淺談中波發射機房系統的噪聲干擾與抑制措施

林曉斌

福建省廣播電視傳輸發射中心泉州401臺，福建 泉州 350001

中波發射機房的噪聲干擾問題已然存在，人們往往忽視其影響，隨著社會經濟的發展，各種電子、電氣設備不斷地增多，各式各樣的噪聲信號對機房系統的干擾也日趨嚴重，不同程度地影響了發射系統的傳輸質量。對此必須予以充分地重視，采取行之有效的措施，消除噪聲干擾。本文針對中波發射機房工作環境分析噪聲干擾的來源和影響，對噪聲干擾的抑制做一探討。

1 中波發射機房噪聲干擾的來源

噪聲的來源很復雜，我們可以把它們大致歸結為以下3種。

1）外部噪聲

這種噪聲很廣泛也很復雜，對中波發射系統影響大致可以分成以下幾種：

空間輻射干擾噪聲：任何導體通過交變電流的時候都會引起周圍電場強度的變化，這種變化就是電場輻射，同樣，像變壓器這樣的磁體也會引起周圍磁場強度的交替變化。我們知道，交變電場和磁場中的閉合導體會產生和電場磁場變化頻率相同的交變電流，也叫感應電流。音響設備中所有的元器件、導線、電路板上的銅箔都是電導體，因此，不可避免地會產生感應電流。這種感應電流疊加在信號中就會產生噪聲。

線路串擾噪聲：外部某些電氣設備會產生干擾信號，這些干擾信號通過電源、信號線等線路直接竄入發射機設備中。

傳輸噪聲：這種噪聲是信號在傳輸過程中由于傳輸介質的問題產生的，比如接插件的接觸不良、信號線材質不佳、地電流串擾等等。其中，并且由于接地不良，空間輻射對于信號傳輸的影響也會加劇。

2）內部噪聲

內部噪聲是系統設備本身產生的各種噪聲，例如：在電阻一類的導體中自由電子的熱運動、真空管中電子的起伏發射和半導體載流子的起伏變化等。電路中幾乎所有的元器件在工作時都會產生一定的噪聲，晶體管、電阻、電容，這種噪聲是連續的，基本上是固定不變的，并且頻譜分布很廣泛，由于設備中各種電子器件的帶電粒子（電子或空穴）不規則地運動，在電路中就產生了不規則的端電壓和回路電流，產生噪聲信號，如經電子電路的耦合放大或形成正反饋，必導致對正常信號的干擾，甚至淹沒了信號電壓。

3）人為噪聲

人為噪聲來源于電路本身的設計失誤或者安裝工藝上的缺陷，電路設計失誤往往會導致電路的輕微自激（一種自由振蕩狀態），這種自激一般在我們可以聽到的聲音范圍之外，但是在某些特定條件下它們會對聲音的中高頻產生斷續的影響，從而產生噪聲。安裝工藝失誤就稍微復雜一些，比如接插件接觸不良，接觸表面形成二極管效應或者接觸電阻隨溫度、振動等影響發生變化而導致信號傳輸特性變化，產生噪聲。還有元器件排布上的失誤，將高熱的元器件排布在對溫度敏感的元器件旁邊，或者將一些有輕微振動的元器件放在對振動敏感的元器件旁邊，或者沒有足夠的避震措施等等這些，都會產生一定的噪聲。這些噪聲可以說都是人為造成的，對于經驗豐富的電子設計師來說，這些噪聲都是可以避免或者大大減輕的。

2 噪聲干擾對中波發射機房系統的影響

噪聲干擾對中波發射系統的影響主要有以下幾點方面：

1）中波發射機房的全固態發射機一般采用模塊化設計，結構緊湊，散熱空間相對較小，即使機房內溫度和濕度都達到了機器的要求，也難以確保機器內部局部空間的環境適宜。相對于整機而言，功放單元溫度的降低，對于提高半導體器件的壽命，降低維護費用非常重要。再者，在功放管的周圍存在較多的貼面電阻、電容和電感器件，因噪聲干擾，引起的溫度等一系列變化，以至影響功放單元的技術參數和造成功放模塊間的不平衡，引起連鎖反應，增大器件損壞的面積。

2）干擾可以引起電路的誤動作，甚至可能造成電路擊穿損壞，嚴重時可導致打火、電氣短路引起火災事故。

3）中波發射機的正常工作電源電壓范圍一般在額定值的±10%左右，超出這個范圍發射機將實施保護性關機，在一些電源設備產生的開關接觸噪聲干擾信號，這些干擾信號通過電源、信號線等線路直接竄入發射機設備中對安全產生很大影響。

4）強烈的噪聲干擾對靈敏度很高的元器件會造成實際靈敏度大大地下降，甚至造成擊穿，從而無法正常工作。

5）噪聲干擾造成傳輸質量和傳輸速率大大降低，還可能導致一些信息的泄漏，既浪費了國家資源，又對安全保密造成危害。

3 中波發射機房的噪聲干擾分析

起伏噪聲是最基本的噪聲來源，是普遍存在和不可避免的，其波型隨時間作不規律的隨機變化，且具有很寬的頻譜，主要包括信道內元器件所產生的熱噪聲、散彈噪聲和天電噪聲中的宇宙噪聲。從它的統計特性看，可認為起伏噪聲是一種高斯噪聲，且在相當寬的頻譜范圍內具有平坦的功率譜密度，可稱其為白噪聲，因此，起伏噪聲又可稱為高斯白噪聲。

對于內部噪聲的分析，中波發射機房的噪聲的很多干擾來至于內部，筆者主要從以下兩個方面來分析：

1）電阻及阻抗的熱噪聲

電阻的熱噪聲聲是由于電阻內部自由電子無規則熱運動產生的，它與外加電勢的大小無關，但與電阻值的大小、環境溫度的高低、電子電路頻帶寬度f的寬窄有關。理論和實踐都證明電阻R兩端產生的熱噪聲電勢為

式中：K為波耳茲曼常數，其值為1.38×l0-23J/K；T為電阻的絕對溫度；

△f為電路的頻帶寬度或等效噪聲帶寬，單位為Hz；

（1）電阻的噪聲等效電路

如圖1所示

圖1 電阻的噪聲等效電路

圖（a）是串聯形式，的大小由上式決定；圖（b）是并聯形式的大小為

根據噪聲電勢的公式，可求出噪聲電壓的有效值（或簡稱噪聲電壓）為

式中，R的單位是kΩ，Δfn的單位是kHz,這是室溫下計算噪聲電壓的一個簡單公式。

還需指出，一個實際電阻，除了熱噪聲之外，還存在閃爍噪聲，所以它的總噪聲要比按上式算得的值高，有時候高出發幾倍。在各類電阻中，炭質電阻的噪聲最大，炭膜電阻次之，線繞電阻的噪聲最小。

（2）阻抗的熱噪聲

就產生噪聲的原因面言，純電抗成分是不會產生噪聲，因為純電阻元件沒有損耗電阻，它不存在自由電子的不規則熱運動。另外，也可以從能量的觀點說明：如果有一電阻和電抗連接，由于電抗不消耗能量，所以電阻的熱噪聲功率不可能傳給它，即電阻的熱噪聲功率無路可輸出。假如電抗也產生熱噪聲，則電阻會從電抗中得到熱噪聲功率。這樣會產生如下結果，即電阻不輸出熱噪聲功率，只接收電抗產生的熱噪聲功率，它的能量不斷增加，溫度不斷上升；相反，電抗部分不斷輸出熱噪聲功率，溫度必然下降，這顯然是不可能的。因此，純電抗元件不產生熱噪聲。

2）晶體管與場效應管的噪聲

（1）晶體管的噪聲

晶體管的噪聲通常比電阻的熱噪聲大得多，其來源主要有4個方面：

① 熱噪聲

晶體管中，各電極的引線端與PN結的真正有效區域之間存在著體電阻，如ree',rbb'，其中rbb'較大.影響最顯著，其他均可忽略。由rbb'產生的熱噪聲電勢為使晶體管的熱噪聲小，應選用rbb'小的管子。

② 散彈噪聲

散彈噪聲出現在電子管和半導體器件中。電子管中的散彈噪聲是由陰極表面發射電子的不均勻性引起的。在半導體二極管和三極管中的散彈噪聲則是由載流子擴散的不均勻性與電子空穴對產生和復合的隨機性引起的。

散彈噪聲的性質可用平板型二極管的熱陰電子發射來說明。二極管的電流是由陰極發射的電子飛到陽極而形成的。每個電子帶有一個負電荷，到達陽極時產生小的電流脈沖，所有電流脈沖之和產生了二極管的平均陽極電流。但是，陰極在單位時間內所發射的電子數并不恒定，它隨時間作不規則的隨機變化。電子的發射是一個隨機過程，因而二極管電流中包含著時變分量。

③ 分配噪聲

在晶體三極管中，由發射極注入基區的少數載流子；大部分被集電極吸收，形成集電極電流ic，極小部分在基區內復合，形成基極電流i。，這兩部分電流的分配比例，從平均意義上來說是確定的，但載流子復合時，其數量是時多時少，存在隨機性，因而，造成集電極電流)某一‘確定值的上下起伏變化而引起噪聲，這神噪聲稱為分配噪聲，也是電流噪聲，與散粒噪聲有相同的性質。分配噪聲不是白噪聲，而為一有色噪聲，它隨工作頻率增高而加大，增長的速率為6dB/10倍頻程。其原因在于隨著工作頻率提高，少數載流子在基區中停留的時間相對增加（渡越時間），這會增加載流子復合的可能性，使分配噪聲增大，所以分配噪聲在高頻時的影響會更大，使分配噪聲顯著增加的頻率約為

④1/f噪聲（閃爍噪聲）

這種噪聲的特點是在低頻段(l0～lkHz)區域，噪聲強度顯著增加，并且隨頻率的降低而升高（斜率約為- 3dB/10倍頻程）。

一般認為，閃爍噪聲是由晶體管表面清潔處理不當或有缺陷而造成的，因此，這種噪聲與半導體生產工藝密切相關，一般來說，管子越新，此噪聲就越小。

閃爍噪聲是一種基本噪聲源，不僅存在于晶體三極管，也存在于其他元件，如電阻、場效應管中。晶體管噪聲系數與頻率關系的典型曲線如圖2。（2）場效應管的噪聲

圖2 晶體管噪聲系數與頻率關系的典型曲線

場效應管所產生的噪聲主要由下述4部分組成：

① 溝道熱噪聲

這是由導電溝道電阻產生的噪聲。因為溝道電阻的大小不是恒定值，而受到柵極電壓的控制，此噪聲與場效應管的轉移跨導gm成正比，其值為：

② 柵極感應噪聲

這是溝道中的起伏噪聲通過溝道與柵極之間的電容Cgs，在柵極上感應面產生的噪聲，此噪聲工作頻率ω及Cgs的平方成正比，與跨導gm成反比。

③ 柵極散粒噪聲

這是柵級內電荷的不規則起伏而引起的。對于結型場效應管，其噪聲電流的均方值與柵級泄漏電流成正比。對于MOS型場效應管，由于泄漏電流很小，僅為微安級，其柵級散粒聲可忽略。

④1/f噪聲（閃爍噪聲）

場效應管1/f噪聲產生的原因與雙極型晶體管大致相同，也是在低頻段影響大，但其1/f的高端頻率（即與白噪聲區交界處的頻率要比雙極型晶體管的高），大致如下：雙極型晶體管：10Hz～1000Hz；結型場效應管：100Hz～1000Hz；MOS型場效應管 ：100kHz～1MHz。

根據數學推導與大量的實驗，可以得到場效應管的噪聲系數Nf的近似公式（室溫下）為

4 中波發射系統衡量噪聲干擾的參量

1）信噪比

信噪比，英文名稱叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一個電子設備或者電子系統中信號與噪聲的比例。這里面的信號指的是來自設備外部需要通過這臺設備進行處理的電子信號，噪聲是指經過該設備后產生的原信號中并不存在的無規則的額外信號（或信息），并且該種信號并不隨原信號的變化而變化。

信噪比的計量單位是dB，其計算方法是10LOG(PS/PN)，其中Ps和Pn分別代表信號和噪聲的有效功率，也可以換算成電壓幅值的比率關系：20LOG(VS/VN)，Vs和Vn分別代表信號和噪聲電壓的“有效值”。在音頻放大器中，我們希望的是該放大器除了放大信號外，不應該添加任何其它額外的東西。因此，信噪比應該越高越好。

那么能用網絡輸出端信噪比這個參量來衡量該網絡的噪聲性能嗎？答案是否定的。原因是：一個網絡輸入除了信號之外總是有噪聲存在的，例如信號源內阻Rs產生熱噪聲等，也就是說，網絡的輸入端也存在一個信噪比，輸入的信號、噪聲要經過網絡的放大、處理才能傳輸到輸出端。在這傳輸過程中，網絡本身又要產生噪聲，疊加到原輸入的信事情與噪聲之上，因此網絡或系統輸出端所得的信號、噪聲既和輸入有關，也和網絡或系統的噪聲及功率增益有關，所以單用網絡輸出端的信號噪聲比是無法衡量某一網絡的噪聲性能的。

2）噪聲系數

噪聲系數的基本定義:

式中，Psi，Pso為網絡輸入端、輸出端信號功率。Pni為網絡輸入端的噪聲功率，由標準信號源內阻Rs的熱噪聲提供，Rs的溫度一般規定為290K，稱為標準噪聲溫度。Pno為網絡噪聲功率，包括輸入端Rs的熱噪聲及網絡的內部噪聲。

噪聲系數的概念僅僅適用于線性電路，因此，可用功率增益來描述。通常人們所說的接收機的噪聲系數是指非線性電路之前，即檢波之前，包括高頻放大器、變頻器和中頻放大器在內的線性電路部分的噪聲系數。

3）噪聲溫度

描述噪聲的另一個物理量是噪聲溫度，它是這樣定義的，根據公式Np=K*T*B當帶寬B為單位帶寬時（B=1Hz）Np=K*T。從式可看出這時的噪聲功率可以用等效噪聲溫度Te來進行描述，它的具體含義是：把一個相當的電阻加熱，使其熱噪聲輸出與該器件在所用頻率上的噪聲輸出相等時，用此時的絕對溫度表示的溫度。也就是說設備的內部噪聲Na可以看成是內阻r在溫度為Te時所產生的噪聲。可以認為噪聲溫度是噪聲功率的另一種表示形式，如衛星天線的高頻頭就習慣用噪聲溫度來標注的。

5 抑制噪聲干擾的措施

為了確保機器設備能在這些復雜的噪聲干擾中能夠正常工作，一方面要保證系統的干擾達到最低符合國家相關標準；另一方面要提高系統設備的抗噪性能。在解決噪聲干擾的方法中，筆者總結了以下幾個方面：

1）電磁磁屏

對于空間輻射的噪聲干擾，我們可以選擇金屬質地的機柜來承載我們的系統，并且將金屬機柜有效接地，就可以抵擋很多空間輻射。此外，對信號線、電源線也采取特殊的屏蔽處理，可以有效消除電子輻射干擾。對于那些漏磁比較嚴重的器材，我們可以將其放到距離其它器材較遠的地方，或者加一個鐵制機柜包起來，也可以大大消除磁場輻射。同時對機房的地面，門窗、天花板做好屏蔽措施，使用一些新式的屏蔽材料。

2）接地

中波發射機房內所有設備的金屬處殼都應接地，金屬走線架、水管等金屬物也必須接地。臺站內金屬物良好的接地不但是用電安全的要求，也是屏蔽干擾、均衡設備電位的重要措施。接地有單點接地、多點接地和混合接地3種方式。從抗干擾的角度講，低頻通信設備宜用單點接地，高頻通信宜用多點接地，高、低頻混合通信設備宜采用混合接地，像發射機就屬高低頻混合接地。但目前部頒標準統一規定各種通信臺站都用單點接地方式，接地線的要求是粗、短、直，還要兼顧到泄放設備短路電流和泄放雷電流的能力。設備短路電流由電源電壓和接地阻抗決定，部頒標準推薦使用35～95mm2的多股銅線。而泄放雷電流只需大于16mm2的銅線即可。

3）控制溫度

適宜的工作溫度是保證發射機可靠運行的必要條件，中波發射機房都是全固態的發射機工作在0℃～40℃之間，相對濕度小于85%。發射機內部功率器件的散熱，采用強迫風冷系統，發射機功率放大器工作在高頻大功率狀態，一般采用功效應管作為功率放大器件，功放管工作壽命大致遵循工作溫度每升高7℃～10℃，失效率加倍的規律，通常要求將管芯的工作溫度控制在110℃以下，因此，風冷系統可靠工作是發射機安全運行的保障。為了保證機房的適宜溫度，可要在機房安裝空調，在冬季，將少量熱空氣重新送回機房內以避免機房溫度過低，晚上關機后，空調處于制熱狀態，避免早晨開機時機房溫度太低，造成功放管的沖擊電流太大，損壞功放管。在平常巡機過程中，要密切注意機房內的溫度和濕度。

4）電路改進

通過一些電路的局部的改進能夠有效的改善噪聲引入的干擾，如加大對濾波器的應用和改進，濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構成，它允許有用信號的電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減，對于從供電線路中竄入的干擾信號，采用交流凈化電源是個非常有效的方法，這種電源分為有源和無源兩種形式，前者兼具交流穩壓作用，除了可以通過電路加上濾波器濾除干擾外，還可以穩定供電電壓，保證機器的正常工作狀態。后者僅僅起到濾除干擾的作用，有些加入了一此凈化電源的設備，通常是以電源插座的形式出現，如果供電電壓比較穩定，這樣的電源凈化器也有不錯的效果。某些交流凈化電源除了穩壓濾波作用外，還有功率因數補償、波形校正的功能。同時注意部件的牢靠連接，用高質量的接插件，保證信號線接頭部位接觸良好。

5 結論

筆者通過多年在中波發射臺的工作總結出對于抑制噪聲干擾的一些心得，通過以上措施可以有效抑制噪聲干擾對于中波發射機房系統的影響，解決噪聲干擾是一項長期的系統工作，來自系統內的干擾遠遠大于來自系統外的干擾，這提示我們，不僅要進行深入的理論分析，重視技術管理，還要對所用機器設備，土建施工方面多下工夫，要針對每個環節、多方面采取措施，還要集思廣益，聽取多方面意見，借鑒好的經驗。

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