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.

В микроэлектронных устройствах линии связи чаще всего являются электрически разомкнутыми линиями без потерь. Входное сопротивление таких линий носит емкостной характер, и его можно представить в виде конденсатора С n 11 , включенного параллельно приемнику сигнала и имеющего входной импеданс Z вх1 (рис. 2.55). В линии связи возникают помехи, источником которых являются тепловые шумы элементов линии, ЭДС гальванических пар и термопар, возникающих в местах контакта разнородных металлов. Напряжение помех U вн1 такого вида включено последовательно с Z вх1. Помехи такого вида зависят только от собственных параметров канала связи, поэтому будем называть их внутренними.

При наличии нескольких каналов связи обычно обратный провод делают общим для всех или для нескольких линий связи из соображений экономии проводов или из-за невозможности изолирования общих выводов нескольких источников и приемников сигналов. Этот факт отмечен введением в эквивалентную схему Z общ.

Токовые (последовательные) внешние помехи, напряжение которых включено последовательно с ; – напряжение помехи, наводимой из второго канала связи в первый; – напряжение помехи, наводимой из первого канала связи во второй;

Потенциальные (параллельные) внешние помехи и соответственно, напряжение которых включено параллельно Zвх соответствующего канала: Zвх1 и Zвх2. Такое разделение вида помех позволяет получить обобщенные формулы для расчета значения помех на входе приемника сигнала.

Для параллельной внешней помехи верно равенство

где – изображение тока во втором канале (канале, создающем помеху). В соответствии со схемой

Помехи в радиоканалах

В процессе прохождения по каналу связи сигнал подвергается искажениям. Необратимые искажения формы сигнала в канале являются следствием воздействия помех. Помехой мы назовем любое случайное воздействие в канале связи на сигнал, приводящее к неисправимому искажению его формы. В общем случае характер воздействия помехи на сигнал можно выразить через оператор :

В частности, если , оператор имеет характер суммирования, помеха называется аддитивной . Если , помеха является мультипликативной . В более общем случае .

Источниками аддитивных помех являются физические явления, порождающие мешающие воздействия, способные исказить форму полезного сигнала. Среди источников помех следует отметить атмосферные (связанные с грозовыми явлениями), индустриальные (излучения электрических промышленных и медицинских приборов, систем автомобильного зажигания и т. д.), космические (излучения космических объектов), помехи от посторонних радиостанций и т. д. В любом канале связи типичными являются помехи флуктуационного характера, связанные с электрическими колебаниями шумового характера, возникающие вследствие электрических возмущений на уровне молекулярных и атомарных структур физических компонент, составляющих элементную базу функциональных блоков системы связи.

По характеру процессов аддитивные помехи можно разделить на гладкие, непрерывные, широкополосные по спектру частот (тепловые, флуктуационные шумы); импульсные (хаотические последовательности импульсов) - помехи в виде одиночных импульсов, следующие один за другим через такие промежутки времени, что переходные процессы в канале от одного импульса успевают практически завершиться к моменту прихода следующего импульса; сосредоточенные по спектру излучений - сигналы посторонних радиостанций, называемые иногда структурно-детерминированными в предположении известного характера модуляции мешающих радиосигналов; различного рода прицельные помехи - помехи, создаваемые противником.

Мультипликативные помехи чаще всего порождаются явлениями, связанными с особыми условиями распространения радиоволн в атмосфере. Случайные изменения неоднородностей окружающей среды - тропосферные, ионосферные, - приводящие к флуктуациям амплитуд и фаз канальных сигналов, многолучевость радиосигналов, приходящих в точку приема, являются основной причиной возникновения мультипликативных помех.

В радиолокации и радионавигации помехи принято делить на активные - помехи от различных мешающих источников - и пассивные помехи, возникающие в результате переотражения зондирующих сигналов от мешающих объектов. Кроме того, различают преднамеренные специально организованные противником - и непреднамеренные. Рассмотренные выше шумовые, индустриальные и взаимные помехи относятся к активным непреднамеренным. Прицельные или преднамеренные помехи создаются противником с помощью специальных средств радиопротиводействия. Они также могут иметь характер активных помех, создаваемых радиопередатчиками противодействия, либо пассивных помех, возникающих в результате переотражения от искусственных мешающих объектов (к ним можно отнести дипольные отражатели, ложные цели, разбросанную в воздухе металлическую фольгу и др.).

Различные математические модели помех будут рассмотрены далее.

Помеха в канале – это посторонний сигнал, спектр в котором частично или полностью совпадает с полезным сигналом. Помехи существуют как при наличии сигнала, так и при его отсутствии и обусловлены свойствами каналообразующего оборудования и внешними причинами. Соответственно, помехи делятся на два вида: внутренние и внешние .

К внутренним помехам относят тепловые помехи всех элементов, образующих канал, и помехи, вызванные нелинейностью устройств, входящих в канал связи.

К внешним помехам относят шумы нелинейных переходов, возникающие за счёт переходных влияний между параллельными цепями, шумы радиостанций, атмосферные помехи(пыльные бури, дожди), промышленные помехи(шумы от электроустановок и электрифицированных ЖД).

В линейных трактах, образованных различными линиями связи, наиболее значимы следующие виды помех: шумы линейных переходов, которые занимают половину мощности шумов в каналах связи, а так же тепловой шум и шумы нелинейных переходов.

В коаксиальных кабелях тепловые шумы и шумы нелинейных переходов приблизительно равны.

В ВЛС наиболее весомы внешние шумы. Это наиболее шумный канал.

Нормой шума в канале связи считается его мощность 10000пВт на 2.5 тысяч км. Действующую мощность и напряжение в канале принято оценивать псофометрическими единицами, то есть на выходе канала подключают псофометр (вольтметр с квадратичной шкалой, ко входу которого подключен псофометрический фильтр, оценивающий особенности чувствительности человеческого уха. Ухо человека наиболее чувствительно в диапазоне от 0,8 до 1,2кГц.

Псофометрический коэффициент вольтметра равен 0,75.

Если измеряют шум в каналах телевидения, то на входе такого вольтметра установлен контур, учитывающий особенности глаза. В каналах вещания псофометр рассчитан на диапазон до 15кГц.

Собственные помехи.

Тепловой шум, обусловленный хаотическим движением электронов, присутствует во всех элементах канала. К нему относят шумы транзисторов, диодов, ламп и так далее. Тепловой шум имеет флуктуационный характер, так как складывается из последовательности независимых кратковременных импульсов. Спектр такого шума практически равномерен в диапазоне до 6ГГц, поэтому уровень теплового шума в КТЧ при 20 0 С равен приблизительно –139дБм. Уровень собственных шумов на протяжении линейного тракта остаётся постоянным, а уровень сигнала, передаваемого по тракту, уменьшается. Причём большее затухание получают каналы, расположенные в верхнем диапазоне частот.

Помехозащищённость – это разница между уровнем сигнала и шума.

Для повышения помехозащищённости от собственного шума высокочастотных спектральных составляющих сигнала системы обычно работают в режиме с “перекосом уровней” ΔР.

Однако перекос уровней не компенсирует неравномерность затухания линейного тракта.

Перекос уровней делают меньше затухания, так как если компенсировать всю неравномерность, то в низкочастотных каналах появится недопустимый уровень шумов нелинейных переходов за счёт большой мощности сигнала в верхних каналах. Перекос уровней предназначен не для коррекции линейных искажений, а для повышения помехозащищённости от собственных шумов линейного тракта каналов, расположенных в высокочастотной области.

Атмосферные помехи.

К атмосферным помехам относят: газовые разряды, магнитные бури, полярные сияния, снежные и песчаные бури, осадки, и другие атмосферные явления большой интенсивности.

Уровень атмосферных помех в каналах ВЛС колеблется в диапазоне от –70 до – 80дБм.

Шумы линейных переходов.

Возникают вследствие электромагнитных влияний между параллельными цепями, в результате неоднородностей в линии связи, а также через 3 – и цепи.

Способы уменьшения шумов.

1.) Согласование выхода систем передачи со входом в линейный тракт.

2.) Инверсия и сдвиг линейного спектра для систем, работающим по параллельным цепям.

Инверсия спектра приводит к тому, что шумы в линейных переходах становятся не внятными, значит их влияние уменьшается, что эквивалентно повышению помехозащищённости на 7 дБм.

3.) Применение вариантов линейного спектра со сдвигом частот.

Вследствие сдвига частот переходные разговоры также будут не внятными, а помехозащищённость увеличится на 2 – 4 дБм в зависимости от величины сдвига.

Импульсные помехи.

Импульсные помехи – это кратковременные импульсы напряжения, амплитуда которых превышает амплитуду полезного сигнала. Причиной импульсных помех являются атмосферные помехи, а также плохие контакты, пайка и низкая квалификация обслуживающего персонала. Они возникают при переключении импульсного оборудования с основного на резервный. Импульсные помехи в телефонных каналах и каналах вещания проявляются в виде треска, а в каналах передачи данных снижают достоверность связи.

Импульсные помехи:

1.) Не должны превышать порога 100мВ с вероятностью 2·10 -5 за час.

2.) Не должны быть больше порога 200мВ с вероятностью 2·10 -6 за один час.

3.) Не должны быть больше порога 300мВ с вероятностью 1·10 -6 за один час.

Методы борьбы с помехами.

Защита кабельных линий связи от электромагнитных влияний осуществляется с помощью газоразрядников в оконечном оборудовании и повышения квалификации обслуживающего персонала.

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 связи определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных звеньев канала. Если эти линейные и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, то их в принципе можно устранить путем соответствующей коррекции.

Помехи в отличие от искажений имеют случайный характер, они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены. Подпомехой понимается любое воздействие на полезный сигнал, затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны по своему происхождению и физическим свойствам. Это могут быть атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере (грозовые разряды и другие), которые в наибольшей степени влияют на сигналы в радиоканалах. Энергия этих помех сосредоточена в основном в области длинных и средних волн. Имеют место также индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях различных электрических устройств промышленного назначения (электротранспорт, системы зажигания двигателей, медицинские установки и т.д.). Существуют помехи от посторонних радиостанций и каналов, обусловленные нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабильностью этих частот и плохой фильтрацией гармоник сигнала.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных шумов часто обуславливается автоматической коммутацией и перекрестными наводками. Прерывание связи это явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает. Основной их причиной являются нарушения контактов в реле.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в различных элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют место и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами на Солнце, звездах.

В общем случае влияние помехи N(t) на сигнал U(t) можно выразить оператором

В частном случае оператор f вырождается в сумму

и помеха называется аддитивной.

Когда оператор f представлен в виде произведения

помеха называется мультипликативной.

реальных сигналах имеют место оба вида помех.

Среди аддитивных помех особое место занимает флуктуационная помеха или флуктуационный шум, представляющий собой случайный процесс с нормальным распределением (гауссовский процесс). Эта помеха наиболее изучена и имеет место практически во всех реальных каналах связи. С физической точки зрения такие помехи порождаются случайными, т.е. флуктуационными отклонениями тех или иных физических величин от их средних значений. Так источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов).

Имеют место также импульсные или сосредоточенные по времени помехи (атмосферные, индустриальные), а также помехи сосредоточенные по спектру (основной вид помех для коротковолновой связи – это сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокочастотных в промышленности, медицине и т.д.).