Введение

Электромагнитные помехи (EMI), также называемые радиочастотными помехами (RFI) в радиочастотном спектре, – это нарушение работы, вызванное внешним источником, которое воздействует на электрическую цепь посредством электромагнитной индукции, электростатической связи или проводимости. Это нарушение может ухудшить характеристики цепи или даже привести к ее неработоспособности. В случае передачи данных эти эффекты могут варьироваться от увеличения частоты ошибок до полной потери данных. Как искусственные, так и природные источники генерируют изменяющиеся электрические токи и напряжения, способные вызывать ЭМИ: системы зажигания, сети сотовой связи мобильных телефонов, молнии, солнечные вспышки и полярные сияния (северное и южное сияния). ЭМИ часто влияют на АМ-радиоприемники. Оно также может влиять на мобильные телефоны, FM-радио и телевизоры, а также на наблюдения в радиоастрономии и атмосферных науках. ЭМИ может быть намеренно использовано для радиоподавления, например, в радиоэлектронной борьбе.

История

С самых ранних дней развития радиосвязи ощущались негативные последствия помех как от преднамеренных, так и от непреднамеренных передач, и стала очевидной необходимость управления радиочастотным спектром. В 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссии (МЭК) в Париже было рекомендовано создать Международный специальный комитет по радиопомехам (CISPR) для решения возникающей проблемы электромагнитных помех (ЭМП). CISPR впоследствии опубликовал технические документы, охватывающие методы измерений и испытаний, а также рекомендованные пределы излучения и устойчивости. Эти документы развивались на протяжении десятилетий и сегодня составляют основу большей части мировых нормативных требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). В 1979 году Федеральная комиссия по связи (FCC) в США установила юридически обязательные пределы электромагнитного излучения от всего цифрового оборудования в ответ на увеличение количества цифровых систем, создававших помехи проводной и радиосвязи. Методы испытаний и предельные значения основывались на публикациях CISPR, хотя аналогичные пределы уже применялись в некоторых частях Европы. В середине 1980-х годов государства-члены Европейского Союза приняли ряд директив "нового подхода" с целью стандартизации технических требований к продукции, чтобы они не создавали препятствий для торговли внутри ЕЭС. Одной из таких директив была Директива по ЭМС (89/336/EC), которая распространяется на все оборудование, выпускаемое на рынок или вводимое в эксплуатацию. Ее область применения охватывает все устройства, "способные создавать электромагнитные помехи или работоспособность которых может быть нарушена такими помехами".

Механизмы сцепления

Некоторые из используемых технических терминов могут иметь различные значения. Некоторые явления могут описываться разными терминами. Эти термины используются здесь в общепринятом смысле, который соответствует другим статьям энциклопедии. На рисунке ниже показана базовая схема расположения источника шума или излучателя, пути распространения и объекта воздействия, приемника или поглотителя. Источником и объектом воздействия обычно являются электронные аппаратные устройства, хотя источником может быть природное явление, такое как удар молнии, электростатический разряд (ЭСР) или, в одном известном случае, Большой взрыв в начале Вселенной. Существует четыре основных механизма распространения: проводниковый, емкостный, магнитный (индуктивный) и излучающий. Любой путь распространения можно разложить на один или несколько из этих механизмов, работающих совместно. Например, нижний путь на диаграмме включает индуктивные, проводниковые и емкостные моды. Проводниковый (кондуктивный) механизм распространения возникает, когда путь между источником и объектом воздействия образуется при прямом электрическом контакте с проводящим телом, например, линией передачи, проводом, кабелем, проводником на печатной плате или металлическим корпусом. Проводниковый шум также характеризуется способом его проявления на различных проводниках:

Согласованное (общее) соединение: шум появляется в фазе (в одном направлении) на двух проводниках. Дифференциальное соединение: шум появляется в противофазе (в противоположных направлениях) на двух проводниках. Индуктивное соединение возникает, когда источник и объект воздействия разделены небольшим расстоянием (обычно менее длины волны). Строго говоря, "индуктивное соединение" может быть двух видов: электрическая индукция и магнитная индукция. Обычно электрическую индукцию называют емкостной связью, а магнитную индукцию – индуктивной связью. Емкостное соединение возникает, когда между двумя соседними проводниками существует изменяющееся электрическое поле, обычно на расстоянии менее длины волны, что вызывает изменение напряжения на принимающем проводнике. Индуктивное или магнитное соединение возникает, когда между двумя параллельными проводниками существует изменяющееся магнитное поле, обычно на расстоянии менее длины волны, что вызывает изменение напряжения вдоль принимающего проводника. Излучающее (электромагнитное) соединение возникает, когда источник и объект воздействия разделены большим расстоянием, обычно более длины волны. Источник и объект воздействия действуют как радиоантенны: источник излучает электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве между ними и принимается объектом воздействия.

Проведенное вмешательство

Проводная ЭМИ возникает из-за физического контакта проводников, в отличие от излучаемой ЭМИ, которая возникает из-за индукции (без физического контакта проводников). На более низких частотах ЭМИ вызывается проводностью, а на более высоких – излучением. Распространение ЭМИ по проводу заземления также часто встречается на электротехнических объектах.

Чувствительность различных радиотехнологий

Помехи, как правило, создают больше проблем со старыми радиотехнологиями, такими как аналоговая амплитудная модуляция, которые не имеют возможности различать нежелательные сигналы в полосе частот и целевой сигнал, а также с всенаправленными антеннами, используемыми в системах вещания. Новые радиосистемы включают в себя несколько усовершенствований, повышающих избирательность. В цифровых радиосистемах, таких как Wi-Fi, могут применяться методы коррекции ошибок. Для повышения устойчивости к помехам можно использовать широкополосную модуляцию и методы частотного перескока как в аналоговой, так и в цифровой передаче сигналов. Высоконаправленный приемник, например параболическая антенна или приемник с антенным разнообразием, может быть использован для выбора одного сигнала в пространстве, исключая другие. Наиболее ярким примером цифровой широкополосной модуляции на сегодняшний день является ультраширокополосная (UWB) технология, которая предлагает использовать большие участки радиоспектра с низкой амплитудой для передачи цифровых данных с высокой пропускной способностью. Если UWB будет использоваться исключительно, это обеспечит очень эффективное использование спектра, но пользователи технологий, не поддерживающих UWB, пока не готовы делиться спектром с новой системой из-за помех, которые она может создавать для их приемников (нормативно-правовые аспекты UWB обсуждаются в статье об ультраширокополосных сетях).

Вмешательство в работу потребительских устройств

В Соединенных Штатах публичный закон 97-259 от 1982 года разрешил Федеральной комиссии по связи (FCC) регулировать восприимчивость потребительского электронного оборудования к помехам. Потенциальными источниками радиочастотных (RFI) и электромагнитных помех (EMI) являются: различные типы передатчиков, трансформаторы дверных звонков, тостеры, электрические одеяла, ультразвуковые устройства для борьбы с вредителями, электрические уничтожители насекомых, грелки и лампы с сенсорным управлением. Несколько компьютерных мониторов или телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), расположенных слишком близко друг к другу, иногда могут вызывать эффект "дрожания" изображения друг у друга из-за электромагнитной природы их кинескопов, особенно при активации одной из их размагничивающих катушек. Электромагнитные помехи на частоте 2,4 ГГц могут быть вызваны беспроводными устройствами, работающими по стандартам 802.11b, 802.11g и 802.11n, устройствами Bluetooth, радионянями, беспроводными телефонами, видеопередатчиками и микроволновыми печами. Переключающие нагрузки (индуктивные, емкостные и резистивные), такие как электродвигатели, трансформаторы, нагреватели, лампы, пускорегулирующие аппараты, блоки питания и т.п., являются источниками электромагнитных помех, особенно при токах выше 2 А. Обычно для подавления ЭМИ используется снубер-цепь – резистор, включенный последовательно с конденсатором, подключенный к паре контактов. Хотя это может обеспечить некоторое снижение ЭМИ при очень низких токах, снуберы неэффективны при токах более 2 А для электромеханических контактов. Другим методом подавления ЭМИ является использование ферритовых фильтров (или ферритовых бусин), которые недороги и надеваются на силовой провод устройства, создающего помехи, или на провод устройства, подверженного их воздействию. Импульсные источники питания могут быть источником ЭМИ, но эта проблема становится менее актуальной благодаря совершенствованию методов проектирования, таких как интегрированная коррекция коэффициента мощности. В большинстве стран существуют законодательные требования, обеспечивающие электромагнитную совместимость: электронное и электрическое оборудование должно продолжать работать корректно при воздействии определенного уровня ЭМИ и не должно излучать помехи, которые могут повлиять на работу другого оборудования (например, радиоприемников). Качество радиочастотного сигнала снижается в течение 21-го века примерно на один децибел в год по мере увеличения загруженности спектра. Это привело к эффекту "Красной Королевы" в индустрии мобильной связи, поскольку компании вынуждены устанавливать больше базовых станций (на новых частотах), что, в свою очередь, создает больше помех, требуя от провайдеров дополнительных инвестиций и частых обновлений мобильных телефонов для соответствия новым условиям.

Стандарты

Международный специальный комитет по радиопомехам, или CISPR (французская аббревиатура от "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"), являющийся комитетом Международной электротехнической комиссии (МЭК), устанавливает международные стандарты для излучаемых и проводимых электромагнитных помех. Эти стандарты предназначены для гражданского применения в бытовой, коммерческой, промышленной и автомобильной сферах. Они служат основой для других национальных и региональных стандартов, в частности, европейских норм (EN), разрабатываемых CENELEC (Европейский комитет по электротехнической стандартизации). К американским организациям относятся Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Министерство обороны США (MILSTD).

ЭМИ в интегральных схемах

Интегрированные схемы часто являются источником электромагнитных помех (ЭМИ), но для значительного излучения им обычно необходимо передавать энергию на более крупные объекты, такие как радиаторы, плоскости печатной платы и кабели. Важными способами снижения ЭМИ в интегральных схемах являются: использование байпасных или развязывающих конденсаторов на каждом активном элементе (подключенных параллельно источнику питания, как можно ближе к элементу), управление временем нарастания высокоскоростных сигналов с помощью последовательных резисторов и фильтрация выводов питания микросхемы. Экранирование обычно используется в последнюю очередь, после того как другие методы не дали результата, из-за дополнительных затрат на экранирующие компоненты, такие как проводящие прокладки. Эффективность излучения зависит от высоты над землей или плоскостью питания (на радиочастотах (РЧ) они эквивалентны) и длины проводника по отношению к длине волны компонента сигнала (основная частота, гармоника или переходный процесс, например, перерегулирование, недорегулирование или звон). На более низких частотах, таких как 133 МГц, излучение происходит почти исключительно через кабели ввода-вывода; РЧ-шум попадает на плоскости питания и связывается с линейными драйверами через выводы VCC и GND. Затем РЧ-шум связывается с кабелем через линейный драйвер в виде синфазного шума. Поскольку шум синфазный, экранирование малоэффективно, даже при использовании дифференциальных пар. Энергия РЧ-излучения емкостно связывается с сигнальной парой и экраном, а сам экран является источником излучения. Одним из решений является использование разрывателя или дросселя для уменьшения синфазного сигнала. На более высоких частотах, обычно выше 500 МГц, дорожки становятся электрически длиннее и выше над плоскостью. На этих частотах используются два метода: формирование сигнала с помощью последовательных резисторов и размещение дорожек между двумя плоскостями. Если все эти меры все еще не позволяют достаточно снизить ЭМИ, можно использовать экранирование, такое как РЧ-прокладки и медная или проводящая лента. Большинство цифровых устройств имеют металлические или пластиковые корпуса с проводящим покрытием.

Иммунитет к радиочастотным излучениям и тестирование

Любой незащищенный полупроводник (например, интегральная схема) будет функционировать как детектор тех радиосигналов, которые обычно встречаются в быту (например, от мобильных телефонов). Такой детектор может демодулировать высокочастотный несущий сигнал мобильной связи (например, GSM850 и GSM1900, GSM900 и GSM1800) и генерировать низкочастотные (например, 217 Гц) демодулированные сигналы. Эта демодуляция проявляется в виде нежелательных звуковых помех в аудиоаппаратуре, такой как усилители микрофонов, усилители динамиков, автомобильное радио, телефоны и т.п. Использование встроенных фильтров электромагнитных помех (EMI) или специальных методов проектирования может помочь в подавлении EMI или повышении радиочастотной устойчивости (RF immunity). Некоторые интегральные схемы (например, LMV831, LMV834, MAX9724) разработаны с интегрированными радиочастотными фильтрами или специальной конструкцией, снижающей демодуляцию высокочастотного несущего сигнала. Разработчикам часто необходимо проводить специальные испытания на радиочастотную устойчивость компонентов, предназначенных для использования в системе. Эти испытания часто проводятся в безэховой камере с контролируемой радиочастотной средой, где тестовые сигналы создают радиочастотное поле, аналогичное реальным условиям. Естественные источники помех, такие как молнии и Солнце, также часто классифицируются как радиочастотные помехи (RFI). Некоторые частотные диапазоны, критически важные для радиоастрономии, такие как 21-сантиметровая линия HI на частоте 1420 МГц, защищены нормативными документами. Однако современные радиоастрономические обсерватории, такие как VLA, LOFAR и ALMA, обладают очень большой полосой пропускания, позволяющей проводить наблюдения в широком диапазоне частот. Из-за ограниченного спектрального ресурса на радиочастотах эти диапазоны не могут быть полностью выделены для радиоастрономии; например, изображения 21-сантиметровой линии, сдвинутые в красную область спектра из эпохи реионизации, могут перекрываться с полосой FM-вещания (88–108 МГц), поэтому радиотелескопам необходимо учитывать RFI в этой полосе.

RFI по мониторингу окружающей среды

До введения Wi-Fi одним из основных применений диапазона 5 ГГц был терминальный доплеровский метеорологический радар. Решение об использовании спектра 5 ГГц для Wi-Fi было окончательно принято на Всемирной конференции по радиосвязи в 2003 году, однако метеорологические службы не были привлечены к этому процессу. Последующая недостаточная реализация и некорректная настройка DFS привели к серьезным нарушениям в работе метеорологических радаров во многих странах мира. В Венгрии метеорологическая радарная система была признана неработоспособной более чем на месяц. Из-за высокой степени помех метеорологические службы Южной Африки отказались от работы в диапазоне C, переведя свою радиолокационную сеть в диапазон S. Передачи в смежных диапазонах, используемых для пассивного дистанционного зондирования, таких как метеорологические спутники, вызывают помехи, иногда значительные. Существует опасение, что внедрение недостаточно регулируемой сети 5G может создать серьезные проблемы с помехами. Значительные помехи могут ухудшить точность численного прогноза погоды и привести к негативным экономическим последствиям и угрозе общественной безопасности. Эти опасения побудили министра торговли США Уилбура Росса и администратора NASA Джима Бриденстайна в феврале 2019 года призвать FCC отменить планируемый аукцион спектра, в чём им было отказано.