作者：肖靂  郭琳  訾曉剛  周鎰

    1、概述

    隨著信息通信業的高速發展，促進了通信設備的大量開發和應用，其復雜程度也越來越高，系統間、設備間潛在的干擾源無處不在，信息通信設備之間的電磁干擾、電磁輻射對人體的健康危害也日益嚴重，也帶來信息安全問題并引起了世界各國的高度關注。

    目前，多數發達國家對電子產品、信息技術設備，包括通信設備，都以法律法規的形式規定了電磁兼容性能的強制要求。

    通信電磁環境與安全防護的研究在當今信息化社會的發展中是至關重要的，需要整個信息產業界花大力氣做好相關標準的研究工作，通過研究制訂標準來規范和指導產業的持續發展。同時，電磁環境與安全防護方面的標準屬于國家強制性標準范疇并且是國家重要的技術壁壘，對于支持和促進民族產業的發展具有非常重要的意義。

    2、重點研究技術

    2.1高頻輻射騷擾

    在CISPR22：2005第五版第一修正案《1GHz-6GHz輻射限值和測量方法》中給出了高頻輻射騷擾測試的限值要求，并且規定輻射騷擾測試最高頻率取決于EUT內部工作源的最高頻率，即EUT內部產生和使用的最高頻率，或EUT工作或調諧的最高頻率。

    此修正案具體規定了1GHz-6GHz輻射騷擾的測量儀器、場地和測試方法等。測量儀器應符合CISPR16-1-1中8.2的規定，其中具體規定了測試接收設備在頻率高于1GHz時的要求，如RBW、VBW、檢波方式、輸入端濾波器及掃描時間等。由于在高頻測試中，普遍采用頻譜分析儀進行測量，所以該修正案并沒有采用在30MHz-1GHz輻射騷擾所采用的接收機作為測試設備，進而在限值方面也是采用了峰值限值和平均值限值。

    測量天線和場地應分別符合CISPR16-1-4中第4.6節和第8節的規定，進行1GHz以上測量的天線需是經過校準的線性極化天線，天線的波瓣寬度或主瓣應足夠寬以覆蓋EUT的最大范圍，主瓣定義為該天線的3dB波瓣寬度，而測量場地應滿足自由空間無反射條件，并且歸一化場衰減與理論自由空間場衰減值相差小于4dB。而根據最新的CISPR/A/531CD的規定，要求與理論自由空間衰減值相差小于3.5dB。

    測試方法應符合CISPR16-2-3中7.3節的規定，其中包含測試物理量、測試距離、EUT布置、測試布置、測試步驟等的要求。

    A類和B類信息技術設備在3m測量距離的高頻輻射騷擾限值分別如表1和表2所示。

    表1  A類信息技術設備在3m測量距離的輻射騷擾限值

      表2  B類信息技術設備在3m測量距離的輻射騷擾限值

      在2005年10月的CISPR南非會議上，通過了CISPR/I/106/CDV文件，該文件對于6GHz-18GHz的輻射騷擾限值進行了規定，如表3和表4所示。

    表3  A類信息技術設備在3m測量距離的輻射騷擾限值

頻率范圍（GHz）平均值限值（dBuV/m）峰值限值（dBuV/m）6-186080

     表4  B類信息技術設備在3m測量距離的輻射騷擾限值

    由于測試最高頻率取決于EUT內部源工作的最高頻率，所以需要針對不同設備規定其測量的上限頻率，如表5所示。

    表5  EUT內部工作源的頻率與相應測試頻率之間的關系

EUT內部源頻率（MHz）測試最高頻率（GHz）EUT＜1081108＜EUT＜4002400＜EUT＜100051000＜EUT最高頻率的5倍或者18GHz中取較小者

    2.2全電波暗室自由空間傳輸損耗FSTL測試

    依照最新CISPR16-1-4中5.8的規定，需要對進行輻射騷擾測試的全電波暗室進行30MHz-1GHz范圍內的自由空間傳輸損耗FSTL測試，本測試的目的是衡量在EUT的最大測試范圍內的自由空間傳輸損耗值與理論自由空間傳輸損耗值的差異，假如此差異過大，則認為暗室不符合要求。被測試區域為一個圓柱形區域，該圓柱的底面直徑和高度由該暗室測試的最大EUT尺寸來決定，而他們都取決于該暗室的測試距離，如表6所示：

    表6  不同測試距離下最大測試區域

    而針對日常較多應用的3m法全電波暗室，可以看出測試的圓柱體的底面直徑和高度最大為1.5m，在此條件下，測試布置如圖1所示。

    圖1  全電波暗室自由空間傳輸損耗測試示意圖

    為盡量模擬EUT的真實發射情況，發射天線會在高中低三個不同的水平面上進行發射，而接收天線只在中間高度進行接收。對于發射天線，在每個水平面上選擇前后左右中五個位置進行測試，其中中間平面即是暗室靜區中心所對應的水平面，高平面為中間平面的水平高度加上測試圓柱高度的一半然后減去發射天線長度的一半后即發射天線中心所對應的水平面，低平面與高平面相對于中間平面對稱。對于發射天線的大小同樣也有要求，相對于3米的測試距離要求它的長度不能超過40厘米，而當測試距離增加時，它可以按比例增大。在測試過程中，發射天線和接收天線的距離需固定不變，由于接收天線的水平高度只在暗室的中間高度處，所以發射天線在高低兩個水平面上時，需要調節發射和接收天線的相對位置。如圖2所示。

    圖2  發射接收天線位置調節示意圖

    測試過程中，測試步長可以隨頻率的改變而改變，但是最大測試步長如表7所示。

    表7  全電波暗室自由空間傳輸損耗測試測試最大步長

頻率范圍（MHz）
最大測試步長（MHz）

30-100
1

100-500
5

500-1000
10

    2.3全電波暗室場地電壓駐波比SVSWR測試

    與全電波暗室30MHz-1GHz自由空間傳輸損耗測試目的相同，全電波暗室場地電壓駐波比SVSWR測試的目的是驗證頻率在1GHz-18GHz范圍內的暗室性能。由于目前無線設備測試頻率越來越高，要求在1GHz以上對全電波暗室的自由空間條件進行驗證。場地電壓駐波比測試的目的就是檢查受試空間的周邊由接收天線3dB波瓣寬度形成的切線W范圍內所提供的自由空間條件，如圖3所示。

    圖3  SVSWR測試示意圖

    SVSWR是由反射信號與直射信號在暗室內相互作用而導致的接收天線接收端的最大電壓與最小電壓之比，用分貝表示如下：

    SVSWRdB=VmaxdB-VmindB

    為了得到在SVSWR測試期間暗室所有的反射面的反射信號強度，用作發射源的天線應該具有全向發射特性或者象偶極子天線那樣的輻射模式圖，而接收天線要求必須線性極化。

    SVSWR的測試布置圖4所示，此試驗同樣在測試最大區域的高中低三個水平面上進行，但與自由空間傳輸損耗測試不同之處在于此時發射天線和接收天線總處于同一水平面上，即接收天線也隨著發射天線高度的調節而進行相應調節，但接收天線在水平方向上的位置相對固定。以接收天線的前端作為參考點，發射天線在水平面上一共進行六個位置的測試，六個位置分別相距測試最大區域外邊緣的距離為0、0.7、2.1、3.5、7.7和15.4厘米，所以共進行18個位置的測量。

    圖4  SVSWR測試布置圖

    測試最大區域的高中低三個水平面按照如下方法進行定義：低平面定義為高于地表面1米且至少高于吸波材料0.7米，高平面定義為測試最大區域的最高高度，中間平面為兩個高低兩個平面的中值平面。

    由于接收天線在水平面上的位置固定，所以測試距離會隨著發射天線的位置改變而改變，所以要求在進行場地評估時，需要將測量得到的結果都歸算到同樣的測試距離下，即歸算到測試距離D（D為測試最大區域邊沿與接收天線參考點之間的最小距離）的情況下，然后再用接收到的最大信號強度減去最小信號強度，得到場地電壓駐波比。當采用以上方法進行測試時，場地電壓駐波比要求小于3.5dB。

    2.4歸一化場地衰減NSA測試

    在CISPR22中針對半電波暗室規定了30MHz-1GHz的歸一化場地衰減測試方法，而針對1GHz-18GHz的高頻全電波暗室歸一化場地衰減在最新的CISPR/A/342CD中進行了說明，要求測試場地滿足自由空間無反射條件，例如全電波暗室或地面使用吸波材料的半電波暗室，對于3米的測試距離，吸波材料的最小尺寸為1.3米×1.3米，放置于發射天線前端0.4米處，針對實際EUT的使用空間測試場地，將發射天線置于轉臺的中心位置及其前后50cm處以及EUT測試空間的左右邊緣共5個位置進行測試。由于是全電波暗室，所以不需要接收天線進行上下掃描。

    當實測的垂直和水平極化的NSA測試結果位于理論的歸一化場地衰減NSA的+/-4dB之內時，則認為該場地符合要求，否則應檢查測量方法、儀器漂移和天線系數的校準，假如仍然超出+/-4dB限值，應增加吸波材料的尺寸進行校驗，假如仍然不符合要求，則認為該場地不符合要求。

    用以下公式計算1-18GHz之間的理論歸一化場地衰減：

    A（dB）=20×log（R）-20×log（ƒ）+32

    其中：R為發射天線和接收天線在水平投影之間的距離，單位為米，

    ƒ為測試頻率，以MHz表示，

    A（dB）為理論歸一化場地衰減。

    在測試過程中，水平和垂直極化下的測量都按以下方法進行：首先進行兩次測試，將兩次測試的接收天線終端電壓相減來得到場地衰減，而歸一化場地衰減則由場地衰減減去兩個天線的自由空間天線系數得到。第一次測試時，將兩個同軸電纜與天線分開，直接相連后在接收電纜末端測量得到Vdirect，然后將電纜分別與發射天線和接收天線相連以后在接收電纜末端測量得到Vsite，最后歸一化場地衰減由下式得出：

    A（dB）=Vdirect-Vsite-AFT-AFR

    其中，AFT與AFR分別是自由空間條件下發射天線和接收天線的天線系數。由此可以看出，天線系數的準確性對于測試結果是至關重要的，由于現在一般的校準機構只給出了開闊場的天線系數校準結果，所以應用于歸一化場地衰減測試時會帶來一定的誤差，所以需要對天線進行專門自由空間天線系數校準，并明確校準距離。

    2.5PLC技術的輻射干擾問題

    電力線相當于天線，它一方面將產生的電磁波向外輻射，另一方面吸收來自外界的電磁波。PLC使用2～30MHz的頻帶傳輸數據時，可能會對該頻段的短波無線電廣播、業余愛好者無線電臺以及其它電信設備的正常工作產生影響。在電力線調制解調器工作時，電力線通信設備和電力線將會產生泄漏電波，這些泄漏電波將變成無線通信中的噪音，有可能會對無線通信造成干擾，但是電力線輻射電磁波的能力遠遠沒有電力線通信設備輻射電磁波的能力大，且無線通訊應用的頻帶比較窄，所以影響的程度不大。泄漏的電磁波對于有線通信來說，經過調制接收到的是類似于白噪聲的干擾，對于有線通信會使設備間通信的誤碼率提高，信噪比升高，影響通信質量。在十米的距離上和用9KHz的帶寬測量其電磁輻射時，頻率在10MHz以下時達到66dBµV/m，會在100-200米范圍內干擾無線電通信和電子設備。但是當頻率到達10MHz以上時，電磁波隨距離增加衰減加劇，通過電力線傳輸寬帶信號造成的輻射影響迅速下降。電力線通信設備此時會對其四周電子設備的工作造成嚴重影響。

    為了避免這種干擾，各國制定了相應的一些標準和規范。目前世界上有英國的MPT1570、德國的NB30是專門針對高速PLC通信制定的法規。加上美國的通用電磁兼容標準FCCPart15，實際上高速PLC現有三個電磁兼容標準。三個標準中，FCCPart15最為寬松，NB30次之，MPT1570最為嚴格。

    圖5  標準限值

    電力線上網技術作為眾多通信技術的一種，電力線通信設備也要滿足關于電磁兼容性（EMC）及功率輻射的有關標準和規定。通信設備的無線電騷擾限值由國標GB9254-1998規定，對應國際標準為EN55022；抗擾度試驗由國標GB17626系列規定，對應國際標準為IEC61000-4系列。電力線通信設備由于其通信方式的非凡性，它的測試方法和普通通信設備的測試有著差異。

    在通常的EMC測試中，被測試樣品都要保持正常的工作狀態或者和正常狀態接近的一種測試狀態來滿足測試的需要。而PLC設備都是通過電力線工作，這種狀態和以往的通信設備相比有著很大的不同。

    其它電信設備電源接口僅僅作為設備的供電而存在，在測試環境中AC端口也只是給被測設備提供電源。而PLC設備的電源端口同時也是它的通信端口，在提供電源的同時也擔負著鏈路通信的任務，這就使得原來的測試設備不能完全滿足測試的要求。

    例如在輻射連續騷擾測試的過程中，被測試樣品按標準要求擺放于暗室內，輔助設備通過暗室中的各種轉接電纜連接到暗室外。被測設備由暗室中獨立的經過濾波的電源提供電源。普通通信設備的通信鏈路通過各種暗室中提供的通信線端口連接，或者用光纖轉換的方式來實現通信。暗室中經過濾波的電源可以凈化測試場地的電磁環境，使實驗環境的電磁噪聲降到最低。但是這種濾波在凈化電磁環境的同時也濾掉PLC設備傳輸的有用的通信信號，造成PLC被測設備和輔助設備之間的通信鏈路沒有辦法建立，從而不能實現設備的正常工作的要求。在不正常的狀態下得到的測試數據是不能反應設備的EMC特性的。

    在沒有專門濾波處理的電源接口的情況下，只有將PLC設備的輔助設備同時放置在暗室中。暗室中的電源線是互通的，被測設備和輔助設備之間的通信很輕易建立。但是由于在暗室中增加了輔助設備，也就增加了輔助設備的電磁輻射，從而測試結果中就會有輔助設備電磁輻射的疊加，就不能正確的體現被測設備的EMC特性。

    測試結果符合要求的話，可以說明被測設備和輔助設備都滿足EMC輻射要求。若測試結果不滿足要求，則不好判定那個設備的電磁輻射超過標準要求。

    為了在現有的條件下完成測試，又要把輔助設備的影響降到最低，輔助設備只能擺放在對暗室電磁環境影響較小的位置。位置的選擇很重要，幾乎所有涉及暗室的EMC測試，都會有類似的問題。

    在EMC抗擾項目測試中，針對AC端口的測試是必不可少的。測試設備通過AC端口向被測設備施加騷擾信號，往往這些測試設備的供電端口的電壓是可以調節的。在測試設備內部會有一個內部調壓器，或者就是一個簡單的變壓設備，這樣的變壓設備會阻斷電力線方式的通信?？偠斐蓽y試過程中電力線通信設備沒有辦法建立正常的連接，無法保持正常的工作狀態，從而沒有辦法對測試結果進行判據。在這種情況下如何合理的進行測試就是需要考慮的問題，目前的測試設備都沒有這方面的考慮。

    而在傳導連續騷擾測試中，被測PLC設備連接到AMN（人工電源網絡）上。AMN為被測設備提供電源，提取騷擾信號，隔離測試網絡和供電網絡。由于AMN的隔離不是通過濾波器實現，而是通過一個50Ω/50µH的網絡實現，從而實際操作中，通信信號可以很好的通過AMN傳輸而不會被隔離。由于PLC設備的工作頻段正好落在傳導連續騷擾測試頻段（150KHz-30MHz）之內，所以測試數據中通信信號會被當作騷擾信號記錄，體現通信信號對供電網絡的干擾。這種通信信號的干擾必須滿足目前的EMC標準，因而對于PLC設備制造廠家來說，一味的提高通信信號的強度的結果就是干擾了公共電網。下圖顯示了在傳導連續騷擾測試中，通信信號對公共電網的騷擾。顯然通信信號對公共電網的騷擾已經超過了標準規定的限值。

    圖6  PLC設備傳導騷擾測試圖

    因此PLC技術必須解決通信信號對公共電網的干擾的問題，使得通信信號既能滿足通信的要求，又不要產生對公共電網的騷擾。

    2.6移動臺空間射頻輻射功率和接收機性能測量

    在現有網絡環境中，移動臺具有良好的射頻輻射特性和接收機性能是它能夠有效工作的重要條件。由于移動臺體積日益變小，輻射性能經常被折衷，因為研制一個在蜂窩和PCS頻段都有良好輻射性能的手機天線是很困難的事情。因此對移動臺的輻射性能的全面而準確的了解有助于生產者和用戶確認移動臺在特定的網絡中的工作性能。

    通常，峰值有效全向輻射功率（EffeCTIveIsotropicRadiatedPower EIRP）不能很好體現移動臺的空中輻射性能。例如，高方向性的移動臺天線系統的峰值有效全向輻射功率很大，但是其信號覆蓋性很差。在蜂窩網絡中，最好是使移動臺天線系統的空間覆蓋范圍最大，用戶不需要為了獲得良好的通話質量而將天線指向特定的方向。另外，人頭會改變移動臺輻射模式的外形和峰值，對于不同頻率、不同尺寸的移動臺和不同的天線設計來說，人頭引起的損耗也不同。從空間場性能測量角度來說，在人頭模型時測量到的移動臺峰值EIRP比自由空間時的EIRP更有意義。

    與輻射性能相比，接收性能對于整個移動臺系統同樣重要，下行鏈路也就是用戶接收路徑是移動臺正常工作的一部分，若接收機性能不好將導致用戶聽到的話音質量很差，有時會導致由于丟失基站信號而忽然中斷通話。

    因此，蜂窩通信與互聯網協會（CTIA：CellularTelecommunication&Internet Association）在2001年10月出版了《CTIA認證程序：移動臺空中性能測量方法，射頻輻射功率和接收機測量方法》，目前已公布了2.1版。該標準規定測量移動臺的球形有效全向輻射功率，簡稱總輻射功率TRP（Total Radiated Power）和移動臺的球形有效輻射接收機靈敏度，簡稱總全向靈敏度TIS（Total Isotropic Sensitivity）。在測量移動臺接收機靈敏度時，接收機的帶內噪聲或發射機的雜散信號干擾接收機是導致移動臺在單個信道或少數幾個信號上靈敏度較低的主要原因。所以接收機靈敏度在發射機答應的最大發射功率條件下進行測試。

    1）TRP測試

    此測試通過在移動臺球形四周不同位置測量移動臺輻射功率來衡量移動臺的輻射射頻性能。圖7為TRP測試在球坐標的一個切面上的示意圖。通過分析移動臺的球形測量數據可以得到它的三維輻射特性。在球坐標的θ軸和Ф軸分別間隔15度取1個測量點，即能夠充分描述移動臺的遠場輻射模式和總輻射功率。由于在θ=0度和180度時不用測試，所以每個極化需測量264個點。將所有測量數值按照下式進行積分可得總輻射功率。

    圖7  TRP測試切面示意圖

    TRP測試示意系統如圖8所示。其中，頻譜分析儀用來測量天線接收到的移動臺空間輻射的功率。而基站模擬器通過通訊天線與被測移動臺建立通信連接。被測移動臺放置在一個多軸定位器上，由此定位器來控制被測移動臺進行球形坐標系統的三維旋轉。

    圖8  TRP測試系統示意圖

    2）TIS測試

    此測試通過測量移動臺的誤碼率（BER）或誤幀率（FER）來衡量它的接收機性能，通過分析球面上每個測量點的BER或FER來評估有效輻射接收機靈敏度。圖9為TIS測試在球坐標的一個切面上的示意圖。通過分析移動臺的球形測量數據可以得到它的三維接收機特性。在球坐標的θ軸和Ф軸分別間隔30度取1個測量點，即能夠充分描述EUT的接收機靈敏度。由于在θ=0度和θ=180度時不用測試，所以每個極化需測量60個點，將所有測量數值按照下式進行積分可得總全向靈敏度。

    TIS測試示意系統如圖10所示。此時，TRP測試時的測量天線被用作了下行鏈路天線用來傳送基站模擬器的下行鏈路信號，而通信天線用來傳送移動臺與基站模擬器之間的上行鏈路信號，步進衰減器用來精確調節基站模擬器的輸出功率。被測移動臺放置在一個多軸定位器上，由此定位器來控制被測移動臺進行球形坐標系統的三維旋轉。

    圖9  TIS測試切面示意圖

    圖10  TIS測試系統圖

    2.7電信設備電磁信息安全

    目前，信息技術設備在社會中得到了大量的使用，信息技術設備的電磁信息安全性就成為一個重要的問題。如何規定其電磁信息安全性，避免被外界竊取要害信息，以及防止不會被現有的電磁環境干擾造成性能降低就成為一個迫切的事情。

    信息技術設備的電磁信息安全包含了高空電磁脈沖（HEMP）、高功率電磁場（HPEM）、電磁信息泄露技術（TEMPEST）三個部分。

    高空電磁脈沖指電磁武器在地球大氣層外（典型值為海拔30km）發生爆炸時產生的電磁脈沖。高空電磁脈沖攻擊可以對一個廣闊的地理范圍內的所有電信設備進行同時攻擊，從而對通信全程全網產生嚴重的危害。

    高功率電磁場包含HPM環境、SP環境和UWB環境。高功率的電磁場通過高強度的電磁場或傳導電壓和電流，導致電子系統損壞或崩潰。這是由于電磁場或傳導電壓的強度遠遠大于電子系統的正常工作條件（如：100V/m和100V）。

    電磁信息泄漏技術（TEMPEST）主要對信息技術設備中信息泄漏（電磁、聲）信號進行研究。由于信息技術設備中大量使用數字信號進行數據處理，信號的頻率范圍從幾十赫茲到幾十千兆赫茲。隨著信息技術設備處理速度的提高，電磁發射的強度也會增強。電磁發射可以在空間傳播，也可以沿電源線、電話線、網線、金屬管道傳播。設備無意產生的電磁發射中往往包含著所處理的數字信息的敏感部分。信息竊取者可以截獲電磁發射，并通過對電磁發射中的敏感部分處理可以再現原始信息。

    ITU-T的SG5“電磁環境影響的防護”目前正在就信息技術設備的電磁信息安全問題進行研究。ITU-TSG5針對該研究預備出版三個ITU-TK系列建議，分別是K.hemp《防止HEMP危害通信系統的要求和應用》、K.hpem《防止HPEM危害通信系統的要求和應用》、K.leakage《防止非有意的電磁發射產生的信息泄露的測試方法和要求》。