GSM手機對音響設備構(gòu)成電磁干擾機理的探析
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，其應用是將GSM手機上的聽筒去掉，將其中的一端取出接至該放大電路A端，另一端與手機板的地線相連，以提高話音的輸出強度。在實際應用中手機板和音頻放大電路板固定連接，手機天線內(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手機離模型板越近噪聲越強，越遠噪聲則減弱，直至沒有；移動GSM手機在不同的空間方位上及距模型板的遠近不同時，產(chǎn)生的噪聲強度也明顯不同。
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端操作手機工作，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)路感應進去的，當感應的射頻信號電平超過了放大器的敏感度門限時，經(jīng)放大器的放大導致輸出端產(chǎn)生較強干擾電平，從而產(chǎn)生了干擾現(xiàn)象；二是感應的射頻信號電平直接作用在外接喇叭的連線上導致了干擾噪聲的產(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)生的機理。
1、電磁兼容的基本概念
電磁兼容學科研究的主要內(nèi)容是圍繞構(gòu)成干擾的三要素進行的，即電磁騷擾源、傳輸途徑和敏感設備。
電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設備或系統(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)域也有可能被認為是電磁騷擾源。電磁干擾是指由電磁騷擾引起的設備、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線傳導，即輻射發(fā)射和傳導發(fā)射。輻射發(fā)射主要研究是在遠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。
敏感設備就是各類音響設備。
2、GSM手機工作原理
GSM手機設計是采用時分復用（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，無信息傳輸時則關(guān)閉發(fā)射機，而在接續(xù)或通話間隙過程中GSM手機只發(fā)射間隔不等的信令信息和基站溝通。
GSM手機設計上另一特色是輸出功率的控制，當手機在小區(qū)內(nèi)移動時，它的發(fā)射功率需要不斷調(diào)整，當它離基站較近時，需要降低發(fā)射功率，當它離基站較遠時，就應該增加功率。輸出功率分成數(shù)個等級，都有嚴格的定義，我們現(xiàn)在所使用的GSM手機工作在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?？刂剖謾C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，當手機與基站接續(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手機發(fā)射功率控制方式分析，我們不難理解為什么在手機接續(xù)過程中，即呼叫聯(lián)線或振鈴待接狀態(tài)時，音響設備受到電磁干擾的概率很高，是因為此時手機發(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、干擾信號的感應方式
電磁感應原理告知我們：周圍空間的騷擾電場和磁場會在閉合環(huán)路中產(chǎn)生電磁感應電壓，環(huán)面積越大感應電壓越大，感應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)生的干擾感應電平也會更高。實驗中描述了手機距模型板的遠近體現(xiàn)了外界場強弱不同的作用效果。實驗中還描述了手機距模型板的不同空間方位上產(chǎn)生的噪聲強度明顯不同的現(xiàn)象，也說明了感應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手機工作方式時提到：GSM手機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：在音響設備上產(chǎn)生的干擾信號主要特征正是GSM手機采用時分復用的發(fā)射機理所導致的。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)學表達式為：

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)學運算功能進行時域至頻域的轉(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、應對措施
理解了干擾信號的感應方式，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備受外“場”的干擾，則應該屏蔽敏感設備。對于電場、磁場、電磁場等不同的輻射場，由于屏蔽機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，若在實際應用中將放大器電路設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。設計中還要考慮干擾電壓已在平衡信號接入的前級串進去的可能性。這種設計方式在某些應用中具有一定的意義。GSM手機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，由手機發(fā)出的900MHz/1800MHz較強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手機和其它的高頻無線電發(fā)射設備發(fā)出的電磁能量以及從某些設備輻射出較強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)