無處不在的射頻噪音如何影響我們的生活

　　Roberson 住在伊利諾伊的惠頓學(xué)院，每次當(dāng)他開車接近位于山頂?shù)碾娮幼儔浩鲿r，車子的調(diào)頻收音機就會嘟嘟響個不停。當(dāng)他在芝加哥路過一個高速列車經(jīng)過的路口時，其正在通話中的手機都會立馬斷線。有相同遭遇的Matheson 已經(jīng)開始訓(xùn)練自己習(xí)慣這一事實，他每次都要等到播放電視廣告時才會使用自己的電動牙刷，因為只要他一打開電動牙刷，臥室中的電視所播放的畫面和聲音就會受到干擾。

　　這就是射頻噪音污染對于我們生活的干擾，它無處不在。這是一種你看不見、聽不到、聞不著也嘗不到的污染物。你不能將它召喚出來在閑暇時分好好研究一番，因為它行蹤不定，處處都有它的身影。事實上任何一個電子設(shè)備都能發(fā)出射頻噪音，從發(fā)電機到汽車引擎，再到你桌上的電腦都無一幸免。那些看隨處可見的高壓霓虹燈和我們屋內(nèi)的日光燈鎮(zhèn)流器一刻不停地在發(fā)出高頻率的嘟嘟聲，你敢說沒有聽到過?工業(yè)機械、電梯、電焊工、繼電器、電源開關(guān)，甚至是用來調(diào)節(jié)臺燈亮度大小的開關(guān)，都加入到了這個射頻噪音軍團中。(當(dāng)然了，這種噪音的天然來源也是無處不在，閃電、太陽耀斑都包含其中，但是在本文中我們不會對天然來源進行討論。)

　　由射頻噪音污染帶來的問題可以分為以下四類：首先，它增加了部署無線系統(tǒng)的成本，因為它減少了設(shè)備的電池壽命;其次，它在廣泛的頻率之中帶來了多種多樣的干擾;同時，現(xiàn)如今還沒有針對這一噪音污染的政策干預(yù)，因為你受到的干擾越多，就需要在更多的頻段中進行轉(zhuǎn)換以將信息發(fā)出。因此現(xiàn)實中的無線網(wǎng)絡(luò)其實并不能達到人們預(yù)先設(shè)計好的數(shù)據(jù)傳輸效率。最后，想要追蹤射頻污染的源頭是非常昂貴的，當(dāng)你想要去查個究竟的時候，只要電子設(shè)備使用者將其停用就難以查出源頭。

　　可想而知，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)全面進入生活中時，這種射頻噪音污染會更加嚴(yán)重。物聯(lián)網(wǎng)的普及會使我們身邊無數(shù)的普通物件都被安裝上復(fù)雜的射頻控制芯片，比如門鎖、電燈開關(guān)以及所有的電器，連汽車甚至是我們的身體都有可能被裝上芯片，這一切都是為了讓萬物都能連上網(wǎng)。每一個芯片都會變成潛在的射頻噪音污染源。雖然有很多技術(shù)手段可以用于解決這一問題，但是由于被使用于各種產(chǎn)品中的射頻控制芯片數(shù)量太過龐大，這也就意味著制造商不會有動力去為他們的產(chǎn)品增加屏蔽噪音的功能，因為這無疑會增加其制造成本。我們常說沉默是金，沒錯，想要獲得一個靜謐的環(huán)境也是要花錢的。

　　與射頻噪音抗?fàn)幍睦彂?zhàn)

　　是時候讓我們公開討論射頻噪音污染這一問題了，關(guān)于這一問題的研究在數(shù)十年前就已經(jīng)展開，我們只不過是將這個問題重新帶回公眾視線中。

　　不管你是否相信，美國直到上世紀(jì)70 年代中期才由電信科學(xué)研究所展開了針對射頻噪音的系統(tǒng)性研究。而此時，始于商業(yè)廣播電臺的人造電子噪音已經(jīng)困擾了人們近半個世紀(jì)。噪音問題隨著電子產(chǎn)品與無線系統(tǒng)使用的增多而不斷增長，在這期間很多細節(jié)已經(jīng)隨著使用產(chǎn)品的不同而發(fā)生了改變。

　　早在1927 年時就已經(jīng)出現(xiàn)了可以抑制射頻噪音的方法，這種方法能夠讓人們開車依然正常收聽車內(nèi)收音機。但是直到上世紀(jì)30 年代末，全美國也才有20% 的汽車裝有內(nèi)置收音機，這也就意味著有80% 的車主其實并不會想到使用噪音抑制裝置。而當(dāng)電信科學(xué)研究所在上世紀(jì)60 年代中期至70 年代初期進行廣泛的射頻噪音評估時，發(fā)現(xiàn)絕大部分汽車都沒有使用射頻噪音抑制裝置。這些汽車制造了嚴(yán)重的電子噪音，測量人員甚至可以聽到隔了幾個街區(qū)之外的噪音。

　　如今每一輛汽車中都裝有收音機，但是發(fā)出噪音的火花塞問題已經(jīng)不再是個困擾。這個消音過程仍在持續(xù)：在上世紀(jì)60 年代，安靜的交流電機開始取代了吵個不停的發(fā)電機，電子點火器也替代了發(fā)出噪音的配電器。與此同時，電子開關(guān)取代了鬧哄哄的繼電器。如今越來越常見的電動汽車將會帶來比普通汽車更多的電子噪音干擾，但是它們已經(jīng)做到了充分抑制噪音以保證手機與車內(nèi)收音機的工作。同樣的改進還出現(xiàn)在辦公場所與家居生活中，早期的燈光調(diào)節(jié)器通常都會發(fā)出電子噪音，而今天的同類產(chǎn)品則安靜得多。個人電腦也針對靜音問題進行了重新設(shè)計，在計算機內(nèi)部與外部的無線數(shù)據(jù)連接過程中降低了電子噪音。

　　雖然人們已經(jīng)為此做出了許多努力，但是射頻噪音問題還是日益嚴(yán)重。盡管大多數(shù)的電子設(shè)備帶來的射頻噪音污染相比它們的前輩已經(jīng)有所削減，但是要知道，我們?nèi)缃袢粘Ｉ钪惺褂玫碾娮赢a(chǎn)品也比過去多得多。而另一個使射頻噪音污染問題更加嚴(yán)重的原因在于電網(wǎng)已經(jīng)迅速擴展，風(fēng)電場與家用太陽能發(fā)電也接入其中。當(dāng)這些設(shè)備生成電力并將其傳輸回流進電網(wǎng)的時候，它們需要大量的60 赫茲功率乃至更高速率的直流電開關(guān)。如果在過程中操作不當(dāng)，它們也將為電網(wǎng)帶去大量的射頻噪音。那些沒有專家維護設(shè)備的且使用風(fēng)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電的普通家庭，將因此面臨被放大了的射頻噪音污染風(fēng)險。

　　讓事情變得更糟的是如今的電子產(chǎn)品對于射頻噪音更加敏感了。很多新的無線系統(tǒng)，包括智能手機所使用的無線網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)，都被設(shè)計成盡可能使用較低功率來保證基本功能的運行。這就意味著只需要一點點的射頻噪音干擾就足以減少智能手機無線網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋范圍。

　　有一些日常電子設(shè)備的固有功能中就包含了不必要的能量傳輸，比如說微波爐，它用于烹飪食物的射頻能量中同樣包含了大量的射頻噪音。當(dāng)微波爐的射頻屏蔽裝置不完善時，就會使得這種射頻能量泄露并且影響到其他電子設(shè)備的運作。射頻噪音還有可能來源于設(shè)備的缺陷，比如說一個在高壓電力傳輸系統(tǒng)絕緣罩上出現(xiàn)的小小缺口。這一類疏忽會出現(xiàn)在意想不到的時間與地點，制造出頻率難以被預(yù)測的噪音。

　　射頻噪音污染問題到底有多嚴(yán)重?

　　城市之中的射頻噪音比郊區(qū)要高得多，這是因為城市中匯集了數(shù)量繁多且種類各異的電子設(shè)備，城市當(dāng)中的個人電腦、收音機、家用電器以及工業(yè)電子設(shè)備都要被鄉(xiāng)村地區(qū)更為密集。

　　為了勾勒出一個具有代表性的射頻噪音地圖，我們選擇了一個典型的美國城市郊區(qū)作為采集地。我們?yōu)樵胍舯O(jiān)測車配備了頂部天線、GPS 接收器以及一個外形小巧的訂制的頻譜測量儀器。我們開著這輛全副武裝的車子穿過北弗吉尼亞，這條路線經(jīng)過了許多高壓與低壓輸電線路，大約覆蓋了10 平方公里地區(qū)。

　　我們將頻譜接收器設(shè)置到10 頻段，范圍從100 到1500 兆赫，這個范圍應(yīng)該可以覆蓋大部分未知的信號。為了能夠檢測到供電開關(guān)的噪音水平，我們關(guān)注100 千赫左右的噪音振幅變化，而為了能檢測到輸電線路的射頻噪音，我們還關(guān)注60 赫茲到120 赫茲的噪音振幅變化。

　　我們沿著一條高壓輸電線路開了很長一段時間，卻并沒有檢測到很多射頻噪音，不過我們發(fā)現(xiàn)了會隨機出現(xiàn)一些熱點。這表明此處的射頻噪音的來源并不是系統(tǒng)性因素，在高壓輸電線路中并不存在設(shè)計缺陷。但是這些被檢測到的隨機出現(xiàn)的射頻噪音熱點有可能是松動的螺母，或者是線路絕緣材料破裂造成的。如果電力公司能夠定期維修線路，這些射頻噪音將不會成為問題，但是在現(xiàn)實中電力公司往往要等到有人開始投訴才進行電路整修。

　　在我們的這次測量實驗中，最有可能產(chǎn)生射頻噪音的戶外高壓線路其頻率比500 MHz 高出了10%。在離這條高壓線路100 米遠處，其被檢測出的噪音水平達到了令人吃驚的程度，在某些情況下這種噪音可以達到60 分貝，這已經(jīng)超出了在正常的環(huán)境下能夠存在的熱噪聲水平。

　　我們這個簡單的實驗?zāi)軌蜃屇銓τ诔墙辑h(huán)境中的射頻噪音分布具有基本的認識。讓我們感到吃驚的是，自從30 多年前電信科學(xué)研究所展開針對射頻噪音的調(diào)查之后，此后再沒有人使用可靠的測量手段對于射頻噪音進行完整的、具有統(tǒng)計意義的調(diào)查。隨著時間、地點、頻段以及操作環(huán)境的變化，射頻噪音的水平也會發(fā)生明顯的改變。比如說我們通常認為高于100 MHz 的頻段中就不應(yīng)該有射頻噪音存在，但是在這次我們條件有限的測量中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了該頻段中存在大量的射頻噪音。

　　最大的問題在于沒有意識到問題的存在

　　真正令人擔(dān)憂的是，沒有人知道近年來戶外射頻噪音水平到底是增加了還是減少了。針對室內(nèi)環(huán)境也是如此，如今在室內(nèi)存在著如此多的無線設(shè)備，但是卻沒有人系統(tǒng)地進行過測量。事實上，建筑物內(nèi)的射頻噪音已經(jīng)成為了一個大麻煩。在一個普通的中產(chǎn)階級家庭當(dāng)中如今已經(jīng)擺滿了能夠制造射頻噪音的各種電子設(shè)備，還記得本文開頭提到的電動牙刷嗎?這些能夠發(fā)出噪音的電子產(chǎn)品還包括了筆記本電腦電源、電動工具、LED 燈控制器以及所有存在設(shè)計缺陷的電子設(shè)備。

　　射頻噪音確確實實會對于你的手機信號接收產(chǎn)生干擾，但是你要如何發(fā)現(xiàn)它呢?這就是問題所在，你可能根本不知道自己的手機信號接收不良是因為射頻噪音的存在。

　　新式的無線電信號發(fā)射器以及它們的故作玄虛的數(shù)字調(diào)制方案在發(fā)生故障時不會為你留下準(zhǔn)確的線索。老式的系統(tǒng)則透明的多——「聽上去似乎是汽車引擎干擾了我的信號」。自動糾錯方案和重傳方案可以完全將那些對于用戶信號的干擾隱藏起來。你唯一能夠發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡的地方就是手機性能越來越差，或者是手機電池的續(xù)航時間比以前差得多。即使我們能收集到大批用戶對此的批評抱怨(況且現(xiàn)在還沒有)，可能對于解決問題也無濟于事。

　　想要解決開始解決這個問題，我們就需要大范圍的收集統(tǒng)計射頻噪音相關(guān)數(shù)據(jù)。我們需要確定射頻噪音在何時何地出現(xiàn)以及處于那一頻段之中，并且在每一次監(jiān)測中都追蹤到它的來源。我們需要取得在不同的電子環(huán)境、人類活動、建筑規(guī)范、天氣以及地形條件下的測量樣本。

　　一個人在他的新家廚房天花板裝上了LED 燈，并且配上了調(diào)光器開關(guān)。他鎮(zhèn)上的幾個鄰居卻開始發(fā)現(xiàn)自家車庫門開關(guān)變得不太靈光了。在幾周后，這個人終于發(fā)現(xiàn)了原來是自己的廚房燈具影響了鄰居車庫大門的運作。他嘗試了各種方法去修正這個問題都失敗了，不得已只好將調(diào)光開關(guān)換成了普通的開關(guān)，噪音干擾果然消失了。這是一個真實的故事。沒有人對此地的射頻噪音做任何測量，當(dāng)?shù)氐穆?lián)邦通信委員會辦公室也不想要知道這一情況。那么這到底能怪誰呢?是錯誤地使用了調(diào)光開關(guān)還是安裝環(huán)節(jié)發(fā)生了錯誤?如果調(diào)光開關(guān)本身就是罪魁禍?zhǔn)祝敲慈绹袛?shù)以百萬計的調(diào)光開關(guān)，它們會造成何種干擾，沒人知道。

　　建立噪音數(shù)據(jù)庫成為解決問題關(guān)鍵

　　如果我們能夠建立起相關(guān)的噪音數(shù)據(jù)庫，在理論上是可以讓當(dāng)局修改如今的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的，甚至可以進一步利用這些數(shù)據(jù)去影響未來幾十年的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中最難的部分就是在成本與效益之間設(shè)立一個保持平衡的標(biāo)準(zhǔn)。然而現(xiàn)在我們面臨的狀況是幾乎所有的相關(guān)數(shù)據(jù)都缺失，我們只能在自己收集到的非常有限的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采取行動，因此也難以去證明射頻噪音問題是不是一個廣泛存在的問題。

　　監(jiān)管部門需要改變分配電磁波頻譜的方式，如今的監(jiān)管者只擔(dān)心其中一種非常確定的干擾源即廣播電臺，但是他們卻忽視了射頻噪音的存在。相對于那些已知的干擾源來說，射頻噪音造成的干擾會嚴(yán)重得多。

　　即使你從來沒有因為使用電動牙刷而干擾到自家電視的信號，你的手機通話也沒有因為接近變壓器而被打斷，你仍然承擔(dān)了射頻噪音污染帶來的成本。因為你所依賴的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不得不在設(shè)計上持續(xù)改進以處理不斷加劇的噪音。在電子設(shè)備越來越普及且使用的頻段越來越集中時，射頻噪音問題只會越來越嚴(yán)重。消除射頻噪音沒有什么一勞永逸的方法，因為這個問題不僅僅出在設(shè)計與維修中，它還有一定的隨機性，因此我們難以排除造成射頻噪音的其他影響因素。

　　無論如何，現(xiàn)在因為缺失射頻噪音基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以至于難以衡量該問題的嚴(yán)重性，這種狀況是不能被接受的。在我們采取行動之前，首先需要數(shù)據(jù)的支持去理解射頻噪音在無線通信中扮演的角色。如果放任射頻噪音問題不去解決，之后想要解決問題付出的代價會越來越大。