汽車對(duì)2．4GHz無線通信的干擾作用

摘要：為了分析汽車發(fā)出的電磁波對(duì)2．4 GHz無線通信的干擾作用，討論了汽車的幾種輻射性電磁干擾源，并用頻譜分析儀實(shí)際測(cè)量?jī)煞N汽車在2．4 GHz頻段上輻射性電磁干擾的相對(duì)強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果表明，汽車在2．4 GHz頻段發(fā)出的電磁干擾強(qiáng)度很小，可以推斷汽車對(duì)車栽2．4 GHz無線通信的影響作用不大。
關(guān)鍵詞：汽車；電磁干擾；無線通信；干擾強(qiáng)度

0 引言
    電子化和智能化已成為汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。現(xiàn)代汽車裝載了大量電子設(shè)備，如高性能微處理器，電子變速器、自動(dòng)巡行控制器、電子燃油噴射系統(tǒng)、車載通信娛樂及導(dǎo)航系統(tǒng)。這些電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)向空間發(fā)射高頻電磁波，進(jìn)而對(duì)其他電路的正常工作造成干擾而形成所謂的電磁干擾。汽車產(chǎn)生的電磁干擾不但會(huì)影響其他電子設(shè)備正常工作，也會(huì)影響汽車電氣系統(tǒng)本身的正常工作。
    ISM是工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段，國(guó)際電信聯(lián)盟無線通信委員會(huì)規(guī)定，只要設(shè)備的發(fā)射功率低于一定值且不對(duì)其他頻段造成干擾，即可免費(fèi)使用此頻段。國(guó)際上最常用的ISM頻段是433 MHz，915 MHz和2．4 GHz。其中，2．4 GHz為各國(guó)共同的ISM頻段。目前，無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee、WirelessUSB等無線設(shè)備均工作在2．4 GHz頻段上。
    電磁干擾問題由來已久，從1906年開始，人們就提出對(duì)汽車產(chǎn)生的電磁干擾加以限制，點(diǎn)火系統(tǒng)作為主要的電磁干擾源，成為研究的重點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)主要目的是通過分析汽車上的電磁干擾源和實(shí)測(cè)汽車在2．4 GHz頻段產(chǎn)生的輻射性電磁干擾的相對(duì)強(qiáng)度，推斷其對(duì)部署在汽車上的2．4 GHz無線通信設(shè)備的干擾作用。

1 汽車的電磁干擾源
    電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象。汽車對(duì)車載電氣設(shè)備的干擾分為兩種。第一種是輻射干擾，電磁波通過自由空間直接透入電子設(shè)備，并激勵(lì)設(shè)備內(nèi)部的電路，在電路上產(chǎn)生相應(yīng)的干擾能量，使與電路發(fā)生邏輯性錯(cuò)誤，足夠強(qiáng)的電磁干擾甚至可以直接損壞敏感的電子器件；第二種是傳導(dǎo)干擾，干擾源通過電源線、信號(hào)線等線纜把干擾信號(hào)耦合到其他設(shè)備，對(duì)其他設(shè)備的正常工作造成危害。對(duì)于獨(dú)立供電的車載2．4 GHz通信設(shè)備而言，它主要受到汽車的輻射性電磁干擾，所以本文主要分析、測(cè)量汽車的輻射性電磁源。
    按照電磁波產(chǎn)生與傳播理論，只要在直線形的電路上引起電磁振蕩，直線形電路的兩端就會(huì)出現(xiàn)交替的等量異號(hào)電荷，這樣的電路就會(huì)向空間發(fā)射電磁波。電磁波在單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量與頻率的四次方成正比，即電路的振蕩頻率越高就越容易向外輻射電磁波。汽車上有許多符合此條件的電路，因此汽車可以發(fā)出各種頻率的電磁干擾。交通密度每增加一倍，干擾噪聲功率頻譜密度便增加3～6 dB(A)。
    汽車電氣系統(tǒng)內(nèi)最強(qiáng)的電磁干擾源是點(diǎn)火系。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)火線圈次級(jí)的瞬變電壓很高，能在50μs內(nèi)上升至35 kV?；鸹ㄈ姌O放電時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)烈的電磁輻射向周圍的自由空間傳播。這種輻射電磁噪聲包含很高的頻率成分，是電視廣播的主要干擾源。
    汽車上有著許多的感性負(fù)載，比如各種電動(dòng)機(jī)和電磁閥。電磁閥的線圈在開路瞬間，會(huì)產(chǎn)生幾十倍于其工作電壓的反向電壓。這個(gè)反向電壓在由電感與分布電容形成的一個(gè)LC串聯(lián)振蕩電路中繼續(xù)諧振，從而產(chǎn)生諧波非常豐富的電磁輻射。這也是一個(gè)非常重要的電磁干擾源。
    汽車上還存在許多觸點(diǎn)開關(guān)，由于觸點(diǎn)存在接觸電阻的原因，開關(guān)在開合時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生電火花。如果電路中的電流比較大，這種電火花引起的電磁輻射也能夠干擾其他電器設(shè)備。直流電機(jī)工作時(shí)，炭刷和整流子也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的火花，在很寬的頻率范圍內(nèi)引起輻射性電磁干擾。汽車的雨刮電機(jī)普遍用直流電機(jī)，對(duì)外產(chǎn)生的干擾也較強(qiáng)。

2 汽車的輻射性電磁干擾的測(cè)定與分析
2．1 測(cè)量方法
    在2．4 GHz頻段上，分別測(cè)量汽車所處環(huán)境的電磁波功率和汽車在同一環(huán)境工作時(shí)的電磁波功率。通過對(duì)比這兩個(gè)值，可得到汽車在2．4 GHz頻段產(chǎn)生電磁干擾的相對(duì)強(qiáng)度。
2．2 測(cè)量過程
    測(cè)量過程如下：
    (1)安裝頻譜分析儀。頻譜分析儀有一個(gè)運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)的記錄軟件和驅(qū)動(dòng)程序。首先啟動(dòng)筆記本電腦，用USB線將頻譜分析儀FR24-SAU與筆記本電腦相連接，在操作系統(tǒng)提示找到新硬件后安裝頻譜分析儀的驅(qū)動(dòng)程序，最后在筆記本電腦上安裝頻譜分析儀的記錄軟件FRMT。
    (2)測(cè)量環(huán)境噪聲。將頻譜分析儀的天線放在副駕駛位置上，啟動(dòng)筆記本電腦并運(yùn)行頻譜分析儀的記錄軟件，在記錄軟件上設(shè)置頻譜分析儀的各項(xiàng)參數(shù)，開啟頻譜分析儀的峰值保持功能，關(guān)閉汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和所有車載電器設(shè)備，連續(xù)測(cè)量3 min，將測(cè)量結(jié)果記錄為“環(huán)境噪聲”。
    (3)測(cè)量汽車噪聲。與測(cè)量環(huán)境噪聲的步驟相類似，開啟頻譜分析儀的峰值保持功能。在測(cè)量期間保持汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，期間每隔30 s加減油門、開關(guān)轉(zhuǎn)向燈各一次，連續(xù)測(cè)量3 min，將結(jié)果記錄為“汽車噪聲”。
    為了獲得比較穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境，減少其他干擾源對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量時(shí)間選擇在晚上11：00，測(cè)量地點(diǎn)選在距離民宅超過200 m的空曠場(chǎng)地。在測(cè)量期間還必須關(guān)閉筆記本電腦自帶的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)功能，防止它影響測(cè)量結(jié)果。
2．3 測(cè)量結(jié)果
    頻譜分析儀FR24-SAU在2．4 GHz頻段內(nèi)共有256個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量間隔為330 kHz。
    圖1是奧鈴BJ5069VCBED貨車所處環(huán)境的噪聲功率圖。圖2是奧鈴BJ5069VCBED貨車運(yùn)行時(shí)測(cè)量到的噪聲功率圖。圖3是金旅XML6483面包車所處環(huán)境的噪聲功率圖。圖4是金旅XML6483面包車運(yùn)行時(shí)測(cè)量到的噪聲功率圖。圖中的白色曲線為連續(xù)測(cè)量3 min的功率的累計(jì)峰值。

    表1顯示了奧鈴BJ5069VCBED貨車、金旅XML6483面包車的環(huán)境噪聲平均功率、汽車噪聲平均功率。

2．4 測(cè)量結(jié)果分析
    無線電信道是發(fā)射機(jī)與目標(biāo)接收機(jī)之間的傳輸路徑，它具有隨機(jī)和時(shí)變特性，故很難建立模型。在自由空間傳播的電磁波，接收處的功率由Friis自由空間方程式?jīng)Q定：
   
    式中：PR(d)是接收功率；PT是發(fā)射功率；GT是發(fā)射機(jī)天線增益；GR是接收機(jī)天線增益；d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，單位：m；λ是電磁波的波長(zhǎng)，單位：m。
    路徑損耗等于發(fā)射功率與接收功率之比，由式(1)推導(dǎo)出的路徑損耗方程為：
   
    式中：PL是路徑損耗，單位：dB。
    設(shè)發(fā)射天線和接收天線都是單位增益，電磁波的頻率是2．4 GHz，路徑損耗與傳輸距離關(guān)系的方程式是：
   
    從表1的測(cè)量結(jié)果可以看到，在2．4 GHz頻段上“汽車噪聲平均功率”比“環(huán)境噪聲平均功率”大0．27 dB和0．96 dB。對(duì)2．4 GHz無線通信設(shè)備而言，汽車電器發(fā)出的電磁干擾增加了0．27 dB和0．96 dB的路徑損耗。
    設(shè)收發(fā)設(shè)備均符合式(3)的前提條件，發(fā)射機(jī)的輸出功率PT=6 dBm，環(huán)境噪聲是-63 dBm，信噪比是4 dB，接收功率為PR=-63+4=-59dBm。通信的路徑損耗PL1=PR-PT=6-(-59)=65 dB，按式(3)求得通信距離d1=18．6m。設(shè)汽車電磁干擾對(duì)無線通信設(shè)備增加的路徑損耗為0．96 dB，則實(shí)際可用的路徑損耗減少PL2=PL1-0．96=64．04 dB，按式(3)求得對(duì)應(yīng)的傳輸距離為d2=16．7 m。這說明了汽車工作后，要達(dá)到同樣的通信質(zhì)量，無線設(shè)備的通信距離將縮短d1-d2=1．9 m。

3 結(jié)語
    觀察測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽車對(duì)2．4 GHz頻段產(chǎn)生的電磁干擾較小。通過分析計(jì)算，可以推斷普通汽車車載電器設(shè)備不會(huì)對(duì)2．4 GHz無線通信設(shè)備的正常工作造成破壞性的干擾。當(dāng)然，只有在車上進(jìn)行實(shí)際的通信質(zhì)量測(cè)試，才能確切獲得汽車對(duì)2．4 GHz無線通信的影響。