又不要产生对公共电网的骚扰。

　　2.6　移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量

　　在现有网络环境中，移动台具有良好的射频辐射特性和接收机性能是它能够有效工作的重要条件。由于移动台体积日益变小，辐射性能经常被折衷，因为研制一个在蜂窝和PCS频段都有良好辐射性能的手机天线是很困难的事情。因此对移动台的辐射性能的全面而准确的了解有助于生产者和用户确认移动台在特定的网络中的工作性能。

　　通常，峰值有效全向辐射功率（EffeCTIve Isotropic Radiated Power EIRP）不能很好体现移动台的空中辐射性能。例如，高方向性的移动台天线系统的峰值有效全向辐射功率很大，但是其信号覆盖性很差。在蜂窝网络中，最好是使移动台天线系统的空间覆盖范围最大，用户不需要为了获得良好的通话质量而将天线指向特定的方向。另外，人头会改变移动台辐射模式的形状和峰值，对于不同频率、不同尺寸的移动台和不同的天线设计来说，人头引起的损耗也不同。从空间场性能测量角度来说，在人头模型时测量到的移动台峰值EIRP比自由空间时的EIRP更有意义。

　　与辐射性能相比，接收性能对于整个移动台系统同样重要，下行链路也就是用户接收路径是移动台正常工作的一部分，若接收机性能不好将导致用户听到的话音质量很差，有时会导致由于丢失基站信号而突然中断通话。

　　因此，蜂窝通信与互联网协会（CTIA：Cellular Telecommunication & Internet Association）在2001年10月出版了《CTIA认证程序：移动台空中性能测量方法，射频辐射功率和接收机测量方法》，目前已公布了2.1版。该标准规定测量移动台的球形有效全向辐射功率，简称总辐射功率TRP（Total Radiated Power）和移动台的球形有效辐射接收机灵敏度，简称总全向灵敏度TIS（Total Isotropic Sensitivity）。在测量移动台接收机灵敏度时，接收机的带内噪声或发射机的杂散信号干扰接收机是导致移动台在单个信道或少数几个信号上灵敏度较低的主要原因。所以接收机灵敏度在发射机允许的最大发射功率条件下进行测试。

　　1）TRP测试

　　此测试通过在移动台球形周围不同位置测量移动台辐射功率来衡量移动台的辐射射频性能。图7为TRP测试在球坐标的一个切面上的示意图。通过分析移动台的球形测量数据可以得到它的三维辐射特性。在球坐标的θ轴和Ф轴分别间隔15度取1个测量点，即能够充分描述移动台的远场辐射模式和总辐射功率。由于在θ=0度和180度时不用测试，所以每个极化需测量264个点。将所有测量数值按照下式进行积分可得总辐射功率。

                               
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图7　TRP测试切面示意图


　　TRP测试示意系统如图8所示。其中，频谱分析仪用来测量天线接收到的移动台空间辐射的功率。而基站模拟器通过通讯天线与被测移动台建立通信连接。被测移动台放置在一个多轴定位器上，由此定位器来控制被测移动台进行球形坐标系统的三维旋转。

                               
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图8 TRP测试系统示意图


　　2）TIS测试

　　此测试通过测量移动台的误码率（BER）或误帧率（FER）来衡量它的接收机性能，通过分析球面上每个测量点的BER或FER来评估有效辐射接收机灵敏度。图9为TIS测试在球坐标的一个切面上的示意图。通过分析移动台的球形测量数据可以得到它的三维接收机特性。在球坐标的θ轴和Ф轴分别间隔30度取1个测量点，即能够充分描述EUT的接收机灵敏度。由于在θ=0度和θ=180度时不用测试，所以每个极化需测量60个点，将所有测量数值按照下式进行积分可得总全向灵敏度。

　　

                               
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　　TIS测试示意系统如图10所示。此时，TRP测试时的测量天线被用作了下行链路天线用来传送基站模拟器的下行链路信号，而通信天线用来传送移动台与基站模拟器之间的上行链路信号，步进衰减器用来精确调节基站模拟器的输出功率。被测移动台放置在一个多轴定位器上，由此定位器来控制被测移动台进行球形坐标系统的三维旋转。

                               
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图9　TIS测试切面示意图

                               
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图10　TIS测试系统图


　　2.7　电信设备电磁信息安全

　　目前，信息技术设备在社会中得到了大量的使用，信息技术设备的电磁信息安全性就成为一个重要的问题。如何规定其电磁信息安全性，避免被外界窃取关键信息，以及防止不会被现有的电磁环境干扰造成性能降低就成为一个迫切的事情。

　　信息技术设备的电磁信息安全包含了高空电磁脉冲（HEMP）、高功率电磁场（HPEM）、电磁信息泄露技术（TEMPEST）三个部分。

　　高空电磁脉冲指电磁武器在地球大气层外（典型值为海拔30km）发生爆炸时产生的电磁脉冲。高空电磁脉冲攻击可以对一个广阔的地理范围内的所有电信设备进行同时攻击，从而对通信全程全网产生严重的危害。

　　高功率电磁场包含HPM环境、SP环境和UWB环境。高功率的电磁场通过高强度的电磁场或传导电压和电流，导致电子系统损坏或崩溃。这是由于电磁场或传导电压的强度远远大于电子系统的正常工作条件（如：100V/m和100V）。

　　电磁信息泄漏技术（TEMPEST）主要对信息技术设备中信息泄漏（电磁、声）信号进行研究。由于信息技术设备中大量使用数字信号进行数据处理，信号的频率范围从几十赫兹到几十千兆赫兹。随着信息技术设备处理速度的提高，电磁发射的强度也会增强。电磁发射可以在空间传播，也可以沿电源线、电话线、网线、金属管道传播。设备无意产生的电磁发射中往往包含着所处理的数字信息的敏感部分。信息窃取者可以截获电磁发射，并通过对电磁发射中的敏感部分处理可以再现原始信息。

　　ITU-T的SG5“电磁环境影响的防护”目前正在就信息技术设备的电磁信息安全问题进行研究。ITU-T SG5针对该研究准备出版三个ITU-T K系列建议，分别是K.hemp《防止HEMP危害通信系统的要求和应用》、K.hpem《防止HPEM危害通信系统的要求和应用》、K.leakage《防止非有意的电磁发射产生的信息泄露的测试方法和要求》。

作者：肖雳　郭琳　訾晓刚　周镒