汽車對2.4 GHz無線通信的干擾作用

黃儒泉,呂恩利

摘 要：為了分析汽車發出的電磁波對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，并用頻譜分析儀實際測量兩種汽車在2.4 GHz頻段上輻射性電磁干擾的相對強度，測量結果表明，汽車在2.4 GHz頻段發出的電磁干擾強度很小，可以推斷汽車對車載2.4 GHz無線通信的影響作用不大。

關鍵詞：汽車； 電磁干擾； 無線通信; 干擾強度

中圖分類號：TN92-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0206-03

Disturbance Effect of Electromagnetic Wave Emitted by

Automobiles on 2.4 GHz Wireless Communication

HUANG Ru-quan，La En-li

(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Abstract： In order to analyze the disturbance effect of electromagnetic wave emitted by autos on 2.4 GHz wireless communication,several radiated electromagnetic interference sources are discussed,and the spectrum analyzer is applied to mea-sure the relative disturbance intensity of radiated electromagnetic interference in 2.4 GHz on two different autos. The mea-surement results indicate that there is little disturbance effect on 2.4 GHz wireless communication,from which it concludes that autos can not disturb the 2.4 GHz wireless communication.

Keywords： automobile； electromagnetic interference; wireless communication; disturbance intensity

0 引 言

電子化和智能化已成為汽車技術發展的主要方向。現代汽車裝載了大量電子設備，如高性能微處理器，電子變速器、自動巡行控制器、電子燃油噴射系統、車載通信娛樂及導航系統。這些電子設備工作時會向空間發射高頻電磁波，進而對其他電路的正常工作造成干擾而形成所謂的電磁干擾。汽車產生的電磁干擾不但會影響其他電子設備正常工作,也會影響汽車電氣系統本身的正常工作［1］。

ISM是工業、科學和醫療頻段，國際電信聯盟無線通信委員會規定，只要設備的發射功率低于一定值且不對其他頻段造成干擾，即可免費使用此頻段。國際上最常用的ISM頻段是433 MHz,915 MHz和2.4 GHz。其中，2.4 GHz為各國共同的ISM頻段［2］。目前，無線局域網、藍牙、ZigBee、WirelessUSB等無線設備均工作在2.4 GHz頻段上。

電磁干擾問題由來已久，從1906年開始，人們就提出對汽車產生的電磁干擾加以限制，點火系統作為主要的電磁干擾源，成為研究的重點［3］。本實驗主要目的是通過分析汽車上的電磁干擾源和實測汽車在2.4 GHz頻段產生的輻射性電磁干擾的相對強度，推斷其對部署在汽車上的2.4 GHz無線通信設備的干擾作用。

1 汽車的電磁干擾源

電磁干擾產生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號的電磁現象［4］。汽車對車載電氣設備的干擾分為兩種。第一種是輻射干擾，電磁波通過自由空間直接透入電子設備，并激勵設備內部的電路，在電路上產生相應的干擾能量，使與電路發生邏輯性錯誤，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備，對其他設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交替的等量異號電荷，這樣的電路就會向空間發射電磁波。電磁波在單位時間內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［5］3~6 dB(A)。

汽車電氣系統內最強的電磁干擾源是點火系［6］。汽車發動機正常運行時，點火線圈次級的瞬變電壓很高，能在50 μs內上升至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［7］。

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串聯振蕩電路中繼續諧振，從而產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，由于觸點存在接觸電阻的原因，開關在開合時往往會產生電火花。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備。直流電機工作時，炭刷和整流子也會產生較強的火花，在很寬的頻率范圍內引起輻射性電磁干擾。汽車的雨刮電機普遍用直流電機，對外產生的干擾也較強［8］。

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境的電磁波功率和汽車在同一環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頻段產生電磁干擾的相對強度。

2.2 測量過程

測量過程如下：

(1) 安裝頻譜分析儀。頻譜分析儀有一個運行在Windows操作系統的記錄軟件和驅動程序。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，在操作系統提示找到新硬件后安裝頻譜分析儀的驅動程序，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，在記錄軟件上設置頻譜分析儀的各項參數，開啟頻譜分析儀的峰值保持功能，關閉汽車的發動機和所有車載電器設備，連續測量3 min，將測量結果記錄為“環境噪聲”。

(3) 測量汽車噪聲。與測量環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動機一直處于運行狀態，期間每隔30 s加減油門、開關轉向燈各一次，連續測量3 min，將結果記錄為“汽車噪聲”。

為了獲得比較穩定的測量環境，減少其他干擾源對測量結果的影響，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閉筆記本電腦自帶的WiFi無線網絡功能，防止它影響測量結果。

2.3 測量結果

頻譜分析儀FR24-SAU在2.4 GHz頻段內共有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測量3 min的功率的累計峰值。

圖1 奧鈴BJ5069VCBED所處的環境噪聲圖

圖2 奧鈴BJ5069VCBED貨車噪聲圖

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

2.4 測量結果分析

無線電信道是發射機與目標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自由空間方程式決定［9］：

PR(d)=PTGTGRλ2(4π)2d2

(1)

式中:PR(d) 是接收功率;PT是發射功率；GT是發射機天線增益;GR是接收機天線增益；d是發射機與接收機的距離，單位:m；λ是電磁波的波長，單位:m。

圖3 金旅XML6483所處的環境噪聲圖

圖4 金旅XML6483面包車噪聲圖

表1 環境噪聲及汽車噪聲的平均功率表

車型

環境噪聲汽車噪聲

平均功率 /dBm方差平均功率 /dBm方差

奧鈴BJ5069VCBED貨車-63.225.17-62.954.25

金旅XML6483面包車-62.784.40-61.824.74

路徑損耗等于發射功率與接收功率之比，由式(1)推導出的路徑損耗方程為：

PL=10logPTPR=10log(4π)2d2GTGRλ2

(2)

式中:PL是路徑損耗，單位:dB。

設發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系的方程式是：

d=10琍L－39.620

(3)

從表1的測量結果可以看到，在2.4 GHz頻段上

“汽車噪聲平均功率”比“環境噪聲平均功率”大0.27 dB和0.96 dB。對2.4 GHz無線通信設備而言，汽車電器發出的電磁干擾增加了0.27 dB和0.96 dB的路徑損耗。

設收發設備均符合式(3)的前提條件，發射機的輸出功率PT=6 dBm，環境噪聲是-63 dBm，信噪比是4 dB，接收功率為PR=-63+4=-59 dBm。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。設汽車電磁干擾對無線通信設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量，無線設備的通信距離將縮短d1-d2=1.9 m。

3 結 語

觀察測量結果發現，汽車對2.4 GHz頻段產生的電磁干擾較小。通過分析計算，可以推斷普通汽車車載電器設備不會對2.4 GHz無線通信設備的正常工作造成破壞性的干擾。當然，只有在車上進行實際的通信質量測試，才能確切獲得汽車對2.4 GHz無線通信的影響。

參考文獻

［1］童國慶.對汽車設計中電磁兼容性的思考［J］.汽車電器，2008(9)：63-66.

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［9］ Texas Instrument. ZigBee ISM 頻帶傳輸距離估算［R］.美國：德州儀器公司,2010.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文