Понятие помехи

Лекция 3. Дискретный канал с помехами

Цель лекции: ознакомление c понятием помех

а) понятие помех;

б) виды помех;

в) искажения;

г) борьба с помехами.

Помеха – это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывная связь. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Этот вид помех особенно сказывается в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

По происхождению (месту возникновения);

По физическим свойствам;

По характеру воздействия на сигнал.

К помехам по происхождению в первую очередь относятся внутренние шумы аппаратуры (тепловые шумы) обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения теплового шума определяется известной формулой Найквиста

где Т- абсолютная температура, которую имеет сопротивление R;

F - полоса частот; k =1,37*10 (-23) Вт.сек/град- постоянная Больцмана.

К помехам по происхождению, во вторую очередь, относятся помехи от посторонних источников, находящихся вне каналов связи:

Атмосферные помехи (громовые разряды, полярное сияние, и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

Индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, системы зажигания двигателей, медицинские установки и другие.);

Помехи от посторонних станций и каналов, возникающих от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

Космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам помех различают:

Флуктуационные помехи;

Сосредоточеные помехи.

Флуктуационные помехи . Среди аддитивных помех особое место занимает флуктационная помеха, которая является случайным процессом с нормальным распределением (гауссов процесс). Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

Электрическую структуру флуктуационной помехи можно представить себе как последовательность бесконечно коротких импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через случайные промежутки времени. При этом импульсы появляются один за другим настолько часто, что переходные явления в приемнике от отдельных импульсов накладываются, образуя случайный непрерывный процесс.

Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением.

Длительность импульсов, составляющих флуктуационную помеху, очень мала, поэтому спектральная плотность помехи постоянна вплоть до очень высоких частот.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в радиоприемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса.

Сосредоточенные по спектру помехи . К этому виду помех принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения и т. п. В отличие от флуктационных и импульсных помех, спектр которых заполняет полосу частот приёмника, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев меньше полосы пропускания приёмника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим помехоустойчивость связи.

По характеру воздействия на сигнал различают:

Аддитивные помехи;

Мультипликативные помехи.

Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействует на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. В реальных каналах электросвязи обычно имеют место не одна, а совокупность помех.

Под искажениями понимают такие изменения форм сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные и нелинейные возникающие в соответствующих линейных и нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. Дальнейшие изменения формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при последующей обработке в приемнике. Это уже дело техники.

ДРУГОЕ ДЕЛО ПОМЕХИ - ОНИ заранее не известны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами - основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения, о выполнении кодера или декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи. При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.);

Уменьшение помех на путях проникновения в приемник;

Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление для нас является предметом изучения.

Прямошумовые помехи. Прямошумовые помехи в наибольшей степени приближаются к нормальному шуму. Могут применяться два пути создания прямошумовых помех. Первый из них состоит в использовании генератора шума сверхвысоких частот. Колебания, образующиеся на выходетакого генератора, усиливаются по мощности и излучаются в пространство. В качестве первичных источников шума на СВЧ пригодны, например, газоразрядные лампы. Генератор шума состоит из газоразрядной трубки, отрезка передающей высокочастотной линии и согласующего устройства. В зависимости от типа применяемой высокочастотной линии генераторы бывают коаксиальными и волноводными. Генераторы шума волноводного типа создаются для воли от 0,2 до 10 см, а коаксиального от 10-12 до 120- 140 см . Газоразрядные трубки являются весьма широкодиапазонными источниками высокочастотных шумов и характеризуются высокой равномерностью спектра.

Второй путь создания прямошумовой помехи заключается в использовании метода гетеродинирования для переноса в область высоких частот шума низкочастотного генератора. На низких частотах роль первичных источников шума играют диоды прямого накала, тиратроны в магнитном поле и фотоэлектронные умножители .

Коэффициент качества прямошумовой помехи был бы равен единице (при обычно выполняющемся условии ), если бы не ограничение колебаний по амплитуде, имеющее место в любом физически реализуемом усилительном тракте. Амплитудное ограничение приводит к изменению спектра помехи и закона распределения ее мгновенных значений, в результате чего качество помехи снижается.

Если допустить, что спектр источника высокочастотного шума имеет прямоугольную огибающую и среднее значение частоты в спектре равно то после безынерционного симметричного ограничителя спектр шума будет состоять из бесконечного ряда составляющих, группирующихся вблизи частот . Расширение основной части спектра (вблизи частоты объясняемое образованием при ограничении комбинационных частот от составляющих спектра входного шума, не превышает 10%. На выходе ограничителя в основной части спектра содержится не менее 70% мощности выходного шума.

Плотность вероятности нормального процесса (2.1.2) деформируется на выходе безынерционного ограничителя. Пусть ограничитель имеет характеристику, изображенную на рис. 2.3, т. е.

где порог ограничения.

На интервале преобразование является линейным, поэтому внутри этого интервала плотность вероятности не изменяется, Вероятность того, что или мвых равна нулю. Все значения для которых справедливо преобразуются ограничителем в одно значение выходного напряжения ывых ; соответственно для всех значений получается . Поэтому вероятности

преобразуются для в дельта-функции, расположенные в точках и множители при дельта-функциях составляют

Таким образом, плотность вероятности шума на выходе ограничителя будет равна

График плотности вероятности (нвых) приведен на рис. 2.4.

Амплитудное ограничение снижает эффективность помехи, во-первых, из-за перераспределения ее энергии по спектру. Но это не самое главное. Существенное ухудшение эффективности помехи связано с изменением ее

структуры при глубоком ограничении.

Если среднеквадратическое значение шума много больше порога ограничения то помеха вырождается в импульсы с приблизительно постоянной амплитудой и меняющимися по случайному закону длительностями и интервалами (рис. 2.5, а). Допустив, что ширина спектра помехи согласована с полосой пропускания приемника подавляемого , придем к выводу, что постоянство амплитуды помеховых импульсов сохранится и на выходе приемника (рис. 2.5, б). Помеха такого вида обладает плохими маскирующими свойствами .

Естественно поставить вопрос об уменьшении отношения Для повышения эффективности помехи. Действительно, при амплитудное ограничение в усилителе не влияет на помеху, ее маскирующие свойства оказываются наилучшими, но выходные усилители мощности передатчика помех работали бы при этом в крайне невыгодном режиме и к. п. д. передатчика оказался бы весьма низким. Разумный компромисс мог бы быть получен при выборе В этом случае качество помехи окажется несколько хуже, чем у нормального шума, но это

ухудшение не очень существенно и коэффициент качества реальной помехи остается близким к единице.

По имеющимся данным 15, 79, 156], прямошумовая помеха считается перспективным видом помех.

Амплитудно-модулированные шумовые помехи. Амплитудно-модулированные шумовые помехи представляют собой незатухающие гармонические колебания, модулированные по амплитуде шумом. Помеховый сигнал на входе приемника может быть записан таким образом:

Здесь крутизна модуляционной характеристики передатчика; модулирующее напряжение, которое поступает от генератора шума.

Если модулирующий шум имеет постоянную спектральную плотность в пределах от нулевой частоты до (рис. 2.6, а), то спектральная плотность модулированного колебания так же будет постоянной (рис, 2.6, б), а ширина спектра равна

Спектр помехи включает колебание на несущей частоте и боковые составляющие. Нетрудно показать, что при -ной модуляции гармонического колебания прямоугольными биполярными импульсами со средней скважностью 2 отношение мощности боковых составляющих к мощности на несущей частоте Рнес равно единице. Поэтому справедливо неравенство

где мощность передатчика помех.

Так как маскирующий эффект создают только боковые составляющие спектра, при амплитудной модуляции по

прямому назначению используется не более 50% мощности помехи.

Если ширина спектра помехи превышает полосу пропускания приемника подавляемого РЭС, а средняя частота спектра помехи и резонансная частота приемника одинаковы, то через приемник пройдет часть мощности боковых составляющих спектра помехи, равная

Для подавления сигнала при отсутствии Рнес как минимум Должно выполняться условие

С учетом для мощности помехи , попадающей в полосу пропускания приемника, находим:

и реальное значение коэффициента подавления будет равно

Принимая, что и подставляя (2.1.18) и (2.1.19) в (2.1.20), получим

т. е. при расширении спектра амплитудно-модулированной помехи по сравнению с полосой пропускания приемника РЭС коэффициент подавления почти пропорционально растет. Коэффициент качества помехи при этом соответственно уменьшается

Из-за наличия в спектре помехи составляющей на несущей частоте, не создающей маскирующего эффекта, коэффициент качества помехи не может быть больше 0,5 и уменьшается при возрастании по сравнению с .

На качестве помехи сказывается ограничение амплитуды колебаний, имеющее место в любом передатчике. Для определенности рассмотрим ограничение в модуляторе. На рис. 2.7 изображена характеристика, представляющая собой зависимость амплитуды

высокочастотных колебаний от модулирующего напряжения Рабочая точка А выбирается в середине этой характеристики. Начальное смещение, определяющее положение рабочей точки, равно При изменении модулирующего напряжения амплитуда колебаний может изменяться от О До Переменная составляющая управляющего напряжения поступает от генератора шума. Если то наступает ограничение амплитуды помехового сигнала. На рис. 2.7 ограничение имеет место на интервалах - и

Напряжение можно назвать порогом ограничения. Отношение эффективного значения модулирующего напряжения к порогу ограничения обозначим коэффициентом

Эффективность помехи в большой степени зависит от выбора значения та. Вид зависимости показан на рис. 2.8. Характер этой зависимости объясняется следующим образом. Если то влиянием амплитудного ограничения можно пренебречь, помеха обладает хорошими маскирующими свойствами, но при этом очень мала глубина модуляции высокочастотных колебаний. Следовательно, мощность боковых составляющих спектра помехи много меньше мощности на несущей и в результате этого коэффициент качества помехи мал.

При увеличении отношение растет и становится равным единице при та Поэтому при возрастании та

вначале наблюдается рост коэффициента качества помехи. Однако для эффективность помехи снова становится низкой из-за изменения ее структуры: помеха превращается в импульсы приблизительно постоянной амплитуды, обладающие, как уже пояснялось выше, плохими маскирующими качествами.

Для наибольшей эффективности амплитудно-модулиро-ванных шумовых помех целесообразно выбирать . При выполнении указанных условий помеха рассматриваемого вида мало чем отличается от нормального шума (за исключением наличия несущей частоты) и защищаться от ее воздействия можно с помощью методов оптимальной фильтрации.

Частотно-модулированные шумовые помехи.

Напряжение частотно-модулированной шумовой помехи на входе приемника можно представить следующим образом:

где амплитуда колебаний; среднее значение высокой частоты; случайное изменение частоты колебаний; крутизна модуляционной характеристики.

Одним из основных параметров частотно-модулированных колебаний является эффективное значение индекса частотной девиации равное отношению эффективного значения девиации частоты к эффективному значению ширины спектра модулирующего напряжения т. е. на краю спектра (рис. 2.9, б) отношение мощности помехи к мощности сигнала будет существенно меньше, чем в средней части спектра. Для обеспечения заданных условий подавления РЭС необходимо, чтобы в пределах всей полосы

Временная структура широкополосной частотно-модулированной помехи на выходе селективного фильтра позволяет эффективно использовать специальные схемы защиты от помех, например селекторы по уровню. Следует считать, что применительно к широкополосной частотно-модулированной помехе .

Круг вопросов, рассматриваемых при проектировании комплекса технических средств охраны (КТСО), включающего также системы видеонаблюдения, должен быть достаточно широк: от техники заземления до разновидностей защиты - от электромагнитных помех, шумов, генерируемых элементами КТСО и сопряженными система-ми, до “стыкуемости” аппаратуры; от принципов построения систем электропитания (в том числе резервного) до выбора материалов экранирующих корпусов; от технологии выполнения монтажных работ до номенклатуры кабельной продукции, комплектующих

Вся аппаратура, входящая в КТСО, должна иметь не только электромагнитную совместимость, но и стыковаться по своим электрическим параметрам. Следует подвергнуть серьезному анализу электромагнитную обстановку объекта в части определения или прогнозирования уровня электромагнитных помех от оборудования и аппаратуры смежных систем обеспечения безопасности и жизнедеятельности здания: трансформаторных подстанций, приточно-вытяжной вентиляции, систем и способов освещения помещений и территории, мощных потребителей электроэнергии, источников бесперебойного электропитания, систем оповещения и связи, мест проведения периодических работ с применением электросварки. Собственно прогнозирование уровня электромагнитной обстановки должно быть выполнено с учетом возможности возникновения аварийных ситуаций в вышеуказанных системах (узлах) и дать возможность предусмотреть спосбызащиты наиболее чувствительной аппаратуры от последствий влияния аварийных ситуаций на работоспособность и безотказность КТСО.

Источники шумов и шумы, наводимые на провода и кабельные линии

Основным примером такого вида связи являются шумы, проникающие в устройства по проводам сетевого электропитания. В случае если невозможно контролировать сеть или к сети подключают другую аппаратуру (мощный энергопотребитель) возникает необходимость в развязке проводов сети. Тогда уже стоит вопрос о резервировании электропитания систем ССТV. В этих целях используют источники бесперебойного электропитания компьютеров (типа UPS) или источники для охранно-пожарной аппаратуры. Проблемы при этом остаются прежние: различные напряжения, требуемые для электропитания составных частей системы видеонаблюдения, жесткие требования к верхним порогам выходных напряжений, условия электромагнитной совместимости и т.п. Добавляются требования обеспечения минимального времени резервирования электропитания ССТV – 0,5 часа, согласно ГОСТ Р 51558–2000, а на практике необходимо резервирование электропитания на значительно большее время.

Связь через общее сопротивление

Связь через общее сопротивление встречается там, где токи от двух различных устройств проходят через одно сопротивление. При этом падение напряжения, создаваемое каждым из устройств на конкретном участке сопротивления, является для другой системы источником помехи , и чем больше потребление, тем выше амплитуда помехи .

Электромагнитные поля

Еще один вид связи представляет собой излучение электромагнитных полей. Эффективность экранирования зависит от: частоты излучения, конфигурации экрана, положения внутри экрана измерительной точки, вида ослабляемого поля, вектора его распространения и поляризации. Опуская прикладные и промежуточные теоретические выкладки, можно сделать выводы, определяющие эффективность экранирования:

• для электрических полей и плоских волн потери при их отражении очень велики;
• для низкочастотных магнитных полей потери при их отражении очень малы;
• экран толщиной, равной глубине скин-слоя, обеспечивает потери на поглощение примерно 9 дБ;
• магнитные поля труднее поддаются экранированию, чем электрические;
• для защиты от низкочастотных магнитных полей следует применять магнитные материалы;
• для защиты от электрических полей, плоских волн и высокочастотных магнитных полей следует применять экран из качественного проводника;
• реальная эффективность экранирования, достигаемая на практике, обычно определяется утечками в швах и соединениях, а не собственно эффективностью применяемого материала;
• величину утечки определяет максимальный линейный размер отверстия, а не его площадь;
• утечка через большое количество маленьких отверстий меньше, чем через одно отверстие той же площади;
• наличие на рынке услуг аппаратуры, которая не создает помехи , столь же необходимо, как и наличие аппаратуры, защищающей от помех;
• подавлением шумов следует заниматься на возможно более ранней стадии проектирования КТСО;
• шумы возникают в следующих случаях: при наличии наводки по проводам, при осуществлении связи через общее сопротивление, а также при наличии электромагнитного излучения;
• металлы, используемые в сигнальных цепях и контактирующие друг с другом, должны быть гальванически совместимыми;
• универсальный метод решения большинства проблем борьбы с электромагнитными помехами и шумами существует далеко не всегда, обычно используются несколько способов одновременно.

Заземление

Заземление – один из основных способов уменьшения нежелательных шумов и наводок, приводящих к сбоям в работе видеосистемы или выходу из строя аппаратуры. Грамотное заземление и экранирование может решить значительную часть проблем шумопо
давления. Надежно заземленная система (комплекс) должна быть спроектирована таким образом, чтобы она работала как единая цель.

Проектирование систем с качественным заземлением преследует две основные цели: первая - минимизировать напряжение шумов, возникающих при прохождении токов от двух или более единиц аппаратуры через общее сопротивление земли; вторая - исключить образование контуров заземления, чувствительных к магнитным полям и разностям потенциалов “земли”. Надо помнить, однако, что неправильно выполненное заземление само может стать основной причиной возникающих шумов и помех.

Защитное заземление

Из соображений без опасности корпус аппаратуры, так же как и вся система, должен быть заземлен. При возникновении пробоя (аварийная ситуация) ток через шину заземления проходит, можно сказать, молниеносна, что приводит к разрыванию цепи защитными устройствами. Поскольку через защитное заземление ток нагрузки не течет, на нем не возникает падение напряжения и подключенные к нему корпуса аппаратуры всегда находятся под потенциалом земли. При этом нейтраль и шину защитного заземления следует соединять только в одной точке. Эту точку следует выбирать таким образом, чтобы она была как можно ближе к распределительному щитку.

Сигнальные “земли”

Сигнальные “земли” делятся, в основном, на два класса: заземление в одной или нескольких точках.

При более глубоком рассмотрении методов заземления необходимо помнить о следующем:

• все проводники имеют конечный импеданс, состоящий обычно из сопротивления и индуктивности;
• разнесенные в пространстве точки заземления редко имеют одинаковый потенциал.

Силовая “земля” практически не годится для организации или в качестве сигнальной “земли”. Напряжение, измеряемое между двумя точками земли, в типичных случаях составляет сотни милливольт, а иногда и единицы вольт. Это напряжение достаточно велико для цепей с сигналами низкого уровня. С точки зрения шумов наиболее нежелательным является заземление с общей шиной или общим проводом. При использовании такой схемы наиболее критичное устройство (с наибольшим потреблением тока) следует подключать как можно ближе к точке первичного заземления.

Система заземления в нескольких точках

Для минимизации импеданса земли на высоких частотах применяются многоточечные схемы заземления (рис. 2). В этой схеме устройства подключаются, по возможности, к ближайшей заземленной шине с малым импедансом, при этом сопротивления R1ER3 и индуктивности L1EL3 должны быть как можно меньше. Увеличение толщины заземляющего проводника (поверхности) не влияет на высокочастотный импеданс, поскольку вследствие скин-эффекта ток течет только по его поверхности.

Практические системы заземления

Большинство практических схем заземления представляют собой комбинацию последовательного и параллельного заземления в одной точке. Такая комбинация обычно диктуется компромиссным решением между необходимостью выполнения критериев по электрическим шумам (наводкам) и задачей избежать увеличения сложности проводного монтажа сверх необходимой. Ключ к успешному совмещению этих факторов лежит в выборочной группировке заземляющих проводов, такой, чтобы схемы с достаточно различающимися уровнями потребляемой мощности не имели общего возвратного провода земли. Таким образом, группы слаботочных устройств могут иметь общий возвратный провод “земли”, тогда как другие группы устройств подключаются к “земле” другим возвратным проводником.

В большинстве интегрированных комплексах необходимо как минимум четыре возвратных проводника “земли” (рис. 3), исключая нейтраль и провод защитного заземления.

Использование такой конфигурации схемы заземления интегрированного комплекса безопасности и систем жизнеобеспечения здания (объекта) может значительно уменьшить проблемы неустойчивости работы отдельных подсистем.

Кроме двух перечисленных методов борьбы с помехами (экранирование и заземление) существуют такие, как:

• балансировка;
• фильтрация;
• изоляция;
• разнесение и ориентация;
• регулировка величины полного сопротивления;
• выбор номенклатуры кабельной продукции;
• снижение амплитуды пускового тока;
• минимизация энергопотребления;
• программно-аппаратный метод.

Рассмотренные методы шумоподавления применимы как к аналоговым, так и к цифровым системам, в том числе в системам видеонаблюдения.

Полезные сигналы редко присутствуют в электрических цепях в чистом виде. Практически всегда на них накладываются шумы и помехи. При этом полезный сигнал искажается при передаче, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной ошибок являются как искажения, вносимые самим каналом, так и различного вида помехи, воздействующие на сигнал при передаче. В собственно устройствах канала передачи информации имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усилительных элементах (транзисторах, микросхемах и т.д.) и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи. При этом временные и частотные характеристики канала определяют линейные искажения. Кроме того, радиоканал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев, цепей или устройств.

В общем случае под помехой понимают случайный сигнал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем передачи информации помеха - любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность приема и воспроизведения передаваемых по линии связи сообщений.

По месту возникновения помехи делят на внешние и внутренние. Причинами внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. В диапазонах дециметровых и менее волн имеют значение и космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах. В диапазоне оптических частот имеется квантовый шум , вызванный дискретной природой сигнала.

В радиоканалах встречаются атмосферные помехи , обусловленные электрическими процессами в атмосфере, прежде всего грозовыми разрядами.

Сильные помехи создают промышленные установки. Это так называемые индустриальные помехи , возникающие из-за резких изменений тока в мощных электрических цепях всевозможных электротехнических устройств. Распространенным видом внешних помех являются помехи от посторонних радио- и телестанций, систем военного назначения. Они обусловлены нарушением регламента распределения частот, недостаточной стабильностью частот генераторов и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к так называемым перекрестным искажениям (проявляются в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный).

Основными видами внешних помех в проводных каналах связи являются импульсные шумы и прерывание связи.

Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого устройства. В любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы устройств, связанные с хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах.

Аналитически влияние помехи r(t) на полезный сигнал u(t) в общем виде можно выразить оператором Y:

где функция s(u(t)) отражает искаженный полезный сигнал.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если оператор У в формуле (2.1) вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей и помехи, т.е.

то помеху называют аддитивной (от англ, addition - сложение).

Если же оператор У может быть представлен в виде произведения некоторого коэффициента k(t) (здесь k(t) - случайный процесс) и сигнала u(t), т.е.

то помеху называют мультипликативной (от англ, multiplication - умножение).

Мультипликативные помехи обусловлены случайными изменениями параметров радиоканала. Они проявляются в изменении уровня сигнала. В реальных каналах передачи информации обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, и поэтому

По основным свойствам аддитивные помехи делят на три класса: сосредоточенные но спектру (узкополосные помехи), импульсные (сосредоточенные во времени) и флуктуационные (распределенные по частоте и во времени) помехи, не ограниченные ни во времени, ни но спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых приходится на отдельные участки диапазона частот, меньших полосы пропускания системы связи.

Импульсной (сосредоточенной во времени) помехой называют регулярную или хаотическую последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы цепей или работающего рядом с ними устройства. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуациопная па приемник с относительной узкой полосой пропускания.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет случайный процесс с нормальным распределением - гауссовский процесс (закон Гаусса). Эти помехи имеют место практически во всех реальных каналах связи, и их называют шумами. С физической точки зрения аддитивные флуктуационные помехи порождаются в системах связи различного рода флуктуациями, т.е. случайными отклонениями тех или иных физических величин (параметров) от их средних значений. Среди таких шумов можно прежде всего назвать внутренние шумы электронных усилителей. Различают следующие виды флуктуационных шумов:

• тепловой (шум Джонсона);
• фликкер-шум (иногда - розовый шум);
• дробовый (квантовый).

Тепловые шумы резисторов. Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в резистивных элементах из-за хаотического теплового движения носителей. В любом резисторе всегда имеются свободные электроны, находящиеся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в определенный момент времени в одном направлении проходит больше электронов, чем в другом. Значит, даже в отсутствие внешней ЭДС мгновенное значение тока, текущего через резистор, отлично от нуля. Эти мгновенные изменения тока вызывают на выводах резистора шумовую разность потенциалов. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум.

Важное значение для систем связи имеет спектр мощности шумового напряжения на концах резистора. Его определяют по формуле Найквиста:

где R - сопротивление резистора, Ом; к = 1,38- 10~ 23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура резистора в градусах Кельвина. Часто удобнее пользоваться односторонним энергетическим спектром, который задают в области положительных частот | В 2 /Гц |:

Спектральную плотность мощности теплового шума оценим из такого примера: при Г= 300 К и R = 20 кОм значение N 0 = 4 -1,38 -10 23 -300-20 000 = = 3,31 10 1(> В 2 /Гц, откуда среднее квадратическое значение напряжения f/ m = 3,3M0 16 В/Гц 2 .

Спектральная плотность мощности теплового шума одинакова для всех частот, представляющих интерес для большинства систем связи; другими словами, источник теплового шума на всех частотах излучает с равной мощностью на единицу ширины полосы - от постоянной составляющей до частоты порядка 10 12 Гц. Следовательно, простая модель теплового шума предполагает, что спектральная плотность его мощности равномерна и достаточно точно соответствует модели белого шума (см. далее).

Фликкер-шум - шум, спектральная плотность которого изменяется с частотой по закону 1// (с примерно постоянной спектральной мощностью на декаду - изменение в 10 раз). Часто фликкер-шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты. Обычно на частотах выше 10 кГц фликкер-шумами пренебрегают.

Дробовой шум обусловлен неравномерным движением дискретных носителей электрического тока в электронных приборах - диодах, транзисторах, микросхемах и лампах; он имеет равномерный спектр, т.е. является белым; в отличие от резисторов флуктуации возникают не за счет хаотического теплового движения электронов, а вследствие статистической независимости их упорядоченного перемещения.

Поскольку тепловой шум присутствует во всех системах связи и является заметным источником помех, характеристики теплового шума (аддитивный, белый и гауссов) часто применяются для моделирования шума в системах связи. Гауссов шум с нулевым средним полностью характеризуется дисперсией, поэтому эту модель особенно просто использовать и при детектировании сигналов, и при проектировании оптимальных приемников.

По виду частотного спектра помехи делят на стационарный (белый) и нестационарный шумы. Белый шум содержит гармонические составляющие с одинаковой амплитудой и случайной начальной фазой, которые равномерно распределены практически по всему частотному радиодиапазону - от постоянной составляющей до частоты порядка 10 12 Гц. В теории оптимальной фильтрации часто вводят понятие квазибелого шума (от лат. quasi - якобы; почти), параметры и характеристики которого близки к показателям белого шума.

Нестационарный шум - шум, длящийся короткие промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях).

В зависимости от спектра помехи могут быть сплошными или селективными. Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот. Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в узкой полосе частот.

Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов путем экранирования, фильтрации, выбора модуляции и оптимального местоположения приемника.

С математической точки зрения информационные случайные сигналы (сигналы случайного характера, несущие передаваемую информацию) и шумы подчиняются одним вероятностным законам, поэтому они получили обобщенное название случайные колебания или случайные процессы.

Для анализа случайных сигналов применяют методы статистической теории связи, базирующейся на математическом аппарате теории вероятностей и теории случайных процессов. С целью упрощения и наглядности анализа работу электрических цепей часто рассматривают при воздействии детерминированных сигналов. Для учета же случайного характера реального сигнала в качестве его математической модели используют не отдельную детерминированную функцию u(t ), а совокупность подобных функций {u k (t)} = u { (t), u 2 (t ),..., образующих случайный процесс, в котором будет заключена полезная информация.

Классификация помех

Характеристика помех в канале связи

В реальном канале связи сигнал при передаче искажается и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев. Как линейные, так и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала и могут быть устранены путём коррекции. Помехи заранее не известны, поэтому не могут быть устранены.

Изучение физических свойств помех необходимо для грамотного построения всех элементов канала связи.

Классификация помех

Помехой будем называть любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

Самая грубая характеристика помехи заключается в указании её спектральной плотности. С этой точки зрения помехи разделяются на широкополосные , спектр которых значительно шире спектра сигнала, и узкополосные или сосредоточенные, ширина спектра которых соизмерима с шириной спектра сигнала.

По своей временной структуре помехи разделяются на гладкие и импульсные . Для гладких помех характерно то, что их огибающая с большой вероятностью находится в некотором небольшом интервале около своего среднего значения. Огибающая импульсных помех с большой вероятностью находится вне этого интервала. Резкой грани между гладкими и импульсными помехами нет.

Рис. 1. Сосредоточенная помеха.

Рис. 2 . Импульсная помеха.

На рис. 1, 2 показан пример огибающих А(t) и спектральных плотностей мощности G(f) типичных реализаций сосредоточенной и импульсной помех.

В радиоканалах часто встречаются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере, и, прежде всего грозовыми разрядами. Энергия этих помех сосредоточена главным образом в области длинных и средних волн.

Сильные помехи создаются также промышленными установками. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях электроустановок. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, систем зажигания двигателей.

Распространённым видом помех являются помехи от посторонних радиостанций и каналов.

Они обусловлены нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабильностью частот и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи . Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрёстными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или исчезает.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах аппаратуры.

Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в УКВ диапазоне. В этом диапазоне имеют место и космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на солнце, звёздах и других внеземных объектах.

Выводы

1. Следует заметить, что между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют в единстве, хотя и противоположны по своему действию. Так, излучение радиопередатчика является полезным сигналом для приёмника, которому предназначено это излучение, и помехой для другого приёмника. Электромагнитное излучение звёзд является одной из причин космического шума в диапазоне СВЧ и поэтому является помехой для систем связи. С другой стороны, это излучение является сигналом, по которому определяют некоторые физико-химические параметры.