引言

　　在录音扩声或音频传输过程中噪声是具有一定频率的纹波电压通过电源线路窜入音频设备的供电回路，普遍存在又非常令人头痛和不易解决。通常组成音频设备的设备越多或信号传输距离越长，系统的噪声就越大；甚至使得音频系统无法进行正常的录音或扩声工作。音频系统噪声形成的机理较为复杂，针对系统噪声产生的主要原因和解决办法尤其重要。

　　噪声产生的主要原因

　　电磁辐射干扰噪声

　　环境的杂散电磁波辐射干扰，如手机、对讲机等通信设备的高频电磁波辐射干扰，电梯、空调、汽车点火、电焊等电脉冲辐射，演播厅灯光控制用可控硅整流控制设备的辐射都会通过传输线直接混入传输信号中形成噪声或穿过屏蔽不良的设备外壳干扰机内电路产生干扰噪声(实践表明在一些特殊的场合，如大量使用可控硅调光设备的演播厅等， 如果没有采取可靠的屏蔽和接地措施，噪声将会很严重)。

　　电源干扰噪声

　　除电磁辐射外，电源部分引入干扰噪声也是产生噪声的主要原因(城市电网由于各种照明设备、动力设备、控制设备共同接入，形成了一个十分严重的干扰源( 如接在同一电网中的灯光调控设备、空调、电机等设备会在电源线路上产生尖峰脉冲、浪涌电流、不同频率的纹波电压)，通过电源线路窜入音频设备的供电电源，总会有一部分干扰噪声电压无法通过音频设备的电源电路有效的滤除，将必然会在设备内部形成噪声( 尤其是同一电网中的电磁兼容性能达不到要求的大功率设备是干扰音频设备的主要原因)。

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　　图1 平衡端与不平衡端连接

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　　图2 不平衡转换为平衡传输

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　　图3 设备星型接地方法

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　　图4 地回路形成示意图

　　接地回路噪声

　　在音频系统中，必须要求整个系统有良好的接地，接地电阻要4欧姆。否则音频系统中设备由于各种辐射和电磁感应产生的感应电荷将不能够流入大地，从而形成噪声电压叠加到音频信号中。

　　在不同设备的地线之间由于接地电阻的不同而存在地电位差，或在系统的内部接地存在回路时，则会引接地噪声，2个不同的音频系统互连时，也有可能产生噪声，噪声是由 2个系统的地线直接相连造成的。

　　设备内部的电路噪声

　　由于内部电子元件产生的电噪声在一台设备单独工作时，可以达到要求的指标。但是当多台设备级连时其噪声就会积累增加。实践应用中，有些低档次的设备会因为内部电源滤波不良，使得设备本身的交流声增大，在系统中有时会形成很严重的噪声。

　　排除噪声的办法

　　系统的正确连接

　　在音频系统中，一般连接的设备很多。不同设备有不同的接口形式，使用的接插件各不相同。有平衡和不平衡的输入输出形式，为有效地屏蔽外界的电磁辐射干扰，必须统一使用屏蔽电缆并采用正确的方法连接。

　　众所周知，当音频信号传输采用平衡式传输方式时，则外部干扰源对电缆内的2 根信号线的每根线产生的共模干扰电平对地环路几乎相等。在设备内部放大器的输入端，2根信号线上的共模电压将换成差模电压而相互抵消，形成不了干扰电压。所以应尽可能使用平衡式的连接方式。

　　在与不平衡的输出设备连接时，可直接用单芯屏蔽电缆，将平衡设备的端口和不平衡设备的端口连接。而不采用平衡--不平衡变换器。屏蔽层感应的噪声混入到音频信号中，从而增加噪声。这将是引入噪声的一个主要途径。建议采取的方法是， 无论采用平衡或不平衡的传输，都采用双芯屏蔽电缆，并且屏蔽层只在平衡输出或输入的一端接地, 如图1。 当两端都是不平衡的连接时，如果传输距离较远，最好使用平衡--不平衡转换器或音频隔离变压器转换为平衡式传输，如图2所示。现在的音频设备的连接普遍采用电压跨接方式连接。即所有音频设备的线路输出都是低阻输出，而作为负载的线路输入端则都采用高阻抗输入，除了功放和音箱的连接外，一般不需要专门考虑阻抗匹配。

　　良好的接地处理

　　为使带屏蔽层的电缆能够屏蔽外界的杂散电磁干扰。屏蔽层必须要有正确的连接和良好的接地。实践中，所有的设备悬浮，是在没有专门的地线条件下最常采用的一种措施。

　　但这是一种极不稳定的工作状态，往往会产生不稳定的随机噪声，所以整个系统要良好接地。首先应设有专门的地线，且接地电阻小于 4欧姆 。不能采用电源的零线作为音频系统设备的地线。在室外场所，可以考虑埋设临时性地线，最简单的办法是用一根一米长左右的钢管或铝合金管插入地下，并做侵盐处理，效果很好。

　　一般的系统都是有多台设备通过电缆连接起来的链路系统。很容易由其屏蔽系统组成链式接地方式。当某台设备上产生电磁辐射或静电感应噪声时，会由于传输线的屏蔽层和铁质设备外壳组成的接地系统使得整个系统产生感应电压。进而使系统产生一定的噪声电平，此类干扰在链路较长的音频系统上尤为明显。所以系统要尽量避免使用链式接地方式， 而应使用星型接地方式。 即每一台设备通过专门的地线接到统一接地点上，这就要求连接所有设备的音频电缆的屏蔽层要一端接地。接屏蔽层处各设备的地线通过专门的导线一个接地点连接，如图3所。

　　如果信号传输线两端的屏蔽层都接地，必然形成接地回路。当该回路受到其它设备的电磁辐射干扰时，在电缆的屏蔽层必然会出现感应电流，以致产生严重的干扰噪声，形成地回路噪声干扰，如图 4 所示。

　　为保证系统不出现地环路结构，要求各设备间只能有一条接地导线互连，在要求不严谨的场合。可以让不平衡设备悬浮，通过音频信号线共用下一级设备的地线。也就是采用链形接地，但这种链形接地的级数不能太多，一般不超过2级。否则将使噪声严重增加。

　　机壳间的相连问题也应引起重视，比如许多设备安装在同一机架上，如果每个设备单独连接了地线，2台设备因为安装在同一机架上而使得机壳相连，当然形成了接地回路。

　　系统的隔离

　　在一些大型的音频系统中，往往由以多台调音台为中心的子系统组成，或要和视频设备系统互连。有时还要向远端的声视频系统传输信号，广播电台甚至常用电话线路传输音频广播直播信号。 这些远距离的连接，由于不同的子系统都有各自独立的接地系统，每个子系统一旦地线相连，必然形成接地噪声，如图5所示；另一方面，由于传输的距离较长，传输线屏蔽层的接地电阻会增大，甚至用了非屏蔽传输线等等， 就容易引入大量的外界电磁场辐射干扰噪声。 在实际应用中，如果每个系统单独工作，噪声可通过合理的连线和接地控制在允许的电平内， 但当多个子系统互连后，即使用了单端屏蔽接地或长线分段接地处理，也没有办法解决长距离传输造成的辐射干扰噪声。尤其用庞大的电话网络传输时，这时最好的措施就是采用隔离的办法。在多个系统间加装音频隔离变压器使之互相隔离。多个子系统的地线不得相连， 用光隔离的办法彻底隔离不同的子系统，如图6所示， 效果较好。

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　　图5 系统间的隔离处理

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　　图6 有2台MD录音机组成的光隔离方法

　　电源净化

　　为了隔离公共电网形成的干扰噪声，最好或一般采用隔离净化电源或隔离变压器， 隔离变压器或净化电源的接地端一定要保证有可靠、良好的接地。否则隔离的效果不好。要和一些干扰较强的大功率电器隔离，单独供电，或在音频设备的电源输入端加装滤波器将干扰噪声滤除。

　　有时也可以通过改变单相供电的音频设备的火线和零线输入的位置，找到噪声最小的一种连接插法。这样也可以使一些噪声干扰降低，还要注意音频传输线不得和电源线平行布线，要将音频线和电源线交叉布线，也可可降低交流噪声干扰。

　　结语

　　本文主要就音频和扩声设备实际应用的外部干扰噪声问题作了部分探讨。 当然有些噪声是由设备内部的电路产生的热噪声。有些是输入信号源中直接含有的或传声器拾取的现场环境噪声等。

　　电源音频噪声的成因和消除方法分析

　　在低功耗条件下，为进一步降低功耗，DC/DC转换器通常会工作在脉冲频率调制(PFM)模式或PWM突发模式，这种工作模式常常会产生音频噪声。本文分析了音频噪声产生机理并提出减少输出电容等多种设计思路。

　　在笔记本电脑、PDA、MP3播放器等便携数码产品中，电源的设计是一大挑战。为了尽量延长电池的连续工作时间，几乎所有的处理器都使用了低核心电压和省电休眠工作模式，使CPU在工作量不大的情况下只消耗少量的电能。另一方面，为了提高电池的使用效率，使用大量的DC/DC电源变换器来获得高的效率。

　　在DC/DC变换器中，PWM方式由于工作频率稳定，噪声也比较低，但是在CPU处于休眠工作模式的轻载时，固定频率的PWM模式开关损耗很大，效率很低。因此，在轻载时为了提高效率，大量采用了脉冲频率调制(PFM)模式或PWM突发工作模式，但是带来的负作用是出现音频噪声。当负载较轻时，PFM方式的开关频率或PWM突发工作模式的间歇振荡频率变小，当频率处于音频范围时，一方面是此时变换器的输出电压纹波比PWM方式增大很多，如果由该电源供电的音频编解码器或音频功放的电源抑制比(PSRR)较差，不足以消除纹波的影响时，喇叭和耳机里就会出现噪声。另一方面，电感、陶瓷电容都是“发声”元件，它们在音频脉动电流的作用下会发出响声。因此，当一些数码产品工作在休眠状态时，我们反而会听到该设备在发出“吱吱”的声音。下面通过了解跳频PFM模式的工作原理，并寻求消除噪声的正确方法。

　　跳频PFM工作方式

　　无论是降压变换器还是升压变换器，跳频PFM模式的工作原理基本相同，变换器监测输出电压，当输出电压跌落到标称电压以下某一个门限值时，变换器启动工作，使输出电压回升到设定的电压值以上，然后变换器停止振荡，因此电感电流的波形如图1所示，这种电流变换将产生噪声专业声卡。

　　因此，消除噪声的根本办法是使DC/DC变换器的频率处于音频范围外，对于PWM/PFM自动切换的变换器来说，采用大电感可以使系统在电流很低的情况下保持工作在连续模式，但是这与我们要提高轻载时的效率的初衷相违背，况且大电感也带来了体积的增大和成本的增加，另外增大电感还减慢了变换器的反应时间，使变换器的动态性能变差，特别是笔记本电脑的CPU供电和一些手持设备的CPU都瞬间从低功耗模式切换到全速工作模式，因此都要求电源有很高的动态响应性能。

　　另一种方法是减少输出电容量，使输出电压更快地跌落到门限电压以下，以提高间歇频率，例如低功耗时工作频率处于10kHz，把输出电容减小一半可以使频率增加一倍，变为20kHz，从而消除音频噪声。但需要注意的是，减少输出电容会对DC/DC变换器的稳定性造成影响，应该重新计算相位补偿的RC参数。另一方面，某些需要大动态电流变化的负载要求要足够的电容，不允许输出电容太小。

　　第三种办法是针对以测量低端MOSFET通态电阻或检流电阻上的压降来确定电感零电流方法的控制器，如果增加该阻值，同样使间歇工作频率加大。当然，这个方法不仅带来了轻载时的效率的损失，还降低了重载时的效率。

　　具有最小工作频率的DC/DC变换器

　　从上述分析可知，只要DC/DC的PFM工作频率不在音频范围就没有音频噪音，Maxim新一代的笔记本电脑系统电源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999在跳频PFM模式下，可以限制它的最低工作频率为25kHz，从源头上消除了音频噪声。它的工作原理是：在28μs内如果没有发生开关动作，MAX1777就会打开低端MOSFET同步整流开关，使电感产生一个反向电流midi键盘，如果此电流大于设置的门限值，高端MOSFET开关就打开开始工作。该解决方案限制最低的PFM工作频率在音频以上，无需改动任何外围器件就能达到目的。

　　首先要尽量把数字和模拟分开(尽量)

　　再将模拟和数字分开敷铜

　　模拟的敷铜尽量保证完整，在双面板的时候，我会尽量在一层布线，另一层做地平面，只要地平面相对完整，就有类似单点接地的效果了；不过走线多的时候，想要比较完整的地平面比较困难。

　　在电源输出的地方再将模数的地连接到电源上。

　　闭环。。。就是环地，简单说就是某个部分电路全部被敷铜包围，这部分敷铜整体上看就是一个环状的导体，相当于环形的天线，容易感应空间电磁波，特别是工频干扰，这在音频电路上是尤其需要注意的。

　　谈到音频噪声（audio noise），可以认为音乐中任何不需要的杂音都是噪声。声音本身就是一组正弦波的组合，这组声波在传送过程中会引起空气振动，最终被其它接受声音的物体检测到，当然，人的检测器就是人耳。某些声音会同其他声音相混合，同时其音频也对应叠加，从而增强主声音的频率。比如，双簧管这类乐器发出的声音就是这样。而另外一些声音就不会和别的声音混合，也不会进行频率叠加，这类声音的一个例子是军鼓，敲打军鼓的时候，总会很明显的听到清脆的鼓声，而不会同其它声音相混合。

　　在用模拟磁带或低保真数字音频录制声音时，常常会产生噪声。磁带的缺点就是不论录制任何声音，总难以避免会将其本身旋转时产生的嘶嘶声掺杂进去。如果是数字录音，那么当保真度从16bit转化为8bit时会产生噪音。

　　有一种特殊的噪音称为白噪音，白噪音将人耳能够听到的所有声音(20Hz~20KHz)等量的混合起来。大部分人认为声音频率越高，白噪音就会越明显，实际上之所以有这种感觉，是因为白噪音会在频率转换的时候出现，比如，声音频率从100Hz到200Hz，会有100Hz的频率差；从200Hz到400Hz，会有200Hz的频率差。

　　通过音频合成器可以生成白噪声。声音设计人员可以利用这种声音达到某种特效，比如制造出刮风、海浪、快速飞行以及轮船行驶时的声音。

　　粉色噪声是白噪声的另外一种表现形式。当用过滤器将白噪声的音量减少后，剩下的噪声就是粉色噪声。这种噪声衰减弥补了随频率增加带来的白噪声问题。