Общая характеристика помех и искажений в каналах связи. Помехи в радиоканалах

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.

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.

Помехи в системах связи

Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются:

а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве;

б) электроустановками и соседними р/станциями;

в) средствами постановки преднамеренных помех.

Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.

Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:

где S(t) - передаваемый сигнал, n(t) - помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.

А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.

Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).

В. Синусоидальные помехи (СП) - помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:

• станции преднамеренных помех;
• генераторы ВЧ сигналов;
• радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.

Искажения сигналов в линиях связи

Искажения сигналов в ЛС обусловлены хаотическим изменением коэффициента передачи физической среды, в которой распространяется сигнал. Изменения коэффициента проявляется в флуктуациях амплитуды и фазы в точке приема. В КВ и УКВ диапазонах частот возникают искажения сигналов в виде замираний, обусловленных многолучевостью распространения сигналов. Обычно такие искажения называют мультипликативной помехой. В этом случае радиосигнал представляется в виде произведения

передаваемого сигнала S(t), и помехи m(t).

В общем случае на полезный сигнал воздействуют аддитивная и мультипликативная помехи.

Речевые сообщения и методы их преобразования

Речь - непрерывный нестационарный случайный процесс, образованный следующими друг за другом звуками.

Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки, полость рта и носа. Спектральная плотность речевого процесса S(t), определенная экспериментально, представлена на рисунке 1.

Она достигает максимального значения на частоте 500 Гц. Ширина спектра на уровне 0,5 составляет примерно 3 КГц (DF=3400-3100) для служебной связи. В радиовещании художественных программ (КВ) – 50-4500 Гц, в УКВ спектр ТЛФ КС – 30-10000 Гц.

Возможные способы передачи речи делятся на:

• непосредственную передачу речевого сигнала;
• передача с предварительным преобразованием речевого сигнала.

Непосредственная передача речевого сообщения может осуществляться по аналоговым, импульсным и цифровым каналам. В аналоговых КС сигналом является гармоническое колебание, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза) изменяется по закону речевого сообщения. При передаче речевых сообщений по импульсным КС по закону речевого процесса изменяются параметры радиоимпульсов (амплитуда, длительность и время появления). В цифровых КС непрерывные речевые сообщения передаются с помощью цифровых сигналов.

Передача с предварительным преобразованием речевого сигнала осуществляется по каналам связи, имеющим физические ограничения, в частности малую полосу пропускания (скорость передачи информации). Для этого аналоговый сигнал предварительно искажается в основном двумя путями:

• путем непосредственной компрессии (сжатия по амплитуде, частоте или длительности передачи звуков);
• >на основе методов функционального преобразования, а затем, на приемной стороне, восстанавливается. Последний подход широко используется в современных сотовых сетях связи.

При передаче сигнала по линии связи он искажается и воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения сигналов в канале связи и помехи, воздействующие на сигнал .

Искажения часто обусловлены известными характеристиками линии связи и тогда могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены. Они весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Можно дать следующую классификацию помех по месту их возникновения:

атмосферные помехи;

промышленные помехи (индустриальные помехи);

космические помехи;

электризационные помехи;

помехи посторонних каналов связи;

внутренние шумы.

Атмосферные помехи обусловлены электрическими процессами в атмосфере и, прежде всего, грозовыми разрядами. Энергия этих помех сосредоточена, главным образом, в области ДВ и СВ.

Промышленные помехи возникают из-за резких изменений тока в электрических цепях всевозможных электроустановок. К ним относятся помехи от электротранспорта, электрических моторов, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т.д.

Космические помехи создаются радиоизлучением внеземных источников. Они создают общий шумовой фон и в наибольшей степени проявляются на ультракоротких волнах.

Электризационные помехи, часто возникающие во время пурги или песчаной бури, создаются наэлектризованными снежными частицами или песчинками. Эти помехи возникают при скорости ветра свыше 5,5 м/с и ощутимы на частотах ниже 15 МГц.

Помехи посторонних каналов связи – обусловлены работой посторонних радиостанций. С учетом источника происхождения их называют также стационарными. Этот вид помех наиболее характерен для КВ диапазоне.

В зависимости от характера изменения во времени различают флуктуационные, импульсные (сосредоточенные во времени) и узкополосные (сосредоточенные по спектру) помехи.

Флуктуационная помеха представляет собой непрерывное колебание, меняющееся случайным образом. Часто она описывается нормальным законом распределения. Быстрое изменение во времени позволяет заменить реальные флюктуационные помехи так называемым белым шумом - процессом с постоянным спектром.

Импульсные помехи представляет собой случайную последовательность коротких сигналов обычно следующих редко, что реакция приемника на текущий импульс успевает уменьшится до нуля к моменту появления очередного импульса. Типичными примерами таких помех являются сигналы, создаваемые разрядами молний или искрением контактов в электрических двигателях.

Сосредоточенные по спектру помехи занимают сравнительно узкую полосу частот, существенно меньшую полосы частот сигнала. Чаще всего они обусловлены сигналами посторонних радиостанций, или излучениями промышленных или медицинских генераторов высокой частоты различного назначения.

В зависимости от характера воздействия различают аддитивную помеху суммирующуюся с полезным сигналом и мультипликативную помеху

где – переданный сигнал, – аддитивная помеха;

Помехи и искажения в канале

В реальном канале сигнал при передаче искажается и сообщение воспроиз­водится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются как искаже­ния, вносимые самим каналом, так 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 надлежащей коррекцией. Следует отличать искажения от помех, имеющих случайный ха­рактер. Помехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью уст­ранены.

Помехой называется любое случайное воздействие на сигнал, которое ухуд­шает верность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи весьма разно­образны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. 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 всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, сис­тем зажигания двигателей и т.п. Распространенным видом помех являются по­мехи от посторонних радиостанции 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 перекрестным искажениям.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных помех часто связано с авто­матической коммутацией и перекрестными 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 диапазоне ультракоротких волн, где Другие помехи невелики. В этом диапазоне имеют значение и космические по­мехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звёздах и других внеземных объектах. В общем виде влияние помехи n(t) на полезный сигнал u(t)можно выразить оператором

z(t) = L. (2.1)

В частном случае, когда оператор вырождается в сумму

z(t) = s(t)+n(t) , (2.2)

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

z(t) = k(t)u(t), (2.3)

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

z(t) = k(t)u(t) + n(t). (2.4)

Среди аддитивных помех различного происхождения выделяют сосредото­ченные по спектру (узкополосные) помехи, сосредоточенные во времени (импульсные) помехи и так называемую флуктуационную помеху, не ограни­ченную во времени и спектру. Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет 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. В диапазоне оп­тических частот существенное значение имеет квантовый шум, вызванный дис­кретной природой сигнала. Мультипликативные помехи обусловлены случай­ными изменениями параметров канала связи. В частности, эти помехи прояв­ляются в изменении уровня сигнала.

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 всех других приёмников. Электромагнитное излучение звезд являет­ся одной из причин космического шума в диапазоне сверхвысоких частот и поэтому является помехой для систем радиосвязи. С другой стороны, это излу­чение является полезным сигналом, по которому определяют некоторые физи­ко-химические свойства звёзд.

Лекция №3. Понятие об излучении и распространении радиоволн

Радиосвязь осуществляется при помощи электромагнитных волн, распространяющихся в частично ограниченном (например, земной поверхностью) пространстве.

Следует сразу подчеркнуть различие между статистическим электрическим (или магнитным) полем и полем электромагнитной волны . Дело в том, что напряженность статического электрического поля, создаваемого системой заряженных тел (или статического магнитного поля, создаваемого системой проводов, обтекаемых токами) при больших расстояниях убывает с третьей степенью расстояния, или еще быстрее. В то же время напряженность как электрической, так и магнитной составляющей поля свободно распространяющейся электромагнитной волны убывает лишь с первой степенью расстояния. Этим и обусловлена возможность связи на больших расстояниях при помощи электромагнитных волн.

Процесс создания распространяющейся от источника электромагнитной волны, называется излучением .