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.

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.

Помехами называются напряжения или токи постороннего происхождения, появляющиеся в каналах связи и ограничивающие дальность передачи полезных сигналов. Помехи, частоты которых лежат в полосе звуковых частот, создают слышимый в телефоне или громкоговорителе шум, снижающий качество связи или вещания. Высокочастотные помехи, проходя через аппаратуру канала связи, также могут проявляться в виде шумов. Помехи в полосе видеочастот ухудшают изображение на экране кинескопа телевизора.

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на собственные помехи канала связи, взаимные, создаваемые влиянием каналов связи друг на друга, и внешние от посторонних электромагнитных полей.

Собственные помехи или шумы возникают от источников, находящихся в данном канале связи. Они существуют независимо от передачи информации по другим каналам связи и в основном определяются следующими причинами: пульсация выпрямленного напряжения источников питания, недоброкачественными контактами в аппаратуре и на линиях, кратковременными короткими замыканиями, тресками, создаваемыми токами разряда конденсатора, микрофонными шумами, нелинейными искажениями в аппаратуре тракта передачи и т.д.

Взаимные помехи, возникающие при передачи информации по соседним каналам, появляются в результате недостаточного переходного затухания между данным каналом и влияющими каналами, различные повреждения в аппаратуре влияющих каналов.

Внешние помехи делятся на промышленные, радиопомехи, атмосферные и космические. Промышленные помехи создаются в результате влияния электромагнитных полей различных электронных устройств: линии электропередачи, электрооборудование промышленных предприятий, контактных сетей электрифицированного транспорта (трамвая, троллейбуса). Радиопомехи возникают от излучения радиостанций различного назначения.

К атмосферным относятся помехи, вызванные различными атмосферными явлениями: магнитными бурями, грозовыми разрядами и т.д. К космическим - электромагнитные помехи, создаваемые излучением Солнца.

Мешающее действие шумов в проводных каналах определяется отношением напряжения шумов к напряжению полезного сигнала. Это отношение оценивается разностью уровней полезного сигнала и шумов, называемой защищенностью канала от шума. Исследования показали, что при воспроизведении речи и музыки необходимо иметь определенное соотношение сигнал-шум. Нормальный прием речевого сигнала обеспечивается при 20дБ в телефонном канале. Хорошее воспроизведение радиовещания возможно при 40дБ. В телефонных и вещательных каналов мешающее действие шумов определяется наличием в их частотном спектре составляющих, которые наиболее сильно действуют на слух человека. Известно, что не все частоты одинаково воспроизводятся телефоном и громкоговорителем и воспринимаются ухом. Доказано, что наибольшая чувствительность системы телефон-ухо лежит в области 800 Гц, а громкоговоритель-ухо в области 1000 Гц.

Помехи измеряются с учетом избирательности органов восприятия и неравномерности АЧХ. Для этого при измерении помех в телефонных и вещательных каналах определяют не общее напряжение помех, а так называемое псофометрическое.

Псофометрическим напряжением называется напряжение помех, существующее на нагрузочном резисторе сопротивлением 600 Ом, согласованным с выходным сопротивлением питающей цепи.

Псофометр

Псофометром называется электронный измерительный прибор для измерения помех в каналах связи и вещания. Он представляет собой электронный вольтметр с избирательностью, определяемой псофометрическими характеристиками. На рисунке 1 приведена структурная схема псофометра.

Рисунок 1 – Структурная схема псофометра

Входное устройство обеспечивает значительное входное сопротивление 200 кОм на средних частотах и не менее 6 кОм на краях диапазона. Предусмотрено низкоомное входное сопротивление 600 Ом для согласования входа псофометра с измеряемой цепью.

Основными узлами псофометра являются полосовые фильтры: один с телефонной псофометрической характеристикой и второй с вещательной. Чтобы псофометр можно было использовать как обычный квадратичный вольтметр, предусмотрен эквивалент затухания.

Помеха — всякое постороннее воздействие на полезный сигнал, оказывающее мешающее действие при его приеме и проявляющее себя изменением его формы.

Классификация помех приведена на рисунке 1.

Аддитивной является сумма полезного сигнала Sм(t) и помехи N 0 (t):

Z(t)=Sм(t)+N 0 (t) (6)

Мультипликативной является произведение полезного сигнала и помехи:

Z(t)=Sм(t)?N 0 (t) (7)

Рисунок 1 - Классификация помех

Внешними являются помехи, возникающие вне канала, к ним относятся:

• атмосферные возникают в атмосфере земли и могут быть вызваны грозовыми разрядами, осадками, пылевыми бурями, северным сиянием;
• космические возникают в космическом пространстве и могут быть вызваны солнечной активностью, космическими телами;
• промышленные могут быть вызваны промышленными установками: высокочастотными генераторами, высоковольтными линиями электропередачи, электрифицированным транспортом;
• от других систем связи обуславливаются воздействием на полезный сигнал одной системы связи сигналов других систем, например, прослушивание радиопередач или другого разговора в телефонной трубке, прием на одной частоте срезу нескольких радиопередач.

Внутренними являются помехи, возникающие внутри канала, к ним относятся собственные шумы , которые, в свою очередь, подразделяются на:

• тепловые — обусловлены хаотическим движением электрических зарядов в проводниках;

• дробовые — обусловлены неоднородной плотностью носителей заряда в проводниках.

Собственные шумы не могут быть устранены, т. к. они вызваны физикой процесса передачи электрической энергии.

Импульсными помехами являются сконцентрированные по времени скачки тока или напряжения (рисунок 2а).

Флуктуационные помехи вызваны флуктуациями (отклонением от среднего значения) тока и напряжения (рисунок 2б).

Периодические помехами являются периодические скачки тока или напряжения (рисунок 2в).

Рисунок 2 - Виды помех по форме: а) импульсные, б) флуктуационные, в) периодические

Собственные шумы канала являются флуктуационными помехами и имеют спектральную плотность мощности равномерно распределенную во всех диапазонах частот используемых для электросвязи (0…10 14 Гц). По аналогии с белым светом, имеющем в своем спектре составляющие на всех частотах, данные шумы называются белым шумом.

При прохождении сигнала через систему связи и при воздействии на него помехи его форма изменяется. Изменение формы сигнала называется искажением.

Различают нелинейные и линейные искажения.

Нелинейными являются искажения, при которых в спектре сигнала появляются новые составляющие. Такие искажения вызваны нелинейностью характеристик элементов и блоков, входящих в аппаратуру системы связи.

Линейными являются искажения, при которых в спектре сигнала не появляются новые составляющие. Такие искажения возникают из –за изменения соотношения между составляющими спектра сигнала. Линейные искажения бывают амплитудно-частотными (АЧИ), при которых изменяются амплитуды составляющих спектра сигнала и фазо-частотные (ФЧИ), при которых изменяются фазы составляющих спектра. На рисунке 3а приведен сигнал являющийся результатом сложения двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами и фазами и отличающимися друг от друга частотами (обозначен толстой линией). Соответственно в спектре данного сигнала присутствует две гармонических составляющих на частотах w с и 2w с. На рисунке 3б уменьшилась амплитуда второй гармоники, в результате чего изменилась форма сигнала, т. е. произошли амплитудно-частотные искажения. На рисунке 3в изменилась фаза второй гармоники на 90°, в результате чего, опять произошло изменение формы сигнала, т. е. произошли фазо-частотные искажения. Как видно из диаграмм в спектре сигнала и в первом и во втором случае новые составляющие не появились, хотя форма сигнала изменилась.

Рисунок 3 - Линейные искажения: а) сигнал; б) амплитудно-частотные искажения; в) фазо-частотные искажения

АЧИ объясняются не равномерностью коэффициента передачи для различных составляющих спектра сигнала. При идеальной АЧХ коэффициент передачи одинаков для всех составляющих спектра сигнала и АЧИ отсутствуют. Реальная АЧХ четырехполюсника с увеличением частоты имеет спад (рисунок 4а), что приводит к уменьшению амплитуды высокочастотных составляющих спектра сигнала и соответственно к АЧИ.

ФЧИ вызваны неодинаковым временем задержки tз=j/w для составляющих различных частот.. При идеальной ФЧХ время задержки для всех составляющих одинаковое и ФЧИ отсутствуют. Реальная ФЧХ имеет подъем на высоких частотах, поэтому время задержки для высокочастотных составляющих меньше чем для никочастотных и появляются ФЧИ (рисунок 4б).

Рисунок 4 - Характеристики четырехполюсника: а) АЧХ; б) ФЧХ

Компенсация АЧИ и ФЧИ осуществляется специальными устройствами — корректорами.

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.