Шумы и помехи в каналах связи. Общая характеристика помех и искажений в каналах связи. Помехи в каналах связи

Помехи и искажения в канале.

В этом вопросе мы рассмотрим, что представляют собой помехи и искажения в канале, какими они бывают и их краткая характеристика.

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 (функциональных узлов) 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 переданных сообщений. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. В радиоканалах часто встречаются атмосферные помехи, обусловленные электрическими помехами 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 перекрестным искажениям.

В проводных каналах связи основным видом 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, колебательных контурах и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн, где другие помехи невелики, В этом диапазоне имеют значения и космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах. В общем виде влияние помехи на полезный сигнал можно выразить оператором:

помеха называется аддитивной (естественная помеха). Если же оператор может быть представлен в виде произведения:

Среди аддитивных помех различного происхождения выделяют:

сосредоточенные по спектру (узкополосные) помехи;

сосредоточенные во времени (импульсные) помехи;

флуктуационную помеху, не ограниченную во времени и спектру.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет собой (непрерывный во времени случайный процесс) 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 принципиально различие. Более того, они существуют в единстве, хотя и противоположны по своему действию. Так излучение радиопередатчика является полезным сигналом для приемника, которому предназначено это излучение, и помехой для всех других приемников. 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 звезд.

Выводы

1. Причинами появления ошибок при передаче сообщений по каналу связи являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

2. Помехи могут быть аддитивными и мультипликативными.

3. Среди аддитивных помех наиболее распространенными являются флуктуационные, сосредоточенные по спектру и импульсные.

И так, в заключении по лекции сделаем выводы.

Заключение

1. Передача сообщений по каналам связи осуществляется с помощью сигналов, которые являются материальными носителями сообщений, отображающих ту или иную информацию. Характерной особенностью сообщений (сигналов) является их непредсказуемость. О любом сообщении можно говорить лишь как о возможном с некоторой вероятностью событии. Сообщение об известном событии информации не несет. Процесс передачи сообщений всегда является вероятностным (стохастическим).

2. Сообщения и соответствующие им сигналы могут быть дискретными и непрерывными. Непрерывный канальный сигнал формируется с помощью модуляции, а дискретный – с помощью кодирования и модуляции. Основными устройствами системы передачи дискретных сообщений являются кодек и модем. Канальные устройства вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом – дискретный канал.

3. Причинами появления ошибок при передаче сообщений по каналу связи являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал. Помехи могут быть аддитивными и мультипликативными.

4. Среди аддитивных помех наиболее распространенными являются флуктуационные, сосредоточенные по спектру и импульсные.

Литература

Основная:

1. Теория электрической связи: Учеб. Для вузов / А.Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В.И. Коржик, М. В. Назаров; Под ред. Д. Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 1998. – 433 с.

Дополнительная:

1. Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.

2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

3. Сухоруков А.С. Теория электрической связи: Конспект лекций. Часть 1. – М.:МТУСИ, ЦЕНТР ДО, 2002. – 65 с.

4. Сухоруков А.С. Теория цифровой связи: Учебное пособие. Часть 2. – М.:МТУСИ, 2008. – 53 с.

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 электроустановок. 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 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 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 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.

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 и энергетическим спектром:

, (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.

Параграф 2.2: Искажения и помехи в каналах связи.

Раздел 2: Каналы электросвязи

Параграф 2.1: Определение 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:

телефонные

телеграфные

передача данных

телевизионные

фототелеграфные

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 подразделение 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 линейных и нелинейных искажений и помех. При введении этих понятий полагаем, что канал имеет эквивалентную схему замещения в виде четырехполюсника с постоянными параметрами.

Линейными искажениями называются изменения сигнала, которые возникают в инерционном (содержит реактивные элементы) линейном четырехполюснике с постоянными параметрами. Во временной области линейные 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 линейные 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 всех гармонических составляющих сигнала были одинаковы: , .

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

Нелинейными называются искажения сигнала, которые возникают в нелинейном безынерционном четырехполюснике с постоянными параметрами из-за нелинейности 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 нелинейная, зависит от уровня поступающего на его вход сигнала.

В результате нелинейных 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 полосе частот (узкополосные или сосредоточенные по спектру) или на отрезке времени (импульсные помехи). Узкополосная помеха имеет спектр, составляющий наибольшую часть полосы пропускания каналов. Чаще всего эти помехи обусловлены действием посторонних источников, к примеру, соседних 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 нелинейным 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.

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.

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.

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.

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.

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.