汽車對(duì)無(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)，由于觸點(diǎn)存在接觸電阻的原因，開(kāi)關(guān)在開(kāi)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(guò)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(guò)程

　　測(cè)量過(guò)程如下：

　?。?）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。

　?。?）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(kāi)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(kāi)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(mén)、開(kāi)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(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能，防止它影響測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量結(jié)果#e#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。

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(yùn)行時(shí)測(cè)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(yùn)行時(shí)測(cè)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(cè)量結(jié)果分析

　　無(wú)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(wú)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(wú)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(shuō)明了汽車工作后，要達(dá)到同樣的通信質(zhì)量，無(wú)線設(shè)備的通信距離將縮短d1-d2=1.9 m。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　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(guò)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(wú)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(wú)線通信的影響。