Interferencia electromagnética

La interferencia electromagnética ( EMI ), también llamada interferencia de radiofrecuencia ( RFI ) cuando se encuentra en el espectro de radiofrecuencia , es una perturbación generada por una fuente externa que afecta a un circuito eléctrico por inducción electromagnética , acoplamiento electrostático o conducción. ^{[ 2 ]} La perturbación puede degradar el rendimiento del circuito o incluso impedir su funcionamiento. En el caso de una ruta de datos, estos efectos pueden variar desde un aumento en la tasa de error hasta la pérdida total de los datos. ^{[ 3 ]}

Tanto las fuentes artificiales como las naturales generan corrientes y voltajes eléctricos variables que pueden causar interferencias electromagnéticas (EMI): sistemas de encendido , redes celulares de telefonía móvil, rayos , erupciones solares y auroras boreales/australes. Las EMI afectan frecuentemente a las radios AM . También pueden afectar a teléfonos móviles , radios FM y televisores , así como a observaciones de radioastronomía y ciencias atmosféricas .

La interferencia electromagnética (EMI) puede utilizarse intencionadamente para interferir en las comunicaciones radioeléctricas , como en la guerra electrónica .

Desde los primeros días de las radiocomunicaciones, se han sentido los efectos negativos de la interferencia de las transmisiones tanto intencionales como no intencionales, y se hizo evidente la necesidad de gestionar el espectro de radiofrecuencia. ^{[ 4 ]}

En 1933, una reunión de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en París recomendó la creación del Comité Especial Internacional sobre Interferencias Radioeléctricas ( CISPR ) para abordar el problema emergente de la EMI. Posteriormente, el CISPR elaboró ​​publicaciones técnicas sobre técnicas de medición y ensayo, así como sobre límites de emisión e inmunidad recomendados. Estas han evolucionado a lo largo de las décadas y constituyen la base de gran parte de las normativas de compatibilidad electromagnética (CEM) vigentes en el mundo. ^{[ 5 ]}

En 1979, la FCC de EE. UU. impuso límites legales a las emisiones electromagnéticas de todos los equipos digitales en respuesta al creciente número de sistemas digitales que interferían con las comunicaciones por cable y radio. Los métodos de prueba y los límites se basaron en las publicaciones de la CISPR, aunque ya se aplicaban límites similares en algunas partes de Europa. ^{[ 6 ]}

A mediados de la década de 1980, los Estados miembros de la Unión Europea adoptaron varias directivas de «nuevo enfoque» con el objetivo de estandarizar los requisitos técnicos de los productos para que no constituyeran una barrera al comercio dentro de la CE. Una de ellas fue la Directiva EMC (89/336/CE) ^{[ 7 ]} , que se aplica a todos los equipos comercializados o puestos en servicio. Su ámbito de aplicación abarca todos los aparatos «susceptibles de causar perturbaciones electromagnéticas o cuyo funcionamiento pueda verse afectado por dichas perturbaciones». ^{[ 6 ]}

Esta fue la primera vez que se estableció un requisito legal sobre la inmunidad, así como sobre las emisiones, de los aparatos destinados al público en general. Si bien algunos productos pueden incurrir en costos adicionales para lograr un nivel conocido de inmunidad, esto aumenta su calidad percibida, ya que pueden coexistir con los aparatos en el entorno electromagnético activo de la actualidad y con menos problemas. ^{[ 6 ]}

Muchos países ahora tienen requisitos similares para que los productos cumplan con algún nivel de regulación de compatibilidad electromagnética (CEM). ^{[ 6 ]}

La interferencia electromagnética se divide en varias categorías según las características de la fuente y la señal.

El origen de la interferencia, a menudo denominada "ruido" en este contexto, puede ser artificial (creado por el hombre) o natural.

La interferencia continua, o de onda continua (CW), se produce cuando la fuente emite continuamente en un rango de frecuencias determinado. Este tipo se divide, naturalmente, en subcategorías según el rango de frecuencias y, en su conjunto, a veces se denomina "de CC a luz diurna". Una clasificación común es la de banda estrecha y banda ancha, según la amplitud del rango de frecuencias.

• Frecuencia de audio, desde frecuencias muy bajas hasta aproximadamente 20  kHz. En ocasiones, las frecuencias de hasta 100  kHz pueden clasificarse como audio. Las fuentes incluyen:
  • Zumbido de la red eléctrica procedente de: unidades de suministro eléctrico, cableado de suministro eléctrico cercano, líneas de transmisión y subestaciones.
  • Equipos de procesamiento de audio, como amplificadores de potencia de audio y altavoces .
  • Demodulación de una onda portadora de alta frecuencia, como por ejemplo una transmisión de radio FM .
• Interferencia de radiofrecuencia (RFI), típicamente desde 20  kHz hasta un límite superior que aumenta constantemente a medida que la tecnología lo eleva. Las fuentes incluyen:
  • Transmisiones inalámbricas y por radiofrecuencia
  • Receptores de televisión y radio
  • Equipos industriales, científicos y médicos (EIM)
  • Circuitos de procesamiento digital como los microcontroladores
  • Fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)
• El ruido de banda ancha puede distribuirse a lo largo de partes de uno o ambos rangos de frecuencia, sin que se acentúe ninguna frecuencia en particular. Las fuentes incluyen:
  • actividad solar
  • Dispositivos de descarga de chispa de funcionamiento continuo , como las soldadoras de arco.
  • telefonía móvil CDMA (espectro ensanchado)

Un pulso electromagnético (EMP), también conocido como perturbación transitoria , se produce cuando una fuente emite un pulso de energía de corta duración. Esta energía suele ser de banda ancha, aunque a menudo genera en la víctima una respuesta sinusoidal amortiguada de banda relativamente estrecha .

Las fuentes se dividen, a grandes rasgos, en eventos aislados y repetitivos.

Las fuentes de eventos EMP aislados incluyen:

• Acción de conmutación de circuitos eléctricos, incluidas cargas inductivas como relés, solenoides o motores eléctricos.
• Sobretensiones/pulsos en la línea eléctrica
• Descarga electrostática (ESD), que se produce como resultado de que dos objetos cargados se acerquen o entren en contacto.
• pulso electromagnético de rayo (LEMP), aunque normalmente se trata de una serie corta de pulsos.
• Pulso electromagnético nuclear (NEMP), resultado de una explosión nuclear. Una variante de este es el arma nuclear de pulso electromagnético de gran altitud (HEMP), diseñada para generar dicho pulso como su principal efecto destructivo.
• Armas de pulso electromagnético no nuclear (NNEMP).

Las fuentes de eventos EMP repetitivos, a veces como trenes de pulsos regulares , incluyen:

• motores eléctricos
• Sistemas de encendido eléctrico, como los de los motores de gasolina.
• Acciones de conmutación continuas de circuitos electrónicos digitales.

La interferencia electromagnética conducida se produce por el contacto físico de los conductores, a diferencia de la EMI radiada, que se produce por inducción (sin contacto físico entre los conductores). Las perturbaciones electromagnéticas en el campo electromagnético de un conductor ya no se limitan a su superficie, sino que se irradian desde ella. Este fenómeno se presenta en todos los conductores, y la inductancia mutua entre dos campos electromagnéticos radiados da lugar a la EMI. ^{[ 8 ]}

Mecanismos de acoplamiento

Algunos términos técnicos empleados pueden tener distintos significados. Algunos fenómenos pueden denominarse con diversos términos. Aquí, estos términos se utilizan de forma ampliamente aceptada, en consonancia con otros artículos de la enciclopedia.

La disposición básica del emisor o fuente de ruido , la ruta de acoplamiento y la víctima, el receptor o sumidero, se muestra en la figura siguiente. La fuente y la víctima suelen ser dispositivos electrónicos , aunque la fuente puede ser un fenómeno natural como un rayo , una descarga electrostática (ESD) o, en un caso famoso , el Big Bang en el origen del Universo.

Existen cuatro mecanismos de acoplamiento básicos: conductivo , capacitivo , magnético o inductivo y radiativo . Cualquier trayectoria de acoplamiento puede descomponerse en uno o más de estos mecanismos que actúan conjuntamente. Por ejemplo, la trayectoria inferior del diagrama involucra modos inductivos, conductivos y capacitivos.

El acoplamiento conductivo se produce cuando la trayectoria de acoplamiento entre la fuente y la víctima se forma por contacto eléctrico directo con un cuerpo conductor, por ejemplo, una línea de transmisión, un cable, una pista de circuito impreso o una carcasa metálica. El ruido conducido también se caracteriza por la forma en que aparece en diferentes conductores:

• Acoplamiento en modo común: el ruido aparece en fase (en la misma dirección) en dos conductores.
• Acoplamiento en modo diferencial: el ruido aparece desfasado (en direcciones opuestas) en dos conductores.

El acoplamiento inductivo se produce cuando la fuente y la víctima están separadas por una distancia corta (normalmente menor que la longitud de onda ). Estrictamente hablando, el acoplamiento inductivo puede ser de dos tipos: inducción eléctrica e inducción magnética. Es común referirse a la inducción eléctrica como acoplamiento capacitivo y a la inducción magnética como acoplamiento inductivo .

El acoplamiento capacitivo se produce cuando existe un campo eléctrico variable entre dos conductores adyacentes, separados normalmente por una distancia menor que la longitud de onda, lo que induce un cambio de voltaje en el conductor receptor.

El acoplamiento inductivo o magnético se produce cuando existe un campo magnético variable entre dos conductores paralelos separados normalmente por una distancia menor que la longitud de onda, lo que induce un cambio de voltaje a lo largo del conductor receptor.

El acoplamiento radiativo o electromagnético se produce cuando la fuente y la víctima están separadas por una gran distancia, generalmente mayor que la longitud de onda. La fuente y la víctima actúan como antenas de radio: la fuente emite o irradia una onda electromagnética que se propaga a través del espacio que las separa y es captada o recibida por la víctima.

La interferencia con el significado de interferencia electromagnética , también conocida como interferencia de radiofrecuencia ( EMI o RFI ), se define , según el artículo 1.166 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) [ 9 ] ^{, como "} el efecto de la energía no deseada debido a una o varias emisiones , radiaciones o inducciones sobre la recepción en un sistema de radiocomunicaciones , que se manifiesta por cualquier degradación del rendimiento, mala interpretación o pérdida de información que podría extraerse en ausencia de dicha energía no deseada".  

Esta es también una definición utilizada por la administración de frecuencias para proporcionar asignaciones de frecuencia y asignación de canales de frecuencia a estaciones o sistemas de radio, así como para analizar la compatibilidad electromagnética entre servicios de radiocomunicación .

De acuerdo con el RU de la UIT (artículo 1), las variaciones de interferencia se clasifican de la siguiente manera: ^{[ 10 ]}

• interferencia permitida (RR 1.167)
• interferencia aceptada (RR 1,168)
• interferencia perjudicial (RR 1,169)

La interferencia electromagnética conducida se produce por el contacto físico de los conductores, a diferencia de la interferencia electromagnética radiada, que se produce por inducción (sin contacto físico de los conductores).

Para frecuencias bajas, la interferencia electromagnética (EMI) se produce por conducción y, para frecuencias más altas, por radiación.

La interferencia electromagnética a través del cable de tierra también es muy común en una instalación eléctrica.

Las interferencias suelen ser más problemáticas con tecnologías de radio antiguas, como la modulación de amplitud analógica , que no permite distinguir las señales no deseadas dentro de la banda de la señal deseada, y las antenas omnidireccionales utilizadas en los sistemas de radiodifusión. Los sistemas de radio más recientes incorporan varias mejoras que aumentan la selectividad . En los sistemas de radio digital, como el Wi-Fi , se pueden utilizar técnicas de corrección de errores . Las técnicas de espectro ensanchado y salto de frecuencia se pueden utilizar tanto con señalización analógica como digital para mejorar la resistencia a las interferencias. Un receptor altamente direccional , como una antena parabólica o un receptor de diversidad , se puede utilizar para seleccionar una señal en el espacio excluyendo las demás.

El ejemplo más extremo de señalización digital de espectro ensanchado hasta la fecha es la banda ultraancha ( UWB ), que propone el uso de grandes secciones del espectro radioeléctrico a bajas amplitudes para transmitir datos digitales de alto ancho de banda. Si se utilizara exclusivamente, la UWB permitiría un uso muy eficiente del espectro, pero los usuarios de tecnologías distintas a la UWB aún no están preparados para compartir el espectro con el nuevo sistema debido a la interferencia que causaría en sus receptores (las implicaciones regulatorias de la UWB se analizan en el artículo sobre banda ultraancha ).

En Estados Unidos , la Ley Pública 97-259 de 1982 permitió a la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) regular la susceptibilidad de los equipos electrónicos de consumo. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Las posibles fuentes de RFI y EMI incluyen: ^{[ 13 ]} varios tipos de transmisores , transformadores de timbre, hornos tostadores , mantas eléctricas , dispositivos ultrasónicos de control de plagas, matamoscas eléctricos , almohadillas térmicas y lámparas controladas por tacto . Varios monitores de computadora CRT o televisores que se encuentran demasiado cerca unos de otros a veces pueden causar un efecto de "vibración" entre ellos, debido a la naturaleza electromagnética de sus tubos de imagen, especialmente cuando se activa una de sus bobinas de desmagnetización .

Las interferencias electromagnéticas a 2,4 GHz pueden ser causadas por dispositivos inalámbricos 802.11b , 802.11g y 802.11n , dispositivos Bluetooth , monitores para bebés y teléfonos inalámbricos , transmisores de vídeo y hornos microondas .

Las cargas conmutadas ( inductivas , capacitivas y resistivas ), como motores eléctricos, transformadores, calentadores, lámparas, balastos, fuentes de alimentación, etc., provocan interferencias electromagnéticas, especialmente con corrientes superiores a 2 A. El método habitual para suprimir las EMI consiste en conectar una red de amortiguación , compuesta por una resistencia en serie con un condensador , a través de un par de contactos. Si bien esto puede ofrecer una reducción moderada de las EMI con corrientes muy bajas, los amortiguadores no funcionan con corrientes superiores a 2 A en contactos electromecánicos . ^{[ 14 ] [ 15 ]}  

Otro método para suprimir las interferencias electromagnéticas es el uso de supresores de ruido con núcleo de ferrita (o perlas de ferrita ), que son económicos y se sujetan al cable de alimentación del dispositivo que causa la interferencia o del dispositivo dañado.

Las fuentes de alimentación conmutadas pueden ser una fuente de interferencia electromagnética (EMI), pero este problema se ha reducido a medida que han mejorado las técnicas de diseño, como la corrección integrada del factor de potencia .

La mayoría de los países tienen requisitos legales que exigen compatibilidad electromagnética : los equipos electrónicos y eléctricos deben seguir funcionando correctamente incluso cuando se les somete a ciertas cantidades de interferencia electromagnética (EMI), y no deben emitir EMI que puedan interferir con otros equipos (como las radios).

La calidad de la señal de radiofrecuencia ha disminuido a lo largo del siglo XXI en aproximadamente un decibelio por año, debido a la creciente saturación del espectro radioeléctrico. Esto ha generado una intensa competencia en la industria de la telefonía móvil, ya que las empresas se han visto obligadas a instalar más torres celulares (en nuevas frecuencias), lo que a su vez provoca mayor interferencia y, por consiguiente, exige mayores inversiones por parte de los proveedores y actualizaciones frecuentes de los teléfonos móviles para adaptarse a la nueva situación. ^{[ 16 ]}

El Comité Internacional Especial para las Interferencias Radioeléctricas o CISPR (acrónimo francés de "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"), un comité de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), establece normas internacionales para las interferencias electromagnéticas radiadas y conducidas. Estas normas son de carácter civil y se aplican a los sectores doméstico, comercial, industrial y automotriz. Dichas normas constituyen la base de otras normas nacionales o regionales, en particular las Normas Europeas (EN) elaboradas por el CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica). Entre las organizaciones estadounidenses se incluyen el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) y las Fuerzas Armadas de EE. UU. (MILSTD).

Los circuitos integrados suelen ser una fuente de EMI, pero normalmente deben acoplar su energía a objetos más grandes, como disipadores de calor, placas de circuitos impresos y cables, para irradiarla de forma significativa. ^{[ 17 ]}

En los circuitos integrados , los medios importantes para reducir la EMI son: el uso de condensadores de derivación o desacoplamiento en cada dispositivo activo (conectados a través de la fuente de alimentación, lo más cerca posible del dispositivo), el control del tiempo de subida de señales de alta velocidad mediante resistencias en serie ^{[ 18 ]} y el filtrado de pines de la fuente de alimentación del CI . El blindaje suele ser un último recurso después de que otras técnicas hayan fallado, debido al costo adicional de los componentes de blindaje, como las juntas conductoras.

La eficiencia de la radiación depende de la altura sobre el plano de tierra o el plano de alimentación (a RF , uno es igual de bueno que el otro) y de la longitud del conductor en relación con la longitud de onda del componente de señal ( frecuencia fundamental , armónico o transitorio como sobreimpulso, subimpulso o oscilación). A frecuencias más bajas, como 133 MHz , la radiación se produce casi exclusivamente a través de los cables de E/S; el ruido de RF llega a los planos de alimentación y se acopla a los controladores de línea a través de los pines VCC y GND. El RF se acopla entonces al cable a través del controlador de línea como ruido de modo común . Dado que el ruido es de modo común, el blindaje tiene muy poco efecto, incluso con pares diferenciales . La energía de RF se acopla capacitivamente desde el par de señal al blindaje y el propio blindaje es el que irradia. Una solución para esto es usar un rompedor de trenza o un choque para reducir la señal de modo común. 

A frecuencias más altas, generalmente superiores a 500  MHz, las pistas se alargan eléctricamente y se elevan por encima del plano. En estas frecuencias se utilizan dos técnicas: la conformación de onda con resistencias en serie y la colocación de las pistas entre los dos planos. Si aun así se reduce demasiado la interferencia electromagnética (EMI), se puede recurrir al blindaje, como juntas de RF y cinta de cobre o conductora. La mayoría de los equipos digitales están diseñados con carcasas metálicas o de plástico con revestimiento conductor.

La interferencia en radioastronomía , comúnmente denominada interferencia de radiofrecuencia (IRF), es cualquier fuente de transmisión dentro de la banda de frecuencia observada, distinta de las propias fuentes celestes. Dado que los transmisores en la Tierra y sus alrededores pueden ser muchas veces más potentes que la señal astronómica de interés, la IRF representa una preocupación importante para la práctica de la radioastronomía. ^{[ 24 ]}

Algunas de las bandas de frecuencia que son muy importantes para la radioastronomía, como la línea HI de 21 cm a 1420  MHz, están protegidas por regulación. ^{[ 25 ]} Sin embargo, los observatorios radioastronómicos modernos como VLA , LOFAR y ALMA tienen un ancho de banda muy amplio sobre el cual pueden observar. Debido al espacio espectral limitado en radiofrecuencias, estas bandas de frecuencia no pueden asignarse completamente a la radioastronomía; por ejemplo, las imágenes con desplazamiento al rojo de la línea de 21 cm de la época de la reionización pueden superponerse con la banda de transmisión FM (88-108 MHz), por lo que los radiotelescopios deben lidiar con la interferencia de radiofrecuencia (RFI) en este ancho de banda. ^{[ 24 ]} 

Las técnicas para lidiar con la interferencia de radiofrecuencia (RFI) abarcan desde filtros de hardware hasta algoritmos avanzados de software. Una forma de lidiar con transmisores potentes es filtrar completamente la frecuencia de la fuente. Este es el caso, por ejemplo, del observatorio LOFAR, que filtra las estaciones de radio FM entre 90 y 110  MHz. Es importante eliminar estas fuentes de interferencia tan potentes lo antes posible, ya que podrían saturar los receptores de alta sensibilidad ( amplificadores y convertidores analógico-digitales ), lo que significa que la señal recibida es más fuerte de lo que el receptor puede procesar. Sin embargo, filtrar una banda de frecuencia implica que estas frecuencias nunca podrán ser observadas con el instrumento.

Una técnica común para lidiar con la interferencia de radiofrecuencia (RFI) dentro del ancho de banda de frecuencia observado es emplear la detección de RFI en software. Dicho software puede encontrar muestras en el espacio de tiempo, frecuencia o tiempo-frecuencia que están contaminadas por una fuente de interferencia. Estas muestras se ignoran posteriormente en el análisis posterior de los datos observados. Este proceso se conoce comúnmente como marcado de datos . Dado que la mayoría de los transmisores tienen un ancho de banda pequeño y no están presentes de forma continua, como los rayos o los dispositivos de radio de banda ciudadana (CB), la mayor parte de los datos permanece disponible para el análisis astronómico. Sin embargo, el marcado de datos no puede resolver los problemas con transmisores de banda ancha continuos, como molinos de viento, transmisores de vídeo digital o de audio digital .

Otra forma de gestionar la interferencia de radiofrecuencia (RFI) es establecer una zona de silencio radioeléctrico (RQZ). Una RQZ es un área bien definida que rodea a los receptores y que cuenta con regulaciones especiales para reducir la RFI en favor de las observaciones radioastronómicas dentro de la zona. Estas regulaciones pueden incluir una gestión especial del espectro y limitaciones del flujo de potencia o de la densidad de flujo de potencia. Los controles dentro de la zona pueden abarcar elementos distintos a los transmisores o dispositivos de radio. Estos incluyen controles de aeronaves y control de radiadores no intencionados, como dispositivos industriales, científicos y médicos, vehículos y líneas eléctricas. La primera RQZ para radioastronomía es la Zona Nacional de Silencio Radioeléctrico (NRQZ) de Estados Unidos , establecida en 1958. ^{[ 26 ]}

Antes de la introducción del Wi-Fi, una de las mayores aplicaciones de la  banda de 5 GHz era el radar meteorológico Doppler terminal . ^{[ 27 ] [ 28 ]} La decisión de utilizar  el espectro de 5 GHz para Wi-Fi se finalizó en la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones de 2003; sin embargo, las autoridades meteorológicas no participaron en el proceso. ^{[ 29 ] [ 30 ]} La posterior implementación deficiente y la mala configuración del DFS causaron importantes interrupciones en las operaciones de radar meteorológico en varios países del mundo. En Hungría, el sistema de radar meteorológico fue declarado fuera de servicio durante más de un mes. Debido a la gravedad de la interferencia, los servicios meteorológicos sudafricanos terminaron abandonando la operación en banda C y cambiando su red de radar a banda S. ^{[ 28 ] [ 31 ]}

Las transmisiones en bandas adyacentes a las utilizadas por la teledetección pasiva , como los satélites meteorológicos , han causado interferencias, a veces significativas. ^{[ 32 ]} Existe preocupación de que la adopción de 5G insuficientemente regulado pueda producir importantes problemas de interferencia. Una interferencia significativa puede perjudicar el rendimiento de la predicción numérica del tiempo y generar impactos negativos en la economía y la seguridad pública. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} Estas preocupaciones llevaron al Secretario de Comercio de EE. UU. , Wilbur Ross , y al Administrador de la NASA, Jim Bridenstine, en febrero de 2019, a instar a la FCC a cancelar una subasta de espectro propuesta , la cual fue rechazada. ^{[ 36 ]}

• Radiación electromagnética
• Blindaje electromagnético
• Jaula de Faraday
• Interferencia (comunicación)
• integridad de la energía
• receptor de radio
• Integridad de la señal
• Ruido de señal
• Par retorcido

• ARRL, RFI
• Manual de interferencias
• Fundamentos del diseño de compatibilidad electromagnética (CEM)
• Página de EMC de Clemson (Herramientas e información sobre EMI)
• Tutoriales de EMC