计算机产生的射频、电磁干扰的解决

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计算机产生的射频、电磁干扰的解决 1、 简述 　　当计算机与无线电广播设备共同工作时，无论它是用于控制还是解码，一个最烦人的问题是这些计算机产生的射频干扰。这些射频干扰不仅会占据一些没有使用的频段，还会在有用的频段中淹没所有的弱信号，干扰你所要接收的信号或使信号失真。在处理数字信号甚至是连续波时，这通常是不可接受的。因此，最近经常听到的问题是怎样才能减小或消除射频干扰。 　　　让人感到失望的回答是：在大多数场合，没有办法完全消除计算机产生的射频干扰。 　　　但也不要灰心：有一些具体的措施可以帮助你减小射频干扰，使其降低到可以接受的水平，在有些场合，甚至可以全部消除。 　　本文是许多技术人员和我自己在工作中处理这类问题时遇到的一些现象及其建议的汇编。大家经常读到的有关射频干扰的文章可能都会涉及到解决发射机产生射频干扰的问题，但本文从接收机的角度进行讨论。 　　我想很多人已经尝试过通过增加接收机和天线与射频干扰源（在本案例中，指计算机和监视器）之间的距离来改善信号的质量，但这通常受到各种限制而无法获得所需要的距离。还有一个办法是试着改变计算机、监视器、接收机和天线的方向，看看情况是否变好一些。若所有这些都试过，还有别的办法吗？这就是本文主要讨论的问题。 2、 射频干扰源 　　在我们真正开始处理这个问题前，了解计算机产生射频干扰的原因及如何对接收机造成干扰的原理很有必要。计算机的两个主要部件是CPU和监视器（方便起见）。计算机运行在由内部晶振决定的特定时钟频率上。通常，时钟频率值大约是4.77 MHz、8 MHz、12 MHz、16 MHz、20 MHz、25 MHz、33 MHz、40 MHz、50 MHz、66 MHz和80MHz（高速时钟永远是计算机制造业追求的目标，现在已有GHz频率的计算机出现）。但计算机中并不是只有一个时钟，显示卡和其它电路卡也有自己的时钟，因此计算机内会包含有几个晶振。正如你所看到的，这些时钟的震荡频率均分布在HF和L-VHF频段内，这将干扰我们想要接收的信号。更糟的是，这些时钟频率经常在计算机内部分成许多其他频率时钟。因为计算机是一个数字系统，这些信号的特征波形是方波，而方波含有大量的谐波。因为像素数据的速率相当高，处于高频区域，所以显显示卡也易产生射频干扰。所有这些原因解释了为什么计算机及监视器是产生射频的高手。 　　当计算机采用没有屏蔽作用的廉价塑料机箱时，这个问题更加突出。许多人认为，监视器是主要的射频干扰源之一，这是没错的。但我也发现，别看微机的键盘很不起眼，却也产生相当强的射频干扰。这是因为其电路板上有一个微处理器，该处理器的时钟频率在3MHz范围以内。由于键盘电路板上走线的布置就象一个良好的环路辐射天线，因此这个问题变得更为复杂，在数次谐波范围内均可发生干扰。监视器线路板上的时钟通常为14.316MHz，因此你在这个频率会发现较强的辐射。 　　我们要做的第一件事就是决定CPU和监视器所产生的射频干扰有多大。可能CPU根本不辐射而监视器才是辐射源，或相反。这可以通过关掉监视器，而仅让CPU处于工作状态，观察射频干扰对无线电广播设备造成的影响来确认。 以下是一些建议： 　(1) 快速扫描整个频段，弄清射频干扰在什么频率处最强。这是很必要的，因为要是我们能在这些频率减小射频干扰，通常其它频率的射频干扰也会降低。 　(2) 从主机上依次断开鼠标、串口电缆、打印机电缆、键盘、视频电缆、显示器电源线等，将接收机用电池供电（如果可能），观察射频干扰是否减小。 　(3) 然后再依次连接上键盘、鼠标、串口电缆、并口电缆、显示电缆、显示器电源线（但先不要打开显示器），在连接的同时，注意射频干扰的变化。作完这些后，你对哪部分是主要的射频干扰源就有了一些认识。如果在以上的过程中，射频干扰一点也没增加，你真是太幸运了。 　(4) 打开显示器，同时注意射频干扰的增加，运行文字和图形两种模式的应用程序，看射频干扰是否有变化。 　(5) 重新把无线电广播设备连接到电源上，注意观察射频干扰的增加。 　(6) 断开与接收机连接的所有天线（包括内部和外部天线），观察射频干扰是否消失。注意有一些接收机，当你拔掉外部天线时，内部天线自动起作用。为了防止这个现象，可在天线插座上插入一个虚假的插头。 　　至此，你应该相当清楚哪些部件在产生射频干扰。要对射频干扰源精确定位，可按下面的建议来做： 　　“当通过以上的方法你不能确定干扰源时，需要检查来自监视器和计算机机壳的辐射。把同轴电缆的屏蔽层向下剥出几厘米，露出芯线，将芯线绕几圈，作成一个直径大约2—5厘米的小环，然后将芯线与你剥离的屏蔽层焊起来。把这个小环与你的接收机天线输入端连起来，用它来探测计算机系统。屏蔽不好的计算机可用指形簧片、金属编织丝网、或其他导电材料非常容易地进行修补。对显示器进行屏蔽则困难得多，并且可能引起安全问题（高压）或过热。” 　　若觉得以上方法太麻烦，你可拿一个由电池供电的中短波收音机（其内部有磁棒天线）在计算机周围移动，并转动收音机。通常当收音机中的噪声最强时，它所处的位置就是主要的射频干扰源的位置。当然，收音机应调谐到已经可以听到射频干扰的频率上。在可疑设备附近按上述方法微调收音机，你可以知道射频干扰是何种性质的，它主要集中在什么频率范围内。 下面我们将讨论射频干扰路径的问题。 3、 射频干扰路径 　　射频干扰可经过许多路径串入接收机。可以通过电源、电源“接地”点、直接无线电发射，甚至还会通过设计不合理或使用不当的屏蔽体。有许多方法可以处理这些情况。在上述第6条中，若你的收音机在没有天线时仍受射频干扰的影响，那么说明收音机的屏蔽措施是很差的。在上述第5条中，若你把无线电广播设备再次连接到电源或适配器上时，射频干扰也随着增加，则说明射频干扰是通过电源线串进来的。若你的收音机通过串口或其他一些接口直接或间接连到计算机，这也可能是一条射频干扰的路径。当你做完上述第3条的实验时，你就可以明确这是否是一个问题。如果射频干扰随你再次连接外部天线而显著增大，那么，射频干扰可能来自直接发射或由天线耦合进来。 　　记住，在许多情况下，射频干扰由不止一条路径串入，因此，检查所有可能的路径是非常重要的。另一方面，若某一条路径主要的问题来源，那么你可以考虑仅仅对这条路径进行处理。其他一些基本的措施是让电缆和连线尽可能短。这可防止这些连线成为辐射射频干扰的因素。如果可能的话，将无线电接收机连到不同的电源线路上，只是应注意接地，防止形成危险电压（电势）。 4、 消除射频干扰 　　你也许知道，射频干扰不只是单方面的问题，而是多个问题的组合。可以分为三类： 　　　　* 屏蔽问题 　　　　* 滤波问题 　　　　* 设计问题 　　这个分类不是绝对的，但很方便。在许多场合，屏蔽质量差是首先考虑的因素。因此，我们将首先处理这个问题。下面我们正式进行这方面问题的探究。 5、 屏蔽问题 　　当我们谈论屏蔽时，有四件事情需要考虑，接收机本身，监视器，CPU和天线/馈线组合。在有些设计中，劣质的屏蔽体既可以是设计中的固有的问题，也可以是由于连接器不清洁或元件的老化造成。仔细检查设备以确信所有连接点都是完好的，尤其要注意天线屏蔽、无线电设备的电源、CPU屏蔽盒和电缆。确保导线没有老化且所有连接部分都是导电良好的，表面没有氧化物。氧化物不仅会使导电性能大打折扣，有时还会造成信号的整流，这会诱发其他问题。 　　如果问题是设计方面的，比如出现第二节中的第6条所述的现象，这说明无线电设备的屏蔽很差，或者是显示器、CPU的屏蔽效果差，那么我们需要给其提供足够的屏蔽。这通常可采用锡/铝导电胶带或进行导电涂覆等方法来完成。基本的思路是必须在设备的机壳上形成一层对射频干扰有衰减作用的屏蔽层。做这项工作时必须非常仔细，因为屏蔽材料是导电的，有时可能意外地发生短路，损坏你的无线电设备或你正竭力保护的一切东西。导电涂覆是最易使用的，但价格也很贵。我认为：金属箔带可能提供更好的屏蔽效能，但它较难使用。 　　导电涂覆或导电漆虽然导电性较差，但可以更均匀地覆盖，并且可以应用到一些但很难触及到的部位。你需要做的事情是小心移去无线电设备或显示器的机壳，注意电缆及电气连接部分。记住，打开的机箱将会使设备得不到厂家保修。进行涂覆之前，要对机箱内部进行打扫，保证机箱里面清洁、干燥。为了获得较好的屏蔽效果，可进行多次涂覆。经过屏蔽处理的机箱内部一些地方会与地接触。记住，在监视器里，机壳并不总是接到地的，因此应首先检查这一点。 　　欲使屏蔽有效，必须使屏蔽体尽可能地保持完整性，但是千万不要涂覆到开关上或任何可以引起短路的部分。同时也要防止堵塞通风孔。关于这一点，你能对屏蔽的原理感到大惑不解。在大多数彩色显示器中，显示器里面的金属罩起着屏蔽的作用。 　　一定要涂覆层干燥后才能进行安装。注意屏蔽体要良好接地，并避免蹭掉涂覆层。要是发生电弧放电，可在这些部分包上一些绝缘胶带。现在有很多种的导电漆，虽然大多数的屏蔽作用都可以，但要注意环境适应性和附着力等指标。如果你找不到一种合适的导电漆或金属箔，使用导电胶带也可以。记住，导电的屏蔽体千万不能与元件接触。注意，当摆弄显示器时，随时都有电击的危险。除非你非常熟悉显示器，否则千万别一个人操作。 　　下面是有人关于屏蔽的一点建议： 　　要是显示器本身就是发射源，那么你可在其外壳内部使用导电涂覆以减小杂乱信号。GC电子公司制造了一台这样的设备，性能良好。为了美观起见，一般在机壳内表面进行喷涂。在装配显示器外壳时，注意高压部分应与导电机壳有足够的间距。如果间距很小的话，可在适当的地方胶上绝缘纸以防止电弧产生。如果是彩色显示器，其射线管里的罩网就能提供的一定的屏蔽效能，但若是单色显示器，则需在射线管前面加一层细铜网屏蔽体。如果再对铜网进行发黑处理，则它还兼有防反射的作用。 　　如果电缆发生辐射，首先你要确认所用的电缆是已屏蔽的电缆，然后在电缆上安装卡装式的铁氧体磁环。最好在所有的外部电缆上都装上这种磁环。 　　如果电脑本身是一个发射源，可把机箱不同部分搭接处的漆刮掉，以使机箱的不同部分能正确地搭接，再增加一些螺钉，使接缝上至少每5厘米有一颗。这就构成了一个良好的法拉第屏蔽罩。屏蔽罩上的所有开口应用铜网盖住。软驱开口最难处理，因为需经常使用。最佳解决方法是从机箱里面对其进行屏蔽，并容忍在软驱使用时产生的杂乱信号。 　　进行导电涂覆时，应确保所涂覆的表面是均匀的，可以重复涂几次以获得更好的屏蔽效能。别在一处浪费太多的导电漆，但也别留下太薄的地方。对键盘外壳也可采用此方法处理，但其效果往往不会令人满意，因为在产生干扰的电路（按键线路板）旁边设置完整的法拉第屏蔽罩极困难的。尽管这样，大部分键盘产生的干扰是不容忽视的。 　　电缆屏蔽也非常重要。不仅要确保视频电缆屏蔽良好，对串、并口电缆也应如此。当然，天线馈线也要很好地屏蔽。至于天线馈线，不要使用电视系统上的75同轴电缆线，因为这通常不能提供足够的屏蔽。可使用RG-58-C/U或其他一些型号的高屏蔽效能的电缆，比如RG-8等。屏蔽良好的天线馈线可以显著消除射频干扰。有人告诉我，设备都应通过较粗的导线或编织带接到一个良好的接地板上，要是可能的话，可以试一下。在电缆端接的地方，应使用诸如PL-259或类似型号的性能良好的连接器。有时，屏蔽良好的天线馈线能将射频干扰消除80%以上。 6、 滤波问题 　　这代表了射频干扰的另一个主要路径。在一些质量差的设计中，射频干扰不能从计算机或显示器电源中滤除，这样，干扰就泄漏到电源线中，再传输到无线电设备电源，最终串入接收机的射频（有时是音频）部分。 此类问题通常可采用电源线滤波来加以改善。使用电源线滤波器时，一定要确认电源线滤波器额定电压满足要求，否则它将烧毁。有一种电源线滤波器是设计成插座形状的，你可以用它来替换设备上原来的插座。我不敢确定这种滤波器究竟能有多大的作用，如果你决定用它，应采取谨慎的态度。 　　几乎在所有的电缆上都可以安装铁氧体扼流圈。你可以通过安装这些东西来做些实验，验证实际的效果。你也可以在天线馈线上使用一些磁环，其作用相当于平衡-不平衡变换器，同时也可抑制屏蔽层中的射频干扰电流。我自己为我的同轴馈送对称振子天线绕制了一个初次匝比4:1的平衡-不平衡变换器（平衡转为不平衡），我发现从天线接收到的计算机射频干扰和其他干扰减少了许多，这是由于阻抗匹配和功率传输特性也得到改善的结果。电源线滤波器和射频扼流圈的作用可能非常明显，可在各种场合进行实验，比如电源线路，一些音频线路等等。 　　另外，射频干扰不仅会通过视频电缆泄漏，还会通过串、并口中的数据线和控制线泄漏。在这些线上除了用铁氧体磁珠以外，还可在这些线路与地之间跨接一个小容量电容。对串并口线，可采用0.01μF的电容（最好用多层陶瓷电容）,对视频线,可在视频线（红绿蓝）、场同步线和行同步线到地间连入一100pF的电容。这可能会对信号有一些影响，可通过实验轻微增大或减小电容值。 　　如果你仅在固定的频段接收信号，在接收机前端安装一个带通，高通或低通滤波器可能有一些效果。但这不能减小带内噪声。在天线馈线中可使用陷波式滤波器，滤除特定频率的强干扰，比如显卡或波特率发生器上的14.316MHz的晶振。注意，所有滤波器都会引起信号一定程度的损耗，如果信号与有害发射很接近，那么你就不能用陷波式滤波器，因为有用信号也会被滤除。在这种情况下经常采用高Q值陷波式滤波器。 　　关于卡装式滤波器，有人发表以下看法： “卡装式滤波器”是置于塑料壳中的一个分体式铁氧体磁环，用于PC机 射频干扰抑制。磁环的两部分紧扣在电缆上；塑料壳有一个折页和锁扣，可把这两部分锁在一起。在安装连接器之前，你也可以把整体铁氧体磁环套在电缆上，其效果与卡装式的相同。 　　这个铁氧体磁环的作用是增加射频电流在同轴电缆屏蔽层外层流动的阻抗，这在原理上可防止同轴电缆成为天线的一部分。 　　我不敢相信，当磁珠装在同轴电缆引入端时，一个或仅仅几个磁珠会表现出多大的作用。我认为应装很多磁珠以取得足够高的感抗，这样作用才会显著。 　　或许在干扰环境中使用磁珠更好些。 　　对于天线同轴电缆屏蔽线的接地方法，我认为应将其埋入地下或沿地表面铺设。这将更有效地减小本地噪声的串入，比在接收机上安装的几个磁珠要强得多。 　　电源线去耦或滤波是很重要的。大多数PC机的标准电源是开关电源。这种电源虽然效率很高，由于开关效应，产生尖峰脉冲信号和有害的谐波。不用说，如果处理不当，这些脉冲干扰会进入电网，再串入你的无线设备。但由于在设计时通常已经考虑到这点，所以这并不会造成严重的问题。问题更大的是CPU时钟信号通过电源串入电源线。这时还得使用电源线滤波器来解决这一问题。 　　通常，当仅仅是接收机的音频信号需要进入计算机时，你可考虑将信号隔离避免直接连到计算机的办法。一个简单的办法是，采用1:1音频变压器。我曾经用过这种方法，虽然有一些改善，但并不令人满意。其他隔离形式还有采用红外线或光纤等。这些将对有关的音频线提供很好的隔离，从而消除了这些线路上的射频干扰问题。 7、 设计问题 　　有时，射频干扰由设计不良的天线或接收机共同产生。例如，天线阻抗不匹配将使情况比想象的糟得多。这时，使用平衡-不平衡变换器和传输匹配器可以解决。尽管同轴天线馈线可以抑制射频干扰信号，但是不匹配的天线和馈线可以导致同轴电缆屏蔽层接收射频干扰信号。因此，如果你在使用同轴馈入式平衡偶极子天线，那么最好在馈入点装入一个平衡-不平衡变换器。其设计过程十分简单，在工程手册也可找到这方面的说明。天线与馈线之间的阻抗匹配也能通过平衡-不平衡变换器来解决。但这通常会引起一些信号的衰减。但对于性能良好的平衡-不平衡变换器而言，它所产生的损耗与馈线本身的损耗相比是不明显的。另外，信号强度的衰减经常可由改善的信/噪比来补偿。虽然使用天线调谐器（可提高选择性能）可减小一些带外射频干扰，但其效果很难确定。这些调谐器很容易做，一般业余爱好者即能胜任，市场上的这些产品相当昂贵，并附带一些并不实用的功能。 　　对不匹配天线系统，有如下看法： 　　在把同轴电缆连到平衡天线时，将引起天线馈线发生辐射，其逆过程同样会发生。如果你使用类似同轴电缆的非平衡线联到平衡接收天线上，同轴电缆的外层将耦合上噪声，并将噪声送到接收机的天线输入端。可在同轴电缆和天线之间安装一个平衡-不平衡变换器来解决这个问题。 　　太大的增益，例如使用天线放大器，并不总是能提高信噪比，因为噪声随信号一起被放大。在这方面，通常在天线近旁安装一个放大器就足够了。 　　有一些数字设备的滤波设计不完善，这会导致对射频干扰抑制不够。这时可在设备的电源线与地之间跨接一些0.1μF 的电容来进行补救。有些人可能觉得可笑，因为用一个大电容来代替不是更简单吗。但尽管这两者的直流电气特性相近，但分布电容对射频的效果截然不同。记住，一定要确保电源正确地去耦，且稳压器中没有意外的振荡发生。 　　天线的方向性也有助于改善射频干扰下的信号质量。从理论上讲，这是对的，不过我从来没有试过，也不知道实际效果究竟怎样。 　　天线调谐器和预选择器也有助于减小带外噪声，能提供一个更干净的信号，尤其是在天线前端用一个高Q值调谐器，其效果更佳。如果采用有源天线，应把天线安装在天线线杆的顶端/馈入点。这样可以仅仅放大有用信号而不放大来自计算机的射频干扰信号。这一点当使用宽带射频放大器时，由于它对噪声更敏感，更加重要。 　　如果你正在构建接口设备，尽量好地把它做成某种屏蔽箱或金属箱。这也有助于减小串入到电台的射频干扰。 8、 其他方法 　　除了上述介绍的方法以外，如果有人用计算机来接收等幅波/无线电报波或其他数字信号，良好的中频或音频滤波器将有利于消除有害噪声。对高档设备而言，除了开关电容滤波器、陷波式滤波器以外，数字信号处理自适应滤波器更加有效。带通滤波器很容易做，在实际应用之前要进行设计和实验。 　　对于要购置新计算机的人来说，我听说笔记本电脑的射频干扰水平很低，很适合电台之用。如果你不住在一层，需要使用不需要地线的平衡天线系统，否则你要制作一个人造地。 　　至于馈线的布线，记住应使馈线沿电源线平行分布，如可能的话应尽量避免使用荧光灯。有些老式的荧光灯的扼流圈会产生噪声。现在大多数房屋都很好，但较旧的建筑物中可能会有这个问题。当在配线时，记住这并不只有你的计算机/显示器产生射频干扰。你邻居的计算机系统也可能是一个噪声源，尤其是现在越来越多的人生活在公寓中。处理这个问题的方法是同你的邻居好好商量一下，或在墙里埋入某种类型的接地金属片或接地金属网。在钢筋混凝建筑物中，一般在墙里埋入钢条，因此这也并非绝对必要。