Dlaczego integralność sygnału decyduje o skuteczności systemów obronnych?

Nawet stosunkowo niewielkie zaburzenie elektromagnetyczne może wpłynąć negatywnie na zasięg radaru, przerwać łączność, zresetować komputer lub zniekształcić przesyłane informacje. Podczas Evertiq Expo Kraków 2026 Dominik Kowalczyk z firmy DACPOL w wystąpieniu „Wpływ zaburzeń EMC i znaczenie integralności sygnałowej dla systemów obronnych” wyjaśniał, dlaczego kompatybilność elektromagnetyczna i jakość przesyłanych sygnałów są jednym z fundamentów nowoczesnych systemów wojskowych.

Od świata analogowego do cyfrowego

Punktem wyjścia rozważań Dominika Kowalczyka było rozróżnienie między światem analogowym i cyfrowym. Temperatura, ciśnienie, dźwięk, światło, napięcie i natężenie prądu są wielkościami analogowymi. Zmieniają się w sposób ciągły. Elektronika cyfrowa natomiast przetwarza informacje w oparciu o ograniczony zbiór wartości. Sygnały analogowe, aby były użyteczne dla układów cyfrowych, muszą zostać odpowiednio spróbkowane, skwantyfikowane i zapisane w postaci dyskretnej.

Prelegent porównał ten proces do dzielenia ciągłego obrazu na kadry. Im dokładniej odwzorowywany jest sygnał, tym wierniejszy może być jego cyfrowy zapis. Jednocześnie rosną jednak wymagania wobec układu przetwarzającego dane.

“Interesuje nas sytuacja, w której sygnał analogowy przetworzony na cyfrowy, będzie wiernie odwzorowany, stabilny i bez zakłóceń, przekłamań i innych negatywnych zjawisk”, wyjaśniał Kowalczyk.

Problem nabiera na znaczeniu wraz ze wzrostem szybkości działania urządzeń. Współczesne układy są coraz mniejsze, gęściej upakowane i wykonują coraz więcej operacji w krótkim czasie. Zmiany napięcia zachodzą w nich niezwykle dynamicznie, dlatego zjawiska, które przy niższych częstotliwościach można było pominąć, tutaj wpływają na funkcjonowanie całego systemu. Kowalczyk zwrócił uwagę, że poszczególne składowe sygnału mogą być wzmacniane w różnym stopniu. Mogą również ulegać przesunięciom w czasie. W efekcie, szczególnie przy wysokich częstotliwościach, nawet niewielkie odchylenia parametrów mogą zniekształcić sygnał na tyle, żeby odbiornik otrzymał informację odbiegającą od pierwotnie nadanej.

Sygnał musi dotrzeć w całości

Integralność sygnałowa (signal integrity) opisuje jakość sygnału podczas jego drogi od nadajnika do odbiornika.

“Chodzi o to, żeby sygnał, który wychodzi z bufora nadajnika, w miarę możliwości dotarł w takiej samej formie do bufora odbiornika”, tłumaczył Kowalczyk.

Pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem znajduje się kanał transmisyjny. Jak wyjaśniał przedstawiciel firmy DACPOL, może nim być ścieżka na płytce drukowanej, złącze, przewód lub kabel. Każdy z tych elementów może pogorszyć jakość przesyłanej informacji. W układach wysokiej szybkości znaczenie mają częstotliwość sygnału i czas jego narastania. Gwałtowne przejście między stanem niskim i wysokim powoduje, że ścieżki na PCB zaczynają zachowywać się jak linie transmisyjne. Ich geometria, materiał, sposób prowadzenia oraz zakończenia wpływają na to, czy sygnał dotrze do celu, odbije się, osłabnie lub zostanie zniekształcony.

Jednym z podstawowych zagrożeń wymienionych przez Kowalczyka jest niedopasowanie impedancji. Jeżeli sygnał napotyka nagłą zmianę właściwości ścieżki, część jego energii może zostać odbita. Znaczenie ma szerokość i grubość przewodnika, sposób przejścia między warstwami płytki, rodzaj laminatu, a nawet niewielkie różnice parametrów materiału. Prelegent zwrócił także uwagę na przesłuchy, czyli niepożądane oddziaływanie sąsiadujących ze sobą ścieżek.

“Mamy dwie ścieżki biegnące obok siebie. Jeżeli znajdują się za blisko siebie albo są niewłaściwie wykonane, jedna może wpływać na drugą”, obrazował Kowalczyk.

Sygnał płynący jedną ze ścieżek wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne, które może wywołać napięcie w sąsiednim obwodzie. W efekcie odbiornik, oprócz właściwej informacji, otrzymuje także dodatkowy sygnał, będący skutkiem działania pobliskiej ścieżki.

Jak wyjaśniał Kowalczyk, do źródeł degradacji należą także szumy, straty zależne od częstotliwości i efekt naskórkowy. W tym ostatnim prąd o wysokiej częstotliwości koncentruje się bliżej powierzchni przewodnika, zamiast płynąć równomiernie. Rozwiązanie jednego problemu może generować kolejny. Poszerzenie ścieżki może ograniczyć część strat, ale jednocześnie zmienia jej impedancję. Zdaniem prelegenta projektowanie szybkiej elektroniki wymaga ciągłego poszukiwania kompromisów pomiędzy różnymi parametrami.

Kompatybilność elektromagnetyczna w praktyce

Integralność sygnałowa dotyczy przede wszystkim jakości informacji wewnątrz toru transmisyjnego. Kompatybilność elektromagnetyczna, czyli EMC, obejmuje szersze relacje pomiędzy urządzeniem a jego otoczeniem.
Jak tłumaczył Dominik Kowalczyk, dobrze zaprojektowany sprzęt powinien spełniać co najmniej dwa podstawowe warunki. Musi być odporny na zaburzenia pochodzące z zewnątrz, a jednocześnie nie może emitować zakłóceń utrudniających pracę innych urządzeń. Czasami wyróżnia się również trzeci aspekt: konstrukcja nie powinna zakłócać samej siebie.

“EMC koncentruje się na wpływie na inne urządzenia, na relacji między urządzeniami. Integralność sygnałowa dotyczy samego sygnału”, podsumował przedstawiciel DACPOL.

Zakłócenia mogą rozchodzić się drogą promieniowaną, poprzez pole elektromagnetyczne, lub przewodzoną, na przykład przewodami zasilającymi i sygnałowymi. Kowalczyk wskazał, że ich źródłem bywają między innymi zasilacze impulsowe, przetwornice, silniki, układy sterowania, przełączanie obwodów, odbijanie styków i wyładowania elektrostatyczne.

Szczególnie istotnym źródłem zakłóceń są gwałtowne zmiany napięcia. Dominik Kowalczyk wyjaśniał, że szybkie przełączanie stanów powoduje emisję energii elektromagnetycznej w szerokim paśmie częstotliwości. W praktyce oznacza to, że nawet pojedynczy element układu może oddziaływać na wiele innych podzespołów znajdujących się w jego otoczeniu.

Elektroniczny łańcuch działania

Znaczenie EMC w sektorze obronnym wynika ze sposobu działania współczesnych sił zbrojnych. Jak opisywał Kowalczyk, sensory obserwują otoczenie, systemy rozpoznawania klasyfikują obiekty, sieci łączności przesyłają dane, stanowiska dowodzenia podejmują decyzje, a systemy kierowania ogniem realizują zadanie.

Powstaje w ten sposób rozbudowany łańcuch zależności, określany często jako kill chain. Obejmuje on kolejne etapy prowadzące od wykrycia obiektu, przez jego identyfikację i wybór sposobu działania, aż po ocenę rezultatów przeprowadzonej operacji.

“Zakłócenie tego łańcucha w dowolnym momencie może spowodować, że cały system padnie, nie zadziała tak, jak powinien, albo lokalnie spadnie funkcjonalność platformy lub urządzenia”, zauważył Kowalczyk.

Jak wynikało z przedstawionych przez niego przykładów, utrata integralności sygnału w radiostacji może oznaczać zerwanie łączności. W radarze zakłócenia mogą pogorszyć zasięg, dokładność i zdolność wykrywania celu. W systemie kierowania ogniem błąd może wpłynąć na celność, natomiast w komputerze pokładowym może dojść do resetu, zawieszenia lub innej, nieprzewidywalnej reakcji. Każdy z tych problemów może wystąpić w urządzeniach cywilnych, ale na polu walki jego konsekwencje wpływają bezpośrednio na powodzenie operacji i bezpieczeństwo ludzi.

Drony - sieć zależności

Jednym z przykładów wykorzystanych przez prelegenta były bezzałogowe statki powietrzne. W najprostszym modelu operator przesyła polecenia do drona, a maszyna odsyła dane. Dominik Kowalczyk zaznaczył jednak, że rzeczywisty obraz jest znacznie bardziej złożony. Sygnał radiowy nie biegnie wyłącznie po kanale łączącym operatora z bezzałogowcem, a rozchodzi się w przestrzeni. Dlatego może zostać wykryty, zakłócony albo wykorzystany do lokalizacji nadajnika.

Sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej, gdy w powietrzu działa kilka lub kilkadziesiąt dronów. Każdy z nich musi komunikować się z operatorem albo innymi platformami, nie powodując przy tym nadmiernych zakłóceń dla pozostałych urządzeń. Kowalczyk zwrócił uwagę, że rój może składać się z różnych typów maszyn: dronów rozpoznawczych, amunicji krążącej, bezzałogowców uderzeniowych i większych platform strategicznych. Urządzenia te działają na różnych wysokościach, z różnymi prędkościami i w zmiennych warunkach środowiskowych. Ich skoordynowanie stanowi więc poważne wyzwanie z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej.

Podobna sytuacja występuje w systemach, w których samolot lub pojazd lądowy współpracuje z grupą bezzałogowców. Zdaniem prelegenta rozwój takich platform zwiększa znaczenie niezawodnej komunikacji i kontroli emisji elektromagnetycznych.

Zakłócenia jako element strategii

Dominik Kowalczyk przypomniał, że zaburzenia elektromagnetyczne nie zawsze są wyłącznie niepożądanym skutkiem ubocznym. W sektorze obronnym mogą być celowo wykorzystywane między innymi do mylenia radarów, przerywania łączności i ograniczania zdolności przeciwnika. To nie jest nowa idea. Prelegent przywołał przykład metalizowanych pasków, zrzucanych przez samoloty podczas II wojny światowej, które tworzyły na ekranach radarów odbicia przypominające rzeczywiste cele. Dzisiejsze środki przeciwdziałania są znacznie bardziej zaawansowane, ale wykorzystują podobne zjawiska fizyczne.

Celowe zaburzenia stosuje się również podczas badań. Jak wyjaśniał przedstawiciel DACPOL, inżynierowie wprowadzają do układu impulsy, napięcia i pola o określonych parametrach, aby sprawdzić zachowanie urządzenia w sytuacjach granicznych. Pozwala to ocenić odporność konstrukcji, zanim trafi ona do laboratorium certyfikacyjnego lub do użytkownika. Szczególnie przydatne są badania pre-compliance, wykonywane na etapie prototypowania. Sondy pola bliskiego pozwalają lokalizować fragmenty płytki, które emitują nadmierne zakłócenia.

“Możemy taką sondą przejechać po płytce PCB i sprawdzić, które obszary nam sieją, mówiąc potocznie”, mówił Kowalczyk.

Prelegent zaznaczył, że takie pomiary nie zastępują pełnych badań laboratoryjnych. Umożliwiają jednak wczesne wykrycie błędów, których korekta jest znacznie łatwiejsza przed uruchomieniem produkcji.

Od projektu do odpornej platformy

Dominik Kowalczyk podkreślił, że kształtowanie odporności urządzeń na zaburzenia elektromagnetyczne zaczyna się już na etapie projektowania. Kluczowe znaczenie mają decyzje podejmowane podczas tworzenia konstrukcji, ponieważ to one w dużej mierze decydują o późniejszej odporności systemu.

Jeżeli konstrukcja jest już gotowa, można stosować dodatkowe zabezpieczenia, wśród których przedstawiciel DACPOL wymienił między innymi ferryty, uszczelki przewodzące, ekranowane obudowy, filtry i struktury plastra miodu zabezpieczające otwory wentylacyjne. Posłużył się przy tym przykładem pojazdu opancerzonego, w którego ograniczonej przestrzeni pracuje wiele systemów elektronicznych. Każdy z nich emituje energię elektromagnetyczną, każdy może być podatny na wpływ otoczenia, a wszystkie muszą działać jednocześnie i bez wzajemnego zakłócania.

Kompatybilność elektromagnetyczna nie powinna być traktowana jako dodatek wprowadzany pod koniec projektu. Należy ją uwzględniać od pierwszych etapów konstruowania urządzenia.

Wraz z rozwojem systemów sieciocentrycznych, rojów dronów, platform współpracujących i broni wysokoenergetycznej znaczenie EMC będzie rosło. Szybsza elektronika zapewnia większe możliwości obliczeniowe i komunikacyjne, ale jednocześnie staje się bardziej wrażliwa na zjawiska, które wcześniej można było ignorować. W systemach obronnych o skuteczności, oprócz oczywistej mocy uzbrojenia, decyduje również fakt, czy informacja wysłana przez sensor, radar, komputer lub stanowisko dowodzenia dotrze na czas, w niezmienionej postaci, dokładnie tam, gdzie powinna trafić.

Kolejna edycja targów Evertiq Expo Kraków już 9 czerwca 2027 roku. Wcześniej branża elektroniczna spotka się 22 października 2026 roku w Warszawie, gdzie na scenie ponownie wystąpi Dominik Kowalczyk. Rejestracja na wydarzenie już trwa.