3. Методы анализа электромагнитной совместимости

3.1. Общие положения

Анализ ЭМС проводится с целью определения возможностей сов­местной работы радиоэлектронных, электронных и электротехни­ческих средств. Результаты анализа позволяют прогнозировать выполнение условий ЭМС в конкретной ситуации и служат осно­вой для принятия практических мер по обеспечению ЭМС РЭС. Анализ ЭМС включает в себя качественное и количественное изучение различных аспектов общей проблемы ЭМС. Ввиду ее сложности и большого числа практических ситуаций общий ана­лиз ЭМС распадается на ряд частных задач, представляющих са­мостоятельное значение для практики. При анализе ЭМС можно выделить следующие группы задач:

• исследование показателей ЭМС устройств и их элементов;

• исследование электромагнитной обстановки;

• исследование выполнения ЭМС в конкретной группе средств.

Исследование показателей ЭМС устройств и их элементов.

Эти исследования объединяют широкий круг вопросов, связанных с оп­ределением характеристик РЭС и их элементов, влияющих на ус­ловия их совместной работы. Изучению подлежат как характери­стики РЭС, являющиеся причиной возникновения непреднамерен­ных помех, так и характеристики, которые определяют подвер­женность рецептора действию НЭМП. В число конкретных задач входит определение:

• количественных характеристик не основных излучений радиопе­редающих устройств;

• уровней и спектрального состава индустриальных помех, соз­даваемых различными устройствами;

• параметров, характеризующих восприимчивость радиоприемных устройств вне основного канала приема сигналов как антеннами, так и по цепям электропитания, управления и коммутации;

• восприимчивости электронных устройств при воздействии по­мех через корпуса, по цепям электропитания и т. д.

К этой же группе задач следует отнести определение качест­венных показателей конкретных РЭС, подвергающихся действию непреднамеренных помех. Каждое конкретное средство можно ха­рактеризовать некоторым числовым показателем качества Q, отражающим выполнение этим средством своих основных функций. Например, для цифровой системы передачи данных - вероятность правильной передачи, для устройств радиотелефонной связи Q-показатель разборчивости речи (коэффициент артикуляции) и т. д. В отсутствие помех значение показателя качества зависит от отношения сигнал-шум или где - соответственно мощности и напряжения сигнала и собственного шума, пересчитанные к входу устройства. Под действием НЭМП значение показателя качества может изменяться. Степень ухудшения его зависит от энергетических спектральных и статистических характеристик НЭМП, а также способа обработки сигнала, выбранного метода кодирования, специальных мер, предпринятых для защиты рецептора от действия умышленных и непреднамеренных помех.

Задача определения качественных показателей РЭС в усло­виях действия НЭМП заключается в определении снижения пока­зателя качества под действием помех и на­хождении их допустимых уровней или соот­ношений сигнал-помеха плюс шум по соответ­ствующему значению критерия оценки влияния НЭМП на рецептор. При этом ЭМС обеспечивается, если

(3.1)

Задачи определения характеристик ЭМС могут решаться на основе детерминированного или вероятностного подхода. При детерминированном подходе искомые параметры ЭМС описываются детерминированными величинами и функциями, при вероятност­ном — случайными величинами и функциями. Более адекватным является вероятностное описание характеристик ЭМС, так как на указанные характеристики влияет большое число факторов, име­ющих случайный характер.

Исследование электромагнитной обстановки.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) — это совокупность всех естественных (природ­ных) и искусственных электромагнитных полей, существующих в заданной области пространства, определенная для заданных полосы частот и промежутка времени. Электромагнитная обстанов­ка создается всеми видами электромагнитных помех, существую­щих в рассматриваемой ситуации, и зависит как от характеристик ЭМС устройств и их элементов, так и от условий распростране­ния помех. Любое РЭС не только функционирует в определенной электромагнитной обстановке, но и участвует в создании элект­ромагнитной обстановки другим средствам. Анализ ЭМО — это нахождение условий, в которых должны функционировать кон­кретное РЭС или группа средств, и выработка количественных оценок по степени влияния помех на конкретное средство.

По отношению к рассматриваемым средствам электромагнит­ная обстановка может быть внешней или внутренней. Внутрен­няя обстановка создается РЭС, размещенными, например, на ле­тательном аппарате, корабле, узле связи и т. д., и определяется только свойствами рассматриваемой группы средств, внешняя — средствами различных объектов, например ЭМО, существующая между самолетами, кораблями, их совокупностями, между РЭС, расположенными на местности и т. д.

К числу задач анализа ЭМО относятся: определение степени загрузки отдельных частотных диапазонов средствами различных радиослужб; нахождение зависимостей уровней неумышленных по­мех от пространственных, частотных, временных, поляризацион­ных соотношений; составление соответствующих гистограмм рас­пределения частот и энергетических уровней излучения передат­чиков и чувствительности приемников (рис. 3.1), уровней индуст­риальных помех в окружающем пространстве и на объектах, уров­ней помех в проводах питания и управления; расчет зон, в преде­лах которых уровни конкретных помех не превышают некоторо­го допустимого значения, и т. д.

Оценка электромагнитной обстановки может быть детермини­рованной или вероятностной. При детерминированном подходе уровни помех, их спектральный состав и т. д. оценивают детерми­нированными величинами и функциями. При вероятностной оцен­ке искомые величины описывают в вероятностных категориях — плотности вероятности распределения мощностей, вероятности су­ществования недопустимых помех в пределах определенных зон и т. д.

Задачи, относящиеся к анализу электромагнитной обстановки и анализу характеристик ЭМС, тесно связаны между собой. Дей­ствительно, электромагнитная обстановка в конкретной ситуации зависит от характеристик ЭМС устройств и их элементов. С дру­гой стороны, для определения реакции РЭС необходима инфор­мация о количественных характеристиках помех, которая получа­ется из данных анализа электромагнитной обстановки.

Исследование выполнения ЭМС в конкретной группе средств.

Они проводятся с целью установления факта электромагнитной совместимости и при ее нарушении — нахождения конкретных при­чин несовместимости, включая выявление источников непреднамеренных помех, причин распространения помех и путей их воз действия на рецепторы. Анализ ЭМС в группе средств базируется на результатах исследования электромагнитной обстановки и параметров, влияющих на ЭМС. Анализ электромагнитной обстановки позволяет выяснить, какие именно помехи действуют в конкретном случае и каковы их энергетические, спектральные и статистические характеристики. Для решения вопроса о наличии или отсутствии совместимости необходимо установить характер влияния этих помех и оценить результаты этого влияния на качество функционирования РЭС в данной группе.

Рис.3.1. Диаграмма распределения частот и энергетических уровней источников и рецепторов помех

Анализ ЭМС для конкретной ситуации проводится на основе использования моделей взаимодействия. Модели целесообразно различать:

а) по виду оценки ЭМС – парная оценка, групповая и комплексная. При парной оценке учитывается воздействие помех, создаваемых каждым из двух средств, при большем числе их — попарное действие каждого из средств группы на каждое другое. Групповая оценка предусматривает изучение влияния группы источников на один рецептор или поочередно на все рецепторы группы. При комплексной оценке рассматривается влияние группы источников на все рецепторы, входящие в состав данной совокупности средств. Комплексная оценка базируется на использовании групповой, групповая — на использовании парной, но ни групповая, ни комплексная оценки в общем случае не являются простой суммой некоторого числа парных оценок;

б) по характеру учитываемых функциональных связей между анализируемыми средствами – простая и сложная логика влияния. Простая логика предполагает, что каждое из устройств в группе можно рассматривать как функционально независящее от остальных средств. При этом снижение индивидуальных показателей качества каждого из средств в группе обусловлено только уровнями и типом действующих помех и не зависит от ухудшения индивидуальных показателей других средств. При сложной логике учитывается то, что в общем случае отдельные средства в группе могут иметь функциональные связи друг с другом. Наличие связей приводит к тому, что воздействие помех на некоторый i-й рецептор не только вызовет ухудшение его индивидуальных показателей, но и повлечет изменение качества другого средства, например j-го, имеющего с ним функциональную связь;

в) по характеру оценки электромагнитной обстановки — детерминированные представления и вероятностные;

г) по характеру оценки качества функционирования — детерминированные и вероятностные.

Возможны различные комбинации перечисленных моделей. Выбор конкретной модели определяется целью анализа, требованиями к его точности, подробностью и достоверностью исходных данных. Наиболее простые модели (например, парная оценка, соот­ветствующая простой логике при детерминированных описаниях электромагнитной обстановки и оценке характера влияния) требуют для проведения анализа меньшего времени и меньшего объ­ема исходной информации, но обладают наименьшей надежностью. Их применение наиболее целесообразно для получения предвари­тельных оценок. Более совершенные модели требуют более деталь­ной исходной информации и значительно сложнее.

Ввиду разнообразия задач анализа ЭМС широким является и арсенал используемых средств, включающий:

аналитические методы исследования, позволяющие получить искомые результаты расчетным путем на основе использования математических моделей изучаемых явлений;

методы имитационного моделирования, позволяющие получить искомые результаты путем математического моделирования изуча­емых явлений с помощью ЭВМ;

экспериментальные методы, позволяющие получить искомые результаты путем измерений физических величин.

При прогнозировании ЭМС РЭС на этапе их разработки ис­пользуются аналитические методы, в том числе реализованные на ЭВМ. Задачи определения реакции РЭС на воздействие сигналов и помех на последующих этапах могут успешно решаться метода­ми имитационного моделирования и экспериментальными мето­дами. Наконец, для определения характеристик ЭМС различных устройств целесообразнее использовать экспериментальные мето­ды анализа.