射频污染问题可分为四类。首先，它增加了部署无线系统的成本，同时降低了手机的电池寿命。其次，它会在一个频率范围内产生不同程度的干扰。第三，干预不会——但应该——出现在政策中如何最好地共享频谱考虑到干扰越多，为了传输给定数量的信息，你需要的频谱就越多。因此，在实践中，无线信道并不总是能达到它们设计的数据速率。第四，追踪射频污染的来源是昂贵的，当你这样做时，让违法者停止违法往往是一项挑战。
即将到来的物联网将使情况变得更糟。更糟。它将通过在无数常见设备中添加复杂的rf控制芯片来实现这一目标，比如门锁、电灯开关、各种类型的电器、我们的汽车，甚至我们的身体，这些设备将能够连接到互联网。这些芯片都是潜在的噪声源。当然，有很多技术解决方案，但芯片数量庞大意味着制造商将更不愿意在他们的产品中增加昂贵的屏蔽和其他降噪功能。沉默是金:要花钱才能得到。
现在是就这个问题展开公开对话的时候了。而且，在研究这个问题几十年之后，我们正是研究这个问题的人。
插图:Lou Brooks
信不信由你在美国，自20世纪70年代中期以来，美国一直没有对无线电频率噪声进行系统研究监控联邦政府对无线电频谱的使用．那时，人造电子噪音已经是一个困扰了近半个世纪的问题，它始于商业无线电传输的开始。1934年，国际无线电干扰特别委员会成立同年，无线电工程师协会(IEEE的前身)成立了一个具有同样任务的委员会。噪音问题随着电力的使用和无线系统的数量而增加，尽管随着时间的推移，许多细节已经发生了变化。
只有在1927年，与发明了一种抑制射频噪声的方法在美国，是否有可能在发动机运转时收听汽车收音机?到20世纪30年代末，美国20%的汽车装有内置收音机，这意味着80%的汽车可能没有进行噪音抑制。当它对射频交通噪声进行了广泛的测量在20世纪60年代中期到70年代初，它发现许多——也许是大多数——汽车几乎没有噪音抑制功能。其中一些产生了巨大的电噪声，测量人员在几个街区外都能听到静电声。
如今，每辆车都有了收音机，火花塞噪音的问题也不复存在了。安静的过程还在继续:在20世纪60年代，安静的交流发电机开始取代嘈杂的发电机，电子点火开始取代嘈杂的分配器。与此同时，电子开关正在取代嘈杂的继电器。电动汽车本来会比普通汽车产生更多的干扰，但它已经被充分抑制了噪音，可以让手机和车载收音机工作。工作场所和家庭也得到了同样的改善。早期的灯调光开关经常有电子噪音;如今，大多数城市安静多了。个人电脑也为了静音而重新设计，哪怕只是为了它们自己的内部和外部无线数据连接。
然而，射频噪声问题正在增加。尽管大多数设备比它们的前辈污染更少，但我们拥有更多这样的设备。其他能源，如电网，随着风力发电场和太阳能家庭接入电网，也在不断扩大。这种设备需要以60赫兹甚至更快的速度切换大量的直流电源，每当它们将多余的电力反馈到电网中。如果处理不当，还会向电网输送大量噪音。当数百万普通家庭的太阳能和风能系统在没有专家维护的情况下运行时，这种风险就会放大。
与此同时，今天的机器对噪音比以往任何时候都更加敏感。许多新的无线系统，包括智能手机，都被设计成以尽可能低的功率运行，同时仍能提供预期的功能。这意味着只要多一点噪声干扰就会减少覆盖区域。
不需要的传输可能是设备设计中固有的，例如微波炉，其射频烹饪能量也包含大量的射频噪声。不完善的屏蔽可能会使这种能量泄漏出去，并干扰其他射频设备。噪声也可能由设备的部分故障引起——例如，高压输电系统中绝缘体周围的地屏蔽层的微小破裂。如此不幸创建一个无意的发送器在无法预测的频率、地点和时间进行广播。尽管这些模式很复杂，但我们仍然可以通过查看噪声功率与时间的关系图来对射频污染的原因进行分类。
城镇和农村:城市的人为噪音比郊区和农村地区高，因为城市有更多的电子设备。噪声随着频率的升高而下降，因为电弧和其他噪声产生过程在高频时产生的功率更少，而高频在传播中更容易被吸收。
以许多与失效的电力线绝缘子上的电弧有关的来源为例。在美国，电源频率为60赫兹，这种射频噪声通常以60赫兹的频率(每16.7毫秒)或120赫兹的频率(每8.3毫秒)重复。这是因为一些产生噪声的电弧发生在正或负的峰值线电压下，但不是两者都发生，因此每秒发生60次;其他的电弧过程在正峰值电压和负峰值电压下同样发生。这些信号将电子探测器指向电源线本身或电机、电源或其他与之连接的设备。事实上，大多数低于1千兆赫的室外人造噪音在某种程度上来自电网。
微波炉是另一个例子，通常被认为是一个具有特征模式的噪声发生器。在这种情况下，家用微波炉在60赫兹周期的一半时间开着，另一半时间关着，向2.4千兆赫光谱波段发射噪声。这是一种未授权但很受欢迎的无线电频谱，大量用于低功率非授权设备、无绳电话和Wi-Fi。许多其他电子设备，包括手机、平板电脑和笔记本电脑的充电器，都有开关电源，在电源开关频率的谐波下产生数百千赫兹的噪声。
城市的人为噪音水平比郊区或乡村要高得多，因为城市中各种形式的电气设备、计算机和收音机、家用电器和系统以及工业设备更加集中。在所有这些地方，平均而言，噪声水平与频率成反比，因为脉冲源机制在较低的频率产生额外的功率。
绘制范围和变化在典型的美国郊区，我们为一辆汽车配备了车顶天线、GPS接收器和一个小型、屏蔽良好的定制频谱测量系统。我们开车穿过弗吉尼亚州北部，这条路线同时穿过高压和低压输电线路。我们覆盖了大约10平方公里的区域。
我们将接收器设置在10个频率，从100兆赫到1500兆赫，这些频率与没有已知的预期信号相吻合。在每种情况下，我们测量了0.7 MHz带宽内的信号，测量持续时间为55 ms。在测量了最高频率之后，我们又开始测量最低频率。为了检测电源开关产生的噪声，我们观察了噪声振幅在100千赫兹左右的变化;为了检测来自电线的噪音，我们观察了60或120赫兹噪音振幅的变化。
我们可以沿着高压传输线行驶很长一段时间，而没有检测到太多的射频噪声，但我们发现的热点是随机出现的。这意味着噪音没有系统原因，也没有设计上的固有问题。一个有缺陷的部件——可能是一个松动的螺母或破裂的绝缘体——可能会产生电弧。如果由电力公司来维修，这样的噪音就不是问题，但通常只有在有人投诉时，他们才会修复这样的缺陷。
刺耳的汽车旅行:作者的团队驾驶一辆车顶装有天线和振幅概率分布(APD)探测器的汽车，沿着穿越高压线路的路线行驶。他们的测量表明，当汽车靠近高压输电线时，噪音功率通常(但不总是)会增加。
在我们的样本中，在频率高于500 MHz的高压线路附近，检测到室外显著噪声的概率略高于10%。在距离这条线大约100米的地方，我们测量到了惊人的高噪声水平，在某些情况下，比正常背景热噪声水平高出近60分贝(或100万倍)(这是日常无线电系统理论上的最低噪声)。
我们适度的实验只是提供了射频噪声在郊区环境中如何分布的基本概念。令人惊讶的是，不幸的是，自从ITS在30多年前做了这样的事情以来，没有人对射频噪声进行了完整的和统计上可靠的测量。噪声会随着时间、位置、频率和操作环境发生显著变化。例如，在100兆赫以上的频率上——旧模型认为不应该发现噪音——我们有限的测量显示了相当多的噪音。
最重要的是，没有人真正知道近年来室外噪音是增加了还是减少了——室内的测量也是如此，今天在室内发现了许多无线设备。事实上，建筑物内的噪音水平问题尤其令人烦恼。现在普通中产阶级的家里到处都是产生噪音的电子设备，比如我们提到的电动牙刷。这包括笔记本电脑电源、电动工具、LED灯控制和有缺陷的电子设备。
假设是射频噪声正在严重干扰你的手机信号。你怎么知道的?这就是问题所在。你可能不会。
现代的无线电信号发射器，其奇特的数字调制方案，通常不会留下关于它们故障的确切原因的线索。旧的系统要透明得多:“听起来像是汽车引擎干扰了我的信号。”自动纠错或重传方案可以完全隐藏对用户的干扰。它存在的唯一迹象可能是性能下降，或者你手机的电池电量耗尽得比正常情况要快。因此，即使我们有一个丰富的消费者投诉数据库(我们没有)，它也可能无法帮助我们弄清事情的真相。
要开始解决这个问题，我们需要广泛地收集统计数据。我们必须确定射频噪声通常出现的地点和时间以及频率，在每种情况下都要追踪到它的来源。我们需要许多地区的样本，以考虑设备和实践、建筑规范、天气和地形的差异。
我们认识一个人，他在厨房天花板上建了一座新房子，LED灯与调光开关相连。他在科罗拉多州博尔德附近的一个小镇上有几个邻居开始注意到，他们的车库门开关有时不能很好地工作。几周后，这名男子在邻居的车库门和他的厨房灯之间建立了明显的相关性。在尝试了几次都失败后，他只是把调光开关换成了一个简单的开关，噪音显然消失了。没有人做过任何测量，当地联邦通信委员会办公室也不想知道这件事。这是调光开关故障还是安装不当?如果开关本身是罪魁祸首，那么数百万这样的调光器会对美国和全世界造成干扰吗?谁知道呢?
如果我们手头有相关的噪声数据库，理论上就有可能修改目前的监管标准，甚至可以从数据中推断出这些标准在10年后将如何变化。这里困难的部分将是在这些标准的成本和收益之间建立合理的平衡。然而，所需的数据几乎完全缺失，因为我们只有一个非常小的数据库——基本上是我们的——我们无法证明这个问题是否广泛存在。
显然需要改变的是大多数国家的监管机构分配电磁频谱的方式。如今，监管机构往往只担心来自已识别的发射机(比如无线电台)的干扰，而忽略了噪音。然而，噪音可能比已识别的干扰严重得多。
监管机构在决定这个问题时，至少在一定程度上应该考虑一下，如果允许新用户共享频谱，现有用户的通信将受到多大程度的影响。这将有助于在频谱共享造成最小干扰的射频污染与空频谱预期之间实现最佳权衡。
即使你从未因为电动牙刷而失去电视信号，也从未因为变压器故障而失去手机信号，你仍然要承担这种噪音污染的部分成本。这是因为你依赖于无线系统，而这些系统必须设计成能够处理不断增加的噪声水平。这个问题只会随着电子设备的普及和越来越细的频谱共享而加剧。没有什么神来之笔可以平息噪音。因为这个问题与设计和维护都有关系，它包含了一个偶然因素，并且很难将它与其他干扰原因隔离开来。
关于这个问题的严重程度，我们缺乏最基本的数据，这是不可接受的。我们需要这些数据，也需要更好地了解噪声在无线通信中所扮演的角色，然后才能在噪声抑制的成本和收益之间取得适当的平衡。随着产生噪声的设备和无线系统的数量呈指数级增长，射频污染将成为一个非常昂贵的问题，除非我们现在就采取行动。
本文原题为《从电话到冰箱:闭嘴!》
作者简介
马克·a·麦克亨利(Mark A. McHenry)是共享频谱(Shared Spectrum)的创始人，该公司旨在通过自动化共享频谱的方式来解决射频干扰问题。Dennis Roberson在伊利诺伊理工学院任教。罗伯特·j·马西森(Robert J. Matheson)在20世纪70年代为联邦政府调查了电子噪音。
