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随着科学技术的不断进步，各种电子设备正朝着数字化、集成化的方向发展，为电子装备的管理和维护带来了极大的便利。但与此同时，由于设备的增多以及电磁环境的日趋复杂，系统内外的各类电磁干扰对电子设备和系统的影响就不容忽视，从而对电子设备和系统的电磁兼容性提出了更高的要求。广播发射台的数字音频系统处于强电磁环境中，容易受到各种不同类型的干扰。在各类干扰中，地线干扰对数字音频系统的稳定性的影响最大。本文结合数字音频系统的实际维护情况，探讨了地线干扰对系统的影响，并提出了抑制措施，以期最大限度地减少地线干扰的影响，提高数字音频系统的运行稳定性和可靠性。

1 地线回路中的电磁干扰

1.1 地线干扰

地线干扰是一种较为常见的电磁干扰现象。在实际条件下，由于电子设备的不同接地点之间存在不同程度的接地阻抗，因此，当有电流流过地线时，地线上必然会产生压降，这个电压对电子设备或电路来说就是干扰电压。

此外，在高频条件下，受分布参数的影响，地线与其他线路之间会形成更多的回路，例如：地线与地线之间的回路，以及地线与信号线之间的回路等。由于地回路具有一定的环路面积，受干扰源所产生的磁力线的影响，地线环路中将会产生干扰信号[1]。

地线造成的干扰一般通过辐射、传导等耦合方式对被干扰电路产生干扰，地线干扰的简图如图1所示。

图中回路1与回路2之间由于存在公共接地阻抗Zi，所以Zi上的电压降为：

Ui=U1+U2=Zi×（I1+I2） （1）

对于回路1而言，U2为干扰电压；对于回路2而言，U1为干扰电压[2]。

图1 地线干扰简图

1.2 地线干扰的影响分析

由于公共接地阻抗、传输导线或金属机壳天线效应等因素的影响，电路在工作时，地回路中会形成干扰电流和电压，该干扰电压将通过各种地线回路感应到被干扰电路的输入端，从而形成地回路干扰，如图2所示。

如图2 a所示，电路1与电路2通过电缆连接。由于电路的不平衡性，每条导线上的电流即I1和I2会不同，地回路电流在电路2的输入端口产生干扰电压[3]。通过图2 b的差分放大器等效电路可得到放大器输入端的地回路干扰电压为：

式 （2）中：R1、R2——信号源内阻与传输线阻抗之和；

Z1、Z2——两条传输线对接地点的漏阻抗。

对于理想平衡电路，有R1=R2，Z1=Z2，此时，Un=0。因此平衡电路能够有效地抑制共模干扰。

图2 地回路干扰及等效电路

2 地线干扰的形式

电子设备一般通过具有一定面积的等电位接地体与接地坑连接。由于各种原因，接地体上总会有一定的电流流过。而设备外壳、机架与接地体之间通常采用螺栓固定等方式连接，这样接地点之间就不可避免地存在一定程度的接地阻抗。所以，两个接地点之间就产生了接地电压差。可见，接地电流的存在是产生地线干扰的根源。地线干扰一般有以下几种形式。

2.1 导电耦合形成的干扰

如图3所示，由于地域、距离等因素的影响，许多情况下一套系统中的各个电路和设备都只能采取两点或多点接地的方式，将各级电路通过等电位接地体就近与接地坑连接，这样两个设备之间就形成了接地回路。在设备工作时，当有接地电流流过公共接地阻抗时，就形成了干扰电压。导电耦合形成的地线干扰一般在距离较远的系统设备中较为常见。

图3 导电耦合干扰

2.2 电容耦合形成的干扰

如图4所示，由于元件或系统设备与接地面之间存在分布电容，在设备工作时元件或系统设备与接地面之间就会通过分布电容形成接地回路，电路中的电流通过分布电容部分泄漏到接地回路中[4]，当传输回路中包含感性元器件时，当感性元件与分布电容组成的网络处于谐振状态时，形成的接地电流就将会很大，从而对电路造成较大的干扰。在高频条件下，电路的分布参数不可忽视，电容耦合形成的干扰较为常见。

图4 电容耦合干扰

2.3 电磁耦合形成的干扰

当电路中的线圈靠近电子设备的壳体时，由于电磁感应的作用，壳体相当于一个匝数为1的二次线圈。此时，线圈和壳体构成一个变压器回路，机壳内将会产生接地电流。

2.4 金属导体天线效应的干扰

电子设备的壳体一般采用金属箱体结构。当箱体处于辐射电磁场中时，由于金属导体的接收天线效应，箱体的平行面上将会产生电位差，从而使得有接地电流流过箱体。此时，当箱体与电路中的某一回路连接时，箱体接地电流便会对回路造成干扰[5]。

3 地线干扰对数字音频系统的影响

3.1 数字音频同轴传输系统的特性

数字音频同轴传输系统由于具有成本低廉、性价比高、技术维护方便等特点，在短距离信号传输中依然被广泛地使用。但是，由于同轴电缆具有衰减特性和不平衡传输特性，因而同轴电缆传输系统抵御电磁干扰的能力相对较差。尤其在大功率广播电视播出机构中，高频电磁辐射强度大，电磁环境复杂，因而导电耦合、电磁耦合、天线效应等因素形成的地线干扰将对传输系统造成极大的危害。

3.1.1 信号传输衰减特性

同轴电缆在传输信号的过程中，由于电阻损耗、介质损耗和失配损耗，以及温度特性等特性，电缆上传输的信号将会不断地衰减，从而造成信号到达终点后大幅度地减小，有时可能达不到正常工作的要求。信号的衰减程度随着信号频率、环境温度和传输距离的增加而增大，一般条件下，在不增加中间放大设备时，同轴电缆传输数字音频的有效距离仅为几百米。如果超过有效距离的范围，传输的信号就将大幅度地衰减，一旦遭受外界的干扰，极易导致接收设备无法对信号进行判别还原，出现传输故障。

3.1.2 不平衡传输特性

同轴电缆传输信号时会将信号转换为不平衡方式，而电缆的屏蔽层与设备的外壳连接后通过大地形成回路，又会进一步地增加各个传输回路电流的不平衡性，因此易在接收端产生差模干扰电压，造成公共地阻抗干扰。

3.2 地线干扰对数字音频系统的影响

数字音频系统中的地线干扰会以干扰信号窜入传输线路中，然后叠加在原有的节目信号上，此外，信号在传输过程中还会受到传输衰减等因素的影响，因而信号到达接收端后，原有数字信号的电平状态会被改变，从而导致接收端硬件电路无法正确地识别或恢复节目信号，造成相当于节目中断的后果。

3.2.1 数字音频传输系统地线干扰案例

图5 数字音频传输系统简图

以某大功率发射台数字音频节目传输系统为例，该数字节目传输系统用同轴电缆传输节目信号，该数字音频传输系统的简图如图5所示。系统中，节目传输机房与发射机房之间的距离约为400 m。节目传输机房卫星接收设备接收的音频信号经数字音频四选一和接口设备后通过同轴电缆传输至发射机房音频处理器，其间在发射机房和节传机房的电缆终端中间连有阻抗变换器和信号避雷器。节目传输机房输出的信号经阻抗变换器变为不平衡方式，然后被送到发射机房阻抗变换器输入端，在经过音频处理器前端的阻抗变换器后又转变为平衡方式，即信号的传输方式为平衡—不平衡—平衡。发射机房、节传机房的相关设备均通过接地体就近与大地相连，形成两点接地方式。

a）故障现象描述

节传机房卫星接收设备、音频接口设备均能正常地输出和监听节目，但发射机房的一部或多部音频处理器均显示无法锁定数字信号，在有模拟传音设备的情况下，音频处理器则强行地将原有节目信号切换为模拟信号播出。该故障出现的随机性较大，无规律可言。

b）故障排查

故障发生后，逐一更换节传机房的音频四选一、音频接口箱、阻抗变换器和信号避雷器，以及发射机房音频处理器等设备，并启用备份音频电缆，但故障依然存在。逐一甩开节传机房数字音频四选一、音频接口箱进行试验，发现只要不使用数字音频接口箱，故障立即消失，故确定故障是由数字音频接口箱引起的。进一步地检查，发现数字音频接口箱上的多个卡侬头母座接地体与机壳之间存在几十至几百欧姆不等的接触电阻 （该卡侬头接地体与机壳无硬件线路连接，在卡侬头空置条件下二者之间应完全绝缘）。经检查后发现部分卡侬头的固定螺丝紧固后与母座接地体有接触，如图6中接触点A所示。将固定螺丝拆除后，使全部原有设备恢复工作，音频处理器可正常锁定数字信号，故障排除。

图6 故障点示意简图

c）故障分析

如图7所示，节传机房音频接口箱与阻抗变换器之间采用卡侬头连接，因而其间的信号传输方式为平衡传输方式。而阻抗变换器之后至发射机房的阻抗变换器之间的信号传输方式为不平衡传输方式。正常状态下，整个传输通路的电缆正常连接时，B、C、D、E、F点完全相连，但各点与A点（音频接口箱机壳）之间无连接关系。这样，同轴电缆的屏蔽层未通过大地形成一条完整的回路。故障发生时，由于音频接口箱上的卡侬头固定螺丝的接触作用，使得A点与B点之间存在接触电阻，使传输电缆屏蔽层通过地线形成一条完整的回路，且在该条回路上还存在几十至几百欧姆不等的阻抗。这就相当于将整个地线回路的阻抗增加了几十至几百欧姆。在大功率广播发射台的强电磁环境下，地线上由于耦合、天线效应等因素的影响，必然会形成地线电流Ig。在两点接地且公共地阻抗很大的条件下，便形成了较为严重的地回路干扰。地线回路形成的干扰电压窜入同轴电缆传输线路，对数字音频造成干扰。再者，通过400 m的传输距离后，数字音频信号存在一定程度的衰减，干扰信号叠加在数字音频信号中，传输至发射机房之后，音频处理器的硬件电路无法对原有数字信号进行判别还原，导致音频处理器无法锁定数字信号。而拆除卡侬头固定螺丝后，相当于把屏蔽层通路的A、B点断开，切断了地电流回路，地线干扰的影响便得到了有效地抑制。

图7 数字音频系统的地线干扰

这种地线干扰的产生受外界电磁辐射强度、线路布线，以及接地条件等因素的影响，具有较强的随机性，故障发生时无规律可循，增加了故障处理的难度。

4 数字音频系统中地线干扰的抑制

综上所述，地线干扰形成的根本原因是地线回路中存在地电流。因此，在实际工作中要尽量地通过各种措施减小地回路中的电流，尽可能地降低地线干扰的影响。就广播发射台数字音频系统而言，主要可以通过以下措施来减少地回路中的电流。

a）采取合理的接地方式。

在允许的条件下，宜采用单点接地方式。整个传输线路通过同一个接地体与大地做良好连接，尽量减小设备或系统间的公共地阻抗。譬如，在条件允许时，节传机房与发射机房的传输设备通过同一个接地体与大地相连。

b）保证各种系统设备接地良好。

在数字音频系统中，所有的设备机架、设备壳体以及电缆屏蔽体均应与接地体做良好连接，以保证接地电阻最小。在前述故障案例中，曾发现部分设备的壳体并无专用接地连接点，仅通过设备壳体上的一些安装螺丝连接到地线上，由于设备外壳涂层的影响，致使壳体与接地体接触电阻较大，增加了地线干扰产生的机率。

c）采用合理的布线方法。

应注意将数字音频系统传输线与电源电缆、高频电缆等保持合适的距离，尽量地采用垂直交叉的布线方式，以避免传输线上通过辐射耦合效应或者天线效应形成接地电流，引起接地干扰。

d）采用合理的传输方式。

根据地线干扰的理论分析的结果，采用平衡电路可以有效地抑制地线干扰的影响。目前大量使用的同轴电缆由于其传输的不平衡性，在接地不佳的条件下极易形成地线干扰。此外，在强高频环境中，同轴电缆的天线效应影响较大。因此，在数字音频系统中，在短距离传输时，可以直接采用平衡传输方式传输信号。在距离较远，无法直接采用平衡传输的情况下，宜采用光纤传输。

5 结束语

地线干扰是电子设备日常运行维护中较为常见的一类干扰，虽然无法彻底地消除，但通过切实有效的措施，可以减小地线干扰的影响，从而提高电子设备的运行稳定性和可靠性。本文通过对地线干扰及其产生的原因进行阐释，并结合广播发射台数字音频系统出现的地线干扰故障实例，提出了抑制数字音频系统的地线干扰的方法和措施，对于改善数字音频系统信号传输的稳定性和可靠性具有一定的作用。

参考文献：

[1]何为，杨帆，姚德贵，等.电磁兼容原理和应用 [M].北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2008.

[2]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术 [M].北京：人民邮电出版社，2004.

[3]林福昌，李化.电磁兼容原理及应用 [M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]高攸纲.屏蔽与接地 [M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[5]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计 [M].北京：电子工业出版社，2003.

高铁弱爆了——美企研发比客机还快的超环列车

据报道，Elon Musk一直是前沿科技领域的开拓者，其开创的太空探索技术公司目前正在着手研发可重复使用的火箭，以期让火箭发射变得更加廉价。现在，Elon?Musk再次进行了新的科技探索，他与加州大学洛杉矶分校的研究人员正在开发一种全新的轨道交通系统。

这是一种跨世纪的超级列车，时速可达到1223 km/h，大约为0.34/s。也就是说，该系统在地面运行的速度达到了音速，只要30 min就能从洛杉矶抵达旧金山，目前有大约100名工程师正在研发这套系统。

超级列车实际上是此前提出的超环列车，其运行的机制与现有的高铁不同，处于封闭的管道内，这就大大地降低了空气阻力的影响，能够实现超速运行，而全程处于封闭的环形结构内，形成了类似闭合回路的格局，这就能够让人们以最快的速度、最方便的方式在城际之间旅行。Elon Musk希望超环列车能够在世界各地的城市推广，实现城市间的零距离。按照Elon Musk的想法，超环列车将在2015年中期完成技术的可行性分析，并随后开始研制。

研究小组认为，超环列车能够让全美各地主要城市连接起来，这是继北美航空运输业主导后再次取得的一项突破，人们可以在超环列车内体验类似迪斯尼游乐园的过山车感觉。但Elon Musk认为超环列车乘坐起来非常舒适，并没有太大的颠簸。Hyperloop运输技术公司参与超级列车的研发，目前已经招募了世界各地的专家一起开展这个工程的研究工作。

Elon Musk的火箭技术专家小组能够为超级列车提供技术上的帮助，美国宇航局和波音、空客等公司都有相关的工程师参与研发工作；同时还有来自加州大学洛杉矶分校的建筑系学生，参与超级列车的轨道架构的设计工作。Elon Musk预计在2015年中期完成超级列车的技术可行性研究。

加州大学洛杉矶分校的教授Craig Hodgetts认为：这个项目就像是一张空白的纸，我们的学生能够在其上实现他们的想法。Elon Musk设想的超级列车是基于气动导轨的技术，让列车在封闭轨道内达到最高的运行速度，而列车的前进动力来自于空气压缩。列车的稳定主要基于悬浮技术，让列车悬浮在空气垫上，加上空气压力就能推动前进。

目前，Elon Musk已经开始规划超级列车的路线，可穿过5号洲际公路和加州的中央谷，建设周期需要7～10年，造价估计为40亿英镑。显然，这个报价比加州计划打造的高速铁路系统更加廉价，只要十分之一左右。一个穿梭舱可搭载6～8人，每30秒就能开一班列车，我们可以在全美主要城市建造超环列车，连接各大城市。

事实上超环列车的运行速度达到了音速，而客机的速度仍然没有达到音速，因此在超音速客机出现之前，这是最完美的城际旅行方案。从中可以看出，Elon Musk是一个开创未来的人物，除了猎鹰系列运载火箭外，Elon Musk还推出特斯拉电动汽车，如果超环列车研制成功，那么Elon Musk无疑将载入史册。

（摘自腾讯科技）

2015-04-06

2015-04-07

王耕 （1969-），男，河北唐山人，国家新闻出版广电总局726台教授级高级工程师，从事广播电台设备的技术维护管理及研究工作。