3. Помехи в радиотехнических системах

Радиотехнические 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 в процессе передачи. Наличие шума, наложенного на сигнал, «затеняет», или маскирует, его; это ограничивает способность приемника принимать точные решения о значении символов, а следовательно, ограничивает скорость передачи информации. В собственно радиоэлектронных устройствах канала передачи информации имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усилительных элементах (транзисторы, микросхемы и т. д.) и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи. При этом временные и частотные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, радиоканал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев, цепей или устройств.

Следует отличать искажения от помех, имеющих случайный характер. Если линейные и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, то в принципе они могут быть исключены их надлежащей коррекцией.

Помехи же заранее, как правило, не известны, и поэтому практически не могут быть полностью устранены. Борьба с помехами (шумами) является одной из главных проблем радиотехники.

В общем случае под радиотехнической помехой понимают случайный сигнал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем передачи информации помеха — это любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность приема и воспроизведения передаваемых по линии связи сообщений.

Радиотехнические помехи классифицируют по ряду признаков, поскольку они разнообразны и по происхождению, и по физическим свойствам.

По месту возникновения помехи делят на внешние и внутренние. Причиной возникновения 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 существенное значение имеет квантовый шум, вызванный дискретной природой сигнала.

В радиоканалах встречаются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере, прежде всего грозовыми разрядами. Их энергия сосредоточена в области километровых и гектометровых волн.

Сильные помехи создают промышленные установки. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в мощных электрических цепях всевозможных электротехнических устройств. Сюда относят помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания и т. п.

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).

Основным видом внешних помех в проводных каналах связи являются импульсные шумы и прерывание связи. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией каналов и перекрестными наводками.

Прерывание связи — явление, при котором сигнал в линии резко затухает или исчезает.

Следует отметить умышленные активные и пассивные помехи, ложные цели и ловушки. Эти помехи, как правило, устанавливают в системах военного и специального назначения для целей маскировки, радиопротиводействия, «глушения» различных средств радиовещания и повышения секретности.

Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого радиотехнического устройства. Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы радиотехнических устройств, связанные с хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах. Эти помехи особенно сказываются при передаче информации в диапазонах дециметровых и меньших длин волн, где другие помехи невелики.

Аналитически влияние помехи на полезный сигнал u(t) в общем виде можно выразить оператором Y:

(2)

где функция отражает искаженный полезный сигнал.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если оператор Y вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей и помехи:

(3)

то помеху называют аддитивной (от англ. addition — сложение; термин «аддитивный» означает, что шум просто суммируется с сигналом).

Если же оператор Y может быть представлен в виде произведения некоторого коэффициента k(t) (здесь k(t) — случайный процесс) и сигнала

(4)

то помеху называют мультипликативной (от англ. multiplication — умножение).

Мультипликативные помехи обусловлены случайными изменениями параметров радиоканала. Они проявляются в изменении уровня сигнала.

Простейшие случаи — телефонная линия связи с плохими электрическими контактами, налагающиеся на сигнал грозовые разряды, изменяющийся коэффициент усиления приемника и т. д. В реальных каналах передачи информации обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, и поэтому

(5)

По основным свойствам аддитивные помехи делят на три класса: сосредоточенные по спектру (узкополосные помехи), импульсные помехи (сосредоточенные во времени) и флуктуационные (fluctuation; распределенные по частоте и времени) помехи, не ограниченные ни во времени, ни по спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых приходится на отдельные участки диапазона частот, меньше полосы пропускания радиотехнической системы. Помехи, наводимые в радиотехнических цепях от промышленной силовой сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными. Эффективность их подавления в значительной мере определяется достоверностью априорных данных о частотном спектре передаваемого сигнала.

Импульсной (сосредоточенной во времени) помехой называют регулярную или хаотическую последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Импульсные и сосредоточенные помехи часто называют наводками. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы радиотехнических цепей или работающего рядом с ними устройства. К импульсным помехам относят многие виды атмосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приемник с относительной узкой полосой пропускания. На практике импульсные помехи рассматривают как случайный, относительно широкополосный (тем шире, чем короче импульсы помехи) процесс, состоящий из отдельных редких, случайно распределенных во времени и по амплитуде импульсов. Для устранения влияния помех целесообразно исключить причины их возникновения. Способы борьбы с помехами в значительной мере зависят от их спектрального состава, вида передаваемого сигнала и помехи.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет случайный процесс с нормальным распределением — гауссовский процесс (normal distribution, Gaussian distribution; закон Гаусса; закон Муавра-Лапласа; Карл Гаусс — Carl Gauss; 1777-1855; немецкий математик и астроном). Эти помехи имеют место практически во всех реальных каналах связи, и их называют шумами.

Флуктуационный шум представляют наибольший интерес, как в теоретическом, так и в практическом отношении. 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 (thermal noise; шум Джонсона);

• фликкер-шум (flicker noise; иногда, розовый шум);

• дробовый (schrot noise; квантовый).

Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в резисторах (и 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 радиотехники и систем связи имеет спектр мощности шумового напряжения на концах резистора. Его определяют по формуле Найквиста, известной из физики:

(6)

где R — сопротивление резистора, Ом; Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура резистора в градусах Кельвина.

Часто удобнее пользоваться односторонним энергетическим спектром, который задают в области положительных частот [ ]:

(7)

Спектральную плотность мощности теплового шума можно оценить из следующего примера: при T=300К и R = 20 кОм значение

(8)

откуда его среднее квадратическое значение напряжение .

Несмотря на малый уровень, тепловой шум может явиться решающим фактором, ограничивающим реальную чувствительность приемных устройств.

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 Гц. Следовательно, простая модель теплового шума предполагает, что его спектральная плотность мощности равномерна и достаточно точно соответствует модели белого шума. Тепловой шум практически устанавливает нижнюю границу напряжения шумов радиотехнического устройства. Одной из лучших визуализаций теплового шума служит «рябь» на экране не настроенного телевизора. В заключение укажем, что приведенные соотношения можно использовать также при анализе теплового шума в избирательных цепях.

Специфическим для электронных приборов является фликер-шум, который возникает в результате разного рода поверхностных явлений.

Фликкер-шум — шум, спектральная плотность которого изменяется с частотой по закону (примерно постоянной спектральной мощностью на декаду — изменение в десять раз). В электровакуумных и газоразрядных приборах шумы такого вида вызываются испарением атомов. Часто фликер-шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты. Обычно на частотах выше 10 кГц фликкер-шумами пренебрегают.

Наиболее яркий пример фликкер-шума — шум пролетающего вертолета. В телевидении и видеотехнике фликкер-шум (мерцание) — раздражающая помеха, главным образом связанная с кадровой синхронизацией и отображением полей.

Дробовой (квантовый) 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 передачи информации и связи и для их большинства 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. Будем полагать (если не оговорено другое), что полезный сигнал подвергается искажению со стороны аддитивного белого гауссового шума (additive white Gaussian noise — AWGN) с нулевым средним, несмотря на то, что иногда такое упрощение чересчур сильно [1].

По виду частотного спектра помехи делят на 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 Гц. В теории оптимальной фильтрации часто вводят понятие «квазибелого шума» (от лат. quasi — якобы; также — почти, похожий), параметры и характеристики которого близки к показателям белого шума. Нестационарный шум имеет неравномерный спектр.

В зависимости от спектра помехи могут быть сплошными или дискретными (селективными). Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот — это уже упоминавшийся белый шум.

Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в очень узкой полосе частот.

Фактически между сигналом и помехой нет принципиального различия. Более того, они существуют в единстве, хотя и противоположны по действию. Так излучение антенны передатчика является полезным сигналом для антенны приемника, которому предназначено это излучение, и помехой для всех антенн других приемников. Электромагнитное излучение звезд — одна из причин космического шума в СВЧ-диапазоне, и поэтому это — помеха для радиосистем. С другой стороны, это излучение является весьма полезным сигналом, по которому определяют некоторые физико-химические свойства звезд.

Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов путем экранирования, фильтрации, выбора модуляции и оптимального местоположения приемника. Например, радиоастрономические исследования проводят в пустынных местах, вдали от естественных источников шума. Тепловые шумы заметно уменьшаются при охлаждении их источника. Однако в целом борьба с помехами чрезвычайно сложна и является и искусством, и наукой.

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 радиотехники, базирующейся на математическом аппарате теории вероятности и теории случайных процессов. Однако использование теории вероятности для анализа случайных процессов затруднено ввиду сложности исследования и практических расчетов. Поэтому с целью упрощения и наглядности анализа работу радиотехнических 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 , образующих случайный процесс, в котором будет заключена полезная информация.

Случайный характер сигналов и помех обусловил важнейшее значение теории вероятностей в построении радиосистем. Вероятностные свойства сигналов и сообщений, а также среды, в которой передается сигнал, позволяют определить количество передаваемой информации и ее потери в процессе передачи.