Tiêu chuẩn tương thích điện từ trường thách thức trong thời đại Internet vạn vật

EMC [1] là tiêu chuẩn thiết yếu của thiết bị để đánh giá về khả năng tương thích điện từ của thiết bị với môi trường xung quanh. EMC bao gồm khả năng miễn nhiễm điện từ EMS (Electro Magnetic Susceptibility) và can nhiễu điện từ EMI (ElectroMagnetic Interference). EMI là các phát xạ điện từ tạo ra bởi thiết bị và gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác ở môi trường xung quanh. EMS đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị (theo đúng chức năng) khi bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.

 

Mục tiêu tổng thể của tiêu chuẩn EMC là đảm bảo thiết bị, hệ thống (HT) vô tuyến điện, điện tử có khả năng hoạt động ổn định và chính xác trong môi trường điện từ và không gây nhiễu đến các thiết bị, HT khác.

 

Trong những năm qua, số lượng điện thoại thông minh, máy tính bảng, các thiết bị cầm tay di động tăng lên đáng kể. Điều này có nghĩa là một số lượng lớn các thiết bị sẽ cùng tồn tại và hoạt động. Cùng với đó là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng không dây 5G sẽ dẫn đến sự gia tăng bùng nổ của các thiết bị điện, điện tử, ảnh hưởng đến sự gia tăng về các vấn đề với điện từ trường. Khả năng tương thích điện từ trường là yêu cầu cấp thiết cho sự phát triển của các ứng dụng IoT. Công nghệ 5G được coi là yếu tố hỗ trợ cần thiết để thực sự biến IoT thành quy mô đầy đủ, toàn vẹn. Mạng 5G được phát triển trở thành một yếu tố chính trong thế giới kỹ thuật số tương lai, kết nối các cơ sở hạ tầng với băng thông cực cao hỗ trợ trong các lĩnh vực như kinh tế, an ninh quốc phòng, xã hội và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng. Lưu lượng truy cập Internet không dây toàn cầu ước tính sẽ chiếm khoảng 75% vào năm 2020 và các sản phẩm 5G đầu tiên cũng sẽ có mặt vào năm 2020.

 

Sự phát triển của IoT sẽ là thách thức lớn nhất đối với các vấn đề về tương thích điện từ trường- EMC. Vì vậy, các phương pháp thiết kế, sản xuất thiết bị hiện nay cần phải được nghiên cứu, phát triển hơn nữa để có thể xử lý các thách thức xuất hiện do sự gia tăng hàng loạt các thiết bị không dây hoạt động trên dải tần số cao hơn đáng kể so với các thử nghiệm về tiêu chuẩn EMC hiện nay.

 

 

Theo kết quả thống kê của công ty IoT Analytics [2], số lượng thiết bị được kết nối vào năm 2018 đã vượt qua con số 17 tỷ; trong đó bao gồm 7 tỷ thiết bị IoT và các thiết bị non-IoT như điện thoại, máy tính bảng, PC, laptop ứng dụng trong các lĩnh vực như thành phố thông minh, y tế điện tử, nhà thông minh, nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh… Các thiết bị điện tử mới, cả không dây và có dây sẽ được đặt ở hầu hết mọi nơi trong xã hội.

 

Tiêu chuẩn tương thích điện từ trường thách thức trong thời đại Internet vạn vật

Dự đoán mật độ thiết bị hiện tại có thể đạt tới 10.000 thiết bị /km2 tại các thành phố lớn [3]. Ngoài ra, tiêu chuẩn EMC cũng đề cập đến vấn đề về khoảng cách đồng vị trí các thiết bị thu phát không dây và thiết bị điện tử giới hạn phát xạ nhiễu điện từ. Tuy nhiên, với sự phát triển của nhiều loại thiết bị điện, điện từ mới dẫn đến mật độ thiết bị đồng vị trí tăng nhanh chóng, được dự đoán là một thách thức không nhỏ đối với EMC.

 

Khi mật độ thiết bị đạt 100.000 thiết bị/km2 (hình minh họa bên dưới), xét trong một diện tích 100x100m (trung tâm kinh doanh, nghiên cứu hoa học, y tế…) các thiết bị sử dụng tần số khoảng 868 Mhz với công suất phát đạt 25 mW và được phân bổ ngẫu nhiên.

 

Do các thiết bị có khoảng cách liên lạc khoảng 10 m, khi mật độ thiết bị từ 10.000/km2 trở lên sẽ làm tăng mức độ nhiễu nền đến mức 65 dBµW. Các HT thường sử dụng dải tần số 25 kHz tương ứng mức 44 dB, giả sử mức độ ồn là 15 dB, mức nhiễu do nhiệt là -144 dBµW/Hz, mức độ nhiễu trong HT đo được -85 dBµW (trên dải tần 25kHz) và mức công suất ảnh hưởng tới các thiết bị lên tới 80 dB sẽ dẫn đến sự cố nghiêm trọng cho HT, thiết bị.

 

Các thiết bị IoT sẽ sử dụng tần số cao hơn đáng kể so với các kiểm nghiệm về phát xạ và miễn nhiễm điện từ của các tiêu chuẩn EMC hiện nay. Dự đoán vùng phủ sóng vô tuyến trong môi trường bên ngoài lên tới khoảng 30 GHz và trong nhà lên tới khoảng 90 GHz. Điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến yêu cầu về thiết kế thiết bị có khả năng đạt được tiêu chuẩn EMC về khả năng miễn nhiễm và phát xạ điện từ. Do đó, cần yêu cầu phát triển thử nghiệm các chuẩn EMC mới với băng thông lớn hơn.

 

 

Với việc được chú trọng đầu tư và nghiên cứu từ các tổ chức, chính phủ nên các thiết bị IoT nhanh chóng được sản xuất hàng loạt và đưa ra thị trường tiêu thụ. Hầu hết các trường hợp, tiêu chuẩn EMC thường không theo kịp với sự phát triển công nghệ của các thiết bị. Ngay cả khi đáp ứng được các yêu cầu cho một loại thiết bị thì vấn đề phát sinh do nhiều loại thiết bị cùng hoạt động gần nhau cũng ảnh hưởng không nhỏ đến việc đo đạc, đánh giá EMC. Các phương pháp đánh giá EMC hiện nay thường được sử dụng như sau [4]:

 

Phương pháp cổ điển: thực hiện kiểm tra, đánh giá các thiết bị IoT và các thiết bị tương tự theo tiêu chuẩn của thiết bị CNTT thông thường.

 

Tiêu chuẩn EN55022 [5] đo nhiễu phát xạ điện từ EMI, tiêu chuẩn EN55024 [6] đối với các phép đo kiểm tra miễn nhiễm điện từ EMS. Trong thời gian gần đây, các thiết bị đa phương tiện được đánh giá theo tiêu chuẩn EN55024, CISPR 35.

 

Khi thực hiện thử nghiệm, đánh giá các tiêu chuẩn trên cần thực hiện nghiêm ngặt trên tất cả các thành phần của thiết bị. Trong các thử nghiệm đối với HT được lắp ráp từ nhiều thiết bị thành phần và các thiết bị phụ trợ (như Hình 2) cũng cần thực hiện kiểm định với toàn HT. Khi thực hiện riêng lẻ từng thiết bị sẽ có thể gây ra nhiễu giữa các thành phần, gây ảnh hưởng đến kết quả.

 

Tiêu chuẩn tương thích điện từ trường thách thức trong thời đại Internet vạn vật

Hình 2. Ví dụ một hệ thống máy chủ trong nhà máy với nhiều thiết bị kết nối với nhau

 

Phương pháp kiểm tra thời gian thực: tận dụng lợi thế của xử lý tín hiệu số, gần đây thị trường đo lường nổi lên giải pháp sử dụng các biển đổi nhanh Fourier FFT (Fast Fourier Transfrom) [7] cho phép đo chính xác và đẩy đủ thông tin về các nhiễu thiết bị ở cấp độ nano giây trên dải tần số rộng hơn 100 MHz.

 

Các thiết bị IoT phần lớn hoạt động ở chế độ chờ, thời gian hoạt động và giao tiếp giữa chúng xảy ra rời rạc và mất thời gian tương đối ngắn từ vài ms ÷1s . Các loại nhiễu được tạo ra từ quá trình làm việc như vậy rất khó phát hiện với các phương pháp đo thông thường, trừ khi quét tần số nhiều lần bằng hàm MaxHold nhưng rất tốn thời gian và còn có khả năng gây nhiễu không mong muốn từ thiết bị. Với khả năng phân tích nhiễu điện từ trong thời gian thực và đồng thời đo lường trên dải tần số tương đối rộng (thay vì quét từng bước), phương pháp FFT giúp đem lại các kết quả đánh giá với mức độ đáng tin hơn so với phương pháp cổ điển.

 

Phương pháp tiếp cận mạch điện tử - PCB: việc xác minh khả năng tương thích điện từ của các thiết bị điện tử IoT cũng có thể được tiếp cận thông qua đo đạc với các mạch điện tử tích hợp (PCB). Khả năng kiểm tra EMC trong giai đoạn đầu phát triển các thiết bị cũng rất quan trọng, điều này giúp các sản phẩm có được thiết kế tối ưu nhất có thể trong thế giới IoT. Các phương pháp được mô tả trong một số tiêu chuẩn như EN 61967-x [8] và EN 62132-x [9].

 

Phương pháp tiếp cận cấp HT: Một cách đánh giá EMC khác là kiểm tra trên toàn bộ HT tích hợp từ hàng chục đến hàng trăm thiết bị. Trong một HT, khả năng miễn nhiễm điện từ EMS có thể thấp hơn đáng kể so với các thành phần riêng lẻ, do sự phân tán nhiễu giữa các thiết bị trong HT. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một thành phần hoạt động không chính xác có thể là nguyên nhân chính gây ra sự cố cho HT. Ngoài ra, trong các HT phức tạp, không chỉ có mức độ miễn nhiễm EMS phần cứng mà phần mềm cũng có thể bị ảnh hưởng và gây ra việc tăng hoặc giảm tính EMS của HT. Mặt khác, việc tương tác giữa các thiết bị có thể làm tăng phát xạ điện từ của toàn HT, cho dù các thành phần đơn lẻ đáp ứng được các tiêu chuẩn về EMC.

 

 

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các thiết bị IoT ngày càng tăng cao, sự gia tăng mật độ của các thiết bị mới và cũ, kết hợp cùng nhiều công nghệ vô tuyến được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, xã hội đã tạo ra nhiều nguy cơ tiềm ẩn về mất an toàn khả năng tương thích điện từ trường.

 

Các thiết bị điện-điện tử năng lượng thấp được phát triển trên băng thông rộng, ứng dụng rộng rãi sẽ có tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu (SNR) thấp hơn cho các kết nối không dây. Điều này có nghĩa là chúng sẽ có độ nhạy lớn đối với nhiễu điện từ. Việc đầu tư, xây dựng các mô hình hóa môi trường điện từ, phòng thử nghiệm nhiễu điện từ EMC/EMI/EMS là cần thiết cho sự phát triển của công nghệ chế tạo thiết bị điện, điện tử, đảm bảo ổn định, an toàn cũng như hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện môi trường tác chiến khắc nghiệt.