汽車焊裝電磁噪聲頻域測量與建模研究

安靜

摘要：工業現場復雜的電磁環境會對物聯網的通信產生干擾，影響物聯網技術的發展。為了掌握某汽車工業焊裝環境的EMI噪聲分布，使用對數周期天線和頻譜儀，以天線垂直、水平雙極化方式采集現場噪聲信號。分析了0.3-3GHz頻段內的噪聲頻率及功率分布，結合噪聲頻譜特性，使用截斷拉普拉斯變換對噪聲信號進行建模，模擬結果與實測數據符合較好。

關鍵詞：工業焊裝;極化方式;頻譜特性;截斷拉普拉斯變換

1. 引言

作為工業物聯網核心的無線通信技術會受到工業現場的電磁噪聲干擾，并且因噪聲強度、頻譜特征等多有不同，很難定位干擾源，增加了抗干擾措施實施難度，是企業迫切需要解決的關鍵問題。

工業現場EMI噪聲測量涉及測試設備、收發天線、信道傳播特性、頻譜建模等幾個方面。文獻[1]針對中心頻點為439MHz、570MHz、2450MHz等窄帶范圍，測量并統計其幅值分布概率，總結了相應的頻譜特性。文獻[2]分析了鋼鐵廠鍋爐房0.1～2GHz的頻譜特性，指出變頻器、電焊機等設備都會輻射出寬頻的電磁噪聲。文獻[3]針對汽車點火系統進行了2.34GHz-2.53GHz窄帶范圍內的電磁輻射干擾測量，使用的設備包括射頻接收機、單極子天線和數字示波器等，得出了使用MCA模型可等效替代實際噪聲的結論。2014年，張連迎以工業區環境為背景，測量了不同時段無線電噪聲分布[4]。

可知，前述研究多針對某個頻點或窄帶范圍展開，不能反映工業現場全面的頻譜特性，對EMI噪聲模型構建用于評估相似環境的電磁干擾涉及亦少，本文由此展開。

2.電磁噪聲測試

主要研究焊裝環境300MHz-3GHz頻譜范圍的噪聲，測試設備為對數周期天線和安捷倫N9030B頻譜儀，帶寬20MHz，采集點數10001，掃描精度2KHz，衰減值2dB。測試設備如圖1所示。測試場景為手工點焊、焊接機器人以及辦公區三個位置。

天線以垂直、水平雙極化方式進行放置以接收現場信號，利用文獻[5]噪底選取方式去除噪底后，提取的包含EMI噪聲和通信信號的測試數據如圖2-3所示。

可知：1）對比常規通信信號頻段，800MHz之前含有廣播信號。在0.9GHz、1.8GHz處含有手機通信信號。在2.4GHz處含有WIFI信號。典型特征是含有通信信號處功率幅值明顯較高。2）點焊機、焊接機器人處測得的信號功率幅度相差不大，但都要比辦公區數值要高。3）極化方式對信號接收影響不大。

3.電磁噪聲頻譜建模

從測試數據中去除通信信號后，則僅剩下EMI噪聲，對應的概率密度曲線如圖4所示。可知，功率分布主要集中在-120～-114dBm之間。天線不同極化方式接收到的信號大致相同。整體看，辦公區受干擾程度低于正常工作區，符合常識。對比EMI頻譜和功率圖，發現兩者都呈現尖峰狀態，故采用截斷拉普拉斯模型展開建模。其對應函數為：

圖5示出了選擇500.5MHz頻點，帶寬20KHz，歸一化后的實測與模擬數據，其中μ=500.5MHz，Δx=10KHz，λ=4800為最終優化參數。可知兩者結果符合較好，表明使用截斷拉普拉斯模型對EMI噪聲進行建模是可行的。

4. 結論

針對某汽車焊裝環境，測量了0.3-3GHz頻段內手工點焊、焊接機器及辦公區的噪聲干擾頻譜及功率分布，區分出了頻譜中的寬帶通信和窄帶EMI噪聲。針對噪聲頻譜體現的尖峰特性，通過合理選用及優化參數，使用截斷拉普拉斯模型對EMI噪聲進行建模，結果與實測數據符合較好。

參考文獻：

[1]Coll J F，Chilo J，Slimane B.Radio-frequency electrom-agnetic characterization in factory infrastructures[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2012，54（ 3） ：708-711.

[2]Stenumgaard P，Chilo J，Ferrer-Coll P，et al.Challenges and conditions for wireless machine-to-machine communic-ations in industrial environments[J].IEEE Communications Magazine，2013，51（ 6） ：187-192.

[3]Saaifan K A，Henkel W.Measurements and modeling of im-pulse noise at the 2. 4 GHz wireless LAN band[C]∥IEEE Global Conference on Signal and Information Processing.New York：IEEE，2018：86-90.

[4]張連迎，王聚杰，弓勇義. 典型工業區無線電噪聲測量與分析[J]. 電子測量技術，2014，37（5）：85-88.

[5]Sanchez M G，De Haro L，Ramon M C，et al.Impulsive noise measurements and characterization in a UHF digital TV channel [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1999，41（2） ：124-136.