浅谈中波发射机房系统的噪声干扰与抑制措施

林晓斌

福建省广播电视传输发射中心泉州401台，福建 泉州 350001

中波发射机房的噪声干扰问题已然存在，人们往往忽视其影响，随着社会经济的发展，各种电子、电气设备不断地增多，各式各样的噪声信号对机房系统的干扰也日趋严重，不同程度地影响了发射系统的传输质量。对此必须予以充分地重视，采取行之有效的措施，消除噪声干扰。本文针对中波发射机房工作环境分析噪声干扰的来源和影响，对噪声干扰的抑制做一探讨。

1 中波发射机房噪声干扰的来源

噪声的来源很复杂，我们可以把它们大致归结为以下3种。

1）外部噪声

这种噪声很广泛也很复杂，对中波发射系统影响大致可以分成以下几种：

空间辐射干扰噪声：任何导体通过交变电流的时候都会引起周围电场强度的变化，这种变化就是电场辐射，同样，像变压器这样的磁体也会引起周围磁场强度的交替变化。我们知道，交变电场和磁场中的闭合导体会产生和电场磁场变化频率相同的交变电流，也叫感应电流。音响设备中所有的元器件、导线、电路板上的铜箔都是电导体，因此，不可避免地会产生感应电流。这种感应电流叠加在信号中就会产生噪声。

线路串扰噪声：外部某些电气设备会产生干扰信号，这些干扰信号通过电源、信号线等线路直接窜入发射机设备中。

传输噪声：这种噪声是信号在传输过程中由于传输介质的问题产生的，比如接插件的接触不良、信号线材质不佳、地电流串扰等等。其中，并且由于接地不良，空间辐射对于信号传输的影响也会加剧。

2）内部噪声

内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如：在电阻一类的导体中自由电子的热运动、真空管中电子的起伏发射和半导体载流子的起伏变化等。电路中几乎所有的元器件在工作时都会产生一定的噪声，晶体管、电阻、电容，这种噪声是连续的，基本上是固定不变的，并且频谱分布很广泛，由于设备中各种电子器件的带电粒子（电子或空穴）不规则地运动，在电路中就产生了不规则的端电压和回路电流，产生噪声信号，如经电子电路的耦合放大或形成正反馈，必导致对正常信号的干扰，甚至淹没了信号电压。

3）人为噪声

人为噪声来源于电路本身的设计失误或者安装工艺上的缺陷，电路设计失误往往会导致电路的轻微自激（一种自由振荡状态），这种自激一般在我们可以听到的声音范围之外，但是在某些特定条件下它们会对声音的中高频产生断续的影响，从而产生噪声。安装工艺失误就稍微复杂一些，比如接插件接触不良，接触表面形成二极管效应或者接触电阻随温度、振动等影响发生变化而导致信号传输特性变化，产生噪声。还有元器件排布上的失误，将高热的元器件排布在对温度敏感的元器件旁边，或者将一些有轻微振动的元器件放在对振动敏感的元器件旁边，或者没有足够的避震措施等等这些，都会产生一定的噪声。这些噪声可以说都是人为造成的，对于经验丰富的电子设计师来说，这些噪声都是可以避免或者大大减轻的。

2 噪声干扰对中波发射机房系统的影响

噪声干扰对中波发射系统的影响主要有以下几点方面：

1）中波发射机房的全固态发射机一般采用模块化设计，结构紧凑，散热空间相对较小，即使机房内温度和湿度都达到了机器的要求，也难以确保机器内部局部空间的环境适宜。相对于整机而言，功放单元温度的降低，对于提高半导体器件的寿命，降低维护费用非常重要。再者，在功放管的周围存在较多的贴面电阻、电容和电感器件，因噪声干扰，引起的温度等一系列变化，以至影响功放单元的技术参数和造成功放模块间的不平衡，引起连锁反应，增大器件损坏的面积。

2）干扰可以引起电路的误动作，甚至可能造成电路击穿损坏，严重时可导致打火、电气短路引起火灾事故。

3）中波发射机的正常工作电源电压范围一般在额定值的±10%左右，超出这个范围发射机将实施保护性关机，在一些电源设备产生的开关接触噪声干扰信号，这些干扰信号通过电源、信号线等线路直接窜入发射机设备中对安全产生很大影响。

4）强烈的噪声干扰对灵敏度很高的元器件会造成实际灵敏度大大地下降，甚至造成击穿，从而无法正常工作。

5）噪声干扰造成传输质量和传输速率大大降低，还可能导致一些信息的泄漏，既浪费了国家资源，又对安全保密造成危害。

3 中波发射机房的噪声干扰分析

起伏噪声是最基本的噪声来源，是普遍存在和不可避免的，其波型随时间作不规律的随机变化，且具有很宽的频谱，主要包括信道内元器件所产生的热噪声、散弹噪声和天电噪声中的宇宙噪声。从它的统计特性看，可认为起伏噪声是一种高斯噪声，且在相当宽的频谱范围内具有平坦的功率谱密度，可称其为白噪声，因此，起伏噪声又可称为高斯白噪声。

对于内部噪声的分析，中波发射机房的噪声的很多干扰来至于内部，笔者主要从以下两个方面来分析：

1）电阻及阻抗的热噪声

电阻的热噪声声是由于电阻内部自由电子无规则热运动产生的，它与外加电势的大小无关，但与电阻值的大小、环境温度的高低、电子电路频带宽度f的宽窄有关。理论和实践都证明电阻R两端产生的热噪声电势为

式中：K为波耳兹曼常数，其值为1.38×l0-23J/K；T为电阻的绝对温度；

△f为电路的频带宽度或等效噪声带宽，单位为Hz；

（1）电阻的噪声等效电路

如图1所示

图1 电阻的噪声等效电路

图（a）是串联形式，的大小由上式决定；图（b）是并联形式的大小为

根据噪声电势的公式，可求出噪声电压的有效值（或简称噪声电压）为

式中，R的单位是kΩ，Δfn的单位是kHz,这是室温下计算噪声电压的一个简单公式。

还需指出，一个实际电阻，除了热噪声之外，还存在闪烁噪声，所以它的总噪声要比按上式算得的值高，有时候高出发几倍。在各类电阻中，炭质电阻的噪声最大，炭膜电阻次之，线绕电阻的噪声最小。

（2）阻抗的热噪声

就产生噪声的原因面言，纯电抗成分是不会产生噪声，因为纯电阻元件没有损耗电阻，它不存在自由电子的不规则热运动。另外，也可以从能量的观点说明：如果有一电阻和电抗连接，由于电抗不消耗能量，所以电阻的热噪声功率不可能传给它，即电阻的热噪声功率无路可输出。假如电抗也产生热噪声，则电阻会从电抗中得到热噪声功率。这样会产生如下结果，即电阻不输出热噪声功率，只接收电抗产生的热噪声功率，它的能量不断增加，温度不断上升；相反，电抗部分不断输出热噪声功率，温度必然下降，这显然是不可能的。因此，纯电抗元件不产生热噪声。

2）晶体管与场效应管的噪声

（1）晶体管的噪声

晶体管的噪声通常比电阻的热噪声大得多，其来源主要有4个方面：

① 热噪声

晶体管中，各电极的引线端与PN结的真正有效区域之间存在着体电阻，如ree',rbb'，其中rbb'较大.影响最显著，其他均可忽略。由rbb'产生的热噪声电势为使晶体管的热噪声小，应选用rbb'小的管子。

② 散弹噪声

散弹噪声出现在电子管和半导体器件中。电子管中的散弹噪声是由阴极表面发射电子的不均匀性引起的。在半导体二极管和三极管中的散弹噪声则是由载流子扩散的不均匀性与电子空穴对产生和复合的随机性引起的。

散弹噪声的性质可用平板型二极管的热阴电子发射来说明。二极管的电流是由阴极发射的电子飞到阳极而形成的。每个电子带有一个负电荷，到达阳极时产生小的电流脉冲，所有电流脉冲之和产生了二极管的平均阳极电流。但是，阴极在单位时间内所发射的电子数并不恒定，它随时间作不规则的随机变化。电子的发射是一个随机过程，因而二极管电流中包含着时变分量。

③ 分配噪声

在晶体三极管中，由发射极注入基区的少数载流子；大部分被集电极吸收，形成集电极电流ic，极小部分在基区内复合，形成基极电流i。，这两部分电流的分配比例，从平均意义上来说是确定的，但载流子复合时，其数量是时多时少，存在随机性，因而，造成集电极电流)某一‘确定值的上下起伏变化而引起噪声，这神噪声称为分配噪声，也是电流噪声，与散粒噪声有相同的性质。分配噪声不是白噪声，而为一有色噪声，它随工作频率增高而加大，增长的速率为6dB/10倍频程。其原因在于随着工作频率提高，少数载流子在基区中停留的时间相对增加（渡越时间），这会增加载流子复合的可能性，使分配噪声增大，所以分配噪声在高频时的影响会更大，使分配噪声显著增加的频率约为

④1/f噪声（闪烁噪声）

这种噪声的特点是在低频段(l0～lkHz)区域，噪声强度显著增加，并且随频率的降低而升高（斜率约为- 3dB/10倍频程）。

一般认为，闪烁噪声是由晶体管表面清洁处理不当或有缺陷而造成的，因此，这种噪声与半导体生产工艺密切相关，一般来说，管子越新，此噪声就越小。

闪烁噪声是一种基本噪声源，不仅存在于晶体三极管，也存在于其他元件，如电阻、场效应管中。晶体管噪声系数与频率关系的典型曲线如图2。（2）场效应管的噪声

图2 晶体管噪声系数与频率关系的典型曲线

场效应管所产生的噪声主要由下述4部分组成：

① 沟道热噪声

这是由导电沟道电阻产生的噪声。因为沟道电阻的大小不是恒定值，而受到栅极电压的控制，此噪声与场效应管的转移跨导gm成正比，其值为：

② 栅极感应噪声

这是沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容Cgs，在栅极上感应面产生的噪声，此噪声工作频率ω及Cgs的平方成正比，与跨导gm成反比。

③ 栅极散粒噪声

这是栅级内电荷的不规则起伏而引起的。对于结型场效应管，其噪声电流的均方值与栅级泄漏电流成正比。对于MOS型场效应管，由于泄漏电流很小，仅为微安级，其栅级散粒声可忽略。

④1/f噪声（闪烁噪声）

场效应管1/f噪声产生的原因与双极型晶体管大致相同，也是在低频段影响大，但其1/f的高端频率（即与白噪声区交界处的频率要比双极型晶体管的高），大致如下：双极型晶体管：10Hz～1000Hz；结型场效应管：100Hz～1000Hz；MOS型场效应管 ：100kHz～1MHz。

根据数学推导与大量的实验，可以得到场效应管的噪声系数Nf的近似公式（室温下）为

4 中波发射系统衡量噪声干扰的参量

1）信噪比

信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。

信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10LOG(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20LOG(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。

那么能用网络输出端信噪比这个参量来衡量该网络的噪声性能吗？答案是否定的。原因是：一个网络输入除了信号之外总是有噪声存在的，例如信号源内阻Rs产生热噪声等，也就是说，网络的输入端也存在一个信噪比，输入的信号、噪声要经过网络的放大、处理才能传输到输出端。在这传输过程中，网络本身又要产生噪声，叠加到原输入的信事情与噪声之上，因此网络或系统输出端所得的信号、噪声既和输入有关，也和网络或系统的噪声及功率增益有关，所以单用网络输出端的信号噪声比是无法衡量某一网络的噪声性能的。

2）噪声系数

噪声系数的基本定义:

式中，Psi，Pso为网络输入端、输出端信号功率。Pni为网络输入端的噪声功率，由标准信号源内阻Rs的热噪声提供，Rs的温度一般规定为290K，称为标准噪声温度。Pno为网络噪声功率，包括输入端Rs的热噪声及网络的内部噪声。

噪声系数的概念仅仅适用于线性电路，因此，可用功率增益来描述。通常人们所说的接收机的噪声系数是指非线性电路之前，即检波之前，包括高频放大器、变频器和中频放大器在内的线性电路部分的噪声系数。

3）噪声温度

描述噪声的另一个物理量是噪声温度，它是这样定义的，根据公式Np=K*T*B当带宽B为单位带宽时（B=1Hz）Np=K*T。从式可看出这时的噪声功率可以用等效噪声温度Te来进行描述，它的具体含义是：把一个相当的电阻加热，使其热噪声输出与该器件在所用频率上的噪声输出相等时，用此时的绝对温度表示的温度。也就是说设备的内部噪声Na可以看成是内阻r在温度为Te时所产生的噪声。可以认为噪声温度是噪声功率的另一种表示形式，如卫星天线的高频头就习惯用噪声温度来标注的。

5 抑制噪声干扰的措施

为了确保机器设备能在这些复杂的噪声干扰中能够正常工作，一方面要保证系统的干扰达到最低符合国家相关标准；另一方面要提高系统设备的抗噪性能。在解决噪声干扰的方法中，笔者总结了以下几个方面：

1）电磁磁屏

对于空间辐射的噪声干扰，我们可以选择金属质地的机柜来承载我们的系统，并且将金属机柜有效接地，就可以抵挡很多空间辐射。此外，对信号线、电源线也采取特殊的屏蔽处理，可以有效消除电子辐射干扰。对于那些漏磁比较严重的器材，我们可以将其放到距离其它器材较远的地方，或者加一个铁制机柜包起来，也可以大大消除磁场辐射。同时对机房的地面，门窗、天花板做好屏蔽措施，使用一些新式的屏蔽材料。

2）接地

中波发射机房内所有设备的金属处壳都应接地，金属走线架、水管等金属物也必须接地。台站内金属物良好的接地不但是用电安全的要求，也是屏蔽干扰、均衡设备电位的重要措施。接地有单点接地、多点接地和混合接地3种方式。从抗干扰的角度讲，低频通信设备宜用单点接地，高频通信宜用多点接地，高、低频混合通信设备宜采用混合接地，像发射机就属高低频混合接地。但目前部颁标准统一规定各种通信台站都用单点接地方式，接地线的要求是粗、短、直，还要兼顾到泄放设备短路电流和泄放雷电流的能力。设备短路电流由电源电压和接地阻抗决定，部颁标准推荐使用35～95mm2的多股铜线。而泄放雷电流只需大于16mm2的铜线即可。

3）控制温度

适宜的工作温度是保证发射机可靠运行的必要条件，中波发射机房都是全固态的发射机工作在0℃～40℃之间，相对湿度小于85%。发射机内部功率器件的散热，采用强迫风冷系统，发射机功率放大器工作在高频大功率状态，一般采用功效应管作为功率放大器件，功放管工作寿命大致遵循工作温度每升高7℃～10℃，失效率加倍的规律，通常要求将管芯的工作温度控制在110℃以下，因此，风冷系统可靠工作是发射机安全运行的保障。为了保证机房的适宜温度，可要在机房安装空调，在冬季，将少量热空气重新送回机房内以避免机房温度过低，晚上关机后，空调处于制热状态，避免早晨开机时机房温度太低，造成功放管的冲击电流太大，损坏功放管。在平常巡机过程中，要密切注意机房内的温度和湿度。

4）电路改进

通过一些电路的局部的改进能够有效的改善噪声引入的干扰，如加大对滤波器的应用和改进，滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减，对于从供电线路中窜入的干扰信号，采用交流净化电源是个非常有效的方法，这种电源分为有源和无源两种形式，前者兼具交流稳压作用，除了可以通过电路加上滤波器滤除干扰外，还可以稳定供电电压，保证机器的正常工作状态。后者仅仅起到滤除干扰的作用，有些加入了一此净化电源的设备，通常是以电源插座的形式出现，如果供电电压比较稳定，这样的电源净化器也有不错的效果。某些交流净化电源除了稳压滤波作用外，还有功率因数补偿、波形校正的功能。同时注意部件的牢靠连接，用高质量的接插件，保证信号线接头部位接触良好。

5 结论

笔者通过多年在中波发射台的工作总结出对于抑制噪声干扰的一些心得，通过以上措施可以有效抑制噪声干扰对于中波发射机房系统的影响，解决噪声干扰是一项长期的系统工作，来自系统内的干扰远远大于来自系统外的干扰，这提示我们，不仅要进行深入的理论分析，重视技术管理，还要对所用机器设备，土建施工方面多下工夫，要针对每个环节、多方面采取措施，还要集思广益，听取多方面意见，借鉴好的经验。

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