Параграф 2.2: Искажения и помехи в каналах связи.

Раздел 2: Каналы электросвязи

Параграф 2.1: Определœение классификации каналов связи.

Каналом передачи информации принято называть совокупность технических средств, предназначенных для передачи сообщений. Под техническими средствами при этом принято понимать как технические устройства, осуществляющие обработку сообщений сигналов, так и линии связи, физическая среда, в которой располагается сигнал между функциями связи.

Классификация каналов связи возможна по следующим признакам:

1. по назначению

2. по характеру линии связи

3. по диапазону используемых ими частот

4. по характеру сигнала на входе и выходе канала

По назначению каналы делят:

­ телœефонные

­ телœеграфные

­ передача данных

­ телœевизионные

­ фототелœеграфные

­ звукового вещания

Учитывая зависимость оттого, распространяется сигнал между пунктами связи в свободном пространстве или по направленным линиям различают:

­ канал радиосвязи

­ канал проводной связи (воздушные, кабельные, волоконно-оптические линии связи)

На воздушных проводных линиях используются частоты не свыше 150кГц, т.к. на более высоких частотах возрастают помехи и увеличиваются затухания. Коаксиальные кабели, являющиеся основой сетей магистральной дальней связи пропускают диапазон частот до сотен МГц. Радиосвязь осуществляется с помощью электромагнитных волн, распространяется в частично ограниченном(к примеру: землей и ионосферой) пространстве. Сегодня в радиосвязи применяют частоты примерно от 3*103 – 3*1012Гц. Этот диапазон принято в соответствии с десятичной классификации подразделять следующим образом:

Наименование волн	Длина волн	Наименование частот	Частоты
Декакилометровые (сверх длинные; СВД)	100…10 км	ОНЧ	3…30 кГц
Километровые (длинные; ДВ)	10…1 км	НЧ	30…300 кГц
Гектаметровые (средние; СВ)	1000…100 м	СЧ	300…3000 кГц
Декаметровые (короткие; КВ)	100…10 м	ВЧ	3…30 МГц
Метровые (ультракороткие; УКВ)	10…1 м	ОВЧ	30…300 МГц
Дециметровые	100…10 см	УВЧ	300…3000 МГц
Сантиметровые	10…1 см	СВЧ	3…30 ГГц
Миллиметровые	10…1 мм	КВЧ	30…300 ГГц
Децимиллиметровые	1…0,1 мм	ГПЧ	300…3000 ГГц

В таблице, в скобках, указаны не стандартные, но используемые на практике названия диапазонов волн. Диапазон децимиллиметровых волн уже вплотную подходит к диапазону инфракрасных волн. Сегодня, благодаря созданию и широкому внедрению квантовых генераторов или лазеров, освоен и диапазон световых волн (оптический диапазон). Практически, в оптико-волоконных линиях связи используются частоты порядка 1014 Гц (длины волн:1,55; 1,35; 0,85 микронов). Важно заметить, что для современного этапа развития техники связи характеризуется тенденция к переходу на более высокие частоты. Это вызвано крайне важно стью повышать скорость передачи информации, меньше интенсивность помех, высокочастотный диапазон, возможность применения помехоустойчивых широкополосных методов модуляции. Применение систем связи с расширенным спектром дает дополнительные возможности по защите информации. По характеру сигналов на входе и выходе канала различают:

­ дискретные каналы

­ непрерывные каналы

­ полунепрерывные каналы

Всякий дискретный и полу непрерывный канал обязательно содержит внутри себя непрерывный канал – линию связи. Дискретность и непрерывность канала не связана с характером передаваемых сообщений. Можно передавать дискретные сообщения по непрерывному каналу и наоборот.

Передача сообщений и соответствующих им электрических сигналов через реальные каналы связи сопровождается их изменениями. Эти изменения обусловлены несовершенством реальных каналов. Их можно подразделить:

­ детерминированные

­ случайные

Детерминированные изменения сигнала в непрерывном канале определяется построением канала и сводится к изменению масштаба (ослаблению или усилению), задержки (изменение формы сигнала). В дискретном канале детерминированные изменения приводят лишь к задержке, т.к. там входные и выходные сигналы имеют фиксированную импульсную форму. Случайные изменения сигнала в непрерывном так и в дискретном каналах обусловлены помехой, действующей в непрерывном канале. Помеха – случайный процесс, налагающийся на передаваемые сигналы, а также, случайные изменения параметров канала, к примеру, коэффициент передачи. В непрерывном канале, помеха приводит к случайным изменениям формы, масштаба и задержки сигнала. В дискретном канале – к ошибкам. С точки зрения передачи информации, важно подразделœение изменения сигнала на обратимые, т.е не приводящие к потере информации и необратимые. Детерминированным обратным преобразованием входного сигнала является преобразование вида:

.

Выходной канал Y(t) отличается от входного X(t) масштабом k и задержкой t. Масштаб должна быть легко восстановлен с помощью соответствующего усиления или ослабления сигнала. Задержка сигнала приводит к задержке приема сообщений. В случае если X(t) в последнем выражении узкополосный сигнал, его удобно представить в квазигармонической форме:

где - медленно меняющиеся функции времени. При малой задержке t, можно считать, что , и выходной сигнал канала Y(t) можно записать в виде:

Фазовый сдвиг в канале.

При узкополосном сигнале малая задержка сводится к некоторому сдвигу фаз. Необратимыми изменениями сигнала являются изменения его формы, вызываемые влиянием линœейных и нелинœейных искажений и помех. При введении этих понятий полагаем, что канал имеет эквивалентную схему замещения в виде четырехполюсника с постоянными параметрами.

Линœейными искажениями называются изменения сигнала, которые возникают в инœерционном (содержит реактивные элементы) линœейном четырехполюснике с постоянными параметрами. Во временной области линœейные искажения объясняются отличием формы импульсной реакции от . Условием отсутствия искажений является равенство , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ точно возможно только в безынерционном четырехполюснике. При выполнении этого условия, сигнал на выходе канала связан с входным сигналом X(t) в соответствии с интегралом Дюамеля случайным соотношением:

Откуда, в соответствии с фильтрующим свойством d функции , что соответствует случаю наличия в канале лишь обратимых искажений. В частотной области линœейные искажения объясняются нарушением тех соотношений амплитуд и фаз гармонических составляющих, которые существуют в передаваемом сигнале. Нарушения соотношений амплитуд называют частотными, а фаз – фазовыми искажениями. Для их отсутствия нужно, чтобы для всœех гармонических составляющих сигнала были одинаковы: , .

Поскольку , для выполнения равенства крайне важно, чтобы была линœейной функцией частоты, ᴛ.ᴇ. , где . Неравномерность амплитудно-частотной характеристики и нелинœейность фазы частотной характеристики приводит к возникновению искажений формы передаваемых импульсов. Импульсы расплываются во времени вследствие чего, возникает их взаимная (межсимвольная) интерференция (наложение).

Нелинœейными называются искажения сигнала, которые возникают в нелинœейном безынерционном четырехполюснике с постоянными параметрами из-за нелинœейности их амплитудных характеристик.

Амплитудной характеристикой принято называть зависимость сигнала на выходе четырехполюсника от сигнала на его входе . Коэффициент передачи четырехполюсника в случаи, когда такая зависимость нелинœейная, зависит от уровня поступающего на его вход сигнала.

В результате нелинœейных искажений, спектры сигналов расширяются, в них появляются дополнительные гармонические составляющие, вследствие чего, форма сигналов также изменяется.

Для рассмотрения помех в непрерывных каналах выходной сигнал Y(t) можно представить в виде:

Аддитивная помеха обусловлена возникновением в канале случайной ЭДС. Основные причины, вызывающие аддитивные помехи:

1. тепловые шумы в радиоэлектронных элементах

2. наводки, обусловленные природными или промышленными процессами.

Аддитивные помехи делят:

­ сосредоточенные

­ флуктуационные

Сосредоточенные характеризуются сосредоточенностью энергии в полосœе частот (узкополосные или сосредоточенные по спектру) или на отрезке времени (импульсные помехи). Узкополосная помеха имеет спектр, составляющий наибольшую часть полосы пропускания каналов. Чаще всœего эти помехи обусловлены действием посторонних источников, к примеру, сосœедних станций в радиосвязи. Импульсные помехи – случайные последовательности относительно коротких импульсов, создаваемые промышленными установками и атмосферными источниками.

Флуктуационная помеха занимает промежуточное положение между сосредоточенными по спектру импульсными помехами. Она характеризуется размытостью энергии по частоте и по времени, в связи с этим подавить ее невозможно. Борьба с флуктуационной помехой реализуется путем использования оптимальных методов приема сигналов. Основная причина возникновения – тепловой шум, математической моделью которого является белый шум.

Мультипликативная помеха обуславливается случайными изменениями коэффициента передачи канала, они возникают из-за изменения характеристик среды, в которой располагаются сигналы; коэффициента усиления электронных схем при изменении питающих напряжения; из-за замирания сигналов в результате взаимного наложения и различных затуханий при многолучевом распространение радиоволн.

Помимо мультипликативных и аддитивные помех существуют помехи, влияние которых на сигнал зависит от самого сигнала нелинœейным образом. К числу таких помех относится, к примеру, существующие для оптических каналов связи помехи квантовый шум, вызванный дискретной природой излучения светового сигнала. Интенсивность этой помехи коррелированна с интенсивностью самого сигнала.

Параграф 2.2: Искажения и помехи в каналах связи. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Параграф 2.2: Искажения и помехи в каналах связи." 2017, 2018.

В реальном канале 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 поэтому, в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отделять искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехами понимаются любые возмущения в канале передачи информации, вызывающие случайные отклонения принятого сообщения от переданного и затрудняющие его прием.

Откуда же берутся помехи и как они попадают в приемник? Приведем всем известный пример. В комнате прослушивается магнитофонная запись. Но слушатель воспринимает не только записанную музыку (полезное сообщение), но и разговоры сосе­дей, и шум транспорта с улицы, и звуки из соседней комнаты и т. д. Это все помехи. Точно так же и в любом канале электросвя­зи. Современный мир полон не только звуков, но и электромагнитных колебаний естественного и искусственного происхожде­ния. Они везде и всюду. Часть из них, конечно, теми или други­ми путями проникает на вход приемника, хотя мы и пытаемся этому препятствовать.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подклю­чившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» – полезный сиг­нал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим приз­накам:

– по происхождению (месту возникновения);

– по физическим свойствам;

– по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние помехи, например, внутрен­ние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных прибо­рах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста:

U 2 ш = 4×k ×T ×R ×F ,

(9.1)

где Т – абсолютная температура сопротивления R ;

F – полоса частот;

R =1,37*10 -23 В×с/град – постоянная Больцмана.

Как следует из (9.1), эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (T = 0 К).

Среди внешних помех, то есть помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

· атмосферные помехи (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

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

· помехи от посторонних станций и каналов, возникающие 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 различают флуктуационные и со­средоточенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флукту­ациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (от лат. fluctuation – колеба­ние) – случайные отклонения физических величин от среднего значения.

Для такой помехи ха­рактерно очень малое число выбросов, превышающее средний уровень более чем в 3–4 раза. Но большие (в принципе, беско­нечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широ­кий. Флуктуационные помехи проникают в систему связи не толь­ко извне, они зарождаются также внутри самой системы в раз­личных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в ос­новном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в элек­тронных приборах. К внешним флуктуационным помехам приня­то относить помехи космического происхождения, помехи, выз­ванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток и некоторые другие). Хо­тя эти помехи по своему происхождению и не являются строго флуктуационными, но они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от ха­рактера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сиг­нале эта помеха прослушивается как звуковой шум, поэтому ча­сто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размы­тость контуров и понижение контраста изображения, при теле­графной передаче – ошибочное принятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие эти помехи, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромаг­нитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам отно­сятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности и длительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени.

Причина­ми импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостан­ции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспече­ния транспорта; перегрузки усилителей; плохие контакты в обо­рудовании и питании; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатационные работы (реконструкция, про­филактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т. п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи по­сторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различно­го назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), пе­реходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с ши­риной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра по­лезного сигнала. В диапазоне декаметровых волн, например, они являются основными видами помех.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют 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. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процес­сом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Про­стейший пример – телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером мультипликативной по­мехи являются интерференционные замирания сигнала при при­еме на декаметровых волнах.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не од­на, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как адди­тивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы 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, возника­ющие в линейных цепях; нелинейные, возникающие в 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. А дальше измерение фор­мы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Это уже дело техники. Другое дело помехи – они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами – основная задача теории и техники свя­зи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и 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:

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

2. Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиоли­нии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3. Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей стороне и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехоустойчивое кодирование.

В реальном канале 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 звеньев канала. Если линейные и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, то они, по крайней мере в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отличать искажения от помех, имеющих случайный. характер. Помехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехой понимается любое воздействие на полезный сигнал, затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. В радиоканалах наиболее распространенными, являются 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 всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т. п.

Распространенным 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, ведущими к перекрестный искажениям.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульснцх помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрестными наводкамн. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает. Такие прерывания могут быть вызваны различными причинами, из которых наиболее частыми являются нарушения контактов в реле.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн, где другие помехи невелики. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

В общем виде влияние помехи на передаваемый сигнал можно выразить оператором

В частном случае, когда оператор вырождается в сумму

помеха называется аддитивной. Если же оператор может быть представлен в виде произведения

то помеху называют мультипликативной. Здесь - случайный процесс. В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные и мультипликативные помехи, и поэтому

Среди аддитивных помех различного происхождения особое место занимает флуктуационная помеха (флуктуационный шум), представляющая собой случайный процесс с нормальным распределением (гауссовский процесс). Такая помеха наиболее изучена и представляет наибольший интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении. Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

С физической точки зрения такие помехи порождаются различного рода флуктуациями, т. е. случайными 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). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Сумма большого числа любых помех от различных источников также имеет характер флуктуационной помехи. И, наконец, многие помехи при прохождении через приемное устройство часто приобретают свойства нормальной флуктуационной помехи.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжение) на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Тепловой шум на входе приемника представляет собой нормальный случайный процесс с нулевым средним энергетическим спектром:

где постоянная Планка; постоянная Больцмана; абсолютная температура источника шума; текущая частота.

В диапазоне звуковых и радиочастот и поэтому спектральная плотность постоянна и равна

Величину называют односторонней спектральной плотностью шума. При ширине полосы пропускания приемника мощность шума равна

В диапазоне оптических частот, который с развитием квантовой электроники становится весьма перспективным для связи, наоборот, и тепловой игум оказывается очень слабым. Однако в этом диапазоне существенное значение получает «квантовый шум», вызванный дискретной природой излучения сигнала. Сущность квантового шума связана с соотношением неопределенности, согласно которому средние квадратичные ошнбин при измерении энергии фотона и временя его прихода подчиняются неравенству Поэтому даже при отсутствии аддитивных помех сигнал не может быть принят абсолютно точно. В первом приближении можно рассматривать квантовый шум как помеху со спектральной плотностью, равной энергии фотона . В оптическом диапазоне частота выше Гц, поэтому квантовый шум весьма ощутим.

К импульсным, или сосредоточенным по времени, помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в приемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К таким помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. Заметим, что понятия «флуктуационная помеха» и «импульсная помеха» являются понятиями относительными. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемщик с

широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приемник с относительно узкой полосой пропускания. Импульсные помехи представляют собой случайный процесс, состоящий из отдельных редких, случайно распределенных во времени и по амплитуде, импульсов. Статистические свойства таких помех с достаточной для практических целей полнотой описываются распределением вероятностей амплитуд импульсов и распределением временных интервалов между этими импульсами.

К сосредоточенным по спектру помехам принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (промышленных, медицинских) и т. п. В общем случае это модулированные колебания, т. е. квазигармонические колебания с изменяющимися параметрами. В одних случаях эти колебания являются непрерывными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других случаях они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций). В отличие от флуктуационных и импульсных помех, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев не превышает полосы пропускания приемника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим качество связи.

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.

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.