16

Федеральное агентство связи

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Глаголев С.Ф.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ систем передачи информации

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2011

Введение

Жизнь современного человека невозможно представить без множества электрических и электронных приборов. В каждом доме можно найти электрический утюг, холодильник, телевизор, радиоприемник, магнитофон, кофемолку и т.п. Еще больше электрических и электронных приборов окружают человека на работе. Это различное производственное и технологическое оборудование, измерительная и вычислительная техника. Практически все электрическое и электронное оборудование является источником электромагнитных помех. Работа большинства электронных приборов может быть нарушена электромагнитными помехами. Приемниками электромагнитных помех часто выступают входные цепи усилителей, входящих в состав большинства электронных устройств.

Приведем некоторые известные примеры проявления электромагнитных помех:

• изменение курса автопилотом самолета от работающего в салоне сотового телефона;

• искажения изображения в ТВ приемнике от работающей поблизости кофемолки;

• шумы и посторонние разговоры в телефонном аппарате;

• сигналы от радиостанций воздействующие на воздушные и кабельные линии связи;

• шумы и трески в автомобильном приемнике при проезде мимо ЛЭП или ЭЖД;

• электростатические разряды, например, в мониторах ПК, могут приводить к зависанию ПК.

Перечень проявлений электромагнитной несовместимости можно продолжать очень долго.

Предваряя краткий исторический обзор развития проблемы ЭМС, попробуем определить основные термины, характеризующие ЭМС:

• Электромагнитная совместимость (ЭМС)- это способность электронной аппаратуры нормально функционировать в определенной электромагнитной обстановке (ЭМО), не создавая при этом электромагнитных помех, опасных для других технических средств или человека.

• Электромагнитная помеха (ЭМП) - это любое внешнее электромагнитное явление, способное негативно влиять на работу электронной аппаратуры.

• Электромагнитной обстановкой (ЭМО) - называется совокупность количественных характеристик основных ЭМП на конкретном объекте. В понятие ЭМО также включают некоторые характеристики (например, параметры заземляющего устройства), от которых существенно зависит устойчивость электронной аппаратуры к помехам.

1. Первые электромагнитные системы передачи и приема информации.

1.1. Электромагнитные явления

Из названия нашей дисциплины «Теория электромагнитной совместимости систем передачи информации», следует, что речь идет о системах передачи информации, основанных на электромагнитных явлениях. Поэтому традиционная почта с письмами на бумаге, которые доставляются адресату с помощью различных транспортных средств, включая автомобили, поезда, самолеты и корабли, не входит в сферу наших интересов. Почтовые отправления могут также доставлять люди (скороходы), специально обученные голуби, собаки и другие животные.

Проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) систем передачи и приема информации, в близком к современному значению этих понятий, возникли у человечества одновременно с изобретением и внедрением в 19 веке различных конструкций электромагнитного телеграфа – устройства, предназначенного для передачи и приема символьных информационных сигналов (букв и цифр) на большие расстояния. Идея передачи информации с помощью электричества в 18-19 веках буквально витала в воздухе. Много выдающихся ученых и инженеров в разных уголках Земли занимались разработкой телеграфных аппаратов.

Слайд 1.Однако для создания электромагнитных систем передачи информации наука должна была пройти большой путь. На первых порах развития науки об электричестве и магнетизме исследовались в основном природные электромагнитные явления: грозовая деятельность, разряды молнии, которые не только вызывали психологическое воздействие на суеверных людей, но могли приводить к пожарам и гибели людей и животных. Проводилось изучение природного магнетизма и таких явлений, как северные сияния, которые сопровождаются магнитными бурями. Большой вклад в изучение грозовых явлений внес выдающийся русский ученый энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) и его коллега по российской академии наук профессор Георг Рихман (1711-1753), который погиб, изучая разряды молнии.

Слайд 2. В 18 веке ученые (в основном европейские) начали систематическое изучение электрических и магнитных явлений, были созданы приборы для генерации электрических полей и зарядов. Особую роль в развитии науки об электричестве сыграл французский ученый Шарль Кулон (1736-1806). Он открыл закон взаимодействия электрических зарядов и заложил основы электростатики.

Первым сделал попытку использовать электростатические явления для связи шотландский изобретатель Чарлз Моррисон, опубликовавший в 1753 г. предложение передавать по 26 проводам электрические заряды от лейденских банок, под действием которых металлические шарики на приемном аппарате притягивали легкие бумажные таблички с изображениями букв алфавита.

Слайд 3.Дальнейший прогресс в создании надежных систем передачи и приема информации связан с изучением естественного магнетизма, известного с древнейших времен. В 1044 году впервые упоминается об изобретении китайскими учеными магнитной стрелки и об ее использовании для ориентации в пространстве (в первую очередь на море), используя магнитное поле Земли. Значение компаса для мореплавания в средние века, в эпоху великих географических открытий, да и в наше время трудно переоценить. Магнитная стрелка, которая в магнитном поле располагается вдоль силовых линий напряженности магнитного поля, входит составной частью во многие конструкции электромагнитных телеграфов.

Слайд 4. Для создания электромагнитного телеграфа необходимо было изобретение устройства для генерации электрического тока. Итальянский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798), который изучал электрические явления в живых организмах, попутно изобрел источник постоянного тока - гальванический элемент. В 1800 году итальянский ученый Александр Вольта (1745-1827) создал свой электрохимический источник постоянного тока длительного действия вольтов столб. Появились первые электрические цепи. Были открыты законы, связывающие напряжения и токи в цепях: знаменитый закон Георга Ома (1778-1854) и, обобщающие все явления в электрических цепях постоянного тока, законы Густава Кирхгоффа (1824-1887). Позже все законы для цепей постоянного тока были обобщены и на цепи переменного тока. Знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель Андре Мари Ампер (1775-1836) открыл закон взаимодействия электрических токов.

Слайд 5. В конце 18, начале 19 веков была осознана общность электрических и магнитных явлений. Датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) экспериментально доказал, что электрический ток создает магнитное поле. Для многократного усиления магнитного поля, создаваемого проводником с током, Эрстед использовал многовитковую катушку. В качестве устройства, реагирующего на магнитное поле электрического тока, он использовал магнитную стрелку. Он показал, что направление вектора напряженности магнитного поля зависит от направления электрического тока. Великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) открыл знаменитый закон электромагнитной индукции и доказал, что изменения магнитного поля вызывают появление электрического поля. Он также открыл эффект, названный в его честь эффектом Фарадея, доказывающий связь между процессами распространения света и магнитным полем. Его исследования положили начало таким областям науки, как электродинамика, электрооптика и магнитооптика. Большой вклад в теоретическое осмысление такого явления, как электромагнитное поле внес выдающийся немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс (1777-1855). Невозможно перечислить всех ученых, внесших существенный вклад в изучение электрических и магнитных явлений.

Цепь открытий завершилась в 19 веке созданием английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (1831-1879) общей теории электромагнитного поля (электродинамики), которая включает 4 основных уравнения и несколько вспомогательных выражений. Поразительным является тот факт, что эти уравнения позволили описать все известные в 19 веке электромагнитные явления, включая электросвязь и радиосвязь, которая появилась в конце 19 века. Все электромагнитные процессы в современной электроэнергетике, электросвязи, электронике, включая компьютерную технику, по-прежнему могут быть описаны с позиций электродинамики. Учитывая тот факт, что свет также представляет собой электромагнитные волны, то и оптические явления могут быть описаны уравнениями Максвелла. С помощью уравнений Максвелла могут быть описаны линейные и нелинейные явления в оптических волокнах, пассивных и активных компонентах волоконно-оптических системах передачи, элементах интегральной оптики, таких как: направленные разветвители, оптические коммутаторы, устройства спектрального уплотнения и других. Для описания физических процессов, связанных с электромагнитной совместимостью, также необходимо использовать уравнения Максвелла.