灵敏度的敌人噪声

无线电信号从发射台的天线出发，经过了长途跋涉，终于到达了接收地点。但通过长途的旅行，信号的能量已变得非常微弱了。接收天线抓住了这点微弱的能量，通过接收机的放大，在耳机或喇叭中仍能听到宏亮的声音。接收机对于微弱信号的接收能力，就叫做接收机的“灵敏度”。灵敏度常用微伏作单位，它表示当接收机能维持正常工作时（即保证正常的输出功率和规定的信号噪声比时），在接收天线上应该感应的最小信号电动势。灵敏度高的接收机，只要在它的输入端加上很微弱的信号，就能使接收机正常工作，所以它能收到远地的天线电信号，也就是能增大通信距离，或允许发射机的功率减小。

一般来说，接收机的放大量愈大，它的灵敏度就越高。但是当无限增加接收机的放大量时，灵敏度是否也跟着无限增高呢？实践的结果告诉我们并不是这样。当放大量增高到某一限度后，接收机的灵敏度就不再增加了，也就是说，灵敏度有一个最高的极限。为什么会出现这种令人奇怪的现象呢？原来在接收机内部及整个宇宙空间中都充满着灵敏度的敌人——噪声。由于噪声的存在，当信号很微弱时，到达耳机的噪声电压可能比信号电压还要大，这时我们要从杂乱的噪声中去听取所需要的信号就非常困难了，因为信号常被噪声所掩盖以致不能分辨。每一种通信方式都需要使输出端的信号比噪声大一定倍数，否则通信就要受到影响。表1中列出几种通信方式所需要的信号和噪声的比值。

在输入噪声很大的情况下，提高放大量是不会提高接收机的灵敏度的。因为在放大信号的同时也放大了噪声，并且放大器本身也产生噪声，所以在接收机输出端放大了的信号仍被放大了的噪声所掩盖，使我们不能鉴别信号和噪声。这时，接收机的灵敏度就不是决定于放大量而是取决于噪声的大小了。要想进一步提高灵敏度，就必须想办法来降低噪声。

对于不同的波段，噪声的主要来源是不同的。在长、中、短波段中，影响灵敏度的噪声主要来自外界的干扰。自然界中，闪电是一种严重的干扰，每一次闪电都产生能量极大的无线电辐射。据统计，地球上每秒钟要发生100次左右的闪电。在城市中，各种工业用的或生活用的电器在不停地工作着，电动机、电焊机、电铃、汽车点火设备以及一切在工作中会发生放电和电火花的设备，都会产生无线电干扰，这些天电和电器设备使接收机不断产生喀啦喀啦哔哔剥剥的噪声。要减少这种讨厌的噪声影响，就必须使输入接收机的信号强度比噪声大许多倍才行。

当频率高于30兆赫，也就是进入超短波段后，天电和各种电器设备的噪声影响就大大降低了，天空中相对地变得寂静起来。这时，潜伏在接收机内部的敌人——内部噪声，便成了我们的主要敌人。

我们知道，物质中的粒子都是处在不断的运动中。气体、液体的分子不断运动着和碰撞着。固体中的原子和分子也在不断振动着。在导体中，电子不像在绝缘体中那样被紧紧束缚在每个原子周围，而是可以自由运动的。于是导体中的这些自由电子也像液体和气体的分子一样，不断地作着杂乱的运动和碰撞。当温度升高时，这些电子获得更多的能量，杂乱的运动也就愈剧烈了。这种杂乱的电子骚动在导体中形成了一股大小和方向都作无规则变化的电流，这电流在电阻和回路上产生的电压降也是作无规则变化的（图1）。这些无规则变化的电压和电流就成为接收机内部噪声的一个来源。当温度增高进，随着电子骚动的变剧，噪声电流和电压也成正比地增加。这种由于电子热骚动产生的噪声，听起来是沙沙的连续声音，因此叫它起伏噪声，又因它是电子热运动产生的，所以也叫做热噪声。

接收机中另一个主要的噪声来源便是电子管。我们知道，电子管是依靠阻极不断发射电子来工作的，但是电子从阻极飞出的数量并不是每个时刻都相同的，有时多一些，有时少一些。并且从阴极到板极的途中还要经过控制栅、帘栅和抑制栅等电极，每个时刻落到这些电板上的电子数量也是不等的。因此到达屏极的电子数量在每一瞬间都是不均匀的，所以在屏极电流中夹带着一种不规则的变化，这不规则变化的屏流就在屏级负载上产生了噪声电压。这就是通常所说的散弹效应。

由电子骚动而产生的噪声电压和电流中，包含着从零到无限大的频率成分。这样多的频率并不可能全部通过接收机，因为接收机是具有选择性的，它只能让一个频带通过。因此，在复杂的噪声中，只有和接收机通频带相同的那部分噪声能通过（图2）。由此可见，接收机的通频带愈宽，通过接收机的噪声就越多。也就是说输出端的噪声大小是和接收机的通频带成正比的。我们知道，电视接收机的通频带要比普通电话接收机宽得多，在其他条件相同的情况下，电视接收机输出的噪声就较大，也就是说电视接收机比电话接收机的灵敏度要低。

在大气层之外，太阳和许多星体产生的无线电辐射也是噪声的来源，我们把这种噪声叫做宇宙噪声，它也具有起伏噪角的性质。其中最强的辐射来自银河系中心附近的天蝎宫，干扰的频率约在60兆赫附近。

在长、中、短波段，天电和各种电器的干扰要比接收机内部的噪声厉害得多，在这些波段，应该尽量避免和降低外部干扰的影响。

天电的发生具有强烈的地区性，它们大多数都发生在赤道附近的热带区域。为了避开它们的干扰，可以采用具有方向性的接收天线（如环状天线、磁性天线等）。天电干扰主要对频率较低的天线电设备有严重的影响，所以在热带和温带的国家里，通常都不采用长波广播，而在纬度较高的苏联，由于那里雷电较少，仍使用着长波广播。

各种电器产生的干扰噪声可以通过直接辐射或通过电力网来传播。根据研究，通过直接辐射的传播距离是不大的，通常在数十至数百米的范围内。当接收机离开干扰源相当距离时，这种噪声对接收机的影响是不大的。但这些干扰却可以沿着电力线传播到很远的地方去。要避免由电力线传来的干扰，首先要避免天线和电力线之间的耦合，也就是说使天线远离电力线。当距离不能很远时，应尽量使接收天线和电力线处在相互垂直的位置。在接收机电源输入端接上一套低通滤波器，可以大大减少由电源进入接收机的干扰（图3）。

为了使电器设备不致对无线电接收产生干扰，应将产生干扰的电器适当地加以屏蔽，并在其电源线路中接入低通滤波器，避免高频干扰进入电力系统。

当到达超短波段后，所有的这些外部干扰就可以忽略不计了。要提高灵敏度，就应该在降低接收机内部噪声上努力。我们知道，接收机中每一个电阻、谐振回路和电子管都是产生噪声的来源，但当它们处在接收机中的不同地位时，它们的噪声对接收机的影响是不同的。影响最严重的是接收机输入端的各级，如高频放大级、变频级等。愈接近输入端的元件，它们产生的噪声影响就愈大。因为在接收机输入端，信号还没有被充分放大，它们是非常微弱的，在这里，信号的大小可以和噪声相比拟，噪声和信号混合在一起后，一同在接收机的后面各级中被放大，因此到达输出端的时候，信号和噪声都达到了很高的电平。在接收机的后面各级中，信号已被放得相当大，在那里产生的噪声和信号相比就显得非常微弱而不再影响信号了。所以，要克服内部噪声的影响，首先要减低接近输入端各级的噪声。

经过研究，变频器产生的噪声要比一般高频放大器大几倍。所以在超高频接收机中，从天线输入的信号马上进行变频是不利的。若加上一级到二级高放，那么信号在到达变频器时已变得很大，因而变频器的噪声就变得可以忽略了。

高频放大器位于接收机的第一级，它产生的噪声对接收机有着严重的影响。高放级采用什么电子管和什么电路才能降低噪声呢？我们知道，电子管的电极越多，电子在各电极上的分配也就越不均匀，产生的噪声也就越大。为了降低噪声，我们常采用电极最少的放大管——三根管来进行高频放大。用三级管作放大时，如果仍采用普通栅极输入信号、阻级接地的电路，由于三级管屏极和栅级之间的寄生电容很大，极易因反馈而产生自激振荡，使放大器不能工作。因此常采用栅极接地的放大线路（图4）。在这种线路中，栅极成了输入和输出端之间的屏蔽，减小了它们之间的耦合，这种线路放大量虽然较小，但工作得非常稳定。在频率低于100兆赫时，采用特殊的高频五级管（如6Ж1П）作高频放大，效果也是良好的。

电子管的跨导大小和放大器的噪声关系很大，跨导越大，电子管的噪声越小，所以作超高频放大的电子管都具有极大的跨导（如三级管6J4，其跨导达每伏12毫安）。

当频率更加提高时，用普通电子管来进行放大就变得越来越困难，因为这时它们的放大量太小，而噪声却很大。当频率高于1000兆赫时，用普通电子管来进行放大就变得毫无用处了。这时就不得不将输入信号直接进行变频。这样一来，由于变频器成为接收机的第一级，降低变频器和第一、二级中放的噪声就变得重要了。

我们熟悉的七极变频管，由于它有很大的噪声和其他缺点，在超短波段中是完全不能使用的。在米波段（30—300兆赫）采用普通高频三极管和五极管作为变频管还是令人满意的。在分米波段（300-3000兆赫）就必须采用特殊构造的塔形三极管或二极管进行变频。当进入厘米波段时（大于3000兆赫），为了降低噪声，通常只采用一种特殊构造的晶体接触点来进行混频了。

近年来，由于无线电技术的飞跃发展，人们利用天线电波的波长愈来愈短，对无线电接收设备灵敏度的要求也越来越高。例如，和宇宙飞船以及其它星球进行通信时，由于距离极远，收到的信号极弱，所以接收机必须具有极高的灵敏度。没有良好高频放大器的接收机，灵敏度是往往不能满足要求的。于是人们对于寻找新的超高频放大器进行了艰苦的不懈的努力，力图找到频率高、放大量大而噪声小的放大器。到目前为止已出现了许多较成熟的方法，它们的工作原理和我们所习惯的电子管有很大的区别，如行波管放大器、参量放大器、量子放大器和隧道二级管放大器等。它们都有自己的工作原理，可以工作在极高的频率并具有较大的放大量和极小的噪声，在这里就不可能用很多篇幅去讨论它们的工作原理了。

除了创造新的低噪声的放大器外，人们还可以利用信号和噪声之间的差别（如时间上的差别和频谱上的差别）来接收有用信号而抑制噪声的影响，例如累积接收、相关接收、匹配滤波接收、统计接收等方法都是从这方面去考虑的。由于实际工作中向噪声斗争的需要，一门新的理论——信息论发展了，利用它的观点，详细地研究了信号和噪声的各种特性，从而可以想办法从很大的噪声中“提炼”出信号来，这是一个向噪声斗争的新途径。

可以相信，人们在和噪声作不懈的斗争中，必然会出现许多更新更好的方法，那时接收机的灵敏度将更加提高，于是我们的“千里眼”将变得更加明亮，“顺风耳”也变得更加敏锐了。 （徐群济）