Помехи и искажения в каналах связи. Помехи в системах связи

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.

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.

(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.

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.

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 электроустановок. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т. п.

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 совсем исчезает. Такие прерывания могут быть вызваны различными причинами, из которых наиболее частыми являются нарушения контактов в реле.

В общем виде влияние помехи n(t) на передаваемый сигнал u(t) можно выразить оператором

z =ψ(u , n ). (1.5)

В частном случае, когда оператор ψ вырождается в сумму

z =u +n , (1.6)

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

z =ku , (1.7)

то помеху называют мультипликативной . Здесь k(t) – случайный процесс. 1 В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные и мультипликативные помехи, и поэтому

z =ku +n =s +n . (1.8)

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.

, (1.9)

где h  6,6·10 -34 Дж·с – постоянная Планка; k  1,38·10 -23 Дж/град. – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура источника шума; f – текущая частота.

В диапазоне звуковых и радиочастот hf <<kT , и поэтому спектральная плотность постоянна и равна

. (1.10)

Величину N 0 = kT называют односторонней спектральной плотностью шума. При ширине полосы пропускания приемника F мощность шума равна P ш =N 0 F , Вт.

В диапазоне оптических частот, который с развитием квантовой электроники становится весьма перспективным для связи, наоборот, hf >>kT и тепловой шум 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 ошибки при измерении энергии фотона σ Е и времени его прихода σ t подчиняются неравенству σ Е σ t ≥h . Поэтому даже при отсутствия аддитивных помех сигнал не может быть принят абсолютно точно. В первом приближении можно рассматривать квантовый шум как помеху со спектральной плотностью, равной энергии фотона hf . В оптическом диапазоне частота f выше 10 15 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 приёмник 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.

1 Строгие определения случайного процесса и его энергетического спектра будут даны позже.

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.

В процессе прохождения по реальным каналам связи сигналы подвергаются искажениям, поэтому получаемые сообщения воспроизводятся с некоторыми ошибками. Эти ошибки обусловлены характеристиками тракта передачи, а также помехами, воздействующими на сигнал. Изменение характеристик тракта, как правило, имеет регулярный характер, и поэтому их можно в большинстве случаев устранить посредством соответствующей коррекции. Помехи же, воздействующие на сигнал, имеют случайный характер, то есть они заранее неизвестны, и поэтому их влияние нельзя полностью устранить.

Помехой принято называть любое случайное воздействие на сигнал, которое снижает достоверность воспроизведения передаваемых сообщений. Существующие помехи весьма разнообразны по своей природе и физическому воздействию.

В радиоканалах различают:

· Атмосферные помехи, обусловлены грозовыми электрическими процессами. Наиболее вредное воздействие эти помехи оказывают в области длинных и средних волн. Первым обнаружили их негативное влияние изобретатель радио А. С. Попов;

· Индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в цепях электроустройств. Это помехи это помехи от электротранспорта, систем зажигания двигателей, медицинских установок, электродвигателей;

· Помехи от посторонних радиостанций, возникающие вследствие плохой фильтрации гармоник сигнала, недостаточной стабильности частот, нарушения регламента рабочий частот, нелинейности каналов, что приводит к образованию новых колебаний;

· Космические помехи, обусловленные электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектов.

В каналах проводной связи основными видами помех являются импульсные шумы и прерывание связи. Импульсные шумы возникают при автоматической коммутации и вследствие перекрестных наводок. Прерывание связи называется явление, при котором сигнал либо резко затухает, либо совсем пропадает, например, из-за нарушения контактов при соединении.

Все казанные помехи относятся к внешним помехам, однако имеются и внутренние помехи, возникающие в аппаратуре, например в усилителях и преобразованиях частот. Внутренние помехи обусловлены, главным образом, наличием тепловых шумов - хаотического движения носителей заряда (электронов) в проводниках. Эти помехи принципиально неустранимы.

В общем случае влияние помех на полезный сигнал можно представить в виде оператора

В зависимости от характера взаимодействия с сигналом помехи подразделяются на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивной называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде слагаемого:

Мультипликативной называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде множителя входного сигнала:

где K(t) - некоторый случайный процесс.

Примером мультипликативной помехи являются замирания, заключающиеся в случайном изменении уровню и соответственно мощности сигнала из-за непостоянства условий распространения радиоволн. В проводных каналах мультипликативной помехой может быть прерывание связи, при котором сигнал в линии резко затухает.

К аддитивным помехам можно отнести все рассмотренные виды внешних и внутренних помех.

В реальных каналах имеются и аддитивные, и мультипликативные помехи, поэтому в них

Схема действия помех в линии связи показана на рисунке 1.3.

Рис. 1.4

В заключение отметим, что между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют как единое целое, хотя и противоположные по своему действию. Например, излучение передатчика радиостанции, являясь полезным для приемника того абонента, которому оно предназначено, одновременно может служить помехой для приемников тех абонентов, которым оно не предназначено.