EMC安全裕度可視化仿真平臺設計

劉慧英，高婷婷，王 晶

（西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

國際電工技術委員會（IEC）給出電磁兼容性的定義為：“電磁兼容性是設備的一種能力，它在其電磁環境中完成自身的功能，而不致于在其環境中產生不允許的干擾”[1]。安全裕度用于反映系統電磁兼容性的安全程度，是評定一個系統電磁兼容性的重要指標之一，該值反映了系統、分系統關鍵點的環境電平比敏感度閾值所低的程度。

傳統的電磁兼容性（以下簡稱EMC）安全裕度測試實驗基本上是按照設計規范來進行的，然后利用現有的電子、電氣設備，通過各種EMC測試來確定干擾發射和敏感度。在系統安裝完成之后，要解決電磁干擾問題需要進行大量的拆卸，甚至要重新設計，這種方法不能從根本上解決電磁干擾問題。

針對以上問題，在設備或系統設計的初始階段，采用安全裕度仿真平臺進行安全裕度設計，可以在設計定型之前解決安全裕度測試中遇到的大部分問題，能夠得到最好的費效比，對安全裕度設計前期方案制定和后期安全裕度測試提供一定的指導依據。

1 系統分析

1.1 安全裕度測試原理

安全裕度測試是指在一定的電磁輻射下，測試設備的受干擾頻段以及抗干擾的能力[1]。依據安全裕度的定義，可表示為：M=P0-P式中，M為安全余量單位為dB；P0為敏感度閾值單位為dB；P為實際的電磁干擾值，單位為dB。根據GJB1389A—2005規定，飛機系統在抵御外部電磁場時有6 dB的安全裕度，電起爆裝置、武器外掛、燃油系統至少16.5 dB的安全裕度。

由國軍標GJB52A-97中規定的測試布置圖繪制出電磁輻射安全裕度自動測試系統的實驗連接圖，如圖1所示，主要包含：計算機、信號源、測量接收機、功率放大器、發射天線、接收天線和GPIB卡等。

根據GJB151A/152A-97規定的測量儀器指標及測試步驟，在進行安全裕度測試時，首先要用頻譜接收機測試設備正常工作情況下的環境輻射電平。然后，在環境輻射電平的基礎上加一個國標規定的安全裕度值，對被測系統施加該干擾并檢查其敏感特性，判定是否滿足安全裕度的要求。

圖1 實驗連接圖Fig.1 Experimental connection diagram

1.2 模型的建立

從電磁理論的角度看，建立干擾源及干擾傳輸與耦合的數學模型就是求解電磁場的麥克斯韋方程問題。嚴格地說，如果考慮到場源的結構、媒質的形狀分布和性質等各項因素，求解麥克斯韋方程是極其困難的。一般都將整個問題分為幾個獨立的問題分別進行處理，同時加以理想化，即假設某些理想條件使具體問題得到簡化和近似，以便于數學表達和處理。

結合圖1實驗連接圖，將安全裕度測試系統劃分為發射模塊與接收模塊。分別對兩模塊建立能夠反應安全裕度測試系統本質特性的數學模型。

1.2.1 發射模塊建模

圖1中虛線框（1）表示發射模塊所需的設備，發射模塊的數學模型描述為：

信號源發射信號與給定信號的單位進行轉換：

給定信號為P′，單位為dBmW；信號源發射功率 P，單位為W；

安全裕度測試針對的是高強度輻射情況下設備的抗干擾特性，信號源的輸出功率較小，不足以驅動發射天線，因此需要將信號源的輸出信號進行放大之后發送給接收天線。根據放大器的增益，可求得放大器的輸出功率：

式中，Gf為放大器的增益，單位為dB；Pf放大器的輸出功率，單位為W；P為上式中的信號源的輸出功率；

根據天線特性，由天線增益的定義得到，信號經過天線后的輸出功率：

式中，Gt為天線的增益，單位為dB；Pt為天線的輸出功率，單位為W；Pf為放大器的輸出功率，單位為W；

根據系統的輸入輸出級聯關系和對數運算法則得到整個發射模塊的總增益：

式中，G為系統的總增益；Gf為放大器的增益；Gt為天線的增益；單位均為dB；CL為損耗，單位為dB[1]。

發射天線將發射信號發送到被測設備處，由場強與發射功率的轉換公式（遠場區），可測得被測設備處的場強為：

式中，E為被測設備處的場強，單位為V/m；Pt為天線的輸出功率，單位為W；R為設備距離發射天線的距離，單位為m[1]。

1.2.2 接收模塊建模

圖1中虛線框 （2）表示的為接收模塊所需的試驗設備區，這一模塊的數學模型描述為：

首先，將發射模塊的測試設備處測得的場強進行單位轉換：

式中，E′為天線與發射機之間實測的場強，單位為dBμV/m；E為被測設備處的場強，單位為V/m；

然后，把接收天線接收的測量設備處的信號經衰減器發送給測量接收機：

式中，E′表示天線與發射機之間實測場強，單位為dBμV/m；V是頻譜接收機的實際測量值；CL表示從天線到頻譜儀的連電纜的損耗，單位為dB；AF表示天線因子，單位為dBm-1[2]。

1.2.3 系統優化

由發射模型和接收模型直接連接構成的理想數學模型為開環控制系統，控制精度較低，容易受到外界干擾，輸出一旦出現誤差無法補償[3]。而閉環反饋控制系統，在出現外部擾動或系統內部變化時，只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。故在優化系統中采用閉環控制。其優化示意圖如圖2所示。

圖2 優化模型示意圖Fig.2 Optimization model diagram

其中，動態控制模塊的作用是將接收機測得的信號與給定的極限值進行比較，得到偏差，通過系統模型轉換為信號源端的偏差，然后采用經典控制算法（例PID調節算法）進行控制信號的轉換及處理，最終實現閉環控制。

2 可視化仿真系統關鍵技術

2.1 “削尖”問題及解決方案

在實際測試過程中，發射模塊中干擾信號的控制發射一般有兩種方式：一，將未處理的干擾信號全部發射，這種方法會導致測量過程非常緩慢；為解決測量速度緩慢的問題，可將干擾信號的發射間隔重新計算，再發射出去，此為方法二，這種方法在提高測量速度的同時，又引入了“削尖”現象，即信號略過某一點的峰值[4]。峰值的忽略導致部分敏感點測試不到，使得測試結果沒有意義，因此需在方法二的基礎上對“削尖”問題進行分析研究。

“削尖”問題，主要由干擾信號和發射信號頻率的不同步造成。為解決信號不同步問題，可對測量信號所提取的數據進行插值處理，其具體算法過程如下：

1）對頻譜接收機的測量信號進行數據提取，等間隔Cdiv取值（例3～10，數值不能太大，否則數據過于稀疏，頻段跳躍太大），將數據劃分為若干數據段（d0～dn），為保證測量信號不跳過每一數據段的峰值點，取該段中的最大幅值信號Pi作為此段的測量信號Pi=Max{di}，最后將這些數據組合成新的測量信號（P0，P1，…Pn），經過分段提取之后的數據，避免了峰值跳躍，即“削尖”現象。但是出現了信號在頻率上的疏密不均現象，因此需要進行插值處理；

2）由于段dj與段di之間峰值信號所處的位置是不確定的，插值按照如下方法計算：首先計算出相鄰兩個段內最大峰值之間的間隔點數Pj－Pi，將此值與Cdiv進行比較，按照差值的大小判斷插值的個數Cinsert，取值方法如表1所示。

表1 取值表Tab.1 Value table

3）按照插值個數依次計算出所插值在原數據中的序號（Pi0，Pi1， …Pim）， 計算公式為 Pik=（Pj－Pi）/Cinsert*k+Pi（k=0，1…Cinsert）提取出該數據，并插入到新的測量信號中去（P0，P1，…，Pi0，Pi1，…Pim，…Pn），從而解決了“削尖”現象，并使測量信號間隔均勻。“削尖”解決算法示意圖如圖3所示。

圖3 “削尖”解決算法示意圖Fig.3 “Sharpened”resolution algorithm diagram

圖3中（a）圖表示傳統的測試方案，信號跳過峰值，出現“削尖”現象；（b）圖表示改進后的解決方案，不再出現“削尖”現象，并且保證發射信號間隔均勻。這樣從根本上解決了“削尖”問題，并保證發射信號不會出現疏密不均的現象。

2.2 系統關鍵技術

2.2.1 功能模塊設計

安全裕度可視化仿真平臺遵循模塊化設計原則進行設計。按照系統功能可以劃分為5大功能模塊，將各功能模塊獨立封裝，各模塊作用如表2所示。

表2 功能模塊劃分Tab.2 Function module division

根據表2，將軟件的主要功能模塊抽象為5個類，分別為TestControl、VisModDlg、DataControl、DevManage、FileManage，類圖如圖4所示。

圖4 類圖Fig.4 Class diagram

圖4中FileManage類通過Load方法將相應的文件載入系統；TestContol類中的數據控制流方法FlowControl從載入的文件中提取相應的數據（如環境電平數據），按照功能要求該方法將此數據傳遞給DataControl類，DataControl類利用定義好的數據處理方法對數據進行處理并返回給TestContol類，TestContol類將此數據發送到VisMosdlg類，輸出顯示到用戶界面，完成基本的數據操作[5]。當系統需要進行仿真時，系統由停止狀態轉入運行狀態，TestContol類中的測試流程控制方法LogicControl對仿真測試流程進行邏輯控制與數據傳遞控制，該方法調用FlowControl方法將設備數據（DevMagage針對每一設備派生的子類數據）以及仿真平臺配置等數據載入系統，然后進行相應的數據處理及傳遞，最后LogicControl方法控制系統按照測試流程進行仿真測試。

2.2.2 可視化仿真模塊設計

可視化仿真模塊定義了系統的視圖控制訪問接口，將測試過程以動畫演示及曲線繪制的方式來演示。曲線繪制部分獨立封裝為Curve類，將TestControl類傳遞的測試數據以曲線的方式顯示，完成曲線繪制；動畫演示模塊將人機交互與實驗測試過程相結合，通過設備的直接配置選擇，實現不同測試環境下的仿真。

2.2.3 數據處理模塊

數據處理模塊抽象為DataControl類，按照不同的功能將數據控制流中的數據進行轉化處理，每一種處理過程都定義為一種方法，保證功能的獨立，降低模塊之間的耦合程度[6]。

2.2.4 測試流程控制模塊設計

測試流程控制模塊是安全裕度可視化仿真平臺的核心模塊，按照邏輯控制劃分為數據控制流與邏輯控制流，分別對應系統的數據處理過程與測試流程過程，流程控制圖如圖5所示。

圖5 流程圖Fig.5 Flow chart

3 軟件實現及仿真結果分析

3.1 軟件實現

軟件實現了電場輻射安全裕度可視化仿真，頻率范圍覆蓋10 kHz～1 GHz頻段。人機交互界面如圖7所示。圖7中上方第一部分為仿真曲線顯示區域。以30～200 M測試頻段為例，進行仿真測試，仿真結果非常接近實際測試實驗結果。仿真的曲線跟極限電平值幾乎完全擬合，達到了安全裕度測試的要求。

左下角為設備屬性選擇區域，可以根據實驗需要選擇不同的設備進行實驗，設備的輸入輸出特性可以根據1.2節中設備的模型進行調節。圖6的右下角為動畫演示區域，將實際的測試過程以動畫的形式演示出來，形象直觀。

圖6 人機交互界面Fig.6 Interactive interface

圖7 “削尖”細節圖Fig.7 Details of the“Sharpened”

3.2 仿真結果分析

由2.1節中“削尖”問題的解決方案，結合插值算法，經仿真平臺得到的仿真結果與圖3（b）中的預期結果一致，“削尖”現象已經完全消除，細節圖如圖7所示。

4 結 論

本仿真平臺采用實測數據作為干擾發射模型，真實反映實際測試情況，消除了因建模時簡化邊界約束引起的系統誤差，解決了以往測試系統中存在的“削尖”問題，具有較高的可信度及準確度。在電磁兼容[7－8]系統設計的初始階段進行仿真，可及時發現并解決電磁兼容問題，為電磁兼容性安全裕度測試系統設計提供了新的途徑。目前，該仿真平臺已經投入實際使用，取得了良好效果。

[1]張厚，唐宏，尹應增.電磁兼容測試技術[M].西安：西北工業大學出版社，2008.

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[3]盧京潮.自動控制原理[M].西安：西北工業大學出版社，2004.

[4]陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶，等.電磁兼容試驗技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2012.

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