电磁兼容课程报告

电磁兼容工程应用课程报告

电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术研究引言

在科学发达的今天，广播、电视、通信、导航、雷达、遥测测控及计算机等迅速发展，尤其是信息、网络技术以爆炸性方式增长，电磁波利用的快速扩张，产生了不断增长的电磁污染，带来了严重的电磁干扰。各种电磁能量通过辐射和传导的途径，以电波、电场和电流的形式，影响着敏感电子设备，严重时甚至使电子设备无法正常工作。上述情况对电子设备及系统的正常工作构成了很大的威胁，因此加强电子产品的电磁兼容性设计，使之能在复杂的电磁环境中正常工作已成为当务之急。电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是设备或系统在其电磁环境中，能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)和电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility，EMS)两个方面。电磁兼容测试是验证电子设备电磁兼容设计的合理性以及最终评价、解决电子设备电磁兼容问题的主要手段。通过定量的测量，可以鉴别产品是否符合EMC 相关标准或者规范，找出产品在EMC方面的薄弱环节。

目前很多国家和组织都制定了相关的电磁兼容标准，只有符合相关指标要求的电子和电气产品才能进入市场。要判断某电子产品是否存在电磁兼容性问题，就需要依据相关标准对该产品进行具体的电磁兼容测试。

在目前电磁兼容测试中，针对设备或分系统级的电磁兼容测试与评价有着较为完备的电磁兼容标准或规范体系，不仅规定了测试所使用的仪器设备的具体指标要求，同时还规范了测量方案的组成和环境要求，这是其他标准或规范中所少见的。然而针对系统测试，目前还没有详细具体的标准或规范。已经了解的标准有美军标MIL-E-6051D《系统电磁兼容性要求》（已等效成国军标GJB1389《系统电磁兼容性要求》），又如美军标MIL-STD-1541A《对航天系统的电磁兼容性要求》等。在这些标准中给出了一些应该遵从的原则，但如何将这些原则用于工程，还需要一个实践的过程。

虽然许多实验证明了设备和分系统通过了规定标准的EMC 测量，那么一般情况下是能够保证它们组成的系统可以实现自兼容。但是目前系统集成度越来越高，潜在的电磁干扰大大增加，另外复杂的电子系统往往具备多种工作模式，在设备和分系统试验时很难考虑周全；且研究了整个系统的EMC 试验数据，可以成为系统对设备和分系统EMC 指标验收的根据，有利于防止设备在EMC 设计中的过设计，浪费不必要的资源。所以能够评估系统电磁兼容性能的最直接和有效的方法是对系统在正常工作环境下进行测试即电磁兼容现场测试。由于现场测试面临着电磁环境的复杂性和系统组成的多样性等束缚条件，使得现场测试存在环境干扰严重、评估困难、结果不稳定、测试数据利用率低和干扰源难确定等一系列问题。又由于良好的干扰源定位能力能够对差异信号的辨识和故障诊断

提供依据，即提高干扰源的辨识能力对系统电磁兼容问题的评估以及电磁兼容故障诊断具有重要的参考意义，因此研究电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术具有重要的意义和工程应用价值。

国内外发展状况

国外对系统测试的研究开始的较早，在20世纪60年代美军便将系统的电磁兼容性设计和测试验证作为大型系统研究的重点。美国和西方发达国家的研究多集中于军用设备和系统，美国针对系统电磁环境效应问题制订了MIL-STD-46等标准来规范系统的电磁环境效应设计和测试。随着民用通信设备的大量使用和外界电磁环境的日益复杂，对民用设备和系统的电磁兼容研究随之展开。虚拟暗室技术是目前国外应用于现场测试的一种领先的电磁兼容测试方法。虚拟暗室测试理论是由Marino Jr.和Michael A于2000 年提出的。CASSPER 就是一种典型的虚拟暗室系统。CASSPER 最初是为美国空军研究所定制的虚拟暗室EMI 测试系统，该系统即使在恶劣的电磁环境中，也能进行精确的电磁兼容测试，还能精确定位电磁干扰源，是一个兼具远场测试和近场定位的EMI 测试设备。

国内对电磁兼容现场测试的研究起步较晚，只有很少大学和研究所进行这方面的研究。国内对电磁兼容的研究多集中于部件和设备的电磁兼容研究和防护研究，电磁兼容测试主要针对于设备的故障诊断测试和认证测试，对系统级的电磁兼容测试研究较少。国内目前在系统电磁兼容研究方面有GJB1389A作为系统电磁兼容设计的主要依据，但是标准中对测试方法的规定很少。目前在现场测试这个领域的研究成果很少，仅有一些使用CASSPER 系统进行的试验及算法分析。陈京平、刘建平等人使用CASSPER 虚拟暗室系统做了一些试验，其中去除噪声的试验效果并不能令人满意。程君佳、韩朝晖等人对虚拟暗室的相关算法及原理进行了分析。国内对于设备或系统的故障诊断多是人工干预，还无法实现干扰源辨识的自动化。

模式识别是当前科学发展中的一门前沿学科，也是一门典型的交叉科学。电磁兼容测试数据由于其单一性和随机性等特点，存在处理困难、特征不明显等问题。将模式识别的方法应用于干扰源的辨识，能够很好的解决电磁兼容数据处理中的问题。

综上所述，电磁兼容现场测试技术的研究在国内外都属于较为崭新的研究课题。目前国外的研究成果已经投入实用，但是还有很大的改进空间；国内目前还处于起步阶段，迫切的需要对现场测试技术进行研究和提高。

电磁兼容现场测试分析及测试方法研究

随着电子信息技术的飞速发展，各种电子设备间的电磁兼容问题也日益突出，为了掌握和提高这些电子设备的电磁兼容性，最直接的方法就是对它们进行电磁兼容测试。现场系统电磁兼容测试作为最能反映系统真实任务执行能力的电

磁兼容测试起着非常重要的作用。

在电磁兼容测试中，场地对测试结果的影响非常明显。主要原因是场地的差异，即空间直射波与地面反射波的反射影响和接收点不同，造成相互叠加的场强不一致。早期的CISPR 标准要求电磁兼容测试应该在开阔测试场地(OATS)中进行。开阔试验场的基本结构应是周围空旷，无反射物体，地面为平坦而导电率均匀的金属接地表面。场地按椭圆形设计，场地长度不小于椭圆焦点之间距离的2倍，宽度不小于椭圆焦点之间距离的 1.73 倍，具体尺寸的大小一般视测试频率下限的波长而定。实际电磁辐射干扰测试时，EUT 和接收天线分别置于椭圆场地的两个焦点位置。考虑到开阔试验场及屏蔽暗室的建造成本和环境的限值，国内外电磁兼容标准将EUT 到接收天线的距离定为3m 和10m，俗称3m 法和10m 法。如要满足3m 法测量，场地长度不小于6m 距离，宽度不小于5.2m 距离；如要满足10m 法测量，场地长度不小于20m 距离，宽度不小于17.3m 距离。

开阔试验场的要求也给其使用带来了很大的局限性，主要表现在开阔测试场地是一种成本很高的测试场地，很难寻觅，一般在远离城市的农村或山区才能找到合适的场地，因此交通大都不便，测试设备和样机在运输途中易遭破坏。其次，当用开阔测试场地进行辐射敏感度试验时，由于需要建立人为的电磁场，可能会干扰周围其他设备的正常工作，妨碍通信或广播电台，影响频谱划分，而且采用开阔测试场地进行试验往往受到气候等天气条件的限制。电波暗室的出现，为电磁兼容试验提供了一个无外界干扰、无向外泄漏、无反射回波的电磁波自由传播空间，不仅能替代开阔场的大量试验内容，而且更大程度地完善和弥补了开阔场试验的不足，因此得到了广泛的应用。

标准测试在针对部件级或者设备级的电磁兼容测试方面具有无可比拟的优势，但是在反映任务系统的系统性能方面却有一定的局限性。主要体现在：

1) 标准实验室的测试是针对单个设备的测试，无法体现上装环境下成组设备工作时的成组特性。

2) 标准实验室内的测试由于空间及连接限制，无法体现设备的实际工作模式。

3) 标准实验室中电源采用LISN 供电，LISN 的阻抗为50 欧姆标准阻抗，能够与设备实现较好的阻抗匹配，无法体现上装环境下设备实际的阻抗特性。

综上所述，标准实验室测试特点表明标准实验室环境下的测试是一种理想条件下的测试，能够反映单个设备的电磁兼容性能，但是无法反映上装系统的实际电磁兼容性能。目前实验室标准测试还无法满足系统上装条件下的电磁兼容测试要求。所以需要开展基于任务剖面的电磁兼容系统现场测试研究，为大型复杂系统的电磁兼容分析、设计和整改提供支持。

现场测试由测试方法、测试数据处理技术和后期整改组成。测试方法包括微弱信号的测试方法和近场抗饱和测试方法。测试数据处理包括数据预处理技术和干扰源辨识技术。现场测试的方案如下图。

图1 现场测试整体方案

在现场测试时，经常会遇到大信号的测量。这时需要兼顾大小信号的测量又需要防止仪器的饱和，建议选用尽可能小的内置衰减器的衰减量而使用外置带通/带阻滤波器，滤波器的损耗可在自动测试软件中补偿。

以下方法能提高频谱仪测量微小信号的能力：

1）减小频谱仪分辨率带宽；

2）减小射频衰减器的衰减

3）减小频谱仪视频带宽

4）使用前置放大器

在测试过程中可以使用衰减器防止接收到大功率的信号使得频谱仪混频器饱和，给测试带来误差。但是使用了宽带的衰减器引起的问题是：衰减器不仅将大信号进行了衰减，小信号也被衰减以至于小信号可能被噪声淹没。为了解决该问题，在测试过程中使用中心频率可调的带通或带阻滤波器，该滤波器的功能就是实现EMC 接收机的前端预选器的功能，使用该滤波器可以防止大功率信号进入频谱仪，只要在测试过程中将带阻滤波器的中心频率调节到电台的发射频率即可。

近场抗饱和测试的测试示意图如图 2 所示。测试中的接收端使用了带通/带阻滤波器和宽带衰减器。在进行宽带测试时使用宽带衰减器；在进行电台基波特性测试时使用带阻滤波器；在进行电台谐波测试时使用带通滤波器。

图2 抗饱和辐射发射特性测试示意图

干扰源辨识方案设计

随着现代通信电子科学技术的高速发展和广泛应用，电子通信系统正在向集成化、多任务化、微型化发展。各种各样的电子设备或系统以及其他的电子、电气设备越来越密集导致的系统内电磁环境及其复杂，高密度、宽频谱的电磁信号

充满整个空间，使电子通信系统受到了严重的考验，电磁兼容性问题日益突出。以车载通信系统举例来说，由于车辆的车内、车顶空间都非常狭小，在这样狭小的空间内安装了多部不同频带及功能的电台、计算机、数字化车通等各种数字化设备，存在着多种导致系统电磁兼容（EMC）性能恶化的因素。如何解决在复杂的大型电子通信系统中电磁兼容问题是目前业界的研究重点和难点。

模式识别(pattern recognition)是当前科学发展中的一门前沿科学，也是一门典型的交叉科学，它的发展与人工智能、计算机科学、传感技术、信息论、语言学等科学的研究水平息息相关，相辅相成。所谓模式识别是根据研究对象的特征或属性，利用计算机为中心的机器系统运用一定的分析算法认定它的类别，系统应使分类识别的结果尽可能地符合真实。

模式识别的过程是由数据空间经特征空间到类别空间的映射，主要过程可以分为数据采集、数据预处理、特征提取与特征选择及模式分类等四个部分。模式识别的整个过程如图3所示。

图3 模式识别过程

模式识别目前主流的技术是：统计模式识别、句法模式识别、模糊数学方法、神经网络方法、人工智能方法，本文选择使用统计模式识别的方法。基本思想是先建立关键设备的模板数据库，然后将受扰设备端的测试结果作为待辨识数据，将其通过干扰源辨识算法和模板库中的数据进行比较，最后辨识出干扰源。干扰源辨识算法如下图所示。

图4 干扰源辨识算法

模式识别的基本过程是数据预处理、特征提取、特征选择、学习和训练、分

类识别。结合模式识别的方法，对电磁兼容现场测试结果做相应的数据分析。

1）数据预处理

在进行辨识之前先要对目标的有关信息进行预处理。

本文处理的数据全部来自于现场电磁兼容测试。现场电磁兼容的测试结果包含有多种噪声信号，需要进行消噪处理。所以在本过程中对原始测试数据进行小波消噪，对发射特性曲线进行包络和延拓处理。

2）特征提取

无论是辨识还是学习过程，都要对研究对象固有的、本质的及重要的特征或属性进行量测并将结果数值（字）化，或将对象分解并符号化，形成特征矢量或符号串、关系图，从而产生代表对象的模式。

现场电磁兼容测试结果具有数据记录，它已经是数值化的对象，本身就是一种特征。测试曲线的其它特征又可以分为峰值特征、包络特征、谐波特征等。

3）特征选择

通常能描述对象的元素很多，为了节约资源，节省计算机存储空间、机时、特征提取的费用，有时更为了可行性，在满足分类识别正确率要求的条件下，按某种准则尽量选用对正确分类识别作用较大的特征，使得用较少的特征就能完成分类识别任务。

针对不同的电磁兼容测试对象，可以选择不同的特征作为辨识对象。如电台类的对象特征选择峰值特征和谐波特征较为合适，电源类的对象特征更合适选择包络特征。

4）学习和训练

为了让机器具有分类识别功能，如同人类自身一样，人们应首先对它进行训练，将人类的识别知识和方法以及关于分类识别对象的知识输入机器中，产生分类识别的规则和分析程序。这个过程一般要反复进行多次，不断地修正错误、改进不足，这包括修正特征提取方法、特征选择方案、判决规则方法及参数，最后使系统正确识别率达到设计要求。目前，机器的学习需要人工干预，这个过程通常是人机交互。

在干扰源辨识过程中的模板选择是一个学习的过程，辨识结果则需要通过训练不断地优化改进。

5）分类识别

在学习、训练之后，所产生的分类规则及程序用于未知类别的对象识别。对测试结果提取特征，采用聚类分析中的相似性判断，得出辨识结果。

综上所述，干扰源的辨别方案流程是数据预处理、特征提取、特征选择、学习和训练、分类识别，具体如下图所示。

图5 干扰源辨识方案

干扰源辨识关键技术分析

1、数据预处理技术

在使用频谱仪进行现场测试的过程中，仪器会采集到三种信号的数据：有用信号、仪器内部噪声和外界环境噪声。数据预处理技术的作用正是用于消除噪声的影响。

1）小波消噪

小波消噪的原理是基于信号与噪声的小波系数在尺度上的不同性质，采用相应规则，对含噪信号的小波系数进行取舍、提取或切削等非线性处理，以达到去除噪声的目的。

从信号处理的角度看，小波消噪是一个信号滤波的问题，尽管在很大程度上小波消噪可视为低通滤波，但是由于消噪后，还能成功的保留信号的特征，所以在这一点上，小波消噪方法又优于传统的低通滤波器。由此可见，小波消噪实际上是特征提取和低通滤波的综合，其流程如图6所示：

图6 小波消噪原理框图

2）包络和延拓数据预处理技术

针对不同的无线设备，由于测试环境往往不同，导致得到的发射特性曲线也不同。所以经过消噪处理后的测试曲线虽然变得较为光滑，但是在峰值的两侧区间信号分布依然很复杂，依然很难从测试结果中提取关键特征，需要进行包络计

算，使测试曲线更加平滑，这种方法称为包络处理。

原始的测试数据经过各种处理之后，可能导致底部噪声比原始的噪声要高，而需要的测试数据的底部噪声要比实际获得的测试数据的底部噪声要低的多，为了解决上述由于先前的数据处理带来的问题，需要将包络后的测试数据进行再处理，把噪声处理成需要的大小，这种方法称为延拓处理。

2、特征提取

1）峰值特征提取

在电磁兼容测试中，峰值信号是最为关心的信号。峰值信号所在频率和相应幅值是发现问题、解决问题的关键信息。峰值的判别可以根据测试数据的单调性确定。对测试点左右两侧进行单调性判断，如果该测试点的左侧为单调递增并且右侧为单调递减，则认定其为峰值点，否则不是峰值点。但是由实际的测试曲线可知，环境信号的测试结果中大部分都不是有用信号，而是频谱仪的底部噪声。频谱仪底噪是在一定范围内波动的随机数，若按单调性的方法进行峰值提取，必然会提取出很多的底噪数据，达不到提取干扰信号峰值的效果。所以在进行峰值提取前需要进行噪声阈值判断，对于大于该阈值的信号才进行峰值提取。峰值提取如下图所示。

图7 峰值提取流程图

2）包络特征提取

包络特征在现场电磁兼容测试曲线的分析中具有重要的意义。为了提取包络特征，引入包络因子的概念。包络因子定义为均方根和绝对均值之比，是一个无量纲参数。包络因子的计算公式如下式所示：

式（1）

式中，

由于现场测试信号波动剧烈，包络曲线上可能因为毛刺信号导致包络因子判断的不合理，所以在计算包络因子之前还需进行第二章的消噪处理。另外，在进行包络因子参数计算时应做零均值处理，即从原始数据中减去其均值，只保留信号的动态部分进行计算。

包络因子的值域范围是[1,2)，包络相似度可由下式计算得到：

式（2）其中：S1、S2是两条不同曲线段的包络因子。

结论

本文主要研究了电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术。本文着眼于实际的工程应用，首先对电磁兼容现场测试的背景及国内外在该项技术上的发展现状和趋势进行了研究，指出了进行电磁兼容现场测试的干扰源辨识的重要性和必要性。在此基础上对电磁兼容现场测试的测试方法进行了研究，重点和电磁兼容标准测试作比较，阐述了现场测试相对于标准测试的不同点和复杂性。针对现场测试的特点，提出了微弱信号测试和现场抗饱和测试的测试方法。借鉴模式识别理论设计了一套干扰源自动辨识的辨识方案并提出干扰源辨识算法。在构建干扰源自动辨识系统的过程中突破了以下关键技术：数据预处理技术和特征提取技术。

本文研究了电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术，并且结合现场测试的实际情况和电磁兼容测试数据的性质，构建了干扰源自动辨识系统。但由于该研究内容涉及到的测试环境多变、数据繁杂和数据处理的内容较多，该研究内容还存在以下问题有待研究：

1) 对干扰源模板的建立，还需要大量测试结果的验证并根据测试结果对模板的建立方法进行改善和优化；

2) 干扰源辨识技术中的特征提取方法还可做进一步研究，以找到其它合适的特征。