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无处不在的射频噪音如何影响我们的生活
发布时间:2018-01-30 14:46  来源:网络  【字体: 】  浏览次数:
  

Roberson 住在伊利诺伊的惠顿学院,每次当他开车接近位于山顶的电子变压器时,车子的调频收音机就会嘟嘟响个不停。当他在芝加哥路过一个高速列车经过的路口时,其正在通话中的手机都会立马断线。有相同遭遇的Matheson 已经开始训练自己习惯这一事实,他每次都要等到播放电视广告时才会使用自己的电动牙刷,因为只要他一打开电动牙刷,卧室中的电视所播放的画面和声音就会受到干扰。

这就是射频噪音污染对于我们生活的干扰,它无处不在。这是一种你看不见、听不到、闻不着也尝不到的污染物。你不能将它召唤出来在闲暇时分好好研究一番,因为它行踪不定,处处都有它的身影。事实上任何一个电子设备都能发出射频噪音,从发电机到汽车引擎,再到你桌上的电脑都无一幸免。那些随处可见的高压霓虹灯和我们屋内的日光灯镇流器一刻不停地在发出高频率的嘟嘟声,你敢说没有听到过?工业机械、电梯、电焊工、继电器、电源开关,甚至是用来调节台灯亮度大小的开关,都加入到了这个射频噪音军团中。(当然了,这种噪音的天然来源也是无处不在,闪电、太阳耀斑都包含其中,但是在本文中我们不会对天然来源进行讨论。)

由射频噪音污染带来的问题可以分为以下四类:首先,它增加了部署无线系统的成本,因为它减少了设备的电池寿命;其次,它在广泛的频率之中带来了多种多样的干扰;同时,现如今还没有针对这一噪音污染的政策干预,因为你受到的干扰越多,就需要在更多的频段中进行转换以将信息发出。因此现实中的无线网络其实并不能达到人们预先设计好的数据传输效率。最后,想要追踪射频污染的源头是非常昂贵的,当你想要去查个究竟的时候,只要电子设备使用者将其停用就难以查出源头。

可想而知,当物联网全面进入生活中时,这种射频噪音污染会更加严重。物联网的普及会使我们身边无数的普通物件都被安装上复杂的射频控制芯片,比如门锁、电灯开关以及所有的电器,连汽车甚至是我们的身体都有可能被装上芯片,这一切都是为了让万物都能连上网。每一个芯片都会变成潜在的射频噪音污染源。虽然有很多技术手段可以用于解决这一问题,但是由于被使用于各种产品中的射频控制芯片数量太过庞大,这也就意味着制造商不会有动力去为他们的产品增加屏蔽噪音的功能,因为这无疑会增加其制造成本。我们常说沉默是金,没错,想要获得一个静谧的环境也是要花钱的。

与射频噪音抗争的拉锯战

是时候让我们公开讨论射频噪音污染这一问题了,关于这一问题的研究在数十年前就已经展开,我们只不过是将这个问题重新带回公众视线中。

不管你是否相信,美国直到上世纪70 年代中期才由电信科学研究所展开了针对射频噪音的系统性研究。而此时,始于商业广播电台的人造电子噪音已经困扰了人们近半个世纪。噪音问题随着电子产品与无线系统使用的增多而不断增长,在这期间很多细节已经随着使用产品的不同而发生了改变。

早在1927 年时就已经出现了可以抑制射频噪音的方法,这种方法能够让人们开车依然正常收听车内收音机。但是直到上世纪30 年代末,全美国也才有20% 的汽车装有内置收音机,这也就意味着有80% 的车主其实并不会想到使用噪音抑制装置。而当电信科学研究所在上世纪60 年代中期至70 年代初期进行广泛的射频噪音评估时,发现绝大部分汽车都没有使用射频噪音抑制装置。这些汽车制造了严重的电子噪音,测量人员甚至可以听到隔了几个街区之外的噪音。

如今每一辆汽车中都装有收音机,但是发出噪音的火花塞问题已经不再是个困扰。这个消音过程仍在持续:在上世纪60 年代,安静的交流电机开始取代了吵个不停的发电机,电子点火器也替代了发出噪音的配电器。与此同时,电子开关取代了闹哄哄的继电器。如今越来越常见的电动汽车将会带来比普通汽车更多的电子噪音干扰,但是它们已经做到了充分抑制噪音以保证手机与车内收音机的工作。同样的改进还出现在办公场所与家居生活中,早期的灯光调节器通常都会发出电子噪音,而今天的同类产品则安静得多。个人电脑也针对静音问题进行了重新设计,在计算机内部与外部的无线数据连接过程中降低了电子噪音。

虽然人们已经为此做出了许多努力,但是射频噪音问题还是日益严重。尽管大多数的电子设备带来的射频噪音污染相比它们的前辈已经有所削减,但是要知道,我们如今日常生活中使用的电子产品也比过去多得多。而另一个使射频噪音污染问题更加严重的原因在于电网已经迅速扩展,风电场与家用太阳能发电也接入其中。当这些设备生成电力并将其传输回流进电网的时候,它们需要大量的60 赫兹功率乃至更高速率的直流电开关。如果在过程中操作不当,它们也将为电网带去大量的射频噪音。那些没有专家维护设备的且使用风电系统和太阳能发电的普通家庭,将因此面临被放大了的射频噪音污染风险。

让事情变得更糟的是如今的电子产品对于射频噪音更加敏感了。很多新的无线系统,包括智能手机所使用的无线网络在内,都被设计成尽可能使用较低功率来保证基本功能的运行。这就意味着只需要一点点的射频噪音干扰就足以减少智能手机无线网络信号的覆盖范围。

有一些日常电子设备的固有功能中就包含了不必要的能量传输,比如说微波炉,它用于烹饪食物的射频能量中同样包含了大量的射频噪音。当微波炉的射频屏蔽装置不完善时,就会使得这种射频能量泄露并且影响到其他电子设备的运作。射频噪音还有可能来源于设备的缺陷,比如说一个在高压电力传输系统绝缘罩上出现的小小缺口。这一类疏忽会出现在意想不到的时间与地点,制造出频率难以被预测的噪音。

射频噪音污染问题到底有多严重?

城市之中的射频噪音比郊区要高得多,这是因为城市中汇集了数量繁多且种类各异的电子设备,城市当中的个人电脑、收音机、家用电器以及工业电子设备都要被乡村地区更为密集。

为了勾勒出一个具有代表性的射频噪音地图,我们选择了一个典型的美国城市郊区作为采集地。我们为噪音监测车配备了顶部天线、GPS 接收器以及一个外形小巧的订制的频谱测量仪器。我们开着这辆全副武装的车子穿过北弗吉尼亚,这条路线经过了许多高压与低压输电线路,大约覆盖了10 平方公里地区。

我们将频谱接收器设置到10 频段,范围从100 到1500 兆赫,这个范围应该可以覆盖大部分未知的信号。为了能够检测到供电开关的噪音水平,我们关注100 千赫左右的噪音振幅变化,而为了能检测到输电线路的射频噪音,我们还关注60 赫兹到120 赫兹的噪音振幅变化。

我们沿着一条高压输电线路开了很长一段时间,却并没有检测到很多射频噪音,不过我们发现了会随机出现一些热点。这表明此处的射频噪音的来源并不是系统性因素,在高压输电线路中并不存在设计缺陷。但是这些被检测到的随机出现的射频噪音热点有可能是松动的螺母,或者是线路绝缘材料破裂造成的。如果电力公司能够定期维修线路,这些射频噪音将不会成为问题,但是在现实中电力公司往往要等到有人开始投诉才进行电路整修。

在我们的这次测量实验中,最有可能产生射频噪音的户外高压线路其频率比500 MHz 高出了10%。在离这条高压线路100 米远处,其被检测出的噪音水平达到了令人吃惊的程度,在某些情况下这种噪音可以达到60 分贝,这已经超出了在正常的环境下能够存在的热噪声水平。

我们这个简单的实验能够让你对于城郊环境中的射频噪音分布具有基本的认识。让我们感到吃惊的是,自从30 多年前电信科学研究所展开针对射频噪音的调查之后,此后再没有人使用可靠的测量手段对于射频噪音进行完整的、具有统计意义的调查。随着时间、地点、频段以 及操作环境的变化,射频噪音的水平也会发生明显的改变。比如说我们通常认为高于100 MHz 的频段中就不应该有射频噪音存在,但是在这次我们条件有限的测量中也已经发现了该频段中存在大量的射频噪音。

最大的问题在于没有意识到问题的存在

真正令人担忧的是,没有人知道近年来户外射频噪音水平到底是增加了还是减少了。针对室内环境也是如此,如今在室内存在着如此多的无线设备,但是却没有人系统地进行过测量。事实上,建筑物内的射频噪音已经成为了一个大麻烦。在一个普通的中产阶级家庭当中如今已经摆满了能够制造射频噪音的各种电子设备,还记得本文开头提到的电动牙刷吗?这些能够发出噪音的电子产品还包括了笔记本电脑电源、电动工具、LED 灯控制器以及所有存在设计缺陷的电子设备。

射频噪音确确实实会对于你的手机信号接收产生干扰,但是你要如何发现它呢?这就是问题所在,你可能根本不知道自己的手机信号接收不良是因为射频噪音的存在。

新式的无线电信号发射器以及它们的故作玄虚的数字调制方案在发生故障时不会为你留下准确的线索。老式的系统则透明的多——“听上去似乎是汽车引擎干扰了我的信号”。自动纠错方案和重传方案可以完全将那些对于用户信号的干扰隐藏起来。你唯一能够发现蛛丝马迹的地方就是手机性能越来越差,或者是手机电池的续航时间比以前差得多。即使我们能收集到大批用户对此的批评抱怨(况且现在还没有),可能对于解决问题也无济于事。

想要解决开始解决这个问题,我们就需要大范围的收集统计射频噪音相关数据。我们需要确定射频噪音在何时何地出现以及处于那一频段之中,并且在每一次监测中都追踪到它的来源。我们需要取得在不同的电子环境、人类活动、建筑规范、天气以及地形条件下的测量样本。

一 个人在他的新家厨房天花板装上了LED 灯,并且配上了调光器开关。他镇上的几个邻居却开始发现自家车库门开关变得不太灵光了。在几周后,这个人终于发现了原来是自己的厨房灯具影响了邻居车库大门的运作。他尝试了各种方法去修正这个问题都失败了,不得已只好将调光开关换成了普通的开关,噪音干扰果然消失了。这是一个真实的故事。没有人对此地的射频噪音做任何测量,当地的联邦通信委员会办公室也不想要知道这一情况。那么这到底能怪谁呢?是错误地使用了调光开关还是安装环节发生了错误?如果调光开关本身就是罪魁祸首,那么全美国有数以百万计的调光开关,它们会造成何种干扰,没人知道。

建立噪音数据库成为解决问题关键

如果我们能够建立起相关的噪音数据库,在理论上是可以让当局修改如今的监管标准的,甚至可以进一步利用这些数据去影响未来几十年的相关标准。其中最难的部分 就是在成本与效益之间设立一个保持平衡的标准。然而现在我们面临的状况是几乎所有的相关数据都缺失,我们只能在自己收集到的非常有限的数据基础上采取行动,因此也难以去证明射频噪音问题是不是一个广泛存在的问题。

监管部门需要改变分配电磁波频谱的方式,如今的监管者只担心其中一种非常确定的干扰源即广播电台,但是他们却忽视了射频噪音的存在。相对于那些已知的干扰源来说,射频噪音造成的干扰会严重得多。

即使你从来没有因为使用电动牙刷而干扰到自家电视的信号,你的手机通话也没有因为接近变压器而被打断,你仍然承担了射频噪音污染带来的成本。因为你所依赖的无线网络系统不得不在设计上持续改进以处理不断加剧的噪音。在电子设备越来越普及且使用的频段越来越集中时,射频噪音问题只会越来越严重。消除射频噪音没有什么一劳永逸的方法,因为这个问题不仅仅出在设计与维修中,它还有一定的随机性,因此我们难以排除造成射频噪音的其他影响因素。

无论如何,现在因为缺失射频噪音基础数据以至于难以衡量该问题的严重性,这种状况是不能被接受的。在我们采取行动之前,首先需要数据的支持去理解射频噪音在无线通信中扮演的角色。如果放任射频噪音问题不去解决,之后想要解决问题付出的代价会越来越大。

[网络编辑:李翔]