GSM手機(jī)對音響設(shè)備構(gòu)成電磁干擾機(jī)理

GSM手機(jī)對音響設(shè)備構(gòu)成電磁干擾機(jī)理的探析
深圳市無線電監(jiān)測站 劉恒??錢寧鐵??黃苑玲

一、引言
在日常工作、生活中，人們在使用GSM移動電話時，經(jīng)常會遇到以下諸多現(xiàn)象：
·GSM手機(jī)處于呼叫接續(xù)或振鈴待接狀態(tài)時，正在使用的電腦音箱經(jīng)常會發(fā)生“嘟……嘟……”的噪聲，正在接聽的有線電話話筒內(nèi)也經(jīng)常會傳來“嘟……嘟……”的噪聲，家用組合音箱也經(jīng)常會傳出此類噪聲，正在開會的會議室內(nèi)音箱由于主持人的移動電話離話筒很近也經(jīng)常會發(fā)出相同的聲響。
·GSM手機(jī)在通話過程中，上述現(xiàn)象也會時常發(fā)生。
為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，如何解釋？本文將通過闡明電磁兼容的基本概念和相關(guān)原理來解釋這種現(xiàn)象。
二、電磁干擾機(jī)理的實驗
1、電路模型
圖(1)是一個音頻放大電路工作原理圖，該電路來源于一個車用GSM報警裝置，其應(yīng)用是將GSM手機(jī)上的聽筒去掉，將其中的一端取出接至該放大電路A端，另一端與手機(jī)板的地線相連，以提高話音的輸出強(qiáng)度。在實際應(yīng)用中手機(jī)板和音頻放大電路板固定連接，手機(jī)天線內(nèi)置，使用中產(chǎn)生了上述噪聲現(xiàn)象。同樣，有一些GSM無線公話類產(chǎn)品使用中也有噪聲現(xiàn)象產(chǎn)生。各類音響設(shè)備所采用的音頻放大電路基本類似。




2、實驗過程
將圖(1)的電路模型板加電工作，A端不接任何信號輸入，在模型板附近操作一部GSM手機(jī)呼叫接續(xù)，然后通話，在整個過程中均可聽到喇叭發(fā)出“嘟……嘟……”的電磁干擾噪聲，移動GSM手機(jī)離模型板越近噪聲越強(qiáng)，越遠(yuǎn)噪聲則減弱，直至沒有；移動GSM手機(jī)在不同的空間方位上及距模型板的遠(yuǎn)近不同時，產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度也明顯不同。
若將該電路模型板放入橫電磁室(TEM)內(nèi)，從橫電磁室的觀測孔中引出D端連線及地線，將D端連線和地線外接喇叭。加電工作后，在接喇叭的引線近端及遠(yuǎn)端操作手機(jī)工作，實驗中均可聽到干擾噪聲。
上述實驗結(jié)果表明：電磁干擾的感應(yīng)途徑有二種方式，一是通過模型板內(nèi)放大器輸入端環(huán)路感應(yīng)進(jìn)去的，當(dāng)感應(yīng)的射頻信號電平超過了放大器的敏感度門限時，經(jīng)放大器的放大導(dǎo)致輸出端產(chǎn)生較強(qiáng)干擾電平，從而產(chǎn)生了干擾現(xiàn)象；二是感應(yīng)的射頻信號電平直接作用在外接喇叭的連線上導(dǎo)致了干擾噪聲的產(chǎn)生。
3、測量干擾信號波形特征
在實驗過程中，將數(shù)字示波器的輸入探頭接至放大器的輸出C端，在手機(jī)連線過程中，我們捕獲到C端的輸出干擾信號波形見圖(2)、圖(3) 、圖(4)。
圖(2)是某一時段干擾信號波形直觀圖。
圖(3)是某一時段具有間歇效果的干擾信號波形直觀圖。
圖(4)是對干擾信號波形測量后的直觀圖。
三、原理介紹及實驗結(jié)果分析
????根據(jù)上面實驗過程的描述及測量獲得的干擾信號波形特征，我們將通過闡明EMC、GSM的概念和原理來逐步解析該類電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理。
1、電磁兼容的基本概念
電磁兼容學(xué)科研究的主要內(nèi)容是圍繞構(gòu)成干擾的三要素進(jìn)行的，即電磁騷擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備。
電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲，無用信號或傳播媒介自身的變化。一般意義上的“有用的電磁信號或電磁能量”在電磁兼容領(lǐng)域也有可能被認(rèn)為是電磁騷擾源。電磁干擾是指由電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。對比電磁騷擾的定義，可知電磁干擾與電磁騷擾在概念上的區(qū)別，如果電磁騷擾電平較低，存在電磁騷擾不一定形成電磁干擾。
明確概念后，我們可以確定本文開頭提出的現(xiàn)象是GSM手機(jī)在呼叫接續(xù)或振鈴待接以及通話過程等狀態(tài)中發(fā)出的900MHz/1800MHz左右的電磁能量（電磁騷擾源）所致。之所以時常產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象，只不過是當(dāng)時產(chǎn)生的電磁騷擾電平較高形成了電磁干擾。
電磁騷擾的傳輸途徑有二條，通過空間輻射和通過導(dǎo)線傳導(dǎo)，即輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。輻射發(fā)射主要研究是在遠(yuǎn)場條件下的騷擾以電磁波的形式發(fā)射的規(guī)律以及在近場條件下的電磁耦合。本文所提出的問題顯然是空間輻射所致。
敏感設(shè)備就是各類音響設(shè)備。
2、GSM手機(jī)工作原理
GSM手機(jī)設(shè)計是采用時分復(fù)用（TDMA）的工作方式，每個頻點（信道）占用200kHz帶寬，分八個時隙，八個用戶共享一個頻點，手機(jī)只在分配給它的時間內(nèi)發(fā)射信號，然后必須及時關(guān)閉，以免影響相鄰時隙的用戶，一個時隙作用時間約為577μs，8個時隙合成一幀，每幀的時間約為4.615ms。由這兩個數(shù)字我們得知手機(jī)正常工作時是通過發(fā)射脈寬577μs射頻脈沖且周期為4.615ms (頻率為216.7Hz) 向基站傳遞話音信息。需要說明的是這里提到的發(fā)射規(guī)則只適用于有話音信息存在的條件下，原因是在GSM 系統(tǒng)中還采用了話音激活技術(shù)，它的基本原則是只在有話音時才打開發(fā)射機(jī)，無信息傳輸時則關(guān)閉發(fā)射機(jī)，而在接續(xù)或通話間隙過程中GSM手機(jī)只發(fā)射間隔不等的信令信息和基站溝通。
GSM手機(jī)設(shè)計上另一特色是輸出功率的控制，當(dāng)手機(jī)在小區(qū)內(nèi)移動時，它的發(fā)射功率需要不斷調(diào)整，當(dāng)它離基站較近時，需要降低發(fā)射功率，當(dāng)它離基站較遠(yuǎn)時，就應(yīng)該增加功率。輸出功率分成數(shù)個等級，都有嚴(yán)格的定義，我們現(xiàn)在所使用的GSM手機(jī)工作在900MHz頻段時最大輸出功率為2W，工作在1800MHz頻段時最大輸出功率為1W。控制手機(jī)的功率輸出等級是由基站發(fā)來的功率控制信號來調(diào)整的，當(dāng)手機(jī)與基站接續(xù)之初，它是采用最大輸出功率發(fā)射射頻脈沖，而一旦接收到基站發(fā)來的功率控制信號后，就轉(zhuǎn)入相適應(yīng)的功率控制等級，并且在通話過程中，隨著環(huán)境的變化，依基站的要求隨時調(diào)整功率控制等級。通過對GSM手機(jī)發(fā)射功率控制方式分析，我們不難理解為什么在手機(jī)接續(xù)過程中，即呼叫聯(lián)線或振鈴待接狀態(tài)時，音響設(shè)備受到電磁干擾的概率很高，是因為此時手機(jī)發(fā)出的射頻脈沖是按最大功率發(fā)出的，容易形成電磁干擾。同時也印證了人們?nèi)粘Ｂ牭降摹笆謾C(jī)在通話剛一開始時所輻射的電磁功率是最大的”這一說法。
3、干擾信號的感應(yīng)方式
電磁感應(yīng)原理告知我們：周圍空間的騷擾電場和磁場會在閉合環(huán)路中產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓，環(huán)面積越大感應(yīng)電壓越大，感應(yīng)電壓隨磁通密度矢量或電場作用方向與環(huán)平面法線的角度不同而變化，同時頻率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電平也越大，即高頻信號更容易對環(huán)路產(chǎn)生干擾。
對圖(1)的放大電路模板所做的一個實驗表明，干擾感應(yīng)電平是由B端、放大器輸入端及地組成的環(huán)路受外界場的作用下產(chǎn)生的。若該放大電路在實際使用中由A端施加音頻輸入信號，則由A端和放大器輸入端及地組成的環(huán)路面積會加大，由此產(chǎn)生的干擾感應(yīng)電平也會更高。實驗中描述了手機(jī)距模型板的遠(yuǎn)近體現(xiàn)了外界場強(qiáng)弱不同的作用效果。實驗中還描述了手機(jī)距模型板的不同空間方位上產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度明顯不同的現(xiàn)象，也說明了感應(yīng)電壓隨磁通密度矢量或電場作用方向與環(huán)平面法線的角度不同而變化。
另一個實驗表明，干擾感應(yīng)電平是外部連線環(huán)路受外界場的作用下產(chǎn)生的。
4、干擾信號的時域分析
在實驗過程中我們已經(jīng)采樣到了實際干擾信號波形，圖(4)即為實際干擾信號測量后的直觀圖。從圖(4)中我們得知：電磁干擾信號的脈寬為553μs，周期為4.629ms，頻率為216.05Hz。而我們在上面介紹GSM手機(jī)工作方式時提到：GSM手機(jī)正常工作時是通過發(fā)射脈寬577μs射頻脈沖，周期為4.615ms ，頻率為216.7Hz向基站傳遞信息。相互對比可看出這三組數(shù)據(jù)基本相吻合，由此可見：在音響設(shè)備上產(chǎn)生的干擾信號主要特征正是GSM手機(jī)采用時分復(fù)用的發(fā)射機(jī)理所導(dǎo)致的。而圖(3)顯示的具有間歇效果的某一時段干擾信號波形也是GSM手機(jī)在接續(xù)或通話間隙過程中只發(fā)射間隔不等的信令信息和基站溝通的表現(xiàn)方式。
5、干擾信號的頻域分析
圖(2)顯示的某一時段干擾信號我們可認(rèn)為是一個非正弦周期信號，根據(jù)信號分析原理，我們知道，一個非正弦周期信號，可利用付里葉級數(shù)把它分解為許多不同頻率的分量，每一正弦分量以它的振幅和相位來表征，各個正弦分量可以將其振幅和相位分別按頻率高低依次排列成頻譜，通過頻譜就能了解信號的頻率特性。
其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中： 為直流項， 是基波的角頻率， 為n次諧波的角頻率， 為n次諧波的振幅， 為n次諧波的初相角。
本例中，我們不必經(jīng)過數(shù)學(xué)運算，只是根據(jù)這一原理，運用數(shù)字示波器中的快速付立葉轉(zhuǎn)換（FFT）數(shù)學(xué)運算功能進(jìn)行時域至頻域的轉(zhuǎn)換。
圖(5)即為對圖(1)所呈現(xiàn)的干擾信號時域波形運用FFT功能轉(zhuǎn)換獲得的信號頻譜分布的直觀圖。
圖(5)中反映的干擾信號波形中所包含的基波及各次諧波成份列表如下：
基波 2次 3次 4次 5次 6次 7次 ……
214.8Hz 429.6Hz 644.4Hz 859.2Hz 1.07kHz 1.29kHz 1.50kHz ……

由此可見，干擾信號中多次諧波分量落在人耳能夠敏感分辨的300Hz～3400Hz范圍內(nèi)，人們便可聽到由這些諧波分量合成產(chǎn)生“嘟……嘟……”的噪聲了。
對圖(3)所示的干擾脈沖波形串及其它出現(xiàn)的本文沒有展示的瞬態(tài)干擾脈沖，我們可以套用脈沖串序列或脈沖波形來確定其頻譜成份，便可得出其所含的諧波成份非常豐富，有一部分諧波分量落在300Hz～3400Hz范圍內(nèi)。
通過對干擾信號的時域和頻域分析，我們對聽到的“嘟……嘟……” 干擾噪聲能有更加清晰的認(rèn)識，人們實際上聽到的是時快時慢不同音調(diào)的干擾噪聲！
四、應(yīng)對措施
理解了干擾信號的感應(yīng)方式，我們就可以根據(jù)具體的實際情況采取不同的措施抑制產(chǎn)生的這類電磁干擾現(xiàn)象。
（1）移動“電磁騷擾源”的位置
在某些項目的應(yīng)用中，可通過移動電磁騷擾源的位置來消除產(chǎn)生的電磁干擾噪聲。本文前面提到的車用GSM報警裝置由于手機(jī)板采用了內(nèi)置天線方式，使用時產(chǎn)生了干擾噪聲，將天線移至裝置之外，再拉開一定的距離，即消除了電磁干擾噪聲。
（2）屏蔽
屏蔽用于切斷空間的輻射通路。如果目的是防止敏感設(shè)備受外“場”的干擾，則應(yīng)該屏蔽敏感設(shè)備。對于電場、磁場、電磁場等不同的輻射場，由于屏蔽機(jī)理不同采用的方法也不盡相同。本文所提的外部場均屬于高頻電場和高頻磁場，采用電阻率小的良導(dǎo)體材料屏蔽即可。以車用GSM報警裝置為例，我們只是將內(nèi)置手機(jī)天線移至裝置外殼上，而在該裝置的塑料殼內(nèi)層涂上一層屏蔽涂料就解決了問題。在某些相似的場合下，確定了音頻放大器及其輸入電路后，在其周圍采取屏蔽措施是即簡單又實用的好選擇。當(dāng)然，如果外接喇叭或音箱要采用屏蔽線。
（3）更改音頻放大電路的設(shè)計
圖(1)的放大電路是采用信號單端對地的傳輸方式，這是個不平衡電路，若在實際應(yīng)用中將放大器電路設(shè)計成平衡信號接入方式，音頻信號也改成雙線平衡傳輸方式進(jìn)入放大器的輸入端，則外部騷擾源對每根信號線對地環(huán)路產(chǎn)生的共模干擾電平幾乎相等，在放大器輸入端由信號線兩端產(chǎn)生的共模電壓轉(zhuǎn)換成的差模電壓相互抵消，形成不了干擾電壓。采用平衡信號傳輸方式一方面增加了電路的復(fù)雜程度，另一方面要確保這兩根連線的布線方式及在印制板上的走線要合理，不然的話，當(dāng)這兩根線對地構(gòu)成的各自環(huán)路面積相差很大時，在放大器的輸入端也容易產(chǎn)生較高的差模電壓。設(shè)計中還要考慮干擾電壓已在平衡信號接入的前級串進(jìn)去的可能性。這種設(shè)計方式在某些應(yīng)用中具有一定的意義。GSM手機(jī)就是采用平衡信號線連接聽筒。
五、小結(jié)
至此，形成整個電磁干擾的物理過程可概括地敘述為：在某一特定時段，由手機(jī)發(fā)出的900MHz/1800MHz較強(qiáng)的電磁能量作用在音頻放大器的輸入環(huán)路上或外接音箱（喇叭）的無屏蔽連線環(huán)路上，從而產(chǎn)生了間歇的或周期的干擾信號，這些干擾信號中含有豐富的諧波分量，其中的一部分諧波分量落在300Hz～3400Hz范圍內(nèi)，人們便聽到從喇叭中傳出的“嘟……嘟……”的噪聲。
通過分析我們知道敏感的音頻放大電路或外接音箱（喇叭）的無屏蔽連線環(huán)路容易受到外部高頻電場或磁場干擾，CDMA手機(jī)和其它的高頻無線電發(fā)射設(shè)備發(fā)出的電磁能量以及從某些設(shè)備輻射出較強(qiáng)的雜散高頻電磁能量都將對其形成干擾，產(chǎn)生的干擾信號波形可根據(jù)實際的輻射作用機(jī)理（或參照放大器的內(nèi)在特性）分析得出，這里不在贅述。
客觀世界上存在大量的電磁干擾現(xiàn)象，本文只是根據(jù)人們能夠感覺到的一個普遍現(xiàn)象通過一個具體實例比較深入地揭示了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的物理過程，以供人們在分析具體電磁干擾現(xiàn)象時參考。

圖(2)

圖(3)

圖(4)

圖(5)