0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種電子設(shè)備正朝著數(shù)字化、集成化的方向發(fā)展，為電子裝備的管理和維護(hù)帶來了極大的便利。但與此同時(shí)，由于設(shè)備的增多以及電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)外的各類電磁干擾對電子設(shè)備和系統(tǒng)的影響就不容忽視，從而對電子設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性提出了更高的要求。廣播發(fā)射臺(tái)的數(shù)字音頻系統(tǒng)處于強(qiáng)電磁環(huán)境中，容易受到各種不同類型的干擾。在各類干擾中，地線干擾對數(shù)字音頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響最大。本文結(jié)合數(shù)字音頻系統(tǒng)的實(shí)際維護(hù)情況，探討了地線干擾對系統(tǒng)的影響，并提出了抑制措施，以期最大限度地減少地線干擾的影響，提高數(shù)字音頻系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

1 地線回路中的電磁干擾

1.1 地線干擾

地線干擾是一種較為常見的電磁干擾現(xiàn)象。在實(shí)際條件下，由于電子設(shè)備的不同接地點(diǎn)之間存在不同程度的接地阻抗，因此，當(dāng)有電流流過地線時(shí)，地線上必然會(huì)產(chǎn)生壓降，這個(gè)電壓對電子設(shè)備或電路來說就是干擾電壓。

此外，在高頻條件下，受分布參數(shù)的影響，地線與其他線路之間會(huì)形成更多的回路，例如：地線與地線之間的回路，以及地線與信號(hào)線之間的回路等。由于地回路具有一定的環(huán)路面積，受干擾源所產(chǎn)生的磁力線的影響，地線環(huán)路中將會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)[1]。

地線造成的干擾一般通過輻射、傳導(dǎo)等耦合方式對被干擾電路產(chǎn)生干擾，地線干擾的簡圖如圖1所示。

圖中回路1與回路2之間由于存在公共接地阻抗Zi，所以Zi上的電壓降為：

Ui=U1+U2=Zi×（I1+I2） （1）

對于回路1而言，U2為干擾電壓；對于回路2而言，U1為干擾電壓[2]。

圖1 地線干擾簡圖

1.2 地線干擾的影響分析

由于公共接地阻抗、傳輸導(dǎo)線或金屬機(jī)殼天線效應(yīng)等因素的影響，電路在工作時(shí)，地回路中會(huì)形成干擾電流和電壓，該干擾電壓將通過各種地線回路感應(yīng)到被干擾電路的輸入端，從而形成地回路干擾，如圖2所示。

如圖2 a所示，電路1與電路2通過電纜連接。由于電路的不平衡性，每條導(dǎo)線上的電流即I1和I2會(huì)不同，地回路電流在電路2的輸入端口產(chǎn)生干擾電壓[3]。通過圖2 b的差分放大器等效電路可得到放大器輸入端的地回路干擾電壓為：

式 （2）中：R1、R2——信號(hào)源內(nèi)阻與傳輸線阻抗之和；

Z1、Z2——兩條傳輸線對接地點(diǎn)的漏阻抗。

對于理想平衡電路，有R1=R2，Z1=Z2，此時(shí)，Un=0。因此平衡電路能夠有效地抑制共模干擾。

圖2 地回路干擾及等效電路

2 地線干擾的形式

電子設(shè)備一般通過具有一定面積的等電位接地體與接地坑連接。由于各種原因，接地體上總會(huì)有一定的電流流過。而設(shè)備外殼、機(jī)架與接地體之間通常采用螺栓固定等方式連接，這樣接地點(diǎn)之間就不可避免地存在一定程度的接地阻抗。所以，兩個(gè)接地點(diǎn)之間就產(chǎn)生了接地電壓差?？梢姡拥仉娏鞯拇嬖谑钱a(chǎn)生地線干擾的根源。地線干擾一般有以下幾種形式。

2.1 導(dǎo)電耦合形成的干擾

如圖3所示，由于地域、距離等因素的影響，許多情況下一套系統(tǒng)中的各個(gè)電路和設(shè)備都只能采取兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地的方式，將各級(jí)電路通過等電位接地體就近與接地坑連接，這樣兩個(gè)設(shè)備之間就形成了接地回路。在設(shè)備工作時(shí)，當(dāng)有接地電流流過公共接地阻抗時(shí)，就形成了干擾電壓。導(dǎo)電耦合形成的地線干擾一般在距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)設(shè)備中較為常見。

圖3 導(dǎo)電耦合干擾

2.2 電容耦合形成的干擾

如圖4所示，由于元件或系統(tǒng)設(shè)備與接地面之間存在分布電容，在設(shè)備工作時(shí)元件或系統(tǒng)設(shè)備與接地面之間就會(huì)通過分布電容形成接地回路，電路中的電流通過分布電容部分泄漏到接地回路中[4]，當(dāng)傳輸回路中包含感性元器件時(shí)，當(dāng)感性元件與分布電容組成的網(wǎng)絡(luò)處于諧振狀態(tài)時(shí)，形成的接地電流就將會(huì)很大，從而對電路造成較大的干擾。在高頻條件下，電路的分布參數(shù)不可忽視，電容耦合形成的干擾較為常見。

圖4 電容耦合干擾

2.3 電磁耦合形成的干擾

當(dāng)電路中的線圈靠近電子設(shè)備的殼體時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，殼體相當(dāng)于一個(gè)匝數(shù)為1的二次線圈。此時(shí)，線圈和殼體構(gòu)成一個(gè)變壓器回路，機(jī)殼內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生接地電流。

2.4 金屬導(dǎo)體天線效應(yīng)的干擾

電子設(shè)備的殼體一般采用金屬箱體結(jié)構(gòu)。當(dāng)箱體處于輻射電磁場中時(shí)，由于金屬導(dǎo)體的接收天線效應(yīng)，箱體的平行面上將會(huì)產(chǎn)生電位差，從而使得有接地電流流過箱體。此時(shí)，當(dāng)箱體與電路中的某一回路連接時(shí)，箱體接地電流便會(huì)對回路造成干擾[5]。

3 地線干擾對數(shù)字音頻系統(tǒng)的影響

3.1 數(shù)字音頻同軸傳輸系統(tǒng)的特性

數(shù)字音頻同軸傳輸系統(tǒng)由于具有成本低廉、性價(jià)比高、技術(shù)維護(hù)方便等特點(diǎn)，在短距離信號(hào)傳輸中依然被廣泛地使用。但是，由于同軸電纜具有衰減特性和不平衡傳輸特性，因而同軸電纜傳輸系統(tǒng)抵御電磁干擾的能力相對較差。尤其在大功率廣播電視播出機(jī)構(gòu)中，高頻電磁輻射強(qiáng)度大，電磁環(huán)境復(fù)雜，因而導(dǎo)電耦合、電磁耦合、天線效應(yīng)等因素形成的地線干擾將對傳輸系統(tǒng)造成極大的危害。

3.1.1 信號(hào)傳輸衰減特性

同軸電纜在傳輸信號(hào)的過程中，由于電阻損耗、介質(zhì)損耗和失配損耗，以及溫度特性等特性，電纜上傳輸?shù)男盘?hào)將會(huì)不斷地衰減，從而造成信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后大幅度地減小，有時(shí)可能達(dá)不到正常工作的要求。信號(hào)的衰減程度隨著信號(hào)頻率、環(huán)境溫度和傳輸距離的增加而增大，一般條件下，在不增加中間放大設(shè)備時(shí)，同軸電纜傳輸數(shù)字音頻的有效距離僅為幾百米。如果超過有效距離的范圍，傳輸?shù)男盘?hào)就將大幅度地衰減，一旦遭受外界的干擾，極易導(dǎo)致接收設(shè)備無法對信號(hào)進(jìn)行判別還原，出現(xiàn)傳輸故障。

3.1.2 不平衡傳輸特性

同軸電纜傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為不平衡方式，而電纜的屏蔽層與設(shè)備的外殼連接后通過大地形成回路，又會(huì)進(jìn)一步地增加各個(gè)傳輸回路電流的不平衡性，因此易在接收端產(chǎn)生差模干擾電壓，造成公共地阻抗干擾。

3.2 地線干擾對數(shù)字音頻系統(tǒng)的影響

數(shù)字音頻系統(tǒng)中的地線干擾會(huì)以干擾信號(hào)竄入傳輸線路中，然后疊加在原有的節(jié)目信號(hào)上，此外，信號(hào)在傳輸過程中還會(huì)受到傳輸衰減等因素的影響，因而信號(hào)到達(dá)接收端后，原有數(shù)字信號(hào)的電平狀態(tài)會(huì)被改變，從而導(dǎo)致接收端硬件電路無法正確地識(shí)別或恢復(fù)節(jié)目信號(hào)，造成相當(dāng)于節(jié)目中斷的后果。

3.2.1 數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)地線干擾案例

圖5 數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)簡圖

以某大功率發(fā)射臺(tái)數(shù)字音頻節(jié)目傳輸系統(tǒng)為例，該數(shù)字節(jié)目傳輸系統(tǒng)用同軸電纜傳輸節(jié)目信號(hào)，該數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的簡圖如圖5所示。系統(tǒng)中，節(jié)目傳輸機(jī)房與發(fā)射機(jī)房之間的距離約為400 m。節(jié)目傳輸機(jī)房衛(wèi)星接收設(shè)備接收的音頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字音頻四選一和接口設(shè)備后通過同軸電纜傳輸至發(fā)射機(jī)房音頻處理器，其間在發(fā)射機(jī)房和節(jié)傳機(jī)房的電纜終端中間連有阻抗變換器和信號(hào)避雷器。節(jié)目傳輸機(jī)房輸出的信號(hào)經(jīng)阻抗變換器變?yōu)椴黄胶夥绞剑缓蟊凰偷桨l(fā)射機(jī)房阻抗變換器輸入端，在經(jīng)過音頻處理器前端的阻抗變換器后又轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶夥绞?，即信?hào)的傳輸方式為平衡—不平衡—平衡。發(fā)射機(jī)房、節(jié)傳機(jī)房的相關(guān)設(shè)備均通過接地體就近與大地相連，形成兩點(diǎn)接地方式。

a）故障現(xiàn)象描述

節(jié)傳機(jī)房衛(wèi)星接收設(shè)備、音頻接口設(shè)備均能正常地輸出和監(jiān)聽節(jié)目，但發(fā)射機(jī)房的一部或多部音頻處理器均顯示無法鎖定數(shù)字信號(hào)，在有模擬傳音設(shè)備的情況下，音頻處理器則強(qiáng)行地將原有節(jié)目信號(hào)切換為模擬信號(hào)播出。該故障出現(xiàn)的隨機(jī)性較大，無規(guī)律可言。

b）故障排查

故障發(fā)生后，逐一更換節(jié)傳機(jī)房的音頻四選一、音頻接口箱、阻抗變換器和信號(hào)避雷器，以及發(fā)射機(jī)房音頻處理器等設(shè)備，并啟用備份音頻電纜，但故障依然存在。逐一甩開節(jié)傳機(jī)房數(shù)字音頻四選一、音頻接口箱進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只要不使用數(shù)字音頻接口箱，故障立即消失，故確定故障是由數(shù)字音頻接口箱引起的。進(jìn)一步地檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)字音頻接口箱上的多個(gè)卡儂頭母座接地體與機(jī)殼之間存在幾十至幾百歐姆不等的接觸電阻 （該卡儂頭接地體與機(jī)殼無硬件線路連接，在卡儂頭空置條件下二者之間應(yīng)完全絕緣）。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)部分卡儂頭的固定螺絲緊固后與母座接地體有接觸，如圖6中接觸點(diǎn)A所示。將固定螺絲拆除后，使全部原有設(shè)備恢復(fù)工作，音頻處理器可正常鎖定數(shù)字信號(hào)，故障排除。

圖6 故障點(diǎn)示意簡圖

c）故障分析

如圖7所示，節(jié)傳機(jī)房音頻接口箱與阻抗變換器之間采用卡儂頭連接，因而其間的信號(hào)傳輸方式為平衡傳輸方式。而阻抗變換器之后至發(fā)射機(jī)房的阻抗變換器之間的信號(hào)傳輸方式為不平衡傳輸方式。正常狀態(tài)下，整個(gè)傳輸通路的電纜正常連接時(shí)，B、C、D、E、F點(diǎn)完全相連，但各點(diǎn)與A點(diǎn)（音頻接口箱機(jī)殼）之間無連接關(guān)系。這樣，同軸電纜的屏蔽層未通過大地形成一條完整的回路。故障發(fā)生時(shí)，由于音頻接口箱上的卡儂頭固定螺絲的接觸作用，使得A點(diǎn)與B點(diǎn)之間存在接觸電阻，使傳輸電纜屏蔽層通過地線形成一條完整的回路，且在該條回路上還存在幾十至幾百歐姆不等的阻抗。這就相當(dāng)于將整個(gè)地線回路的阻抗增加了幾十至幾百歐姆。在大功率廣播發(fā)射臺(tái)的強(qiáng)電磁環(huán)境下，地線上由于耦合、天線效應(yīng)等因素的影響，必然會(huì)形成地線電流Ig。在兩點(diǎn)接地且公共地阻抗很大的條件下，便形成了較為嚴(yán)重的地回路干擾。地線回路形成的干擾電壓竄入同軸電纜傳輸線路，對數(shù)字音頻造成干擾。再者，通過400 m的傳輸距離后，數(shù)字音頻信號(hào)存在一定程度的衰減，干擾信號(hào)疊加在數(shù)字音頻信號(hào)中，傳輸至發(fā)射機(jī)房之后，音頻處理器的硬件電路無法對原有數(shù)字信號(hào)進(jìn)行判別還原，導(dǎo)致音頻處理器無法鎖定數(shù)字信號(hào)。而拆除卡儂頭固定螺絲后，相當(dāng)于把屏蔽層通路的A、B點(diǎn)斷開，切斷了地電流回路，地線干擾的影響便得到了有效地抑制。

圖7 數(shù)字音頻系統(tǒng)的地線干擾

這種地線干擾的產(chǎn)生受外界電磁輻射強(qiáng)度、線路布線，以及接地條件等因素的影響，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，故障發(fā)生時(shí)無規(guī)律可循，增加了故障處理的難度。

4 數(shù)字音頻系統(tǒng)中地線干擾的抑制

綜上所述，地線干擾形成的根本原因是地線回路中存在地電流。因此，在實(shí)際工作中要盡量地通過各種措施減小地回路中的電流，盡可能地降低地線干擾的影響。就廣播發(fā)射臺(tái)數(shù)字音頻系統(tǒng)而言，主要可以通過以下措施來減少地回路中的電流。

a）采取合理的接地方式。

在允許的條件下，宜采用單點(diǎn)接地方式。整個(gè)傳輸線路通過同一個(gè)接地體與大地做良好連接，盡量減小設(shè)備或系統(tǒng)間的公共地阻抗。譬如，在條件允許時(shí)，節(jié)傳機(jī)房與發(fā)射機(jī)房的傳輸設(shè)備通過同一個(gè)接地體與大地相連。

b）保證各種系統(tǒng)設(shè)備接地良好。

在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，所有的設(shè)備機(jī)架、設(shè)備殼體以及電纜屏蔽體均應(yīng)與接地體做良好連接，以保證接地電阻最小。在前述故障案例中，曾發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備的殼體并無專用接地連接點(diǎn)，僅通過設(shè)備殼體上的一些安裝螺絲連接到地線上，由于設(shè)備外殼涂層的影響，致使殼體與接地體接觸電阻較大，增加了地線干擾產(chǎn)生的機(jī)率。

c）采用合理的布線方法。

應(yīng)注意將數(shù)字音頻系統(tǒng)傳輸線與電源電纜、高頻電纜等保持合適的距離，盡量地采用垂直交叉的布線方式，以避免傳輸線上通過輻射耦合效應(yīng)或者天線效應(yīng)形成接地電流，引起接地干擾。

d）采用合理的傳輸方式。

根據(jù)地線干擾的理論分析的結(jié)果，采用平衡電路可以有效地抑制地線干擾的影響。目前大量使用的同軸電纜由于其傳輸?shù)牟黄胶庑?，在接地不佳的條件下極易形成地線干擾。此外，在強(qiáng)高頻環(huán)境中，同軸電纜的天線效應(yīng)影響較大。因此，在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，在短距離傳輸時(shí)，可以直接采用平衡傳輸方式傳輸信號(hào)。在距離較遠(yuǎn)，無法直接采用平衡傳輸?shù)那闆r下，宜采用光纖傳輸。

5 結(jié)束語

地線干擾是電子設(shè)備日常運(yùn)行維護(hù)中較為常見的一類干擾，雖然無法徹底地消除，但通過切實(shí)有效的措施，可以減小地線干擾的影響，從而提高電子設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。本文通過對地線干擾及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行闡釋，并結(jié)合廣播發(fā)射臺(tái)數(shù)字音頻系統(tǒng)出現(xiàn)的地線干擾故障實(shí)例，提出了抑制數(shù)字音頻系統(tǒng)的地線干擾的方法和措施，對于改善數(shù)字音頻系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性具有一定的作用。

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高鐵弱爆了——美企研發(fā)比客機(jī)還快的超環(huán)列車

據(jù)報(bào)道，Elon Musk一直是前沿科技領(lǐng)域的開拓者，其開創(chuàng)的太空探索技術(shù)公司目前正在著手研發(fā)可重復(fù)使用的火箭，以期讓火箭發(fā)射變得更加廉價(jià)。現(xiàn)在，Elon?Musk再次進(jìn)行了新的科技探索，他與加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員正在開發(fā)一種全新的軌道交通系統(tǒng)。

這是一種跨世紀(jì)的超級(jí)列車，時(shí)速可達(dá)到1223 km/h，大約為0.34/s。也就是說，該系統(tǒng)在地面運(yùn)行的速度達(dá)到了音速，只要30 min就能從洛杉磯抵達(dá)舊金山，目前有大約100名工程師正在研發(fā)這套系統(tǒng)。

超級(jí)列車實(shí)際上是此前提出的超環(huán)列車，其運(yùn)行的機(jī)制與現(xiàn)有的高鐵不同，處于封閉的管道內(nèi)，這就大大地降低了空氣阻力的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)超速運(yùn)行，而全程處于封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成了類似閉合回路的格局，這就能夠讓人們以最快的速度、最方便的方式在城際之間旅行。Elon Musk希望超環(huán)列車能夠在世界各地的城市推廣，實(shí)現(xiàn)城市間的零距離。按照Elon Musk的想法，超環(huán)列車將在2015年中期完成技術(shù)的可行性分析，并隨后開始研制。

研究小組認(rèn)為，超環(huán)列車能夠讓全美各地主要城市連接起來，這是繼北美航空運(yùn)輸業(yè)主導(dǎo)后再次取得的一項(xiàng)突破，人們可以在超環(huán)列車內(nèi)體驗(yàn)類似迪斯尼游樂園的過山車感覺。但Elon Musk認(rèn)為超環(huán)列車乘坐起來非常舒適，并沒有太大的顛簸。Hyperloop運(yùn)輸技術(shù)公司參與超級(jí)列車的研發(fā)，目前已經(jīng)招募了世界各地的專家一起開展這個(gè)工程的研究工作。

Elon Musk的火箭技術(shù)專家小組能夠?yàn)槌?jí)列車提供技術(shù)上的幫助，美國宇航局和波音、空客等公司都有相關(guān)的工程師參與研發(fā)工作；同時(shí)還有來自加州大學(xué)洛杉磯分校的建筑系學(xué)生，參與超級(jí)列車的軌道架構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。Elon Musk預(yù)計(jì)在2015年中期完成超級(jí)列車的技術(shù)可行性研究。

加州大學(xué)洛杉磯分校的教授Craig Hodgetts認(rèn)為：這個(gè)項(xiàng)目就像是一張空白的紙，我們的學(xué)生能夠在其上實(shí)現(xiàn)他們的想法。Elon Musk設(shè)想的超級(jí)列車是基于氣動(dòng)導(dǎo)軌的技術(shù)，讓列車在封閉軌道內(nèi)達(dá)到最高的運(yùn)行速度，而列車的前進(jìn)動(dòng)力來自于空氣壓縮。列車的穩(wěn)定主要基于懸浮技術(shù)，讓列車懸浮在空氣墊上，加上空氣壓力就能推動(dòng)前進(jìn)。

目前，Elon Musk已經(jīng)開始規(guī)劃超級(jí)列車的路線，可穿過5號(hào)洲際公路和加州的中央谷，建設(shè)周期需要7～10年，造價(jià)估計(jì)為40億英鎊。顯然，這個(gè)報(bào)價(jià)比加州計(jì)劃打造的高速鐵路系統(tǒng)更加廉價(jià)，只要十分之一左右。一個(gè)穿梭艙可搭載6～8人，每30秒就能開一班列車，我們可以在全美主要城市建造超環(huán)列車，連接各大城市。

事實(shí)上超環(huán)列車的運(yùn)行速度達(dá)到了音速，而客機(jī)的速度仍然沒有達(dá)到音速，因此在超音速客機(jī)出現(xiàn)之前，這是最完美的城際旅行方案。從中可以看出，Elon Musk是一個(gè)開創(chuàng)未來的人物，除了獵鷹系列運(yùn)載火箭外，Elon Musk還推出特斯拉電動(dòng)汽車，如果超環(huán)列車研制成功，那么Elon Musk無疑將載入史冊。

（摘自騰訊科技）

2015-04-06

2015-04-07

王耕 （1969-），男，河北唐山人，國家新聞出版廣電總局726臺(tái)教授級(jí)高級(jí)工程師，從事廣播電臺(tái)設(shè)備的技術(shù)維護(hù)管理及研究工作。