汽车对2．4GHz无线通信的干扰作用

摘要：为了分析汽车发出的电磁波对2．4 GHz无线通信的干扰作用，讨论了汽车的几种辐射性电磁干扰源，并用频谱分析仪实际测量两种汽车在2．4 GHz频段上辐射性电磁干扰的相对强度，测量结果表明，汽车在2．4 GHz频段发出的电磁干扰强度很小，可以推断汽车对车栽2．4 GHz无线通信的影响作用不大。
关键词：汽车；电磁干扰；无线通信；干扰强度

0 引言
    电子化和智能化已成为汽车技术发展的主要方向。现代汽车装载了大量电子设备，如高性能微处理器，电子变速器、自动巡行控制器、电子燃油喷射系统、车载通信娱乐及导航系统。这些电子设备工作时会向空间发射高频电磁波，进而对其他电路的正常工作造成干扰而形成所谓的电磁干扰。汽车产生的电磁干扰不但会影响其他电子设备正常工作，也会影响汽车电气系统本身的正常工作。
    ISM是工业、科学和医疗频段，国际电信联盟无线通信委员会规定，只要设备的发射功率低于一定值且不对其他频段造成干扰，即可免费使用此频段。国际上最常用的ISM频段是433 MHz，915 MHz和2．4 GHz。其中，2．4 GHz为各国共同的ISM频段。目前，无线局域网、蓝牙、ZigBee、WirelessUSB等无线设备均工作在2．4 GHz频段上。
    电磁干扰问题由来已久，从1906年开始，人们就提出对汽车产生的电磁干扰加以限制，点火系统作为主要的电磁干扰源，成为研究的重点。本实验主要目的是通过分析汽车上的电磁干扰源和实测汽车在2．4 GHz频段产生的辐射性电磁干扰的相对强度，推断其对部署在汽车上的2．4 GHz无线通信设备的干扰作用。

1 汽车的电磁干扰源
    电磁干扰产生于干扰源，它是一种来自外部的、并有损于有用信号的电磁现象。汽车对车载电气设备的干扰分为两种。第一种是辐射干扰，电磁波通过自由空间直接透入电子设备，并激励设备内部的电路，在电路上产生相应的干扰能量，使与电路发生逻辑性错误，足够强的电磁干扰甚至可以直接损坏敏感的电子器件；第二种是传导干扰，干扰源通过电源线、信号线等线缆把干扰信号耦合到其他设备，对其他设备的正常工作造成危害。对于独立供电的车载2．4 GHz通信设备而言，它主要受到汽车的辐射性电磁干扰，所以本文主要分析、测量汽车的辐射性电磁源。
    按照电磁波产生与传播理论，只要在直线形的电路上引起电磁振荡，直线形电路的两端就会出现交替的等量异号电荷，这样的电路就会向空间发射电磁波。电磁波在单位时间内辐射的能量与频率的四次方成正比，即电路的振荡频率越高就越容易向外辐射电磁波。汽车上有许多符合此条件的电路，因此汽车可以发出各种频率的电磁干扰。交通密度每增加一倍，干扰噪声功率频谱密度便增加3～6 dB(A)。
    汽车电气系统内最强的电磁干扰源是点火系。汽车发动机正常运行时，点火线圈次级的瞬变电压很高，能在50μs内上升至35 kV。火花塞电极放电时，会形成强烈的电磁辐射向周围的自由空间传播。这种辐射电磁噪声包含很高的频率成分，是电视广播的主要干扰源。
    汽车上有着许多的感性负载，比如各种电动机和电磁阀。电磁阀的线圈在开路瞬间，会产生几十倍于其工作电压的反向电压。这个反向电压在由电感与分布电容形成的一个LC串联振荡电路中继续谐振，从而产生谐波非常丰富的电磁辐射。这也是一个非常重要的电磁干扰源。
    汽车上还存在许多触点开关，由于触点存在接触电阻的原因，开关在开合时往往会产生电火花。如果电路中的电流比较大，这种电火花引起的电磁辐射也能够干扰其他电器设备。直流电机工作时，炭刷和整流子也会产生较强的火花，在很宽的频率范围内引起辐射性电磁干扰。汽车的雨刮电机普遍用直流电机，对外产生的干扰也较强。

2 汽车的辐射性电磁干扰的测定与分析
2．1 测量方法
    在2．4 GHz频段上，分别测量汽车所处环境的电磁波功率和汽车在同一环境工作时的电磁波功率。通过对比这两个值，可得到汽车在2．4 GHz频段产生电磁干扰的相对强度。
2．2 测量过程
    测量过程如下：
    (1)安装频谱分析仪。频谱分析仪有一个运行在Windows操作系统的记录软件和驱动程序。首先启动笔记本电脑，用USB线将频谱分析仪FR24-SAU与笔记本电脑相连接，在操作系统提示找到新硬件后安装频谱分析仪的驱动程序，最后在笔记本电脑上安装频谱分析仪的记录软件FRMT。
    (2)测量环境噪声。将频谱分析仪的天线放在副驾驶位置上，启动笔记本电脑并运行频谱分析仪的记录软件，在记录软件上设置频谱分析仪的各项参数，开启频谱分析仪的峰值保持功能，关闭汽车的发动机和所有车载电器设备，连续测量3 min，将测量结果记录为“环境噪声”。
    (3)测量汽车噪声。与测量环境噪声的步骤相类似，开启频谱分析仪的峰值保持功能。在测量期间保持汽车发动机一直处于运行状态，期间每隔30 s加减油门、开关转向灯各一次，连续测量3 min，将结果记录为“汽车噪声”。
    为了获得比较稳定的测量环境，减少其他干扰源对测量结果的影响，测量时间选择在晚上11：00，测量地点选在距离民宅超过200 m的空旷场地。在测量期间还必须关闭笔记本电脑自带的WiFi无线网络功能，防止它影响测量结果。
2．3 测量结果
    频谱分析仪FR24-SAU在2．4 GHz频段内共有256个测量点，测量间隔为330 kHz。
    图1是奥铃BJ5069VCBED货车所处环境的噪声功率图。图2是奥铃BJ5069VCBED货车运行时测量到的噪声功率图。图3是金旅XML6483面包车所处环境的噪声功率图。图4是金旅XML6483面包车运行时测量到的噪声功率图。图中的白色曲线为连续测量3 min的功率的累计峰值。

    表1显示了奥铃BJ5069VCBED货车、金旅XML6483面包车的环境噪声平均功率、汽车噪声平均功率。

2．4 测量结果分析
    无线电信道是发射机与目标接收机之间的传输路径，它具有随机和时变特性，故很难建立模型。在自由空间传播的电磁波，接收处的功率由Friis自由空间方程式决定：
   
    式中：PR(d)是接收功率；PT是发射功率；GT是发射机天线增益；GR是接收机天线增益；d是发射机与接收机的距离，单位：m；λ是电磁波的波长，单位：m。
    路径损耗等于发射功率与接收功率之比，由式(1)推导出的路径损耗方程为：
   
    式中：PL是路径损耗，单位：dB。
    设发射天线和接收天线都是单位增益，电磁波的频率是2．4 GHz，路径损耗与传输距离关系的方程式是：
   
    从表1的测量结果可以看到，在2．4 GHz频段上“汽车噪声平均功率”比“环境噪声平均功率”大0．27 dB和0．96 dB。对2．4 GHz无线通信设备而言，汽车电器发出的电磁干扰增加了0．27 dB和0．96 dB的路径损耗。
    设收发设备均符合式(3)的前提条件，发射机的输出功率PT=6 dBm，环境噪声是-63 dBm，信噪比是4 dB，接收功率为PR=-63+4=-59dBm。通信的路径损耗PL1=PR-PT=6-(-59)=65 dB，按式(3)求得通信距离d1=18．6m。设汽车电磁干扰对无线通信设备增加的路径损耗为0．96 dB，则实际可用的路径损耗减少PL2=PL1-0．96=64．04 dB，按式(3)求得对应的传输距离为d2=16．7 m。这说明了汽车工作后，要达到同样的通信质量，无线设备的通信距离将缩短d1-d2=1．9 m。

3 结语
    观察测量结果发现，汽车对2．4 GHz频段产生的电磁干扰较小。通过分析计算，可以推断普通汽车车载电器设备不会对2．4 GHz无线通信设备的正常工作造成破坏性的干扰。当然，只有在车上进行实际的通信质量测试，才能确切获得汽车对2．4 GHz无线通信的影响。