Виды помех. Виды помех и способы их устранения

Помехи радиоприему имеют весьма разнообразный и сложный характер, что создает определенные трудности при их классификации. Классификацию помех можно проводить по различным признакам, в частности, можно различать помехи по законам распределения, виду корреляции, характеру стационарности, механизму возникновения.

По законам распределения разделяют помехи на гауссовские и негауссовские. Такое разделение удобно вследствие того, что значительная часть наиболее характерных помех имеет гауссовское (нормальное) распределение, а многие другие помехи могут быть сведены к гауссовским. Негауссовские помехи можно разбить на несколько групп в соответствии с характером распределения (Рэлея, Лапласа, Вейбулла и др.).

Хотя для реальной помехи энергетический спектр существенно зависит от частоты, в случае использования узкополосных сигналов спектр помехи можно считать равномерным в пределах рабочей полосы, согласованной со спектром сигнала. Помехи с равномерным спектром, имеющие характер «белого шума», в условиях практической реализации всегда ограничены по полосе.

По характеру стационарности различают помехи стационарные и нестационарные. Как уже отмечалось в гл. 1, случайный процесс называют стационарным, если его функции распределения любого порядка не зависят от положения начала отсчета времени. Случайный процесс является нестационарным, если его вероятностные характеристики зависят от выбранного начала отсчета времени.

При рассмотрении вопросов обнаружения сигнала в помехах часто предполагают, что помехи имеют характер стационарного случайного процесса с нормальным распределением. Такие помехи называют флуктуационными. Однако некоторые виды помех, например импульсные, имеют характер нестационарного процесса.

По механизму возникновения помехи разделяют на естественные, индустриальные, системные и искусственные. Помехи могут быть активными и пассивными. Активные помехи всех этих видов могут создавать мешающее действие для самых различных радиотехнических систем радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Для радиолокационных систем весьма важное значение, наряду с активными помехами, имеют также помехи пассивные, из которых наиболее сильно выражены помехи, возникающие за счет отражения сигналов, излучаемых передатчиком радиолокационной станции от земной или морской поверхности.

Естественные активные помехи разделяют на внутриприемные, космические и атмосферные. Внутриприемными помехами называют шумы, возникающие в радиоприемном тракте. Эти шумы обусловлены главным образом тепловыми шумами во входных пассивных цепях приемника и флуктуационными процессами в полупроводниковых (ламповых) устройствах первых каскадов. Космические помехи создаются произвольно изменяющимися во времени излучениями Метагалактики. На этот общий фон накладываются радиоизлучения мощных дискретных источников - планет и звезд. Атмосферные помехи обусловлены грозовыми разрядами между разноименно заряженными массами воздуха, паров воды и земли. На поле атмосферных помех влияют как ближние местные грозы, так и дальние электрические разряды в атмосфере, обязан­ные своим происхождением мировым очагам интенсивной грозо­вой деятельности.

Индустриальными помехами называются помехи, которые соз­даются электрическими и электронными устройствами. Индустри­альные помехи обычно имеют импульсный характер. Импульсные помехи представляют собой отдельные импульсы или последова­тельности импульсов, имеющих произвольную форму, амплитуду и значение интервалов между импульсами, причем обычно дли-тельность интервалов значительно превышает длительность самих импульсов.

Системные помехи, создаваемые радиотехническими средства­ми, в первую очередь радиостанциями, называют также сосредоточенными помехами, так как их энергия заключена в узком частотном интервале. Сигналы на входе приемника, образованные системными помехами, обусловлены работой как ближних, так и дальних радиостанций. При этом в ряде случаев определяющее значение могут иметь сигналы дальних радиостанций, число ко­торых весьма велико.

Активные системные помехи могут возникать не только при близких несущих частотах передающих устройств радиосредств, но и вследствие внеполосного и побочного излучений радиопередатчиков. При определенных условиях мешающее действие оказывают также пассивные системные помехи, обусловленные переотражением сигналов других радиосредств от земной или морской поверхности. Устранение или по крайней мере существенное ослабление системных («взаимных») помех требует решения сложной задачи электромагнитной совместимости (ЭМС). Проблемы ЭМС рассмотрены в ряде работ, например в .

Искусственные помехи, которые могут быть как активными, так и пассивными, широко использовались для создания мешающего действия радиосредствам в ходе второй мировой войны, войн в Корее и на Ближнем Востоке. Массированное использование помех в процессе военных действий является одной из форм «радиоэлектронной войны». Активные искусственные помехи могут быть шумовыми или синусоидальными с использованием различных видов модуляции. Искусственные пассивные помехи создают помеховый фон, затрудняющий выделение полезного сиг­нала, а также имитируют ложные цели.

радиопомеха-воздействие электромагнитной энергии на прием радиоволн, вызванное одним или несколькими излучениями, в том числе радиацией, индукцией, и проявляющееся в любом ухудшении качества связи, ошибках или потерях информации, которых можно было бы избежать при отсутствии воздействия такой энергии.

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.

Разному, в том числе принято различать помехи внешние и внутренние, пассивные и активные, гладкие и импульсные. Их можно также классифицировать по природе происхождения: промышленные,

Атмосферные, космические, помехи мешающих радиостанций и внутренние помехи радиоустройств.

Промышленные помехи создаются в результате работы сравнительно близко расположенных к радиоустройствам электродвигателей, релейно-контактных мощных систем, аппаратов дуговой электросварки, электроплавильных печей, рентгеновской аппаратуры « множества других различных электрических устройств, вызывая возникновение в окружающем пространстве электромагнитных полей различной частоты и интенсивности. Эти поля и оказывают мешающее действие для нормальной работы чувствительных радиотехнических устройств и систем.

Атмосферные помехи создаются естественными электромагнитными процессами в земной атмосфере, например, грозовыми разрядами. Эти помехи также представляют собой электромагнитные поля различной частоты и интенсивности.

Космические помехи вызываются электромагнитными излучениями и процессами за пределами земной атмосферы.

Помехи мешающих радиостанций создаются обычными радиовещательными и специальными станциями помех, а также постоянно действующими источниками электромагнитного излучения ¦ постоянной частоты или спектра частот и волн.

Активными помехами принято называть те, которые вызваны активными естественными или искусственными источниками электромагнитных колебаний. Что касается пассивных помех, то к ним относятся те помехи, которые обусловлены в основном природными явлениями и не связаны с действием посторонних источников электромагнитных волн. К пассивным помехам, например, можно отнести явления феддинга (замирания сигнала) волн, спорадическое (внезапное) поглощение радиоволн, возникновение радиоэха и т. п. В радиоустройствах, действие которых не связано с распространением радиоволн, например, усилителях и им подобных устройствах, почти нет надобности учитывать пассивные радиопомехи. Только в отдельных случаях с ними приходится считаться, как косвенными причинами возникновения активных помех.

Гладкими помехами принято называть такие, которые создают почти неизменяющееся по величине напряжение по-мех Un. Точнее говоря, когда максимальная амплитуда помех не превышает среднее их значение больше чем в 3 4 раза. Импульс-

Н ы е же помехи могут создавать кратковременные амплитуды в десятки раз большие, чем их среднее значение. К гладким помехам, например, относятся флуктуационные шумы (ламп, транзисторов.

Резисторов). - Атмосферные помехи могут быть как гладкими, так и импульсными, проявляясь в виде шорохов и тресков. Промышленные помехи чаще всего имеют импульсный характер. Причем их воздействие на радиотехническое устройство почти любого вида значительно резче сказывается на его работе по сравнению с действием гладких помех. Это обусловлено тем, что импульсные помехи вызывают собственные колебания резонансных цепей устройства. Такие колебания затухают не мгновенно и могут распространяться далее по блокам радиоустройства.

Активные помехи могут быть смодулированными и модулированными. Первые характеризуются неизменной амплитудой, частотой и фазой излучаемых колебаний, вторые - изменяемыми параметрами излучения.

Смодулированные помехи для акустических технических средств разведки создаются как непрерывные квазигармонические (близкие к ним) колебания, излучаемые на частотах, расположенных выше полосы переда чи речевого сигнала и воздействующие на элементы входного тракта технического средства перехвата речевой информации (например, телефонные радиозакладки) таким образом, что спектр перехваченного конфиденциального сигнала "размывается", уменьшается или полностью предотвращается возможность несанкционированного перехвата информации. Направленность таких помех определяется в данном случае проводными (телефонными) линиями передачи.

Ультразвуковые устройства подавления акустических средств разведки обеспечивают воздействие на приемный тракт ТСР через микрофоны этих приемных устройств.

Направленность помех определяется расположением ультразвуковых излучателей в помещении с определенным ТТТ на подавитель объемом.

Подобные устройства обеспечивают подавление ТСР в защищаемых помещениях.

Модулированные помехи создаются изменением одного или нескольких параметров несущего колебания, создаваемого передатчиком помех.

Непрерывные помехи представляют собой колебания, модулированные по амплитуде, частоте (фазе) или одновременно по амплитуде и частоте (фазе).

В соответствии с видом модуляции различают амплитудно-модулиро-ванные (АМ), частотно-модулированные (ЧМ) или амплитудно-частотно-модулированные помехи. Если в качестве модулирующего напряжения используется шум - шумовые помехи.

Амплитудно-модулированные помехи формируются в простейшем случае модуляцией амплитуды несущего колебания средства создания помех гармоническими колебаниями или полосовым шумом.

Частотно-модулированные помехи формируются изменением во времени несущей частоты средства создания помех в соответствии с законом изменения частоты модулирующего колебания.

Наиболее широко используемые шумовые помехи представляют собой непрерывные акустические колебания с хаотическим изменением по случайному закону амплитуды, частоты, фазы. Поэтому их часто называют флюктуационными.

Напряжение шумовой помехи на входе акустического ТСР представляет собой случайный процесс, имеющий нормальный закон распределения мгновенных значений и равномерный частотный спектр в пределах полосы пропускания ТСР.

Шум, параметры которого сохраняются примерно постоянными в широком диапазоне частот (гладкий шум), называют белым ввиду сходства его частотного спектра со спектром белого света, который в видимой его части является сплошным и равномерным.

В зависимости от принципа генерирования различают прямошумовые помехи и модулированные помехи в виде несущей, модулированной шумовым напряжением (модулированная шумовая помеха).

Прямошумовые помехи, как правило, образуются в результате усиления собственных шумов, возникающих в электронных приборах (полупроводниковые диоды, транзисторы и т.п.). Такие помехи позволяют при сравнительно высокой спектральной плотности мощности перекрыть достаточно широкую полосу частот. Однако из-за сравнительно низкой мощности источника первичного шума и необходимости его последующего многоступенчатого усиления (для создания требуемого по мощности источника помехи) прямошумовые помехи не получили широкого применения.

Более широкое распространение получили шумовые модулированные помехи. Подобные помехи создаются модуляцией несущей источника помех по амплитуде, фазе или частоте флюктуационным шумовым напряжением. На практике часто используют комбинированную амплитудно-частотную или амплитудно-фазовую модуляцию.

Импульсные помехи представляют собой серию смодулированных или модулированных импульсов. Параметры импульсной помехи необходимо подбирать применительно к виду защищаемого сигнала (работа принтера, пишущей машинки и т.п.). Модуляцией по амплитуде, частоте следования, длительности импульсов помех или по нескольким параметрам одновременно возможно повысить эффективность зашумления акустического сигнала.

В последнее время в системах акустической и виброакустической маскировки используются шумовые, речеподобные и комбинированные помехи.

Наиболее широко используются;

- "белый" шум - шум с постоянной спектральной плотностью в речевом диапазоне частот (рис.4.1а);

- "розовый" шум - шум со спадом спектральной плотности на 3 с1В на октаву в сторону высоких частот (рис.4.16);

- "коричневый" шум со спадом 6 ёВ спектральной плотности на октаву в сторону высоких частот (рис.4.1в);

Шумовая "речеподобная" помеха - шум с огибающей амплитудного спектра,подобной речевому сигналу (рис. 4.1г).

"Речеподобные" помехи формируются из наложения определенного количества речевых сигналов.

Характерным представителем помех, формируемых из речевых фрагментов, некоррелированных со скрываемым сигналом, является помеха типа «речевой хор». Такая помеха формируется путем смешения фрагментов речи нескольких человек (дикторов).

При этом в качестве подобного сигнала возможно использовать сам скрываемый сигнал с помощью синтезатора речеподобных помех - фонемного клонера. Формирование помеховых сигналов проходит в два этапа-на первом этапе с помощью компьютера и специального программного обеспечения из записи голоса одного или нескольких человек путем клонирования основных фонемных составляющих их речи синтезируется "псев доречь", представляющая некоторую последовательность сигналов. На втором этапе синтезатор помехи, в памяти которого содержится "псевдоречь", по случайному закону берет из этой последовательности сигналов случайные куски, которые и поступают на вход тракта помехового канала.

Среди помех, формируемых из скрываемого сигнала, можно выделить два типа: «речеподобную» реверберационную и «речеподобную» инверсионную. «Речеподобная» реверберационная помеха формируется из фрагментов скрываемого речевого сигнала путем многократного их наложения с различными уровнями. «Речеподобная» инверсионная помеха формируется из скрываемого речевого сигнала путем сложной инверсии его спектра.

Комбинированные помехи формируются путем смешения различного вида помех, например помех типа «речевой хор» и «белый» шум, «речеподобных» реверберационной и инверсионной помех и т.п.

Оценка эффективности «речеподобных» помех, и особенно формируемых из скрываемого речевого сигнала, осуществляется методом артикуляционных испытаний (измерений).

На рис 4.2 (Л.113) представлены зависимости словесной разборчивости XV от интегрального отношения сигнал/шум ц в полосе частот 180-5600 Гц при различном виде шумовых помех.

Рис.4.2. Зависимость словесной разборчивости \¥ от интегрального отношения сигнал/шум я в полосе частот 180-5600 Гц 1 - «белый» шум; 2 - «розовый» шум; 3 - шум со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот; 4 - шумовая «речеподобная» помеха.

В таблице 4.2 (Л. 113) приведены значения отношений сигнал/шум в октавных полосах q l , при которых словесная разборчивость составляет \У = 0,2; 0,3 и 0,4.

Таблица 4.2

Значения отношений сигнал/шум, при которых обеспечивается требуемая эффективность защиты акустической (речевой) информации

Виды	Словесная разборчивость W,%	Отношение с/ш q. в октавных полосах					Отношение с/ш в полосе
Помехи		250	500	1000	2000	4000	частот 1800-5600 Гц
«Белый» шум	20	+0,8	-2,2	-10,7	-18,2	-24,7	-10,0
	30	+3,1	+0,1	-В,4	-15,9	-22,4	-7,7
	40	+5,1	+2,1	-6,4	-13,9	-20,4	-5,7
«Розовый»	20	-5,9	-5,9	-11,4	-15,9	-19,4	-8,8
шум	30	-3,7	-3,7	-9,2	-13,7	-17,2	-6,7
	40	-1,9	-1,9	-7,4	-11,9	-15,4	-4,9
Шум	20	-14,1	-11,1	-3.6	-15,1	-15,6	-13,0
со спадом	30	-12,0	-9,0	-11,5	-13,0	-13,5	-10,8
спектральной плотности на 6 дБ на октаву	40	-10,0	-7,2	-9,7	-11,2	-11,7	-9,0
Шумовая	20	-3,9	-7.9	-12,9	-15,9	-16,9	-9,0
«речеподобная»	30	-и	-5,7	-10,7	-13,7	-14,7	-6,8
помеха	40	+0,1	-3,9	-8.9	-11,9	-12,9	-5,0

Анализ, приведенных в таблице 4.2 соотношений показывает, что:

1. наиболее эффективными являются помехи типа «розовый» шум и шумовая «речеподобная» помеха. При их использовании для скрытия смыслового содержания ведущегося разговора (\У = 0,4) необходимо обеспечить превышение уровня помех над уровнем скрываемого сигнала в точке возможного размещения датчика средства акустической разведки на 4,9-5,0 дБ, а для скрытия тематики разговора (\¥ = 0,2) - на 8,8-9,0 дБ;

2. помеха типа «белого» шума по сравнению с помехами типа «розовый» шум и шумовая «речеподобная» обладает несколько худшими маскирующими свойствами, проигрывая по энергетике 0,8-1,2 дБ;

3. более низкими маскирующими свойствами обладает шумовая помеха со спадом спектральной плотности 6дБ на октаву в сторону высших частот. По сравнению с помехами типа «розовый» шум и шумовая «речеподобная» она проигрывает по энергетике 4,1 -4,2 дБ, а при равной мощности приводит к повышению разборчивости более чем в полтора раза.

Действующие нормативные документы устанавливают требуемые значения превышения помехи над информативным сигналом для шумовых помех при защите речевой информации от утечки по акустическому и виб-роакустическому каналам. Нормы определены для октавных полос частот в пределах спектра речевых сигналов.

Номенклатура предлагаемых на рынке средств защиты информации виброакустических (акустических) генераторов помех насчитывает не менее 20 - 30 типов.

В системах акустической и виброакустической маскировки используются помехи как «белого» и «розового» шумов, так и "речеподобные" помехи. В комплексах защиты применяют для маскировки речи помехи похожие по своей структуре на маскируемую речь. Это могут быть помехи от внешнего источника или помехи, создаваемые синтезатором речеподобных помех фонемным клонером. Помехи, создаваемые подобным синтезатором являются не просто речеподобными, фонемный клонер обеспечивает формирование таких помех, которые в максимальной степени соответствуют звукам речи конкретного лица или группы лиц, чьи переговоры защищаются от подслушивания.

Наличие различных видов шумовых помех дает возможность защищающему акустику помещения нейтрализовать такой, достаточно широко используемый злоумышленником, способ снятия информации сразу с нескольких разнесенных в пространстве датчиков с последующим вычитанием полученных сигналов для компенсации помеховой составляющей. Поэтому в современных комплексах акустической защиты используют несколько видов помех и независимых каналов помех.

Например в комплексе "Барон-2" использованы помехи типов:

- "белый" шум;

- "речеподобная" помеха фонемного клонера;

Смесь сигналов трех радиовещательных станций;

Помеха от внешнего источника;

Смесь шумовой помехи,сигналов радиовещательных станций и помехи от внешнего источника.

В системе постановки виброакустических и акустических помех "Шорох-1" используются три независимых канала генерации шумов.

«Речеподобная» комбинированная (реверборационная и инверсионная) помеха используется в системе акустической маскировки «Эхо». Помеха формируется путем многократного наложения смещенных на различное время задержек разноуровневых сигналов, получаемых путем умножения и деления частотных составляющих срываемого речевого сигнала (Л. 60).

Наряду с использованием в современных системах виброзашумления различных видов помех обеспечивается возможность регулировки амплитудно-частотных характеристик каналов зашумления. Благодаря этому возможно учитывать большое разнообразие виброакустических свойств зашумляемых строительных и инженерных конструкций, а также обеспечить в элементах зашумляемых конструкций выполнение требований по уровню помехового сигнала в различных участках частотного диапазона. Последнее связано с тем,что для выполнения требований по уровню помехового сигнала в области низких частот приходится устанавливать более высокий уровень помехового сигнала,чем это необходимо для выполнения требований в области высоких частот,а это приводит к возрастанию шума в помещении из-за побочных шумов вибропреобразователей. Решение задачи может быть достигнуто введением в тракт зашумления эквалайзеров.

В ряде средств виброзашумления предусмотрена возможность коррекции спектральных параметров помехи с помощью встроенных эквалайзеров (к данным средствам относятся виброгенераторы типа «Кабинет», «Барон 1 и 2», "Шорох" и т.п.). В комплексе «Барон-2» возможна независимая регулировка уровня помехового сигнала в пяти частотных диапазонах (поддиапазоны: 60-350Гц, 350-700Гц,700-1400Гц,1400-2800Гц, 2800-16000 Гц). Система «Шорох-1» позволяет регулировать форму генерируемой помехи пятиполосным октавным эквалайзером,с глубиной регулировки по полосам - 20 дБ.

В ряде систем виброакустической маскировки возможна регулировка уровня помехового сигнала. Например, в системах «Кабинет» и ANG -2000 осуществляется ручная плавная регулировка уровня помехового сигнала, а в системе «Заслон-2М» - автоматическая (в зависимости от уровня маскируемого речевого сигнала).

В ряде средств, наряду с шумовой, имеется возможность формирования и «речеподобной» помехи в виде смеси сигналов радиовещательных станций. Подобная помеха, содержащая доминирующий сигнал и «зашумленную» смесь речевых сигналов, обладает лучшими маскирующими свойствами. Она обеспечивает энергетический выигрыш на 2-4 дБ, а при равной энергетике приводит к относительному снижению коэффициента разборчивости речи на 25-40 %.

Разработаны системы цифрового виброакустического шума (SEL SP 51/А), в которых диапазон частот шумового сигнала равен 0,09-11,2 кГц.

По мнению большинства специалистов наиболее эффективным способом активной защиты речевой информации является способ формирования коррелированной по уровню, спектру и времени излучения со скрываемым сигналом «речеподобной» помехи, заключающийся в специальном преобразовании скрываемого речевого сигнала за счет сложной инверсии спектра и акустической псевдореверберации путем умножения и деления его частотных составляющих и многократного наложения принимаемых переотраженных акустических сигналов.

Хотя формирование таких помех представляет технически сложную задачу, связанную с обработкой и преобразованием защищаемых сигналов в реальном масштабе времени, подобные системы уже разработаны.

Классификация помех

Характеристика помех в канале связи

В реальном канале связи сигнал при передаче искажается и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала 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 могут быть устранены путём коррекции. Помехи заранее не известны, поэтому не могут быть устранены.

Изучение физических свойств помех необходимо для грамотного построения всех элементов канала связи.

Классификация помех

Помехой будем называть любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

Самая грубая характеристика помехи заключается в указании её спектральной плотности. С этой точки зрения помехи разделяются на широкополосные , спектр которых значительно шире спектра сигнала, и узкополосные или сосредоточенные, ширина спектра которых соизмерима с шириной спектра сигнала.

По своей временной структуре помехи разделяются на гладкие и импульсные . Для гладких помех характерно то, что их огибающая с большой вероятностью находится в некотором небольшом интервале около своего среднего значения. Огибающая импульсных помех с большой вероятностью находится вне этого интервала. Резкой грани между гладкими и импульсными помехами нет.

Рис. 1. Сосредоточенная помеха.

Рис. 2 . Импульсная помеха.

На рис. 1, 2 показан пример огибающих А(t) и спектральных плотностей мощности G(f) типичных реализаций сосредоточенной и импульсной помех.

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 электроустановок. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, систем зажигания двигателей.

Распространённым 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.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи . Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрёстными 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 УКВ диапазоне. В этом диапазоне имеют место и космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на солнце, звёздах и других внеземных объектах.

Выводы

1. 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 другого приёмника. Электромагнитное излучение звёзд является одной из причин космического шума в диапазоне СВЧ и поэтому является помехой для систем связи. С другой стороны, это излучение является сигналом, по которому определяют некоторые физико-химические параметры.

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.