Телекоммуникационные системы: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость

Необходимость в электромагнитной совместимости

По мере того, как телекоммуникационное оборудование становится все более сложным, требования к его рабочим характеристикам, скоростям передачи данных и рабочим полосам частот растут. Формы электромагнитных помех, не вызывавшие проблем в прошлом, в настоящее время могут существенно влиять на работоспособность телекоммуникационных систем.

В ранних поколениях телекоммуникационных систем использовали электромеханические устройства, которые, в силу своей природы, были весьма мало восприимчивы к электромагнитным помехам. Для функционирования таких устройств требовалась электроэнергия, которая могла быть преобразована в механическую, и этого было достаточно для приведения устройства в рабочее состояние (например, замыкание контакта при работе реле). Случайные электромагнитные помеховые сигналы в большинстве случаев не достаточно сильны для того, чтобы привести электромеханическое устройство в рабочее состояние. Кроме того, механический принцип действия и относительно большая масса электромеханических приборов обусловливают низкие требования к качеству питания, характеризуемому наличием или отсутствием таких явлений как, например, провалы, пиковые броски, кратковременные отключения напряжения.

В противоположность системам на основе электромеханических приборов, в современных электронных телекоммуникационных системах используют твердотельные приборы, которые намного более чувствительны к электромагнитным помехам. Для работы таких систем требуются более низкие уровни питающей и управляющей электроэнергии, мощной ровно настолько, чтобы произвести молекулярный сдвиг в электронном приборе, достаточный для изменения его проводящих характеристик. Случайный электрический шум может эмулировать эту электроэнергию. Поэтому требования к качеству питания таких приборов очень высоки. Мгновенные низкоэнергетические сигналы могут приводить некоторые электронные приборы (например, логические элементы) в режим самозапирания.

Наведенные помехи проникают в электронные приборы, в основном, через линии входных и выходных сигналов, линии питания. Радиационные помехи попадают в электронные приборы, в основном, из-за отсутствия или несоответствия их корпусов и контейнеров onpеделенным требованиям, отсутствия систем экранирования или несоответствия их требованиям, или близостью расположения к источникам радиочастот.

При создании коммуникационных систем должны приниматься меры по предотвращению влияния помех как на стадии проектирования системы, так и на стадии монтажа. Телекоммуникационные инсталляции, в которых нарушается нормальное функционирование, происходят аварии, часто имеют одну или несколько проблем, связанных с кабельной или заземляющей системами. При создании коммуникационной системы должно быть предусмотрено взаимодействие и взаимосоотношение следующих подсистем (рис. 49):

Электромагнитные помехи (emi) и электромагнитная совместимость (емс)

Электромагнитное (ЕМ) поле наводит электрический ток в токонесущем проводнике, и ЕМ-поле существует вокруг этого проводника в случае присутствия в нем электрического тока. Взаимодействие между ЕМ-полями и токонесущими проводниками и результирующее воздействие на коммуникационные кабельные сети и электронное оборудование требует изучения электромагнитной совместимости (ЕМС) и электромагнитных помех (EMI).

Терминология. Термины EMI (электромагнитные помехи), ЕМС (электромагнитная совместимость) и RFI (радиочастотные помехи) часто ошибочно применяют для описания явлений, имеющих различный смысл и оказывающих различное влияние на оборудование и системы. В результате этого общение между проектировщиком телекоммуникационных систем и конечным пользователем может привести к ошибкам. Очень важно для взаимного понимания применять точную терминологию и оговаривать с клиентом применяемые при переговорах и в документации термины.

Желательные и нежелательные электромагнитные поля. ЕМ-поля могут быть как желательными, так и нежелательными - в зависимости от того, создают ли они помехи работе сети или электронных приборов. Так, телевизионный вещательный сигнал является желательным ЕМ-полем для телевизионного приемника, но может и не быть таковым для AM/FM-радиоприемника. ЕМ-поля, оказывающие нежелательное влияние на приборы, оборудование или систему, называются электромагнитными помехами (EMI). EMI могут генерироваться внешними и внутренними источниками и могут быть искусственного и естественного происхождения.

Условия возникновения нежелательных EMI. Телекоммуникационные системы, работающие с отклонениями от нормы из-за влияния нежелательной электромагнитной энергии,, являются жертвами EMI, которые всегда присутствуют в какой-либо форме. Проблема ЕМ1 для телекоммуникационных систем возникает только при одновременном наличии трех сле- дующих условий:

• источника помех;

• восприимчивого к помехам элемента;

• пути, по которому передается шум от источника помех к восприимчивому к помехам элементу.

Проявления EMI. Может возникнуть обманчивое впечатление, что электромагнитные помехи существуют только в замкнутом пространстве электронных устройств. Однако это далеко не так. Насколько недальновидно и порой опасно может быть пренебрежение нормами соблюдения электромагнитной совместимости, можно убедиться на нескольких приведенных ниже примерах влияния EMI:

• автопилот, изменяющий курс на 180° при работе сотового телефона;

• искажение изображения или звука телевизионного приемника при работе пылесоса;

• шумы или фоновые разговоры, иногда слышимые при работе телефона;

• прием сигналов радиостанций спикерфоном;

• потрескивание или фоновый шум, слышимые в автомобильном радиоприемнике при пе- ресечении автомобилем зон мачт радиотрансляции или высоковольтных линий;

• электрический удар, ощущаемый человеком, вследствие электростатического разряда, формирующегося в приборах, несущих высокоэнергетические потенциалы (например, мониторы компьютеров);

• блокирование компьютеров или телефонного оборудования при электростатическом разряде с ножки стула, расположенного поблизости.

Если в бытовых условиях подобные вторжения электромагнитных шумов могут вызвать раздражение, в коммерческих и специальных коммуникационных системах такие явления могут приводить к крупным финансовым потерям и даже технологическим катастрофам.

Виды EMI. В феномене EMI участвуют три группы объектов и явлений (табл. 40): Таблица 40. Объекты и явления, участвующие в феномене EMI

Источники наведенных и излученных помех

Коммуникации

Передатчики

Радары

Телеметрия

Навигация

Двигатели

Коммутаторы

Силовые линии

Источники, передающие или распространяющие помехи

Нарушения разделения сред Дефекты систем экранирования Некачественная фильтрация Неправильное заземление Силовые линии Входная/выходная проводная сеть

Принимающие или чувствительные элементы

Приемники (все типы)

Чувствительные электронные компоненты

Релейное оборудование

Организм человека (биологический риск, влияние на человека)

EMI могут быть искусственного и естественного происхождения.

К естественным источникам EMI можно отнести атмосферные грозовые явления и разряды молний.

Источники EMI искусственного происхождения - это электросиловые установки (преобразователи, трансформаторы, генераторы), электроника связи (вещание - AM, FM, VHP или UHF; навигационная, телефонная, радиосвязь, спутниковая), электроприборы, промышленное оборудование, флуоресцентные лампы.

Источники EMI также подразделяются на внешние и внутренние (табл. 41):

Таблица 41. Типичные источники EMI

Типичные внешние источники EMI

Радиопередатчики

Портативные передатчики

Силовые линии

Радары

Сотовые телефоны

Системы зажигания двигателей

Молнии

Электростатические разряды (ESD)

Электродвигатели

Дроссели

Типичные внутренние источники EMI

Источники питания

Выпрямители

Осцилляторы

Цифровые часы

Силовые кабели

Проводные и кабельные сети

Контроль внешних источников EMI в большинстве случаев затруднен, поэтому при создании коммуникационных систем необходимо обеспечение мер защиты.

Внутренние источники EMI обычно проще контролировать, так как есть возможность уменьшения эмигрирующей способности источника. Длинные отрезки неэкранированных проводников подвержены воздействию внешнего шумового излучения вследствие особенности их поведения в качестве антенн; проводник, несущий шумовой сигнал, может наводить шум в близлежащих проходящих проводниках. Телекоммуникационная проводная сеть также может нести в себе EMI, генерированные внешними источниками, и переизлучать или наводить шум EMI в других проводниках.