电磁兼容现场测试中干扰源的自动辨识
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专业：控制科学与工程 指导老师：摘 要: 复杂系统由于上装设备众多，空间狭小，导致电磁兼容(EMC)问题突出。电磁兼容现场测试是解决系统性电磁兼容问题的有效手段，但在国内针对电磁兼容现场测试的研究还处于起步阶段，对于电磁兼容现场测试中干扰源的自动辨识研究更是少之又少。因此研究电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术具有重要的意义和工程应用价值。本文把电磁兼容现场测试中的干扰源的自动辨识作为研究目标。首先对电磁兼容现场测试的需求及特点进行分析，然后借鉴模式识别理论并将其应用于电磁兼容现场测试的干扰源辨识，设计了电磁兼容现场测试干扰源辨识方案。论文结合电磁兼容现场测试的实际情况，研究了小波消噪、曲线包络和曲线延拓等数据预处理算法，提出了峰值、包络和谐波等特征的提取方法，形成了原始相关系数、峰值相关系数和相似离度等相似度评价指标。最后构建了辨识系统并建立了辨识系统的数据库，为数据的管理和共享提供了便利的条件。 关键词： 电磁兼容 现场测试 干扰源辨识 模式识别 1 研究背景和意义
在科学发达的今天，广播、电视、通信、导航、雷达、遥测测控及计算机等迅速发展，尤其是信息、网络技术以爆炸性方式增长，电磁波利用的快速扩张，产了不断增长的电磁污染，带来了严重的电磁干扰。各种电磁能量通过辐射和传导的途径，以电波、电场和电流的形式，影响着敏感电子设备，严重时甚至使电子设备无法正常工作。上述情况对电子设备及系统的正常工作构成了很大的威胁，因此加强电子产品的电磁兼容性设计，使之能在复杂的电磁环境中正常工作已成为当务之急。电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)是设备或系统在其电磁环境中，能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)和电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility, EMS)两个方面。电磁兼容测试是验证电子设备电磁兼容设计的合理性以及最终评价、解决电子设备电磁兼容问题的主要手段。通过定量的测量，可以鉴别产品是否符合 EMC 相关标准或者规范，找出产品在 EMC方面的薄弱环节。
目前很多国家和组织都制定了相关的电磁兼容标准，只有符合相关指标要求的电子和电气产品才能进入市场。要判断某电子产品是否存在电磁兼容性问题，就需要依据相关标准对该产品进行具体的电磁兼容测试
在目前电磁兼容测试中，针对设备或分系统级的电磁兼容测试与评价有着较为完备的电磁兼容标准或规范体系，不仅规定了测试所使用的仪器设备的具体指标要求，同时还规范了测量方案的组成和环境要求，这是其他标准或规范中所少见的。然而针对系统测试，目前还没有详细具体的标准或规范。已经了解的标准有美军标 MIL-E-6051D《系统电磁兼容性要求》（已等效成国军标 GJB1389《系统电磁兼容性要求》），又如美军标 MIL-STD-1541A《对航天系统的电磁兼容性要求》等。在这些标准中给出了一些应该遵从的原则，但如何将这些原则用于工程，还需要一个实践的过程。 2 电磁兼容现场测试分析及测试方法研究
随着电子信息技术的飞速发展，各种电子设备间的电磁兼容问题也日益突出，为了掌握和高这些电子设备的电磁兼容性，最直接的方法就是对它们进行电磁兼容测试。现场系统电磁兼容测试作为最能反映系统真实任务执行能力的电磁兼容测试起着非常重要的作用。本章从标准测试和现场测试的区别、微弱信号测试关键技术和近场抗饱和测试技术等方面分析了现场测试的特点和测试方法。 2.1 标准测试
在电磁兼容测试中，场地对测试结果的影响非常明显。主要原因是场地的差异，即空间直射波与地面反射波的反射影响和接收点不同，造成相互叠加的场强不一致。早期的 CISPR 标准要求电磁兼容测试应该在开阔测试场地(OATS)中进行。开阔试验场的基本结构应是周围空旷，无反射物体，地面为平坦而导电率均匀的金属接地表面。场地按椭圆形设计，场地长度不小于椭圆焦点之间距离的 2倍，宽度不小于椭圆焦点之间距离的 1.73 倍，具体尺寸的大小一般视测试频率下限的波长而定。实际电磁辐射干扰测试时，EUT 和接收天线分别置于椭圆场地的两个焦点位置。考虑到开阔试验场及屏蔽暗室的建造成本和环境的限值，国内外电磁兼容标准将 EUT 到接收天线的距离定为 3m 和 10m，俗称 3m 法和 10m 法。如要满足 3m 法测量，场地长度不小于 6m 距离，宽度不小于 5.2m 距离；如要满足 10m 法测量，场地长度不小于 20m 距离，宽度不小于 17.3m 距离。
标准 RE102 测试示意图
2.2 现场测试
标准测试在针对部件级或者设备级的电磁兼容测试方面具有无可比拟的优势，但是在反映任务系统的系统性能方面却有一定的局限性。主要体现在： 1) 标准实验室的测试是针对单个设备的测试，无法体现上装环境下成组设备工作时的成组特性。
2) 标准实验室内的测试由于空间及连接限制，无法体现设备的实际工作模式。 3) 标准实验室中电源采用 LISN 供电，LISN 的阻抗为 50 欧姆标准阻抗，能够与设备实现较好的阻抗匹配，无法体现上装环境下设备实际的阻抗特性。 2.3近场抗饱和测试技术
在电磁兼容现场测试中，经常会遇到大信号的测量，如针对车载通信系统的无线设备辐射发射特性测试。由于电台的发射功率较大，测试距离近，很容易导致频谱仪出现饱和和失真问题，导致测试结果出现误差。这主要由于以下两个原因：（1）测量信号超过频谱仪的测试动态范围，而导致测试结果的不正确，出现频谱仪饱和现象；（2）测量信号功率位于频谱仪非线性失真区，使测试结果出现非线性失真的现象。所以需要研究近场抗饱和测试技术，来减小饱和带来的误差。在测试过程中可以使用衰减器防止接收到大功率的信号使得频谱仪混频器饱和，给测试带来误差。但是使用了宽带的衰减器引起的问题是：衰减器不仅将大信号进行了衰减，小信号也被衰减以至于小信号可能被噪声淹没。为了解决该问题，在测试过程中使用了中心频率可调的带通或带阻滤波器，该滤波器的功能就是实现 EMC 接收机的前端预选器的功能，使用该滤波器可以防止大功率信号进入频谱仪，只要在测试过程中将带阻滤波器的中心频率调节到电台的发射频率即可。 2.4 滤波器补偿技术
补偿的过程首先通过无线设备发射特性信息库读取电台发射特性的测试数据、测试的频率和使用滤波器的情况，然后在滤波器插入损耗库中查找该频率使用的滤波器的插入损耗数据，通过差值算法将滤波器特性数据的数据点和发射特性的数据点相同，然后在经过计算获得最终的结果。测试中的接收端使用了带通/带阻滤波器和宽带衰减器。在进行宽带测试时使用宽带衰减器；在进行电台基波特性测试时使用带阻滤波器；在进行电台谐波测试时使用带通滤波器。
抗饱和辐射发射特性测试示意图
3 干扰源辨识方案设计
频谱测试曲线在电磁兼容故障诊断中发挥着举足轻重的地位。在部件级或者设备级的电磁兼容分析中，经验丰富的电磁兼容工程师往往通过不同频段的 EUT发射特性曲线判断 EUT 出现电磁兼容问题的根源，然后制定抑制方案，最后解决电磁兼容问题。在电子通信系统中，电磁兼容问题日益突出，对系统级的干扰源定位技术的需求日益迫切。 3.1 需求分析
随着现代通信电子科学技术的高速发展和广泛应用，电子通信系统正在向集成化、多任务化、微型化发展。各种各样的电子设备或系统以及其他的电子、电气设备越来越密集导致的系统内电磁环境及其复杂，高密度、宽频谱的电磁信号充满整个空间，使电子通信系统受到了严重的考验，电磁兼容性问题日益突出。以车载通信系统举例来说，由于车辆的车内、车顶空间都非常狭小，在这样狭小的空间内安装了多部不同频带及功能的电台、计算机、数字化车通等各种数字化设备，存在着多种导致系统电磁兼容（EMC）性能恶化的因素，如：有限频带内密集的工作频率，单位体积内较大的电磁功率密度，高低电平器件或装置的混合使用，高灵敏度设备的使用以及设备通过供电系统、接地系统、互连系统以及空间辐射产生电磁干扰耦合等。而若干类型的单车系统又可组成一个庞大的、复杂的电子系统，构成静止状态的有线与无线通信局域网、运动状态的无线通信互连局域网，存在多类通讯天线，会引起频域和时域的混合干扰，这将使电磁环境已经比较恶劣的有限空间内的电磁频谱更加拥挤、电磁环境更加恶化，致使系统电磁兼容问题更加复杂。
随着计算机技术的发展，越来越多的工作已经能够使用计算机语言实现。计算机软件实现的优势在于能够有效的控制因人员差异造成的评价误差、运行速度快且稳定等优点。现代智能模式识别技术在近些年得到了快速的发展，在各个领域都有很好的应用。在电磁兼容领域，目前自动化测试已经较为普及，但是在测试中得到大量的测试数据却难以得到很好的利用，靠人眼分辨测试数据效率低下，迫切的需要自动化的数据处理技术。正是在这种需求背景下，本文借鉴模式识别理论提出了适合于计算机实现的干扰源自动辨识技术。 3.2 干扰源辨识方案设计 3.2.1 模式识别的方法
模式识别(pattern recognition)是当前科学发展中的一门前沿科学，也是一门典型的交叉科学，它的发展与人工智能、计算机科学、传感技术、信息论、语言学等科学的研究水平息息相关，相辅相成。所谓模式识别是根据研究对象的特征或属性，利用计算机为中心的机器系统运用一定的分析算法认定它的类别，系统应使分类识别的结果尽可能地符合真实。模式识别涉及的理论与技术相当广泛，涉及多种数学理论、神经心理学、计算机科学、信号处理等等。从本质上讲，模式识别实际上是数据处理及信息分析，而从功能上讲，可以认为它是人工智能的一个分支。针对不同的对象和目的，可以用不同的模式识别理论方法。目前主流的技术是：统计模式识别、句法模式识别、模糊数学方法、神经网络方法、人工智能方法。
3.2.2 干扰源辨识方案
大型电子通信系统有许多的电子设备组成，这些设备在功能上的互补使得系统能够很好的完成设计任务。但是这些设备在完成任务的时候又会互相产生电磁干扰，严重的甚至影响到系统完成任务的能力。电磁兼容测试能够发现问题，找寻相关的干扰源。本文立足于以往的测试数据，以模式识别过程为基本导向，研究了一套适用于电磁兼容测试的干扰源辨别方案。基本思想是先建立关键设备的模板数据库，然后将受扰设备端的测试结果作为待辨识数据，将其通过干扰源辨识算法和模板库中的数据进行比较，最后辨识出干扰源。
干扰源辨识算法
4 干扰源辨识关键技术分析 4.1 数据预处理技术
在使用频谱仪进行现场测试的过程中，仪器会采集到三种信号的数据：有用信号、仪器内部噪声和外界环境噪声。数据预处理技术的作用正是用于消除噪声的影响。从信号处理的角度看，小波消噪是一个信号滤波的问题，尽管在很大程度上小波消噪可视为低通滤波，但是由于消噪后，还能成功的保留信号的特征，所以在这一点上，小波消噪方法又优于传统的低通滤波器。由此可见，小波消噪实际上是特征提取和低通滤波的综合。 4.2 特征提取
在电磁兼容测试中，峰值信号是最为关心的信号。峰值信号所在频率和相应幅值是发现问题、解决问题的关键信息。峰值的判别可以根据测试数据的单调性确定。对测试点左右两侧进行单调性判断，如果该测试点的左侧为单调递增并且右侧为单调递减，则认定其为峰值点，否则不是峰值点。但是由实际的测试曲线可知，环境信号的测试结果中大部分都不是有用信号，而是频谱仪的底部噪声。频谱仪底噪是在一定范围内波动的随机数，若按单调性的方法进行峰值提取，必然会提取出很多的底噪数据，达不到提取干扰信号峰值的效果。所以在进行峰值提取前需要进行噪声阈值判断，对于大于该阈值的信号才进行峰值提取。
峰值提取流程图
4.3 相似度评价
现场电磁兼容的测试能够通过自动测试软件得到频谱特性曲线。干扰源的辨识即是对频谱特性曲线的辨识。频谱特性曲线具有整体特性和局部特性，上节的特征提取技术已经对特征进行了提取，本节提出相应的相似度评价指标以满足干扰源辨识的判别需求。
衡量相似度前，首先需要对电磁兼容测试曲线的特性进行分析。电磁兼容测试曲线辨识最重要特征在于相同频点或频段的趋势一致，而曲线幅值可以具有一定的差异。这是由于测试本身的可重复性差决定的，例如受试设备工作条件的微弱改变，测试距离的微弱改变，外界环境的变化等都可能导致测试的幅值发生一定的变化。如果采用单一的评价指标来衡量电磁兼容测试中的测试曲线的特性，则具有相当的局限性。这是因为无论是采用相关系数、相似离度、包络特征或峰值特征等单一特性都不能完整表现测试曲线的特性。所以需要一个综合的相似指标对干扰源辨识结果进行评价。 5 小结
本文主要研究了电磁兼容现场测试中的干扰源辨识技术。本文着眼于实际的工程应用，首先对电磁兼容现场测试的背景及国内外在该项技术上的发展现状和趋势进行了研究，指出了进行电磁兼容现场测试的干扰源辨识的重要性和必性。在此基础上对电磁兼容现场测试的测试方法进行了研究，重点和电磁兼容标准测试作比较，阐述了现场测试相对于标准测试的不同点和复杂性。针对现场测试的特点，提出了微弱信号测试和现场抗饱和测试的测试方法。在对干扰源辨识的需求分析后，借鉴模式识别理论设计了一套干扰源自动辨识的辨识方案并提出干扰源辨识算法。对于干扰源模板的建立，本文给出了详细的测试方法和约束条件。在构建干扰源自动辨识系统的过程中突破了以下关键技术：数据预处理技术、特征提取技术和相似度评价技术。另外本文还存在一些问题有待进一步完善和研究：对干扰源模板的建立，还需要大量测试结果的验证并根据测试结果对模板的建立方法进行改善和优化；干扰源辨识技术中的特征提取方法还可做进一步研究，以找到其它合适的特征；对于综合评价指标的权重选择需要通过大量辨识结果的验证和优化等。 参考文献
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