GSM手机对音响设备构成电磁干扰机理

GSM手机对音响设备构成电磁干扰机理的探析
深圳市无线电监测站 刘恒  钱宁铁  黄苑玲

一、引言
在日常工作、生活中，人们在使用GSM移动电话时，经常会遇到以下诸多现象：
·GSM手机处于呼叫接续或振铃待接状态时，正在使用的电脑音箱经常会发生“嘟……嘟……”的噪声，正在接听的有线电话话筒内也经常会传来“嘟……嘟……”的噪声，家用组合音箱也经常会传出此类噪声，正在开会的会议室内音箱由于主持人的移动电话离话筒很近也经常会发出相同的声响。
·GSM手机在通话过程中，上述现象也会时常发生。
为什么会产生这种现象，如何解释？本文将通过阐明电磁兼容的基本概念和相关原理来解释这种现象。
二、电磁干扰机理的实验
1、电路模型
图(1)是一个音频放大电路工作原理图，该电路来源于一个车用GSM报警装置，其应用是将GSM手机上的听筒去掉，将其中的一端取出接至该放大电路A端，另一端与手机板的地线相连，以提高话音的输出强度。在实际应用中手机板和音频放大电路板固定连接，手机天线内置，使用中产生了上述噪声现象。同样，有一些GSM无线公话类产品使用中也有噪声现象产生。各类音响设备所采用的音频放大电路基本类似。




2、实验过程
将图(1)的电路模型板加电工作，A端不接任何信号输入，在模型板附近操作一部GSM手机呼叫接续，然后通话，在整个过程中均可听到喇叭发出“嘟……嘟……”的电磁干扰噪声，移动GSM手机离模型板越近噪声越强，越远噪声则减弱，直至没有；移动GSM手机在不同的空间方位上及距模型板的远近不同时，产生的噪声强度也明显不同。
若将该电路模型板放入横电磁室(TEM)内，从横电磁室的观测孔中引出D端连线及地线，将D端连线和地线外接喇叭。加电工作后，在接喇叭的引线近端及远端操作手机工作，实验中均可听到干扰噪声。
上述实验结果表明：电磁干扰的感应途径有二种方式，一是通过模型板内放大器输入端环路感应进去的，当感应的射频信号电平超过了放大器的敏感度门限时，经放大器的放大导致输出端产生较强干扰电平，从而产生了干扰现象；二是感应的射频信号电平直接作用在外接喇叭的连线上导致了干扰噪声的产生。
3、测量干扰信号波形特征
在实验过程中，将数字示波器的输入探头接至放大器的输出C端，在手机连线过程中，我们捕获到C端的输出干扰信号波形见图(2)、图(3) 、图(4)。
图(2)是某一时段干扰信号波形直观图。
图(3)是某一时段具有间歇效果的干扰信号波形直观图。
图(4)是对干扰信号波形测量后的直观图。
三、原理介绍及实验结果分析
    根据上面实验过程的描述及测量获得的干扰信号波形特征，我们将通过阐明EMC、GSM的概念和原理来逐步解析该类电磁干扰产生的机理。
1、电磁兼容的基本概念
电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。
电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声，无用信号或传播媒介自身的变化。一般意义上的“有用的电磁信号或电磁能量”在电磁兼容领域也有可能被认为是电磁骚扰源。电磁干扰是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。对比电磁骚扰的定义，可知电磁干扰与电磁骚扰在概念上的区别，如果电磁骚扰电平较低，存在电磁骚扰不一定形成电磁干扰。
明确概念后，我们可以确定本文开头提出的现象是GSM手机在呼叫接续或振铃待接以及通话过程等状态中发出的900MHz/1800MHz左右的电磁能量（电磁骚扰源）所致。之所以时常产生噪声现象，只不过是当时产生的电磁骚扰电平较高形成了电磁干扰。
电磁骚扰的传输途径有二条，通过空间辐射和通过导线传导，即辐射发射和传导发射。辐射发射主要研究是在远场条件下的骚扰以电磁波的形式发射的规律以及在近场条件下的电磁耦合。本文所提出的问题显然是空间辐射所致。
敏感设备就是各类音响设备。
2、GSM手机工作原理
GSM手机设计是采用时分复用（TDMA）的工作方式，每个频点（信道）占用200kHz带宽，分八个时隙，八个用户共享一个频点，手机只在分配给它的时间内发射信号，然后必须及时关闭，以免影响相邻时隙的用户，一个时隙作用时间约为577μs，8个时隙合成一帧，每帧的时间约为4.615ms。由这两个数字我们得知手机正常工作时是通过发射脉宽577μs射频脉冲且周期为4.615ms (频率为216.7Hz) 向基站传递话音信息。需要说明的是这里提到的发射规则只适用于有话音信息存在的条件下，原因是在GSM 系统中还采用了话音激活技术，它的基本原则是只在有话音时才打开发射机，无信息传输时则关闭发射机，而在接续或通话间隙过程中GSM手机只发射间隔不等的信令信息和基站沟通。
GSM手机设计上另一特色是输出功率的控制，当手机在小区内移动时，它的发射功率需要不断调整，当它离基站较近时，需要降低发射功率，当它离基站较远时，就应该增加功率。输出功率分成数个等级，都有严格的定义，我们现在所使用的GSM手机工作在900MHz频段时最大输出功率为2W，工作在1800MHz频段时最大输出功率为1W。控制手机的功率输出等级是由基站发来的功率控制信号来调整的，当手机与基站接续之初，它是采用最大输出功率发射射频脉冲，而一旦接收到基站发来的功率控制信号后，就转入相适应的功率控制等级，并且在通话过程中，随着环境的变化，依基站的要求随时调整功率控制等级。通过对GSM手机发射功率控制方式分析，我们不难理解为什么在手机接续过程中，即呼叫联线或振铃待接状态时，音响设备受到电磁干扰的概率很高，是因为此时手机发出的射频脉冲是按最大功率发出的，容易形成电磁干扰。同时也印证了人们日常听到的“手机在通话刚一开始时所辐射的电磁功率是最大的”这一说法。
3、干扰信号的感应方式
电磁感应原理告知我们：周围空间的骚扰电场和磁场会在闭合环路中产生电磁感应电压，环面积越大感应电压越大，感应电压随磁通密度矢量或电场作用方向与环平面法线的角度不同而变化，同时频率越高，产生的感应电平也越大，即高频信号更容易对环路产生干扰。
对图(1)的放大电路模板所做的一个实验表明，干扰感应电平是由B端、放大器输入端及地组成的环路受外界场的作用下产生的。若该放大电路在实际使用中由A端施加音频输入信号，则由A端和放大器输入端及地组成的环路面积会加大，由此产生的干扰感应电平也会更高。实验中描述了手机距模型板的远近体现了外界场强弱不同的作用效果。实验中还描述了手机距模型板的不同空间方位上产生的噪声强度明显不同的现象，也说明了感应电压随磁通密度矢量或电场作用方向与环平面法线的角度不同而变化。
另一个实验表明，干扰感应电平是外部连线环路受外界场的作用下产生的。
4、干扰信号的时域分析
在实验过程中我们已经采样到了实际干扰信号波形，图(4)即为实际干扰信号测量后的直观图。从图(4)中我们得知：电磁干扰信号的脉宽为553μs，周期为4.629ms，频率为216.05Hz。而我们在上面介绍GSM手机工作方式时提到：GSM手机正常工作时是通过发射脉宽577μs射频脉冲，周期为4.615ms ，频率为216.7Hz向基站传递信息。相互对比可看出这三组数据基本相吻合，由此可见：在音响设备上产生的干扰信号主要特征正是GSM手机采用时分复用的发射机理所导致的。而图(3)显示的具有间歇效果的某一时段干扰信号波形也是GSM手机在接续或通话间隙过程中只发射间隔不等的信令信息和基站沟通的表现方式。
5、干扰信号的频域分析
图(2)显示的某一时段干扰信号我们可认为是一个非正弦周期信号，根据信号分析原理，我们知道，一个非正弦周期信号，可利用付里叶级数把它分解为许多不同频率的分量，每一正弦分量以它的振幅和相位来表征，各个正弦分量可以将其振幅和相位分别按频率高低依次排列成频谱，通过频谱就能了解信号的频率特性。
其数学表达式为：

式中： 为直流项， 是基波的角频率， 为n次谐波的角频率， 为n次谐波的振幅， 为n次谐波的初相角。
本例中，我们不必经过数学运算，只是根据这一原理，运用数字示波器中的快速付立叶转换（FFT）数学运算功能进行时域至频域的转换。
图(5)即为对图(1)所呈现的干扰信号时域波形运用FFT功能转换获得的信号频谱分布的直观图。
图(5)中反映的干扰信号波形中所包含的基波及各次谐波成份列表如下：
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 ……

由此可见，干扰信号中多次谐波分量落在人耳能够敏感分辨的300Hz～3400Hz范围内，人们便可听到由这些谐波分量合成产生“嘟……嘟……”的噪声了。
对图(3)所示的干扰脉冲波形串及其它出现的本文没有展示的瞬态干扰脉冲，我们可以套用脉冲串序列或脉冲波形来确定其频谱成份，便可得出其所含的谐波成份非常丰富，有一部分谐波分量落在300Hz～3400Hz范围内。
通过对干扰信号的时域和频域分析，我们对听到的“嘟……嘟……” 干扰噪声能有更加清晰的认识，人们实际上听到的是时快时慢不同音调的干扰噪声！
四、应对措施
理解了干扰信号的感应方式，我们就可以根据具体的实际情况采取不同的措施抑制产生的这类电磁干扰现象。
（1）移动“电磁骚扰源”的位置
在某些项目的应用中，可通过移动电磁骚扰源的位置来消除产生的电磁干扰噪声。本文前面提到的车用GSM报警装置由于手机板采用了内置天线方式，使用时产生了干扰噪声，将天线移至装置之外，再拉开一定的距离，即消除了电磁干扰噪声。
（2）屏蔽
屏蔽用于切断空间的辐射通路。如果目的是防止敏感设备受外“场”的干扰，则应该屏蔽敏感设备。对于电场、磁场、电磁场等不同的辐射场，由于屏蔽机理不同采用的方法也不尽相同。本文所提的外部场均属于高频电场和高频磁场，采用电阻率小的良导体材料屏蔽即可。以车用GSM报警装置为例，我们只是将内置手机天线移至装置外壳上，而在该装置的塑料壳内层涂上一层屏蔽涂料就解决了问题。在某些相似的场合下，确定了音频放大器及其输入电路后，在其周围采取屏蔽措施是即简单又实用的好选择。当然，如果外接喇叭或音箱要采用屏蔽线。
（3）更改音频放大电路的设计
图(1)的放大电路是采用信号单端对地的传输方式，这是个不平衡电路，若在实际应用中将放大器电路设计成平衡信号接入方式，音频信号也改成双线平衡传输方式进入放大器的输入端，则外部骚扰源对每根信号线对地环路产生的共模干扰电平几乎相等，在放大器输入端由信号线两端产生的共模电压转换成的差模电压相互抵消，形成不了干扰电压。采用平衡信号传输方式一方面增加了电路的复杂程度，另一方面要确保这两根连线的布线方式及在印制板上的走线要合理，不然的话，当这两根线对地构成的各自环路面积相差很大时，在放大器的输入端也容易产生较高的差模电压。设计中还要考虑干扰电压已在平衡信号接入的前级串进去的可能性。这种设计方式在某些应用中具有一定的意义。GSM手机就是采用平衡信号线连接听筒。
五、小结
至此，形成整个电磁干扰的物理过程可概括地叙述为：在某一特定时段，由手机发出的900MHz/1800MHz较强的电磁能量作用在音频放大器的输入环路上或外接音箱（喇叭）的无屏蔽连线环路上，从而产生了间歇的或周期的干扰信号，这些干扰信号中含有丰富的谐波分量，其中的一部分谐波分量落在300Hz～3400Hz范围内，人们便听到从喇叭中传出的“嘟……嘟……”的噪声。
通过分析我们知道敏感的音频放大电路或外接音箱（喇叭）的无屏蔽连线环路容易受到外部高频电场或磁场干扰，CDMA手机和其它的高频无线电发射设备发出的电磁能量以及从某些设备辐射出较强的杂散高频电磁能量都将对其形成干扰，产生的干扰信号波形可根据实际的辐射作用机理（或参照放大器的内在特性）分析得出，这里不在赘述。
客观世界上存在大量的电磁干扰现象，本文只是根据人们能够感觉到的一个普遍现象通过一个具体实例比较深入地揭示了产生这一现象的物理过程，以供人们在分析具体电磁干扰现象时参考。

图(2)

图(3)

图(4)

图(5)