ТКз-12 (Общая теория связи, часть 1) / 02

1

1.3.Помехи и искажения в каналах связи

Вреальном 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 линейные

инелинейные искажения. Как правило, эти искажения обусловлены известными характеристиками канала и могут быть устранены или уменьшены путем коррекции. Помеха – любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так

ипо физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подключившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» – полезный сигнал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

–по происхождению (месту возникновения);

–по физическим свойствам;

–по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние помехи, например, внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста:

где Т – абсолютная температура сопротивления R; F – полоса частот; k = 1,37 10-23 В с/град – постоянная Больцмана.

Как следует из (1.1), эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (T = 0 К).

Среди внешних помех, т. е. помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

–атмосферные (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

–индустриальные, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, медицинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

–помехи от посторонних станций и каналов, возникающие от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

2

– космические, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи.

t средний уровень более чем в 3–4 раза. Но большие (в принципе, бесконечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широкий. Флуктуационные

помехи проникают в систему связи не только извне, они зарождаются также внутри самой системы в различных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в основном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в электронных приборах. К внешним флуктуационным помехам принято относить помехи космического происхождения, помехи, вызванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток

инекоторые другие). Хотя эти помехи по своему происхождению и не являются строго флуктуационными, они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от характера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сигнале она прослушивается как звуковой шум, поэтому часто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размытость контуров и понижение контраста изображения, при телеграфной передаче – ошибочное принятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие их, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромагнитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

Ксосредоточенным по времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности

идлительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени (рис. 1.4).

3

Причинами импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостанции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспечения транспорта; перегрузки усилителей; плохие контакты в оборудовании и питании; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатационные работы (реконструкция, профилактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т. п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различного назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с шириной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра полезного сигнала. В диапазоне декаметровых

нала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в ос-

новном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Простейший пример – телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером являются интерференционные замирания сигнала при приеме на декаметровых волнах.

Приведем пример влияния на полезный сигнал помех различного характера воздействия.

Пусть полезный сигнал представлен гармоническим колебанием u(t) = Um sin(ωt + ϕ0). Рассмотрим, как изменится сигнал при воздействии на него аддитивной и мультипликативной помех в виде постоянной C.

4

На рис. 1.5 представлен график изменения сигнала без помех и с помехами. Функция полезного сигнала с аддитивной и мультипликативной помехами может быть представлена следующим образом:

uАП(t) = u(t) + C = Um sin(ωt+ϕ0) + C,

uМП(t) = u(t) C = Um С sin(ωt+ϕ0) =

= U′m sin(ωt+ϕ0).

Можно сделать вывод, что постоянная аддитивная помеха приводит к появлению (изменению) постоянной составляющей гармонического сигнала, а мультипликативная – к изменению амплитуды сигнала.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как аддитивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина ис- Um кажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и при-

ходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше измерение формы сигнала можно

скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Иначе помехи – они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами – основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи.

При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

5

1.Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективный и широко применяемый метод, но он не всегда приемлем. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).

2.Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3.Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей стороне и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехоустойчивое коди-

рование.

1.4. Основные характеристики систем связи

Исходя из назначения любой системы электросвязи – передача информации от источника к потребителю, можно оценить работу системы по двум показателям: качеству и количеству переданной информации. Эти показатели неразрывно связаны между собой.

Качество передаваемой информации принято оценивать достоверностью (верностью) передачи сообщений. Количественно достоверность характеризуется степенью соответствия принятого сообщения переданному. Снижение достоверности в канале связи происходит из-за действия помех и искажений. Но так как искажение в канале в принципе можно скомпенсировать и в правильно спроектированных каналах они достаточно малы, то главной причиной уменьшения достоверности являются помехи. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы. Под помехоустойчивостью обычно понимают способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений.

Количественную меру достоверности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения. Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества, влияние помехи проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры достоверности можно принять вероятность ошибки p или любую возрастающую функцию этой вероятности.

Косвенной мерой качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируют-

6

ся для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

Прямой мерой качества дискретных сообщений является относительное количество ошибочно принятых знаков (символов) сообщения апр, получившее название коэффициента ошибок Kош,

где Nош – число ошибочно принятых знаков (символов); N – общее число переданных знаков (символов) за время наблюдения tн.

Так как ошибки в канале возникают случайно, то коэффициент ошибок Kош зависит от времени наблюдения. Поэтому в расчетах пользуются предельным значением

при достаточно большом времени наблюдения. В этом случае (практически уже при Noш>20) предельное значение Kош совпадает с вероятностью ошибки Рош. Значение вероятности ошибки, согласно рекомендациям Международного союза электросвязи (МСЭ), должно быть, например, для сетей передачи данных не более 10-6. Это достаточно жесткие требования к качеству, если учесть, что в коммутируемых каналах АТС вероятность ошибки может быть порядка 10-2...10-4, поэтому потребуются специальные меры для исправления ошибок при декодировании.

Косвенной мерой оценки качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения переданному может служить некоторая величина, которая характеризует отклонения принятого сообщения от переданного. Часто принимается критерий квадратичного отклонения, выражающийся соотношением

где tc – длительность сообщения или время его наблюдения; aп(t) – переданное сообщение; апр(t) – принятое сообщение.

Среднеквадратическое отклонение учитывает влияние на принятое сообщение апр(t) как помех, так и всевозможных искажений (линейных, нелинейных).

7

Достоверность передачи зависит от отношения мощностей сигнал/помеха. Чем больше это отношение, тем меньше вероятность ошибки (больше достоверность).

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным элементам сообщения. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием.

Достоверность зависит и от способа приема. Нужно выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе. Правильно сконструированный приемник может увеличить отношение сигнала к помехе, и притом весьма значительно.

Косвенная оценка качества передачи непрерывных сообщений приводится по характеристикам каналов (частотным, амплитудным, фазовым, уровню помех и т. д.), по некоторым параметрам сигналов и помех (коэффициент искажений, отношение сигнал/помеха и т. д.), по субъективному восприятию сообщений. Качество телефонной связи, например, можно оценивать по разборчивости речи.

Косвенные методы оценки качества передачи сообщений удобны

вэксплуатации, количественно легко измеряются созданными для этой цели приборами и поэтому широко применяются на практике.

Прямые методы, как правило, целесообразны в теоретических исследованиях и расчетах. Однако не следует считать, что различные методы дают различную оценку качества. Они связаны между собой функциональной зависимостью. Проведя, например, измерение параметров канала связи, можно рассчитать качество передачи тех или иных сигналов и сообщений по этому каналу.

Есть существенное различие между системами передачи дискретных

инепрерывных сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки

всообщение. В системах передачи дискретных сообщений ошибка возникает только тогда, когда сигнал воспроизводится (опознается) неправильно, а это происходит лишь при сравнительно больших искажениях.

Втеории помехоустойчивости, разработанной В.А. Котельниковым, показывается, что при заданном методе модуляции существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая в реальном приемнике может быть достигнута, но не может быть превзойдена. Приемное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, называется оптимальным (наилучшим) приемником.

Наряду с достоверностью (помехоустойчивостью) важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых

8

двоичных символов в секунду B. Для одного канала скорость передачи определяется соотношением

B = T1 log2m,

где Т – длительность элементарной посылки сигнала; m – основание кода. При m = 2 имеем B = 1/T = v (Бод).

Максимально возможную скорость передачи Bмакс принято называть

пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи аналоговых сообщений оценивают количеством одновременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещательных или телевизионных программ и т. п.

Пропускную способность системы Bмакс не следует путать с пропускной способностью канала связи C (см. гл. 6). Пропускная способность системы связи – понятие техническое, характеризующее используемое оборудование, тогда как пропускная способность канала определяет потенциальные возможности канала по передаче информации. В реальных системах скорость передачи B всегда меньше пропускной способности канала С. В теории информации доказывается, что при B ≤ C можно найти такие способы передачи и соответствующие им способы приема, при которых достоверность передачи может быть сколь угодно большой.

Из рассмотренного следует, что количество и качество передаваемой информации в канале связи в основном определяются помехами в канале. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем связи необходимо добиваться не только малых искажений принятого первичного сигнала, но и заданного превышения сигнала над помехами. Обычно нормируется отношение сигнал/помеха для принимаемых первичных сигналов.

Важной характеристикой системы связи является задержка. Под задержкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и моментом выдачи восстановленного сообщения приемным устройством. Задержка зависит, во-первых, от характера и протяженности канала, вовторых, от длительности обработки в передающем и приемном устройствах. Скорость передачи и задержка являются независимыми характеристиками, практически не связанными друг с другом.

Существуют и многие другие параметры, характеризующие с различных точек зрения качество системы связи. К ним, в частности, относят-

ся скрытность связи, надежность системы, габариты и масса аппаратуры, стоимость оборудования, эксплуатационные расходы и т. п. Эти характеристики в курсе «Теория электрической связи» не рассматриваются. Им посвящены отдельные разделы других специальных курсов.