Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

хи создает грозовой разряд. Ток грозового разряда в. пике импульса достигает сотен тысяч ампер при напряжениях порядка сотен миллионов вольт. Кроме того, длина излучающей системы

(пути тока} достигает нескольких километров, поэтому напряженность поля, создаваемого грозовыми разрядами, достигает

больших значений даже на больших расстояниях от района гро- зовой деятельности. На расстояниях порядка сотни километров

более импульсов с длительностью т порядка нескольких десятков и сотен микросекунд с интервалами между импульсами в несколько десятков миллисекунд. Центрами грозовой активности на земном шаре являются район Мексиканского залива, экватори-

альная Африка, экваториальная зона Западного полушария. Современные исследования показывают, что каждую секунду на

земном шаре возникает около ста молний, поэтому практически всегда следует считаться с этим видом радиопомех.

` Обстоятельный анализ электрической структуры атмосферных радиопомех выполнен Н. Н. Крыловым. На основе его работ

можно определить зависимость уровня поля радиопомех от частоты. .

Рассмотрим спектр одиночного грозового разряда. С достаточным приближением можно считать, что ток грозового разряда изменяется по экспоненциальному закону:

ь=А ехр(—@0 при >0, 5=0 приё < 0,

где а- показатель экспоненты (по результатам эксперименталь-

ных исследований а== (10*-- 105) 1/с.

График зависимости тока от времени изображен на рис. 9.1. Найдем спектральную плотность амплитуд. Согласно преоб-

разованию Фурье

=8 (0) 90%).

л (а 16}

Модуль спектральной плотности амплитуд и ее фаза определя-

ются следующими соотношениями: $ (в) =/п ИУ а? 92, ф()= ——агсфо (®/а). В области низких частот, где о«а, спектральная

Функция $(®) не зависит от частоты: 5 (®) =о/па. На высоких частотах «а спектральная функция изменяется обратно про-

На рис. 9.2 изображена зависимость спектральной плотности амплитуд 3(®) от частоты ®. В качестве предельной частоты фи,

выше которой можно считать, что спектральная функция изменяется обратно пропорционально частоте, примем частоту, на ко-

251

$ (и)= Гл Ус, а?= //пау2.

Таким образом, можно считать, что на радиочастотах спекгральная плотность амплитуд помехи от единичного грозового разряда убывает с увеличением частоты. Указанная закономерность характерна для большинства форм импульсов грозовых разрядов и подтверждается экспериментом [20].

Уровень атмосферных радиопомех зависит также от времени года. Летом уровень помех, как правило, больше, чем зимой.

Расположение очагов грозовой активности в определенных, ограниченных районах земного шара позволяет снизить напряжение помех на входе приемника путем применения направленных

антенн, осуществляющих пространственный выбор сигнала. Улуч- шение отношения сигнал-помеха в этом случае будет обеспечено при условии, если направление от места приема к месту переда-

чи не совпадает с направлением на очаг грозовой активности. Распределение амплитуд атмосферной радиопомехи от дальних гроз удовлетворительно описывается логарифмически— нормальным законом распределения [42].

Индустриальные радиопомехи. Причинами возникновения ин-

ента потенциала и работа электроустановок, генерирующих колебания высокой частоты.

Спектры индустриальных радиопомех зависят не только от свойств источника помех, но и от свойств цепи связи источника помех с приемником. Спектры индустриальных радиопомех мо-

гут быть сплошными, линейчатыми и промежуточного типа, при-

252

чем расположение максимумов спектральной функции зависит от характера источника и от коэффициента передачи цепи связи ис-

точника помех с приемником. Например, помехи от системы зажигания автомобильных двигателей имеют максимум в диапазо-

не УКВ, соответствующий резопансу проводников в цепи зажига-

ния. Помехи от электросварочных установок с длиной проводов, доходящей до сотни метров, имеют максимум спектральной функ-

ции в диапазоне средних волн. Изменения тока в реальных элек-

трических устройствах происходят с конечной скоростью в течение конечных интервалов времени. Поэтому основная энергия ра-

диопомехи содержится в области сравнительно низких частот и уже в диапазоне УКВ обычно оказывается малой.

Космические радиопомехи. На различных объектах Вселенной

происходят процессы, сопровождающиеся излучением электромагнитной энергии в широком диапазоне частот. Можно предположить, что часть этих процессов отличается чрезвычайно малой продолжительностью и поэтому создает равномерный спектр радиопомех, часть же — отличается сравнительно большой продолжительностью и создает помехи, интенсивность которых убывает с увеличением частоты. Любая антенна, принимающая электромагнитное излучение, обладает активным сопротивлением ЮА, в идеальном случае равным сопротивлению излучения. Предполо-

жим, что сопротивление излучения для радиоприемника является источником космических радиопомех. Энергия этого источника зависит от ряда факторов: пространственного распределения и ин-

тенсивности реальных внешних источников помех, формы диаграммы направленности приемной антенны и ее ориентировки относи-

тельно источников. Энергию космических радиопомех, извлекаемую приемной антенной, можно оценить шумовой температурой ан-

тенны ГА и рассчитать квадрат эффективного значения эдс шу- ма е?„л› по формуле Найквиста:

ео =4АТА КАД,

где В=1,38.10-23 дж/—градпостоянная Больцмана; ТА — шумовая температура антенны, К; Кл — сопротивление излучения ан-

тенны; АГ — эффективная полоса пропускания приемника.

Если максимум диаграммы направленности приемной антенны ориентирован на источник © некоторой шумовой температурой

Т, и ширина диаграммы равна телесному углу, в пределах котоРого виден источник, то уровень помех в антенне и, следователь-

Но, се шумовая температура будут равны температуре этого источника. При известном распределении шумовых температур во

Вселенной 7(а, В) шумовая температура антенны Тл= (1/4 п) ФТ (а, В) С (а, Ва,

Где о, В — угловые координаты источников шума; С (а, В) — ко- Эффициент усиления антенны в направлении источника с шумоВОЙ температурой Т(а, В).

253

пература недр Солнца).

Из рис. 93 видно, что уровень космических радиопомех убывает с ростом частоты приблизительно так же, как убывает уро-

вень атмосферных радиопомех (напомним, что напряженность поля атмосферных радиопомех изменяется обратно пропорционально частоте и, следовательно, шумовая температура антенны, обусловленная грозовой активностью газовой оболочки Земли, изменяется обратно пропорционально квадрату частоты). Указанная зависимость свидетельствует о том, что в диапазоне частот 40—

200 МГц космические помехи определяются процессами нетеплово-

го происхождения и сходны с процессом обмена зарядами крупных газовых масе.

В области частот около 1,5 ГГц возникает увеличение шумо* вой температуры антенны из-за излучения межзвездного водорода, на частоте около 10 ГГц наблюдается также максимум шума, обусловленного поглощением энергии ионизированными молекула-

ми воды. Таким образом, интенсивность космических помех име-

254

ет минимум в определенных областях радиочастот, получивших

название «радиоокон», в пределах которых целесообразна радиосвязь с космическими объектами и аппаратами В этих областях частотного диапазона можно получить лучшее отношение сигнал-

шум при заданной мощности передатчика, размещенного на космическом аппарате Распределение амплитуд космических помех

близко к нормальному закону.

Рис. 9.4

Излучения посторонних радиостанций. Появление составляюющих радиопомех от посторонних радиостанций в спектре жела-

тельного сигнала может быть обусловлено следующим: избыточ-

ной полосой спектра излучения радиостанций; недостаточной ста- бильностью частоты радиопередатчиков; недостаточной фильтрацией гармоник мощных станций, нарушением регламента рабочих частот, нелинейными процессами в пространстве распространения радиоволн, получившими название люксембург-горьковского

эффекта; перекрестными помёхами и помехами от взаимной мо- дуляции, обусловленными недостаточной избирательностью цепей приемника. включенных перед усилительными приборами.

Согласно исследованиям, опубликованным в [56], уровень помех от пссторонних радиостанций на любой случайно выбранной

частоте в диапазоне КВ достаточно хорошо аппроксимируется нормальным законом

среднее значение и среднее квадратическое отклонение уровней

помех на одной частоте за время Т. На ансамбле частот йт, бит являются случайными величинами.

9.2.Анализ воздействия импульсных помех на радиоприемник

иметоды борьбы с импульсными помехами

Первая обстоятельная работа, посвященная анализу действия

импульсных помех на радиоприемник, была выполнена А. Н. ЩуКИНЫМ.

Основные положения этой работы позволили получить необходимые для практики расчетные соотношения.

255

Предположим, что высокочастотный тракт приемника пред*

ставляет собой полосовой усилитель. Амплитудно-частотная ха“ рактеристика этого усилителя изображена на рис. 9.5 в виде пря-

моугольника с основанием А@. и высотой Ко. Фазовая характеристика принята идеальной с угловым коэффициентом &. Уравнение фазовой характеристики определяется` формулой

ф, = — (@— ви) в,

ГДе 6 — резонансная частота усилителя; № — время запаздывания

сигнала в усилителе.

Предположим, что спектральная плотность амплитуд импульс-

ной помехи равна $(%) (рис. 9.6), тогда импульсная помеха в бесконечно малом интервале частот 4ю может быть представлена гармоническим колебанием вида

дин= 5 (®) ао с0$ [®ЁФ--(®)],

где ф(о) — ордината фазового спектра импульсной помехи.

Идеальный полосовой усилитель пропускает к выходу лишь составляющие в интервале частот АО, увеличивая их амплитуды

,—(А8/2)

Учитывая, что в пределах сравнительно узкой полосы частот усилителя спектральная плотность амплитуд помехи изменяется незначительно, можно принять, что 5 (®)=5 во =соп$, ф(®)= =Ф(00) и вынести $ (90) за знак интеграла, тогда

®Фо-[(Абь/2)

Ин.вых = Код (60) { с0$ [6 (1—1) НФ (во) Е в, В] 4%. ®,— (28/2)

256

Выполняя интегрирование и преобразуя разность синусов двух углов, получаем

Ип вых = 2 Ко (6%) [п (6/2) (#— %)/(#— )] соз [9% #--Ф (®)]

где Он (Р =2Коз (60) зщ[ (АО о/2) (1—5) ]/(1—Ь) — огибающая ам-

плитуда помехи на выходе избирательного усилителя.

Из выражения (9.1) следует, что импульсная помеха произвольной формы вызывает на выходе полосового усилителя высокочастотное колебание с частотой, равной центральной частоте

„Наибольшая амплитуда напряжения помехи на выходе усилителя появится при хи =0, т. е. при =.

Максимальная амплитуда помехи

От п шах = Ко о (60) АО,.

Видно, что максимальная амплитуда выходного напряжения помехи прямо пропорциональна ширине полосы пропускания усилителя АФо и спектральной плотности помехи на частоте настройки усилителя $ (00). График изменения амплитуды напряжения помехи на выходе усилителя и ее пиковых значений в функции времени изображен на рис. 9.8. Линейная зависимость макси-

мальной амплитуды выходного напряжения от полосы пропускания обусловлена тем, что все составляющие помехи, попадающие

в полосу пропускания усилителя, синфазны. Поэтому с увеличением полосы пропускания усилителя и соответственно с линейным увеличением числа составляющих помехи, проходящих че-

{фез усилитель, будет линейно увеличиваться максимальная ам-

‹плитуда.

Определим длительность помехи на выходе усилителя. Дли- -тельностью помехи т: на выходе усилителя назовем время, в те-

‘чение которого пиковые напряжения помехи превышают полови-

‚Ну максимальной величины.

На рис. 9.8,а изображено изменение огибающей амплитуд но-

‘мехи на выходе тракта и на рис. 9.—8,огибающая пиковых ‘значений. Из рис. 9.8,6 можно определить длительность помехи

на выходе усилителя:

где & — момент времени, когда пиковое напряжение помехи на выходе усилителя после максимального достигает половины мак-

симальной величины.

Время В определим, используя соотношение (9.2), где для пиковых значений зш х= 1, т. е.

° Аб ЛЕ,ВБ

Таким образом, длительность существования помехи на выходе усилителя обратно пропорциональна его ширине полосы про-

„для любых форм импульсных помех.

Система «Широкая полоса — ограничитель — узкая полоса» как мера борьбы с импульсными помехами

Определим отношение сигнала к импульсной помехе на вы-

ходе блока с узкой полосой пропускания.

Предположим, что на входе усилителя с полосой пропускания АЕРу, изображенного на рис. 9.9 в виде избирательного четырех-

я— мехи на входе соответственно

`Максимальная амплитуда напряжения помехи на выходе уси:

лителя Отп.вых== Ко (шо) АО), где АО, =2лАР,.

258

Составим отношение амплитуды сигнала к максимальной амплитуде помехи на выходе усилителя:

(СШ)вых =. О те-вых/ У тт.вых =— Итс/5 (во) АО,

Найдем выигрыш в отношении сигнала к помехе, обеспечива- емый блоком узкой полосы:

где $ — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы

импульсной помехи и частоты Фо.

Согласно соотношению (9.7) формулу (9.6) запишем в виде В = /ЬАФ,.

Таким образом, выигрыш в отношении сигнал-помеха увеличивается с уменьшением полосы пропускания блока узкой полосы. При наименьшей ширине полосы пропускания А@,, определяе-

мой шириной спектра полезного сигнала, выигрывг максимален. Обычно напряжение помехи на входе— порядка вольт, а напря-

жение полезного сигнала— порядка микровольт. Поэтому, несмотря на наличие большого выигрыша в отношении сигнал-по- меха на выходе блока с узкой полосой, это отношение оказывается меньше единицы в десятки и сотни раз.

Если бы удалось путем включения ограничителя обеспечить отношение сигнал-помеха на входе блока узкой полосы равным

единице, то отношение сигнал-помеха на выходе системы «ограни- читель-блок узкой полосы» было бы равно выигрышу, даваемо-

му блоком узкой полосы.

В настоящее время техника радиоприема не располагает ограничителями с малым порогом ограничения, поэтому улучшение системы борьбы с импульсной помехой возможно лишь при использовании на входе (перед ограничителем) дополнительного усилителя, который усилил бы полезный сигнал до порога ограничения ограничителя Ипор.

Чтобы уменьшить энергию импульсной помехи на входе блока узкой полосы, необходимо уменьшить длительность существования помехи на выходе предварительного усилителя, т. е. увеличить его полосу пропускания.

Таким образом, из-за невозможности выполнить ограничитель

с необходимым малым порогом ограничения на практике используется система «широкая полоса — огранйчитель— узкая поло-

сах (ШОУ), предложенная В. И. Сифоровым. Структурная схе-

ма системы ШОУ изображена на рис. 9.10. В этой системе в качестве первого блока используется широкополосный усилитель

(ШУ), основное назначение которого состоит в усилении полезного сигнала до порога ограничения ограничителя (О). С целью уменьшения энергии помехи на выходе ограничителя или, что то

же, на входе блока с узкой полосой (УУ) необходимо увеличивать АРш — полос пропускания этого блока.

Ограничитель улучшает отношение сигнал-помеха на входе блока узкой полосы. В последнем блоке системы (в усилителе с узкой полосой пропускания АР,) осуществляется основное огра-

мехи на входе блока с узкой полосой, определяемая в первом

Видно, что Во растет с увеличением коэффициента усиления блока с широкой полосой пропускания. Максимальный выигрыш Вотах соответствует максимальному коэффициенту усиления

Во тах= От Аб/8 И тс АО,.

Максимальный выигрыш системы ШОУ прямо пропорционален отношению ширины полосы пропускания блока с широкой полосой к ширине полосы пропускания блока с узкой полосой и

отношению амплитуды помехи к амплитуде сигнала.

Представляет интерес максимально достижимое — отношение сигнал-помеха на выходе системы ШОУ:

(9.10)

260