汽車對無線通信的干擾作用

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、并有損于有用信號的電磁現(xiàn)象。汽車對車載電氣設(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)生邏輯性錯誤，足夠強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、信號線等線纜把干擾信號耦合到其他設(shè)備，對其他設(shè)備的正常工作造成危害。對于獨立供電的車載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出現(xiàn)交替的等量異號電荷，這樣的電路就會向空間發(fā)射電磁波。電磁波在單位時間內(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)最強的電磁干擾源是點火系。汽車發(fā)動機正常運行時，點火線圈次級的瞬變電壓很高，能在50μs內(nèi)上升至35 kV。火花塞電極放電時，會形成強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載，比如各種電動機和電磁閥。電磁閥的線圈在開路瞬間，會產(chǎn)生幾十倍于其工作電壓的反向電壓。這個反向電壓在由電感與分布電容形成的一個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。這也是一個非常重要的電磁干擾源。

　　汽車上還存在許多觸點開關(guān)，由于觸點存在接觸電阻的原因，開關(guān)在開合時往往會產(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。直流電機工作時，炭刷和整流子也會產(chǎn)生較強的火花，在很寬的頻率范圍內(nèi)引起輻射性電磁干擾。汽車的雨刮電機普遍用直流電機，對外產(chǎn)生的干擾也較強。

　　2 汽車的輻射性電磁干擾的測定與分析

　　2.1 測量方法

　　在2.4 GHz頻段上，分別測量汽車所處環(huán)境的電磁波功率和汽車在同一環(huán)境工作時的電磁波功率。通過對比這兩個值，可得到汽車在2.4 GHz頻段產(chǎn)生電磁干擾的相對強度。

　　2.2 測量過程

　　測量過程如下：

　?。?）安裝頻譜分析儀。頻譜分析儀有一個運行在Windows操作系統(tǒng)的記錄軟件和驅(qū)動程序。首先啟動筆記本電腦，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，啟動筆記本電腦并運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)動機和所有車載電器設(shè)備，連續(xù)測量3 min，將測量結(jié)果記錄為“環(huán)境噪聲”。

　?。?）測量汽車噪聲。與測量環(huán)境噪聲的步驟相類似，開啟頻譜分析儀的峰值保持功能。在測量期間保持汽車發(fā)動機一直處于運行狀態(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)定的測量環(huán)境，減少其他干擾源對測量結(jié)果的影響，測量時間選擇在晚上11：00，測量地點選在距離民宅超過200 m的空曠場地。在測量期間還必須關(guān)閉筆記本電腦自帶的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)功能，防止它影響測量結(jié)果。

測量結(jié)果#e#2.3 測量結(jié)果

　　頻譜分析儀FR24-SAU在2.4 GHz頻段內(nèi)共有256個測量點，測量間隔為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貨車運行時測量到的噪聲功率圖。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面包車運行時測量到的噪聲功率圖。圖中的白色曲線為連續(xù)測量3 min的功率的累計峰值。

圖1 奧鈴BJ5069VCBED貨車所處環(huán)境的噪聲功率圖

圖2 奧鈴BJ5069VCBED貨車運行時測量到的噪聲功率圖

圖3 金旅XML6483面包車所處環(huán)境的噪聲功率圖

圖4 金旅XML6483面包車運行時測量到的噪聲功率圖

　　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。

表1 環(huán)境噪聲及汽車噪聲的平均功率表

　　2.4 測量結(jié)果分析

　　無線電信道是發(fā)射機與目標(biāo)接收機之間的傳輸路徑，它具有隨機和時變特性，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)射機天線增益；GR是接收機天線增益；d是發(fā)射機與接收機的距離，單位：m；λ是電磁波的波長，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)汽車電磁干擾對無線通信設(shè)備增加的路徑損耗為0.96 dB，則實際可用的路徑損耗減少PL2=PL1-0.96=64.04 dB，按式（3）求得對應(yīng)的傳輸距離為d2=16.7 m。這說明了汽車工作后，要達到同樣的通信質(zhì)量，無線設(shè)備的通信距離將縮短d1-d2=1.9 m。

　　3 結(jié)語

　　觀察測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽車對2.4 GHz頻段產(chǎn)生的電磁干擾較小。通過分析計算，可以推斷普通汽車車載電器設(shè)備不會對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，只有在車上進行實際的通信質(zhì)量測試，才能確切獲得汽車對2.4 GHz無線通信的影響。