本發(fā)明涉及無線通信中的電磁兼容設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種小型基站電磁干擾識別方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代通訊設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，表現(xiàn)為系統(tǒng)高度集成、信號體制多樣、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件眾多。不同電子設(shè)備產(chǎn)生各種類型的電磁發(fā)射，超過了各類標(biāo)準(zhǔn)的限定水平，造成嚴(yán)重的電磁干擾問題。由于電磁干擾表現(xiàn)形式多樣化，干擾源種類難以一一厘清，給電磁兼容設(shè)計帶來了困難。傳統(tǒng)的電磁兼容問題分析方法是根據(jù)測試結(jié)果，尋找電磁干擾源，然后進(jìn)行整改加固措施。這需要設(shè)計人員具有豐富的工程經(jīng)驗，對設(shè)備電路結(jié)構(gòu)非常了解，同時確定電磁干擾源的過程往往具有反復(fù)性，需要耗費(fèi)較大的人力、物力，從而延長了設(shè)計周期，增加了設(shè)計成本。傳統(tǒng)的電磁兼容分析方法具有較大的局限性，電磁兼容問題的解決方案可移植性較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種小型基站電磁干擾識別方法，從信號域和器件域建立電磁干擾源與電磁頻譜特征的數(shù)理關(guān)聯(lián)，提出基本電磁頻譜特征量化表征集合，對小型基站的輸出電磁頻譜進(jìn)行特征提取，并與基本電磁頻譜特征量化表征集合進(jìn)行量化比對，識別出電磁干擾的類型，快速定位電磁干擾源頭，提高電磁兼容設(shè)計效率，并通過在射頻電路引入低通濾波器的方法，抑制干擾，滿足民用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種小型基站電磁干擾識別方法，包含以下步驟：

步驟S1、建立典型信號/典型器件的電磁頻譜表征數(shù)理模型；

步驟S2、對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行量化表征，構(gòu)建電磁頻譜特征量化表征集合；

步驟S3、基于典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合，建立小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合；

步驟S4、根據(jù)小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合與典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合的匹配程度，識別小型基站的電磁干擾信號類型。

所述的步驟S1中，建立典型信號/典型器件的電磁頻譜表征數(shù)理模型的方法包含：

運(yùn)用時-頻域變換工具對典型時域信號進(jìn)行電磁頻譜分析，獲得的電磁頻譜用以進(jìn)行電磁頻譜特征提取和分析；

運(yùn)用電路仿真工具對典型器件進(jìn)行電磁頻譜仿真，獲得的電磁頻譜用以進(jìn)行電磁頻譜特征提取和分析。

所述的典型時域信號包含：周期信號、振鈴信號、脈沖信號、平穩(wěn)信號、非平穩(wěn)信號；

采用傅里葉變換對周期性信號和振鈴信號進(jìn)行頻域分析；采用快速傅里葉變換對離散信號進(jìn)行頻域分析；采用短時傅里葉變換對脈沖信號進(jìn)行頻譜分析；采用小波變換對非平穩(wěn)信號進(jìn)行頻域分析。

所述的典型器件包含：開關(guān)電源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信號放大模塊、頻率源模塊、晶振。

所述的步驟S2中，對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行量化表征的方法包含：按照自頂向下次序逐步分解設(shè)定量化表征指標(biāo)，利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成電磁頻譜特征量化表征集合。

所述的電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)包含三個層級的量化指標(biāo)：

第一層級量化指標(biāo)包含：頻段、帶寬、峰值；頻段包含：低頻和中頻；帶寬包含：高頻、寬頻和窄頻；峰值包含：第一峰值和第二峰值；

第二層級量化指標(biāo)包含：諧波、包絡(luò)、噪底；諧波包含：基波、間距和個數(shù)；包絡(luò)包含：寬度、間距和諧波間距；噪底包含：共模和差模；

第三層級量化指標(biāo)包含：基波判斷、間距均勻性、包絡(luò)中心、間距均勻性、環(huán)境噪底、共模噪底、差模噪底。

所述的電磁頻譜特征量化表征集合包含電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)以及該表征指標(biāo)的權(quán)重因子，所有權(quán)重因子總和為100％。

所述的步驟S3中，建立小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合的方法包含：利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對小型基站的電磁頻譜特征進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合。

所述的步驟S3中，所述的步驟S4中，識別小型基站的電磁干擾信號類型的方法包含：

步驟S4.1、采用匹配度函數(shù)計算小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合與典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合的匹配程度；

所述的匹配度函數(shù)Ma_degree(n)等于所有匹配的電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)的權(quán)重因子的總和；

步驟S4.2、對小型基站電路進(jìn)行器件分析，對匹配程度較高的干擾信號類型進(jìn)行識別。

在識別出小型基站的電磁干擾信號類型之后，還進(jìn)行步驟S5、對識別出來的小型基站電磁干擾信號類型進(jìn)行驗證；

根據(jù)識別出的干擾信號類型，對小型基站電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后，利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對小型基站的電磁頻譜特征重新進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合，如果干擾信號得到抑制，則說明對干擾信號類型的識別是正確有效的。

本發(fā)明從信號域和器件域建立電磁干擾源與電磁頻譜特征的數(shù)理關(guān)聯(lián)，提出基本電磁頻譜特征量化表征集合，對小型基站的輸出電磁頻譜進(jìn)行特征提取，并與基本電磁頻譜特征量化表征集合進(jìn)行量化比對，識別出電磁干擾的類型，快速定位電磁干擾源頭，提高電磁兼容設(shè)計效率，并通過在射頻電路引入低通濾波器的方法，抑制干擾，滿足民用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種小型基站電磁干擾識別方法的流程圖。

圖2是典型信號/典型器件的電磁頻譜數(shù)理表征和量化表征的示意圖。

圖3a是小型基站正面結(jié)構(gòu)圖。

圖3b是小型基站背面結(jié)構(gòu)圖。

圖4a是小型基站低頻段輸出頻譜。

圖4b是小型基站高頻段輸出頻譜。

圖5是對小型基站電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后的低頻段輸出頻譜。

圖6是振鈴信號的頻譜圖。

具體實施方式

以下根據(jù)圖1～圖6，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種小型基站電磁干擾識別方法，包含以下步驟：

步驟S1、建立典型信號/典型器件的電磁頻譜表征數(shù)理模型；

步驟S2、對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行量化表征，構(gòu)建電磁頻譜特征量化表征集合；

步驟S3、基于典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合，建立小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合；

步驟S4、根據(jù)小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合與典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合的匹配程度，識別小型基站的電磁干擾信號類型；

步驟S5、對識別出來的小型基站電磁干擾信號類型進(jìn)行驗證。

電磁干擾源表現(xiàn)形式具有多樣性：在時域上表現(xiàn)為失真的波形信號等；在頻域上表現(xiàn)為某段或某點的超標(biāo)頻譜信號；在設(shè)備上表現(xiàn)為某一電路模塊或者組件；在能量傳播形式上表現(xiàn)為傳導(dǎo)與輻射類型；在模式上可表現(xiàn)為共模形式和差模形式等。

如圖2所示，所述的步驟S1中，建立典型信號/典型器件的電磁頻譜表征數(shù)理模型的方法包含：

運(yùn)用時-頻域變換工具對典型時域信號進(jìn)行電磁頻譜分析，獲得的電磁頻譜用以進(jìn)行電磁頻譜特征提取和分析；

運(yùn)用電路仿真工具對典型器件進(jìn)行電磁頻譜仿真，獲得的電磁頻譜用以進(jìn)行電磁頻譜特征提取和分析。

所述的典型時域信號包含：周期信號、振鈴信號、脈沖信號、平穩(wěn)/非平穩(wěn)信號等。

方波信號數(shù)學(xué)表示形式為：

其中A為幅度，T為周期，τ為單個周期T內(nèi)高電平時間。

脈沖信號(雙指數(shù)形式)的數(shù)學(xué)表示形式為：

F(t)＝A(e^-at-e^-bt) (2)

其中，A為幅度，a和b為衰減系數(shù)。

振鈴信號的數(shù)學(xué)表示形式為：

其中A為幅度，T為周期，τ為單個周期T內(nèi)高電平時間，w_i為角頻率，a為衰減系數(shù)。

周期性信號和振鈴信號，可以采用傅里葉變換(FT)進(jìn)行頻域分析；離散信號可以采用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻域分析；脈沖信號由于時間短暫，并且局部特征顯著，可以采用短時傅里葉變換(STFT)進(jìn)行頻譜分析；非平穩(wěn)信號，周期性差，并且頻譜特征往往體現(xiàn)在變化的細(xì)節(jié)中，可以采用小波變換(WT)分析其頻譜特征。

所述的典型器件包含：開關(guān)電源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信號放大模塊、頻率源模塊、晶振等。

通訊系統(tǒng)包含的電子器件模塊例如開關(guān)電源(DC-DC)模塊、調(diào)制解調(diào)模塊以及晶振器件等，都具有典型的頻譜特征，比如開關(guān)電源模塊以及晶振器件的電磁頻譜具有寬頻帶、諧波幅度高等特點，調(diào)制/解調(diào)模塊具有明顯的包絡(luò)頻譜以及諧波頻譜特征。

在電路仿真軟件中建立電路模型，設(shè)定相應(yīng)的輸入?yún)?shù)并執(zhí)行仿真，然后在輸出端口觀察電路模塊輸出頻譜，分析頻譜特征。

典型信號/典型器件的輸出電磁頻譜具有共性與差異性，例如方波信號與振鈴信號均為周期信號，其電磁輸出頻譜具有豐富的諧波分量，但是諧波的幅度會有差別；脈沖信號為寬頻帶信號；開關(guān)電源模塊、晶振等產(chǎn)生的信號也具有較多的諧波分量，并且通常集中在低頻段范圍；調(diào)制解調(diào)模塊輸出頻譜具有同時具有包絡(luò)與諧波特性，信號放大模塊輸出具有非線性特性。為了更深入分析不同器件/信號的電磁頻譜共性與差異性，按照不同層級提出電磁頻譜特征量化指標(biāo)，以確定電磁頻譜特征的唯一性量化表征。

如圖2所示，所述的步驟S2中，對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行量化表征的方法包含：

按照自頂向下次序逐步分解設(shè)定量化表征指標(biāo)，利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對典型信號/典型器件的電磁頻譜特征進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成電磁頻譜特征量化表征集合。

所述的電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)包含三個層級的量化指標(biāo)：

第一層級量化指標(biāo)包含：頻段、帶寬、峰值等；頻段包含：低頻和中頻；帶寬包含：高頻、寬頻和窄頻；峰值包含：第一峰值和第二峰值；

第二層級量化指標(biāo)包含：諧波、包絡(luò)、噪底等；諧波包含：基波、間距和個數(shù)；包絡(luò)包含：寬度、間距和諧波間距；噪底包含：共模和差模；

第三層級量化指標(biāo)包含：基波判斷、間距均勻性、包絡(luò)中心、間距均勻性、環(huán)境噪底、共模噪底、差模噪底等；

具體量化表征指標(biāo)見表2。

表2電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)

基于電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)，對典型信號/典型器件的電磁頻譜進(jìn)行量化表示，建立每一種信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合。例如：振鈴信號的電磁頻譜特征量化表征集合：{頻段(5％)、諧波峰值(5％)；諧波基波(20％)、諧波個數(shù)(5％)、諧波間距(20％)；諧波間距均勻性(25％)，不確定因素(20％)}，并按照集合每一項內(nèi)容對振鈴信號的刻畫程度設(shè)定權(quán)重因子，權(quán)重因子主要根據(jù)器件/信號的頻譜類型特征來確定，一般的規(guī)律是器件/信號獨有的頻譜特征，權(quán)重因子大，非特有的頻譜特征，權(quán)重因子小，比如諧波是振鈴的最基本特征，其權(quán)重設(shè)定值也較大，所有權(quán)重因子總和為100％。

小型基站采用新一代低功耗藍(lán)牙(BLE)技術(shù)，通過對外發(fā)射電磁信號，實現(xiàn)與手機(jī)、電腦等的通信。其工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，具體范圍為2.4GHz～2.484GHz，帶寬約為80MHz，相對帶寬為3％。

如圖3a和圖3b所示，小型基站電路主要包含四個組成部分，分別是設(shè)置在介質(zhì)材料上的ARM射頻芯片、射頻電路、藍(lán)牙天線以及電源。小型基站的外形為圓形，直徑為41毫米，結(jié)構(gòu)緊湊，電路元器件分布在狹小空間內(nèi)，帶來電磁兼容問題。在設(shè)計過程中，對小型基站的射頻電路輸出信號進(jìn)行測量，除了正常輸出的ISM頻段信號外，在低頻段出現(xiàn)了未知信號，如圖4a和圖4b所示，導(dǎo)致低頻段發(fā)射超標(biāo)，不滿足民用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

所述的步驟S3中，建立小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合的方法包含：

利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對小型基站的電磁頻譜特征進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合。

本實施例中，在小型基站電路射頻輸出端口，測量輸出信號的電磁頻譜。如圖3b所示，在低頻段0Hz～200MHz出現(xiàn)了未知干擾信號，如圖4b所示，在高頻段2.4GHz～2.45GHz為正常射頻輸出信號。根據(jù)步驟2中的電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)，對頻譜輸出特征(低頻段)進(jìn)行逐項比對，有對應(yīng)項則納入小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合，最終獲得完整的待識別電磁頻譜(小型基站射頻輸出低頻段頻譜)特征表征集。

所述的步驟S4中，識別小型基站的電磁干擾信號類型的方法包含：

步驟S4.1、采用匹配度函數(shù)計算小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合與典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合的匹配程度；

所述的匹配度函數(shù)Ma_degree(n)等于所有匹配的電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)的權(quán)重因子的總和；

匹配度函數(shù)表示待識別的小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合與典型信號/典型器件的電磁頻譜特征量化表征集合的吻合程度；

例如，計算待識別的小型基站的電磁頻譜與振鈴信號的匹配函數(shù)：

Ma_degree(n)＝5％(頻段)*1+5％(諧波峰值)*0+20％(諧波基波)*1+5％(諧波個數(shù))*0+20％(諧波間距)*1+25％(諧波間距均勻性)*1+20％(不確定因素)*0＝70％；

如圖6所示，振鈴信號的頻譜呈梳子狀，主要集中在低頻段，幅度按照一定規(guī)律分布；對比小型基站的電磁頻譜與振鈴信號的頻譜，來確定匹配函數(shù)的設(shè)定值為0還是1：均有低頻段部分1、諧波峰值分布不同0、都有諧波基波1、諧波個數(shù)不同0、諧波有間距1、諧波間距均勻1，不確定因素尚無0；

對于小型基站射頻輸出低頻段頻譜，按照匹配度函數(shù)計算方法，其與振鈴信號、晶振信號、開關(guān)電源的匹配程度較高，因此，干擾有較大可能性是振鈴、晶振、開關(guān)電源中的一種或幾種疊加；

步驟S4.2、對小型基站電路進(jìn)行器件分析，對匹配程度較高的干擾信號類型進(jìn)行識別；

本實施例中，小型基站電路中，經(jīng)過器件分析得到：ARM射頻芯片具有內(nèi)部時鐘，最高頻率為1MHz；射頻電路包含晶振器件，頻率為15MHz；天線為無源器件，起到信號放大作用；電源為紐扣電池，提供直流；如圖4a所示，匹配程度較高的干擾信號的諧波間隔為15MHz，且均勻分布，因此識別判定在0Hz～150MHz頻段出現(xiàn)的干擾信號為15MHz晶振諧波干擾。

所述的步驟S5中，對識別出來的小型基站電磁干擾信號類型進(jìn)行驗證的方法包含：

根據(jù)識別出的干擾信號類型，對小型基站電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后，利用電磁頻譜特征量化表征指標(biāo)對小型基站的電磁頻譜特征重新進(jìn)行特征提取和標(biāo)識，形成小型基站的電磁頻譜特征量化表征集合，如果干擾信號得到抑制，則說明對干擾信號類型的識別是正確有效的。

本實施例中，根據(jù)射頻電路具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路參數(shù)調(diào)整，在晶振的外圍電路引入低通濾波器(還可以采用接地，或者屏蔽等措施)，在小型基站射頻輸出端口重新檢測信號，輸出信號頻譜如圖5所示，其低頻干擾得到有效抑制，諧波干擾幅度約有10dB的下降，從而證明干擾確實來自15MHz晶振，且基于電磁頻譜特征的電磁干擾識別方法是有效的。

本發(fā)明從信號域和器件域建立電磁干擾源與電磁頻譜特征的數(shù)理關(guān)聯(lián)，提出基本電磁頻譜特征量化表征集合，對小型基站的輸出電磁頻譜進(jìn)行特征提取，并與基本電磁頻譜特征量化表征集合進(jìn)行量化比對，識別出電磁干擾的類型，快速定位電磁干擾源頭，提高電磁兼容設(shè)計效率，并通過在射頻電路引入低通濾波器的方法，抑制干擾，滿足民用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。