某道路复杂电磁波仿真方法

收稿日期：2024-05-09

【摘 要】5G时代，为了加强信息通信和智能网联汽车的多维交互品质，在一些路段，尤其是隧道、地库安装了不同移动运营商的信号放大器、V-2X交互装置等，造成电磁波异常积聚、畸变，对智能汽车的敏感电子件具有较大影响，危及行车安全。文章通过对此类道路电磁波进行采集、频谱分析、数据模型、仿真加载和虚实对比等方式进行研究，确定一套完整的复杂电磁波仿真方法，通过此方法，可以更好地甄别产品开发缺陷，提升产品品质。

【关键词】畸变电磁波；数据模型；仿真加载；虚实对比

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0076-03

Simulation Method of Complex Electromagnetic Wave on a Road

TANG Wei，YE Qing，CAO Xuefeng，YANG Tianlong，WU Kunbao

（JETOUR Auto，Wuhu 241003，China）

【Abstract】In the 5G era，in order to strengthen the multi-dimensional interaction quality of information communication and intelligent connected vehicles，signal amplifiers and V-2X interactive devices of different mobile operators are installed in some road sections，especially in tunnels and underground warehouses，resulting in abnormal accumulation and distortion of electromagnetic waves，which has a greater impact on sensitive electronic parts of intelligent vehicles and endangers driving safety. Through the acquisition，spectrum analysis，data model，simulation loading and virtual-real comparison of this kind of road electromagnetic wave，a complete set of complex electromagnetic wave simulation method is determined. Through this method，the defects of product development can be better identified and product quality can be improved.

【Key words】distorted electromagnetic wave；data model；simulation loading；virtual-real contrast

1 引言

近年来，随着中国社会5G智能化、汽车行业电动化的高速发展，道路上电磁环境越来越复杂，已经超出了传统意义上红绿灯、广播发射台等传统单向电磁波干扰源对汽车造成的单向电磁干扰。已有的单向电磁波抗扰方法已经不能满足时代发展，所以需要研究道路上混合各种异常电磁信号形成的复杂电磁波抗扰方法，此方法是提升智能汽车稳定性、可靠性的必要课题。

在军事领域复杂电磁波验证是一门较为健全的科学研究方向，在民用、工业领域应用研究很少，近年来在国外发达国家也是将复杂电磁波作为新兴课题研究，在UVW、AM信号混合等领域取得一定积极成果。国内汽车对这块的研究刚刚起步，在中国汽车工程学会牵头下，各大OEM、研究所积极投入此领域的研究，目前还处于技术规划、方法讨论阶段，还没有统一的方法和规范的要求。

2 主要研发方法技术

本研究以复杂电磁波频谱采集、信号分析、数据模型和仿真加载应用为主题，基于自动化数据采集分析软件，为研究提供高效验证工具。

2.1 复杂电磁波采集

电磁波由电场与磁场在空间中相互振荡而产生，以波动的形式传播，其每秒变动的次数便是频率，复杂电磁波即不同频率信号的融合，电磁波传播特性的研究本质上是研究传播介质对电磁波的极化响应特性[1]，因此采集复杂电磁波需要使用多频段融合天线和具备频率分析功能的频谱分析仪。

在某隧道内，使用多频段融合天线对所处场域的电磁波采集。

1）采集工具：一台是德N993A频谱分析仪、一套HZ 15近场探头。

2）采集频段：400Hz～5000MHz。

3）采集步骤：运行全域采集功能，抓取尖锐点并予以记录。

4）采集过程：在隧道内，手机信号非常弱，因此需要加载不同运营商不同频段的信号放大器来提升手机信号，不同基站信号波叠合在一起，形成强烈混合复杂电磁场，对来往车辆造成通信影响。

打开是德N993A频谱分析仪，根据基站信号特点设置对应的采集频段，将HZ15近场探头对着基站放大器群，设置MaxHold记录所采集到的数据。

由于整体频段大，在长基数波段中进行有效电磁滤波，隔绝无用的电磁信号底噪，摘取有用电磁尖锐波峰段。

同时记录所有波峰段的频率值及最大值，见表1和表2。

2.2 信号分析

电磁波信号分析指将信号做傅里叶函数变换，从而进行下一步的处理。上文采集的信号都是在同一个频段，存在多个波峰信号，信号相互独立存在，因此这种漫步式的物理特性无法应用在标准的信号仿真中。

为了将采集到的信号能量应用在仿真测试中，需要将单个频段所有波峰数据进行函数转换，基于融合算法模型构建新的数据[2]，新生成的数据信号具备所有采集到的信号能量特性，它能代表这个波段所有信号特性，用这个新的信号数据来进行下一步的研究，因此需要用到频谱仪配套的上位软件PathWave BenchVue FieldFox（是德公司软件，可以快速配置各种仪器控制和测量功能快速创建自动化测试序列），使用软件录播功能对记录的信号能量进行加载，基于傅里叶原理分析，进行有效的函数变化，生成需要的虚拟信号数据。PathWave BenchVue FieldFox信号分析如图1所示。

2.3 数据模型建立

数据模型是现实世界数据特征的抽象，数据模型是数据库中数据的存储方式。将二进制数据转换为带有物理指标的物理数据模型，是信号仿真的必要步骤，也是整个试验方法的核心部分。将转换成二进制的数据命名为emi.csv。使用MATELAB进行数据模型建立。

1）打开MATELAB，建立运行模板，输入以下程序。

% Generate a sine wave signal

fs = 200; % Sampling frequency

t = 0：1/fs：1; % Time vector

f = 10; % Frequency of signal

% % % Sine wave signal

% x = sin（2*pi*f*t）;

% % Square wave signal

dutyCycle = 50; % Duty cycle of square wave

% % Input filename

filename = 'C：＼Users＼Username＼Desktop＼emi.csv';

x = csvread（filename）zRxl+6diyu8lao1ti4gKAQBv+MDvzbqIGPNKUIHoc0I=;

% x = square（2*pi*f*t， dutyCycle）;

voltage_range = 5; % Voltage range

x_analog = voltage_range/2*x; % Convert to analog signal

% Convert analog signal to digital signal

2）运行，进行数据编译，最后生成数据模型。

3）数据模式使用COE格式保存。

2.4 仿真加载

仿真指利用模型复现实际系统中发生的本质过程，通过对模型数据的试验来研究设计中的系统模拟结果，EMC仿真集高速电路建模、仿真和优化为一体，通过建立仿真模型，对车载平台中不同天线的远传辐射方向图、天线间耦合度以及近场辐射分布进行仿真[3]，用仿真代替试验，可以快速地帮助工程师完成高速电路EMC设计，实现信号完整性，极大减少研发费用，缩短研发周期。

1）使用EMC仿真专用软件FOKO进行测试。

2）在已有的某个车型基础仿真运行结果上，由于仿真模型参数由全局参数和局部参数组成[4]，基于FOKO软件具备修改某个模块的能力，加载前面COE格式数据模型，将模型的数据做变量，植入某个模块电磁特性图中。

3）运行仿真，分析选定的车辆整体/模块电磁特性的表面电流分布变化。

4）这些变化就是车辆整体/模块不稳定性的表现，需要专业人员对变化数据进行数据分析，分析这些变化是稳定变化量还是遇到复杂电磁波会出现的异常。如果是异常，需要进一步调整产品PCB设计，来改变电磁波段，因此可以为电子电器产品开发提供有力的前期数据，可以很好地降低试验费用和后期修改硬件成本，同时缩短开发周期，对汽车开发具有极致好处。

选取某个车型原有的基础EMC仿真结果，整车EMC表面电流分布稳定，没有明显电磁波动。为了便于验证，选取中控双屏为主面场强进行变化测试量验证，然后把前面处理好的物理数据模型挨个植入到中控双屏的电磁特性图中，运行FOKO仿真，此时因为中控双屏的原有电磁特性已经发生变化，仿真数据上会形成一个电波特性图。

然后对照PCB电路板设计图，可以知道这个位置的芯片组设计不合理，需要对这个区域的PCB进行修改，通过芯片区域调整、线路优化、滤波等手段改变这个区域的电波特性，使整个中控双屏的电磁波恢复平稳。

2.5 虚实对比

仿真是虚拟量的运行，由于电磁兼容总体不确定性，仿真结果可能由于某些变量原因，不能和现实环境一致，因此需要在完成仿真验证的基础上，导入真实试验室测试，通过虚拟仿真试验和传统试验虚实结合的方式[5]来确定整个验证流程可靠；因此要把第一步采集的物理信号重新分析，解析多组纯物理信号，基于物理信号，直接干扰车辆整体/模块，观测现象变化。下文以中控双屏为例进行展开。

1）真实测试基于R&S测试台架进行，台架由信号源、信号放大器、功放、天线、电波暗室和测试软件组成。

2）其核心是R&S R ELEKTRA测试软件，该软件可以控制完整的EMC测试系统，自动进行被测设备EUT的骚扰EMI和抗扰度EMS认证测试。

3）按照CISPR 16—2019的规定进行基础的试验布置，在电波暗室内将信号源、信号解调放大器、功放、天线进行布置。

4）按照CISPR 25—2016规定的试验布置，将中控双屏进行样品布置，激活产品正常工作。如图2所示。

5）在R&S R ELEKTRA建立EMS抗扰测试模板（图3），在source中导入处理好的物理信号数据，补偿各类衰减补偿数据。

6）运行测试模板，复杂电磁波将会直接导入到中控双屏周身，实时监控电磁场强（图4），通过摄像头观测样品变化。

7）基于真实观测到的现象，对比仿真的结果，确认两者有无差异，如果一致说明仿真模板设计理想，数据模型准确。如果存在差异，返回到仿真信号分析、数据模型建立之中，寻找其中可能存在的不足点，通过重新解调数据，优化数据模型，再次导入到仿真软件中，进行重复验证，直至整个仿真流程得到充分的优化，积累经验，规避以后同类错误。

3 结论

本方法核心就是将现实环境中的纯粹空间信号能量通过真实信号采集、解调分析，引入到软件测试领域中，通过傅里叶变化进行数据转换，应用数据模型制定原则，直观地体现在仿真模块植入电磁改变带来二次反应，最后对比真实测试结果，发掘仿真应用的缺陷点，并积极优化纠正。

本次研究的成功可以为汽车开发的周期性、成本降低带来大维度的降低，在积累一定成功案例后，积累关键经验，形成稳定的验证方案后就可以不再进行真实测试，可以进一步简化方法，形成“0”开发成本。

参考文献：

[1] 白波. 近地空间复杂环境下的电磁波传播特性研究[D]. 南昌：南昌大学，2022.

[2] 陈坤定. 微分分类数学模型在大数据分类系统优化算法的应用研究[J]. 山西师范大学学报（自然科学版），2023，37（1）：59-65.

[3] 陈诚，梁琰，张晨光. 多天线车载平台的电磁兼容仿真[J]. 移动电源与车辆，2022，53（4）：44-50.

[4] 陈开群，王静，高亚聪. 微观交通仿真模型参数多目标优化标定研究[J]. 交通工程，2023，23（1）：31-37.

[5] 唐希雯，宋博瑞，刘方正. 随机信号分析课程的虚拟仿真实验教学设计[J]. 高师理科学刊，2023，43（4）：81-86.

（编辑 杨凯麟）