摘要 从地面气象观测设备运行环境方面定性讨论对信号传输质量造成的影响，包括大气环境变化、电磁干扰对区域气象观测站信号传输的影响以及电缆感应电动势、地线网造成的电磁干扰对地面气象观测站观测设备信号传输质量的影响。针对每个影响因子，结合实际情况，简单分析对设备的具体影响作用以及解决方法。
关键词 气象观测设备；信号；大气环境；电磁干扰；分析
中图分类号 S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12594-02
随着气象观测业务的发展，地面气象观测设备尤其是多要素观测设备的建设日益增加，维护任务越来越重。这对气象技术保障工作人员的业务水平要求也越来越高，他们不仅要熟练掌握设备硬件维修技术，对于抽象的通信传输也要了解。笔者在此结合实际工作中出现过的通信传输故障，从设备运行环境方面出发，定性谈论电磁干扰对无线通信以及地环路干扰对有线通信的影响，并提出一些简单的解决方法。
1 区域气象观测设备运行环境对信号传输影响分析
1.1 大气环境变化对信号传输的影响
区域气象观测设备无线传输大多采用GPRS方式。GPRS是基于GSM的无线分组交换技术。GSM系统工作频段分配为GSM900MHz频段890～915 MHz（移动台发，基站收）、935～960 MHz（基站发，移动台收），DCS 1800 MHz 频段1 710～1 785 MHz（移动台发，基站收）、1 805～1 880 MHz（基站发，移动台收）。而通信信号的实质是指携带有某种信息的电磁波。当通信信号在空间传播时，必将与大气中的气体分子相互作用[1]。就目前移动通信中信号的频率而言，其携带信息的电磁波的波长远大于大气中气体分子的尺寸，通信信号与气体分子的作用可近似为电磁波和球形粒子的相互作用[1]。充分考虑大气环境影响因素，大气折射、大气闪烁、电离层闪烁和电离层产生的法拉第旋转对GPRS传播均有不同程度的影响，会造成衰减和起伏。同时大气湍流的运动使得大气的速度、温度、折射率成为一种随机场，它会使通信信号受到随机的寄生调制而呈现出额外的大气湍流噪声，使接收信噪比减小；使模拟调制的大气无线通信噪声增大；使数字无线通信的误码率增加[1]。大气湍流使信号变得不易把握，对通信系统的稳定通信造成很高误码率，使得通信质量下降。
1.2 电磁干扰环境对信号传输的影响
电磁干扰（EMI） 是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生的。结合GPRS传输特性，其影响方式多为辐射干扰即干扰源通过空间将其信号耦合（干扰）到另一个信号网络。辐射传输以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。
1.3 环境干扰源影响通信传输的解决方法
在实际设备运行环境中，存在很多影响因子干扰区域气象观测设备的信号收发。事实上大气环境的变化对GPRS通信方式的影响比较小。在设备设计过程中，一方面加强设备物理层使其有较强的差错控制码，对少量的非持续性错误可以纠正，另一方面也在应用层进一步采用差错控制协议解决传输错误，如重传措施等。
运行环境中由于干扰源本身的原因以及设备滤波器带外抑制的限制，在干扰设备的工作频带外会产生杂散、谐波、互调等无用信号，其信号强度除了与干扰源本身的质量有关以外，还与2个因素有关：自身的输出功率越大，无用信号的输出越大；偏离工作带宽的程度，离工作带宽越远，无用信号越小。此外，干扰源对区域气象观测设备的干扰还取决于2个设备工作频段的间隔和收发信机空间隔离等因素。这些无用信号落到区域气象站的工作频带内，就会对其形成干扰[2]。所以在建设安装过程中，首先分析设备安装位置附近干扰源的具体参数，远离其工作带宽覆盖范围。
区域气象观测设备对外来干扰的承受能力也与2个因素有关：①本身信号的强度。信号越强受干扰的机会越少；②干扰信号的大小，干扰信号电平越小，信号受干扰程度越低。在处理维修过程中，首先要有效保障观测设备自身信号强度稳定。对于附近干扰源状况难以排查的情况，可以考虑提高滤波精度，提高滤波精度解决方法是在DTU的无线收发系统基础上，通过使用高精度滤波器或附加滤波器来进一步提高发射机或接收机的滤波特性，达到系统间共存所需的隔离度。提高滤波精度是有效解决干扰的途径之一，但也意味着提高通讯模块成本，进而提高整个区域气象站的成本。其次是优化天线安装包括天线倾角、方位角、垂直和水平隔离等，通过采取一些优化措施，提高天线间的耦合损失，降低干扰[2]。这个对于数量庞大的区域气象观测设备来说是一个比较繁杂的工作，技术要求比较高。
2 地面常规站气象观测设备运行环境对信号传输影响分析
2.1 电缆感应电动势的影响
现在的地面气象观测站大多采用有线传输方式。以华云气象仪器CAWS600-SE为例，采集器、传感器等通信电缆在下线井中与设备电源线平行铺设，并贯通地线。以电磁理论为依据，电缆回路的磁场瞬值变化对通信线产生感生电动势，该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。当线路中为数字信号传输时，基于数字信号的原理以及抗干扰能力强、无噪声积累特点，即使线路中产生感生电流对其影响可以忽略不计。而传感器到采集器防雷板之间信号传输模式为模拟信号，基于其传输的信号值为一连贯、自然的高低电平的波形特点，感生电动势会对其造成影响。根据感应电动势公式E=nΔΦ/Δt（平均电势）、磁通量Φ=BS（B为匀强磁场的磁感应强度，S为正对面积），E=BLVsinA（瞬时电势），式中，E为瞬时电势，L为长度，V为速度，sinA为V或L与磁感线的夹角[3]。当磁场瞬值变化时就会产生一定量值的电动势对模拟信号进行干扰。尤其观测站供电系统接入当地农业电网时，农业电电压质量较难达到标准，电压峰值差较大且变化不稳定，造成磁通量值变化明显。同时电源线与传感器通信线平行铺设，二者皆有老化现象并传感器通信线在外界因素影响造成摆动时，感应电动势瞬值更明显，容易造成信号传输故障。结合该地区出现的实例，地温出现跳变情况，排查设备硬件无效后，检查发现该问题，情况大有改观。
2.2 地线造成的电磁干扰影响
地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当2个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗干扰（耦合）[4]。结合台站建设情况，如果所有的传感器设备贯通地线，信号传输为模拟量值的传感器很容易受到地环路干扰，由于雷击或附近大功率设备启动时造成信号失真影响；如果所有传感器与采集器、电源系统贯通地线，采集器以及一些传感器传输为数字信号，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。如图1中2个接地的电路。由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。如附近有大功率用电器启动时，会在地线中流过很强的电流。这个电流会在2个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。
在数字电路中，可能出现公共阻抗耦合问题，产生有害噪声信号对气象观测设备处理单元造成误判断。如图2说明了一种干扰现象。以华云气象仪器CAWS600-SE为例，通信线传输为数字信号，两端为R232串口连接，设定基站通信线与电源线共地组成一个由4个门电路组成的简单电路。假设门1的输出电平由高变为低，这时电路中的寄生电容（门2 为采集器中的电压控制电路有滤波电容）会通过门1向地线放电，由于地线的阻抗，放电电流会在地线上产生尖峰电压，如果这时门3 的输出是低电平，则这个尖峰电压就会传到门3的输出端、门4的输入端，如果这个尖峰电压的幅度超过门4 的噪声门限，产生门限效应，就会造成门4的误动作[5]。门4电路连接CAWS-QJ01通讯预处理单元，其通过RS-232C标准串行通讯口与主机和采集单元通讯，中央处理器（CPU）为80C31单片机[6]。门4误动作会造成单片机错误判断处理数据，从而导致采集数据预处理异常。主控机无法对数据按要求进行处理，造成观测数据丢失、跳变等。
2.3 地线电磁干扰影响通信传输的解决方法
地面有线的纯数字传输，如RS232标准，传输距离近，通信速率低。可以采取多种方式解决随机差错。在相同的测量条件下，对同一量值进行多次等精度测量时，仍会有各种偶然的、无法预测的不确定因素干扰而产生测量误差，其绝对值和符号均不可预知。虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理，能在理论上消除对测量结果的影响。在实际观测过程中，应对某一数据异常的观测要素进行多次单要素测量，通过数据统计处理观测到的数据。
结合建站实际情况，解决地环路干扰的方法有切断地环路、增加地环路的阻抗、使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。
在硬件方面，首先可以在传感器通信线两端加载电磁干扰滤波器，但要保证滤波器成对安装，在传感器端与采集器防雷板端同时安装。电磁干扰滤波器的感应部分被设计为一个高频截止器件，电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。这样，电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。将通信线一端的设备浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但出于安全的考虑，往往不允许电路浮地，这时可以考虑将设备通过一个电感接地，这样对于50 Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。消除公共阻抗耦合的途径有2个：①减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合；②通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线、数字电路和模拟电路共用地线。减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感，这包括使用扁平导体做地线、用多条相距较远的并联导体作接地线。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，如可以将电路按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地[4]。
3 结束语
地面气象观测设备在运行过程中出现通信故障时，应从多角度考虑分析。对于比较抽象的运行环境干扰因素，大家容易忽视。针对无线传输的干扰影响，积极与当地移动提供商协商，减少区域站运行环境的干扰因素。在地面气象观测站建设中，充分考虑到电磁干扰因素，避免通信电缆与电源电缆共地。观测场周围不能有强干扰源，如通信或电视广播发射塔等，若有，必须把通信电缆线穿到带屏蔽的PVC管中并埋在地沟中走线等。
参考文献
[1] 江海荣.空间环境对卫星传输的影响[J].邯郸学院学报，2007，13（7）：83-84.
[2] 侯江生，邹哲馨，段利军，等. 浅谈信号干扰对区域自动气象站的数据传输影响[J]. 气象研究与应用，2014，35（1）：85-87.
[3] 徐送宁.大学物理[M].北京：科学出版社， 2011.
[4] 何宏.电磁兼容与电磁干扰[M].北京：国防工业出版社， 2007.
[5] 徐新艳.数字电子技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2010.
[6] 李黄.自动气象站实用手册[M].北京：气象出版社，2007：15-48.