Глава 1. Шумы на линии связи

Рисунок 1.1 Строение линии связи

Д ля начала необходимо определиться, что же такое линия связи. Линия связи – целый комплекс, состоящий из физической среды, по которой передаваемый сигнал добирается до места назначения, аппаратуры для передачи данных и некоторых промежуточных устройств, обеспечивающих различные функции, такие как усиление сигнала, его ветвление и т.д.

Физическая среда может быть представлена, как набором проводов / кабелей, по которым пускают электрические импульсы для передачи данных; так и воздушным / космическим пространством, где информация передаётся с помощью радиоволн.

1.1. Основные помехи в линиях связи

Полезный сигнал редко не сопровождается так называемыми шумами и наводками, негативно сказывающимися на качестве сигнала.

В общем случае помеха представляет из себя случайно возникший сигнал, являющийся однородным с полезным и действующим одновременно с ним.

В нашем же случае помехой будем считать любое случайное влияние на полезный основной сигнал, снижающее верность приёма и воспроизведения посылаемой по линии информации.

1.1.1 Шумы

Собственно, под шумом подразумевается противоположный полезному сигнал, который возникает в любой линии связи.

Выделяют два основных вида шумов в устройствах передачи информации:

Рисунок 1.1.1.1 Тепловой шум и дополнительные гармоники, возникшие при прохождении основного сигнала

• д искретная структура тока в усилительных элементах (различных транзисторах и микросхемах), что означает внесение дополнительных гармоник в сигнал, т.к. дискретный сигнал – всегда представляется бесконечным числом гармоник, по преобразованию Фурье, что и приводит к зашумлению. Это так называемые нелинейные искажения: частотные, фазовые и др.;

• тепловое движение свободных носителей зарядов (электронов) в проводниках цепи, с чем бороться практически невозможно, т.е. помимо упорядоченного тока существует и хаотичное, которое не контролируется электрическим полем.

Рисунок 1.1.1.2 Формула вычисления отношения сигнал/шум в дБ

О писать шумовые характеристики системы можно при помощи характеристики «отношение сигнал/шум», измеряющийся в дБ, который можно вычислить по формуле:

По спектрограмме (на рисунке 1.1.1.1.) также можно определить это отношение, т.к. амплитуда гармоники уже представлена в дБ, поэтому всего нужно вычесть из уровня полезного сигнала уровень максимальной гармоники шума.

Рисунок 1.1.1.3 Вычисление мощности шума АЦП

• Е щё одним немаловажным источником шума в цифровых устройствах, например, в радиоприёмниках, являются АЦП, который в добавок к тепловому шуму производит шумы квантования. Мощность шума квантования N-разрядного АЦП вычисляется по следующей формуле, где V_FS – полный диапазон напряжений аналогового сигнала:

Чем больше шум системы, тем больший уровень сигнала необходим в системе, т.к. если он будет слишком низок, его попросту невозможно будет отличить от шума.

1.1.2. Наводки

Рисунок 1.1.2.1 Влияние двух разных помех на полезный сигнал

Я вление наведённого напряжения возникает из-за влияния на проводник внешнего электромагнитного поля: под его действием в проводнике начинает течь собственный ток, создающий противоположное электромагнитное поле, в результате чего получается дополнительный сигнал, имеющий абсолютно нулевое отношение к полезному сигналу и являющийся не нужным в системе, от чего нужно защищаться в первую очередь при передаче данных в цифровом виде.

Могут возникнуть, как и от соседних проводников, так и от каких-либо радиоволн: это могут быть и космическое излучение (Солнце, Радиозвёзды), или какие-либо земные явления, например, молнии.

Рисунок 1.1.2.2 Пути прохождения ёмкостной и индуктивной наводок

П о-другому наводки ещё называют паразитными связями (индуктивные, емкостные и т.д.).

Рисунок 1.1.2.3 Слева индуктивная, справа емкостная величина паразитной наводки

Формулы для расчёта индуктивной и емкостной наводок отличаются, и методы по их устранению следовательно – разные.

На рисунке 1.1.2.2 паразитные связи возникают между двумя контурами: с источником ЭДС e – линия с полезным сигналом, и e_n – какой-либо контур, по которому течёт ток, из-за чего передаваемая информация искажается, т.к. паразитные ёмкости эквивалентны электрическим фильтрам.

Это происходит по следующим причинам:

Рисунок 1.1.2.4 Аналог по возникновению ЭДС в близлежащих проводах

• во-первых, каждый проводник, в силу своей не идеальности, обладает добавочной индуктивностью, а это значит, что близко проходящие провода будут взаимодействовать друг с другом, как катушки индуктивности в знаменитом опыте;

• во-вторых, проводники, между которыми находится изолятор – ничто иное, как конденсатор, а значит, связь появится неизбежно.

Ч тобы снизить емкостную паразитную связь – уменьшить сопротивление источника сигнала, используя идеальный источник напряжения, индуктивную – идеальный источник тока.