安靜

摘要：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的通信產(chǎn)生干擾，影響物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。為了掌握某汽車工業(yè)焊裝環(huán)境的EMI噪聲分布，使用對(duì)數(shù)周期天線和頻譜儀，以天線垂直、水平雙極化方式采集現(xiàn)場(chǎng)噪聲信號(hào)。分析了0.3-3GHz頻段內(nèi)的噪聲頻率及功率分布，結(jié)合噪聲頻譜特性，使用截?cái)嗬绽棺儞Q對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行建模，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好。

關(guān)鍵詞：工業(yè)焊裝;極化方式;頻譜特性;截?cái)嗬绽棺儞Q

1. 引言

作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心的無(wú)線通信技術(shù)會(huì)受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁噪聲干擾，并且因噪聲強(qiáng)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(shí)施難度，是企業(yè)迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)EMI噪聲測(cè)量涉及測(cè)試設(shè)備、收發(fā)天線、信道傳播特性、頻譜建模等幾個(gè)方面。文獻(xiàn)[1]針對(duì)中心頻點(diǎn)為439MHz、570MHz、2450MHz等窄帶范圍，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)其幅值分布概率，總結(jié)了相應(yīng)的頻譜特性。文獻(xiàn)[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(jī)等設(shè)備都會(huì)輻射出寬頻的電磁噪聲。文獻(xiàn)[3]針對(duì)汽車點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了2.34GHz-2.53GHz窄帶范圍內(nèi)的電磁輻射干擾測(cè)量，使用的設(shè)備包括射頻接收機(jī)、單極子天線和數(shù)字示波器等，得出了使用MCA模型可等效替代實(shí)際噪聲的結(jié)論。2014年，張連迎以工業(yè)區(qū)環(huán)境為背景，測(cè)量了不同時(shí)段無(wú)線電噪聲分布[4]。

可知，前述研究多針對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)或窄帶范圍展開(kāi)，不能反映工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)全面的頻譜特性，對(duì)EMI噪聲模型構(gòu)建用于評(píng)估相似環(huán)境的電磁干擾涉及亦少，本文由此展開(kāi)。

2.電磁噪聲測(cè)試

主要研究焊裝環(huán)境300MHz-3GHz頻譜范圍的噪聲，測(cè)試設(shè)備為對(duì)數(shù)周期天線和安捷倫N9030B頻譜儀，帶寬20MHz，采集點(diǎn)數(shù)10001，掃描精度2KHz，衰減值2dB。測(cè)試設(shè)備如圖1所示。測(cè)試場(chǎng)景為手工點(diǎn)焊、焊接機(jī)器人以及辦公區(qū)三個(gè)位置。

天線以垂直、水平雙極化方式進(jìn)行放置以接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，利用文獻(xiàn)[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(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2-3所示。

可知：1）對(duì)比常規(guī)通信信號(hào)頻段，800MHz之前含有廣播信號(hào)。在0.9GHz、1.8GHz處含有手機(jī)通信信號(hào)。在2.4GHz處含有WIFI信號(hào)。典型特征是含有通信信號(hào)處功率幅值明顯較高。2）點(diǎn)焊機(jī)、焊接機(jī)器人處測(cè)得的信號(hào)功率幅度相差不大，但都要比辦公區(qū)數(shù)值要高。3）極化方式對(duì)信號(hào)接收影響不大。

3.電磁噪聲頻譜建模

從測(cè)試數(shù)據(jù)中去除通信信號(hào)后，則僅剩下EMI噪聲，對(duì)應(yīng)的概率密度曲線如圖4所示?？芍?，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(hào)大致相同。整體看，辦公區(qū)受干擾程度低于正常工作區(qū)，符合常識(shí)。對(duì)比EMI頻譜和功率圖，發(fā)現(xiàn)兩者都呈現(xiàn)尖峰狀態(tài)，故采用截?cái)嗬绽鼓Ｐ驼归_(kāi)建模。其對(duì)應(yīng)函數(shù)為：

圖5示出了選擇500.5MHz頻點(diǎn)，帶寬20KHz，歸一化后的實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)，其中μ=500.5MHz，Δx=10KHz，λ=4800為最終優(yōu)化參數(shù)?？芍獌烧呓Y(jié)果符合較好，表明使用截?cái)嗬绽鼓Ｐ蛯?duì)EMI噪聲進(jìn)行建模是可行的。

4. 結(jié)論

針對(duì)某汽車焊裝環(huán)境，測(cè)量了0.3-3GHz頻段內(nèi)手工點(diǎn)焊、焊接機(jī)器及辦公區(qū)的噪聲干擾頻譜及功率分布，區(qū)分出了頻譜中的寬帶通信和窄帶EMI噪聲。針對(duì)噪聲頻譜體現(xiàn)的尖峰特性，通過(guò)合理選用及優(yōu)化參數(shù)，使用截?cái)嗬绽鼓Ｐ蛯?duì)EMI噪聲進(jìn)行建模，結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好。

參考文獻(xiàn)：

[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，F(xiàn)errer-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(yè)區(qū)無(wú)線電噪聲測(cè)量與分析[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，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.