電磁干渉

電磁干渉（EMI）は、無線周波数スペクトルでは無線周波数干渉（RFI ）とも呼ばれ、外部発生源によって発生し、電磁誘導、静電結合、伝導によって電気回路に影響を及ぼす妨害です。 ^[1]妨害によって回路のパフォーマンスが低下したり、回路が機能しなくなったりすることもあります。データパスの場合、これらの影響はエラー率の増加からデータの完全な損失までさまざまです。 [ ^{2]人為的および自然の発生源はどちらも、}点火システム、携帯電話のセルラーネットワーク、雷、太陽フレア、オーロラ（北極光/南極光）など、EMIを引き起こす可能性のある変化する電流と電圧を生成します。 ^[要出典] EMIはAMラジオに頻繁に影響を及ぼします。また、携帯電話、FMラジオ、テレビ、電波天文学や大気科学の観測にも影響を与える可能性があります。

EMI は、電子戦などの無線妨害に意図的に使用されることがあります。

EMIサウンドサンプル1

GSM携帯電話の信号がスピーカー システムに干渉します。

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EMIサウンドサンプル2

Wi -Fi信号がスピーカー システムに干渉します。

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無線通信の初期の頃から、意図的および意図的でない送信による干渉の悪影響が感じられ、無線周波数スペクトルを管理する必要性が明らかになりました。^[3]

1933年、パリで開催された国際電気標準会議（IEC）の会議で、 EMIの新たな問題に対処するために国際無線干渉特別委員会（CISPR ）の設立が勧告されました。その後、CISPRは測定および試験技術を網羅した技術出版物を発行し、放射および耐性の制限を推奨しました。これらは数十年にわたって進化し、今日の世界のEMC規制の多くの基礎となっています。^[4]

1979年、有線および無線通信に干渉するデジタルシステムの増加に対応して、米国のFCCはすべてのデジタル機器からの電磁放射に法的制限を課しました。テスト方法と制限はCISPR出版物に基づいていましたが、同様の制限はヨーロッパの一部ですでに施行されていました。^[5]

1980年代半ば、欧州連合加盟国は、製品の技術要件を標準化して、欧州連合内での貿易の障壁とならないようにする目的で、いくつかの「新しいアプローチ」指令を採用しました。その1つがEMC指令（89/336/EC）^[6]であり、これは市場に投入されるか、またはサービスに供されるすべての機器に適用されます。その範囲は、「電磁妨害を引き起こす可能性がある、またはそのような妨害によって性能が影響を受ける可能性がある」すべての装置をカバーしています。^[5]

これは、一般の人々を対象とした機器に対する耐性と放射に関する法的要件が初めて設けられた例である。一部の製品では、既知のレベルの耐性を持たせるために追加コストがかかる可能性があるが、現代の活発な電磁環境下で機器と共存でき、問題が少なくなるため、製品の認識品質が向上する。^[5]

現在、多くの国では、製品に対して一定レベルの電磁両立性（EMC）規制を満たすための同様の要件を設けています。^[5]

電磁干渉は、発生源と信号の特性に応じていくつかのカテゴリに分類されます。

この文脈では「ノイズ」と呼ばれることが多い干渉の原因は、人為的なもの（人工的なもの）または自然のものである可能性があります。

連続干渉、または連続波 (CW) 干渉は、ソースが特定の周波数範囲で継続的に放射する場合に発生します。このタイプは、当然のことながら、周波数範囲に応じてサブカテゴリに分けられ、全体として「DC から昼光」と呼ばれることもあります。一般的な分類の 1 つは、周波数範囲の広がりに応じて狭帯域と広帯域に分類することです。

• オーディオ周波数。非常に低い周波数から約 20 kHz まで。100 kHz までの周波数はオーディオとして分類されることがあります。ソースには次のものがあります。
  • 主電源のハム音は、電源ユニット、近くの電源配線、送電線、変電所などから発生します。
  • オーディオパワーアンプやスピーカーなどのオーディオ処理装置。
  • FM ラジオ送信などの高周波搬送波の復調。
• 無線周波数干渉 (RFI) は、通常 20 kHz から上限までの範囲で発生しますが、技術の進歩により上限は常に増加します。発生源には次のものがあります。
  • 無線および無線周波数伝送
  • テレビおよびラジオ受信機
  • 産業・科学・医療機器（ISM）
  • マイクロコントローラなどのデジタル処理回路
  • スイッチング電源(SMPS)
• 広帯域ノイズは、特定の周波数が強調されることなく、どちらかまたは両方の周波数範囲の一部に広がることがあります。発生源には次のものがあります。
  • 太陽活動
  • アーク溶接機などの連続作動火花ギャップ
  • CDMA（スペクトル拡散）携帯電話

電磁パルス( EMP) は、一時的な障害とも呼ばれ、発生源が短時間のエネルギー パルスを放出する場所で発生します。エネルギーは通常、その性質上広帯域ですが、被害者に比較的狭帯域の減衰正弦波応答を励起することがよくあります。

ソースは、孤立したイベントと反復的なイベントに大別されます。

孤立した EMP イベントの発生源には次のものがあります。

• リレー、ソレノイド、電気モーターなどの誘導負荷を含む電気回路のスイッチング動作。
• 電力線のサージ/パルス
• 2 つの帯電物体が接近または接触することによって発生する静電気放電(ESD)。
• 雷 電磁パルス(LEMP) ですが、通常は短い一連のパルスです。
• 核爆発の結果として生じる核電磁パルス(NEMP)。この派生型が高高度 EMP (HEMP) 核兵器で、主な破壊効果としてパルスを発生させるように設計されています。
• 非核電磁パルス（NNEMP）兵器。

反復的な EMP イベントの発生源には、規則的なパルス列として現れるものもあり、次のようなものがあります。

• 電気モーター
• ガソリンエンジンなどの電気点火システム。
• デジタル電子回路の継続的なスイッチング動作。

伝導性電磁干渉は導体の物理的接触によって引き起こされますが、放射性EMIは誘導（導体の物理的接触なし）によって引き起こされます。導体のEMフィールドの電磁妨害は導体の表面に限定されなくなり、そこから放射されます。これはすべての導体に存在し、2つの放射電磁場間の相互誘導がEMIを引き起こします。^[7]

使用されている専門用語の中には、異なる意味で使用されるものもあります。現象によっては、さまざまな用語で呼ばれる場合があります。これらの用語は、ここでは広く受け入れられている方法で使用されており、百科事典の他の項目と一致しています。

ノイズのエミッターまたはソース、結合パス、被害者、レセプターまたはシンクの基本的な配置を下図に示します。ソースと被害者は通常は電子ハードウェアデバイスですが、ソースは落雷、静電放電(ESD) 、または有名な例としては宇宙の起源である ビッグバンなどの自然現象である場合もあります。

基本的な結合メカニズムには、伝導性、容量性、磁気または誘導性、放射性の 4 つがあります。どの結合パスも、連携して動作するこれらの結合メカニズムの 1 つ以上に分解できます。たとえば、図の下のパスには、誘導性、伝導性、容量性のモードが関係しています。

伝導結合は、伝送線、電線、ケーブル、 PCBトレース、金属筐体などの導体との直接的な電気的接触によって、発生源と被害者の間の結合経路が形成される場合に発生します。伝導ノイズは、さまざまな導体に現れる方法によっても特徴付けられます。

• コモンモード結合: ノイズは 2 つの導体上で同位相 (同じ方向) で発生します。
• 差動モード結合: 2 つの導体上でノイズが位相がずれて (反対方向に) 現れます。

誘導結合は、発生源と対象が短い距離（通常は波長未満）で離れている場合に発生します。厳密に言えば、「誘導結合」には電気誘導と磁気誘導の 2 種類があります。電気誘導を容量結合、磁気誘導を誘導結合と呼ぶのが一般的です。

容量結合は、通常、波長未満の距離にある 2 つの隣接する導体間に変化する電界が存在する場合に発生し、受信導体の 電圧の変化を引き起こします。

誘導結合または磁気結合は、通常、波長未満離れた 2 つの平行導体間に変化する磁場が存在する場合に発生し、受信導体に沿って 電圧の変化を引き起こします。

放射結合または電磁結合は、発生源と被害者が通常波長よりも長い距離で離れている場合に発生します。発生源と被害者は無線アンテナとして機能します。発生源は電磁波を放出または放射し、その電磁波はその間の空間を伝播し、被害者によって受信されます。

電磁干渉、無線周波数干渉（EMIまたはRFI）の意味での干渉は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）^[8]の第1.166条によると、「無線通信システムでの受信時に、放出、放射線、または誘導 の1つまたは組み合わせによる不要なエネルギーの影響であり、そのような不要なエネルギーがない場合に抽出できる情報の性能低下、誤解、または損失として現れる」と定義されています。

これは、周波数管理局が無線局またはシステムへの周波数割り当ておよび周波数チャネルの割り当てを提供するため、および無線通信サービス間の電磁両立性を分析するために使用する定義でもあります。

ITU RR（第1条）によれば、干渉のバリエーションは以下のように分類される。^[9]

• 許容干渉（RR 1.167）
• 許容される干渉（RR 1.168）
• 有害な干渉（RR 1.169）

伝導 EMI は導体の物理的接触によって発生しますが、放射 EMI は誘導(導体の物理的接触なし) によって発生します。

低周波数の場合、EMI は伝導によって発生し、高周波数の場合、EMI は放射によって発生します。

電気設備では、アース線を介した EMI も非常によく見られます。

干渉は、不要な帯域内信号を目的の信号と区別する方法がないアナログ振幅変調や、放送システムで使用される全方向性アンテナなどの古い無線技術では、より厄介になる傾向があります。新しい無線システムには、選択性を高めるいくつかの改良が組み込まれています。Wi -Fiなどのデジタル無線システムでは、エラー訂正技術を使用できます。アナログ信号とデジタル信号の両方で、干渉に対する耐性を向上させるために、スペクトル拡散技術と周波数ホッピング技術を使用できます。パラボラアンテナやダイバーシティ受信機などの指向性の高い受信機を使用すると、空間内の 1 つの信号を選択して他の信号を除外することができます。

これまでのデジタル拡散スペクトル信号の最も極端な例は超広帯域 ( UWB ) であり、これは高帯域幅のデジタル データを送信するために、無線スペクトルの大部分を低振幅で使用することを提案しています。UWB を排他的に使用すれば、スペクトルを非常に効率的に使用できますが、UWB 以外の技術のユーザーは、受信機に干渉を引き起こす可能性があるため、新しいシステムとスペクトルを共有する準備がまだできていません (UWB の規制上の意味については、超広帯域の記事で説明されています)。

アメリカ合衆国では、1982年の公法97-259により、連邦通信委員会（FCC）が消費者向け電子機器の感受性を規制することを認められた。^{[10] [11]}

RFIとEMIの潜在的な発生源としては、次のものがある: ^[12]各種送信機、ドアベル変圧器、オーブントースター、電気毛布、超音波害虫駆除装置、電気殺虫器、温熱パッド、タッチ制御ランプ。複数のCRTコンピューターモニターやテレビを互いに近づけすぎると、特に消磁コイルの1つが作動しているときに、ブラウン管の電磁気的性質により、互いに「シミー」効果が生じることがある。

2.4 GHz での電磁干渉は、802.11b、802.11g、802.11nワイヤレス デバイス、Bluetoothデバイス、ベビー モニターやコードレス電話、ビデオ送信機、電子レンジなどによって発生する可能性があります。

電気モーター、変圧器、ヒーター、ランプ、安定器、電源などの スイッチング負荷（誘導性、容量性、抵抗性）はすべて、特に2Aを超える電流で電磁干渉を引き起こします。EMIを抑制するために通常使用される方法は、一対の接点にわたって抵抗器とコンデンサを直列に接続したスナバネットワークを接続することです。これは非常に低い電流では適度なEMI低減効果を発揮しますが、スナバは電気機械接点では2Aを超える電流では機能しません。^{[13] [14]}

EMI を抑制する別の方法は、フェライト コア ノイズ サプレッサー (またはフェライト ビーズ) を使用することです。これは安価で、問題のあるデバイスまたは侵害されたデバイスの電源コードにクリップで取り付けます。

スイッチング電源はEMI の発生源となる可能性がありますが、統合力率補正などの設計技術が向上したため、問題は少なくなっています。

ほとんどの国では、電磁両立性を義務付ける法的要件があります。電子および電気ハードウェアは、一定量の EMI にさらされても正常に動作しなければならず、他の機器 (ラジオなど) に干渉する可能性のある EMI を放出してはなりません。

21世紀を通じて、周波数帯域がますます混雑するにつれて、無線周波数信号の品質は年間約1デシベル低下しています。^{[追加の引用が必要]これにより、携帯電話業界は}赤の女王の競争に陥っています。企業はより多くの携帯電話基地局（新しい周波数で）を建てることを余儀なくされ、それがより多くの干渉を引き起こし、プロバイダーによるより多くの投資とそれに合わせて携帯電話の頻繁なアップグレードが必要になりました。^[15]

国際電気標準会議 (IEC) の委員会である国際無線障害特別委員会 (CISPR) (フランス語の頭字語で「Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques」) は、放射性および伝導性の電磁障害に関する国際規格を制定しています。これらは、家庭、商業、工業、自動車の各部門を対象とした民間規格です。これらの規格は、他の国家規格や地域規格の基礎となっており、最も有名なのは、CENELEC (欧州電気標準化委員会) が作成した欧州規格 (EN) です。米国の組織には、電気電子技術者協会 (IEEE)、米国規格協会 (ANSI)、米軍 (MILSTD) などがあります。

集積回路はEMIの発生源となることが多いが、通常、そのエネルギーをヒートシンク、回路基板プレーン、ケーブルなどのより大きな物体に結合させて、大きな放射をする必要がある。^[16]

集積回路では、EMIを低減するための重要な手段として、各アクティブデバイスでのバイパスコンデンサまたはデカップリングコンデンサの使用（電源を介して、デバイスにできるだけ近い位置で接続）、直列抵抗を使用した高速信号の立ち上がり時間制御、 ^[17]、およびIC電源ピンのフィルタリングなどがあります。シールドは、導電性ガスケットなどのシールド部品の追加費用がかかることから、通常、他の技術が失敗した後の最後の手段となります。

放射の効率は、グランドプレーンまたは電源プレーンからの高さ( RFでは、どちらが優れているかは関係ありません) と、信号成分の波長 (基本周波数、高調波、またはオーバーシュート、アンダーシュート、リンギングなどの過渡周波数) に対する導体の長さに依存します。 133 MHzなどの低周波数では 、放射はほぼ専ら I/O ケーブルを介して行われます。RF ノイズは電源プレーンに乗り、VCC ピンと GND ピンを介してライン ドライバに結合されます。次に、RF はライン ドライバを介してコモン モード ノイズとしてケーブルに結合されます。ノイズはコモン モードであるため、差動ペアであってもシールドの効果はほとんどありません。RF エネルギーは信号ペアからシールドに容量結合され、シールド自体が放射を行います。これを解決するには、編組ブレーカーまたはチョークを使用してコモン モード信号を低減します。

より高い周波数、通常は 500 MHz を超えると、トレースは電気的に長くなり、プレーンより高くなります。これらの周波数では、直列抵抗器による波形整形と、2 つのプレーン間のトレースの埋め込みという 2 つの手法が使用されます。これらすべての対策を行っても EMI が多すぎる場合は、RF ガスケットや銅または導電性テープなどのシールドを使用できます。ほとんどのデジタル機器は、金属または導電性コーティングされたプラスチック ケースで設計されています。^{[引用が必要]}

シールドされていない半導体（集積回路など）は、家庭環境で一般的に見られる無線信号（携帯電話など）の検出器として機能する傾向があります。^[18]このような検出器は、携帯電話の高周波キャリア（GSM850、GSM1900、GSM900、GSM1800など）を復調し、低周波（217 Hzなど）の復調信号を生成します。^{[19]この復調は、}マイクアンプ、スピーカーアンプ、カーラジオ、電話などのオーディオ機器で、不要な可聴バズ音として現れます。オンボードのEMIフィルタを追加したり、特別なレイアウト手法を採用すると、EMIを回避したり、RF耐性を改善したりするのに役立ちます。^[20] 一部のIC（LMV831-LMV834 ^[21] 、 MAX9724 ^[22]など）は、RFフィルタを内蔵しているか、高周波キャリアの復調を減らすのに役立つ特別な設計になっています。

設計者は、システム内で使用される部品のRF耐性について特別なテストを実行する必要があることがよくあります。これらのテストは、テストベクトルが実際の環境で生成されるものと同様のRFフィールドを生成する、制御されたRF環境を備えた無響室で行われることが多いです。 ^[19]

電波天文学における干渉は、一般的に無線周波数干渉（RFI）と呼ばれ、天体源自体以外の観測周波数帯域内の送信源です。地球上および地球周辺の送信機は、関心のある天文信号よりも何倍も強力になる可能性があるため、RFIは電波天文学を行う上で大きな懸念事項です。^[23]雷や太陽などの自然干渉源も、RFIと呼ばれることがよくあります。^[要出典]

1420 MHzの21cmHI線など、電波天文学にとって非常に重要な周波数帯のいくつかは、規制によって保護されています。 ^{[要出典]しかし、} VLA、LOFAR、ALMAなどの現代の電波天文台は、観測できる帯域幅が非常に広いです。^[要出典]無線周波数のスペクトル空間は限られているため、これらの周波数帯を電波天文学に完全に割り当てることはできません。たとえば、再電離期の21cm線の赤方偏移画像は、 FM放送帯域（88〜108 MHz）と重なる可能性があるため、電波望遠鏡はこの帯域幅のRFIに対処する必要があります。^[23]

RFI に対処する技術は、ハードウェアのフィルタからソフトウェアの高度なアルゴリズムまで多岐にわたります。強力な送信機に対処する方法の 1 つは、送信元の周波数を完全にフィルタリングすることです。これは、たとえば LOFAR 観測所の場合で、90 ～ 110 MHz の FM ラジオ局をフィルタリングします。このような強力な干渉源は、高感度受信機 (増幅器とアナログ/デジタル コンバータ) を「飽和」させる可能性があるため、できるだけ早く除去することが重要です。つまり、受信信号が受信機が処理できる強度を超えてしまうということです。ただし、周波数帯域をフィルタリングすると、これらの周波数は機器で観測できなくなります。^{[引用が必要]}

観測周波数帯域内の RFI に対処する一般的な手法は、ソフトウェアで RFI 検出を行うことです。このようなソフトウェアは、干渉源によって汚染された時間、周波数、または時間周波数空間のサンプルを見つけることができます。これらのサンプルは、その後、観測データのさらなる分析では無視されます。このプロセスは、データ フラグ付けと呼ばれることがよくあります。ほとんどの送信機は帯域幅が狭く、雷や市民バンド(CB) 無線デバイスのように継続的に存在しないため、ほとんどのデータは天文学的分析に使用できます。ただし、データ フラグ付けでは、風車、デジタル ビデオ、デジタル オーディオ送信機などの連続的な広帯域送信機の問題を解決できません。^{[引用が必要]}

RFI を管理するもう 1 つの方法は、無線静穏地帯(RQZ) を設定することです。RQZ は受信機の周囲に明確に定義されたエリアで、そのエリア内での電波天文学観測を優先して RFI を削減するための特別な規制があります。規制には、スペクトルと電力フラックスの特別な管理、または電力フラックス密度の制限が含まれる場合があります。ゾーン内の制御は、無線送信機や無線デバイス以外の要素にも適用される場合があります。これには、航空機の制御、産業、科学、医療機器、車両、電力線などの意図しない放射源の制御が含まれます。電波天文学の最初の RQZ は、1958 年に設定された米国の国立無線静穏地帯(NRQZ) です。 ^[24]

Wi-Fiが導入される前、5GHz帯の最大の用途の1つは端末ドップラー気象レーダーでした。^{[25] [26]} 5GHzスペクトルをWi-Fiに使用するという決定は、 2003年の世界無線通信会議で最終決定されましたが、気象当局はそのプロセスに関与していませんでした。^{[27] [28]}その後のDFSのずさんな実装と誤った構成により、世界中の多くの国で気象レーダーの運用に大きな混乱が生じました。ハンガリーでは、気象レーダーシステムが1か月以上動作しないと宣言されました。干渉がひどかったため、南アフリカの気象サービスは最終的にCバンドの運用を断念し、レーダーネットワークをSバンドに切り替えました。^{[26] [29]}

気象衛星などの受動型リモートセンシングで使用される帯域に隣接する帯域での送信は、時には重大な干渉を引き起こしてきた。^[30]十分に規制されていない5Gの導入は、大きな干渉問題を引き起こす可能性があるという懸念がある。重大な干渉は、数値気象予報のパフォーマンスを低下させ、経済と公共の安全に悪影響を及ぼす可能性がある。^{[31] [32] [33]これらの懸念から、}ウィルバー・ロス米国商務長官とジム・ブライデンスタインNASA長官は2019年2月にFCCにスペクトルオークションの提案を中止するよう要請したが、これは却下された。^[34]

• 電磁放射
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• ラジオ受信機
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• ツイストペア

ウィキメディア・コモンズには、電磁干渉に関連するメディアがあります。

• ARRL、RFI
• 干渉ハンドブック
• EMC設計の基礎
• クレムソンの EMC ページ (EMI ツールと情報)
• EMC チュートリアル