Elektromagnetische Interferenz

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Aufzeichnung der Debatte des US-Repräsentantenhauses am 8. Oktober 2002, unterbrochen und verzerrt durch elektromagnetische Störungen durch eine Sonneneruption gegen 16:30 Uhr.

Elektromagnetische Störung im analogen Fernsehsignal

Elektromagnetische Interferenz ( EMI ), die auch als Hochfrequenz - Interferenz ( RFI ) , wenn in dem Hochfrequenzspektrum ist eine Störung , die durch eine externe Quelle erzeugt wird, die durch eine elektrische Schaltung wirkt elektromagnetische Induktion , elektrostatische Kopplung oder Leitung. ^[1] Die Störung kann die Leistung der Schaltung beeinträchtigen oder sogar deren Funktion beeinträchtigen. Im Fall eines Datenpfads können diese Effekte von einer Erhöhung der Fehlerrate bis zu einem vollständigen Datenverlust reichen. ^[2] Sowohl künstliche als auch natürliche Quellen erzeugen wechselnde elektrische Ströme und Spannungen, die EMI verursachen können: Zündsysteme, Mobilfunknetz von Mobiltelefonen, Blitz , Sonneneruptionen und Auroras (nördliche / südliche Lichter). EMI betrifft häufig AM-Radios . Es kann auch Mobiltelefone , UKW-Radios und Fernseher sowie Beobachtungen für die Radioastronomie und die Atmosphärenforschung betreffen .

EMI kann absichtlich für Funkstörungen verwendet werden , wie in der elektronischen Kriegsführung .

	EMI-Klangbeispiel 1 Ein GSM -Mobiltelefonsignal stört ein Lautsprechersystem.
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	EMI-Klangbeispiel 2 Ein Wi-Fi- Signal stört ein Lautsprechersystem.
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Interferenz durch 5-GHz-WLAN auf Doppler-Wetterradar

Geschichte [ bearbeiten ]

Seit den frühesten Tagen der Funkkommunikation waren die negativen Auswirkungen von Störungen durch absichtliche und unbeabsichtigte Übertragungen zu spüren, und die Notwendigkeit, das Funkfrequenzspektrum zu verwalten, wurde offensichtlich.

Auf einer Sitzung der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) in Paris im Jahr 1933 wurde empfohlen, den Internationalen Sonderausschuss für Funkstörungen ( CISPR ) einzurichten, der sich mit dem aufkommenden Problem der EWI befasst. Anschließend erstellte CISPR technische Veröffentlichungen zu Mess- und Prüftechniken sowie zu empfohlenen Emissions- und Immunitätsgrenzwerten. Diese haben sich im Laufe der Jahrzehnte weiterentwickelt und bilden heute die Grundlage für einen Großteil der weltweiten EMV- Vorschriften.

1979 wurden von der FCC in den USA gesetzliche Grenzwerte für elektromagnetische Emissionen aller digitalen Geräte festgelegt, um auf die zunehmende Anzahl digitaler Systeme zu reagieren, die die Kabel- und Funkkommunikation störten. Testmethoden und Grenzwerte basierten auf CISPR-Veröffentlichungen, obwohl ähnliche Grenzwerte bereits in Teilen Europas durchgesetzt wurden.

Mitte der achtziger Jahre verabschiedeten die Mitgliedstaaten der Europäischen Union eine Reihe von "New Approach" -Richtlinien mit der Absicht, die technischen Anforderungen an Produkte so zu standardisieren, dass sie kein Handelshemmnis innerhalb der EG darstellen. Eine davon war die EMV-Richtlinie (89/336 / EG) ^[3] , die für alle Geräte gilt, die in Verkehr gebracht oder in Betrieb genommen werden. Ihr Anwendungsbereich umfasst alle Geräte, "die elektromagnetische Störungen verursachen können oder deren Leistung durch solche Störungen beeinträchtigt werden kann".

Dies war das erste Mal, dass eine gesetzliche Anforderung an die Immunität sowie an Emissionen von Geräten für die allgemeine Bevölkerung bestand. Obwohl für einige Produkte zusätzliche Kosten anfallen können, um ihnen ein bekanntes Maß an Immunität zu verleihen, erhöht dies ihre wahrgenommene Qualität, da sie mit Geräten in der aktiven EM-Umgebung der Neuzeit und mit weniger Problemen koexistieren können.

In vielen Ländern gelten mittlerweile ähnliche Anforderungen an Produkte, um ein gewisses Maß an elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen.

Typen [ bearbeiten ]

Elektromagnetische Störungen können wie folgt kategorisiert werden:

• Schmalband- EMI oder RFI, die typischerweise von beabsichtigten Übertragungen wie Radio- und Fernsehsendern oder Mobiltelefonen ausgehen
• Breitband- EMI oder RFI, bei denen es sich um unbeabsichtigte Strahlung von Quellen wie Stromübertragungsleitungen handelt . ^{[4] [5] [6]}

Die leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen werden durch den physischen Kontakt der Leiter verursacht, im Gegensatz zu der durch Induktion verursachten Strahlungs-EMI (ohne physischen Kontakt der Leiter). Elektromagnetische Störungen im EM-Feld eines Leiters sind nicht mehr auf die Oberfläche des Leiters beschränkt und strahlen von diesem weg. Dies bleibt in allen Leitern bestehen und die gegenseitige Induktivität zwischen zwei abgestrahlten elektromagnetischen Feldern führt zu EMI.

ITU-Definition [ Bearbeiten ]

Interferenz mit der Bedeutung von elektromagnetischen Störungen , auch hochfrequente Störungen ( EMI oder RFI ) ist - nach Artikel 1.166 von der Internationalen Fernmeldeunion ' s (ITU) Radio Regulations (RR) ^[7]  - definiert als „die Wirkung von unerwünschten Energie aufgrund einer oder einer Kombination von Emissionen , Strahlungen oder Induktionen beim Empfang in einer Funkkommunikation System, das sich in Leistungseinbußen, Fehlinterpretationen oder Informationsverlusten äußert, die ohne solche unerwünschte Energie extrahiert werden könnten. "

Dies ist auch eine Definition, die von der Frequenzverwaltung verwendet wird , um Frequenzzuweisungen und Zuweisungen von Frequenzkanälen zu Radiosendern oder -systemen bereitzustellen sowie die elektromagnetische Verträglichkeit zwischen Funkkommunikationsdiensten zu analysieren .

Gemäß ITU RR (Artikel 1) werden Interferenzschwankungen wie folgt klassifiziert:

• zulässige Störung
• akzeptable Interferenz
• schädliche Störungen

Durchgeführte Interferenz [ Bearbeiten ]

Die leitungsgebundene EMI wird durch den physischen Kontakt der Leiter verursacht, im Gegensatz zur abgestrahlten EMI, die durch Induktion verursacht wird (ohne physischen Kontakt der Leiter).

Bei niedrigeren Frequenzen wird die EMI durch Leitung und bei höheren Frequenzen durch Strahlung verursacht.

EMI durch das Erdungskabel ist auch in einer elektrischen Anlage sehr häufig.

Anfälligkeiten verschiedener Funktechnologien [ Bearbeiten ]

Interferenzen sind bei älteren Funktechnologien wie der analogen Amplitudenmodulation , bei denen unerwünschte In-Band-Signale nicht vom beabsichtigten Signal unterschieden werden können, und den bei Rundfunksystemen verwendeten Rundstrahlantennen tendenziell problematischer . Neuere Funksysteme enthalten mehrere Verbesserungen, die die Selektivität verbessern . In digitalen Funksystemen wie Wi-Fi können Fehlerkorrekturtechniken verwendet werden. Spread-Spectrum- und Frequenzsprungtechniken können sowohl mit analogen als auch mit digitalen Signalen verwendet werden, um die Störfestigkeit zu verbessern. Ein stark gerichteter Empfänger wie eine Parabolantenne oder einDiversity-Empfänger , kann verwendet werden, um ein Signal im Raum unter Ausschluss anderer auszuwählen.

Das bislang extremste Beispiel für die digitale Spreizspektrumsignalisierung ist das Ultra-Breitband ( UWB ), das die Verwendung großer Teile des Funkspektrums bei niedrigen Amplituden zur Übertragung digitaler Daten mit hoher Bandbreite vorschlägt . Wenn UWB ausschließlich verwendet wird, würde dies eine sehr effiziente Nutzung des Spektrums ermöglichen, aber Benutzer von Nicht-UWB-Technologie sind noch nicht bereit, das Spektrum mit dem neuen System zu teilen, da dies zu Störungen bei ihren Empfängern führen würde (die regulatorischen Auswirkungen von UWB) werden im Ultra-Breitband- Artikel besprochen ).

Interferenz mit Consumer-Geräten [ Bearbeiten ]

In den Vereinigten Staaten erlaubte das Gesetz 97-259 von 1982 der Federal Communications Commission (FCC), die Anfälligkeit von Geräten der Unterhaltungselektronik zu regeln. ^{[8] [9]}

Mögliche Quellen für RFI und EMI sind: ^[10] verschiedene Arten von Sendern , Türklingeltransformatoren, Toasteröfen , Heizdecken , Ultraschall-Schädlingsbekämpfungsgeräten, elektrischen Insektenzappern , Heizkissen und berührungsgesteuerten Lampen . Mehrere CRT- Computermonitore oder Fernseher, die zu nahe beieinander sitzen, können aufgrund der elektromagnetischen Natur ihrer Bildröhren manchmal einen "Shimmy" -Effekt ineinander verursachen, insbesondere wenn eine ihrer Entmagnetisierungsspulen aktiviert ist.

Elektromagnetische Störungen bei 2,4 GHz können durch drahtlose 802.11b- und 802.11g- Geräte, Bluetooth- Geräte, Babyphone und schnurlose Telefone , Videosender und Mikrowellenherde verursacht werden .

Schalen Lasten ( induktive , kapazitive und resistive ), wie Elektromotoren, Transformatoren, Heizungen, Lampen, Ballast, Stromversorgungen, usw., die alle Ursache elektromagnetische Störungen insbesondere bei Strömen oberhalb von 2  A . Die übliche Methode zur Unterdrückung von EMI besteht darin, ein Dämpfungsnetzwerk , einen Widerstand in Reihe mit einem Kondensator , über ein Kontaktpaar zu schalten. Während dies bei sehr geringen Strömen eine bescheidene EMI-Reduzierung bieten kann, arbeiten Dämpfer bei Strömen über 2 A mit elektromechanischen Kontakten nicht. ^{[11] [12]}

Ein anderes Verfahren zur Unterdrückung von EMI ist die Verwendung von Ferritkern-Rauschunterdrückern (oder Ferritperlen ), die kostengünstig sind und an der Stromleitung des störenden Geräts oder des kompromittierten Geräts befestigt werden.

Schaltnetzteile können eine EMI-Quelle sein, sind jedoch mit der Verbesserung der Designtechniken wie der integrierten Leistungsfaktorkorrektur weniger problematisch geworden .

Die meisten Länder haben gesetzliche Anforderungen, die die elektromagnetische Verträglichkeit vorschreiben : Elektronische und elektrische Hardware müssen bei bestimmten EMI-Mengen noch einwandfrei funktionieren und dürfen keine EMI abgeben, die andere Geräte (z. B. Radios) stören könnte.

Die Qualität der Hochfrequenzsignale hat im Laufe des 21. Jahrhunderts um etwa ein Dezibel pro Jahr abgenommen, da das Spektrum zunehmend überfüllt ist. ^{[ zusätzliche Zitate erforderlich ]} Dies hat der Mobilfunkbranche ein Rennen der Roten Königin beschert, da Unternehmen gezwungen waren, mehr Mobilfunkmasten (mit neuen Frequenzen) zu errichten, die dann mehr Störungen verursachen, wodurch mehr Investitionen der Anbieter erforderlich und häufig sind Upgrades von Mobiltelefonen passend. ^[13]

Standards [ bearbeiten ]

Das Internationale Sonderkomitee für Funkstörungen (CISPR) (französisches Akronym für "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"), ein Ausschuss der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), setzt internationale Standards für abgestrahlte und leitungsgebundene elektromagnetische Störungen. Dies sind zivile Standards für den häuslichen, gewerblichen, industriellen und automobilen Sektor. Diese Normen bilden die Grundlage für andere nationale oder regionale Normen, insbesondere die von CENELEC (Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung) verfassten europäischen Normen (EN). Zu den US-Organisationen gehören das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), das American National Standards Institute (ANSI) und das US Military (MILSTD).

EMI in integrierten Schaltkreisen [ Bearbeiten ]

Integrierte Schaltkreise sind häufig eine EMI-Quelle, müssen jedoch normalerweise ihre Energie an größere Objekte wie Kühlkörper, Leiterplattenebenen und Kabel koppeln, um eine signifikante Strahlung zu erzielen. ^[14]

Bei integrierten Schaltkreisen sind wichtige Mittel zur Reduzierung der EMI: die Verwendung von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren an jedem aktiven Gerät (über die Stromversorgung so nah wie möglich am Gerät angeschlossen), Steuerung der Anstiegszeit von Hochgeschwindigkeitssignalen mithilfe von Vorwiderständen; ^[15] und Filterung des IC-Stromversorgungs-Pins . Die Abschirmung ist normalerweise ein letzter Ausweg, nachdem andere Techniken fehlgeschlagen sind, da zusätzliche Kosten für die Abschirmung von Komponenten wie leitfähigen Dichtungen anfallen.

Der Wirkungsgrad der Strahlung hängt von der Höhe über der Grundebene oder der Leistungsebene (bei HF ist eine so gut wie die andere) und der Länge des Leiters im Verhältnis zur Wellenlänge der Signalkomponente ( Grundfrequenz , Harmonische oder Transiente) ab wie Überschwingen, Unterschwingen oder Klingeln). Bei niedrigeren Frequenzen wie 133  MHz erfolgt die Strahlung fast ausschließlich über E / A-Kabel. HF-Rauschen gelangt in die Leistungsebenen und wird über die VCC- und GND-Pins mit den Leitungstreibern gekoppelt. Die HF wird dann über den Leitungstreiber als Gleichtaktrauschen mit dem Kabel verbunden. Da das Rauschen Gleichtakt ist, hat die Abschirmung selbst bei Differentialpaaren nur sehr geringe Auswirkungen . Die HF-Energie wird kapazitiv vom Signalpaar an die Abschirmung gekoppelt und die Abschirmung selbst strahlt aus. Eine Lösung hierfür ist die Verwendung eines Geflechtbrechers oder einer Drossel , um das Gleichtaktsignal zu reduzieren.

Bei höheren Frequenzen, normalerweise über 500 MHz, werden die Spuren elektrisch länger und höher über der Ebene. Bei diesen Frequenzen werden zwei Techniken verwendet: Wellenformung mit Vorwiderständen und Einbettung der Spuren zwischen den beiden Ebenen. Wenn all diese Maßnahmen immer noch zu viel EMI hinterlassen, können Abschirmungen wie HF-Dichtungen und Kupferbänder verwendet werden. Die meisten digitalen Geräte sind mit Metall- oder leitfähig beschichteten Kunststoffgehäusen ausgestattet.

HF-Immunität und Testen [ Bearbeiten ]

Jeder ungeschirmte Halbleiter (z. B. eine integrierte Schaltung) fungiert tendenziell als Detektor für die Funksignale, die üblicherweise in der häuslichen Umgebung zu finden sind (z. B. Mobiltelefone). ^[16] Ein solcher Detektor die Hochfrequenz - Mobiltelefon Träger demodulieren kann (zB GSM850 und GSM1900, GSM900 und GSM1800) und produzieren niederfrequenten (beispielsweise 217 Hz) demodulierten Signale. ^[17] Diese Demodulation äußert sich in unerwünschtem akustischem Summen in Audiogeräten wie Mikrofonverstärkern , Lautsprecherverstärkern , Autoradios, Telefonen usw. Das Hinzufügen von integrierten EMI-Filtern oder speziellen Layouttechniken kann dazu beitragen, EMI zu umgehen oder die HF-Immunität zu verbessern. ^[18] Einige ICs sind entworfen (z. B. LMV831-LMV834, ^[19] MAX9724^[20] ) integrierte HF-Filter oder ein spezielles Design, das dazu beiträgt, die Demodulation von Hochfrequenzträgern zu reduzieren.

Konstrukteure müssen häufig spezielle Tests für die HF-Störfestigkeit von Teilen durchführen, die in einem System verwendet werden sollen. Diese Tests werden häufig in einer schalltoten Kammer mit einer kontrollierten HF-Umgebung durchgeführt, in der die Testvektoren ein HF-Feld erzeugen, das dem in einer tatsächlichen Umgebung erzeugten ähnlich ist. ^[17]

RFI in der Radioastronomie [ Bearbeiten ]

Interferenzen in der Radioastronomie , wo sie üblicherweise als Radiofrequenzinterferenz (RFI) bezeichnet werden, sind alle Übertragungsquellen, die innerhalb des beobachteten Frequenzbandes liegen, mit Ausnahme der Himmelsquellen selbst. Da Sender auf und um die Erde um ein Vielfaches stärker sein können als das interessierende astronomische Signal, ist RFI ein Hauptanliegen bei der Durchführung der Radioastronomie. Natürliche Störquellen wie Blitz und Sonne werden häufig auch als RFI bezeichnet.

Einige der für die Radioastronomie sehr wichtigen Frequenzbänder, wie die 21-cm-HI-Leitung bei 1420 MHz, sind durch Vorschriften geschützt. Dies wird als Spektrum-Management bezeichnet . Moderne radioastronomische Observatorien wie VLA , LOFAR und ALMA haben jedoch eine sehr große Bandbreite, über die sie beobachten können. Aufgrund des begrenzten Spektralraums bei Radiofrequenzen können diese Frequenzbänder nicht vollständig der Radioastronomie zugeordnet werden. Daher müssen sich Observatorien bei ihren Beobachtungen mit RFI befassen.

Die Techniken zum Umgang mit RFI reichen von Filtern in der Hardware bis zu fortschrittlichen Algorithmen in der Software. Eine Möglichkeit, mit starken Sendern umzugehen, besteht darin, die Frequenz der Quelle vollständig herauszufiltern. Dies ist beispielsweise beim LOFAR-Observatorium der Fall, das die UKW-Radiosender zwischen 90 und 110 MHz herausfiltert. Es ist wichtig, so starke Störquellen so schnell wie möglich zu entfernen, da sie die hochempfindlichen Empfänger ( Verstärker und Analog-Digital-Wandler ) "sättigen" können. Dies bedeutet, dass das empfangene Signal stärker ist, als der Empfänger verarbeiten kann. Das Herausfiltern eines Frequenzbandes impliziert jedoch, dass diese Frequenzen mit dem Instrument niemals beobachtet werden können.

Eine übliche Technik, um mit RFI innerhalb der beobachteten Frequenzbandbreite umzugehen, ist die Verwendung der RFI-Erkennung in Software. Eine solche Software kann Proben im Zeit-, Frequenz- oder Zeit-Frequenz-Raum finden, die durch eine Störquelle kontaminiert sind. Diese Proben werden anschließend bei der weiteren Analyse der beobachteten Daten ignoriert. Dieser Vorgang wird häufig als Datenkennzeichnung bezeichnet . Da die meisten Sender eine geringe Bandbreite haben und nicht ständig vorhanden sind, wie z. B. Blitz- oder Bürgerbandfunkgeräte (CB), bleiben die meisten Daten für die astronomische Analyse verfügbar. Das Markieren von Daten kann jedoch Probleme mit kontinuierlichen Breitbandsendern wie Windmühlen, digitalen Video- oder digitalen Audiosendern nicht lösen .

Eine andere Möglichkeit, RFI zu verwalten, besteht darin, eine Funkruhezone (RQZ) einzurichten . RQZ ist ein genau definiertes Gebiet um Empfänger, in dem spezielle Vorschriften zur Reduzierung von Funkstörungen zugunsten von Beobachtungen der Radioastronomie innerhalb der Zone gelten. Die Vorschriften können eine spezielle Verwaltung des Spektrums und des Leistungsflusses oder Einschränkungen der Leistungsflussdichte enthalten. Die Steuerungen innerhalb der Zone können andere Elemente als Funksender oder Funkgeräte abdecken. Dazu gehören Flugzeugsteuerungen und die Steuerung unbeabsichtigter Heizkörper wie industrieller, wissenschaftlicher und medizinischer Geräte, Fahrzeuge und Stromleitungen. Das erste RQZ für Radioastronomie ist die 1958 gegründete United States National Radio Quiet Zone (NRQZ). ^[21]

RFI zur Umweltüberwachung [ Bearbeiten ]

Vor der Einführung von Wi-Fi ist das Terminal-Doppler-Wetterradar eine der größten Anwendungen des 5-GHz-Bandes . ^{[22] [23]} Die Entscheidung, ein 5-GHz-Spektrum für Wi-Fi zu verwenden, wurde 2003 auf der World Radiocommunication Conference abgeschlossen . Die meteorologische Gemeinschaft war jedoch nicht an dem Prozess beteiligt. ^{[24] [25]} Die anschließende laxe Implementierung und Fehlkonfiguration der DFS hatte in einer Reihe von Ländern auf der ganzen Welt zu erheblichen Störungen des Wetterradarbetriebs geführt. In Ungarn wurde das Wetterradarsystem für mehr als einen Monat für außer Betrieb erklärt. Aufgrund der Schwere der Störungen gaben die südafrikanischen Wetterdienste den C-Band-Betrieb auf und stellten ihr Radarnetz aufS Band . ^{[23] [26]}

Übertragungen auf benachbarten Bändern zu solchen, die von der passiven Fernerkundung verwendet werden , wie z. B. Wettersatelliten , haben Störungen verursacht, die manchmal erheblich sind. ^[27] Es besteht die Sorge, dass die Einführung eines unzureichend regulierten 5G zu erheblichen Interferenzproblemen führen könnte. Signifikante Interferenzen können die Leistung der numerischen Wettervorhersage erheblich beeinträchtigen und erhebliche negative Auswirkungen auf die Wirtschaft und die öffentliche Sicherheit haben. ^{[28] [29] [30]} Diese Bedenken veranlassten den US-Handelsminister Wilbur Ross und den NASA-Administrator Jim Bridenstine im Februar 2019, die FCC aufzufordern, die vorgeschlagene Versteigerung von Frequenzen abzusagen, was abgelehnt wurde. ^[31]

Siehe auch [ Bearbeiten ]

• Elektromagnetische Strahlung
• Elektromagnetische Abschirmung
• Faradayscher Käfig
• Interferenz (Kommunikation)
• Leistungsintegrität
• Funkempfänger
• Signalintegrität
• Signalrauschen
• Twisted Pair

Referenzen [ bearbeiten ]

Externe Links [ Bearbeiten ]

Wikimedia Commons verfügt über Medien zum Thema elektromagnetische Störungen .

• ARRL, RFI
• Interferenzhandbuch
• EMC Design Fundamentals
• Clemsons EMV-Seite (EMI Tools and Information)
• EMV-Tutorials