汽车焊装电磁噪声频域测量与建模研究

安静

摘要：工业现场复杂的电磁环境会对物联网的通信产生干扰，影响物联网技术的发展。为了掌握某汽车工业焊装环境的EMI噪声分布，使用对数周期天线和频谱仪，以天线垂直、水平双极化方式采集现场噪声信号。分析了0.3-3GHz频段内的噪声频率及功率分布，结合噪声频谱特性，使用截断拉普拉斯变换对噪声信号进行建模，模拟结果与实测数据符合较好。

关键词：工业焊装;极化方式;频谱特性;截断拉普拉斯变换

1. 引言

作为工业物联网核心的无线通信技术会受到工业现场的电磁噪声干扰，并且因噪声强度、频谱特征等多有不同，很难定位干扰源，增加了抗干扰措施实施难度，是企业迫切需要解决的关键问题。

工业现场EMI噪声测量涉及测试设备、收发天线、信道传播特性、频谱建模等几个方面。文献[1]针对中心频点为439MHz、570MHz、2450MHz等窄带范围，测量并统计其幅值分布概率，总结了相应的频谱特性。文献[2]分析了钢铁厂锅炉房0.1～2GHz的频谱特性，指出变频器、电焊机等设备都会辐射出宽频的电磁噪声。文献[3]针对汽车点火系统进行了2.34GHz-2.53GHz窄带范围内的电磁辐射干扰测量，使用的设备包括射频接收机、单极子天线和数字示波器等，得出了使用MCA模型可等效替代实际噪声的结论。2014年，张连迎以工业区环境为背景，测量了不同时段无线电噪声分布[4]。

可知，前述研究多针对某个频点或窄带范围展开，不能反映工业现场全面的频谱特性，对EMI噪声模型构建用于评估相似环境的电磁干扰涉及亦少，本文由此展开。

2.电磁噪声测试

主要研究焊装环境300MHz-3GHz频谱范围的噪声，测试设备为对数周期天线和安捷伦N9030B频谱仪，带宽20MHz，采集点数10001，扫描精度2KHz，衰减值2dB。测试设备如图1所示。测试场景为手工点焊、焊接机器人以及办公区三个位置。

天线以垂直、水平双极化方式进行放置以接收现场信号，利用文献[5]噪底选取方式去除噪底后，提取的包含EMI噪声和通信信号的测试数据如图2-3所示。

可知：1）对比常规通信信号频段，800MHz之前含有广播信号。在0.9GHz、1.8GHz处含有手机通信信号。在2.4GHz处含有WIFI信号。典型特征是含有通信信号处功率幅值明显较高。2）点焊机、焊接机器人处测得的信号功率幅度相差不大，但都要比办公区数值要高。3）极化方式对信号接收影响不大。

3.电磁噪声频谱建模

从测试数据中去除通信信号后，则仅剩下EMI噪声，对应的概率密度曲线如图4所示。可知，功率分布主要集中在-120～-114dBm之间。天线不同极化方式接收到的信号大致相同。整体看，办公区受干扰程度低于正常工作区，符合常识。对比EMI频谱和功率图，发现两者都呈现尖峰状态，故采用截断拉普拉斯模型展开建模。其对应函数为：

图5示出了选择500.5MHz频点，带宽20KHz，归一化后的实测与模拟数据，其中μ=500.5MHz，Δx=10KHz，λ=4800为最终优化参数。可知两者结果符合较好，表明使用截断拉普拉斯模型对EMI噪声进行建模是可行的。

4. 结论

针对某汽车焊装环境，测量了0.3-3GHz频段内手工点焊、焊接机器及办公区的噪声干扰频谱及功率分布，區分出了频谱中的宽带通信和窄带EMI噪声。针对噪声频谱体现的尖峰特性，通过合理选用及优化参数，使用截断拉普拉斯模型对EMI噪声进行建模，结果与实测数据符合较好。

参考文献：

[1]Coll J F，Chilo J，Slimane B.Radio-frequency electrom-agnetic characterization in factory infrastructures[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2012，54（ 3） ：708-711.

[2]Stenumgaard P，Chilo J，Ferrer-Coll P，et al.Challenges and conditions for wireless machine-to-machine communic-ations in industrial environments[J].IEEE Communications Magazine，2013，51（ 6） ：187-192.

[3]Saaifan K A，Henkel W.Measurements and modeling of im-pulse noise at the 2. 4 GHz wireless LAN band[C]∥IEEE Global Conference on Signal and Information Processing.New York：IEEE，2018：86-90.

[4]张连迎，王聚杰，弓勇义. 典型工业区无线电噪声测量与分析[J]. 电子测量技术，2014，37（5）：85-88.

[5]Sanchez M G，De Haro L，Ramon M C，et al.Impulsive noise measurements and characterization in a UHF digital TV channel [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1999，41（2） ：124-136.