ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ
Е.Л. ПУСТОВОЙТОВ, C.И. СТАРЧЕНКО
Введение в теорию электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и сиcтем
Учебное пособие для магистратуры и бакалавриата направления 210700
Базовая кафедра мтуси “Электромагнитная совместимость и управление радиочастотным спектром, фгуп ниир
Москва
2012 г.
Предисловие
Основной целью данного учебного пособия является первичное ознакомление студентов вузов, имеющих факультеты радиотехнического профиля, c важнейшими понятиями, терминами и методами теории электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств и систем для последующего более глубокого погружения в проблемы этого весьма актуального научно-технического направления развития телекоммуникаций и успешного решения этих проблем. Содержание пособия основано преимущественно на материалах двух серьезных объемных монографий [1,2], написанных группой авторитетных специалистов в области электромагнитной совместимости под редакцией д.т.н., проф. Быховского М.А. Данное краткое учебное пособие облегчит освоение как упомянутых книг, так и других рекомендуемых ниже фундаментальных источников как студентам, так и дипломированным специалистам, впервые обращающимся к проблемам ЭМС.
Авторы в течение нескольких лет читали курс ЭМС для студентов МТУСИ и МФТИ на базовой кафедре МТУСИ “Электромагнитная совместимость и управление использованием радиочастотного спектра” во ФГУП НИИР.
Вопросы управления использованием радиочастотного спектра будут отражены в отдельном учебном пособии.
Глава 1 Общие сведения о проблеме электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и сиcтем
Основные исходные понятия, термины и задачи дисциплины
Дисциплина "Теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем " дает необходимые знания в области методов анализа и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) различных совокупностей радиоэлектронных средств (РЭС), которые необходимы для успешной деятельности специалистов по разработке, строительству и эксплуатации современных наземных и спутниковых систем и сетей фиксированной и подвижной радиосвязи, телерадиовещания, радионавигации, радиолокации и других радиослужб.
В соответствии с [1] под РЭС подразумеваются “технические средства, предназначенные для передачи и/или приема радиоволн, состоящие из одного или нескольких передающих и/или приемных устройств либо комбинации таких устройств, включая вспомогательное оборудование”. В качестве примера РЭС можно привести: любой радиопередатчик или радиоприемник; базовую станцию сети мобильной сотовой связи; ретранслятор одного или нескольких радиосигналов и т.п. Термин «ЭМС» означает способность РЭС функционировать с требуемым качеством при воздействии непреднамеренных помех, создаваемых передатчиками других РЭС, и не создавать недопустимых помех другим РЭС. Под непреднамеренными помехами приему полезного радиосигнала (ПС) понимают мешающие радиосигналы (МС), излучаемые без умысла затруднить прием ПС, или мешающие приему электромагнитные излучения, не связанные с передачей какой-либо информации (например, при работе мощного дизель-генератора).
Проблемы ЭМС РЭС постоянно обостряются в связи с быстрым развитием парка РЭС в условиях современного научно-технического прогресса. Теперь проблема обеспечения работы совокупностей РЭС без создания недопустимых помех друг другу стала не менее значимой, чем проблема обеспечения надежности технических средств. Поиск и анализ методов и способов обеспечения ЭМС при условии рационального использования радиочастотного спектра (РЧС) привели к формированию специфических научно-технических направлений, которые охватывают все области использования радиоэлектроники и называются “ЭМС радиоэлектронных средств и систем” и “Управление использованием радиочастотного спектра”.
Актуальность проблемы ЭМС проявилась уже в самом начале развития радиотехники. В частности, уже в начале прошлого века при эксплуатации радиотелеграфных линий связи отмечались взаимные помехи между такими линиями. В дальнейшем по мере увеличения количества РЭС, возрастания их энергетических характеристик и повышения диапазонов используемых частот проблема ЭМС становилась все актуальнее и потребовала развития теории и практики решения этой проблемы. Создание эффективных методов решения задач ЭМС в настоящее время составляет важную, интенсивно развивающуюся часть науки о радиотехнике. В ее развитии принимают участие десятки государств, являющихся членами Международного Союза Электросвязи (МСЭ). Их представители изучают проблемные вопросы и методы их решения в составе Исследовательских комиссий МСЭ и ряда других органов МСЭ. Согласованные в рамках органов МСЭ предложения по улучшению ЭМС обсуждаются на периодически проводимых Всемирных Радио Конференциях (ВКР) и в случае их принятия вносятся в главный мировой документ в области радиосвязи – Международный Регистр Радиосвязи (РР) [3] и другие документы МСЭ.
В начале развития радиотехники понятие электромагнитной совместимости имело узкое смысловое значение – выбор частотного диапазона. В настоящее время Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) определяет ЭМС как способность оборудования или системы удовлетворительно работать в данной электромагнитной обстановке без внесения в нее какого-либо недопустимого электромагнитного возмущения. Таким образом, область применения понятия ЭМС существенно расширена по сравнению с областью радиосистем передачи или сбора информации.
Рассмотрение проблемы ЭМС заданной совокупности РЭС начинается с оценки ЭМС, которая может производиться следующими путями:
1/ экспериментальным (система измерений ряда параметров взаимодействующих РЭС);
2/ расчетным;
3/ смешанным (сочетание расчетного и экспериментального методов).
Все большее значение приобретают расчетные методы оценки ЭМС, которые используются при решении следующих задач:
- прогнозирование электромагнитной обстановки;
- перспективное планирование и эффективное использование спектра радиочастот;
- подготовка материалов для заключений (решений) на право пользования определенными полосами частот;
- определение степени обеспечения ЭМС РЭС;
- оценка степени влияния непреднамеренных помех на качество функционирования РЭС;
- оценка эффективности мер по обеспечению ЭМС РЭС;
- разработка норм частотно-территориального разноса между РЭС.
Общая задача определения степени достижения ЭМС в конкретной ситуации сводится к решению двух частных задач: внешней и внутренней.
Внешняя задача заключается в оценке электромагнитной обстановки (ЭМО), определяемой как совокупность параметров полезного и мешающих сигналов на входе приемника. При этом составляется статистическая модель ЭМО, которая наряду с постоянными параметрами (расстройки несущих частот сигналов, средние значения мощностей сигналов и др.) включает в себя все вероятностные параметры полезного и мешающих радиосигналов с учетом статистической природы их формирования и распространения: случайности параметров модулирующих сигналов при данном виде модуляции, быстрых и медленных замираний полезного и мешающих радиосигналов, возможных нелинейных эффектов в приемнике при повышенных уровнях радиосигналов на входе приемника).
Внутренняя задача заключается в определении степени воздействия непреднамеренных помех на качество функционирования РЭС, т.е. в оценке восприимчивости РЭС к непреднамеренным помехам. Решение внутренней задачи обычно производится с использованием методов статистической радиотехники и статистической теории оптимального приема сигналов, развитых применительно к случаям воздействия непреднамеренных помех с учетом необходимости обеспечения ЭМС РЭС.
Решение о том, достигнута ли ЭМС рассматриваемой совокупности РЭС, должно приниматься, исходя из оценки допустимости качества функционирования РЭС при воздействии мешающих сигналов. Отсюда вытекает трехэтапная схема решения задачи оценки ЭМС, представленная на рисунке 1.1
Рис. 1.1 Схема решения задачи оценки ЭМС
На первом этапе решается внешняя задача оценки ЭМО. Ее исходными данными являются географические и энергетические характеристики и параметры источников полезного и мешающего сигналов. Результатом решения этой задачи должны быть количественные детерминированные и вероятностные характеристики полезных и мешающих сигналов, воздействующих на приемное устройство РЭС. При этом совокупность мешающих сигналов, потенциально опасных в отношении нарушения ЭМС, называют помеховой обстановкой.
На втором этапе решается внутренняя задача, предусматривающая оценку качества функционирования РЭС. Очевидно, что исходными данными для ее решения являются результаты решения задачи первого этапа. Результат решения задачи второго этапа характеризует степень влияния непреднамеренных помех на качество приема полезного сигнала, т.е. оценивает эффективность РЭС, функционирующего в конкретной ЭМО.
На третьем этапе решается собственно задача оценки ЭМС. И в этом случае очевидно, что исходными данными для ее решения являются результаты решения задачи второго этапа. Результатом решения задачи третьего этапа является оценка ЭМС РЭС по критерию непревышения допустимых уровней ухудшения качества приема полезных сигналов при воздействии непреднамеренных помех.
Учитывая важность решения задач ЭМС, во многих странах, в том числе и в России, существует целая система нормативных документов (Государственных стандартов, Норм на параметры излучения передатчиков и т.д.), которые регламентируют основные характеристики и параметры РЭС, влияющие на их ЭМС. К числу наиболее важных нормативных документов такого рода относятся следующие:
ГОСТ 30 372-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения;
ГОСТ 23882-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Номенклатура параметров и классификация технических характеристик;
ГОСТ Р 50842-95. Устройства радиопередающие народнохозяйственного применения. Требования к побочным радиоизлучениям. Методы измерения и контроля;
ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний.
ГОСТ Р 51320-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств – источников индустриальных помех;
Нормы 19-02. Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения.