книги / Радиоприемные устройства.-1

8. ПОМЕХИ РАДИОПРИЕМУ И СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НИМИ

8.1. Общие сведения о помехах радиоприему

Ранее (см. § 1.1) были рассмотрены характеристики помех как электри­ ческих процессов. Теперь дадим краткую характеристику помех в зависимо­ сти от их происхождения.

Атмосферные помехи порождаются различными электрическими процес­ сами в атмосфере. К ним относятся прежде всего грозовые разряды. Области интенсивной грозовой активности в каждый момент времени расположены в различных районах земного шара. Однако число сопровождающих их разря­ дов достаточно велико (в среднем ежесекундно происходит около 100 интен­ сивных разрядов), а возникающие при этом электромагнитные колебания распространяются на большие расстояния. Уровень создаваемых атмосферных помех зависит от координат места приема, времени года и суток. Для атмос­ ферных помех характерны электрические процессы двух видов: импульсные (ближние грозы), ощущаемые при приеме на слух в виде треска, и флуктуационные (дальние грозы), увеличивающие общий уровень шумов в РПУ. Спектральная плотность помех от ближних гроз падает с ростом частоты, от дальних имеет максимум на частотах до нескольких десятков килогерц (с ростом частоты она интенсивно уменьшается).

Таким образом, на более высоких частотах уровень атмосферных помех имеет тенденцию к снижению, поэтому наибольшее влияние атмосферные по­ мехи оказывают на километровых и гектометровых волнах.

Наряду с глобальными причинами атмосферных помех могут существо­ вать и локальные, связанные, например, с ионизационно-разрядными процес­ сами, возникающими вблизи оснастки и металлических деталей судна, само­ лета, спутника и т.д.

Космические помехи обусловлены радиоизлучениями звезд, межзвездно­ го газа и т.д. В основе таких излучений лежат различные физические процессы, в том числе неизученные или малоизученные. Эти помехи особенно ощущают­ ся высокочувствительными РПУ, предназначенными для наблюдения в косми­ ческом пространстве (радиотелескопами), а также для связи и управления различными объектами. С ростом частоты космические помехи имеют тенден­ цию к убыванию, хотя точный характер этой зависимости может быть более сложным, например с несколькими экстремумами. Уровень помех зависит от многих факторов: частоты, координат места приема, ориентации антенны относительно звездного неба, времени суток, года и т.д. Заметим, что в неко­ торых областях частот при определенной ориентации антенн возникают ’^радиоокна”, в пределах которых уровень космических помех снижается, что представляет практический интерес при создании в космосе радиоканала свя­ зи. Помеха имеет в основном флуктуационный характер, однако иногда про­ является как квазипериодическая в виде моногармонического излучения, "мерцающего” источника и т.д.

Помехи от различных радиостанций бывают преднамеренными (организо­ ванными) и непреднамеренными. Непреднамеренные помехи специально не предназначаются для нарушения функционирования радиосистем и радиоуст­ ройств. Они могут быть обусловлены нарушением регламента распределения

радиочастот, а при расположении РПУ вблизи радиопередатчика (например, в составе радиокомплекса бортовой аппаратуры) —недостаточной ’Чистотой” его излучения. На рис. 8.1 показана типовая картина огибающей спектра ос­ новного (кривая 1) и нежелательного колебания (кривая 2) излучения радио­ передатчика, влияющего на расположенные поблизостиРПУ. Огибающая шумо­ вого спектра флуктуации в полосе основного сигнала ( # 0 ^ 60—80 дБ и бо­ лее) ниже его уровня. С увеличением расстройки излучение передатчика мед­ ленно уменьшается до 120—140 дБ в полосе соседних каналов приема. Шумо­ вое излучение может существенно повлиять на реализацию высокой чувстви­ тельности соседних с радиопередатчиком РПУ и должно предельно уменьшать­ ся.

Нежелательное излучение состоит также из гармонических и субгармони­ ческих относительно несущей частоты радиопередатчика колебанж, колебаний комбинационных и интермодуляционных частот, связанных с нелинейными процессами в нем. Борьба с ними ведется в радиопередающих устройствах.

Преднамеренные помехи широко применяются в военной технике как эф­ фективный метод подавления радиосредств противника. Наряду с полосным поражением радиоканала (частота помехи совпадает с частотой настройки РПУ) используются внеполосные помехи, попадающие в полосу пропускания преселектора РПУ и приводящие к прекращению работы РПУ вследствие нелинейных процессов, хотя их частоты могут не совпадать с частотой настрой­ ки радиоприемника.

Промышленные, или индустриальные, помехи обусловлены работой всевоз­ можных электрических устройств и установок, создающих побочное излуче­ ние в диапазоне радиоволн. В основном они имеют импульсный характер, так как порождающие их процессы происходят из-за контактных явлений в элект­ рических цепях, однако некоторые установки (в основном медицинского на­ значения) могут быть источниками флуктуационных помех.

Внутренние помехи радиоприему обусловлены разнообразными регуляр­ ными и случайными процессами в компонентах и узлах РПУ. Регулярные про­ цессы порождаются, во-первых, фоном переменного тока, проявляющимся в

Рис. 8.2

выходном сигнале из-за недостаточной фильтрации постоянного тока в выпря­ мителе РПУ. В низкочастотном тракте РПУ такая помеха суммируется с сигна­ лом, а в высокочастотном может привести к паразитной модуляции сигнала в усилительных каскадах колебанием фона. Вследствие этого после детектиро­ вания прием полезной информации происходит в присутствии фона перемен­ ного тока, что ухудшает такой параметр РПУ, как отношение сигнал/фон. Вовторых, внутренние помехи порождаются наводками переменного тока раз­ личных частот, приводящими к появлению в цепях РПУ электрических колебанж от других радиосредств, например в комплексах радиосредств, музыкаль­ ных центрах и т.д. Помехи указанных видов могут быть существенно умень­ шены до пренебрежимо малой величины (в отличие от третьей составляющей внутренних помех —шумов) (см .ft. 2.1.3,2.3.3).

Пассивные помехи связаны с флуктуацией уровня и фазы радиосигналов в процессе их распространения, а также с отражением сигналов от различных по­ верхностей, что приводит к дефектам работы радиоканала (появлению повто­ ров сигналов, их маскировке и т.д.). Первый вид поражения возникает в ионо­ сфере или тропосфере из-за многолучевого характера распространения радио­ волн и вызывает замирание радиосигнала в месте приема, т. е. хаотическое из­ менение его уровня. Второй вид поражения характерен для УКВ и СВЧ при приеме в условиях городской застройки и связан с отражениями радиоволн от зданий и сооружений. Он приводит к изменению уровня сигнала и искажениям закона модуляции.

Сопоставимые средние экспериментально измеренные уровни спектраль­ ных составляющих помех разлжных видов в диапазоне 0,15-30 МГц на тер­ ритории СССР при приеме на антенну с действующей высотой h = 1 м в поло­ се пропускания РПУ Я = 10 кГц представлены на рис. 8.2, где 1,2 - зависимо­ сти для атмосферных помех соответственно в дневное и ночное время; 3 — для космических помех; 4, 5 —для промышленных помех соответственно в городской и сельской местности.

Сравнение усредненных измеренных уровней помех различных видов в месте приема позволяет сделать следующие выводы: 1) на относительно низ­ ких частотах (не более 10-20 МГц) основными помехами приему являются помехи от различных посторонних радиостанций, промышленные и атмосфер­ ные. Существенно меньшее значение имеют внутренние шумы РПУ, а космиче­ ские помехи вообще могут не приниматься во внимание, так как они отража­ ются ионосферой и у поверхности Земли не создают заметных уровней; 2) на частотах более 20 МГц основными помехами в РПУ становятся его внутренние шумы и космические помехи (последние в случае малошумящего приемника).

8.2. Методы борьбы с помехами радиоприему

Различают следующие направления борьбы с помехами:

1) увеличение отношения С/П на входе РПУ. Достигается увеличением мощности радиопередатчика, ограничением уровней помех промышленных и медицинских установок, применением направленных приемных и передающих антенн, а также приемных антенн, не реагирующих на соответствующие поля­ ризацию и ввд составляющей поля волны помехи (магнитная антенна слабо реагирует на электрическую составляющую поля, характерную для многих ис­ точников промышленных помех), и т.д.;

2)применение помехоустойчивых видов модуляции сигналов;

3)повышение избирательности РПУ для всех внеполосных каналов

приема;

4)уменьшение уровня внутренних ш умов;

5)защита трактов от нелинейного поражения, т. е. поражения, обуслов­ ленного проявлением различных нелинейных эффектов;

6)компенсация отдельных помех, приводящая к уменьшению их уровня

на входе РПУ или далее в его тракте;

7)применение обработки смеси сигнала и помехи с целью использования особенностей их характеристик и различия между ними для выделения сигна­ ла;

8)организационные меры, направленные на рациональное использование (для передачи данного сообщения) наивыгоднейшего для текущих условий при­ ема частотного канала, государственный и ведомственный контроль уровня промышленных помех, вынесение РПУ в зону, удаленную от источников ин­ тенсивных помех (прием на выделенных приемных центрах) и т.д.

Как следует из изложенного, существует много способов борьбы с поме­

хами, однако нет метода, который был бы в любом случае ’’наилучшим”. Раз­ витие техники радиоприема идет в направлении комплексного использования ряда способов, при этом следует учитывать физическую ограниченность каж­ дого из них (например, невозможно неограниченно увепшивать мощность ра­ диопередатчика; в индивидуальном радиовещательном приемнике невозмож­ но использовать остронаправленные антенны; существует ограничение пара­ метров РПУ на данном этапе развития техники и т.д.). При этом в каждой кон­ кретной задаче приема можно выделить доминирующие, наиболее эффектив­ ные методы (например, для бортовых РПУ - компенсацию помех, для приема слабых сигналов в диапазоне СВЧ —уменьшение уровня собственных шумов РПУ и статистическую обработку в нем сигнала и помехи и т.д.).

Проблема борьбы с помехами радиоприему в радиотехнике является од­ ной из наиболее сложных. Поэтому методически целесообразно рассматривать воздействие помех на РПУ и соответствующие методы борьбы с ними на осно­ ве как можно более общих позиций и представлений. К таким представлениям относятся: общие свойства различных видов помех (как электрических про­ цессов) ,а также характер совместного воздействия на РПУ помехи и сигнала.

В соответствии с § 1.1 все помехи как электрические колебания независи­ мо от физической природы относятся к сосредоточенным квазигармоническим, импульсным, гладким. По характеру совместного воздействия сигнала и помехи на РПУ различают аддитивную1и мультипликативную помехи.

Аддитивной называется помеха, мешающее действие которой проявляется независимо от сигнала. Поэтому данная помеха проявляется даже при отсутст­ вии сигнала и на входе РПУ может быть представлена как слагаемое в сумме

основному, так и побочным каналам приема, некоторые виды помех, приводя­ щих к нелинейному поражению приемки т.д.

К мультипликативным относятся помехи, обусловленные нестационарностью среды распространения радиоволн, вызывающие хаотические изменения и замирания сигнала, некоторые виды помех нелинейной природы и т.д.

В решении проблемы борьбы с помехами приему общее состоит в исполь­ зовании некоторых различий между помехой и сигналом.

Известны следующие виды различий:

1)в положениях частотных спектров сигнала и помехи (см. рис. 1.13), од­ нако при этом спектры могут частично перекрываться;

2)в амплитудах сигнала и помехи, что позволит разделить их полностью, или частично, для чего используются нелинейные устройства;

3)в фазах сигнала и помехи, что применяется в синхронном детекторе (см, § 1.2, п. 6.2.4);

4)в направлениях прихода радиоволны сигнала и помехи, что реализуется

спомощью направленных антенн;

5)в поляризациях волн сигнала и помехи, что применяется в антеннах с поляризацией, соответствующей поляризации волны сигнала;

6)в статистических характеристиках сигнала и помехи, что реализуется на

основе статистических методов обработки сигнала в присутствии помехи; 7) во времени появления сигнала и помехи, что позволяет включать РПУ

только во время действия сигнала,и т.д.

Таким образом, борьба с помехами допускает нс одно, а ряд возможных решений задачи повышения помехоустойчивости приема, требует усложнения аппаратуры и вследствие этого определенных затрат. Поэтому представляет интерес вопрос о возможности и целесообразности предельного повышения помехоустойчивости приема. Академик В.А. Котельников показал, что для флуктуационной помехи при любом совершенствовании РПУ невозможно бес­ предельно повышать помехоустойчивость, так как существует максимально

возможная помехоустойчивость, называемая потенциальной. Практическая значимость введенного понятия не только в том, что конструктор РПУ получа­ ет представление о предельных условиях приема в данных условиях, но и в возможности количественной оценки проигрыша в помехоустойчивости в слу­ чае невыполнения условий достижения потенциальной помехоустойчивости. Таким образом, сравнивая реализованную помехоустойчивость с потенциаль­ ной, т.е. предельной помехоустойчивостью, можно судить об эффективности созданного РПУ, а также о целесообразности его дальнейшего совершенствова­ ния.

83 . Действие сосредоточенных помех на радиоприемное устройство

8.3.1. Линейный радиотракт

Если на входе РПУ действуют малые полезный сигнал и помехи, то радио­ тракт до входа детектора может считаться линейным. Борьба с, внеполосной помехой в таком тракте осуществляется с использованием л инейной частотной фильтрации (для всех побочных каналов приема - в преселекторе, для сосед­ них каналов —в тракте промежуточной частоты).

Если спектры сигнала и сосредоточенных помех не перекрываются (см. рис. 1.13), то с помощью выбора требуемой избирательности по соответствую­ щим каналам всегда можно получить заданное отношение С/П. В этом случае подавление сосредоточенной помехи сводится к реализации высокоизбира­ тельных цепей.

Если спектры сигнала и помехи перекрываются частично или полностью, то задача подавления помехи может быть решена на основании фазовой или амплитудной избирательности.

Фазовая избирательность, реализуемая с помощью синхронного детектора (см. п. 6.2.4), позволяет выделить из смеси сигнала и помехи и, (О = Umc х

Усложняя принцип фазовой избирательности, можно разделить находя­ щиеся в одной полосе частот сигнал и помеху с разными видами модуляции (АМиЧМ).

Амплитудное различие уровней сигналов используется в так называемых системах бесшумной настройки РПУ. В этом случае в радиоприемнике устанав­ ливается порог чувствительности Епо^ , который определяет условие попада­ ния сигнала известного уровня в тракт: если Um c < ^ TOp , то тракт заперт, если Umc > Епор , то тракт отпирается и сообщение воспроизводится.

При частичном перекрытии спектров сигнала и помехи полезно сузить по­ лосы пропускания тракта промежуточной частоты так, чтобы мощность составляющей помехи на его входе уменьшилась бы в большей степени, чем мощность сигнала. Это приводит к увеличению отношения С/П, хотя может и сопровождаться заметным искажением полезного сообщения.

Возможно сохранение полосы пропускания тракта, но при этом следует деформировать спектр помехи. С этой целью смесь сигнала и помехи

пропускают через вспомогательный линейный фильтр, выравнивающий спектр помехи (рис. 8.3, а). Здесь B2(cS) - энергетический спектр сигнала; /?*(<о) — энергетический спектр помехи; К (со) - коэффициент передачи фильтра. По­ следний выбирается таким, чтобы удовлетворялось условие В^2 (со)К 1 (со) =

= В 2 = const

о

Таким образом, спектр сосредоточенной помехи оказывается равномер­ ным. На рис. 8.3, б приведен результат фильтрации сигнала, откуда видно, что происходит деформация спектра сигнала. Однако, допуская некоторые его ис­ кажения, можно улучшить отношение С/П при приеме. Так как положение спектра помехи и его ширина непостоянны, зависимость К 2 (и ) можно сделать регулируемой, изменяя вид характеристики вручную или автомати­ чески.

Задача подавления сосредоточенной помехи в линейном тракте сущест­ венно облегчается, если принимается сигнал, ширина спектра которого сущест­ венно больше ширины спектра отдельных помех (например, шумоподобный). Как известно, оптимальной фильтрующей системой для такого сигнала являет­ ся набор режекторных фильтров, эффективно подавляющих сосредоточенные помехи.

Для компенсации сосредоточенных помех используют вспомогательный канал. Наиболее эффективна адаптивная компенсация помех,. Рассмотрим сна­ чала основополагающую адаптивную структуру (рис. 8.4), в которой на пер­ вый вход устройства компенсации помех (УКП) поступает сигнал s и помеха nQ, а на второй вход—только помеха п ^ Цель УКП - осуществить такое преоб­ разование помехи в адаптивном фильтре (АФ), чтобы после ее вычитания в

где М I } —математическое ожидание соответствующей величины (в скоб­ ках).

Если принять, что мощность сигнала Pg = M { s 2) при настройке АФ не из­ меняется, то минимум СКО будет соответствовать минимуму выходной мощ­ ности (см. (8.1)). Тогда

нимуму М { (е - s)2} , т. е. при настройке АФ по минимуму выходной мощно­ сти на выходе тракта присутствует только один сигнал s

Таким образом, на основании (8.2) можно утверждать, что минимум вы­ ходной мощности в структуре, приведенной на рис. 8.4, имеет место при мини­ муме мощности помехи, т. е. при наилучшей ее компенсации, и максимуме от­

Принцип компенсации может быть реализован в различных практических решениях, число которых по мере развития техники радиоприема увеличивает­ ся. Все адаптивные алгоритмы метода компенсации делятся на два класса: ал­ горитмы, адаптирующиеся под характеристики помехи, и алгоритмы, адапти­ рующиеся под характеристики сигнала.

Взависимости от способа выделения помехи возможны разлмные струк­ туры адаптивных РПУ. Рассмотрим некоторые из них.

Впростейших случаях имеется непосредственный доступ к источнику по­ мех, что позволяет использовать его сигналы для организации второго канала (см. рис. 8.4). Таким образом может осуществляться подавление мощного из­ лучения собственного радиопередатчика, расположенного в непосредственной близости от РПУ. Тогда на первый вход в структуре (см. рис. 8.4) поступает сигнал, содержащий полезную составляющую, и мешающее колебание того же радиопередатчика. На второй вход подается сигнал радиопередатчика. Сигнал s , очищенный от помехи, поступает далее в приемный тракт. На таком же

принципе может быть основан метод подавления доступной для выделения по­ мехи в электросети, поражающей прием полезного сигнала, и т.д.

На рис. 8.5 иллюстрируется метод компенсации помехи, для которого не требуется непосредственная связь с источником помехи. В этом случае дости­ гается глубокий минимум диаграммы направленности приемной антенной системы в сторону источника помехи. Компенсационная система на входе РПУ (см. рис. 8.5) состоит из двух ненаправленных антенн А х , Л 2 и сумматора, в котором происходит вычитание сигналов двух каналов. Если фронт электро­ магнитной волны помехи поступает под углом v к фронту электромагнитной волны полезного сигнала, то наводимая в антенне А 2 ЭДС будет запаздывать относительно ЭДС, наводимой в антенне А х , на время т = d siny /с, что соот­ ветствует фазовому сдвигу у = 2ndsinv/\0 , где d - расстояние между А ^ и А 2; с —скорость распространения радиоволн; XQ—длина волны приходящего колебания.

На выходе сумматора имеему=х(г) + x (f —г), где x ( t) можно считать

х exp (j(n — 1)<р), откуда следует, что в диаграмме направленности есть глу­ бокие минимумы, соответствующие подавлению колебаний помехи.

В случае приема на N ненаправленных антенн, размещенных линейно по

N

фронту через одинаковые расстояния, Z = 2 exp [/(л-1) у] иС(у) =101£ х

х (|Z2|/^)

Возможен еще один способ выделения сигнала мощной помехи в подоб­ ной адаптивной приемной антенной системе. Его суть заключается в том, что одна из входящих в нее антенн делается малонаправленной. Тогда помеха на выходе этой антенны существенно превышает полезный сигнал и ее выходное колебание может использоваться как опорное в одном из каналов компенса­ ционной структуры.

Применяя два самостоятельных приемных комплекса, можно осущест­ вить оценку помехи rt , расстрою один из РПУ относительно другого так, что­ бы на выходе одного РПУ была смесь сигнала и помехи (С + П ), а другого РПУ — только помехи (П) (рис. 8.6, г д е /01 , / 02 - центральные частоты на­ стройки радиоприемников). Если настройка обоих РПУ будет близка, то поме­ ха во втором РПУ окажется приблизительно такой же, как и в первом РПУ. Учитывая относительно слабое изменение характеристик помех в области узкополосных характеристик первого и второго РПУ, приходим к выводу, что компенсация помехи является достаточно полной, так как после суммирова­ ния сумма будет близка к величине С + П — П = 0. На рис. 8.7 приведена

Рис. 8.6

Рис. 8.8

Рис. 8Л 0

структура, соответствующая изложенному методу компенсации помехи. Для повышения ее эффективности целесообразно адаптивно управлять характери­ стиками одного РПУ с помощью системы управления (СУ) в соответствии с принципом работы структуры, показанной на рис. 8.4.

Двухканальная структура, содержащая два канала с расстроенными фильтрами Ф1 и Ф2, в которой осуществляется сложение сигналов после де­ текторов Д, приведена на рис. 8.8, где АФ —адаптивный фильтр, аналогичный фильтру в структуре, приведенной на рис. 8.4. Принципы адаптации структур, изображенных на рис. 8.7 и 8.8, одни и те же.