信道噪聲對(duì)中波廣播發(fā)射的影響

■內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心正鑲白851臺(tái)：班偉偉

隨著廣播技術(shù)的進(jìn)步，音頻廣播已經(jīng)成為了社會(huì)播報(bào)主流，目前世界上最先進(jìn)、最穩(wěn)定的音頻傳輸方式是數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)，數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)在我國(guó)的普及程度也較高。由于音頻信號(hào)具有高密度、高靈敏度、非線性特點(diǎn)和傳輸時(shí)受環(huán)境條件影響較大等特點(diǎn)，因此近年來(lái)在其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展的基礎(chǔ)上中波廣播發(fā)射信道噪聲故障也愈來(lái)愈多。然而，目前中波信號(hào)傳輸方式主要是采用模擬傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在模擬技術(shù)中由于其本身特性及環(huán)境影響會(huì)導(dǎo)致中波傳輸產(chǎn)生噪聲，噪聲類型主要為空氣傳播方式和波束型路徑傳播方式產(chǎn)生的輻射噪聲。在數(shù)字廣播技術(shù)中常常采用基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就更容易受到氣候等因素影響產(chǎn)生噪聲。目前我國(guó)中波廣播信號(hào)通道已發(fā)展到多路復(fù)用技術(shù)，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)中波數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)對(duì)多路音頻信號(hào)噪聲的控制。

1. 不同傳輸介質(zhì)中信號(hào)信道噪聲的分析

國(guó)際上中波廣播系統(tǒng)通常使用的300～3000千赫(波長(zhǎng)100～1000米)，而在我國(guó)各地區(qū)整個(gè)中波廣播系統(tǒng)處于525～1605千赫之間。如果想要將一個(gè)2MHz的信號(hào)通過(guò)中波廣播信道傳輸?shù)?00MHz帶寬的天線上，則需要采用2GHz或3GHz帶寬進(jìn)行傳輸。中波廣播系統(tǒng)的發(fā)射部分使用兩個(gè)頻段信號(hào)，一個(gè)是從廣播電臺(tái)發(fā)射到地面接收臺(tái)（天線）的C頻段信號(hào)，另一個(gè)是從地面接收臺(tái)（天線）發(fā)出的信號(hào)，兩個(gè)系統(tǒng)互不干擾。在使用Snois中波廣播系統(tǒng)時(shí)，可以將發(fā)射部分和接收部分看成是由一組編碼處理電路組成，其主要是為了對(duì)兩個(gè)頻段上不同頻率的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在使用Snoise中波廣播系統(tǒng)之前和之后，可以通過(guò)編碼器將兩個(gè)不同頻率上相同頻率、相同幅度的信號(hào)分別編碼成低、高電平并保存下來(lái)用于以后發(fā)送使用。對(duì)信號(hào)信道噪聲的分析可分為兩種：第一種是信號(hào)通道噪聲，即在發(fā)射和接收過(guò)程中產(chǎn)生的通道噪聲。例如信號(hào)源發(fā)射功率為2W，接收機(jī)發(fā)射功率為1W，倘若信號(hào)源和接收機(jī)之間的距離為2m，那么信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生通道噪聲會(huì)使信號(hào)源和接收機(jī)之間的距離變短，同時(shí)將會(huì)引起兩臺(tái)接收機(jī)之間的信號(hào)串?dāng)_。當(dāng)傳輸距離增加時(shí)，通道噪聲也相應(yīng)增大。例如，由于空氣和土壤受到強(qiáng)烈振動(dòng)而產(chǎn)生大量的氣流，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)天線時(shí)會(huì)形成一個(gè)由氣流形成的“渦旋”而使“渦旋”周圍形成一個(gè)強(qiáng)干擾區(qū)域。又比如，射天線和接收天線附近存在著大量磁場(chǎng)，當(dāng)發(fā)射天線與接收天線之間有磁場(chǎng)影響時(shí)會(huì)在地面附近形成一個(gè)強(qiáng)耦合區(qū)域使得發(fā)射區(qū)與接收區(qū)之間出現(xiàn)明顯的耦合通道而產(chǎn)生通道噪聲。

2. 關(guān)于廣播信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)射

由于廣播信號(hào)是從發(fā)射端到接收端的傳輸過(guò)程，因此必須保證廣播信號(hào)的發(fā)射質(zhì)量。通常情況下，廣播發(fā)射機(jī)可以將廣播節(jié)目通過(guò)多個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射到不同頻段的地面上，每個(gè)頻率稱為一個(gè)發(fā)射頻帶，并在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)對(duì)各頻帶進(jìn)行調(diào)制。在一定時(shí)間間隔內(nèi)（一般為20ms），由不同的發(fā)射機(jī)發(fā)射到各頻帶上。在這些頻率范圍內(nèi)所接收的信號(hào)質(zhì)量是由各個(gè)頻段的調(diào)制特性所決定（調(diào)制器采用不同的信號(hào)調(diào)制方法），因此在這些頻率上接收到的信號(hào)質(zhì)量隨時(shí)間而變化。一個(gè)接收系統(tǒng)可以通過(guò)若干個(gè)發(fā)射器來(lái)實(shí)現(xiàn)廣播節(jié)目傳輸。在實(shí)際情況中，為提高地面接收的效果和改善信道質(zhì)量，常常將接收系統(tǒng)置于較高頻段，以增大地面反射和吸收率（如用微波等）來(lái)提高接收質(zhì)量。為了降低地面?zhèn)鞑ブ写髿馑p和散射所造成的噪聲效應(yīng)以及提高接收機(jī)與天線之間匹配性能所采用的技術(shù)措施有：采用寬帶調(diào)諧器來(lái)提高對(duì)微波信道頻率適應(yīng)性；增加天線靈敏度（特別是對(duì)于多波束天線而言）；降低天線增益以降低噪聲效應(yīng)。

3. 影響通道噪聲影響因素分析

中波廣播發(fā)射運(yùn)營(yíng)過(guò)程中廣播信號(hào)通道噪聲的常見(jiàn)影響因素較多，在實(shí)際工作過(guò)程中合理地規(guī)避這些影響因素即可達(dá)到規(guī)避噪音、噪聲消除等運(yùn)營(yíng)目的。首先，影響通道噪聲的因素主要是：①發(fā)射功率大小和發(fā)射角距離，這兩個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致通道噪聲故障發(fā)生；②頻率帶寬（即頻率分界處頻譜的能量密度）；③信號(hào)通道的信噪比數(shù)值大小，這個(gè)參數(shù)一般情況下是隨波長(zhǎng)增大而減小的，倘若通道信噪比越小那么在信號(hào)傳輸時(shí)所受到的干擾越小，因此也就可以認(rèn)為噪聲越小，比值較大則噪聲較大；④信噪比越大說(shuō)明接收靈敏度就越高，信號(hào)能量較大則容易被干擾所破壞；⑤中波廣播的頻率一般不會(huì)超過(guò)525～1605KHz，工作時(shí)超出該頻率則較易發(fā)生噪聲；⑥在頻率相同、帶寬相同等條件下不同信道中信號(hào)通道噪聲大小變化比較：通道噪聲在不同距離上具有一定的變化規(guī)律，同一點(diǎn)通道內(nèi)噪聲頻率分布基本均勻，倘若不有效控制則無(wú)法規(guī)避噪聲；⑦由于不同波長(zhǎng)中波廣播信號(hào)所采用的調(diào)制方式有所不同，故而在接收時(shí)所受到的干擾也會(huì)不一樣，這就容易產(chǎn)生噪聲；⑧當(dāng)同一信道上不同頻率廣播信號(hào)傳輸時(shí)其通道噪聲大小可能會(huì)存在差異。

3.1 中波廣播無(wú)線傳播方式導(dǎo)致的噪聲干擾

我國(guó)目前的廣播由于其頻率范圍較窄，而且傳播路徑較長(zhǎng)，對(duì)中波廣播的接收機(jī)靈敏度要求較高，在進(jìn)行廣播傳輸時(shí)一般采用中波或短波的方式進(jìn)行傳輸。中波廣播信號(hào)頻率范圍寬、衰減小，在接收設(shè)備上有很好的接收效果。但其頻帶有限，對(duì)發(fā)射及收端設(shè)備要求過(guò)高。從目前的技術(shù)條件來(lái)看，我國(guó)使用中波、短波或中波與短波混響廣播的接收機(jī)性能比較好，靈敏度較高；從技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，我國(guó)使用中波或短波混響廣播接收機(jī)在信噪比方面還有待進(jìn)一步提高和改進(jìn)。從接收效果上分析，目前我國(guó)使用中波與短波混響時(shí)間較短的信號(hào)接收設(shè)備主要采用數(shù)字接收技術(shù)進(jìn)行通信。通過(guò)數(shù)字信號(hào)接收機(jī)抑或者其他傳播方式在中波廣播運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲也不盡相同，但數(shù)字信號(hào)接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲更容易被消除，運(yùn)營(yíng)安全隱患較低。

3.2 信道信號(hào)延遲造成的噪聲干擾

在中波廣播運(yùn)營(yíng)工作過(guò)程中，除噪聲源之外，還有一個(gè)重要的干擾來(lái)源就是信道信號(hào)延遲。如果廣播電臺(tái)與接收機(jī)之間的傳輸介質(zhì)在頻帶內(nèi)延遲時(shí)間很短的話，那么信號(hào)就會(huì)受到通道噪聲的影響。這種現(xiàn)象被稱為“通道噪聲”。信道延時(shí)持續(xù)時(shí)間很短并不影響接收信號(hào)，但信道延遲故障延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，這部分噪聲被稱為“噪聲干擾”即所謂的信道噪聲。當(dāng)信道延時(shí)不長(zhǎng)于信道容量的一半時(shí)（小于50ms），干擾的影響會(huì)顯著增大。也就是說(shuō)倘若中波信道沒(méi)有明顯降低延遲時(shí)間的話，那么對(duì)數(shù)字接收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是沒(méi)有任何好處的。對(duì)信號(hào)通道信號(hào)延遲造成的噪聲而言，除了調(diào)整放大器增益和增加放大器帶寬以外，還可以采取下述措施來(lái)優(yōu)化。①對(duì)頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行仿真，分析頻譜特性，根據(jù)頻域特性，調(diào)整濾波器的輸出增益值與濾波器內(nèi)阻值之比，使濾波器波形在頻率上處于共振狀態(tài)。②對(duì)于有較大諧波噪聲的信號(hào)通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還需要在放大器的輸入端加入濾波電路，通過(guò)濾波可以抑制諧波噪聲。③對(duì)信號(hào)通道和放大器的負(fù)載進(jìn)行測(cè)試與調(diào)整。④針對(duì)某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通道噪聲超標(biāo)情況，可以對(duì)頻率范圍進(jìn)行擴(kuò)展，或采用多個(gè)信號(hào)通道同時(shí)發(fā)射的方式來(lái)消除干擾噪聲。根據(jù)上述要求，中波廣播接收機(jī)要盡量采用窄帶或不增加接收頻段，并且保證頻帶足夠?qū)挕⑤d波頻率間隔足夠大。在進(jìn)行信道測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)信道條件和接收機(jī)靈敏度來(lái)確定所使用的信號(hào)通道。當(dāng)信道內(nèi)信息較多時(shí)，應(yīng)盡量采用較窄頻帶，以保證信號(hào)通道帶寬足夠大以滿足性能指標(biāo)要求。在設(shè)計(jì)中除了要考慮不同頻率上載波頻率間隔和載波頻率外，還要考慮所使用的不同信號(hào)傳輸媒介的接收靈敏度、噪聲特性及頻譜特性等指標(biāo)要求。例如，調(diào)試工作人員可以通過(guò)增加載波頻率間隔，即降低信道的時(shí)延來(lái)提高接收靈敏度。這樣做可以減少誤碼率，但與此同時(shí)也會(huì)降低信道的頻譜特性。在信道上加載頻率間隔后，就會(huì)出現(xiàn)“載波頻偏”現(xiàn)象，即有一部分載波被淹沒(méi)在另一部分載波信號(hào)中。如果將有噪聲的載波信號(hào)再加載到信道上進(jìn)行傳輸時(shí)，廣播噪聲故障自然而然地就發(fā)生了。但這種情況只存在于兩個(gè)載波之間，并不發(fā)生在兩個(gè)頻點(diǎn)之間，倘若兩個(gè)頻點(diǎn)之間有一個(gè)高頻跳變信號(hào)（即帶通特性）的頻率間隔為2π/d，那么就不會(huì)出現(xiàn)“載波頻偏”現(xiàn)象；如果將兩個(gè)頻點(diǎn)上的載波頻率間隔均增加1/2π，就能使一個(gè)頻道上出現(xiàn)的帶通濾波器“截止”后形成另一個(gè)帶通濾波器“截止、打開(kāi)”現(xiàn)象。這種做法不但可以減小噪聲及延遲對(duì)信道傳輸質(zhì)量和性能的影響，還能提高中波信號(hào)信噪比及頻譜帶寬。

中波廣播節(jié)目中經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象是：隨著節(jié)目播出的進(jìn)行，信號(hào)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，特別是隨著信號(hào)強(qiáng)度的增大和時(shí)間（一般超過(guò)1秒）持續(xù)進(jìn)行增加。這個(gè)現(xiàn)象就反映了中波廣播在節(jié)目播出過(guò)程中信道傳輸容易產(chǎn)生噪聲。另外由于信道傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種復(fù)雜的非線性變化，故而在接收信號(hào)波形上很難判斷是否接收到了錯(cuò)誤消息。當(dāng)聽(tīng)眾聽(tīng)到一些節(jié)目時(shí)出現(xiàn)過(guò)這樣或那樣的問(wèn)題時(shí)應(yīng)及時(shí)找出問(wèn)題的根源并加以解決。否則廣播電臺(tái)就不能保證節(jié)目播出質(zhì)量，更無(wú)法保證聽(tīng)眾收聽(tīng)時(shí)感受到的信號(hào)通道噪聲影響。建議廣大廣播工作者們?cè)诠ぷ鲿r(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注信道傳輸過(guò)程中信號(hào)變化和干擾源問(wèn)題，盡量消除因傳輸延遲時(shí)產(chǎn)生和傳播而引起的中波接收信號(hào)通道噪聲影響。

3.3 信道容量限制造成的噪聲干擾

中波廣播系統(tǒng)在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)信道容量限制問(wèn)題，如果信道容量的限制太大，在信道實(shí)際傳輸中，將會(huì)造成信道阻塞和噪聲等問(wèn)題。采用多載波接收機(jī)和多用戶接收機(jī)的接收方法能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。中波廣播的信號(hào)通道是有一定頻率特性的，不同頻段對(duì)應(yīng)的載頻又有差異，在接收過(guò)程中不采取相應(yīng)的措施而只對(duì)載波進(jìn)行采樣或進(jìn)行相位恢復(fù)或選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)妮d頻，則廣播接收效果會(huì)大打折扣。若想徹底解決因信道容量限制產(chǎn)生的中波廣播信號(hào)通道噪聲這一難題是非常困難的，而且排障成本很高，屬于現(xiàn)如今中波廣播信道噪聲產(chǎn)生中維修成本最高的故障因素。

4. 優(yōu)化中波廣播信道發(fā)射噪聲的對(duì)策

迄今為止，針對(duì)影響廣播中波信號(hào)通道噪聲產(chǎn)生的主要原因，廣播工作人員有以下幾種對(duì)策：①采取降噪措施以消除噪聲；②調(diào)整傳輸設(shè)備，降低傳輸距離；③減少或消除調(diào)制頻率和調(diào)制方式（包括增加有效的載波長(zhǎng)度、合理的載波相位及載波頻率等），使信道中產(chǎn)生的干擾達(dá)到最小化；④對(duì)廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行改造，采用變頻技術(shù)提高發(fā)射機(jī)的發(fā)射效率或降低其噪聲水平；⑤減少或消除調(diào)制方法（包括用濾波器等）所引起的中波信號(hào)通道內(nèi)噪聲；⑥采用低噪聲放大器和濾波器包括各種濾波器、變壓器和電容器等元件等；⑦采用適當(dāng)?shù)男诺捞幚砑夹g(shù)，抑制中波通道間干擾；⑧采用合理的選擇載頻方案應(yīng)用于接收端。例如：在接收端適當(dāng)?shù)卣{(diào)整功率比、優(yōu)化信道傳輸穩(wěn)定性、采用先進(jìn)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行中波傳輸、利用中波功率放大技術(shù)以減少中波通道噪聲等措施加以優(yōu)化和解決這些問(wèn)題，從而提高廣播質(zhì)量和效率。

在接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，信號(hào)通道的噪聲主要來(lái)自接收機(jī)電路、數(shù)字調(diào)制電路和接收信道的干擾。為了降低中波廣播信號(hào)通道噪聲，廣播調(diào)試工作人員必須采取以下措施：首先，在數(shù)字調(diào)制環(huán)節(jié)應(yīng)盡可能采用較小的占空比，以降低信道噪聲；其次。在信號(hào)處理環(huán)節(jié)則盡可能采用小規(guī)模并行算法和流水線技術(shù)，這樣可以有效地減少計(jì)算資源。再次，要盡量避免多個(gè)接收前端一起工作；第四，應(yīng)盡量使用具有濾波功能的中波器、數(shù)字調(diào)制器或信道均衡器件；第五，應(yīng)盡量選擇頻率帶寬較寬的信道以減少頻帶上的噪聲；第六，應(yīng)該設(shè)計(jì)有反饋校正電路來(lái)消除信道噪聲。

5. 結(jié)束語(yǔ)

中波廣播信號(hào)通道噪聲是影響聽(tīng)眾廣播信息接收靈敏度的重要因素之一。信號(hào)通道噪聲的產(chǎn)生，既有可能是由于傳輸信道噪聲的影響，也有可能是由于接收系統(tǒng)控制問(wèn)題。由于各種接收機(jī)和信道所產(chǎn)生的通道噪聲具有一定的頻率特性，因此當(dāng)我們分析中波接收機(jī)通道噪聲產(chǎn)生原因時(shí)，不能僅從頻帶或頻率特性方面進(jìn)行分析，要多加考慮信道信號(hào)延遲等其他影響因素。將中波廣播運(yùn)營(yíng)技術(shù)施加于數(shù)字信號(hào)通道中產(chǎn)生的噪聲，也會(huì)對(duì)聽(tīng)眾廣播信息接收造成困擾。一方面是數(shù)字信號(hào)通道噪聲的頻帶內(nèi)存在著干擾源；另一方面是數(shù)字信號(hào)通道噪聲主要存在于傳輸信道內(nèi)?，F(xiàn)當(dāng)下伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和多媒體化等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，中波廣播在傳播速度、容量以及用戶接受范圍等方面也在不斷優(yōu)化、進(jìn)步。面對(duì)中波廣播運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的噪聲故障切不可輕視，長(zhǎng)久不處理就會(huì)造成聽(tīng)眾流失，給廣播單位帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，解決中波廣播信道噪聲對(duì)中波廣播長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)和信道測(cè)試性能優(yōu)化有著十分重要、迫切的實(shí)用意義。